Останкинская телебашня: история создания и инженерные решения

Останкинская телебашня — один из главных символов Москвы и выдающийся памятник инженерной мысли XX века. На момент строительства (1967 год) башня была самой высокой в мире, а сейчас остается самой высокой в Европе при высоте 540 метров. Для архитектурно-строительного сообщества это не просто очередной объект, а полкилометра радикального новаторства, подтверждённого расчетами и граничащего с безумием. Разберём, какие инженерные инновации сделали башню уникальной.

Фундамент Останкинской телебашни — всего 3,5 метра?

Главная инженерная изюминка башни Останкино скрыта от глаз – это её фундамент. При высоте башни 540 метров глубина заложения фундамента составляет всего лишь 3,5 метра. В разных источниках можно увидеть значение 4,65 метра, но это высотная отметка относительно пола первого этажа.

Это много или мало для полукилометровой башни? Например, фундамент CN Tower (Канада, 1976 г., 553 м) заглублен на 15 метров, а ниже заделаны в скалу еще 12-метровые анкеры (итого 27 метров). Oriental Pearl Tower (Китай, 1994 г., 468 м) опирается на поле 50-метровых свай. На первый взгляд, такой мелкий фундамент Останкино граничит с безумием. Разумеется, для такого масштабного объекта это не прошло без внимания.

Тем не менее, по результатам наблюдений фактическая осадка фундамента составила всего 38 мм при вертикальной суммарной нагрузке 51,4 тыс.тонн. Как же так? Гений Николай Васильевич Никитин предусмотрел опирание фундаментов на жесткие моренные суглинки, уплотненные километровым ледником 100+ тыс. лет назад. Как писал Витрувий в «Десяти книгах об архитектуре»: «Прочность достигается заглублением фундамента до материка».

Разум против предрассудков

Как говорилось выше, такое дерзкое решение — заложить фундамент всего на 3,5 метра для полукилометровой башни — не прошло бесследно... Заливку фундаментов начали осенью 1960 г., но ближе к окончанию их возведения, уже весной 1961 г., эксперты начали сомневаться в безопасности такого решения.

Строительное сообщество почему-то отождествило необычность башни с ее ненадежностью. Их можно понять... Еще в XVI веке итальянский архитектор Андреа Палладио писал: «Из всех ошибок, происходящих на постройке, наиболее пагубны те, которые касаются фундамента, так как они влекут за собой гибель всего здания и исправляются только с величайшим трудом».

Опыт устройства высоких башен из ж/б, а не из металла, тоже был неудачным. Первая бетонная башня Энгельгардта в Мюнхене (Олимпийская) постоянно «лечилась» от трещин, образующихся в ее теле, а по высоте (291 метр) она едва превышала половину проектной высоты новой московской башни (540м).

Была организована экспертная комиссия при Министерстве строительства, и начались беспощадные научно-технические баталии. Правда, проходили они в одностороннем порядке: со стороны автора проекта были расчеты, а у комиссии вместо контрдоводов были одни эмоции. Комиссия «завернула» проект и в постановлении указала: «Учитывая уникальный характер и особые требования к долговечности сооружения, наиболее правильным было бы основать телевизионную башню на глубоких опорах, опирающихся на скалу».

На что главный конструктор Останкинской телебашни Н.В. Никитин отвечал: «Уникальная – согласен. Но если расчеты фундаментов правильны, то не всё ли равно земле, как зовут стоящее на ней сооружение: уникальным или неуникальным?».

После этого был учрежден постоянный совет по прочности возводимых сооружений при Академии строительства. Его председатель, академик Насонов В.Н., заявил, что проект башни требует коренной переработки – главные претензии предъявлялись к фундаменту. Строитель мостов и тоннелей Смирнов А.Ф. заявил: «Нужно фундамент поставить на скалу. Рыть опускные колодцы на глубину 40 метров, ставить железобетонные столбы да еще заделывать их в скальный грунт. Интуиция подсказывает мне, что конструкция фундамента ненадежна».

Оппоненты, выступавшие против естественного основания башни, в подтверждение своих доводов не могли предложить ничего, кроме своего авторитета и интуиции. Лишь проф. Ржаницын Н.А. произнес то самое слово – «перестраховка». Вместо умозрительных предположений Николай Васильевич приводил расчеты, доказывая двойной запас прочности и устойчивости фундаментов. Подводя итоги, архитектор Останкинской башни потребовал от членов совета воздержаться от умозрительных оценок и привести технически аргументированную критику, освобожденную от интуитивных соображений.

В итоге башню построили именно так, как ее задумывал автор с самого начала — на естественном основании с глубиной заложения менее 4 метров без свай. Спустя полвека с ней всё хорошо, она выдержала даже пожар. Чему мы можем научиться в данной ситуации? Факты бьют домыслы. У кого правда, тот и сильней. Но за правду нужно биться — она сама себя не отстоит.

