Вклад В. Г. Шухова в развитие архитектуры

Вклад В. Г. Шухова в резервуаростроение

Инженерная, научная и организаторская деятельность выдающегося конструктора и изобретателя, почетного академика В. Г. Шухова оставила глубокий след во многих областях науки и техники. Однако знаменательно, что свою инженерную деятельность молодой инженер Шухов начал в нефтяной промышленности, где он внес большой вклад в нефтяное дело и резервуаростроение.

Нефть известна человечеству давно, но ее промышленная добыча в нашей стране и использование жидкого топлива получили широкое распространение с середины XIX столетия. Официальной датой возникновения отечественной нефтяной и газовой промышленности считается 1864 год; В. Г. Шухов как представитель и главный инженер фирмы Бари приехал в Баку в 1878 г., т. е. почти в самом начале промышленной добычи и переработки нефти в России. Он застал там отсталую примитивную технику, варварские методы добычи, хранения, переработки и сжигания нефти. Нефть хранилась в земляных ямах, в прямоугольных баках и деревянных бочках.

В то время из нефти получали в основном керосин для освещения и мазут как топливо. Бензины и бензиновые фракции при переработке нефти улетучивались (отравляя атмосферу) и не использовались до тех пор, пока в 1883 г. не был изобретен бензиновый двигатель. Максим Горький, несколько позднее В. Г. Шухова посетивший Баку, писал, что нефтяные промыслы остались в его памяти гениально сделанной картиной мрачного ада.

Такова была обстановка в Баку, когда В. Г. Шухов приступил к инженерной деятельности.

В 1878 г. он спроектировал и построил первый вертикальный цилиндрический клепаный резервуар для хранения керосина [Г]. Клепаные резервуары получили в России широкое распространение; за два года пребывания в Баку Шухов не только спроектировал и соорудил большое количество резервуаров, но и спроектировал и осуществил строительство первого в России нефтепровода для фирмы «Бр. Нобель» протяженностью 10 км (1878 г.), второй нефтепровод был спроектирован для фирмы «Лианозов и К°» (1879 г.) [2].

Благодаря деятельности В. Г. Шухова молодая нефтяная промышленность России за короткое время была оснащена новой передовой техникой и технологией эксплуатации резервуаров, значительно улучшившими условия труда нефтяников.

Вернувшись в 1880 г. в Москву, В. Г. Шухов как главный инженер фирмы Бари организовал конструкторское бюро; здесь были подготовлены необходимые кадры специалистов по проектированию, технологии изготовления и монтажу металлоконструкций. Н. С. Стрелецкий отмечал, что в «многолетней деятельности В. Г. Шухоіва выделялась одна особенность: он был не только большим теоретиком и крупнейшим конструктором, но и производственником, технологом и монтажником» [2].

В разработках металлоконструкций В. Г. Шухов успешно осуществлял три принципа, которые впоследствии стали основой отечественной конструкторской школы: экономия металла как проектировочный принцип; наименьшая трудоемкость как технологический принцип; скоростной монтаж как производственный принцип.

Шухов придавал большое значение методике расчетов вертикальных цилиндрических резервуаров и вопросам оптимизации их конструктивной формы.

Он опубликовал две работы по методике расчета резервуаров и определению их оптимальных параметров (высоты и диаметра), при которых резервуары имеют максимальный объем при минимальном весе [3, 4]. Для упрощения задачи вес крыши заменялся приведенной толщиной листа, имеющего вес, равный весу крыши. В этом случае задача сводилась к составлению формулы веса конструктивных, элементов резервуара заданного объема и решению задачи методами математического анализа.

Формула для объема металла резервуара с постоянной толщиной стенки имеет вид [5, с. 67]

где r — радиус; Н — высота стенки; б_ст —толщина стенки; б_дн— толщина днища; б_кр—приведенная толщина крыши.

Из этой формулы можно получить значение оптимальной высоты стенки резервуара

где V—геометрический объем резервуара.

Минимальное значение веса при оптимальной высоте стенки

Аналогично для резервуара с переменной толщиной стенки получены формулы:

где h — высота одного пояса стенки.

Анализируя эти формулы, Шухов пришел к практическим выводам.

1. В резервуаре с постоянной толщиной стенки сумма весов днища и покрытия равна половине веса стенки.

2. В резервуаре с переменной толщиной стенки вес стенки равен сумме весов днища и покрытия.

В 1902—1903 гг. в ходе изучения напряженного состояния резервуаров Шухов исследовал дифференциальное уравнение четвертого порядка применительно к расчету прочности резервуаров [6] в виде

На это исследование обратил внимание Н. Е. Жуковский, в специальной статье он отметил заслугу В. Г. Шухова, показавшего способ приложения этого уравнения к расчету прочности цилиндрических резервуаров и котлов [7] и указал путь получения уравнений упругой кривой (прогибов) стенки.

В настоящее время уравнение вида Eid⁴y/dx⁴+4m⁴y = Px. представляющее собой уравнение балки на упругом основании, широко используется в теории расчета цилиндрических оболочек. Единичная полоска цилиндрической оболочки, параллельная образующей, воспринимающая, например, гидростатическую нагрузку, является балкой на упругом основании с коэффициентом упругой среди (постели) К = Е/r² [ 1 ].

Таким образом, выводы, сделанные на основании исследований, выполненных Шуховым, представляют значительный интерес и в настоящее время. Сейчас появились резервуары новых типов, например с плавающей крышей и понтоном, каких не было при Шухове, резервуары объемом 50 и 100 тыс. м³, представляющие собой несравненно более сложные инженерные сооружения. Но идеи В. Г. Шухова о целесообразности оптимизации резервуарных конструкций используются в наше время с внесением соответствующих коррективов.

