540 метров без стального каркаса: как устроена Останкинская башня

У основания Останкинской башни нет леса стальных колонн, а её бетонный ствол не скрывает внутри пространственную решётку, похожую на каркас небоскрёба. Над землёй поднимается полая железобетонная оболочка, которая постепенно сужается и переходит в металлическую антенную часть. Вместе они образуют сооружение высотой 540,1 метра.

Для такой высоты конструкция выглядит непривычно тонкой. Ещё сильнее удивляет фундамент: он уходит в землю менее чем на пять метров. Устойчивость башни обеспечена согласованной работой формы, предварительно напряжённого бетона, стальных канатов и широкого основания. Сам бетонный ствол одновременно служит ограждением и главной несущей конструкцией.

Стенка, которая стала несущей системой

Обычное многоэтажное здание собирают вокруг каркаса из колонн, балок и перекрытий. Наружные стены в такой схеме могут почти не участвовать в удержании сооружения. У Останкинской башни всё устроено иначе: основную нагрузку воспринимает замкнутая железобетонная оболочка. Отдельный стальной скелет внутри неё не требуется, потому что роль вертикальной несущей системы выполняет сам ствол.

Это не означает, что башня полностью лишена металла. В бетоне находится обычная арматура, вдоль ствола проходят натянутые стальные канаты, внутри размещены лестницы, лифтовое оборудование и технологические конструкции. Верхние 154,5 метра занимает металлическая антенная часть. Формулировка «без стального каркаса» относится именно к бетонному стволу: его прочность не зависит от спрятанной внутри решётки из металлических колонн и балок.

Железобетонная часть поднимается примерно до отметки 385 метров. Она несёт собственный вес, высотные помещения, оборудование и установленную сверху антенну, передавая нагрузки к расширенному основанию.

Прочность полой оболочки

Сплошной бетонный столб такой высоты получился бы чрезмерно тяжёлым и расходовал бы огромное количество материала. Полая круглая оболочка работает эффективнее. При изгибе наибольшие напряжения возникают дальше от центральной оси, поэтому материал выгодно сосредоточить по внешнему контуру. По тому же принципу труба при одинаковой массе сопротивляется изгибу лучше сплошного прута малого диаметра.

Круглое сечение равномерно воспринимает ветер с разных направлений и не имеет слабой стороны, характерной для вытянутого прямоугольного корпуса. В нижней части башни нагрузка максимальна, поэтому основание широко раскрывается. Выше ствол становится тоньше: примерно на 63-метровой отметке его диаметр составляет около 18 метров, а в верхней части бетонного участка уменьшается до 8,2 метра.

Такое сужение снижает массу и площадь, на которую давит ветер. Непрерывная оболочка при этом воспринимает вертикальное сжатие, изгиб и кручение.

Бетон под постоянным обжатием

Бетон хорошо выдерживает сжатие, но значительно хуже переносит растяжение. Когда ветер изгибает башню, одна сторона её ствола сжимается сильнее, а противоположная стремится растянуться. Если позволить растягивающим напряжениям свободно действовать на бетон, в нём начнут раскрываться трещины.

Эту проблему решили с помощью предварительного напряжения. В исходной конструкции кольцевые сечения ствола обжимали 149 высокопрочных стальных канатов. Их натянули и закрепили так, чтобы они постоянно сдавливали бетон по высоте. В результате ещё до появления ветровой нагрузки стенки уже находились в расчётном сжатом состоянии.

Когда башня отклоняется, ветер сначала уменьшает созданное заранее сжатие на стороне, которая стремится растянуться. Бетон не сразу переходит к опасному растяжению, поэтому вероятность раскрытия трещин снижается. Канаты выполняют ту задачу, с которой лучше всего справляется сталь, а бетон воспринимает главным образом сжатие.

Предварительное напряжение позволило сделать ствол тоньше. Канаты не образуют колонны и фермы, а обжимают непрерывную бетонную оболочку, поэтому не превращают её в каркасное сооружение.

