Строительная механика. В. Г. Шухов — основоположник отечественной конструкторской школы

Строительная механика. В. Г. Шухов — основоположник отечественной конструкторской школы

В. Г. Шухов известен как ученый-конструктор, сочетавший глубокие теоретические и практические — конструкторские знания. Он был выдающимся инженером, многие его идеи не утратили своего значения и в наше время. В своей инженерной деятельности В. Г. Шухов занимался решением широкого комплекса проблем: от проектирования и изготовления конструкций до их возведения и монтажа.

В 1880 г. в Москве основывается контора А. В. Бари, главным инженером которой становится Шухов. С 14 декабря 1880 г. под его руководством начало функционировать проектное бюро — специализированная организация по проектированию металлических конструкций, которой Владимир Григорьевич бессменно руководил до 1930 г., а с 1930 до 1939 г. был ее главным консультантом³. В. Г. Шухов особое внимание уделял организации и укреплению коллектива квалифицированных специалистов-металлистов, раньше других поняв, что строительство зданий и сооружений — дело коллективное. Этот коллектив под его руководством впервые в царской России начал заниматься проблемой разработки конструктивных форм. Здесь разрабатывались проекты различных конструкций: резервуаров и нефтепроводов, доменных печей, каркасов и покрытий промышленных зданий, перекрытий вокзалов, выставочных павильонов, различных гражданских зданий и др.

В процессе творческой деятельности коллективом металлистов-проектировщиков были заложены теоретические и практические основы создания строительных металлических конструкций. Для соответствия потребностей заказчика (эксплуатационника) оптимальным инженерным критериям — надежности, экономичности, технологичности изготовления и монтажа — создавались многообразные конструктивные формы сооружений. Для конструкций повторного или массового применения разрабатывались типовые решения, закладывались основы типизации, проводились аналитические и экспериментальные проверки работы конструкций.

До XIX в. эволюция конструктивных форм шла очень медленно из-за ограниченных возможностей строительных материалов: камня, дерева и т. п. Конструктивными формами того периода были простые балки, колонны, арки и своды. Проблема минимального веса, естественно, при создании конструктивной формы не занимала сколько-нибудь значительного места.

С 1856 по 1878 г. были открыты способы производства сталей (бессемеровский, мартеновский и томассовский), обладающих прочностью, гибкостью и твердостью, прекрасно работающих на растяжение, изгиб, сдвиг и сжатие. Появление стальных горячекатаных и холодноформованных профилей для металлических конструкций ускорило эволюцию конструктивных форм. Но как разрабатывать конструктивные формы, каковы критерии их создания,— эти вопросы не были решены. Еще в 1851 г. в Лондоне было построено первое каркасное металлическое сооружение, так называемый Хрустальный дворец по проекту Д. Пэксоона (садовника, впоследствии архитектора), который умело использовал металл и стекло взамен кирпича и дерева. Это сооружение стало выдающимся в истории техники. В 1889 г. (когда В. Г. Шухов уже работал в конторе Бари) по проекту инженера и архитектора А. Эйфеля в Париже была сооружена металлическая башня высотой 305 м. В основу создания конструктивной формы этих сооружений был положен в основном принцип эстетической выразительности. Проблема критериев создания конструктивной формы не решалась.

В. Г. Шухов первым подошел к конструктивной форме с научных позиций: в основу своих разработок он положил критерии веса, трудоемкости и стоимости. Они явились основополагающими при создании в 1895—1896 гг. павильонов на Всероссийской промышленной выставке в Нижнем Новгороде — в них Шухов на практике реализовал основные критерии создания конструктивных форм.- Его сетчатые конструкции для главного павильона выставки и покрытия двоякой положительной и отрицательной гауссовой кривизны были исключительно оригинальны и блестяще решали проблему минимального веса. Они Сыграли огромную роль в развитии металлических конструкций.

Для Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде им была предложена башня-опора в виде однополостного гиперболоида. Такая форма позволила отказаться от гнутых элементов, что наряду с уменьшением веса существенно снизило трудоемкость изготовления и монтажа. В 1918 г. в Москве по заданию В. И. Ленина было начато строительство мощной радиостанции. Создание башни-антенны для этой станции было поручено В. Г. Шухову. В основу конструктивной формы башни Шухов положил аналогичный гиперболоид вращения. По первоначальному проекту радиобашня должна была иметь высоту 350 м и состоять из девяти гиперболоидов. Но в то время в стране остро не хватало стали, поэтому было принято решение строить многоярусную башню, состоящую из шести гиперболоидов, каждый высотой 25 м; с установкой двух траверс и флагштока высота башни достигла 160 м.