В. Г. Шухов как главный инженер фирмы Бари в Москве вскоре добился больших успехов в проектировании, изготовлении и монтаже клепаных резервуаров для всей нефтяной промышленности России. Разработанная Шуховым новая методика проектирования, позволившая получить резервуары минимального веса, а также введенная им технология изготовления, которая обеспечивала уменьшение затрат труда, привели к снижению стоимости резервуаров. В связи с этим нефтепромышленники заказывали все большее количество резервуаров, в результате чего сокращался объем нефти, хранящейся в земляных амбарах, сокращались большие потери нефти (просачивание в земляной грунт), уменьшалось количество пожаров.

Контора Бари только за два года пребывания Шухова в Москве изготовила 130 резервуаров различных объемов [2]. Созданное Шуховым техническое бюро в Москве стало хорошей школой высокой технической культуры и подготовки инженерных и: технических кадров.

Шухову удалось ввести ряд усовершенствований в технологию изготовления и монтажа резервуаров. Так, в 1881 г. под Ярославлем были построены 10 резервуаров с применением поточного метода монтажа, заключавшегося в том, что специализированные бригады рабочих выполняли только определенный, закрепленный за ними вид работ, например одна бригада делала конструкцию основания, другая — днище, третья — стенки и т. д.

Наряду с резервуарами для нефти и нефтепродуктов В. Г. Шухов разрабатывал, серийные проекты резервуаров для воды, проекты водонапорных башен и различные проекты резервуаров для хранения спирта. Так, к 1900 г. появилась серия резервуаров на 6, 8, 10, 15 тыс. ведер спирта.

К довоенному 1913 г. нефтяная промышленность России достигла уровня добычи примерно 8—10 млн. т. По оценочным данным, для хранения такого количества нефти и нефтепродуктов в стране нужно было иметь не менее 3 млн. м³ резервуаров. К этому времени появились большие резервуарные парки, в первую очередь в Баку, Грозном, на Волге — от Астрахани до Ярославля, на реке Белой, на Кубани. Только фирмой Бари для нефтяной промышленности России к 1917 г. было сооружено более 20 тыс. резервуаров [2]. И все они были построены под руководством Шухова.

После Великой Октябрьской социалистической революции фирма Бари была национализирована (в 1919 г.) и на ее базе организовалось новое предприятие «Парострой» во главе с Шуховым. Во время гражданской войны и в восстановительный период Шухов принимал самое активное участие в восстановлении разрушенного хозяйства, в частности заводом «Парострой» за десятилетие с 1918 по 1928 г. было построено резервуаров для хранения нефти общей емкостью 800 тыс. т. Следует отметить высокое качество шуховских резервуаров, многие из них прослужили 60—70 лет, а некоторые служат и в наши дни.

В. Г. Шухов считал необходимым обобщить накопленный опыт по проектированию и сооружению резервуаров и газгольдеров. По его инициативе в 1931 г. был создан первый общесоюзный стандарт (ОСТ 5125) на клепаные резервуары объемом от 11, 25, 42, 61, 105 до 10550 м³ (для сравнения следует отметить, что в то время наибольший резервуар в США имел емкость 18 тыс. м³).

В этот же период были разработаны проекты для мокрых и сухих газгольдеров. Уровень проектирования и качество сооружения клепаных резервуаров и газгольдеров были весьма высокими — не уступали соответствующим зарубежным конструкциям. Накопленный опыт был обобщен в монографии В. И. Кандеева и Е. Ф. Котляра [5], вышедшей в 1934 г. под редакцией В. Г. Шухова. Он же написал в этой книге главу, посвященную вопросам теории расчета и оптимизации резервуаров. В. Г. Шухов с группой своих сотрудников получил в этой области ряд авторских свидетельств²⁸

В. Г. Шухов как передовой инженер и ученый своевременно и по достоинству оценил роль сварки в резервуаростроении. По его инициативе были разработаны основные положения проектирования сварных резервуаров и сконструировано несколько типов горизонтальных и вертикальных цилиндрических резервуаров объемом 4600 и 6370 м³ [5].

Советские специалисты — строители резервуаров продолжают творческие традиции своего учителя В. Г. Шухова, руководствуясь его основными теоретическими положениями, используя принципы, которые были им разработаны для металлоконструкций.

Резервуаростроение в нашей стране успешно развивается в соответствии с требованиями народного хозяйства и вышло на уровень мировой техники в этой области.

ЛИТЕРАТУРА

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

3. Шухов В. Г. Механические сооружения нефтяной промышленности.— Инженер, 1883, т. III, кн. 13, вып. I, с. 500—507.

4. Шухов В. Г. Расчет нефтяных резервуаров.— Нефт. хоз-во, 1925, № 10, с. 516—520.

5. Кандеев В. И., Котляр Е. Ф. Стальные резервуары/Под ред. и с участием В. Г. Шухова. М.; Л.: Госмашметиздат, 1934. 364 с.

5. Шухов В. Г. Уравнение EId⁴y/dx⁴ = — ay в задачах строительной механики.

М.: Типолитогр. «Рус. товарищества печ. и изд. дела», 1903. 22 с.

7. Жуковский Н. Е. О приложении в строительной механике уравнения d⁴у/dx⁴= — 4а⁴у .— Мат. сб., 1915, т. 29, № 3, с. 241—268.