Гиперболоид инженера шухова кратко

Обновлено: 04.07.2024

🚃Усадьба Нечаевых. Деревня Полибино Липецкой области Водонапорная башня построена в 1896 году для Всероссийской промышленной и художественной выставки, что в Нижнем Новгороде. После выставки в свою усадьбу ее увез известный меценат Нечаев-Мальцев. Первая в мире гиперболоидная конструкция. Фото Dmitry A. Shchukin

🚃Близ Дзержинска Нижегородской области. Шуховская башня на Оке 1929 г. Служила опорой для линии электропередач. Сохранилась только одна из шести. фото Мария Анашина.

🚃Аджигольский маяк под Херсоном. Построен в 1911 г. Гиперболоидный маяк в Днепровском лимане – это самая высокая односекционная башня Шухова. Его высота – 70 м. Он находится в устье Днепра на искусственном острове у села Рыбальче.

🚃Петушки. Владимирская область. Водонапорная башня построена в 1927 г. Высота 70 м. Основным предназначением башни была заправка паровозов водой, в годы, когда Петушки являлись крупной узловой станцией.

🚃Борисов. Беларусь. Шуховская водонапорная башня, 1927 г. Она служила основанием водонапорной башни, которая снабжала водой паровозное депо.

🚃Белая Церковь. Украина. Шуховская водонапорная башня 1929 г. Была взорвана во время Великой Отечественной войны, но в 1946 году полностью восстановлена.

🚃Копосово Сормовского района Нижнего Новгорода. Шуховская пожарная каланча. Около башни жителями села устраивались народные гулянья, сельские сходы, влюбленными назначались свидания, башня была местной достопримечательностью.

Добрый гений инженера Владимира Шухова

В 1896 году в Нижнем Новгороде проходила XVI Всероссийская промышленная и художественная выставка. Здесь были представлены удивительные технические новинки: первый в России электрический трамвай, первый в мире радиоприёмник (грозоотметчик, как его тогда называли) Александра Попова, первый русский автомобиль конструкции Евгения Яковлева и Петра Фрезе и многое другое. Масштабы выставки поражали: чтобы осмотреть все экспонаты, потребовалось бы не менее недели.

Авторами выставочных павильонов были лучшие архитекторы того времени: Александр Никанорович Померанцев, Леонтий Николаевич Бенуа, Лев Николаевич Кекушев, Федор Осипович Шехтель и многие другие. Но более всего обращали на себя внимание творения инженера Владимира Григорьевича Шухова (1853-1939): восемь легких построек с перекрытиями в виде сетчатых оболочек, круглый стальной павильон-ротонда и гиперболоидная башня. Никогда и нигде прежде публика такого не видела.

Строительство овального павильона с сетчатым стальным висячим покрытием для Всероссийской выставки 1896 года в Нижнем Новгороде, фотография А.О.Карелина, 1895 Первая в мире стальная мембрана-перекрытие. Ротонда В.Г.Шухова, Нижний Новгород, 1896 Первая в мире гиперболоидная конструкция В.Г.Шухова на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде, фотография А.О.Карелина, 1896

Гиперболоидная 37-метровая башня Шухова поражала своей необычностью. Она имела изящную вогнутую форму, но при этом была построена из прямых балок! Это была водонапорная башня, снабжавшая водой всю выставку. Над баком была установлена смотровая площадка, куда вела винтовая лестница. От желающих взглянуть на выставку с такой высоты не было отбоя.

После Нижегородской выставки башню выкупил фабрикант и меценат Юрий Степанович Нечаев-Мальцов (1834-1913) и перенес её к себе в имение — в село Полибино Данковского района Липецкой области. Она сохранилась до настоящего времени, является памятником архитектуры и находится под охраной государства. Однако её конструкции поражены коррозией и нуждаются в срочной реставрации.

Еще до революции Владимир Григорьевич Шухов, выпускник Императорского Московского технического училища, сотрудник фирмы Бари, прославился как гениальный инженер. В крупнейших магазинах того времени — Верхних торговых рядах (ныне ГУМ, Москва, 1893) и Фирсановском (Петровском) пассаже (Москва, 1903-1906), им были сконструированы арочные стеклянные своды. На Выксунском металлургическом заводе (Выкса, 1897) впервые в мире он применил сетчатые оболочки-перекрытия двоякой кривизны. Конструкции Шухова можно увидеть в зданиях Киевского вокзала в Москве (1899) и Московского центрального почтамта (1899). Для Музея изящных искусств в Москве (Государственный музей изобразительных искусств имени Пушкина, 1912) Шухов сконструировал светопрозрачные перекрытия в виде стальных арок со стяжками и рамных конструкций. Он принимал участие в проектировании и строительстве Нового Мытищинского водопровода в Москве. И это далеко не полный список!

