โครงสร้างไฮเปอร์โบโลอิด

โครงสร้างไฮเปอร์โบโลอิดเป็นโครงสร้างทางสถาปัตยกรรมที่ออกแบบโดยใช้ไฮเปอร์โบโลอิดในแผ่นเดียว มักเป็นโครงสร้างสูง เช่น หอคอย ซึ่งใช้ความแข็งแรงของโครงสร้างทางเรขาคณิตของไฮเปอร์โบโลอิดเพื่อรองรับวัตถุที่อยู่สูงเหนือพื้นดิน เรขาคณิตของไฮเปอร์โบโลอิดมักถูกใช้เพื่อผลทางด้านการตกแต่งเช่นเดียวกับความประหยัดในเชิงโครงสร้าง โครงสร้างไฮเปอร์โบโลอิดแรกสร้างขึ้นโดยวิศวกรชาวรัสเซียวลาดิมีร์ ชูคอฟ (ค.ศ. 1853–1939) ^{[ 1 ]}รวมถึงหอคอยชูคอฟในโปลิบิโน เขตดันคอฟสกี จังหวัดลิเปตสค์ประเทศรัสเซีย

คุณสมบัติ

โครงสร้างไฮเปอร์โบลิกมีความโค้งเกาส์เซียนเป็น ลบ หมายความว่ามันโค้งเข้าด้านในแทนที่จะโค้งออกด้านนอกหรือเป็นเส้นตรง เนื่องจากเป็นพื้นผิวที่มีเส้นกำกับสองชั้นจึงสามารถสร้างได้ด้วยโครงตาข่ายของคานตรง ดังนั้นจึงสร้างได้ง่ายกว่าพื้นผิวโค้งที่ไม่มีเส้นกำกับและต้องสร้างด้วยคานโค้งแทน^{[ 2 ]}

โครงสร้างไฮเปอร์โบโลอิดมีเสถียรภาพที่ดีกว่าเมื่อต้องรับแรงภายนอกเมื่อเทียบกับอาคาร "ตรง" แต่รูปทรงมักสร้างปริมาตรที่ใช้ไม่ได้จำนวนมาก (ประสิทธิภาพการใช้พื้นที่ต่ำ) ดังนั้นจึงมักใช้ในโครงสร้างที่มีวัตถุประสงค์เฉพาะ เช่นหอน้ำ (เพื่อรองรับมวลขนาดใหญ่) หอระบายความร้อน และองค์ประกอบทางสุนทรียศาสตร์^{[ 3 ]}

โครงสร้างรูปทรงไฮเปอร์โบลาเป็นประโยชน์สำหรับหอระบายความร้อนบริเวณด้านล่างที่กว้างออกของหอจะให้พื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับการติดตั้งวัสดุเติมเพื่อส่งเสริมการระบายความร้อนด้วยการระเหยแบบฟิล์มบางของน้ำที่ไหลเวียน เมื่อน้ำระเหยและลอยขึ้นในตอนแรก ผลกระทบจากการแคบลงจะช่วยเร่งการไหลแบบลามินาร์และเมื่อมันกว้างออก การสัมผัสระหว่างอากาศร้อนกับอากาศในบรรยากาศจะช่วยให้เกิดการผสม แบบปั่นป่วน

ผลงานของชูคอฟ

ในช่วงทศวรรษ 1880 ชูคอฟเริ่มทำงานเกี่ยวกับปัญหาการออกแบบระบบหลังคาโดยใช้ทรัพยากร เวลา และแรงงานให้น้อยที่สุด การคำนวณของเขาน่าจะได้รับอิทธิพลมาจากงานของนักคณิตศาสตร์ปาฟนูตี เชบิเชฟเกี่ยวกับทฤษฎีการประมาณค่าที่ดีที่สุดของฟังก์ชัน การสำรวจทางคณิตศาสตร์ของชูคอฟเกี่ยวกับโครงสร้างหลังคาที่มีประสิทธิภาพนำไปสู่การประดิษฐ์ระบบใหม่ที่มีนวัตกรรมทั้งในด้านโครงสร้างและพื้นที่ โดยการประยุกต์ใช้ทักษะการวิเคราะห์ของเขากับพื้นผิวโค้งสองชั้นที่นิโคไล โลบาเชฟสกี ตั้งชื่อว่า "ไฮเปอร์โบลิก" ชูคอฟได้สร้างชุดสมการที่นำไปสู่ระบบโครงสร้างและการก่อสร้างใหม่ ซึ่งรู้จักกันในชื่อไฮเปอร์โบโลอิดของการหมุนและ พาราโบโลอิดไฮเปอร์โบลิก

