CC BY
93
УДК 622.24:666.11 (091)
А. А. Шаймухаметов, А. И. Габитов
К вопросу надежности инженерных сооружений нефтехимического комплекса
Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (3472) 28-22-00
Изложены вопросы конструктивной надежности предприятий нефтехимического комплекса и ее инфраструктуры, рассмотрены некоторые исторические аспекты развития важнейшей инженерной науки о сооружениях — механики, в частности, предыстории эпохи классической механики — эпохи Галилео Галилея.
Ключевые слова: нефтехимический комплекс, конструктивная надежность, классическая механика, механика Галилея,безопасность сооружений
Основу предприятий нефтехимического комплекса составляет высокоорганизованная инженерная инфраструктура, обеспечивающая хранение сырья и готовой продукции, переработку и транспортирование. Инженерные сооружения предприятий должны быть выполнены из современных надежных конструкций. Применение металла, железобетона, а также других материалов требует серьезной проект-но-конструкторской проработки, в противном случае, аварии могут привести не только к финансовым потерям, но и к гибели людей и к загрязнению окружающей среды продуктами нефтехимических производств 1.
Обеспечение конструктивной надежности невозможно без применения важнейшей науки об инженерных сооружениях — механики, которая, несмотря несколько столетий своего существования, остается современной и динамично развивающейся.
Механика конца XVI — XVII вв., периода, который называют эпохой предыстории классической механики, давно привлекает внимание исследователей. И это естественно, поскольку именно этот период является эпохой Галилео Галилея (1564 — 1642) 2.
Труды Г. Галилея были предметом исследования русских ученых еще до революции (Н. А. Любимов и др.) 3. После 1917 г. внимание к творчеству Галилея возрастает. В 1920 — 1930-е гг. выходит несколько биографий Галилея. Автор одной из них — В. А. Стеклов (1928)4. В 1935 г. вышла работа В. П. Егорши-на «Галилей в истории механики» и большая статья «Галилео Галилей», содержащая общий
Дата поступления 16.06.06
обзор творчества ученого5' 6. Глубокий анализ жизни и творчества Галилея содержится в статье, написанной для Большой Советской Энциклопедии С. И. Вавиловым (1929, переиздана в 1952)7. Важным этапом в изучении наследия Галилея в нашей стране явилось издание в трудные годы войны юбилейного сборника, подготовленного в связи с 300-летием со дня его смерти. Две статьи в этом сборнике наиболее интересны для истории механики. Это работа А. Н. Крылова «Галилей как основатель механики»5, в которой сопоставляется галиле-евский закон падения тел с концепцией Аристотеля, и обширное исследование Н. И. Идель-сона «Галилей в истории астрономии»9. В нем анализируется отношение Галилея к кеплеров-ским законам движения планет, которые Галилей не включил в свою систему мира. Идельсон объясняет это той ролью, которую играл в построениях Галилея принцип равномерных круговых движений небесных тел и сформулированный в «Диалоге» принцип инерционного кругового движения. В 1950 — 1960-х гг. издано несколько работ о механике Галилея. В. А. Фок охарактеризовал значение работ Галилея в развитии учения о пространстве и времени10, В. П. Зубов сопоставил трактовку основных понятий механики у Галилея и античных и средневековых ученых и подверг критике попытки чрезмерного сближения
взглядов Галилея с представлениями его пред-
11
шественников11.
В генезисе классической механики можно видеть высшую точку научной революции XVI — XVII вв., изменившей не только содержание научной истины, но и самые критерии истины, то, что Эйнштейн через два с лишним века назвал «внутренним совершенством» и «внешним оправданием», изменившей соотношение
логико-математического анализа и эксперимента
12
и сам стиль научного мышления .
XVII в. был переломным в необходимости в профессии инженера 13' 14, в то время наблюдался постоянный рост в их общественной потребности. Перестало удовлетворять качество подготовки инженерных кадров, не базирую-
щееся на систематическом фундаментальном образовании. В массовом сознании вполне сформировалось понятие «инженерное дело», представляющее собой совокупность знаний и умений в самых разных областях техники: в военном деле — прежде всего в артиллерии, фортификации, а также саперных работах; в гражданских отраслях — в строительстве (причем теперь гражданское инженерное дело все чаще отделяли от архитектуры, которую связывали со строительством исключительно жилых и административных зданий), ремеслах, требующих большой выучки и высокой квалификации, кораблестроении и пр.