За строительством башни с большим интересом следил В. И. Ленин. Когда из-за недостатка стали стройка задерживалась, он помогал получить необходимое количество стали из военных запасов. В 1922 г. радиобашня на Шаболовке была построена. В историю радиотехники она вошла как эмблема советского радиовещания. Именно башня Шухова позволила начать с 19 марта 1922 г. регулярные передачи новой московской радиостанции (имени Коминтерна), предназначенные странам Европы.

Созданная Шуховым сетчатая радиобашня по сравнению с башней Эйфеля имела значительно меньший вес. Эйфелева башня при высоте 305 м весила 8,5 тыс. т, а башня шуховской системы в пересчете на высоту 305 м весила бы всего 2,2 тыс. т.

Сегодня мы улучшаем характеристики конструкций, созданных на основе критерия минимального веса, используя при этом два других критерия: трудоемкость и стоимость. Синтез этих критериев, впервые воплощенный на практике и в теории В. Г. Шуховым, составляет основу советской конструкторской школы. Основа европейской, американской конструкторских школ существенно отличается от нашей: в США предпочитают опираться на критерий трудоемкости, в Западной Европе исходят только из критерия веса.

Второй проблемой после установления критериев оптимальности, блестяще решенной В. Г. Шуховым, стало создание оптимальной конструктивной формы. Он первым в мире правильно оценил одно из свойств стали — работу на растяжение и создал сетчатые металлические системы из растянутых поверхностей. Западноевропейские архитекторы и инженеры подошли к идее растянутых поверхностей лишь в начале 40-х годов нашего столетия. Таким образом, пространственные покрытия павильонов Нижегородской выставки из растянутых металлических поверхностей, созданные В. Г. Шуховым в 1895—1896 гг.. на десятки лет опередили конструкторскую мысль за рубежом. Сегодня мы четко представляем, что при непрерывно повышающихся механических характеристиках стали, используя эту идею растяжения, можно будет преодолевать в перекрытиях без колонн пространство в 10—15 км. При внедрении высокопрочных материалов из полимеров, пластиков и других легких материалов это даст возможность покрывать неограниченные пространства, создавая микроклимат в северных районах нашей страны.

Системы покрытий из растянутых поверхностей позволяют довести расход стали до возможного минимума, и в сочетании с легкой кровлей из пластика они займут ведущее место в мировой строительной технике на многие годы.

Не менее важным в этой проблеме для нас сегодня является вопрос концентрации материала, который вскрыл в своих работах В. Г. Шухов. Блестящим примером создания оптимальной конструктивной формы с этой точки зрения служат его листовые конструкции резервуаров и других типов емкостей. Анализируя листовые конструкции, занимаясь их оптимизацией, Владимир Григорьевич заметил, что, чем больше объем, тем выгоднее конструктивная форма резервуара. В 1880 г. он впервые в мире разработал цилиндрические резервуары для хранения нефти, которые по своим технико-экономическим показателям значительно превосходили квадратные в плане металлические резервуары, применявшиеся в то время в США.

В работе «Механические сооружения нефтяной промышленности», опубликованной в 1883 г., В. Г. Шухов впервые подал мысль о концентрации материала, показав, что резервуар с переменной толщиной стенок имеет наименьший вес при условии, если объем доли днища и покрытия равен объему стали в стенках, необходимому, чтобы воспринять усилия в поясах. В этой работе Шухов умело использовал линейное дифференциальное уравнение четвертого порядка EId⁴y/dx⁴ = - ay для задач строительной механики.

Рассматривая оболочку резервуара, подверженную воздействию краевых сил, как балку на упругом основании, Шухов применил это уравнение для решения задач о напряженном состоянии в зонах пересечения оболочки с днищем, на участках изменения формы сечения, в зонах ребер жесткости и других случаях стеснения деформаций в цилиндрических и сферических оболочках. Это уравнение им было использовано и для расчета днища, опирающегося на упругое песчаное основание.

Методика расчета, законы веса и оптимизация параметров резервуаров, разработанные В. Г. Шуховым, используются в мировой строительной практике и по настоящее время.

Создавая конструктивные формы резервуаров, Шухов решил сразу три задачи: выбор оптимальной шаровой и цилиндрической формы, создание методики расчета, установление законов веса листовых конструкций.

Практика показывает, что вес резервуара объемом 100 тыс. м³ значительно меньше, чем вес десяти 10-тысячных резервуаров, поэтому выгоднее построить один резервуар, чем десять,— и выгода эта значительная: если в первом случае требуется 14 кг металла на кубический метр объема, то во втором — 20—25 кг. Оказывается, концентрация материала, объема или мощности подчиняются одинаковой закономерности. С использованием этой закономерности строятся, например, доменные печи, в частности самая крупная в мире доменная печь № 5 Череповецкого металлургического завода объемом 5600 м³ — образец использования шуховской идеи концентрации материалов.