โครงสร้าง เหล็กรูปทรงเปลือกของศาลาจัดแสดงนิทรรศการในงานมหกรรมอุตสาหกรรมและหัตถกรรมแห่งรัสเซีย ปี 1896 ที่เมืองนิซนีโนฟโกรอดเป็นตัวอย่างแรกๆ ที่โดดเด่นของระบบใหม่ของชูคอฟที่ปรากฏสู่สาธารณะ มีการสร้างศาลาประเภทนี้สองหลังสำหรับงานมหกรรมที่นิซนีโนฟโกรอด หลังหนึ่งเป็นรูปวงรี และอีกหลังเป็นรูปวงกลม หลังคาของศาลาเหล่านี้เป็นโครงสร้างรูปทรงเปลือกโค้งสองชั้นที่ทำจากเหล็กฉากและเหล็กแผ่นเรียบทั้งหมด ชูคอฟเรียกโครงสร้างนี้ว่าazhurnaia bashnia ("หอคอยลูกไม้" หรือหอคอยโครงสร้างตาข่าย ) สิทธิบัตรของระบบนี้ ซึ่งชูคอฟยื่นขอในปี 1895 ได้รับการอนุมัติในปี 1899

นอกจากนี้ ชูคอฟยังหันมาสนใจการพัฒนาโครงสร้างระบบที่มีประสิทธิภาพและสร้างง่าย (กริดเชลล์) สำหรับหอคอยที่รับน้ำหนักมากที่ด้านบน ซึ่งเป็นปัญหาของหอเก็บน้ำ แนวคิดของเขาได้รับแรงบันดาลใจจากการสังเกตการทำงานของตะกร้าสานที่รองรับน้ำหนักมาก โดยมีลักษณะเป็นพื้นผิวโค้งสองชั้นที่สร้างจากโครงข่ายเหล็กเส้นตรงและเหล็กฉากที่มีน้ำหนักเบา ตลอด 20 ปีต่อมา เขาได้ออกแบบและสร้างหอคอยเหล่านี้เกือบ 200 แห่ง ซึ่งแต่ละแห่งไม่เหมือนกัน ส่วนใหญ่มีความสูงตั้งแต่ 12 เมตรถึง 68 เมตร

อย่างน้อยที่สุดในช่วงปี 1911 ชูคอฟได้เริ่มทดลองกับแนวคิดการสร้างหอคอยจากส่วนไฮเปอร์โบโลอิดที่ซ้อนกัน การซ้อนส่วนต่างๆ ทำให้รูปทรงของหอคอยเรียวขึ้นที่ส่วนบน โดยมี "เอว" ที่เด่นชัดน้อยลงระหว่างวงแหวนที่กำหนดรูปทรงที่ด้านล่างและด้านบน การเพิ่มจำนวนส่วนจะทำให้รูปทรงโดยรวมเรียวขึ้น จนกระทั่งเริ่มมีลักษณะคล้ายกรวย

ในปี ค.ศ. 1918 ชูคอฟได้พัฒนาแนวคิดนี้ไปสู่การออกแบบหอส่งสัญญาณ วิทยุรูปทรงไฮเปอร์โบโลอิดซ้อนกันเก้าส่วน ในกรุงมอสโก ชูคอฟออกแบบหอคอยสูง 350 เมตร ซึ่งจะสูงกว่าหอไอเฟลถึง 50 เมตร แต่ใช้ปริมาณวัสดุน้อยกว่าหนึ่งในสี่ การออกแบบของเขา รวมทั้งการคำนวณสนับสนุนทั้งหมดที่วิเคราะห์รูปทรงเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกและการกำหนดขนาดของเครือข่ายชิ้นส่วนต่างๆ เสร็จสมบูรณ์ในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 1919 อย่างไรก็ตาม เหล็ก 2,200 ตันที่จำเป็นในการสร้างหอคอยสูง 350 เมตรนั้นไม่เพียงพอ ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1919 เลนินได้ออกคำสั่งให้สร้างหอคอยสูง 150 เมตร และเหล็กที่จำเป็นจะจัดหามาจากเสบียงของกองทัพ การก่อสร้างหอคอยขนาดเล็กกว่าที่มีไฮเปอร์โบโลอิดซ้อนกันหกส่วนเริ่มต้นขึ้นภายในไม่กี่เดือน และหอคอยชูคอฟก็สร้างเสร็จสมบูรณ์ในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1922