Десять опор и широкий фундамент

Внизу ствол раскрывается в коническое основание и разделяется на десять мощных опор. Они расставлены по окружности, средний диаметр которой составляет около 65 метров. Такая схема создаёт широкий контур опирания и увеличивает плечо, с которым основание сопротивляется опрокидывающему действию ветра.

Главный фундамент заглублён не более чем на 4,6 метра. Однако глубина сама по себе не определяет устойчивость: важны площадь контакта с грунтом, масса, жёсткость основания и распределение давления. Башня вместе с фундаментом весит примерно 55 тысяч тонн. При порыве давление под одной частью основания возрастает, а под противоположной уменьшается; большое расстояние между опорами помогает уравновесить возникающий момент. Сооружение удерживают не длинные сваи, а широкий и тяжёлый железобетонный контур, рассчитанный под свойства местного грунта.

В центре основания расположен отдельный железобетонный «стакан» высотой около 63 метров. В нём проходят лифты, коммуникации и аварийная лестница. Он опирается на собственный фундамент, поэтому нагрузки от центральных внутренних конструкций не смешиваются напрямую с усилиями, которые десять наружных опор передают на главный фундамент.

Движение под действием ветра

Главная переменная нагрузка для телебашни создаётся не оборудованием и не посетителями, а ветром. Чем выше находится участок ствола, тем сильнее на поведении конструкции сказываются порывы. Полностью неподвижной башня быть не должна: попытка исключить любое отклонение потребовала бы резко увеличить толщину стен и массу сооружения.

Останкинская башня рассчитана на упругий изгиб. Её вершина может перемещаться относительно вертикальной оси, а теоретическое отклонение при предельных расчётных условиях достигает 12 метров. Это значение относится к самой верхней точке длинной антенной части, поэтому движение нижних уровней значительно меньше.

Отклонение не означает, что башня теряет устойчивость. Ствол плавно изгибается, канаты и арматура перераспределяют усилия, а после ослабления ветра конструкция возвращается к исходному положению. Круглая форма и постепенное уменьшение диаметра делают воздействие воздушного потока более равномерным, а рассчитанная гибкость не позволяет локальным напряжениям бесконтрольно расти.

Помимо ветра учитываются температурные изменения. Солнечная сторона нагревается сильнее теневой, а металл и бетон расширяются по-разному. Предварительное напряжение, непрерывность оболочки и предусмотренные соединения позволяют переносить эти изменения без повреждений.

Внутреннее пространство башни

Полый ствол нельзя считать пустой трубой. Внутри находятся лифты, лестницы, кабели, трубопроводы, аппаратные и другие технологические системы. На высоте размещены помещения для передающего оборудования, смотровые площадки и ресторанный комплекс. Эти элементы опираются на основной ствол или связаны с ним, но не определяют общую устойчивость сооружения. Железобетонная оболочка удерживает башню, внутренние системы обеспечивают эксплуатацию, а стальная верхняя часть служит для размещения антенн.

Состояние подобного сооружения необходимо контролировать на протяжении всей эксплуатации. Специалисты следят за положением ствола, состоянием бетона, арматуры и канатов, а также за изменениями, вызванными ветром и температурой. После пожара 2000 года систему предварительного напряжения восстановили, а повреждённые внутренние элементы заменили и модернизировали.

Останкинская башня удерживает высоту 540 метров благодаря тому, что её части не пытаются выполнять одну и ту же работу. Широкое основание противостоит опрокидыванию, полая оболочка воспринимает вес и изгиб, бетон работает преимущественно на сжатие, а натянутые канаты принимают растягивающие усилия. Вместо тяжёлого внутреннего скелета инженеры создали единый предварительно напряжённый ствол — достаточно жёсткий, чтобы сохранять форму, и достаточно упругий, чтобы двигаться вместе с ветром.