Гиперболоидная структура

Гиперболоидные конструкции – это архитектурные конструкции , спроектированные с использованием гиперболоида в одном листе. Часто это высокие конструкции, такие как башни, где структурная прочность гиперболоидной геометрии используется для поддержки объекта высоко над землей. Гиперболоидная геометрия часто используется для декоративного эффекта, а также для экономии конструкции. Первые гиперболоидные конструкции построил русский инженер Владимир Шухов (1853–1939). ^[1] в том числе Шуховская башня в Полибино Данковского района Липецкой области , Россия.

Характеристики

Гиперболические структуры имеют отрицательную гауссову кривизну , то есть они изгибаются внутрь, а не выгибаются наружу или являются прямыми. Как поверхности с двойной линейкой , они могут быть выполнены с помощью решетки из прямых балок, поэтому их легче построить, чем изогнутые поверхности, которые не имеют линейки и вместо этого должны быть построены из изогнутых балок. ^[2]

Гиперболоидные конструкции превосходят по устойчивости против внешних сил по сравнению с «прямыми» зданиями, но имеют формы, часто создающие большие объемы непригодного для использования объема (низкая эффективность использования пространства). Следовательно, они чаще используются в целевых конструкциях, таких как водонапорные башни (для поддержки большой массы), градирни и для эстетических целей. ^[3]

Гиперболическая структура выгодна для градирен . Внизу расширение башни обеспечивает большую площадь для установки наполнителя, способствующего тонкопленочному испарительному охлаждению циркулирующей воды. Когда вода сначала испаряется и поднимается, эффект сужения помогает ускорить ламинарный поток , а затем, когда он расширяется, контакт между нагретым воздухом и атмосферным воздухом поддерживает турбулентное перемешивание. ^{[ нужна ссылка ]}

Работа Шухова

В 1880-е годы Шухов начал работать над проблемой проектирования кровельных систем с использованием минимума материалов, времени и труда. Его расчеты, скорее всего, были заимствованы из работ математика Пафнутия Чебышева по теории наилучших приближений функций. Математические исследования Шуховым эффективных кровельных конструкций привели к изобретению новой системы, которая была инновационной как в структурном, так и в пространственном отношении. Применив свои аналитические способности к двояко искривленным поверхностям, которые Николай Лобачевский назвал «гиперболическими», Шухов вывел семейство уравнений, которые привели к новым структурным и конструкционным системам, известным как гиперболоиды вращения и гиперболические параболоиды .

Стальные сетчатые оболочки выставочных павильонов Всероссийской промышленной и ремесленной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде были первыми публично известными примерами новой системы Шухова. Для нижегородской экспозиции были построены два павильона такого типа: овальный в плане и круглый. Крыши этих павильонов представляли собой двояко изогнутые сетчатые оболочки, целиком состоящие из решетки из прямых углов и плоских железных прутьев. Сам Шухов называл их ажурной башней («кружевная башня», т. е. решетчатая башня ). Патент на эту систему, на который Шухов подал заявку в 1895 году, был выдан в 1899 году.

Шухов также обратил внимание на разработку эффективной и легко конструируемой конструктивной системы (решетчатой оболочки) для башни, несущей большую нагрузку наверху – проблемы водонапорной башни. Его решение было вдохновлено наблюдением за плетеной корзиной, поддерживающей тяжелый вес. И снова он принял форму двояко изогнутой поверхности, состоящей из легкой сети прямых железных прутьев и уголков. В течение следующих 20 лет он спроектировал и построил около 200 таких башен, среди которых нет двух абсолютно одинаковых, большинство из которых имеют высоту от 12 до 68 метров.

По крайней мере, еще в 1911 году Шухов начал экспериментировать с концепцией формирования башни из сложенных друг на друга секций гиперболоидов. Компоновка секций позволила форме башни более сужаться вверху, с менее выраженной «талией» между определяющими форму кольцами внизу и вверху. Увеличение количества секций привело бы к увеличению сужения общей формы до такой степени, что она стала напоминать конус.