В 1633 г. Галилей был проклят церковью за свои революционные астрономические открытия, в них усмотрели угрозу самим основам не только религии, но и светской власти. Галилей был самым непреклонным образом отлучен от астрономии и после своего знаменитого отречения (его заставили отрицать, что земля обращаться вокруг солнца) удалился на виллу Арцетри возле Флоренции. Живя там, по существу, под домашним арестом, он стал изучать сопротивление материалов, полагая, что это наиболее безопасный и наименее крамольный предмет, который только можно было тогда себе представить 15.
По оценке Дж. Гордона16, вклад Галилея в наши знания о сопротивлении материалов оказался не очень заметным, но нельзя забывать, что великому ученому было почти семьдесят, когда он начал заниматься этими вопросами, что он многое испытал и, по существу, находился в положении узника.
В эпистолярном наследии Галилея сохранилось несколько писем, где речь идет о конструкциях; особенно плодотворной, по-видимому, была его переписка с Мерсенном, работавшим во Франции. Марэн Мерсенн (1588 — 1648) был иезуитским священником, но, надо думать, его исследования прочности металлической проволоки не могли вызывать ничьих возражений. Вторым ученым корреспондентом Галилея был Эдме Мариотт (1620— 1684), значительно моложе Мерсенна, он тоже принадлежал к служителям церкви — был настоятелем собора св. Мартина близ Дижона в Бургундии. Большую часть своей жизни он изучал законы земной механики и прочность стержней при растяжении и изгибе. При Людовике XIV он принял участие в основании Французской академии наук и пользовался благосклонностью и церкви, и государства16.
Начиная с работ Г. Галилея (1638 г.), с XVII по XVIII века расчет сооружений по пре-
дельному состоянию давал исчерпывающее решение задачи о прочности сооружения: определялись нагрузки, приводящие к разрушению конструкции.
Нельзя не согласиться с оценкой Гвоздева А.А.17 огромного вклада работ Г. Галилея в решение задачи о прочности конструкции.
Попытки выяснить, какова математическая зависимость между размерами поперечного сечения и пролета балки, с одной стороны, и ломающей нагрузкой, с другой стороны, имеются в вышедшей в 1638 г. книге Галилея «Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей «науки»15.
В живой форме беседы Галилей излагает свои умозрительные рассуждения по этому вопросу, дает некоторые формулы, касающиеся разрушения балки от изгиба, ошибаясь при этом вследствие своего неправильного предположения о совпадении нейтральной оси с крайним волокном поперечного сечения. Однако своей знаменитой книгой Галилей привлекает широкое внимание читателей к вопросам сопротивления материалов и кладет начало тому оживленному интересу к механике, отвечающего потребностям нового общественного строя, идущего на смену феодализму.
В первом диалоге обсуждается, в частности, проблема прочности геометрически подобных сооружений и указывается, что по мере увеличения абсолютных размеров они будут становиться все более и более слабыми. «С маленькими обелисками,— пишет Галилей,— колоннами и другими твердыми телами мы можем, например, обращаться свободно, наклоняя и поднимая их без риска сломать, в то время как в большем виде эти фигуры разлетались бы на куски и не от чего иного, как от собственного своего веса».
Теорию изгиба балок Галилей излагает во втором диалоге книги. Согласно представлениям Галилея, «сопротивление» распределяется равномерно по поперечному сечению, а поворот сечения происходит относительно оси, проходящей через нижнюю точку. Теперь-то мы можем точно сказать, в чем состояла ошибка Галилея. Соответствующий действительному распределению напряжений момент в сечении составляет всего одну треть от момента, вычисленного по его теории 16-18.
