Развитие гиперболоидной конструктивной формы по системе В. Г. Шухова

Развитие гиперболоидной конструктивной формы по системе В. Г. Шухова

В развитии пространственных конструкций как важную веху выделяют 1896 г.— год создания В. Г. Шуховым конструкций ряда зданий для Всероссийской художественной и промышленной выставки в Нижнем Новгороде. К этим первым пространственным металлоконструкциям относится и выставочная гиперболоидная шуховская башня.

В области строительства инженер-механик Шухов получил два патента, в основу которых была положена идея использования математической закономерности образования поверхности однополостного гиперболоида путем плоскопараллельного перемещения образующих¹⁷. В инженерную практику Шухов внедрил сетчатую гиперболоидную конструктивную форму из двух систем «взаимопересекающихся прямолинейных стержней, расположенных по производящим тела вращения» в виде гиперболического параболоида [1,с. 24]. :

В патенте на «Ажурную башню» было предложено использо-н;пъ прямолинейные стержни из уголкового железа, скрепленные поперечными кольцами, что нашло широкое применение при со-ідании конструкций напорных башен (1895—1930 гг.), маяков (1911. г.), дроболитейных и смотровых вышек, мачт линий электропередачи через р. Оку (НИГРЭС, 1928 г.), а также при строительстве Шаболовской радиобашни (1919—1922 гг.). В этом же описании шуховского патента предусматривалась возможность образования «сетчатой поверхности из прямолинейных деревянных брусьев», что нашло применение при создании таких конструкций, остов которых не должен был нести большие вертикальные нагрузки, в частности для деревянных башен градирен (1930 г.).

Фрагмент гиперболического параболоида, предложенного Шуховым в патенте «Сетчатые покрытия для зданий», является фактически прототипом современных покрытий зданий типа «ги-пар»¹⁸. Возможность создания конструкций из одинаковых прямолинейных стоек-образующих — прокатных профилей, удобных в изготовлении и сборке, — открывала им широкую дорогу в строительной практике.

С 1880 г. В. Г. Шухов в качестве главного инженера конструкторского бюро фирмы Бари в Москве начинает разработку проектов и выполнение работ по строительству напорных башен различных типов: вертикальных железных ферм под резервуары большой емкости (по типу «американских»), конических башенных установок из листового железа емкостью резервуара 5 тыс. ведер и др. Однако по ряду показателей — критерию экономичности, коэффициентам легкости и устойчивости — эти конструкции уже не удовлетворяли проектировщиков, в том числе и Шухова. В эволюции развития технических средств возникают на определенном этапе тупиковые ситуации, при которых конструктивные изменения не дают возможности устранить экономические причины, тормозящие их дальнейшее применение. В таких случаях начинается поиск нового инженерного решения. Такой новой конструктивной формой стала напорная башня по системе Шухова.

Созданию конструктивной формы гиперболоидных сооружений предшествовал у Шухова опыт инженерного моделирования — строительство нескольких покрытий зданий, на которых инженер апробировал свою новую идею конструирования. В 1880—1882 гг. он осуществил строительство висячей сетчатой крыши (фрагмент гиперболического параболоида) для бензиновых резервуаров в г. Майкопе; в 1894 г.— сетчатого висячего покрытия цехов котельного завода в Москве [2]; в 1895 г. — экспериментальной гиперболоидной башни для завода фирмы Бари (ныне завод имени Лихачева). Эти идеи получили юридическое оформление в виде заявок на соответствующие привилегии.

В 1896 г. на выставке в Нижнем Новгороде Шухов перекрывает круглый павильон диаметром 8 м висячей сеткой, составленной из двух систем взаимно пересекающихся отрезков полосового профиля, приближающегося в поперечном сечении по форме к цепной линии. Первой промышленной конструкцией сетчатого гиперболоидного сооружения стала напорная башня системы Шухова (емкостью резервуара 10 тыс. ведер), обеспечивающая водоснабжение на выставке [3, 4].