К 1918 году Шухов развил эту концепцию в проект девятисекционной многоярусной гиперболоидной радиопередающей башни в Москве. Шухов спроектировал 350-метровую башню, которая превзошла бы Эйфелеву башню по высоте на 50 м, используя при этом менее четверти количества материала. Его проект, а также полный набор вспомогательных расчетов, анализирующих гиперболическую геометрию и определение размеров сети элементов, были завершены к февралю 1919 года. Однако 2200 тонн стали, необходимые для строительства башни высотой 350 метров, не были доступны. В июле 1919 года Ленин постановил, что башня должна быть построена на высоту 150 метров, а необходимая сталь должна быть получена из армейских запасов. Строительство меньшей башни с шестью сложенными друг на друга гиперболоидами началось через несколько месяцев, а Шуховская башня была завершена к марту 1922 года.

Другие архитекторы

Антонио Гауди и Шухов проводили эксперименты с гиперболоидными структурами почти одновременно, но независимо, в 1880–1895 годах. Антонио Гауди использовал конструкции в форме гиперболического параболоида (гипара) и гиперболоида революции в Храме Святого Семейства в 1910 году. ^[4] есть несколько мест В Храме Святого Семейства на рождественском фасаде – дизайн, который нельзя сравнить с дизайном линейчатой поверхности Гауди, где возникает гиперболоид. Вокруг сцены с пеликаном есть множество примеров (включая корзину, которую держит одна из фигур). Есть гиперболоид, придающий кипарису структурную устойчивость (путем соединения его с мостом). Шпили «епископской митры» увенчаны гиперболоидами. ^{[ нужна ссылка ]}

Во Дворце Гуэля вдоль главного фасада расположен один набор внутренних колонн с гиперболическими капителями. Венцом знаменитого параболического свода является гиперболоид. Свод одной из конюшен церкви Колония Гуэль представляет собой гиперболоид. есть уникальная колонна В парке Гуэля , представляющая собой гиперболоид. Знаменитый испанский инженер и архитектор Эдуардо Торроха спроектировал тонкостенную водонапорную башню в Федале. ^[5] и крыша Иподрома де ла Сарсуэла ^[6] в виде гиперболоида вращения. Ле Корбюзье и Феликс Кандела использовали гиперболоидные структуры ( гипар ). ^{[ нужна ссылка ]}

Гиперболоидная градирня Фредерика ван Итерсона и Герарда Кайперса была запатентована в Нидерландах 16 августа 1916 года. ^[7] Первая градирня Van Iterson была построена и введена в эксплуатацию на голландской государственной шахте ( DSM ) Эмма в 1918 году. За ней последовала целая серия таких же и более поздних конструкций. ^[8]

Купол Джорджии (1992 г.) был первым Хипар- Тенсегрити . куполом построенным ^[9]

Галерея

Гиперболический параболоид представляет собой поверхность с двойной линией, поэтому его можно использовать для построения односкатной крыши из прямых балок.
Железнодорожная станция Варшава Охота имеет двускатную гиперболическую параболоидную крышу. Варшава , Польша, 1962 год.
Арена Scotiabank Saddledome имеет гиперболическую параболоидную двускатную крышу, Калгари , Канада, 1983 год.
Штабелируемые чипсы Pringles представляют собой гиперболические параболоиды.
напечатанная на 3D-принтере Подставка-подставка для ручки/зубной щетки двойного назначения, . Напечатано на Ultimaker 2 , 2015 г.
Первая градирня Van Iterson, 1918 год, 1984 год.
Пять градирен подряд в DSM Emma , около 1930 года.
Мост на Корпорейшн-Стрит — горизонтальная гиперболоидная конструкция с двойными направляющими, Манчестер , Англия, 1999 год.