Большой популярностью пользовались гиперболоидные конструкции Шухова. Они применялись для строительства водонапорных башен, морских маяков, мачт военных кораблей, опор линий электропередач. Шухов сконструировал не менее 200 сетчатых гиперболоидных башен, из которых до нашего времени дошла лишь десятая часть. Так, на Украине сохранились 32-метровая водонапорная башня в Николаеве (1907), односекционный 70-метровый Аджигольский маяк в Днепровском лимане под Херсоном (1910), 34-метровая водонапорная башня в городе Черкассы (1913-1914) и другие.

Владимир Григорьевич Шухов, фото 1891 года

Но не только гиперболоиды и сетчатые конструкции прославили Шухова. Он внес огромный вклад в развитие нефтяной и газовой промышленности: сконструировал первые в России нефтепроводы, мазутопроводы с подогревом, цилиндрические резервуары-нефтехранилища, речные танкеры, разработал основы нефтяной гидравлики, изобрел установки для крекинга (высокотемпературной обработки) нефти, трубчатые паровые котлы и многое-многое другое.

В конце XIX века по типовым шуховским проектам были построены 417 мостов. Свою руку приложил Шухов и к созданию новой Мытищинской системы водоснабжения Москвы. В годы Первой Мировой войны он создает морские мины и платформы тяжёлых артиллерийских систем, проектирует батопорты морских доков.

Неудивительно, что творения Шухова были востребованы советской властью. Они полностью отвечали духу и эстетике новой эпохи. Владимир Григорьевич отказался от эмиграции, полагая, что его профессия и навыки будут востребованы в Советской России.

В сущности, так оно и произошло, хотя прославленный к тому времени инженер был вынужден жить в весьма стесненных условиях. Ему были присуждены высокие звания и государственные награды: член-корреспондент и почётный член Академии наук СССР, лауреат премии имени Ленина, Герой Труда.

Поистине, это был человек-гигант, предопределивший многие направления развития промышленности и архитектуры не только XX, но и XXI века.

Гиперболоиды и гиперболоидные конструкции

Теперь настало время разобраться в общих чертах, что же такое гиперболоид. Однополостный гиперболоид, который Шухов использовал для строительства своих башен — дважды линейчатая поверхность. Это означает, что через любую точку такой поверхности можно провести две пересекающиеся прямые линии, которые будут целиком принадлежать этой поверхности. Прямые балки, установленные на поверхности вдоль этих линий, образуют характерную решётку. Само сооружение имеет характерную вогнутую форму.

Уникальная черта таких гиперболоидных конструкций — жесткость, ветроустойчивость и способность нести вес, превышающий массу самой конструкции. Еще один существенный плюс — невысокая материалоемкость и, следовательно, дешевизна.

В математике однополостный гиперболоид определяется как вид поверхности второго порядка в трёхмерном пространстве, задаваемый в декартовых координатах уравнением:

где a и b — действительные полуоси, а c — мнимая полуось. Если a = b, то такая поверхность называется гиперболоидом вращения. Однополостный гиперболоид вращения получается путем вращением гиперболы вокруг её мнимой оси.

Кроме того, существует двуполостный гиперболоид, который описывается уравнением:

где a и b — мнимые полуоси, а c — действительная полуось. Двуполостный гиперболоид вращения может быть получен вращением гиперболы вокруг её действительной оси.

Однако для того, чтобы гиперболоидные конструкции нашли применение в строительстве, нужен был толчок. Или счастливый случай. Владимир Шухов позднее вспоминал:

О гиперболоиде я думал давно. Шла какая-то глубинная, видимо, подсознательная работа, но всё как-то вплотную я к нему не приступал… И вот однажды прихожу раньше обычного в свой кабинет и вижу: моя ивовая корзинка для бумаг перевернута вверх дном, а на ней стоит довольно тяжелый горшок с фикусом. И так ясно встала передо мной будущая конструкция башни. Уж очень выразительно на этой корзинке было показано образование кривой поверхности из прямых прутков.

Невольным соавтором открытия Шухова оказалась горничная, которая поставила тяжелое растение на перевернутую корзину…

Линейный корабль типа Colorado, США

Такие великие архитекторы XX века, как Гауди, Ле Корбюзье, Оскар Нимейер весьма часто использовали гиперболоидные конструкции, что придавало их творениям особую пластику и визуальную привлекательность. В знаменитом Саграда Фамилия (храм Святого Семейства) в Барселоне тоже применяются гиперболоиды.