Научный авторитет Галилея был настолько велик, что это ошибочное представление о механизме поворота сечения долго оставалось незыблемым в науке. Эту ошибку повторили такие известные ученые, как Мариотт и Якоб Бернулли. Работа Мариотта была издана в
1686 году через два года после его смерти*9, а Якоба Бернулли — в 1705 г.20. И только лишь Паран в 1713 г. и затем Кулон в 1733 г. пришли к правильному выводу о характере рас-
21 22
пределения напряжении по сечению ' .
Опираясь на свою теорию, Галилей делает, однако правильное заключение о том, как более эффективно «конструировать» поперечное сечение при изгибе. Оперируя балкой прямоугольного поперечного сечения, он задает вопрос: «Почему и во сколько раз брус, или лучше призма, ширина которой больше толщины, окажет больше сопротивления излому, когда сила приложена в направлении ее ширины, чем в том случае, когда она действует в направлении толщины?» И дает на него правильный ответ: «Любая линейка или призма, ширина которой больше толщины, окажет большее сопротивление излому, когда она поставлена на ребро, а не лежит плашмя, и притом во столько раз больше, во сколько ширина больше толщины» 18.
Во втором диалоге книги содержится много других рассуждений о сопротивляемости балок изгибу, которые вполне соответствуют современным представлениям. В частности, указывается, что труба по сравнению со стержнем сплошного течения равного веса будет более прочной. Книга Галилея показывает не только стремление автора привести сложившиеся представления о поведении конструкций единую логическую систему, она знаменует собой рождение новой науки-науки о прочности сооружений.
На протяжении XVII и XVIII столетий эта наука, как известно, получила блестящее развитие. В работах механиков этого периода, начиная от Ньютона и кончая Лагранжем, мы не находим в них сколько-нибудь заметного интереса к задачам прочности сооружений. Отчасти это объясняется, по видимому, тем, что в XVII и XVIII столетии строительство мостов, дорог и зданий не претерпело какого-либо резкого скачка, и строители довольствовались до поры до
23
времени привычными приемами .
Расчет сооружений по предельному состоянию представлялся не только вполне естественным, но и способным дать исчерпывающее решение задачи. Кулон в своей работе, представленной французской Академии наук в 1773 г., показал примеры расчетов, основанных на рассмотрении предельного состояния подпорных стенок и арок. Идеи Кулона разрабатывались затем рядом авторов. Их внимание было преимущественно приковано к проблеме несущей способности арок: задава-
ясь формой разрушения арки, которая в предельном состоянии превращалась в шарнирный механизм с жесткими звеньями, искали такое расположение шарниров, при котором разрушение наступало легче всего, т. е. при наименьшей нагрузке 24.
Во второй половине XIX в. расчет по предельному состоянию был отодвинут на задний план и почти полностью вытеснен из строительной механики. Появление железных дорог с их тяжелой нагрузкой на мосты, мощное развитие металлических конструкций всех видов, увеличение пролетов инженерных сооружений, металлическое судостроение, а также в известной степени машиностроение с его задачами обеспечения прочности и точной работы машин, станков и их деталей показали всю ограниченность такого расчета, в котором интересуются исключительно состоянием разрушения сооружения. Изучение работы сооружений в упругой стадии оказалось в центре
23
внимания 23.
Луи Навье (1785 — 1836) окончил знаменитую Парижскую школу мостов и дорог, работал на строительстве мостов, изучал опыт сооружения висячих мостов в Англии. Острое ощущение необходимости достоверных инженерных расчетов и практическая необходимость в них определили его успехи в научных исследованиях. В 34 года он — профессор Школы, которую закончил 11 лет назад, в 1824 г.—академик, в возрасте 51 года его не стало. Главный результат его научной деятельности, подсказанный практическими нуждами,— переход от стадии разрушения как основы расчетов прочности к принципу расчетов по рабочей стадии, по стадии эксплуатации конструкций. Его книга по сопротивлению материалов, изданная в 1826 г., через 50 лет после работ Кулибина, содержит четкую формулировку предпринятой реформы: «Сопротивление разрушению недостаточно для проектирования, так как надо знать не разрушающую силу, а ту, которою можно нагрузить элемент без того, чтобы возникающее в нем изменение
25
возрастало со временем» 25.