При проектировании сетчатых одноярусных гиперболоидных конструкций Шухов заложил следующие основные принципы: четкость статической схемы; малый вес конструкции, малая трудоемкость сооружения; удобство и быстрота монтажа; архитектурная выразительность формы; низкая стоимость (вдвое дешевле других систем) [5, с. 142]. Рациональность шуховской конструктивной формы по сравнению с фермными системами состоит в том, что в ней стержни работают на однозначные нагрузки (сжатие), что с точки зрения использования несущих возможностей металла рациональнее работы на изгиб (как это было в более ранних типах чугунных конструкций башен). Кроме того» уменьшение нагрузки на отрезок стойки за счет установки промежуточных колец позволяет уменьшить сечение стержней и, следовательно, вес сооружения в целом.

Развитие технических средств неразрывно связано с эволюцией их использования. Гиперболоидная конструктивная форма, появившаяся впервые в конце XIX в., в силу своей высокой технико-экономической эффективности получила применение для различных целей. В настоящее время можно представить многозвенную структуру ее использования в системе производственной техники (см. рисунок).

Предлагаемая классификация сооружений гиперболоидной конструктивной формы основана на функциональном подходе [6, с. 35], отражающем характер работы, осуществляемой конструкцией при эксплуатации. Классификация производится по ряду классов и групп: класс I — конструкции, осуществляющие в основном несущую функцию (при доминирующих усилиях, создаваемых весовыми нагрузками); класс II — конструкции, осуществляющие поддерживающую функцию (при доминирующих усилиях, создаваемых горизонтальными нагрузками); класс III — конструкции, осуществляющие функцию емкости. Классификация отражает и предметное назначение сооружений гиперболоидной конструктивной формы в практике — группы сооружений, и их принадлежность разнообразным системам народного хозяйства — подгруппы сооружений.

На процесс эволюции технических средств оказывают влияние различные факторы, связанные с развитием промышленности в целом и развитием какой-либо конкретной области техники. Необходимость определенных изменений конструктивной формы (технического средства) может также диктоваться потребностями практики в зависимости от ее нового функционального назначения. Факторы развития технических средств такого рода следует связывать с развитием собственно техники. При этом в рассматриваемом случае предлагались чисто технические решения проблемы рационализации конструктивной формы. Однако оптимизация этой конструктивной формы зависела и от факторов развития науки, которая в связи с определенными расчетами рекомендовала новые технические решения. Большое значение в развитии гиперболоидной конструктивной формы имели оригинальные технические решения, подсказанные инженерным талантом и опытом автора этой конструкции В. Г. Шуховым.

* * *

Первый тип объединяет модификации гиперболоидных конструкций башен, зданий, маяков, представляющих усовершенствованные конструкции, выполненные на основе патента (1896 г.) Шухова системы «из перекрестных металлических и деревянных стержней». К этому типу относятся сооружения, построенные Шуховым и другими инженерами с 1895 по 1930 г.

Второй тип объединяет конструкции гиперболоидных сооружений, отличающихся от шуховских: по внешней форме — «гипары» (60-е годы), градирни — в форме, приближающейся к гиперболоиду (60—80-е годы), опалубка градирен (с 1941 г.) и др.; по используемым в сооружениях материалам — вантовые системы, железобетонные конструкции градирен (50—80-е годы), металлические волнистые своды (с 1947 г.) [7], многоярусные стальные купола (50—60-е годы) [8].

Конструктивные изменения, введенные Шуховым и другими инженерами в сооружениях первого типа, осуществлялись по следующим направлениям: изменения внешней формы, общих параметров конструкции, носящие качественный характер; изменения параметров и сортамента элементов конструкции (длина стержней, длина отрезков составных стержней, сечения стержней, параметры колец); изменения в методах крепления элементов конструкций (спайка, болтовые соединения, клепка, сварка); изменения в конструкции несущего узла остова, поддерживающего днище резервуара в напорных башнях и узла, несущего провода опор линий электропередачи [9].

В конструкциях второго типа изменения были обусловлены применением новых материалов.