Гиперболоидные башни украшают разные города мира. Самая высокая из ныне существующих — 600-метровая башня Canton Tower в Гуанчжоу в Китае, построенная в 2005-2010 годах.

Башня Canton Tower в Гуанчжоу

Шаболовская башня в Москве

В 1919 году Шухов приступил к созданию радиобашни на Шаболовке в Москве, ставшей самым знаменитым творением инженера. Она должна была заменить радиостанцию на Ходынском поле, которая уже не справлялась с растущими объемами радиограмм.

Строительство началось в 1920 году. По первоначальному проекту, башня должна была состоять из девяти секций и достигать в высоту 350 метров, что было на 30 метров выше парижской Эйфелевой башни.

Чертеж Шаболовской башни, 1919 год

Однако из-за острой нехватки строительных материалов в условиях Гражданской войны высоту башни пришлось уменьшить до 148,5 метров, а число гиперболоидных секций сократить до шести. Высота каждой секции составляла около 25 метров. Новая башня выглядела весьма внушительно. Её масса составила 240 тонн. Проект был одобрен лично Владимиром Ильичом Лениным.

Строительство башни на Шаболовке. Гиперболоидные секции собирались внизу и затем по одной поднимались наверх

Однако в 1921 году во время подъёма четвёртой секции произошла авария, в результате которой была серьезно повреждена третья секция. Погибло нескольких рабочих. Шухов был обвинен в саботаже и приговорен к расстрелу с отсрочкой наказания до окончания строительных работ.

Разрушение третьей секции при строительстве Шаболовской башни

Общая высота Шаболовской башни составила 160 метров. 19 марта 1922 года отсюда началась трансляция радиопередач.

Шаболовская башня в 1940-е годы

Шаболовская башня активно эксплуатировалась вплоть до постройки Останкинской телебашни (1960-1967), куда были перенесены большинство передатчиков. Но и позднее Шаболовка в самые тяжелые моменты спасала положение. Так, после пожара в Останкинской телебашне в 2000 году Шаболовская башня почти полтора года поддерживала вещание основных российских телеканалов.

Шуховская радиобашня на Шаболовке

К несчастью, в наши дни Шуховская башня на Шаболовке находится в аварийном состоянии. Сказалась усталость некачественного материала, хотя сам Шухов рассчитал, что его гиперболоидные сооружения при соблюдении всех технологий строительства простоят до 200 лет.

Внутри башни видны поддерживающие её конструкции

В 2014 году Шаболовскую башню было предложено разобрать и перенести на другое место, с заменой поврежденных конструкций. Однако идея переноса творения Шухова, ставшего одним из символов столицы, вызвала сильнейшее сопротивление общественности. Был проведен референдум, на котором почти 90% москвичей высказались за сохранение башни на прежнем месте.

Шаболовская башня вечером, вид со Смотровой площадки на Воробьевых горах

В 2016 году Всемирный фонд памятников (World Monuments Fund) внес Шаболовскую радиобашню в список объектов, находящихся под угрозой исчезновения (World Monuments Watch). В этом же году внутри башни установили дополнительную конструкцию, которая снимает часть нагрузки с каркаса. Для облегчения конструкции, с башни сняты почти все передатчики. Сейчас готовится проектная документация по реконструкции башни.

Шаболовская радиобашня

Башня Шухова на Оке

Шуховская башня на Оке

Башня Шухова на Оке, фото 1988 года

В декабре 2014 года по предложению Министерства культуры России, единственной сохранившейся Шуховской башне ЛЭП на Оке был присвоен статус объекта культурного наследия федерального значения. Украденные балки восстановили заново. Впрочем, этот инцидент наглядно показал устойчивость шуховских конструкций.

Онлайн-сервисы, которые помогают мне путешествовать:
Дешевые авиабилеты: Aviasales
Гостиницы и базы отдыха: Booking
Туристическая страховка: Cherehapa
Экскурсии на русском языке: Tripster и Sputnik8

Хотите узнать больше о Китае?
Об этом я пишу в своем телеграм-канале "Срединный Путь"

Почти 94 года назад началось широкое радиовещание с одного из инженерных шедевров того времени — радиобашни, построенной в Москве по проекту Владимира Григорьевича Шухова. Талантливейший инженер, к тому времени уже ставший академиком, возведший множество сложных сооружений по всей стране, Владимир Григорьевич воплотил в своей башне замечательную идею — выполнил несущую конструкцию в виде гиперболоида вращения. Высокая прочность, ветровая устойчивость, дешевизна производства и простота возведения, помноженные на визуальную легкость и изящество башни, по праву сделали ее одним из символов инженерно-архитектурного мастерства. И хотя Шухов спроектировал и построил немало более сложных и совершенных объектов, именно башня стала самым известным его творением.