สถาปนิกคนอื่นๆ

อันโตนี เกาดีและชูคอฟได้ทำการทดลองกับโครงสร้างไฮเปอร์โบโลอิดเกือบพร้อมกัน แต่เป็นอิสระต่อกันในช่วงปี 1880–1895 อันโตนี เกาดีใช้โครงสร้างในรูปทรงพาราโบโลอิดไฮเปอร์โบลิก (ไฮพาร์) และไฮเปอร์โบโลอิดของการหมุนในซากราดา ฟามิ เลีย ในปี 1910 ^{[ 4 ]}ในซากราดา ฟามิเลีย มีบางจุดบนด้านหน้าของฉากประสูติซึ่งเป็นการออกแบบที่ไม่เทียบเท่ากับการออกแบบพื้นผิวแบบเส้นตรงของเกาดี ที่มีไฮเปอร์โบโลอิดปรากฏขึ้น รอบๆ ฉากที่มีนกกระทุง มีตัวอย่างมากมาย (รวมถึงตะกร้าที่ถือโดยหนึ่งในรูปปั้น) มีไฮเปอร์โบโลอิดที่เพิ่มความมั่นคงทางโครงสร้างให้กับต้นไซเปรส (โดยเชื่อมต่อกับสะพาน) ยอดแหลมของ "หมวกบิชอป" นั้นมีไฮเปอร์โบโลอิดอยู่ด้านบน

ในPalau Güellมีเสาภายในชุดหนึ่งตามแนวหน้าอาคารหลักที่มีหัวเสาเป็นรูปทรงไฮเปอร์โบลิก ส่วนยอดของเพดาน โค้งพาราโบลาอันโด่งดัง เป็นรูปทรงไฮเปอร์โบโลอิด เพดานโค้งของโรงนาแห่งหนึ่งใน โบสถ์ Colònia Güellก็เป็นรูปทรงไฮเปอร์โบโลอิดเช่นกัน นอกจากนี้ยังมีเสาที่ไม่เหมือนใครในPark Güellซึ่งเป็นรูปทรงไฮเปอร์โบโลอิด วิศวกรและสถาปนิกชาวสเปนชื่อดังEduardo Torrojaได้ออกแบบ หอน้ำ เปลือกบางใน Fedala ^{[ 5 ]}และหลังคาของHipódromo de la Zarzuela ^{[ 6 ]}ในรูปทรงไฮเปอร์โบโลอิดแบบหมุนLe CorbusierและFélix Candelaใช้โครงสร้างไฮเปอร์โบโลอิด ( hypar )

หอระบายความร้อนไฮเปอร์โบโลอิดที่ออกแบบโดยFrederik van Itersonและ Gerard Kuypers ได้รับการจดสิทธิบัตรในประเทศเนเธอร์แลนด์เมื่อวันที่ 16 สิงหาคม พ.ศ. 2459 ^{[ 7 ]}หอระบายความร้อน Van Iterson รุ่นแรกถูกสร้างขึ้นและนำไปใช้งานที่เหมืองของรัฐดัตช์ ( DSM ) Emma ในปี พ.ศ. 2461 ต่อมาได้มีการออกแบบหอระบายความร้อนแบบเดียวกันและแบบอื่นๆ ตามมาอีกมากมาย^{[ 8 ]}

Georgia Dome (1992) เป็น โดม Hypar- Tensegrity แห่งแรกที่ถูกสร้างขึ้น^[⁹^]