К 1910 г. в России было построено 45 гиперболоидных башен, в том числе 13 башен емкостью резервуара от 10 до 60 тыс. ведер, позднее более мощные напорные башни для восьми водопроводов в разных городах страны, в том числе в Воронеже (1915 г.), Тамбове (1915 г.), Астрахани (1912 г.), Николаеве (1907 г.), Феодосии и др. (емкостью от 10 до 100 тыс. ведер) и два маяка под Херсоном высотой 26,8 и 68 м (1911 г.). На протяжении первых двух десятилетий строительства конструкций их несущая способность возрастает в 10 раз при увеличении вертикальной нагрузки от веса бака с водой до 100 тыс. ведер. В 1901 г. Шуховым были проведены расчеты по подбору сечений стержней башен, стандартизированы элементы (высота стержня), предложена определенная разбивка остова башен кольцами и т. д. Эти характеристики конструкции увязывались с величинами емкости резервуара на 10, 30, 50 и 100 тыс. ведер — таким образом по существу были созданы типовые проекты башен. Однако конструктивная форма башен продолжала совершенствоваться и позднее. Шухов постоянно искал новые соотношения внешних параметров одноярусной конструкции, в частности соотношение диаметров верхнего и нижнего кольца: усеченный гиперболоид остова башни (1912 г.) для дроболитейных башен; гиперболоид остова башни, сужающийся по длине почти вдвое (Симоново, 1904 г.); конструкция башни с четко выраженным перехватом посередине. В конструкции Херсонского маяка (1911 г.) было использовано принципиально новое решение: установка в центре башни на всю высоту железной трубы, связанной с остовом башни радиальными тягами в плоскости колец¹⁹ [1]. Эта конструктивная особенность стала характерной для гиперболоидных сооружений вантовых градирен (1976 г.) [10].

При возникшей в практике необходимости в башнях большой высоты выполнение их конструкций в виде одиночного гиперболоида становилось нерациональным из-за неустойчивости образующих. В 1911 г. для железнодорожной станции Ярославль Шухов проектирует качественно новую по внешней форме конструкцию в виде двухъярусной башни с двумя резервуарами: верхним — высокого напора, нижним — для водоснабжения курьерских поездов.

Важным новым техническим решением стало проектирование групповых комплексов гиперболоидных напорных башен (Тамбов, 1915 г.), а с 30-х годов групповых комплексов гиперболоидных градирен (Мариендорф, ФРГ, 1954 г.) как единой системы нескольких технических средств, связанных общими коммуникациями и общими соотношениями характеристик функционирования (величина напора воды, соотношение габаритов башен).

В 1921 г. по инициативе В. И. Ленина было принято постановление Совета Народных Комиссаров РСФСР о мерах по улучшению водоснабжения, строительству новых и реконструкции старых водопроводов. С ростом количества промышленных предприятий в СССР увеличивается объем строительства водонапорных сооружений. Наиболее часто применяемые в практике строительства емкости резервуаров башен составляли 90, 120, 200, 220, 300, 375, 400, 500, 650, 700 м³ (до 1250 м³). В них часто использовались резервуары с плоским дном, располагаемые на опорах Шухова [11, с. 181]. В 1930 г. был утвержден типовой проект стандартных напорных башен [5]. По ценам того времени железная напорная башня обходилась на 25—30% дешевле железобетонной. Уже в 1928 г. тоннаж шуховских конструкций «превысил соответствующий тоннаж 1913 г.» [5,. с. 150].

⁴ КПСС в резолюциях и решениях съездов, конференций, пленумов ЦК. М., 1953, ч. I, с. 377.

Дальнейшее развитие гиперболоидная конструктивная форма получила при постройке Шуховым многоярусных конструкций для пятиярусной (Шаболовской) радиомачты в Москве высотой 150 м (1922 г.) и для опор линий электропередачи (пять ярусов, высота 128 м) двух силовых линий НИГРЭС через р. Оку напряжением 115 кВт (1930 г.).

После 1930 г. массовое строительство гиперболоидных сооружений по системе Шухова первого типа фактически прекратилось. Одной из главных причин этого явилось повсеместное использование железобетонных конструкций [12, с. 214], большую роль сыграло также повреждение одной из башен при ее возведении (Днепродзержинск, 1930 г.), расцененное как следствие недостаточной устойчивости башен, обусловленной значительно сниженной величиной запаса прочности. По сравнению-с нормами, принятыми в начале XX в., эта величина уже не могла покрывать несовершенства используемых методов расчета.