Теория Навье, получившая впоследствии название классической потому, что справедлива для идеально упругих классических материалов при использовании классических принципов, опиралась на подобие рабочей, стадии и стадии разрушения, на гипотезу плоских сечений, на справедливость закона Гука. Расчет сечений по Навье состоит в вычислении напряжений, понятие о которых он ввел, от эксплуатационной нагрузки и сравнении их с допус-
каемыми величинами, поэтому расчеты по рабочей стадии называют также расчетами по
23 25
допускаемым напряжениям ' .
С появлением нового материала — железобетона на него была распространена методика расчета по допускаемым напряжениям с двумя дополнительными условиями: сечение, состоящее из двух материалов, приводят к одному из них — бетону, с помощью коэффициента приведения. Каждую единицу площади арматуры приравнивают п площадям бетона. Второе условие — эпюру напряжений в сжатой зоне бетона принимают треугольной, а работу растянутого бетона не учитывают. Для бетона несправедливы ни гипотеза Бернулли (плоских сечений), ни закон Гука, а модуль упругости бетона величина переменная, нейтральная ось перемещается вверх по мере роста напряжений, повышение марок бетона и арматурных сталей почти не сказывается на расчетной несущей способности железобетона.
Вновь пробудившийся в последние десятилетия текущего столетия интерес к анализу предельного состояния сооружений не является возвратом к прошлому, так как теперь расчеты по предельному состоянию и по упругой стадии не исключают, а дополняют друг друга.
Артур Лолейт (1868 — 1933), воспитанник физмата Московского университета, посвятил себя железобетону. «Задача правильного обоснования размеров конструкций, в коих столь разнородные по своим природным свойствам материалы, как бетон и железо, сочетаются в один монолит, меня заинтересовала в высшей степени»,— писал о себе А.Ф. Лолейт 26.
В одной из своих работ 36-летний Лолейт, анализируя расчет балочного пешеходного моста близ Вены, показал недопустимость расчета изгибаемых железобетонных элементов по упругой стадии их работы 26.
Теория расчета сооружений за пределом упругости составляет сейчас один из важных разделов строительной механики. В советской литературе этот раздел получил значительное развитие и представлен рядом значительных теоретических и экспериментальных работ.
Ряд ценных исследований принадлежит проф. А. А. Гвоздеву, который указал общие методы расчета много сделал для теоретического и экспериментального обоснования расчета железобетонных конструкций по стадии разрушения. Результаты его исследований объединены в труде 17.
Таким образом, от простого созерцания, интуитивного восприятия и адекватного воспроизведения конструкций зданий и сооруже-
ний, через осознание важного значения эксперимента и воспроизведение моделей реальных объектов (сначала в эксперименте), ученые и инженеры пришли к более высокой идеализации физических объектов — к аналитическому описанию работы строительных сооружений, к их расчету. С появлением количественных методов (методов расчета) конструктивный анализ строительных сооружений стал значительно более глубоким и является сочетанием взаимодополняющих и взаимопроникающих методов: эксперимента и расчета.
В настоящее время расчет строительных конструкций, в том числе железобетонных, производится различными численными методами, в частности методом конечных элементов с помощью специальных компьютерных программ. Обладая высоким быстродействием и большим объемом памяти, современные компьютерные системы позволяют производить расчет методом конечных элементов конструктивных систем любой сложности. При этом возникают и проблемы связанные, прежде всего, с человеческим фактором — объективно ограниченной способностью перерабатывать большой объем информации, выдаваемый ЭВМ (прежде всего для сложных объектов, где опасность ошибки принимаемых инженерных решений особенно высока). Кроме того, следует иметь в виду, что численный расчет методом конечных элементов содержит целый ряд сложностей и условностей в части моделирования отдельных железобетонных элементов, принимаемых размеров конечных элементов и т.д. Очевидно, в дальнейшем требуется развитие и совершенствование упрощенных моделей для расчета конструктивных систем.