См. также

Примечания

^ «Гиперболоидная водонапорная башня» . Международная база данных и галерея сооружений . Николас Янберг, ICS. 2007 . Проверено 28 ноября 2007 г.
^ Коуэн, Генри Дж. (1991), Справочник по архитектурным технологиям , Ван Ностранд Рейнхольд, с. 175, ISBN 9780442205256 , Легче построить деревянную опалубку для бетонной конструкции или изготовить стальную конструкцию, если поверхность имеет одинарную линию, и тем более, если она имеет двойную линию.
^ Рид, Эсмонд (1988). Понимание зданий: междисциплинарный подход . Массачусетский технологический институт Пресс. п. 35. ISBN 978-0-262-68054-7 . Проверено 9 августа 2009 г.
^ Берри, MC, JR Берри, GM Dunlop и А. Махер (2001). «Совместное рисование евклидовых и топологических нитей (pdf)» (PDF) . Представлено на SIRC 2001 – тринадцатом ежегодном коллоквиуме Центра исследований пространственной информации . Данидин, Новая Зеландия: Университет Отаго. Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2007 г. Проверено 28 ноября 2007 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ «Водохранилище Федала» . Международная база данных и галерея сооружений . Николас Янберг, ICS. 2007 . Проверено 28 ноября 2007 г.
^ «Ипподром Сарсуэла» . Международная база данных и галерея сооружений . Николас Янберг, ICS. 2007 . Проверено 28 ноября 2007 г.
^ Патент NL/GB № 108863: «GB108863A Улучшенная конструкция градирен из железобетона» . Espacenet, Патентный поиск . Проверено 03 декабря 2023 г.
^ «Градирени государственной шахты Эмма» . Glück Auf (на голландском языке) . Проверено 03 декабря 2023 г.
^ Кастро, Херардо и Маттис П. Леви (1992). «Анализ вантовой крыши купола Джорджии» . Материалы восьмой конференции по вычислительной технике в гражданском строительстве и симпозиума по географическим информационным системам . Жилье Зрелище . Проверено 28 ноября 2007 г.

Ссылки

«Нижне-Новгородская выставка: Водонапорная башня, строящееся помещение, пружина пролетом 91 фут», «Инженер» , № 19.3.1897, стр. 292–294, Лондон, 1897.
Уильям Крафт Брумфилд , «Истоки модернизма в русской архитектуре» , Калифорнийский университет Press, 1991, ISBN 0-520-06929-3 .
Элизабет Купер Инглиш : «Архитектура и мнести»: Истоки советской авангардной рационалистической архитектуры в русской мистико-философской и математической интеллектуальной традиции» , диссертация по архитектуре, 264 стр., Пенсильванский университет, 2000.
«Владимир Г. Сухов 1853–1939. Искусство экономичного строительства». Райнер Грефе, Йос Томлоу и другие, 192 стр., Deutsche Verlags-Anstalt, Штутгарт, 1990, ISBN 3-421-02984-9 .

Внешние ссылки

[1] «Гиперболоидная водонапорная башня» . Международная база данных и галерея сооружений . Николас Янберг, ICS. 2007 . Проверено 28 ноября 2007 г.

[2] Коуэн, Генри Дж. (1991), Справочник по архитектурным технологиям , Ван Ностранд Рейнхольд, с. 175, ISBN 9780442205256 , Легче построить деревянную опалубку для бетонной конструкции или изготовить стальную конструкцию, если поверхность имеет одинарную линию, и тем более, если она имеет двойную линию.

[Reid1988-3] Рид, Эсмонд (1988). Понимание зданий: междисциплинарный подход . Массачусетский технологический институт Пресс. п. 35. ISBN 978-0-262-68054-7 . Проверено 9 августа 2009 г.

[4] Берри, MC, JR Берри, GM Dunlop и А. Махер (2001). «Совместное рисование евклидовых и топологических нитей (pdf)» (PDF) . Представлено на SIRC 2001 – тринадцатом ежегодном коллоквиуме Центра исследований пространственной информации . Данидин, Новая Зеландия: Университет Отаго. Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2007 г. Проверено 28 ноября 2007 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[5] «Водохранилище Федала» . Международная база данных и галерея сооружений . Николас Янберг, ICS. 2007 . Проверено 28 ноября 2007 г.

[6] «Ипподром Сарсуэла» . Международная база данных и галерея сооружений . Николас Янберг, ICS. 2007 . Проверено 28 ноября 2007 г.

[7] Патент NL/GB № 108863: «GB108863A Улучшенная конструкция градирен из железобетона» . Espacenet, Патентный поиск . Проверено 03 декабря 2023 г.

[8] «Градирени государственной шахты Эмма» . Glück Auf (на голландском языке) . Проверено 03 декабря 2023 г.

[9] Кастро, Херардо и Маттис П. Леви (1992). «Анализ вантовой крыши купола Джорджии» . Материалы восьмой конференции по вычислительной технике в гражданском строительстве и симпозиума по географическим информационным системам . Жилье Зрелище . Проверено 28 ноября 2007 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]