CC BY
94Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 72.03:69.032.22
Е.Ф. ФИЛАТОВ, инженер (iilatovef@mail.ru)
ООО «Защита-сервис» (241020, г. Брянск, ул. Богдана Хмельницкого, 37-4)
Уникальное сооружение ХХ в. — Останкинская радиотелевизионная башня
5 ноября 1967 г. принята в эксплуатацию первая очередь строительства Останкинской радиотелевизионной башни, которая с тех пор является одним из главных символов Москвы. Это сложный объект многоцелевого назначения высотой 540 м, который при различных технологических функциях обеспечивает неразрывное единство архитектурного, конструктивного и инженерного замыслов. Уникальное высотное сооружение является объединяющей доминантой в прилегающих районах и имеет композиционную взаимосвязь с планировочной структурой города. При строительстве Останкинской радиотелевизионной башни получен и затем широко использован в отечественной строительной практике модифицированный бетон, получивший название High Performance Concrete (HPC) - «бетоны высококачественного исполнения», или высокофункциональный бетон. Приведены основные конструктивные особенности сооружения и свойства примененных материалов.
Ключевые слова: высотное строительство, железобетонная радиотелевизионная башня, предварительно напряженная арматура, высокофункциональный бетон.
Для цитирования: Филатов Е.Ф. Уникальное сооружение ХХ в. - Останкинская радиотелевизионная башня // Жилищное строительство. 2018. № 1-2. С. 17-21.
E.F. FILATOV, Engineer (filatovef@mail.ru) OOO «Zaschita-servis» (37-4, Bohdan Khmelnytsky Street, Bryansk, 241020, Russian Federation)
The Unique Structure of the XX Century — Ostankino Television and Radio Tower
05 November of 1967 the first phase of construction of the Ostankino Television and Radio Tower, which since then is one of the symbols of Moscow, was commissioned. This complex multipurpose object of 540 m height under various technological functions provides the indissoluble unity of the architectural, structural, and engineering concepts. This unique high-rise structure is the unifying dominant of adjoining areas and possesses the composition inter-connection with the planning structure of the city. When constructing the Ostankino Television and Radio Tower, modified concrete named as High Performance Concrete (HPC) or high-functional concrete has been obtained and then is widely used in domestic construction practice. Main structural features of the structure and properties of materials used are presented.
Keywords: high-rise construction, reinforced concrete radio and television tower, pre-stressed reinforcement, high-functional concrete.
For citation: Filatov E.F. The unique structure of the XX century - Ostankino television and radio tower. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 1-2, pp. 17-21. (In Russian).
Среди многих радиотелевизионных башен, построенных во многих странах, железобетонная радиотелевизионная башня в Останкино имеет свой неповторимый и только ей присущий архитектурно-художественный облик.
Прообразом железобетонных радиотелевизионных башен являются ранее построенные сооружения из металла, такие как Эйфелева башня в Париже, Шуховская радиобашня в Москве и др. Первая радиотелевизионная железобетонная башня с высотной четырехэтажной обстройкой и металлической антенной наверху общей высотой 212 м была построена в г. Штутгарте (ФРГ) в 1956 г. по проекту Ф. Леонгардта. Железобетонный ствол Штутгартской башни представляет собой суживающуюся кверху полую колонну высотой 161 м. Нижний участок ствола до отметки +135,8 м имеет форму конуса, а верхний - до отметки +161 м - форму цилиндра диаметром 5,04 м. Железобетонные стены выполнены из монолитного бетона марки 400 и армированы стержнями периодического профиля. Конструкция ствола башни не имеет предварительно напряженного обжатия стен. В конечном итоге это привело к тому, что в 2013 г. ствол башни лопнул, и чтобы предотвратить полное разрушение, его стянули обручами [1-3].
1-2'2018 ^^^^^^^^^^^^^
По поручению Госстроя СССР в проектном институте «Моспроект» в 1958 г. авторским коллективом в составе главного конструктора Останкинской телебашни Н.В. Никитина и архитекторов Д.И. Бурдина и Л.И. Баталова разработан фор-проект железобетонной предварительно напряженной антенной опоры для Московского телецентра в Останкино.