В процессе проектирования и эксплуатации гиперболоидных конструкций в каждом отдельном случае их применения возникала необходимость в совершенствовании элементов конструкции путем определения их рациональных размеров и подбора профиля сортамента. При увеличении общей высоты башни по мере увеличения отношения длины стержней к их свободной длине (между креплениями) возникает техническое противоречие в конструкции, которое проявляется в потере стержнями сначала общей несущей функции, а затем и способности нести собственный вес. Для достижения равномерных величин напряжений в сечениях стоек их длины уменьшаются так, чтобы отрезки между кольцами были равными (вместо 7 колец по проекту вводится 8 колец). Таким путем в конструкциях с промежуточными кольцами уменьшаются напряжения в сечениях стойки и достигается увеличение прочности [13, с. 77].

Сборка остова конструкции из труб, постепенно уменьшающихся в диаметре (от 3 до 6 дюймов), нашла применение для мачт сетчатого типа на военных кораблях в США (1906 г., «Мичиган») и в России (1909 г., «Павел I») в связи с необходимостью обеспечить их легкость и по возможности сделать малозаметными.

В целом процесс развития и совершенствования гиперболо-идной конструктивной формы (первого типа) протекал без привлечения в инженерную практику научно обоснованных методик их расчета — в рамках собственно технических решений.

При рассмотрении достаточно точной идеальной модели конструкции в форме расчетной схемы пространственной статически неопределимой стержневой системы гиперболоидной башни следует учитывать факторы, характеризующие работу такой системы. При деформации решетки в расчетной схеме следует учитывать радиальные и тангенциальные усилия в изгибаемых стойках, изгиб колец в собственной плоскости и в вертикальном направлении, помимо этого, скручивание стоек и колец и их продольные деформации. Задачи такого рода стали решаться в 70—80-е годы XX в. при разработке прикладных методик «Спецглав строительной механики» [14] применительно к осесим-метричным циклическим системам конструкций с помощью ЭВМ, в частности методики «Парадокс-ЕС» (метод конечных элементов) [15].

Создав новую конструктивную форму гиперболоидных сооружений, Шухов и ряд других авторов предложили методы их расчета [1, 13]. В конце прошлого века и в первом десятилетии XX в. в строительной механике не были разработаны достаточно точные методы расчета пространственных систем с высокой степенью статической неопределенности и в строгой постановке решение таких задач еще было невозможно. Для целей инженерной практики подобные задачи решались при определенном упрощении полной расчетной схемы, характеризующей действительное распределение усилий в реальной конструкции системы. Решение этой новой задачи производилось с помощью уже существующих в строительной механике теорий и методов.

Анализируя сейчас методики расчета того времени, видишь, как при построении расчетной модели (схемы) конструкции выделялись факторы, характеризующие работу системы в целом (и ее элементов) на прочность при изгибе. Расчеты производились в рамках обиходной для инженерной практики тех лет статики сооружений по теории допускаемых напряжений. При этом не учитывался ряд факторов, обеспечивающих в реальной гиперболоидной конструкции специфические особенности работы такой пространственной системы (скручивание колец, закрутка стержней и продольные деформации). Вопросы устойчивости конструкции также не рассматривались.

Так, в ряде сохранившихся первоначальных расчетов В. Г. Шухова (1911 г.)²⁰ [1] и Д. Петрова (1911 г.) [13] остов гиперболоидной конструкции рассматривался в целом как защемленная балка, работающая на изгиб. В такой расчетной модели метод плоских сечений используется как для расчета на прочность всего сооружения в целом, так и для определения величин напряжений в стойках. Таким образом действительный характер распределения нагрузок в конструкции значительно упрощается, и их расчет сводится к расчету теории изгиба сопротивления материалов. Применялись также разнообразные эмпирические и полуэмпирические формулы (Тредгольда, Ранкина), уже разработанные ранее для различных фермных систем. Например, Шухов использует в расчетах коэффициенты основного напряжения для сжатых уголков направляющих стоек остова по Шварцу—Ранкину²¹. Завышенные значения запасов прочности, принимаемые на сооружения по нормам тех лет, обусловили прочность и долговечность конструкций башен и мостов; рассчитанных такими приближенными методами.