Башня на Шаболовке — далеко не первая гиперболоидная конструкция, возведенная Владимиром Григорьевичем. Еще в январе 1896 года он подал заявку на получение патента на устройство подобных сооружений. Эта гениальная в своей простоте и эффективности идея родилась у него благодаря анализу… плетеных крестьянских корзин. И впервые она была воплощена в металле на Нижегородской промышленно-художественной выставке 1896 года, где Шухов возвел водонапорную башню высотой 25 м. Резервуар вмещал 10 тыс. ведер воды, а сверху располагалась смотровая площадка, куда вела винтовая лестница.

Эта водонапорная башня сохранилась до наших дней. Она представляет собой однополостной гиперболоид вращения, созданный из 80 прямых стальных профилированных балок. Для повышения прочности были добавлены восемь стальных колец, стягивающих конструкцию.

Стоит отметить, что на этой выставке гиперболоидная башня была не единственным уникальным сооружением Шухова. По его проектам в Нижнем Новгороде впервые в мире возвели стальные сетчатые висячие своды, образующие выставочные павильоны, включая так называемую ротонду Шухова.

После выставки Шухов создал множество ажурных металлических сводов для самых разных объектов. Одними из самых ярких примеров являются своды Киевского вокзала и ГУМа в Москве.

Гиперболоидные и висячие сетчатые конструкции воплощались на сотнях объектов: на заводах, на водонапорных башнях, в общественных зданиях. А под Херсоном был возведен 80-метровый маяк.

Вклад Владимира Григорьевича в индустриализацию Российской империи и Советского Союза неоценим. С его участием возводились такие гиганты промышленности, как Магнитка, Челябинский тракторный завод, Белорецкий, Выксунский, Ижевский и Нижнетагильский заводы, Азовсталь, кавказские нефтепроводы, снабжавшие страну стратегически важным ресурсом. Спустя годы все эти предприятия позволят нашей стране выстоять в жесточайшей войне.

В 1919 г. Владимир Григорьевич Шухов создал проект 350-метровой гиперболоидной радиобашни — именно она должна была возвышаться сегодня на Шаболовке.

Когда-то Эйфель прославился на весь мир, возведя в центре Парижа 324-метровую башню. Но проект В. Шухова затмил бы конструкцию француза по целому ряду параметров. На создание Эйфелевой башни потребовалось 7,3 тыс. тонн металла, а масса гиперболоидной башни должна была составить всего 2,2 тыс. тонн, при этом она оказалась бы выше на 26 м.

Увы, этот уникальный проект не был реализован. Шел 1919 год, в стране царила гражданская война и разруха.

Металл был в большом дефиците, и Шухову отказали в возведении башни. Тогда неутомимый инженер создал новый проект — высотой около 150 м и весом 240 т. Он был одобрен Лениным, начались работы по возведению.

Постановление Совета рабоче-крестьянской Обороны.

Для обеспечения надежной и постоянной связи центра Республики с западными государствами и окраинами Республики поручается Народному Комиссариату Почт и Телеграфов установить в чрезвычайно срочном порядке в г. Москве радиостанцию, оборудованную приборами и машинами наиболее совершенными и обладающими мощностью, достаточной для выполнения указанной задачи.
Всем государственным учреждениям и организациям предлагается оказывать Народному Комиссариату Почт и Телеграфов в выполнении этой задачи самое деятельное и энергичное содействие по части снабжения всеми необходимыми материалами, транспорта ж. дорожного, водного и гужевого и по привлечению к этой работе квалифицированных и не квалифицированных рабочих, обеспечив их продовольствием и жилищем.
Работающих по установке радиостанции считать мобилизованными на месте и потому не подлежащими к призыву /независимо от возраста/ до тех пор, пока радиостанция не будет закончена.
Всем рабочим квалифицированным и не квалифицированным, работающим по установке радиостанции, выдавать красноармейский паек до тех пор, пока радиостанция не будет закончена.
Для наблюдения за выполнением этой задачи в кратчайший срок и правильностью производимых работ учредить распоряжением Компочтеля особую комиссию из работников Компочтеля и представителей от В.С.Н.Х. Государственного контроля и от Радио-секции Пролетарского Производственного Союза Народной связи; членам комиссии установить особое вознаграждение в пределах норм, предусмотренных постановлениями С.Н.К. о совместительстве.

Радиобашня Шухова состоит из шести ярусов (высота каждого — 25 м). Каждый ярус представляет собой гиперболоид вращения — объемную конструкцию из прямых стальных балок, концы которых скреплены стальными кольцами.