Основным материалом строительства радиотелевизионной башни был выбран железобетон. Здесь пригодился немецкий опыт строительства телевизионной вышки из железобетона высотой 212 м в Штутгарте, где Н.В. Никитин в 1960-е гг. побывал в командировке.
Прообразом конструкции Останкинской башни послужила перевернутая лилия - цветок с толстым стеблем и крепкими лепестками [4-6].
Основные архитектурно-планировочные решения
Все высотное сооружение радиотелевизионной башни можно условно разделить на пять функциональных зон обслуживания.
- 17
Градостроительство и архитектура
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
а 540
б 540
г 540
384
321
Ветровая нагрузка 600 кН (1 раз в 20 лет)
63
217 м
Центр тяжести
89 м
; Парабола
0,26
Относительные деформации от статической 11 ветровой нагрузки, м
0
1050
Рис. 1. Основные расчетные характеристики башни в зависимости от главных нагрузок и воздействий: а — схема башни; б — эпюра деформаций (м); в — эпюра нормальных сил (тыс. кН); г — эпюра расчетного скоростного напора (Па)
В первой зоне до высоты 63 м (коническая часть) размещаются основные технические помещения радиотелевизионных передающих станций и подсобные помещения технических служб.
Всего в первой зоне, включая два подвальных этажа, расположено 17 этажей различного назначения и габаритов. Основные аппаратные государственного радиотелецентра располагаются на пятом, шестом и седьмом этажах. Ниже и выше этих отметок находятся технические помещения вспомогательных служб, обеспечивающих нормальную бесперебойную работу радиотелевизионных станций.
Главный зал радиотелевизионных передатчиков расположен на пятом этаже на отметке 19,5 м от уровня планировочной отметки вестибюля. Архитектурно-планировочному решению, внутреннему интерьеру и репрезентативному облику этого зала было уделено особое внимание. Кольцевой главный зал радиотелевизионных передатчиков общей высотой 7 м до подвесного потолка по периметру стен имеет десять круглых оконных проемов диаметром 4,5 м.
Во второй и третьей зонах обслуживания, между отметками 63 и 321 м в габаритах железобетонного ствола размещены многочисленные аппаратные радиорелейных линий связи, оборудование и антенны передвижных телевизионных станций.
В четвертой зоне обслуживания телебашни между отметками 325,6 и 385,5 м сооружена десятиэтажная высотная обстройка, в которой расположен комплекс помещений ресторана «Седьмое небо», высотная смотровая площадка для экскурсантов, а также технические этажи с различным технологическим оборудованием и высотной электроподстанцией.
Венчает сооружение металлическая антенная конструкция, относящаяся к пятой зоне обслуживания радиотелевизионной башни. Она имеет различные переменные габариты и сечения в плане. Общая высота антенной части равна 154,5 м.
Металлическая конструкция флагштока и металлической электросистемы грозозащиты достигает 540 м.
Основные принципы расчета конструкции башни
Кроме стандартной статической составляющей ветровой нагрузки на сооружение учитывалось и динамическое
воздействие на башню, которое возникает от пульсации турбулентного воздушного потока при больших и малых скоростях ветра.
Характерные расчетные данные и эпюры форм колебаний телебашни приведены на рис. 1
По расчету, в нижнем сечении башни суммарная величина вертикальной нагрузки оказалась равной 320 тыс. кН, а максимальный изгибающий момент в вертикальной плоскости около 2000 тыс. кНм.
На эти основные расчетные нагрузки и возникающие усилия рассчитаны и спроектированы фундаменты и вышерасположенные конструкции радиотелевизионной башни.
Фундамент телебашни
Главный фундамент радиотелевизионной башни возведен в виде кольцевой многогранной замкнутой плиты сечением 8x2 м из монолитного железобетона марки 400. Под всей площадью подошвы фундамента выполнена бетонная подготовка толщиной 15 см из монолитного бетона марки 75.
По периметру десятигранной железобетонной плиты фундамента создано кольцевое сжимающее усилие общей величиной 59 тыс. кН. В результате растягивающие напряжения в сечениях фундаментной плиты, возникающие от горизонтальных составляющих распора наклонных опор-ног башни, были снижены. Это до минимума уменьшило вероятность появления микротрещин в наружных гранях фундамента.
