Леонид Арнаутов - Повесть о великом инженере
«Обыкновенный тип железного резервуара представляет собой тело цилиндрической формы с плоским днищем, покоящимся на основании, и с конической или также плоской крышей.
Стены резервуара образуются рядом колец, склепанных из листового железа; нижнее кольцо соединяется с днищем с помощью угольника. Верхнее кольцо оканчивается также угольником, который служит опорою для стропил крыши».
Это отрывок из статьи Шухова «Механические сооружения нефтяной промышленности» - его первой, по сути дела, печатной работы, опубликованной еще в 1883 году. Шухов считает совершенно излишним упоминать о своих авторских правах на «обыкновенный тип железного резервуара цилиндрической формы», о том, что такие нефтехранилища были впервые установлены в Баку несколько лет назад именно им. Уже здесь проявляется непритязательность, неизменно присущая Владимиру Григорьевичу на протяжении всей его долгой жизни.
Вот единственная фраза, по которой можно судить, какое значение придает сам Шухов этой работе: «Насколько мне известно, техническая литература почти не затрагивает вопроса о рациональном устройстве железных резервуаров, служащих для хранения жидких тел».
В те времена господствовало убеждение, что резервуар должен покоиться на сплошном массивном фундаменте. Устройство основания было одной из самых дорогих и сложных работ при строительстве железных резервуаров. Неоправданно массивные и дорогие основания металлических нефтехранилищ свидетельствовали о том, что не был создан надежный теоретический фундамент для грамотного инженерного решения задачи строительства резервуаров. Шухов стремится критически пересмотреть ту общепринятую в инженерном деле истину, которая гласит, что резервуары должны покоиться на солидном жестком основании.
А если днище резервуара будет опираться непосредственно на землю - на хорошо подготовленное песчаное основание? Верный ответ на этот вопрос Шухов получает, рассматривая днище резервуара как брус, лежащий на сплошном упругом основании. Точный математический анализ приводит к выводу, поразившему современников смелостью и неожиданностью.
«Наивыгоднейшим основанием конструкции, лежащей на податливой основе,- утверждает Шухов,- будет не жесткий брус, а гибкий лист, закрепленный по краям. Конструкция, лежащая на сплошном упругом основании, например, на песке, будет тем рациональнее построена, чем меньше будет работать на изгиб, то есть чем меньше будет ее момент инерции».
Владимир Григорьевич наглядно поясняет свою мысль. Давайте, говорит он, соединим несколько поплавков в сплошную цепь и опустим ее в воду. Теперь привяжем к одному из поплавков грузило. Мы заметим, что цепь в этом месте прогнется, не оказывая нагрузке никакого сопротивления, если не считать сопротивления упругой среды, то есть воды, на которой плавает цепь. Но если момент инерции такой цепи равен нулю, продолжает Владимир Григорьевич, то и изгибающий момент, независимо от длины цепи, тоже равняется нулю. А ведь такая цепь обладает ничуть не меньшей грузоподъемностью, чем сплошной жесткий понтон, объемом равный сумме объемов поплавков.
Точный математический анализ в сочетании с наглядными сравнениями помог Шухову убедительно доказать: если днище опирается на упругое земляное основание, нет никаких причин опасаться, что деформации грунта вызовут в корпусе резервуара перенапряжения. Эта часть исследования убеждает даже скептиков в ненужности сплошных бутовых фундаментов с жесткой балочной конструкцией днища резервуара. С тех пор основания под металлические резервуары с тонкими гибкими днищами начинают устраивать в виде песчаной подушки, окаймленной легким бетонным кольцом.
По глубокому убеждению Шухова, инженер, проектирующий резервуары, должен добиваться не только их наибольшей прочности. Надо так определить их размеры - диаметр и высоту, чтобы вес резервуара при данном объеме был наименьшим. Необходимо найти формулу расчета прочности этих сооружений, найти выражения для их наивыгоднейшей высоты, исследовать вопрос: что требует меньше металла - один резервуар заданной емкости или группа меньших резервуаров, имеющих в сумме ту же емкость?
Даже столь беглый перечень вопросов, занимающих молодого инженера, дает представление о стиле его мышления. Мы видим, что, решая инженерные задачи, он ни на минуту не забывает об экономической стороне дела. Не просто построить резервуар, а сделать его таким, чтобы он стоил как можно дешевле. Для этого нужно найти единственно правильные, самые выгодные соотношения емкости резервуара, его веса, толщины стенок, высоты и диаметра. Прочность? Она должна быть именно такой, какая требуется в данном случае - не меньшей и не большей. Это и есть тот принцип, который сейчас называли бы оптимальностью решения.
Осторожно, но уверенно Шухов выделяет существенное, отбрасывая частности, которыми можно пренебречь без ущерба для практических нужд, получает систему уравнений - то, что мы назвали бы математической моделью будущего сооружения. А потом вводит поправки на ограниченность сортамента и цены металла, на несовершенство процессов клепки и чеканки швов, неточность сборки и т. д. Так прокладывается путь к конечным выводам, к рекомендациям для будущих проектировщиков.
Поставив задачу определить основные размеры металлического резервуара, чтобы он имел наименьший вес при данном объеме, Шухов спрашивает: что, собственно, происходит с этим цилиндрическим сосудом, когда он заполнен жидкостью? Ясно, что жидкость стремится как бы разорвать стенки резервуара, и они будут испытывать напряжение, пропорциональное диаметру и высоте столба жидкости. Причем наибольшее напряжение придется на нижний пояс, или нижнее кольцо листового материала, из которого склепан резервуар. В более благополучном положении окажется верхнее кольцо: давление на него значительно меньше.
Если в соответствии с этим подбирать толщину листового металла, то в верхнем поясе она окажется совсем незначительной по сравнению с нижним. Но тут на сцену выступает другое требование. Проектировщик имеет право уменьшать толщину материала только до тех пор, пока это не наносит вреда жесткости конструкции. Как бы ни были малы усилия, действующие на верхнее кольцо стенок резервуара, их толщина все же не может уменьшаться в ущерб требованиям жесткости.
– Ну и что? -скажете вы.- Пусть часть металла, израсходованного на сооружение, не сопротивляется, как говорит Шухов, «усилиям налитой жидкости». Однако материал этот все-таки необходим для жесткости конструкции. Какой же прок в этих рассуждениях?
