Гиперболоидная башня что это
Гиперболоидные конструкции
Гиперболоидные конструкции в строительстве и архитектуре — сооружения в форме однополостного гиперболоида или гиперболического параболоида. Такие конструкции, несмотря на свою кривизну, строятся из прямых балок.
Содержание
Особенности
Однополостный гиперболоид и гиперболический параболоид — дважды линейчатые поверхности, то есть через любую точку такой поверхности можно провести две пересекающиеся прямые, которые будут целиком принадлежать поверхности. Вдоль этих прямых и устанавливаются балки, образующие характерную решётку. Такая конструкция является жёсткой: если балки соединить шарнирно, гиперболоидная конструкция всё равно будет сохранять свою форму под действием внешних сил.
Для высоких сооружений основную опасность несёт ветровая нагрузка, а у решётчатой конструкции она невелика. Эти особенности делают гиперболоидные конструкции прочными, несмотря на невысокую материалоёмкость.
История
Гиперболоидную форму конструкций ввёл в архитектуру В. Г. Шухов (патент Российской Империи № 1896; от 12 марта 1899 года, заявленный В. Г. Шуховым 11.01.1896). Первая в мире стальная сетчатая башня в форме гиперболоида вращения была построена Шуховым для крупнейшей дореволюционной Всероссийской промышленной и художественной выставки в Нижнем Новгороде, проходившей с 28 мая (9 июня) по 1 (13) октября 1896 года.
Однополостный гиперболоид вращения первой башни Шухова образован 80 прямыми стальными профилями, концы которых крепятся к кольцевым основаниям. Сетчатая стальная оболочка из ромбовидно пересекающихся профилей упрочнена 8 параллельными стальными кольцами, расположенными между основаниями. Высота гиперболоидной оболочки башни — 25,2 метра (без учёта высот фундамента, резервуара и надстройки для обозрения). Диаметр нижнего кольцевого основания — 10,9 метра, верхнего — 4,2 метра. Максимальный диаметр бака — 6,5 метра, высота — 4,8 метра. От уровня земли из центра основания башни до уровня дна резервуара поднимается красивая стальная винтовая лестница. В центральной части бак имеет цилиндический проход с прямой лестницей, ведущей на смотровую площадку на верхней поверхности резервуара.
Над смотровой площадкой на баке сделана гиперболоидная надстройка с прямой лёгкой лестницей, ведущей на более высокую малую смотровую площадку. Гиперболоидная надстройка смонтирована из 8 прямых профилей, упирающихся в кольцевые основания, между которыми расположено ещё одно упрочняющее кольцо. Верхняя площадка в 1896 году имела деревянный настил и ограждение (не сохранились до настоящего времени). Общая высота башни составляет 37 метров. Все стальные элементы конструкции башни соединены заклёпками.
После выставки первая башня Шухова была перенесена в имение мецената Ю. С. Нечаева-Мальцова в село Полибино Данковского района Липецкой области. Башня сохранилась до нашего времени, является памятником архитектуры, охраняется государством. Первая в мире гиперболоидная конструкция страдает от коррозии и нуждается в реставрации.
В начале 20-го века многие боевые корабли, в основном в США, строились с ажурными гиперболоидными мачтами. Такое решение объясняется необходимостью размещения большого объема наблюдательных и дальномерных приборов на большой высоте от палубы, меньшей уязвимостью в бою и амортизацией ударов от отдачи собственных, очень мощных, орудий.
Дальнейшей модификацией идеи сетчатых гиперболоидных конструкций стала конструкция радиобашни на Шаболовке в Москве, построенной Шуховым в 1919—1922 гг. Первоначальный проект высотой 350 м из-за дефицита металла был заменен на 150-метровый вариант, который эксплуатируется и поныне. В течение своей жизни Шухов построил более двухсот гиперболоидных башен различного назначения.
Гиперболоидные конструкции впоследствии строили многие великие архитекторы: Гауди, Ле Корбюзье, Оскар Нимейер.
Гиперболоидные шуховские башни востребованы и в настоящее время. В 1963 году в порту города Кобе в Японии по проекту компании Nikken Sekkei была построена 108-метровая гиперболоидная шуховская башня (Kobe Port Tower [1]). В 1968 году в Чехии по проекту архитектора Карела Хубачека была построена гиперболидная башня «Йештед» высотой 100 метров. В 2003 году была построена гиперболоидная башня Шухова в Цюрихе [2]. Авторы башни — архитекторы Даниэль Рот и Александр Ком (Daniel Roth, Alexander Kohm). Идеи гиперболоидных конструкций башен Шухова известный архитектор Михаил Посохин предложил[3] использовать при проектировании новых небоскрёбов[4] в деловом центре «Москва-Сити».
Гиперболоид инженера Шухова
Есть в слове «гиперболоид» что-то очень интригующее. Вспоминается фантастический роман Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Но реальность оказалась намного интереснее и драматичнее. Многие знают московскую Шаболовскую башню, долгие годы бывшую символом советского теле- и радиовещания, новогоднего «Голубого огонька». Возможно, кто-то вспомнит и другие гиперболоидные конструкции, например, башню Шухова на Оке. Чем же так уникален гиперболоид?
