в чем уникальность шуховской башни
Шуховская башня: как гиперболоиды «русского да Винчи» покорили СССР
Знаменитая Шуховская башня на Шаболовке в 1920-х годах стала самым высоким сооружением в Москве. Прошлый рекордсмен – Храм Христа Спасителя – оказался на 50 метров ниже. Башенный конус состоит из шести секций высотой 25 метров каждая. Автор проекта – талантливый инженер Владимир Шухов. Как плетеная корзина натолкнула его на идею, совершившую революцию в инженерном деле? Об этом рассказывает программа «Загадки человечества» с Олегом Шишкиным на РЕН ТВ.
Выше и легче Эйфелевой
История уникального сооружения началась в 1919 году. Именно тогда в Москве решили строить новую радиобашню. На конкурсе инженеров победил проект Владимира Шухова. По первоначальной задумке, высота башни должна была составить 350 метров. Это на 26 метров выше Эйфелевой.
«Расчеты Шухова показали, что конструкция будет весить всего 2,2 тысячи тонн – в три раза меньше по сравнению с Эйфелевой башней», – говорит старший научный сотрудник Государственного музея архитектуры имени Щусева Марк Акопян.
Уникальный метод
В верности расчетов Шухов не сомневался. К тому моменту башни по его чертежам строили по всей стране. Еще в конце XIX века он изобрел и запатентовал уникальную гиперболоидную конструкцию. На идею его натолкнула плетеная корзина из ивовых прутьев. В 1896 году на Всероссийской промышленной и художественной выставке Шухов представил проект водонапорной башни, удивив специалистов. Тяжелый бак, в котором помещалось 114 литров воды, держался на легковесной сетчатой конструкции из тонких металлических стропил. В Государственном центре современного искусства в Нижнем Новгороде хранят чертежи и макеты гиперболоидных башен, сделанные лично Шуховым.
«После выставки у Шухова появилось много заказов на водонапорные башни. Но самым высоким односекционным гиперболоидом стал Станислав-Аджигольский маяк высотой 68 метров», – рассказывает экскурсовод музея Нижегородского кремля Полина Спорышева.
Без подъемных кранов
Для строительства ажурных «башен Шухова» металла требовалось меньше, чем обычно. В годы Гражданской войны это оказалось особенно актуально. К тому же вокруг объектов не ставили лесов и подъемных кранов. Каждую новую секцию собирали у башенного основания и поднимали на лебедках.
«Первая секция строилась на земле, внутри нее собиралась следующая и поднималась наверх. Это очень экономичный метод сборки, потому что не было необходимости строить дополнительные леса, экономилась рабочая сила», – уточняет Полина Спорышева.
Смертельная авария
По такому же принципу строили и знаменитую Шуховскую башню. Правда, аппетиты пришлось поумерить. Из-за нехватки средств высоту башни понизили до 148 метров. Изначально конструкцию планировалось возвести за год, но работы шли три года. Монтаж часто прерывали из-за нехватки материалов. Также делу помешала серьезная авария: во время подъема четвертой секции оборвался трос и она рухнула вниз, повредив предыдущие.
«Он должен был довести строительство до конца. В итоге повреждения удалось устранить. Причем Шухову сказали достроить секцию из того же металла. Выпрямляли эти стержни и снова использовали. Так или иначе в марте 1922 года строительство было завершено», – делится Марк Акопян.
Вдохновение Алексея Толстого
Шуховская башня сразу же стала символом нового времени. Именно она вдохновила Алексея Толстого на написание романа «Гиперболоид инженера Гарина», а с марта 1939-го башню начали использовать для первых в СССР регулярных телетрансляций, которые принимали больше 100 телевизоров. В том же году произошло чрезвычайное происшествие: почтовый самолет по неосторожности пилота задел один из тросов.
«Конструкция немного наклонилась, а после вернулась в исходное положение. Способность компенсировать нагрузки – главное достоинство гиперболоидных башен», – утверждает Марк Акопян.
Неуязвимые опоры ЛЭП
Время показало, что гиперболоидные башни действительно надежны и устойчивы. В 1929 году на берегу Оки между Богородском и Дзержинском по проекту Шухова установили единственные в мире многосекционные гиперболоидные опоры ЛЭП. Из трех пар конструкций, которые поддерживали провода, сохранилась только одна.
«Когда линия электропередачи сместилась, конструкции стали не нужны. Их постепенно разбирали на металлолом. У последней сохранившейся башни в какой-то момент спилили треть опор. Даже при этом башня несколько лет стояла и не падала. Сейчас ее восстановили как объект культурного наследия», – комментирует Полина Спорышева.
Наследие Шухова
Шухов прославился и другими проектами. Он сконструировал больше 400 мостов, запустил первый в СССР нефтеперерабатывающий завод, а в последние годы жизни работал над восстановлением пострадавшего от землетрясения минарета в Самарканде. На тот момент инженеру было уже далеко за 80. Его жизнь прервала трагическая случайность.
«Шухов умер в 1939 году при драматичных обстоятельствах. Он опрокинул на себя свечу. На одежде остались следы лосьона, и тело сильно обгорело. Врачи не смогли ничего сделать. Через несколько часов после инцидента он умер», – рассказывает Марк Акопян.
Сейчас гиперболоидные башни возводят по всему миру – настолько совершенно их строение. В Гуанчжоу, например, стоит телебашня высотой 610 метров. Другое сооружение украшает порт Кобе в Японии. В 1995 году 108-метровая башня выдержала семибалльное землетрясение, что лишний раз доказывает гениальность «русского да Винчи».
