Кіріспе
Шексіз квадраттық беткейлі ғимарат немесе құрылыс түрі. Гиперболоидты құрылымдар – бір қабатты гиперболоидты пайдаланып салынған архитектуралық құрылыстар. Көбінесе бұл мұнаралар сияқты биік құрылыстар болады, онда гиперболоид геометриясының конструкциялық беріктігі, нысанды жерден биікке көтеру үшін қолданылады. Гиперболоид геометриясы конструкциялық тиімділіктен бөлек, әсемдеу үшін де жиі қолданылады. Алғашқы гиперболоидты құрылымдарды орыс инженері Владимир Шухов (1853–1939) салған, соның ішінде Ресейдің Липецк облысы, Данков ауданы, Полибино қаласындағы Шухов мұнарасы бар.
Hyperboloid structures are architectural structures designed using a hyperboloid in one sheet. Often these are tall structures, such as towers, where the hyperboloid geometry's structural strength is used to support an object high above the ground. Hyperboloid geometry is often used for decorative effect as well as structural economy. The first hyperboloid structures were built by Russian engineer Vladimir Shukhov (1853–1939), including the Shukhov Tower in Polibino, Dankovsky District, Lipetsk Oblast, Russia.
Қасиеттері
Гиперболалық құрылымдардың теріс Гаусс қисықтығы бар, яғни олар сыртқа қарай емес, ішке қарай иіледі немесе түзу болмайды. Екі жақты реттелген беттер ретінде, оларды түзу қабырғалардың торларынан жасауға болады, сондықтан қисық қабырғаларды пайдалануға қарағанда оңайрақ салынады, себебі қисық қабырғаларға ие емес беттерді салу үшін қисық қабырғалар қажет. Гиперболоидты құрылымдар сыртқы күштерге қарсы тұрақтылығы жағынан "түзу" ғимараттардан артық, бірақ пішіні көбінесе пайдаланбайтын үлкен көлем (төменгі кеңістік тиімділігі) құрайды. Сондықтан олар көбінесе мақсатты құрылымдарда қолданылады, мысалы, су мұнараларында (үлкен массаны ұстап тұру үшін), салқындату мұнараларында және эстетикалық элементтерде. Гиперболалық құрылым салқындату мұнаралары үшін тиімді. Төменгі бөлігінде мұнараның кеңеюі, айналымдағы судың жұқа пленкалы булануын қамтамасыз ету үшін толтыру орнатуға қолайлы кең аумақ береді. Су буланып, жоғары көтерілгенде, тарылу әсері ламинарлық ағынды жылдамдатуға көмектеседі, ал кеңейгенде, қызған ауа мен атмосфералық ауа арасындағы байланыс турбулентті араласуды қолдайды.
Шуховтың шығармалары
1880 жылдары Шухов ең аз материал, уақыт және еңбек жұмсау үшін шатыр жүйелерін жобалау мәселесімен айналыса бастады. Оның есептеулері математик Пафнутий Чебышевтің функциялардың ең жақсы жуықтамалары туралы еңбектерінен туындаған болуы мүмкін. Шуховтың тиімді шатыр құрылымдарын математикалық зерттеуі, оның құрылымдық және кеңістіктік тұрғыдан инновациялық жаңа жүйені ойлап табуына әкелді. Николай Лобачевский «гипербола» деп атаған қос қисықты беттерге талдау дағдыларын қолдану арқылы Шухов жаңа құрылымдық және конструкциялық жүйелерге алып келетін теңдеулер жиынтығын жасады, олар революциялық гиперболоидтар және гиперболалық параболоидтар деп аталады. 