Для закрепления водонасыщенных песчаных грунтов в основании, чтобы предотвратить их случайный выход из-под мореных суглинков, выдвинута подземная кольцевая стенка из стального шпунта (рис. 2, 3).
С самого начала строительства телебашни организованы систематические инструментальные наблюдения за осадками фундаментов и послойными деформациями грунтов под сооружением.
Общая величина осадок основного железобетонного кольца фундамента телебашни за весь период наблюдений составила в среднем 60-80 мм. Это очень незначительные величины по сравнению с колоссальной высотой сооружения.
18
1-22018
в
0
Научно-технический и производственный журнал
V T Ч-V V V м
2
3
jsl
JS3
12И
Т—7—7—Г
У
7—7—Т~7—7—7—Т'Т'Т" 7—Т" 7~Т~
Рис. 2. Усиленный вариант главного фундамента: 1 — кольцевая десятигранная плита; 2 — стенка из стального шпунта
Железобетонные конструкции нижней конической части телебашни
До высоты 63 м телебашня имеет развитое коническое основание, образованное из двух пространственных железобетонных оболочек с диаметрами 18 м наверху и 27,32 м на отметке 43 м. Толщина стен конических оболочек 50 см.
Кольцевые стены оболочки на высоте 17,3 м переходят в десять наклонных опор-ног с арочными проемами между ними величиной 1,02 м наверху. Опоры-ноги имеют весьма оригинальную геометрическую форму. Наверху размер опор-ног по периметру оболочки составляет по радиусу 23,32 м, с фасада 12,52 м и, суживаясь книзу, на отметке -0,2 м он уменьшается до 5,5 м. На отметке +0,2 м опорная часть опор-ног устанавливается на железобетонные банкетки кольцевого фундамента и замоноличивается в жесткий узел.
В верхней части на отметке 17,3 м опоры-ноги с таким же наклоном без перелома линии переходят по образующим в коническую оболочку, имеющую толщину 50 см. Нижнее основание телебашни, опирающееся на десять наклонных опор-ног, получилось весьма элегантным, воздушным и вместе с тем солидным основанием высотного сооружения.
Десять тонких опор-ног в основании телебашни воспринимают и передают на фундамент более 320 тыс. кН нагрузки от вышерасположенных конструкций и технологического оборудования [7-11].
Монолитный железобетонный ствол
Ствол телебашни (рис. 1) общей высотой 322,5 м представляет собой конструкцию в виде усеченного пространственного конуса с 2%-м уклоном, образующей наружной оболочки и сложной формой внутренних очертаний консолей.
Наружный диаметр основания ствола на отметке +63 м составляет 18 м, а выше до отметки +311 м он плавно уменьшается до 8,2 м. Верхний участок ствола до самого верха имеет цилиндрическую форму с постоянным диаме-
Рис. 3. Схема поперечного сечения железобетонной плиты главного фундамента башни: 1 — опоры-ноги; 2 — опорная банкетка; 3 — первоначальные габариты плиты фундамента (8х3 м); 4 — уширенное кольцо-обойма; 5 — предварительно напряженная пучковая арматура; 6 — бетонная подготовка под фундаментом толщиной 15 см
тром 8,2 м. Толщина кольцевых стен оболочки ствола внизу равна 400 мм, а наверху - 350 мм.
Конструкции железобетонного ствола возводились при помощи специального самоподъемного агрегата, который нес на своей конструкции рабочие площадки и опалубочные щиты.
На железобетонном монолитном стволе телебашни смонтированы три высотные наружные обстройки, десятки кольцевых балконов и антенных площадок. Наиболее крупной является высотная обстройка четвертой зоны обслуживания, где расположена главная смотровая площадка, этажи высотного ресторана «Седьмое небо» и целый ряд технических помещений. Это кольцевое десятиэтажное здание высотой 35 м с наружным диаметром 18,8 м опоясывает периметр железобетонной оболочки ствола телебашни и прочно закреплен на нем.
На высоте 243-253 м находятся конструкции наружной высотной обстройки третьей зоны обслуживания, где размещены технические аппаратные и оборудование системы радиотелефонной связи.