О невероятных событиях истории и современности, об удивительных изобретениях и явлениях вы можете узнать в программе «Загадки человечества» с Олегом Шишкиным!
Шуховской башне – 100 лет: вот 10 фактов, которых вы о ней не знали
100 лет назад, в марте 1920 года, началось строительство знаменитой радиобашни на Шаболовке. Она стала одновременно и символом технического прогресса, и важным памятником советского авангарда. Наши друзья из проекта «Москва глазами инженера» рассказывают, в чем уникальность этой конструкции и как она повлияла на мировую архитектуру.
От корзинки к башне
Шаболовскую башню спроектировал выдающийся русский инженер Владимир Шухов. Впервые он использовал гиперболоидную конструкцию еще в 1896 году на Всероссийской промышленной и художественной выставке в Нижнем Новгороде: там он представил водонапорную башню высотой 25 метров. В своем дневнике инженер писал, что архитектурную идею ему подарила перевернутая ивовая корзинка, на которую был поставлен цветочный горшок. Оказалось, что благодаря самой конструкции нагрузка распределяется равномерно и тонкие прутья не гнутся. Эффективный метод был использован еще не раз при строительстве маяков, корабельных мачт, линий электропередачи.
Шуховская башня на картине. 1938 год
Распределение нагрузки
Когда в 1919 году было принято решение построить в Москве новую радиобашню, объявили конкурс, в котором победил проект Шухова. В нем инженер воспроизвел уже хорошо отлаженную технологию, но заметно увеличил высоту сооружения, поставив друг на друга несколько секций. Каждая представляет собой гиперболоид, образованный пересекающимися прямолинейными стержнями. Все элементы принимают на себя и вертикальную, и горизонтальную нагрузку – в результате строение получается очень прочным.
Несостоявшийся рекорд
Согласно проекту 1919 года, радиобашня на Шаболовке должна была достигать в высоту 350 метров, что на 26 метров выше Эйфелевой башни. При этом расчеты Шухова обещали, что при своем колоссальном размере московская башня будет в три с лишним раза легче парижской предшественницы. Но в России шла Гражданская война, средств не хватало, поэтому пришлось умерить аппетиты. Итоговая высота башни – 148,3 метра.
Шуховская башня (справа), башня радиосвязи (в центре) и колесо обозрения в Центральном парке культуры и отдыха имени М. Горького. Фото: Виктор Кошевой/ТАСС
Без подъемных кранов
Секции монтировали на земле внутри готовой конструкции. Затем наверху первого яруса устанавливали блоки, через которые перебрасывали канаты, закрепленные внизу новой секции. Рабочие крутили лебедки, и новый ярус поднимался наверх. Из-за сходства со старинными телескопами этот способ монтажа был назван телескопическим.
Дешево и эффектно
Конструкция Шухова при всей своей технологичности оказалась еще и очень экономичной в производстве. Башня на Шаболовке состоит из шести одинаковых секций, собранных из небольшого количества деталей, в отличие от той же Эйфелевой башни, у которой гораздо более сложная структура. Благодаря ажурной конструкции Шухову удалось избежать перерасхода металла, а типовые стержни было легко изготовить и смонтировать.
Шуховская башня. 1979 год. Фото: Василий Егоров/ТАСС
Условный расстрел
Несмотря на все достоинства башни, ее строительство едва не стоило Владимиру Шухову жизни. Во время подъема четвертой секции оборвался трос, и, поднятая на высоту, она резко обрушилась, повредив все предыдущие. Шухова приговорили к расстрелу, отложив наказание до окончания строительства. Все было завершено в срок, и приговор, к счастью, был отменен.
Начало вещания
Вещание с Шаболовской башни началось 19 марта 1922 года. Сначала она действовала только как радиобашня, а с 1937-го стали транслировать экспериментальные передачи коротковолнового катодного телевидения. Регулярные телевизионные трансляции (четырежды в неделю) начались 10 марта 1939 года. В этот день в эфир вышел документальный фильм об открытии XVIII съезда ВКП(б).
«Голубой огонек»
Легендарную программу начали снимать в Шаболовском телецентре в 1962 году. Премьера состоялась в апреле, сначала передача шла каждые выходные, причем в прямом эфире, и лишь к концу года превратилась в новогоднюю и в записи. Студию на Шаболовке оформили в виде кафе, где собираются гости. На стене висел огромный баннер с изображением башни, снятой снизу, этот же образ использовался как заставка.
Диктор ЦТ Валентина Леонтьева и летчик-космонавт Владимир Шаталов на телепередаче «Голубой огонек». Фото: В. Егоров и В. Щеголев/ТАСС
Мировое признание
Гиперболоидные конструкции Шухова используются по всему миру. Например, в Гуанчжоу в 2006 году построили 610-метровую телебашню, воспроизводящую технологию Владимира Шухова. В основе сооружения – тот же принцип: сетчатая оболочка выполнена из стальных труб большого диаметра.
Башня на костылях
С 2002 года трансляции с Шаболовской башни не ведутся. Тогда же специалисты установили, что металл пострадал от коррозии, сооружение опасно и нуждается в реставрации. В 2010-х годах башню предлагали разобрать и восстановить либо в другом месте, либо на прежнем, но из совершенно нового материала. В итоге Шуховскую башню удалось спасти от сноса: ее законсервировали, подставив костыли (толстые металлические трубы) на четыре нижние секции. Дальнейшая ее судьба пока неизвестна.
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.