Первый ярус опирается на бетонный фундамент диаметром 40 м и глубиной 3 м. Башня возводилась без использования лесов или подъемных кранов — каждый следующий ярус собирался внутри башни, и с помощью блоков и лебедок поднимался наверх. То есть башня вырастала телескопически.

Снабжение стройки металлом осуществлялось по личному распоряжению Ленина, но перебои все равно возникали. Да и качество металла тоже не всегда было удовлетворительным. При подъеме четвертого яруса оборвался стальной трос, и упавшая конструкция повредила уже возведенные ярусы. Это происшествие едва не стоило жизни самому Шухову, поскольку комиссия ЧК изначально расценила это как саботаж.

К счастью, подтвердилась настоящая причина обрыва — усталость металла, поэтому строительство было возобновлено.

Вот цитата из рабочей тетради Шухова, датированная 28 февраля 1919 г., в которой описывается методика расчета радиуса опорных колец каждого гиперболоидного яруса:

Исходя из этих данных, радиус опорного кольца яруса n выражается формулой:

R = 2,75 * n + 0,25 * n * (n – 1)/2.

А поскольку высота каждой секции составляет 25 м, то расстояние от вершины башни до опорного кольца секции n равно H = 25 * n. Тогда вышеприведенную формулу можно выразить так:

R = H * H/5000 + H * 21/200

Хотя надо отметить, что фактические размеры опорных колец совпадают с расчетными лишь у четырех нижних ярусов. То есть Шухов внес изменения в проект уже на стадии строительства. Также результаты современных обмеров показывают, что узлы соединения балок разных ярусов совершенно не совпадают с чертежами 1919 года. То есть можно предположить, что после начала возведения Владимир Григорьевич продолжал совершенствовать конструкцию башни, внеся немало изменений по сравнению с исходным проектом.

В 1922 году строительство башни завершилось, и 19 марта началось регулярное радиовещание. В марте 1939 года Шуховская башня стала главным источником и символом телевещания в СССР, сохранив эту роль до ввода в строй Останкинской телебашни.

Гиперболоидная конструкция оказалась очень экономичной с точки зрения металлоемкости, но при этом достаточно прочной. А ее ажурность позволяет эффективно противостоять ветровой нагрузке, главному врагу высотных сооружений. Элементы конструкции просты в производстве, следовательно, стоимость их невысокая. При строительстве не требуется применения сложных или трудоемких технологий, так как соединения выполнялись методом клепки. Устойчивость башни обеспечивается не только за счет взаиморасположения балок, составляющих гиперболоиды, но и благодаря некоторой доле подвижности клепаных соединений, в отличие от сварных или болтовых.

Хотя Шуховская башня в 2 раза ниже Эйфелевой, все же интересно провести поверхностное сравнение данных проектов. О металлоемкости уже упоминалось выше: при сравнимой высоте на конструкцию Шухова требуется в 3 раза меньше металла. Кроме того, башня на Шаболовке более технологична с точки зрения разнообразия номенклатуры деталей и соединительных узлов.

Вот копия чертежа 1919 года:

Башня состоит из прямых балок и кольцевых опор, простых и недорогих в изготовлении. Узловые соединения также имеют простую конфигурацию. Несмотря на то, что фактические конфигурации узлов не совпадают с проектом, они остаются столь же простыми и технологичными.

А вот чертежи Эйфелевой башни, ее соединений и некоторых элементов:

Кто-то может возразить, что Эйфелева башня обладает более высокой ветровой устойчивостью. Действительно, за всю историю наблюдений максимальное отклонение верхушки символа Парижа от действия ветра достигло 12 см. Любопытно, что на массивную металлическую конструкцию куда большее воздействие оказывает… солнечный свет. В яркий летний день, когда светило нагревает одну из сторон Эйфелевой башни, ее верхушка может отклоняться на 18 см из-за неравномерности теплового расширения элементов.

Надо сказать, что на момент начала строительства Шуховской радиобашни методика расчета прочности гиперболоидных конструкций была далека от совершенства. В последующие десятилетия ее продолжали развивать и углублять, однако башня на Шаболовке построена на основании расчетов, характерных для своего времени. В частности, использовались упрощенные модели распределения нагрузок, не учитывался ряд характерных особенностей вроде скручивания опорных колец, закрутки балок и продольные деформации. Использовались различные эмпирические и полуэмпирические формулы и коэффициенты, а недостаточная точность расчетов компенсировалась закладкой избыточной прочности. Тем не менее проведенные в последующие десятилетия исследования прочности Шуховской башни, в которых применялись более совершенные и точные методики расчета, показали результаты, близкие к расчетам самого Шухова.