Следовательно, разработка таких расчетных моделей и методов расчета, которые позволяли бы инженеру понимать и оценивать физический характер работы строительных элементов и конструкций в целом представляется актуальной. Для конструктивных железобетонных систем представляется целесообразным использование упрощенных стержневых расчетных моделей (модель Штаерма-на, в частности), рассматривая колонны, стены и ядра жесткости как консоли, заделанные в фундаменты, а перекрытия - как системы, состоящие из перекрестных и балочных элементов (полос). Такой расчет ближе к пониманию инженером физического характера работы конструктивной системы.
Дальнейшее совершенствование методов расчета, основанное на накопленном опыте и новых технологиях вычислений и конструиро-
вания, несомненно, повысят безопасность инженерных сооружения предприятий нефтехимического комплекса.
1
Литература
Бобрицкий Н.В., Юфин В.А. Основы нефтяной и газовой промышленности: Учебник для техникумов. - М.: Недра, 1988. - 189 с.
2. Галилео Галилей. Пробирных дел мастер / Пер. Ю.А. Данилова. - М.: Наука, 1987. - 272 с.
3. Исследования по истории механики: Сб. статей. - М.: Наука, 1981. - 304 с.
4. Стеклов В.А. Галилео Галилей. - Берлин: ГИЗ РСФСР, 1928. - 104 с.
5. Егоршин В.П. Из истории механики эпохи Возрождения // Под знаменем марксизма. 1934. № 5. С.86...113
6. Егоршин В.П. Галилей в истории механики // Вестник Коммунистической академии. 1935. № 1-2, С.55...58
7. Большая Советская Энциклопедия в 30 тт. изд. 3-е, М.: Советская Энциклопедия, т.6, 1971, 624 с.
8. Крылов А.Н. Галилей как основатель механики. Собрание трудов. М. - Л., 1951. Т. 1. Ч. 2
9. Идельсон Н. И. Галилей в истории астрономии // В сб. Галилео Галилей. Под ред. акад. А. М. Деборина. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1943.
10. Фок В. А. Теория пространства, времени и тяготения. Изд. 2-е, дополненное.- М.: Физмат-гиз, 1961.- 564 с.
11. Зубов В. П. Развитие атомистических представлений до начала XIX века.- М., 1965.
12. Горохов В. Г.//Альма-Матер.- 2006.- № 1.-С. 46.
13. Горохов В. Г. Знать, чтобы делать. - М.: Знание, 1987.- 171 с.
14. Крыштановская О. В. Инженеры: Становление и развитие профессиональной группы.- М.: Наука, 1989.- 134 с.
15. Лопатто А. Э. Пролеты, материалы, конструкции.— М.: Стройиздат, 1982.— 196 с.
16. Гордон Дж. Конструкции, или почему не ломаются вещи. Пер. с англ. В. Д. Эфроса / Под ред. С.Т. Милейко.- М.: Мир, 1980.- 386 с.
17. Гвоздев А. А. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия.-1949.
18. Галилео Галилей. Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению. Серия «Классики естествознания».- М.-Л.: Гос. технико-теоретическое издательство, 1934.
19. Mariotte E. Traite du movement des eaux et des autres corps fluyides.- Paris, 1686.
20. Bernoulli J.//Historie de L"Academie des sciences de Paris, 1705.- P. 176.
21. Parent A. De la veritable mecanique de resistance des solides, et reflections sur la systeme de M.Bernoulli de Bale Essais et recherches des mathematiques et des physicues.- 1713.- V.3 P.187-201.
22. Coulomb C. // Historie de l"Academie Royale des Sciences annee 1784.- Paris: 1787.- P.229.
23. Рабинович И. М. Курс строительной механики. Ч. II.- М.: Госстройиздат, 1954.- 543 с.
24. Coulomb C.//Memories de Mathematiques et de Physique, presentes a l"Academie des Sciences par divers savants.- Paris: 1776.- V.VIII.- P. 343.
25. Navier C.L. M.H.Resume des lecons donnees a l"ecole des ponts et chausses sur l"appliquation de la mecanique a l"etablissement des constructions et des mashines. Premiere Partie.-Paris, 1826.- 288 p.
26. Лопатто А.Э. Артур Фердинандович Лолейт. К истории отечественного железобетона. - М.: Стройиздат, 1969.- 102 с.