Занимаясь созданием листовых, а также стержневых дискретных конструкций, Шухов обратил внимание на оптимизацию конструктивных форм исходя из их функций. Так, оптимизируя стропильные фермы, он пришел к выводу, что самое выгодное покрытие с точки зрения веса — конструкция типа сетки и.рациональность сетчатых покрытий в том, что в этом случае не требуются дополнительные конструкции в виде прогонов и обрешетки.

В 1897 г. В. Г. Шуховым была опубликована работа «Стропила», посвященная рациональному выбору типа стропильных и арочных ферм. В этой работе, доказывая необходимость перехода к сетчатым пространственным конструкциям, автор приходит к выводу целесообразности применения параболических ферм с лучевыми преднапряженными затяжками.

Сегодня идея оптимизации является одной из ведущих при создании конструктивных форм, главное потому что существенно повышает технико-экономическую эффективность.

Третья проблема — теория создания конструктивной формы. В. Г. Шухов не только вплотную подошел к ней, но и заложил ее фундамент. Это аналитический подход к конструктивной форме, анализ самой постановки задачи, установление строго научных закономерностей, сочетающих основные факторы формообразования. Такой комплексный подход к решению проблемы является характерной чертой шуховского метода. На его основе Владимир Григорьевич создал ряд блестящих конструкций зданий и сооружений.

В 1894 г. по проекту В. Г. Шухова был построен мартеновский цех НижнеТагильского завода в виде однопролетного здания, перекрытого серповидными фермами, а в 1898 г.— главные здания мартеновских цехов завода в г. Каменском (ныне Днепродзержинск) и Каменского завода на Урале. В тот период была также разработана конструктивная форма здания Тульского машиностроительного завода, ставшего образцом для многих отечественных и зарубежных заводов.

Четвертая проблема, решение которой было продемонстрировано В. Г. Шуховым на Нижегородской выставке, а также в перекрытиях арочных ферм теперешнего ГУМа, — это возможность регулирования усилий путем преднапряжения конструкций. Следует отметить, что идея преднапряжения чисто русская. Еще в 1861 г. русский академик генерал от артиллерии А. Гадолин предложил для повышения несущей способности стволов орудий предварительно их напрягать, а в 1887 г. Н. Калакутский опубликовал работу, в которой подчеркивал возможность регулирования напряжения конструкций.

В наше время считается, что все будущие металлические конструкции — это конструкции преднапряженные. Путем преднапряжения, методов преднапряжения в строительстве, можно существенно снизить вес металлических конструкций (до 50%). Идея преднапряжения сегодня дает возможность как бы управлять законами строительной механики.

В. Г. Шухов, создавая конструкции, способы их изготовления и монтажа, обратил внимание на повторяемость элементов конструктивной формы. Действительно, шуховская сетчатая башня создается из одинаковых простых прямолинейных элементов, разработанные им котлы состояли из отдельных стандартных секций, что заметно снижало трудоемкость их изготовления и монтажа.

Идея оптимизации при создании конструктивной формы, которую предложил В. Г. Шухов, в современной технике важна потому, что это ключ к повышению производительности труда. При переходе на поточное производство в строительстве конструктивная форма должна быть типовой, стандартизированной.

Владимир Григорьевич приступил к работе главного инженера проектного бюро в 1880 г. Ему потребовалось 16 лет, чтобы продумать, прочувствовать и реализовать свои идеи: метод преднапряжения, растянутых поверхностей, принцип типизации их элементов, и только в 1896 г. при проектировании павильонов Нижегородской выставки он продемонстрировал предварительное напряжение в конструкциях из сеток, а в 1897 г.— при проектировании арочных ферм для покрытия здания Верхних торговых рядов в Москве (ГУМа).

Металлисты-строители всегда находились на переднем фронте становления и развития народного хозяйства. Их богатый дореволюционный опыт проектирования был использован при восстановлении промышленных объектов металлургической промышленности и транспорта после гражданской войны. Особое внимание уделялось восстановлению и строительству электростанций, возводимых по указанию В. И. Ленина в соответствии с планом ГОЭЛРО.

В годы первых пятилеток, когда в стране развернулось строительство в огромных масштабах, были разработаны проекты промышленных гигантов черной металлургии, судостроительной, машиностроительной, энергетической и других ведущих отраслей народного хозяйства, что потребовало решения сложнейших инженерных задач. Проекты разрабатывались уже с учетом новых требований, важнейшим из них было обеспечение надежности работы новых конструкций в значительно усложнившихся условиях эксплуатации при максимальной экономии металла, снижения трудоемкости их изготовления и монтажа. На базе этих положений развивались главные принципы проектирования стальных конструкций. Таким образом, на основе комплексного изучения функциональных и народнохозяйственных требований в нашей стране начала формироваться советская школа создания стальных конструкций.