К моменту создания башни Шухова (1895 г.) аппарат теории упругости, с помощью которого в общем виде было возможно решение задач такого рода (трехмерная задача теории упругости) и теоретической задачи равновесия длинных сжатых стержней, испытывающих кручение [16], был уже разработан. В 1911 — 1912 гг. академиком Л. С. Лейбензоном были предложены теоретические разработки конкретных задач расчета башен и маяков по системе Шухова в строгой постановке, с учетом специфических особенностей функционирования этих систем. В 1913 г. он предложил решение задачи, связанной с качанием маяков Шухова (в Херсоне) и шуховских водонапорных башен [17]. В 1914 г. Лейбензон предложил метод теоретического исследования вопроса о достаточно точных значениях устойчивости упругого равновесия длинных сжатых тонких «прутьев», закрученных первоначально около прямолинейной оси стержня (с привлечением математического аппарата рядов Фурье) в связи с «большим распространением гиперболических башен» [18]. Однако метод не получил распространения в практике строительства. Это можно объяснить тем, что инженеры (вплоть до 30-х годов XX в.) недостаточно владели методами теории упругости.

В период 1930—1935 гг. и позднее на страницах технических журналов развернулась широкая полемика по поводу использования различных методик расчета башен Шухова. Используя методы статики сооружений, ряд авторов предложили методики расчета на основе рассмотрения «башни как консоли»²², Шухов предложил графический метод определения геометрических элементов сетки башни (1934 г.) [11]. К расчетам этих конструкций привлекались также различные методы строительной механики, применяемые для фермных систем²³, а также экспериментальные методы исследования их прочности с использованием моделей: испытание модели башни в 7ю натуральной величины (Москва, 1933); испытание модели стержневой башни градирни 2,5 м (Ленинград, 1959 г.) [19, с. 3].

Использование теории плоских ферм в методиках расчета стоек шуховских башен (Попова, Абрамова и Писчикова), в том числе и методика, рассматривающая кольца башни как «вполне жесткие кольцевые балки, своей жесткостью обеспечивающие устойчивость сжатых стоек при продольном изгибе», для такого рода сложных конструкций не могли дать полного описания распределения действительных усилий при работе конструкции. Эти методы рассматривали только один вид поперечной деформации и применимы к сеткам, скрепленным кольцами в точках пересечения продольных стержней, чего нет в действительности. В этих методиках упрощается не только теоретическая модель, так как пространственная система сведена к плоской задаче, но и модель самой конструкции не соответствует действительной конструктивной схеме таких устройств.

В связи с потребностями практики наметились тенденции к увеличению размеров напорных башен и одновременно к снижению общей металлоемкости сооружений. Одним из путей такого снижения стало введение по стране более рациональных технических норм, в частности уменьшения величин коэффициента запаса прочности (1924 г.). В этих условиях нарастало несоответствие между необходимостью получения достаточной точности расчета гиперболоидных конструкций (с учетом деформации системы) и точностью существующих для этих целей методик расчета [20]. Повреждение одного из сооружений (высотой 45 м, Днепродзержинск, 1930 г.) представило реальную возможность практически выявить пределы значений характеристик элементов конструкции, при которых она могла осуществлять свои несущие функции.

С 1930 г. разработкой вопросов устойчивости гиперболоидных башен начали заниматься в институтах строительного профиля (кафедра строительной механики Днепропетровского металлургического института — в 1931—1933 гг. В. П. Лысков, Н. П. Гришкова, А. М. Пеньков, А. Н. Динник [21, 22]; кафедра металлических конструкций Ленинградского института инженеров коммунального хозяйства — в 1934 г. А. Ф. Жигулев; Центральный научно-исследовательский институт промышленных сооружений в 1933 г.). Жигулев производит статистический расчет башни на прочность, рассматривая «вырезок башни между смежными кольцами» методом сечений пространственной фермы Хеннеберга. При этом кольца располагаются в точках пересечения стержней сетки. В результате расчета возможные величины усилий в стойке, по сравнению с величинами в общепринятом в то время методе расчета Петрова [13], получили значительно большие значения (от горизонтальных нагрузок).