แกลเลอรี่

พาราโบโลอิดไฮเปอร์โบลิกเป็นพื้นผิวที่มีเส้นกำกับสองด้านดังนั้นจึงสามารถใช้สร้างหลังคาทรงอานม้าจากคานตรงได้
สถานีรถไฟโอโชตะ กรุงวอร์ซอมีหลังคารูปทรงพาราโบลาไฮเปอร์โบลิก กรุงวอร์ซอประเทศโปแลนด์ ปี 1962
สนามกีฬาส กอตติแบงค์ แซดเดิลโดมมีหลังคาเป็นรูปทรงพาราโบลาไฮเปอร์โบลิกเมืองคาลการีประเทศแคนาดา ปี 1983
ชิปPringlesที่สามารถวางซ้อนกันได้ นั้นมีรูปร่างเป็นพาราโบลาไฮเปอร์โบลิก
ที่ใส่ปากกา/แปรงสีฟันแบบใช้ได้สองแบบพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker 2ปี 2015
หอระบายความร้อนแวน อิเทอร์สันหลังแรก ปี 1918 ปี 1984
หอระบายความร้อน 5 หอเรียงกันที่โรงงาน DSM Emmaประมาณปี 1930
สะพานคอร์ปอเรชั่นสตรีทเป็นโครงสร้างรูปทรงไฮเปอร์โบโลอิดแบบสองเส้นโค้งแนวนอน ตั้งอยู่ที่เมืองแมนเชสเตอร์ประเทศอังกฤษ สร้างขึ้นในปี 1999

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

^ "หอเก็บน้ำทรงไฮเปอร์โบโลอิด"ฐานข้อมูลและหอแสดงภาพโครงสร้างนานาชาตินิโคลัส แยนเบิร์ก, ICS. 2007. สืบค้นเมื่อ28 พฤศจิกายน 2007
^ Cowan, Henry J. (1991), Handbook of architectural technology , Van Nostrand Reinhold, หน้า 175, ISBN 9780442205256การสร้างแบบหล่อไม้สำหรับโครงสร้างคอนกรีตหรือการผลิตโครงสร้างเหล็ก จะง่ายขึ้นหากพื้นผิวเป็นแบบตีเส้นเดียว และจะง่ายขึ้นไปอีกหากเป็นแบบตีเส้นคู่
^ Reid, Esmond (1988). Understanding Buildings: A Multidisciplinary Approach . The MIT Press. หน้า 35. ISBN 978-0-262-68054-7สืบค้นเมื่อ9 สิงหาคม 2552
^ Burry, MC, JR Burry, GM Dunlop และ A. Maher (2001). "Drawing Together Euclidean and Topological Threads (pdf)" (PDF) . นำเสนอในการประชุม SIRC 2001 – การประชุมประจำปีครั้งที่สิบสามของศูนย์วิจัยข้อมูลเชิงพื้นที่ดันเนดิน นิวซีแลนด์: มหาวิทยาลัยโอทาโก เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2007-10-31 . สืบค้นเมื่อ2007-11-28 .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list ( link )
^ "อ่างเก็บน้ำเฟดาลา"ฐานข้อมูลและหอแสดงภาพโครงสร้างนานาชาตินิโคลัส แยนเบิร์ก, ICS. 2007. สืบค้นเมื่อ28 พฤศจิกายน 2007
^ "Zarzuela Hippodrome" . ฐานข้อมูลและหอแสดงภาพโครงสร้างนานาชาติ . Nicolas Janberg, ICS. 2007 . สืบค้นเมื่อ2007-11-28 .
^สิทธิบัตร NL/GB เลขที่ 108,863: "GB108863A การปรับปรุงโครงสร้างหอระบายความร้อนคอนกรีตเสริมเหล็ก" Espacenet , การค้นหาสิทธิบัตรสืบค้นเมื่อ2023-12-03
↑ "โคเอลโตเรนส์ ฟาน เดอ สตาทส์มิจ์น เอ็มมา" . กลึค เอาฟ์ (ในภาษาดัตช์) สืบค้นเมื่อ2023-12-03 .
^ Castro, Gerardo และ Matthys P. Levy (1992). "การวิเคราะห์หลังคาเคเบิลของ Georgia Dome" . รายงานการประชุมวิชาการด้านการคำนวณในวิศวกรรมโยธาและระบบสารสนเทศภูมิศาสตร์ ครั้งที่ 8 . ที่อยู่อาศัยอันน่าตื่นตาตื่นใจ. สืบค้นเมื่อ2007-11-28 .