В те годы талант и творческая активность В. Г. Шухова проявились с особой силой. Он приступил к проектированию металлических конструкций зданий, сооружений и мостов. Так, в 1918—1920 гг. Шухов руководит проектом восстановления 28 железнодорожных мостов; в 1924—1929 гг. под его руководством проектируются нефтепроводы Грозный—Туапсе и Баку—Батуми; мартеновские цехи Верхисетского, Пермского, Белорецкого заводов; в 1930—1933 гг. он руководит созданием типовых проектов ангаров и эллингов, газгольдера емкостью 150 тыс. м³, стандартных сетчатых башен, разрабатывает проекты мокрых и сухих газгольдеров, проект моста через р. Обь у Новосибирска, проекты мартеновских цехов Кузнецкого, «Азовстали», Таганрогского, Днепропетровского и других металлургических заводов.

Развивая идеи Шухова, советские ученые и инженеры-металлостроители создали передовую советскую школу проектирования металлических конструкций, сочетающую в себе требования к условиям эксплуатации, минимуму веса, снижению трудоемкости изготовления, монтажа, скорости возведения и малой стоимости. При создании конструкций критерии веса, трудоемкости и стоимости рассматриваются в оптимальном сочетании, при этом минимальная стоимость конструктивной формы рассматривается как интегральный критерий. Развитие теории формообразования позволяет повысить эффективность конструктивных форм. Успешно реализуются такие идеи, как предварительное напряжение, растянутые поверхности, совмещение функций, концентрация материала, типизация и унификация. Большое место отводится применению ЭВМ в методах оптимизации конструктивных форм, в создании конструкций наименьшего веса. Проблема синтеза в строительной механике ферм, балок, пространственных систем —дальнейшее развитие идей В. Г. Шухова по нахождению законов веса конструктивных форм.

Институт «НИИпроектстальконструкдия», выросший из технического бюро, которое организовал и возглавил В. Г. Шухов, используя арсенал его идей, сумел сэкономить в 1981 г. 206,3 тыс. т стали, создавая эффективные конструктивные формы. В. Г. Шухов в совершенстве владел наукой о металлических конструкциях, хорошо видел основные тенденции ее развития, умело учитывал возможности и новые тенденции в технической эволюции конструктивных форм сооружений из стали. Его работы в области создания прогрессивных металлических конструкций намного опередили свое время, их приоритет несомненен.

Институт «ЦНИИпроектстальконструкция» принимает активное участие в решении многообразных задач, поставленных программой строительства коммунизма в нашей стране.

Институт участвовал в решении проблемы черной металлургии по наращиванию производственных объемов за счет создания агрегатов большой единичной мощности. Были разработаны новые конструкции доменных комплексов с печами объемом до 3200 и 5000 м³. Патенты «ЦНИИпроектстальконструкции» на ряд конструктивных решений покупаются ведущими капиталистическими странами.

Институт разработал новые конструкции цехов сталеплавильного производства, в том числе для Западно-Сибирского, Новолипецкого, Ждановского, Череповецкого металлургических за-ііодов с конверторами объемом до 350—400 т .

Институт принимал активное участие в развитии атомной энергетики. На основе проведенных изысканий, экспериментальных и теоретических исследований были разработаны стальные конструкции атомных реакторов, которые применены на Ленинградской, Курской, Чернобыльской, Смоленской, Игналинской и других атомных электростанциях. В десятой пятилетке были построены уникальные конструкции главного корпуса завода «Атоммаш» с кранами грузоподъемностью до 1200 т.

Важное значение для народного хозяйства имеют работы института по созданию вертикальных резервуаров объемом 50 тыс. и 100 тыс. м³, а также новых конструкций изотермических резервуаров.

Институт активно работает над решением проблемы строительства и реконструкции трубопроводных переходов, потребность в которых возникает не только в нефтяной, газовой промышленности, но и в химической, например для транспорта аммиака, или в металлургической для транспорта рудных материалов и угля.

По проектам Института построены уникальные конструкции висячих переходов пролетом 660 м (через реку Амударью) и 720 м (через Днепр).

С участием института решаются проблемы развития связи и телевидения в нашей стране, по его проектам строятся конструкции основных сооружений мачт и башен, объектов связи, антенных станций и систем, телевизионных и радиорелейных опор. В институте разрабатываются легкие стационарные и складные конструкции сетчатых покрытий разнообразных форм и размеров, например, уникальный большепролетный сетчатый купол диаметром 236 м для главного Лабораторного зала Всесоюзного электротехнического института. Институт разрабатывает новые конструктивные формы прецизионных антенн для дальней и спутниковой космической связи и радиоастрономии, проводит работы по созданию опорных конструкций для стационарных глубоководных платформ — и все это широко развивая традиции, заложенные великим русским инженером и ученым Владимиром Григорьевичем Шуховым.