К разработке методик расчета башен были привлечены методы прикладной теории упругости для расчета различных металлических систем (мостостроения, дирижаблестроения, крепежа горных выработок и др.). Так, в 1925 г. Динник применил энергетический метод теории упругости к расчету сетчатой статически неопределимой системы крепи шахты- при давлении горных пород. Позднее он решал однотипные (по постановке вопроса) задачи устойчивости в области строительной практики. В 1931 г. В. П. Лысков разрабатывал вопросы устойчивости сетчатых цилиндрических и гиперболоидных башен Шухова с учетом изгиба колец²⁴ (метод перемещений) и опубликовал свои результаты совместно с Динником в 1932 г. [21]. В 1933 г. группа аспирантов Динника разработала методику расчета остова башни Шухова на устойчивость [22].

Проверка нескольких башен обнаружила разные значения запаса их устойчивости. Это «грозное предупреждение против примитивных методов расчета», — писал Динник [23, с. 3], имея в виду расчеты башен, в которых расчетная схема статически неопределимых систем подменяется схемой статически определимой системы. При определении критической силы (Р_кр) в стойке башни Шухова на устойчивость основная формула последовательно раскрывает роль различных факторов, характеризующих особенности системы башни. В этом расчете (по сравнению с другими) расширяется круг учитываемых факторов, описывающих основной характер работы системы, — рассматриваются изгиб и кручение стоек, изгиб колец башни в собственной плоскости и в плоскости, перпендикулярной кольцу.

Поверочные расчеты ряда башен по данному методу показали, что действительные усилия в стержнях по сравнению со старыми методами выявляют ошибку около 35%, что особенно важно учитывать для конструкций радиомачт (при малых вертикальных нагрузках) [22]. Формула критической силы (Р_кр) в стойке была принята в справочниках и учебниках в СССР и просуществовала до 1955 г. Необходимость разработки новых специальных методик для расчета фактически уже не строившихся гиперболоидных башен по системе Шухова практически отпала. Однако такие методики разрабатывались как частные случаи для решения новых технических задач, связанных с конструкциями второго типа: при проектировании и расчетах многоярусных стальных куполов (Б. В. Горенштейн, 1956) [8], оболочек и. стержневых систем градирен, по геометрической схеме близких башне Шухова, которые «до 1957—1958 гг. проектировались в СССР и за рубежом без специального расчета» [19].

В 1956 г. Б. В. Горенштейн на основе энергетического метода²⁵, анализируя формулу Р_кр в стойке, расширил круг факторов, характеризующих основную работу системы башен Шухова, и предложил рассчитывать Р_кр в стойке с учетом продольных деформаций в стойках, рассматривая «многоволновую форму изгиба колец» [8].

В 1958 г. А. М. Масленниковым в Ленинградском инженерно-строительном институте было проведено теоретическое исследование симметричной формы потери устойчивости башни Шухова (от вертикальной нагрузки собственного.веса). При определении Р_кр в добавление ко всем факторам, учитываемым в предыдущих расчетах, был произведен также учет продольных деформаций как стоек, так и колец. Стойки башни рассматривали как многопролетные стержни, опирающиеся по концам на жесткие опоры, а в промежутках на гибкие [19]. Анализируя применение формулы Р_кр, данной в 1933 г. [22], автор ограничивает ее применение случаями, когда m<k (m — количество полуволн в стойке; k — число ярусов башни). Сравнение результатов, подсчитанных по аналитическим формулам, с экспериментальными данными (на модели) показало хорошие результаты.

С развитием телевизионного вещания в стране в связи с установкой новой двухступенчатой фермы под антенну турникового типа (10 т) и рефлекторной антенны в 1947 г. «ЦНИИпроект-стальконструкцией» было произведено обследование более 200 узлов конструкции Шаболовской башни и выполнена конкретная инженерная разработка проекта на увеличение нагрузки ее основных элементов²⁶.