Знакомая всем гражданам бывшего СССР студия «Голубого огонька» 
Шуховская башня на Оке
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.
В 1932 году Шухов принял участие в работах по восстановлению после землетрясения древнего медресе Улугбека в Самарканде. Совместно с архитектором М.Ф.Мауэром он осуществил уникальную работу: выпрямление «падающего» минарета.
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…
Вскоре гиперболоид начал свое победное шествие по миру. В начале XX века гиперболоидными мачтами стали оснащать боевые корабли, в основном в США. В России гиперболоидные мачты были установлены только на двух эскадренных броненосцах типа «Андрей Первозванный».
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
Позднее в ходе строительства выяснилось, что настоящая причина аварии — усталость некачественного материала: в обескровленной революцией и гражданской войной стране металл собирали буквально «с миру по нитке». Башню достроили, а приговор Шухову был отменен.
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
Но самое совершенное творение Шухова стоит на Оке, в 12 километрах от города Дзержинск в Нижегородской области, близ поселка Дачный. Это единственная в мире гиперболоидная многосекционная опора линии электропередачи, часть плана ГОЭЛРО. Она была построена в 1927-1928 годах. Первоначально башен было шесть: две 128-метровых, две 68-метровых и две 20-метровых.
Шуховская башня на Оке
128-метровые башни состояли каждая из 5 секций по 25 метров. В отличие от окских башен, Шаболовская башня в Москве строилась в условиях дефицита и плохого качества стройматериалов, приходилось биться за каждую заклепку. Секции, которые рассчитывалась каждая под свое качество стали, несколько различались. На Оке же все башни строились из одного материала, что позволило создать одинаковую высоту и ритмический рисунок всех секций.
После изменения маршрута ЛЭП четыре башни (68-метровые и 20-метровые) были демонтированы, их конструкции сданы на металлолом. Сохранились лишь железобетонные основания.
Сохранившееся основание 68-метровой башни
Пара стоящих на берегу Оки 128-метровых башен производила неизгладимое впечатление. Верх башен венчала горизонтальная стальная 18-метровая траверса для крепления трёх высоковольтных проводов. Тем не менее, несмотря на региональный охранный статус, полученный еще в 1997 году, весной 2005 года одна из башен была… сдана на металлолом. В прибрежном сосновом бору до сих пор можно увидеть след от её падения. Угроза нависла и над второй башней, треть конструкций которой была украдена охотниками за металлом.
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.
А что же с гиперболоидом инженера Гарина? В реальности двуполостный гиперболоид, описанный в романе, не может производить такие разрушительные действия, это всего лишь фантазия Алексея Толстого. Хотя… Изобретатель лазера, нобелевский лауреат Чарльз Таунс (1915-2015) говорил, что это произведение (в английском переводе — «The Garin Death Ray») вдохновило его на создание лазера. Но это уже совсем другая история…
© Сайт «Дорогами Срединного Пути», 2009-2021. Копирование и перепечатка любых материалов и фотографий с сайта anashina.com в электронных публикациях и печатных изданиях запрещены.
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»
Шуховский гиперболоид вращения
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.
Инженер по призванию
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.
Шухов проектировал и более «традиционные» объекты — мосты, цеха, подъемные краны, баржи, нефтеперегонные установки, промышленные котлы, резервуары, трубопроводы и многое другое. Огромное внимание он уделял технологичности своих конструкций, удобству серийного производства и унификации.
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.
Рождение башни
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.
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:
«Внешний обвод контура башни. Основной размер. Конус с переменным r набегающим постоянное приращение; в нашем случае r, 2r, 3r, 4r… или вообще r, r + f, r + 2f, r + 3f и т.д. и переменное приращение с непрерывным увеличением уклона от вертикали α. Т.е. приращение уклона выражается формулой α * n * (n – 1)/2, где n — номер этажа башни, считая от верха. Таким образом, получается следующий ряд: 1) f, 2) 2f + α, 3) 3f + 3α, 4) 4f + 6α, 5) 5f + 10α, 6) 6f + 15α, 7) 7f + 21α, 8) 8f + 28α и т.д., причем задаются размеры r, f и α. В данном случае r = 2,75 м, f = 2,75 м = r, α = 0,25 м, и потому радиусы получаются 2.75, 5.75, 9, 12.5, 16.25, 20.25 (уклоны 3→3,25→3,5→3,75→4)».
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.
Детище Шухова вскоре прославилось на всю страну, а затем сетчатые стальные оболочки начали массово применяться и по всему миру. За прошедшие почти 100 лет в мире построено несколько высотных гиперболоидных башен, включая 600-метровую телебашню в Китае. К слову, именно Шуховская башня вдохновила Алексея Толстого на написание фантастического романа «Гиперболоид инженера Гарина».
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:
Как говорится, почувствуйте разницу. В отличие от парижского «конкурента», даже первоначальный 350-метровый вариант Шуховской башни требовал бы в разы меньшей номенклатуры деталей и был бы гораздо дешевле в постройке.
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.
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.