ลิงก์ภายนอก

งานวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างไฮเปอร์โบโลอิดแรกของโลกของชูคอฟโดยศาสตราจารย์ ดร. อาร์มิน กรุน
แคมเปญระดับนานาชาติเพื่ออนุรักษ์หอคอยชูคอฟ
เปลือกไฮเปอร์โบโลอิดแบบแอนติคลาสติก
เปลือก: พาราโบโลอิดไฮเปอร์โบลิก (ไฮเปอร์โบลิก)
พาราโบโลอิดไฮเปอร์โบลิกและเปลือกคอนกรีต
โครงสร้างพิเศษ
Rainer Graefe : “Vladimir G. Šuchov 1853–1939 – Die Kunst der sparsamen Konstruktion” , [1]

[1] "หอเก็บน้ำทรงไฮเปอร์โบโลอิด"ฐานข้อมูลและหอแสดงภาพโครงสร้างนานาชาตินิโคลัส แยนเบิร์ก, ICS. 2007. สืบค้นเมื่อ28 พฤศจิกายน 2007

[2] Cowan, Henry J. (1991), Handbook of architectural technology , Van Nostrand Reinhold, หน้า 175, ISBN 9780442205256การสร้างแบบหล่อไม้สำหรับโครงสร้างคอนกรีตหรือการผลิตโครงสร้างเหล็ก จะง่ายขึ้นหากพื้นผิวเป็นแบบตีเส้นเดียว และจะง่ายขึ้นไปอีกหากเป็นแบบตีเส้นคู่

[Reid1988-3] Reid, Esmond (1988). Understanding Buildings: A Multidisciplinary Approach . The MIT Press. หน้า 35. ISBN 978-0-262-68054-7สืบค้นเมื่อ9 สิงหาคม 2552

[4] Burry, MC, JR Burry, GM Dunlop และ A. Maher (2001). "Drawing Together Euclidean and Topological Threads (pdf)" (PDF) . นำเสนอในการประชุม SIRC 2001 – การประชุมประจำปีครั้งที่สิบสามของศูนย์วิจัยข้อมูลเชิงพื้นที่ดันเนดิน นิวซีแลนด์: มหาวิทยาลัยโอทาโก เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2007-10-31 . สืบค้นเมื่อ2007-11-28 .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list ( link )

[5] "อ่างเก็บน้ำเฟดาลา"ฐานข้อมูลและหอแสดงภาพโครงสร้างนานาชาตินิโคลัส แยนเบิร์ก, ICS. 2007. สืบค้นเมื่อ28 พฤศจิกายน 2007

[6] "Zarzuela Hippodrome" . ฐานข้อมูลและหอแสดงภาพโครงสร้างนานาชาติ . Nicolas Janberg, ICS. 2007 . สืบค้นเมื่อ2007-11-28 .

[7] สิทธิบัตร NL/GB เลขที่ 108,863: "GB108863A การปรับปรุงโครงสร้างหอระบายความร้อนคอนกรีตเสริมเหล็ก" Espacenet , การค้นหาสิทธิบัตรสืบค้นเมื่อ2023-12-03

[8] "โคเอลโตเรนส์ ฟาน เดอ สตาทส์มิจ์น เอ็มมา" . กลึค เอาฟ์ (ในภาษาดัตช์) สืบค้นเมื่อ2023-12-03 .

[9] Castro, Gerardo และ Matthys P. Levy (1992). "การวิเคราะห์หลังคาเคเบิลของ Georgia Dome" . รายงานการประชุมวิชาการด้านการคำนวณในวิศวกรรมโยธาและระบบสารสนเทศภูมิศาสตร์ ครั้งที่ 8 . ที่อยู่อาศัยอันน่าตื่นตาตื่นใจ. สืบค้นเมื่อ2007-11-28 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[