1896 жылғы Нижний Новгородта өткен Бүкілресейлік өнеркәсіптік және қолөнер көрмесінің павильондарындағы болат торлы конструкциялар Шуховтың жаңа жүйесінің алғашқы көзге түсетін мысалдары болды. Бұл типтегі екі павильон Нижний Новгород көрмесі үшін салынды, біреуі сопақ, екіншісі дөңгелек пішіндес. Бұл павильондардың шатырлары тік бұрышты және жалпақ темірден жасалған тордан құралған, екі есе иілген торлы қабырғалардан тұрды. Шухов өзі оларды «ажурная башня» («торлы мұнара») деп атады. Шухов 1895 жылы патент алуға өтініш берген бұл жүйенің патенты 1899 жылы мақұлданды. Шухов сондай-ақ жоғарыда үлкен салмақты көтеретін мұнара үшін тиімді және оңай құрастырылатын құрылымдық жүйе (торлы қабырға) әзірлеуге назар аударды. Оның бұл шешіміне салмақты ұстап тұратын тоқылған себеттің әрекетін бақылау себеп болды. Бұл да екі есе қисық бет пішінін алды, ол тік және бұрышты темірден жасалған жеңіл тордан құралды. Келесі 20 жыл ішінде ол шамамен 200 мұнараны жобалап, салды, олардың ешқайсысы бір-біріне ұқсамайды, көбісі 12-ден 68 метрге дейін биіктікте болды. 1911 жылға дейін Шухов гиперболоидтардан жиналған мұнара құру тұжырымдамасын тәжірибелеп көрді. Бөліктерді үйіп қою мұнара пішінінің жоғарғы жағында көбірек таяз болуына мүмкіндік берді, ал төменгі және жоғарғы бөліктерді анықтайтын сақиналар арасындағы «белі» азайды. Бөліктердің санын арттыру жалпы пішіннің таяздығын арттырып, конусқа ұқсас пішінге келтірді. 1918 жылы Шухов бұл тұжырымдаманы Мәскеудегі тоғыз бөліктен тұратын гиперболоидты радио мұнарасының жобасына енгізді. Шухов 350 метрлік мұнараны жобалады, ол Эйфель мұнарасынан 50 метрге биік болып, одан төрт есе аз материалды қажет ететін еді. Оның жобасы, сондай-ақ гиперболалық геометрияны талдау және конструкция элементтерінің өлшемдерін анықтау бойынша толық есептеулер 1919 жылдың ақпан айына дейін аяқталды. Алайда, 350 метрлік мұнараны салу үшін қажетті 2200 тонна болат қолжетімді болған жоқ. 1919 жылдың шілдесінде Ленин мұнараның биіктігін 150 метрге дейін төмендетуді және қажетті болатты армиядан алуды бұйырды. Алты гиперболоидтан тұратын кіші мұнараның құрылысы бірнеше ай ішінде басталды және 1922 жылдың наурызына дейін аяқталды.
Басқа сәулетшілер
Антони Гауди мен Шухов 1880–1895 жылдары гиперболоидты құрылымдармен тәжірибелерді дерлік бір уақытта, бірақ тәуелсіз түрде жүргізді. Антони Гауди 1910 жылы Саграда Фамилияда гиперболалық параболоид (гипер) және айналма гиперболоид түріндегі құрылымдарды қолданды. Саграда Фамилияда, Гаудидің басқарылатын бетінің дизайнымен салыстырылмайтын, туылғандар қасбетінде гиперболоид кездесетін бірнеше жер бар. Пеликан көрінісінің айналасында көптеген мысалдар бар (соның ішінде фигуралардың бірі ұстаған себет). Гиперболоид кипарис ағашының құрылымдық тұрақтылығын арттырады (оны көпірмен байланыстыру арқылы). «Епископтың митрасы» мұнаралары гиперболоидтармен жабылады. Палау Гюэллдегі басты қасбет бойында гиперболалық капительдері бар ішкі бағаналар жиынтығы бар. Атақты параболалық күмбездің жоғарғы бөлігі гиперболоидтан тұрады. Колония Гюэлл шіркеуінің бір қорасының күмбезі гиперболоидты құрылымға ие. Гюэлл саябағында гиперболоидты құрайтын бірегей бағана бар. Танымал испан инженері және сәулетшісі Эдуардо Торрожа Федаладағы су мұнарасын және Гипподромо де ла Зарзуэла төбесін айналма гиперболоид түрінде жобалады. Ле Корбюзье мен Феликс Кандела гиперболоидты құрылымдарды (гипер) пайдаланды. Фредерик ван Итерсон мен Жерар Куйперстің гиперболоидты салқындату мұнарасы 1916 жылдың 16 тамызында Нидерландыда патенттелді. Бірінші Ван Итерсон салқындату мұнарасы 1918 жылы Голландия мемлекеттік кенішінде (DSM) Эммада салынды және пайдалануға берілді. Одан кейін осыған ұқсас және келесі үлгілер де салынды. Georgia Dome (1992) – Hypar Tensegrity технологиясымен салынған алғашқы күмбез.