Преднапряженные канаты

Второй инженерной изюминкой Останкинской телебашни является система предварительно напряженных канатов, идущих по всей высоте железобетонного ствола, которая также скрыта от глаз обывателей, как ее дерзкий фундамент.

Будучи высотным сооружением, башня испытывает большие изгибающие усилия, сжимающие ж/б ствол башни с одной стороны и растягивающие – с другой. Как известно, бетон хорошо работает на сжатие и совсем плохо – на растяжение. Если бетон будет растягиваться, то на растянутой стороне ствола башни будут образовываться горизонтальные трещины. Если попробовать добавить сжимающие усилия по всему сечению ствола, то можно нивелировать эти растягивающие напряжения (сжатая сторона будет более сжатая – ничего страшного, а растянутая – менее растянутая, ближе к нейтральному положению), и горизонтальных трещин не будет. Именно так и запроектировал свое творение гениальный Никитин Н.В.

Вдоль внутренней стороны стенки ствола были открыто расположены 149 арматурных канатов Ø38 мм из высокопрочной оцинкованной проволоки Ø1,8 мм. Проектное натяжение каждого каната заложено 72 тс, что в совокупности дает суммарное номинальное обжатие ствола башни 10 800 тс. Чтобы создать такое усилие приходилось вытягивать до 3,5 метров каната. Открытое расположение канатов позволяет при необходимости их подтягивать и заменять. Проложить их скрыто было невозможно из-за непрямолинейной трассировки, потерь натяжения на трение о стенки и сложностей бетонирования каналов.

Писали, что площадка на отметке 385 метров в процессе строительства «ходила под ногами, как палуба сейнера при сильной качке», а после натяжения канатов «замерла как по команде "смирно!"».

Мониторинг усилия натяжения канатов показал, что за первые 3 года суммарное усилие натяжения снизилось на 1291 тс (12,3%) при неравномерности натяжения между отдельными канатами до 4%. После 4 лет эксплуатации и наблюдений на башне действительно не было выявлено горизонтальных трещин. Задумка сработала.

В 2000 году на Останкинской телебашне произошел пожар, повредивший систему преднапряженных канатов – вышли из строя 121 канат из 149, но башня устояла, доказав свою безопасность. Простояла без канатов несколько лет до их восстановления.

Колебание шпиля Останкинской башни

Высокое гибкое сооружение не обсуждается без периода собственных колебаний, т.к. это неразрывно связано с явлением резонанса (точнее, его недопущением). Расчетный период 1-й формы колебаний составил 13,2 сек. (измеренный по факту – 11,4 сек.), 2-й формы – 4,7 сек. (факт – 4,7 сек.), 3-й формы – 2,8 сек. (факт – 2,2 сек.). Гений Н.В. Никитин всё просчитал довольно точно, отклонения минимальны.

Из личного опыта отмечу, что при обследовании металлической конструкции рекламной стелы высотой всего 35 метров, наверху очень сильно ощущалось ее покачивание, было весьма дискомфортно. Не зря в СП 20.13330 введено требование к динамической комфортности и ограничению ускорений перекрытий.

Самая существенная нагрузка на башенное сооружение – ветровая. Под действием ветровой нагрузки расчетное отклонение антенны башни от вертикали составляет 11,65 метров, а максимально зафиксированное в процессе мониторинга – 5,0 метров с амплитудой колебаний 0,5 метров. Откуда такой приятный недобор? Это объясняется многочисленными запасами и перестраховками. Как пишут авторы проекта: «Мы не знаем, что еще может случиться с сооружением, и потому нужно делать его попрочнее».

Как же так она раскачивается и не падает? Как же такая высокая штука сохраняет устойчивость? Всё гениальное просто: 3/4 веса башни приходятся на широкое основание башни и только 1/4 веса башни приходится на раскачивающийся шпиль.

Пожарная безопасность Останкинской башни

Отдельное внимание при проектировании Останкинской телебашни уделено пожарной безопасности. Опуская банальные вещи, в глаза бросился интересный факт – ковры применены строго из натуральной шерсти. Раньше даже униформу пожарных делали из тяжелой шерсти.

Шерсть, в отличие от других тканей, имеет высокую температуру воспламенения (~600°С против ~300-400°С для синтетических тканей), а при горении тлеет и самозатухает, выделяет мало сравнительно нетоксичного дыма. Это обусловлено наличием воды (много энергии уходит на высушивание), азота (химический барьер), белка кератина (много энергии на разрушение химической структуры).

Вывод

Останкинская телебашня — это не просто телевышка, а символ инженерной смелости и технического прогресса СССР. Уникальные решения Николая Никитина — фундамент на естественном основании, система преднапряжённых канатов и точнейшие расчёты динамики — доказали свою состоятельность временем и испытаниями. Башня выдержала десятилетия эксплуатации и даже пожар, сохранив устойчивость и функциональность. Сегодня она остаётся примером того, как сочетание инженерного гения и научной аргументации способно опередить эпоху и задать новые стандарты в строительстве высотных сооружений.