В 1946 г. Б. Л. Николаи предложил методику графического расчета напряжений в элементах башни при горизонтальных нагрузках.

В расчете Шаболовской башни по методу Николаи используется (ставшая канонической) схема усилий остова башни при определении Р_кр в стойке [22]. Исходя из предположения, что ось наклонной стойки башни представляется как пространственная линия влияния, предлагается формула определения М_тах в стойке при точности результатов по сравнению с аналитическим расчетом [22] в 1% при числе стоек 16

В 1947 г. академик В. 3. Власов привел в общем виде критерий мгновенной изменяемости оболочек как изгибаемых поверхностей (оболочка рассматривается как система, способная работать только на осевые силы, М=0). В отличие от оболочек положительной гауссовой кривизны оболочки отрицательной гауссовой кривизны гиперболоидного типа могут вести себя как мгновенно разрушаемые стержневые системы (эффект хлопка выпуклой части гиперболоида) [24, 25, т. I, с. 150]. Используя волновую математическую аналогию (формулы волнового уравнения Коши—Римана теории функций комплексных переменных), Власов рассматривал краевую задачу о равновесии и изгибании гиперболической оболочки. Он показал, что для гиперболических оболочек «типа башни Шухова… при несимметричных нагрузках (ветровых)… при отсутствии ребер жесткости в местах стыка оболочек возможна мгновенная изменяемость и ее форма (форма изменяемости.— И. П.) характеризуется деформацией изгиба оболочек на линии их сопряжения по определенному закону» [25, т. II, с. 502]. Такие оболочки, не усиленные дополнительными конструктивными элементами—«расчалками», расположенными в плоскости колец, обладают весьма малой несущей способностью [25, т. I, с. 592].

В 1955 г. В. 3. Власов предложил метод, позволяющий производить расчет гиперболической градирни, схема которой представлена в виде ряда конических поверхностей [25, т. II, с. 486]. Ученик Власова А. А. Болтухов (1961 г.) применил его метод для расчета конкретной железобетонной градирни площадью орошения 1520 м² [26].

При расчете гиперболоидных башен градирен Н. В. Колкунов (1959 г.), расчленяя гиперболоид на ряд полос, рассматривал отдельную полосу как пологую оболочку и производил их расчет по технической моментной теории пологих оболочек Власова [27].

Как результат корреляции этих достижений науки с проектированием в ряде инженерных разработок были найдены технические решения в данной механической системе, нарушающие сочетания ее параметров, при которых в устройствах возникали неустойчивые состояния. В частности, академик В. 3. Власов теоретически обосновал предложенную еще Шуховым для конструкции маяка установку по центру гиперболоидных башен вертикальной опоры с дополнительными связями. Это конструктивное решение нашло в дальнейшем применение для вантовых гиперболоидных градирен по системе Шухова (второй тип) [10]²⁷.

С использованием таких систем открылись новые возможности повышения несущих функций этой конструктивной формы.. В первоначальных вариантах сооружений этого типа металлические стойки напорных башен и деревянные стойки башен градирен (1935—1938 гг., Орская ГРЭС), а также металлическая арматура стоек гиперболоидных железобетонных (50—60-е годы) и каркасно—обшивных (1975 г.) градирен работали на сжатие. В. преднапряженных перекрестных вантовых сетях по системе Шухова в градирнях используется работа вантовых элементов на растяжение, что более рационально с точки зрения возможности получить большие значения допускаемых напряжений дли стали. Такое возвращение к идеям прошлого, к техническим идеям В. Г. Шухова при использовании старой конструктивной формы в новом вантовом исполнении являет собой скачок в развитии этой конструктивной формы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шухов В. Г. Строительная механика: Избр. тр. М.: Наука, 1977. 192 с.

2. Фрей О. Висячие покрытия. М.: Госстройиздат, 1960. 179 с.

3. Щербо Г. М. В. Г. Шухов и его сетчатые конструкции.— Промыш. стр-во, 1974, № 5, с. 4^-47.

4. Худяков П. К- Новые типы металлических и деревянных покрытий для зданий по системе В. Г. Шухова.— Техн. сб. пром-сти, 1896, № б, с. 169—

172.