Значительная часть внутреннего объема железобетонного ствола сооружения заполнена стальной пространственной конструкцией, внутри которой размещаются шахты для четырех скоростных пассажирских лифтов, ан-тенно-фидерных систем и кабелей связи, а также силовых электрокабелей и других инженерных коммуникаций. Между отметками 353 и 375 м расположены пять этажей машинных отделений скоростных пассажирских лифтов.
Бетон
Одной из основных проблем при проектировании железобетонной башни явилось создание морозостойкого и долговечного бетона. Проектом была установлена степень долговечности бетона, характеризующаяся морозостойкостью F 500 и прочностью бетона на сжатие М 400. Для обеспечения необходимой морозостойкости бетона проводились исследования и разработаны соответствующие требования к структуре минералов клинкера и составу цементов, к качеству заполнителей, а также к применению химических добавок.
При строительстве телебашни применены низкоалю-минатные портландцементы без минеральных добавок Белгородского завода, Вольского завода «Большевик» и Волковысского завода «Победа», песок из Подмосковья,
1-2'2018
19
4
6
Градостроительство и архитектура
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Составы бетона
Компоненты бетонной смеси и ее характеристика Для бетонирования в летних условиях Для бетонирования в зимних условиях
Портландцемент марки 600 кг/м3 400* 428
Песок Татаровского карьера, кг/м3 674 674
Щебень Клесовского карьера, кг/м3: фракция 5-15 мм фракция 15-32 мм 531-594 648-594 531-593 654-593
Вода, кг/м3 152 150
Концентраты ССБ (в пересчете на сухое вещество), кг/м3 0,6 0,642
В/Ц 0,38 0,35
Осадка конуса, см 6-7 6-7
* Фактический расход цемента на различных партиях цемента колебался в пределах 417-428 кг/м3 бетона, а в некоторых случаях увеличился до 447-450 кг/м3 (для секций ствола с большим количеством закладных деталей). Нарастание прочности бетона (при сжатии характеризовалось следующими данными: в 28-сут возрасте 37-45 МПа, через год 45-50 МПа и через пять лет 50-60 МПа. Прочность бетона при сжатии в возрасте пяти лет превышала проектную прочность на 50%. Автором останкинского бетона был заведующий лабораторией № 10 ВНИПИ «Теплопроект» (г. Москва) канд. техн. наук Б.Д. Тринкер.
Татарского карьера (Мк = 2,5-2,8 мм), гранитный щебень с Клесовского карьера (Украина); он промывался и сортировался по размеру на две фракции: 5-15 и 15-32 мм. Пластифицирующей добавкой служили концентраты сульфитно-спиртовой барды (ССБ), газообразующей ГКЖ-94.
Все примененные материалы удовлетворяли требованиям ГОСТов.
Клинкер и цемент каждой партии подвергали петрографическому и химическому анализам; проводились также полные технологические испытания бетона.
Изучение микроструктуры и минералогического состава клинкеров под микроскопом показало, что большинство партий клинкера обоих заводов («Большевик», «Победа») характеризуются равномерно-зернистой структурой и сравнительно правильной формой кристаллов алита и белита, что свидетельствовало о достаточно хорошей активности цемента.
Нормальная густота цементов различных партий находилась в пределах 22-25%; тонкость помола составляла: по остаткам на сите 900 отв/см2 0,1-0,7% и на сите 4900 отв/см2 7-10%.
Условная удельная поверхность 3000-3500 см2/г. Активность цементов 57-65 МПа.
Кварцево-полевошпатовый песок Татаровского карьера, прошедший гидроклассификацию, имел модуль крупности 2,6-2,8; содержание глинистых, илистых и пылевидных примесей 0,1-0,3%.
Для щебня использовалась горная порода со второго горизонта Клесовского карьера. Камень имел прочность не менее 120 МПа. Первичное дробление производилось на карьере. Щебень фракции 20-60 мм поступал на асфальтобетонный завод № 2 Главмосстроя, где подвергался вторичному дроблению на две фракции: 5-15 и 15-32 мм. Объем пустот щебня в стандартном состоянии составлял около 44%, после уплотнения вибрированием 33%; водопо-глощение 0,38-0,4%, удельный вес 2,63-2,65.
При подборе состава бетона учитывали величину поверхности и пустотности заполнителей. Толщина пленки цементного теста на поверхности заполнителей в среднем была равна 30-34 мк, коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя составлял 1,23-1,28.
В процессе производства бетонных работ состав бетона (табл. 1) корректировали с учетом степени армирования и количества закладных деталей в различных ярусах или секциях ствола.
2о| -
Таблица 2
Башня в цифрах
Наименование характеристики Единицы измерения Показатель
Высота железобетонного ствола м 385,5
Высота стальной антенны м 154,5
Массы антенны т 320
Диаметр фундамента м 61-65
Глубина заложения фундамента м 3,5-4,6
Общее усилие сжатия фундамента кН 59 000
Масса фундамента т 14500
Объем бетона в фундаменте м3 5000
Давление под фундаментом кПа 264
Диаметр железобетонного ствола на высоте конуса (+63 м) м 18
Диаметр железобетонного ствола на высоте конуса (+321 м) м 8
Диаметр железобетонного ствола на высоте конуса (+385,5 м) м 8
Диаметр опоры на отм. 0,00 м м 60
Масса башни т 55 000
Полезная площадь м2 14850
Объем помещений и обстроек м3 70000
Количество этажей шт. 44
Количество балконов шт. 14
Общее количество железобетона в фундаменте и стволе тыс. м3 20
В зимнее время температура бетонной смеси колебалась от 18 до 25оС на бетонном заводе и от 18 до 20оС при укладке в опалубку.
Предварительно напряженная арматура
Для повышения конструктивной жесткости, уменьшения горизонтальных деформаций и возможности появления горизонтальных трещин в железобетонных конструкциях ствола радиотелевизионной башни с самого начала было предложено создавать предварительно напряженное обжатие пространственных оболочек по вертикали.
М-2'2018
Научно-технический и производственный журнал
После натяжения 150 арматурных канатных элементов в железобетонном стволе телебашни создано суммарное обжатие с усилиями 108 тыс. кН в нижнем сечении на высоте 63 м и 43 тыс. кН на верхних отметках. Эти сжимающие усилия гарантируют нормальную эксплуатацию высокой телевизионной башни в Останкино.
Серьезным испытанием телевизионной башни стал случившийся 27 сентября 2000 г. пожар, который возник в металлической антенне примерно на отметке 430 м в одном высокочастотном фидере. Воспламенилась изоляция из полихлорвинила. Полихлорвинил является горючим материалом. При температуре 230оС начинается его термическое разложение и при температуре 450оС - самовоспламенение.
После пожара прочность при сжатии бетона внутренней поверхности стенки ствола снизилась не более чем на 15%. Учитывая, что прочность бетона при сжатии до пожара была почти вдвое больше проектной, это снижение прочности бетона не повлияло на общую прочность ствола.
Горизонтальная арматура нагревалась до 200-250оС, вертикальная арматура - до 150-200оС. Такой нагрев не снизил сопротивления арматуры растяжению и сжатию. Несмотря на пожар и высокую температуру теплового потока, прочность железобетонного ствола башни осталась выше проектной.
Список литературы
1. Ведяков И.И. Тенденции мирового высотного строительства // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 31. Ч. 1. С. 47-53.
2. Гриф А.Я. Высочайшая телевизионная башня. М.: Связь, 1975. 120 с.
3. Граник Ю.Г. Современное высотное строительство. М.: Москомархитектура, 2007. 461 с.
4. Милованов А.Ф., Соломонов В.В., Кузнецова И.С. Состояние основного железобетонного ствола Останкинской телевизионной башни после пожара // Бетон и железобетон. 2001. № 3. С. 4-6.
5. Мишенков С.А. История московских радиотелевизионных башен // Радио. 2012. № 10. С.3-6.
6. Никитин Н.В. Останкинская телевизионная башня. М.: Издательство литературы по строительству, 1972. 210 с.
7. Остроумов Б.В. Проектирование и строительство кольцевого фундамента для радиотелевизионной башни // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007. № 4. С. 20-24.
8. Тринкер А.Б. Проверено временем // Строительная газета. 2017. № 44. С. 2.
9. Травуш В.И. Останкинской телебашне в Москве 45 лет // Academia. Архитектура и строительство. 2012. № 4. С. 116-119.
10. Травуш В.И. Выдающийся инженер, архитектор, мыслитель // Строительная газета. 2007. № 50. С. 2.
11. Тринкер А.Б. Единая система скоростного бетонирования высотных сооружений // Бетон и железобетон, 1983. № 12. С. 20-21.
12. Тринкер А.Б. Повышение долговечности специальных зданий и сооружений, эксплуатируемых в агрессивных средах // Специальные строительные работы. 1984. № 8. С. 6-11.
1-2'2018 ^^^^^^^^^^^^^
В районе отметок 201, 253 и 374 м возникли очаги горения, произошли обрывы некоторых преднапряженных канатов.
За время реконструкции телебашни проделана огромная работа, и в первую очередь заменены все предварительно напряженные канаты, находящиеся в состоянии свободного провисания или имеющие обрывы. Для повышения пожарной безопасности и обеспечения огнестойкости телевизионной башни при реконструкции внутреннего пространства использованы негорючие материалы для изоляции фидеров и кабелей, аппаратуры и оборудования. Предварительно напряженные канаты были обработаны антикоррозионным и огнезащитным покрытием.
Радиотелевизионная башня в Останкино имеет уникальные инженерно-технические, архитектурно-планировочные и конструкторские решения, не имеющие аналогов в мире, что наглядно подтверждается цифрами (табл. 2).
Древнеримский архитектор Витрувий еще в I в. до н. э. сформулировал три основных требования к архитектурным сооружениям: «Польза. Прочность. Красота». Останкинская радиотелевизионная башня в полной мере соответствует трем критериям. Прозорливость и уверенность в своем детище была высказана главным конструктором Останкинской радиотелевизионной башни Н.В. Никитиным. В одном из интервью на вопрос, сколько лет простоит телебашня, он ответил: «Лет триста точно простоит, а там посмотрим!»
References
1. Vedyakov I.I. Tendencies of world high-rise construction. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitefnogo universiteta. Ser.: Stroitel'stvo i arkhitektura. 2013. No. 31. P. 1, pp. 47-53. (In Russian).
2. Grif A.Ya. Vysochaishaya televizionnaya bashnya [The highest television tower] . Moscow: Svyaz'. 1975. 120 p.
3. Granik Yu.G. Sovremennoe vysotnoe stroitel'stvo [Modern high-rise construction]. Moscow: Moskomarkhitektura. 2007. 461 p.
4. Milovanov A.F., Solomonov V.V., Kuznetsova I.S. A condition of the main reinforced concrete trunk of the Ostankino television tower after the fire. Beton i zhelezobeton. 2001. No. 3, pp. 4-6. (In Russian).
5. Mishenkov S.A. History of the Moscow radio television towers. Radio. 2012. No. 10, pp. 3-6. (In Russian).
6. Nikitin N.V. Ostankinskaya televizionnaya bashnya [Ostankino television tower]. Moscow: Izdatel'stvo literatury po stroitel'stvu, 1972. 210 p.
7. Ostroumov B.V. Design and construction of the ring base for a radio television tower. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2007. No. 4, pp. 20-24. (In Russian).
8. Trinker A.B. It is checked by time. Stroitel'naya gazeta. 2017. No. 44, pp. 2. (In Russian).
9. Travush V.I. To Ostankino Television Tower in Moscow 45 years. ACADEMIA. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2012. No. 4, pp. 116-119. (In Russian).
10. Travush V.I. Outstanding engineer, architect, thinker. Stroitel'naya gazeta. 2007. No. 50, pp. 2. (In Russian).
11. Trinker A.B. Uniform system of high-speed concreting of high-rise constructions. Beton i zhelezobeton. 1983. No. 12, pp. 20-21. (In Russian).
12. Trinker A.B. Increase in durability of the special buildings and constructions operated in hostile environment. Spetsiafnye stroitefnye raboty. 1984. No. 8, pp. 6-11. (In Russian).
- 21