Об устойчивости конструкции Шуховской башни говорят два случая. После ее возведения не демонтировали стальной трос, соединявший башню с одной из лебедок на земле. В 1930-е годы почтовый самолет задел этот трос крылом и упал неподалеку. Лебедку сорвало с фундамента, а башня получила сильный удар. Однако осмотр конструкции показал, что гиперболоид вышел из этой передряги без каких-либо повреждений или деформаций.

Второй случай связан с другой башней Шухова — гиперболоидной опорой ЛЭП высотой 128 м, установленной на берегу Оки. На самом деле, опор было две, но одну из них в 2005 году уничтожили вандалы — ради металла.

А несколько лет спустя из нижнего яруса второй башни была вырезана треть балок. В таком виде башня простояла еще несколько лет, неся несколько тонн тросов и подвергаясь давлению воды и льдов во время половодий. Впоследствии утраченные элементы конструкции восстановили, и башня стоит до сих пор. Что уж говорить о ветровой устойчивости московской радиобашни.

К сожалению, за 94 года Шуховскую башню на Шаболовке лишь трижды покрывали антикоррозионной краской. То есть бóльшую часть времени она провела без какой-либо защиты. Стальная конструкция ржавела и разрушалась, накапливалась усталость металла. Недавно внутри башни установили поддерживающие конструкции, снимающие часть нагрузки. У той же Эйфелевой башни ежегодно заменяют порядка 3% элементов на аналогичные, изготовленные по тем же технологиям, что и при возведении. А Шуховская башня уже век стоит практически без какого-либо ухода. К счастью, ее разрушение можно остановить, сохранив этот уникальный памятник отечественной инженерной мысли.

Башня на Шаболовке – лишь одно из множества сооружений, возведенных на основе гиберболоидной конструкции, придуманной великим ученым и инженером Владимиром Шуховым.

Для начала возьмем гиперболоид, фигуру вроде седла, и свернем его в трубочку. У нас получилось? Правильно — простейший макет гиперболоидной башни. Если от вершины ее к основанию провести диагональные прямые, все они пересекутся друг с другом хотя бы в одной точке. Поставим в качестве таких прямых балки. Вертикальных несущих нам не понадобится: полученная объемная решетка уже обладает необходимой жесткостью.

Разумеется, обо всех этих геометрических свойствах изобретатель гиперболоидных конструкций Владимир Григорьевич Шухов прекрасно знал. Он же обнаружил и другие их преимущества: решетчатая основа башни позволяет неплохо сэкономить на материале, а кроме того снизит ветровую нагрузку, которая представляет такую опасность для обычных цилиндрических башен.

Именно Шухов первым в мире предложил башни на основе гиперболоидной конструкции, и еще в 1896 г. отправил заявку на соответствующее изобретение. Тремя годами спустя она была одобрена, и автор стал обладателем патента Российской Империи.

В России

Интересно, что первая гиперболоидная башня была возведена Шуховым еще до официального одобрения патента — летом 1896 г. она стала украшением крупнейшей в дореволюционной России промышленной и художественной выставки в Нижнем Новгороде.

Для удовольствия публики на баке была смонтирована большая смотровая площадка, а также дополнительный малый гиперболоидный модуль, ведущий на малую площадку. В общем высота ее достигала более 30 метров. Фурор, который она произвела, не пропал втуне, и в следующие 15 лет такие башни появились в десятках городов России. Некоторые из них стоят до сих пор.

На той же выставке Шухов представил и другие варианты использования решетчатых конструкций — для крыш и перекрытий. Эти конструкции на основе гиперболоида сделали Шухова родоначальником целого направления в инженерии и архитектуре. Около 1898 г. в той же Нижегородской области по его плану были возведены здания листопрокатного цеха Выксунского металлургического завода длиной 75 и шириной более 38 метров. Они стоят и по сей день!

Открытый Шуховым архитектурно-инженерный принцип казался универсальным: он использовал его для десятков сооружений — и башен, и перекрытий (в том числе в ГУМе, на Киевском и Казанском вокзалах Москвы), мостов и даже для корабельных мачт.

На Оке

Есть в России и еще одна примечательная башня, возведенная Шуховым. Под все тем же Нижним Новгородом — городом, который уже сыграл в жизни архитектора такую большую роль, — на низком берегу Оки стоит единственная в мире опора ЛЭП в виде решетчатой гиперболоидной башни.

Весной 2005 г. неустановленные вандалы распилили и увезли часть нижних стальных балок и колец основания, однако в марте 2008 г. их удалось восстановить. По счастью, конструкция Шухова обладает огромным запасом прочности: несмотря на отсутствие части основания, башня умудрилась простоять несколько лет, притом что нижняя ее часть затопляется весенним паводком.