5. Ковельман Г. М. Творчество почетного академика инженера В. Г. Шухова. М.: Госстройиздат, 1961. 363 с.

6. Шелещенко Ю. С. Техника и закономерности ее развития. Л.: Лениздат,. 1970. 246 с.

7. Таиров В. Д. Сетчатые пространственные конструкции. Киев: Наук, думка, 1966. 74 с.

8. Горенштейн Б. В. Применение многоярусных сетчатых конструкций для стального каркаса купола: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1956.

25 с.

9. Шухов В. Г. Предисл. к статье: Кандеев В. И. Расчет соединений в опорном кольце вертикальных сварных резервуаров.— Строит, пром-сть, 1932, № 10, с. 27.

10. Градирни с естественной тягой и мембранной оболочкой.— ОКНИР к НТИ, 1976, июль, вып. 6505.

11. Кандеев В. И., Котляр Е. Ф., Шухов В. Г. Стальные резервуары/Под ред. и с предисл. В. Г. Шухова. М.: Машгиз, 1934. 364 с.

12. Кашкаров Н. А. Резервуары и водонапорные башни. Водопровод и канализация.— В кн.: Справочник Металлостройпроекта, 1933, с. 214—221.

13. Петров Д. Железные водонапорные башни, их назначение, конструкция и расчеты. Николаев, 1911. 132 с.

14. Ставраки Л. Н. Расчет пространственных строительных конструкций: Спецглавы строительной механики. Куйбышев: Кн. изд-во, 1973. 129 с.

15. Система «Парадокс-ЕС» ДОСЕС: (Фонд алгоритмов и программ для ЭВМ в отрасли «Строительство»). М.: ЦНИПИАСС Госстрой СССР, 1977.. Вып. 1—223. 129 с.

16. Ляв А. Математическая теория упругости. 1906 (гл. 13, XVIII, XXI).

17. Лейбензон Л. С. О колебании упругих брусьев.— Сбор, тр., М.: Изд-во-АН СССР, 1951, т. I.

18. Лейбензон Л. С. Сопротивление закрученных стоек.— Изв. Тифлис, высш.. жен. курсов, 1914, кн. I, вып. I, с. 19—36.

19. Масленников А. М. Исследование устойчивости стержневых гиперболоидных башен. Л.: ЛИСИ, 1959. 54 с.

20. Петропавловская И. А. К истории гиперболоидных сооружений.— Вопр. истории естествознания, 1975, вып. II (49), с. 95—97.

21. Динник А. Н., Лысков В. П. Подовжний Угин. Днепропетровск: Проминь; Техвидавнитство УССР, 1932. 164 с.

22. Гришкова Н. П., Лысков В. П., Пеньков А. М. Расчет башни системы Шухова на прочность и устойчивость.— Вести, инж. и техн., 1933, № 7, с. 288— 292.

23. Динник А. Н. Устойчивость упругих систем. М.: ОНТИ, 1935. 183 с.

24. Власов В. 3. Безмоментная теория тонких оболочек, очерченных по поверхности вращения.— Прикл. матем. и мех., 1947, т. И, вып. 4, с. 397— 408.

25. Власов В. 3. Основные дифференциальные уравнения общей теории оболочек.— Прикл. матем. и мех., 1944, т. 8, вып. 2, с. 109—140; Власов В. 3. Общая теория оболочек. М.; Л.: Гостехиздат, 1949. 784 с; Власов В. 3. Избр. тр. М.: Изд-во АН СССР, 1962, т. 1. 528 с; 1963, т. 2, 507 с.

26. Болтухов А. А. Расчет оболочек вращения градирен на произвольную нагрузку по методу В. 3. Власова: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: ЦНИИСК, 1961. 25 с.

27. Колкунов Н. В. К расчету тонкостенной гиперболической градирни.— Науч. докл. высш. школы. Строительство, 1959, № 2, с. 25—35.

28. Entwurfsburo ffir Aufbau, Berlin 017, Projekt — N В 56—14156 Kiihlturm aus vorgefertigten Stahlbetonteilen (47m hoch).

жүктеу/скачать 2.48 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: