Железобетонная башня в Берлине

В соответствии с программой высотного строительства «Новое кольцо Москвы», утвержденной Правительством Москвы, до 2015 г. в столице будет построено 60 многофункциональных комплексов и зданий с развитой инфраструктурой, а это составит более 200 небоскребов, высота каждого из них будет иметь от 30 этажей и более.

Берлинская башня, общей высотой 365 м является самым главным центральным пунктом в разветвленной сети радио и телевидения Германии, а по своей высоте занимает второе место в Европе после Московской телевизионной башни в Останкино.

Этому предшествовала весьма поучительная история. Поскольку башню намечали построить в самом центре города, к ней предъявлялись повышенные градостроительные, архитектурно-планировочные и конструктивные требования. Берлинская башня расположена в центре пространственной композиции, образованной многоэтажными зданиями государственных и городских учреждений, выставочных комплексов и музеев, расположенных вблизи площади Александерплац и улиц Ратхаусштрассе и имени Либкнехта.

Среди ведущих проектных организаций и специалистов был объявлен открытый конкурс на лучшие проектные предложения, которые в последующем активно обсуждались на общественном совете. Некоторые из вариантов проектов берлинской железобетонной радиотелебашни представлены на рис. 2.

В одном из первых вариантов проекта, башню предлагали построить в традиционном решении с гладким стволом конической формы, высотной многоэтажной обстройкой на верху и металлической решетчатой антенной конструкцией, с общей высотой сооружения 365 м.

Авторы считали, что этот вариант проекта башни базируется на основных положениях конкурсной программы, с четкой статической концепцией расчета и логичного сочетания пропорций ствола с габаритами высотной обстройки. Кроме того, были удовлетворены основные требования, предъявляемые к назначению высотного объекта.

Второй вариант башни имел более сложный профиль ствола с коническим развитым основанием внизу и более сложным решением высотной обстройки, с многопрофильным разделением на помещения различного функционального назначения. Этот проект получил вторую премию. Однако членение высотных помещений и их взаимосвязь со смотровыми площадками, ресторанными помещениями и техническими службами не была одобрена экспертами.

В третьем варианте авторы обратили внимание на лучшее конструктивное сопряжение нижней части ствола башни с конструкциями фундамента. Это решение с учетом двух раздельных высотных обстроек на верху железобетонного ствола сооружения вносило определенную ясность в распределение нагрузок при статических расчетах конструкций высокой башни.

Интересное решение предлагалось в следующим варианте, когда железобетонный ствол сооружения намечали выполнить не в виде традиционной трубы конической формы, а виде двух стволов, соединенных между собой горизонтальными элементами в единую конструкцию. Несмотря на ряд положительных качеств, и эта конструкция башни по ряду технологических требований также не получила одобрения. Хотя следует отметить, что к этой идее неоднократно возвращались, например, при разработке вариантов железобетонных башен в Гамбурге и Праге.

В результате длительных дискуссий было принято решение железобетонную башню в Берлине построить с шаровидной высотной обстройкой, которая по мнению многих экспертов оказалась самой целесообразной. Такие высотные обстройки в виде огромного шара еще не применялись в практике высотного строительства телевизионных башен. Большую роль в выборе шаровидной высотной обстройки башни в Берлине сыграли результаты исследований модели башни в аэродинамической трубе, которые показали, что в этом случае сооружение будет иметь наименьшие нагрузки при воздействии горизонтальных потоков ветра при максимальных скоростях и лучшие аэродинамические показатели. При этом верхушка башни будет иметь наименьшие отклонения от вертикальной оси сооружения при колебаниях, что благоприятно скажется на самочувствии посетителей смотровой площадки, гостей высотного ресторана, а также технического персонала, обслуживающего радиотелевизионные станции и аппаратуру на верхних отметках.

В итоге высотная шаровидная обстройка берлинской телебашни общим диаметром 32 м была сооружена на железобетонном стволе между отметками +200 и +232 м.

Несмотря на некоторые дополнительные трудности в изготовлении конструктивных элементов шаровидной обстройки и определенные трудности в изготовлении элементов и производстве монтажа, она значительно снизила влияние ветровых нагрузок, уменьшила величину изгибающих моментов в нижнем сечении железобетонного ствола и привела с существенной экономии за счет снижения расходов строительных материалов.

Высотная головная обстройка телебашни функционально разделена на две зоны: техническую, где расположены передающие радиотелевизионные станции, и зону для посещения кафе-ресторана, закрытой смотровой площадки и вспомогательные подсобные помещения. Это разделение вызвано спецификой объекта, архитектурно-планировочными и конструктивными соображениями, а также желанием четко разделить транспортные потоки людей, обеспечивая удобный и быстрый подъем на требуемый этаж.

Кафе-ресторан и смотровую площадку разместили в нижней зоне шаровидной обстройки, ниже которых предусмотрен вспомогательный этаж для установки агрегатов приточно-вытяжной вентиляционной системы.

Остекленные окна кафе-ресторана и смотровой кольцевой галереи в нижней части шара имеют небольшой уклон стен внутрь этажей. При таком решении солнечные лучи в полдень как бы скользят по их поверхности и не создают ослепляющих бликов, а главное, отражаясь от стекол, не перегревают воздух внутри помещений в летние солнечные дни.

В головной высотной обстройке телебашни одновременно могут находиться около 500 человек, из них около 200 посетителей в кафе-ресторане, 150 человек на смотровой площадке и несколько десятков обслуживающего инженерно-технического персонала передающих станций.

Для подъема экскурсантов и обслуживающего персонала на верхние этажи высотной обстройки внутри ствола телебашни смонтированы два пассажирских лифта, третий лифт предназначен для обслуживания производственных помещений. Каждая кабина пассажирского лифта вмещает 14 человек и движется со скоростью 6 м/сек., затрачивая на подъем всего 45 сек. Кроме лифтов в стволе телебашни проходит запасная аварийная лестница с 986 ступенями.

Полы в кафе-ресторане, где установлены столики для гостей, вращаются вокруг оси сооружения на 360 градусов со скоростью один оборот за час. За это время гости осматривают с высоты птичьего полета все достопримечательности столицы, а экскурсоводы сопровождают подробными объяснениями открывающуюся панораму города.

Берлинскую башню строили на века. Большое внимание строители уделили сооружению конструкций фундамента этого высотного сооружения. При этом разработчики учитывали близкое расположение станции городского метро и фундаменты Мариенкирхе. В районе строительства были также исследованы конструкции других рядом расположенных зданий и сооружений. Для исследования инженерно-геологического строения грунтов под фундаментом телебашни были пробурены три глубокие геологические скважины, нижняя отметка которых достигала – 80 м. Образцы грунтов из послойных отложений подверглись тщательным исследованиям. Оказалось, что под фундаментом залегают в основном слои песка и гравия с хорошими физико-механическими данными.

Известно, что прочность и устойчивость высокой башни во многом зависит от того, насколько точно и правильно определены фактические расчетные нагрузки и внешние воздействия на сооружение. Поэтому определению главной горизонтальной ветровой нагрузки уделялось в расчете первостепенное внимание. Максимальная скорость ветра, отмеченная за многолетний период наблюдений, профиль и законы распределения ветровых нагрузок на Берлинскую башню, были рекомендованы специалистами главной метеорологической службы, расположенной под Берлином в Потсдаме.

Максимальную расчетную скорость ветра на высоте 350 м для башни рекомендовалось принимать равной 51 м/сек. Господствующим и преобладающим направлением ветра для Берлина принималось запад-восток. По многолетним данным, на уровне флюгера, в районе возведения башни преобладает скорость ветра, равная 4 м/сек. при часовом осреднении.
Главная климатическая метеостанция в Потсдаме рекомендовала принимать для расчета следующие статистические данные при повторяемости скоростей ветра, если:

• скорость ветра 30 м/сек. – один раз в год;
• скорость ветра 35–40 м/сек. – один раз в каждые 2–4 года;
• скорость ветра 45–50 м/сек. – один раз в десять лет;
• скорость ветра 50–60 м/сек. – один раз в 50–100 лет.

Эти подробные метеорологические данные очень помогли разработчикам проекта. К тому же при определении ветровых нагрузок вертикальная площадь проекции сооружения вычислялась с учетом гололедных отложений (толщиной от 40 мм до 100 мм) на конструкциях верхних антенных устройств.

Основные расчеты сооружения Берлинской баши выполнены в соответствии с нормативными требованиями DIN Германии. Для того чтобы учесть динамическую часть ветрового воздействия на сооружение, при возникновении завихрений и пульсации скоростного напора ветра, нормативную ветровую нагрузку qо в расчетах разделили на две составляющие части: статически приложенную нагрузку принимали равной 0,4 qо, а динамическую часть, равной 0,6 qо. Таким образом, расчетная нагрузка на единицу поверхности сооружения определялась по формуле:
qo = (0,4 + 0,6f ·f2)qo = 1,7 qo.

При расчете прогибов и деформаций железобетонного ствола башни период собственных колебаний сооружения принимался равным Т = 7 сек., а логарифмический декремент затухания колебаний d = 0,075.

При расчетах изгибающих моментов, возникающих при отклонениях железобетонного ствола от вертикальной оси, вследствие неравномерного одностороннего нагрева конструкции солнечными лучами, определили температурный перепад dt = 15°C между солнечной и теневой сторонами сооружения. Большое внимание при проектировании конструкций башни уделялось определению расчетных аэродинамических коэффициентов «С» как для отдельных элементов конструкций, так и всего сооружения в целом. С этой целью в г. Дрездене проводили лабораторные исследования модели Берлинской башни в аэродинамическом канале (трубе). В результате исследований было установлено, что величины аэродинамических коэффициентов «С» зависят от многих факторов и изменяются в широких пределах.

В теоретических расчетах конструкций башни величину аэродинамических коэффициентов «С» принимали дифференцировано для следующих значений:

• для конструкций верхней стальной антенной части (в зависимости от геометрических размеров диаметра) для отдельных участков С = от 0,94 до 1,09;
• для верхнего участка железобетонного ствола башни с кольцевыми площадками для радиоантенн С = 1,10;
• для конструкций шаровидной высотной обстройки С – от 0,5 до 0,55;
• для железобетонного ствола башни конической формы С – от 0,50 до 0,55.

Отложения гололедных образований на стальных конструкциях верхней антенной части увеличивают ветровые нагрузки примерно на 15%.

От расчетных сочетаний различных нагрузок в нижнем сечении железобетонного ствола башни возникают: суммарный изгибающий момент М = 137240 тм, вертикальные (нормальные) силы N – от 24480 тс до 25567 тс, и поперечная сила в основании
Q = 736 тс. С учетом этих величин были рассчитаны все основные железобетонные конструкции Берлинской телебашни.

Передача всей вышерасположенной нагрузки от сооружения башни на грунт идет на железобетонный кольцевой фундамент с наружным диаметром 41,2 м, шириной плиты 7,5 м и высотой 2,7 м. Железобетонная плита фундамента башни выполнена из бетона марки В 450 и заармирована круглыми стержнями периодического профиля из стали марки А-111.

Для восприятия 1800 тс максимальных горизонтальных усилий, возникающих в фундаментном кольце от распора стен гиперболического основания ствола сооружения и вследствие наклонной стенки подошвы, кольцевая плита фундамента дополнительно обжата предварительно напряженной арматурой в виде прядей. Всего по периметру плиты уложено и напряжено 20 арматурных стальных прядей, изготовленных из проволочной стали. В результате фундаментная плита по наружному контуру обжата и напряжена суммарным усилием, равным 2000 тс. Предварительно напряженные пряди, уложенные около наружной грани фундаментной плиты, были заанкерены в специальных стальных плитах. Для того чтобы проконтролировать силу натяжения в арматуре, устанавливались четыре датчика, расположенные в измерительных пунктах на фундаментной плите, где одновременно с помощью специальных тензометров определяли и усадку бетона в тангенциальном направлении кольцевой плиты.