На Шаболовке

Но все-таки, самым знаменитым его проектом стала радиобашня в Москве. Если самая высокая односекционная башня Шухова — Аджигольский маяк под Херсоном — имеет в высоту 70 м, то на Шаболовке она многосекционная и достигает 160 м. Ее по праву считают одним из самых блестящих достижений инженерного гения.

Строительство этого уникального сооружения велось в годы Гражданской войны. Несмотря на то, что решетчатая конструкция позволяла существенно экономить материал (на метр высоты требовалось втрое меньше металла, чем, скажем, для Эйфелевой башни), со сталью в те годы были серьезнейшие проблемы. Поэтому если по первоначальному плану башня на Шаболовке должна была превзойти ту же Эйфелевскую и стать 350-метровой (при весе 2200 тонн), из-за дефицита металла аппетиты пришлось умерить, и Шухов повел стройку по второму проекту, не столь амбициозному.

При строительстве не потребовалось ни подъемных кранов, ни лесов: верхние секции собирались внутри нижней и уже готовыми блоками с помощью лебедок поднимались, устанавливаясь друг на друга. Простота конструкции позволило завершить строительство в кратчайшие сроки, и первая радиотрансляция с башни состоялась уже в 1922 г. Встречена была Шуховская башня всеобщим ликованием — она была единодушно признана не только самый высокой (на тот момент) в России, но и самой красивой.

Вертикальные секции башни представляют собой отдельные гиперболоиды с кольцевыми основаниями и вершинами. Нижняя секция опирается на фундамент глубиной 30 м. Как и у других башен Шухова, отдельные элементы скреплены друг с другом с помощью заклепок.

В мире и в будущем

Есть гиперболоидные башни в Польше и Бразилии, Испании и Австралии, Чехии и Швейцарии. Сетчатые конструкции использовали, наверное, все великие архитекторы XX века — и Антонио Гауди, и Оскар Нимейер. даже знаменитые здания-шары Бакминстера Фуллера имеют решетчатую основу, изобретенную Шуховым.

Умер великий авангардист от архитектуры в 1939 г. Нельзя сказать, что в России заслуги Шухова не признали. Несмотря на поистине варварское отношение ко многим его сооружениям, его имя носят улицы и парки ряда городов. В честь Шухова в 1990 г. учреждена престижная Золотая медаль, высшая награда для российских инженеров. 11 ноября этого года в Москве на Сретенском бульваре установлен памятник Владимиру Шухову, инженеру и архитектору, который во многом определил облик современных городов мира.

Впрочем, интересы и заслуги Шухова далеко не ограничиваются гиперболическими конструкциями. Он — автор и воплотитель проекта первых российских нефтепроводов, конструктор установок для крекинга нефти и нефтехранилищ и газгольдеров, трубчатых паровых котлов, создатель морских мин и тяжелых артиллерийских систем. Впрочем, чтобы рассказать об удивительной жизни этого удивительного человека понадобится как минимум еще одна большая статья.

Говоря об инженерном и изобретательском творчестве вообще и о Шухове в частности, часто главный упор делают на здравый смысл, как компас в работе. Но в этом случае многое может оказаться вне поля зрения, что не устроило бы инженера столь большого масштаба. Только на подлинно научной основе можно прийти к принципиально новому, к парадоксальным выводам и решениям.

Сочетание качеств опытного практика и хорошего теоретика помогло В. Г. Шухову подходить к созданию новых конструкторских форм на основе научного анализа возможных технических решений в широком диапазоне, их обстоятельной математической обработки.

Шухов и Гауди – родоначальники несущих изогнутых сетчатых плоскостей

На исходе XIX столетия появилась новая форма конструкции: регулярные поверхности двоякой отрицательной кривизны, получившие название гиперболоида (рис. 1) и гиперболического параболоида (ГИПАР) (рис. 2). Эти регулярные поверхности были известны в математике с давних пор.

Рис.1. Гиперболоид и его характеристические сечения.

Рис.2. Гиперболический параболоид и его характеристические сечения.

Независимо друг от друга русский инженер В. Г. Шухов и каталонский архитектор Антони Гауди (1852—1926 гг.) выявили конструктивные и производственно-технические преимущества применения таких поверхностей в строительстве. Шухов построил в 1896 г. на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде свою первую башню в виде гиперболоида. Архитектор Гауди, известный своеобразным оформлением зданий в Барселоне, был, кроме того, и выдающимся конструктором. После первых шагов по изучению формообразования (предположительно в 1884 г.) он с 1909 г. начал применять гиперболический параболоид — перекошенную (в трех измерениях) плоскость — как конструкционное решение для форм стен и сводов кирпичных построек.

Рис.3. Водонапорная башня Шухова в Полибино. Получение поверхности двоякой кривизны с помощью прямых стержневых элементов.

Во времена бурного развития машиностроения естественным было воздействие его концепций (механики) на принципы конструирования инженерных сооружений (статику). Действительно, обнаруживается связь механического движения с геометрией регулярных поверхностей. В качестве примера можно назвать вращение, трансляцию или перенос (перемещение вдоль прямой или кривой) и винтовое движение по спирали. Шухов множество раз успешно использовал этот вид формообразования для разработки новых конструкционных форм.

Графическая статика, получившая к тому времени достаточное развитие, привела инженера и использующего инженерный подход архитектора к формам, возникающим не из геометрии, а из силового поля. Это формы, которые не установлены изначально в своих пропорциях (как, например, квадрат, круг или стрельчатая арка), а освобождены от этих ограничений и могут быть созданы с помощью статического метода в соответствии с силами, действующими на конструкцию.

Шуховские башни гиперболоидного типа

Среди конструкций гиперболоидного типа, конечно, наиболее характерными являются шуховские башни.

Основная причина быстрого распространения в России башен системы Шухова заключалась в их низкой стоимости по сравнению с другими типами по критерию экономичности, легкости и устойчивости.

Практически башни Шухова оказались вдвое дешевле аналогичных сооружений для водоснабжения. Это открывало широкие перспективы для их использования в промышленном строительстве. В период промышленного подъема, особенно с 1900 г., в связи со строительством промышленных предприятий и большими потребностями городов и железных дорог в водоснабжении было построено множество одноярусных башен Шухова в качестве водонапорных башен, а также маяков, дозорных и дроболитейных башен.

Несущие возможности этих конструкций значительно возросли (емкость резервуаров до 1 230 000 л). Таким образом, к февралю 1917 г. благодаря строительству 33 башен Шухова на протяжении двух десятилетий емкость резервуаров повысилась в 10 раз. В зависимости от различных практических условий применения этих систем башни различаются по высоте (9,1 — 39,5 м) и количеству стержней (25—80 штук). К 1901 г. Шухов произвел расчеты по определению длин стержней несущей сетки и величин сечения различных элементов башен. Он стандартизовал элементы фундамента, предложил определенный порядок разбивки остова кольцами и рассчитал количество уголков для направляющих остова в зависимости от двух параметров: величины емкости резервуара (123, 369, 738 и 1230 м3) и высоты башни. По существу Шухов разработал типовые проекты башен. Он постоянно искал новые соотношения внешних параметров для совершенствования одноярусной конструкции башен.
Для одноярусного маяка высотой 68 м Шухов предложил принципиально новое конструктивное решение гиперболоидной системы с установкой по центру железной трубы (диаметр 2 м), связанной с остовом радиальными тягами в плоскости колец (через 10 м). Выбор конструктивной формы двух гиперболоидных маяков в г. Херсоне (высота 68 и 28 м, 1911 г.) был глубоко продуман Шуховым (рис. 4).

Рис. 4. Маяк Станиславского под Херсоном, высота 28,5 метров.

С 1935 г. началось строительство гиперболических деревянных градирен по системе Шухова вначале для Орской ТЭЦ (высота 36 м, площадь орошения 2400 м2, 1937—1938 гг.), а затем для ТЭЦ в Москве и Харькове на основе патента Шухова.

Шаболовская радиобашня

Рис. 5. Шаболовская башня.
(используется для трансляций телевидения, снимок 2009 г.)

1 марта 1922 г. была сдана в эксплуатацию радиостанция мощностью 100 кВт незатухающих колебаний с дуговым генератором, установленная на ажурной башне системы Шухова. 19 марта 1922 г. начал действовать телеграфный радиопередатчик Шаболовской (Шуховской) башни. Передачи принимались на окраине страны и за рубежом.

Для характеристики экономической эффективности интересно сопоставить это сооружение с другими типами конструкций высотных сооружений — башней Эйфеля в Париже и телевизионной башней в Токио. По первоначальному проектному варианту башни (1919 г., 350 м) предполагаемый вес составлял 2,2 тыс. т, в то время как вес башни Эйфеля (305 м) — 8,85 тыс. т, телевизионной башни в Токио (330 м) — 4 тыс. т (для этой башни применялись высокосортные стали). При сравнении этих показателей для трех наиболее высоких в мире сооружений подобного назначения следует отметить экономичность башни Шухова. Высокие эксплуатационные достоинства башни во многом определялись использованием высокопрочных немецких рурских сталей для ее элементов. Остроумное инженерное решение конструкции этого сооружения не сгладится со временем даже при развитии новых методов строительства высотных конструкций.

Читайте также: