Башня – довольно сложное архитектурное сооружение с набором определенных полезных функций. В России наиболее распространены водонапорные, дымовые, телевизионные башни, а также башни-мачты с оборудованием для широкого распространения радиосигнала, например, сотовой связи. Башни по причине своих конструктивных особенностей как никакие другие строительные объекты подвержены износу и различного рода деформациям. Так, небольшое проседание почвы, постоянные сильные ветра, которые другим строениям были бы нипочем, конструкции башни могут повредить достаточно серьезно. Поэтому необходимо регулярно проводить обследование и усиление этих объектов.
Конструкционные особенности башен и их разновидности
Башни представляют собой пространственные решетчатые конструкции, имеющие форму призмы или усеченной пирамиды, часто с несколькими переломами в очертании поясов по высоте. Поперечное сечение башни большей частью квадратное или треугольное.
В небольшом количестве по индивидуальным проектам возводятся башни шестигранного и восьмигранного сечений, а также других форм. В некоторых случаях по центру башни предусмотрены вертикальные конструкции, в которых располагаются шахта для лифтов, лестницы и различные технологические устройства и оборудование.
Фундаменты башни, как правило, железобетонные, они имеют закладные части, воспринимающие как положительные, так и отрицательные реакции и боковую сдвигающую силу.
Пояса и элементы решетки башни бывают двух типов: из труб и круглого железа; из прокатных профилей – уголков, швеллеров и двутавров.
Башни с элементами из труб имеют широкое распространение и являются более выгодными по сравнению с башнями с элементами из прокатных профилей, так как у элементов с трубчатым сечением коэффициент лобового сопротивления ветровому воздействию меньше, что дает возможность применять элементы меньших сечений. Однако возведение таких башен осложняется тем, что трубы дефицитны и стоимость их более высокая, чем элементов из прокатных профилей.
Также широкое распространение получили типовые телевизионные башни высотой 180 м, а также типовые башни другого назначения высотой 40 – 170 метров. Конструкции этих башен аналогичны, они имеют форму пирамиды, сечения их в плане квадратные. Элементы пояса выполнены из труб с приваренными в торцах фланцами из толстолистовой стали для соединения на монтаже с помощью болтов. Сечение труб поясов может составлять 426 – 168 мм в зависимости от толщины стенки, величины нагрузки на башню и положения пояса: внизу башни трубы большего поперечного сечения, вверху – меньшего.
Распорки башен делают из труб с полуфасонками по концам, зажимаемыми между двумя смежными фланцами поясов.
Раскосы башен бывают двух типов: жесткие из труб и гибкие из круглого железа. Во время монтажа последние натягивают с помощью винтовых муфт.
Верхняя часть типовых телевизионных башен имеет призматическую форму квадратного сечения в плане размером 1,75X1,75 метра.
Призматическая часть башни изготовляется заводами в виде отдельных пространственных секций с расположенными внутри площадками и лестницами.
Все элементы пирамидальной части башен поступают на монтажную площадку отдельными частями.
На башнях в нескольких уровнях обычно предусматриваются площадки для установки технологического оборудования. Элементы башни в этих местах снабжены соответствующими столиками и фасонками для закрепления конструкций площадок.
В некоторых случаях устанавливают так называемые здания или кабины для размещения технологического оборудования и лифтовых шахт.
Размер панели типовых башен – 8 метров.
В башнях, возводимых по индивидуальным проектам, размер панелей бывает различным и выбирается в зависимости от технических и эстетических соображений.
Основные отличия башенных сооружений от других строительных объектов
Башни отличаются от зданий обычного типа:
- большой высотой конструкций, значительно превышающей размеры поперечного сечения и основания в плане;
- незначительной массой технологического оборудования по сравнению с собственной массой конструкций;
- второстепенным значением собственной массы конструкций и технологического оборудования по сравнению с ветровой нагрузкой.
Почему башням необходимо усиление
На довольно неустойчивые и хрупкие по сравнению с подавляющим большинством других архитектурных объектов башни действует множество нагрузок:
- собственная масса;
- вес оборудования;
- наледь и снег;
- частый и сильный ветер.
Последняя нагрузка наиболее существенна, она зависит от района строительства и высоты сооружения.
Порядок обследования состояния башни
При проведении работ по техническому освидетельствованию башни прежде всего необходимо оценить ее нынешнее соответствие первоначальному проекту.
При визуальном осмотре строительных конструкций башни выявляют и оценивают:
- соответствие основных размеров и положения отдельных конструкций в плане и по высоте проектным решениям;
- нарушения конструктивной связи между элементами;
- дефекты и повреждения строительных конструкций;
- деформации конструкций;
- техническое состояние конструкций.
Основные методы усиления башни
На подготовительном этапе проводятся необходимые расчеты. Сначала от действующих на башню нагрузок в намеченных сечениях определяют изгибающие моменты, продольные и поперечные силы и по ним – усилия в ветвях ствола и стержнях решетки.
Ствол мачты на ветровую нагрузку рассчитывают как неразрезную балку. Расчет выполняется в два этапа. На первом рассчитывают ствол (это касается и усиления кирпичного круглого ствола башни), рассматривая его как сжато-изогнутый стержень, опирающийся на неподвижные опоры. На втором – расчет уточняют, учитывая податливость опор (оттяжек), то есть ствол рассматривают как неразрезную балку на упругоподатливых опорах. При расчете ствола башни следует учитывать вертикальную составляющую тяжения оттяжек, увеличивающую продольную силу в стволе.
Конструирование башни во многом схоже с монтажом сквозных конструкций, например, ферм. Стыки ветвей перекрывают листовыми или уголковыми накладками, но чаще соединения делают фланцевыми, особенно для трубчатых сечений.
При эксплуатации башенных сооружений в результате неравномерной деформации основания возникает необходимость восстановления их первоначального положения. Выправление крена сооружения может сопровождаться одновременным усилением его фундамента или основания. Методологии работ тут различны и зависят, как от конструктивных особенностей сооружения и его фундамента, так и от грунтовых условий. Обычно используют следующие способы восстановления вертикального положения башенных сооружений:
- организованное (регулируемое) замачивание основания, обладающего просадочными свойствами, со стороны, противоположной крену. Такое замачивание может осуществляться с односторонней пригрузкой, в том числе путем приложения горизонтальной нагрузки при натяжении тросов лебедками;
- частичная выемка грунта путем его выбуривания горизонтальными скважинами из-под подошвы фундамента со стороны, противоположной крену, и одновременное приложение горизонтальной нагрузки (оттяжки) посредством натяжения тросов лебедками. Проходка горизонтальных скважин производится из разработанной полукруглой траншеи специальными грунтоносами или обычными буровыми ложками, располагаемыми через заданные расстояния в установленной последовательности на определенной глубине. В результате выбуривания увеличивается давление на грунт основания между горизонтальными скважинами, что приводит к его деформации со стороны, обратной крену. Приложение горизонтальной нагрузки способствует деформированию грунта и выравниванию подошвы фундамента;
- организованная усадка способом направленного изменения влажности набухающих глинистых грунтов основания путем создания условий для равномерного их нагревания под всей подошвой фундамента башни.
Усиление для Шуховской башни
Стоит отдельно рассмотреть процесс недавней реконструкции одной из самых знаменитых башен в России – называемой в народе Шуховской, расположенной в Москве близ станции метро «Шаболоская». Эта радио-башня, новаторская для ХХ века гиперболоидная конструкция, выполненная в виде несущей стальной сетчатой оболочки, была возведена в 1920-22 годах по проекту академика Владимира Шухова.
Первый вариант башни на Шаболовке был разработан известным ученым-архитектором в 1919 году с расчетной высотой 350 метров. Проектная разработка была реализована по второй версии – в виде конструкции высотой 148,3 метра.
Долгие годы башня обеспечивала город необходимым теле- и радиосигналом, затем эти функции взяла на себя Останкинская башня, а ее «старшей сестре» потребовалось обновление. Даже выдвигались отдельные предложения снести уникальный исторический объект, дескать, он угрожает безопасности граждан и близлежащих строений. Потребовалось полномасштабное обследование сооружения.
Комплекс противоаварийных работ был проведен на основании выданного Мосгорнаследием разрешения и в соответствии с согласованным проектом.
«Проведенные противоаварийные работы – крайне необходимая мера по сохранению этого выдающегося инженерного сооружения, – отчитались специалисты. – Теперь по форме башни внутри нее выстроена специальная металлическая конструкция, поддерживающая ярусы башни и позволяющая разгрузить их. Всего таких точек разгрузки – 24».
На башне были проведены следующие противоаварийные работы:
- монтаж отдельно стоящих монолитных железобетонных ростверков под опоры башни усиления, объединяющих буроинъекционные сваи (по 9 свай под каждым ростверком);
- монтаж металлических конструкций лестниц и площадок башни усиления;
- монтаж пространственной металлической конструкции временной опорной башни усиления на отдельно стоящие монолитные железобетонные ростверки;
- демонтаж железобетонных конструкций технического назначения, расположенных внутри и не относящихся к радио-башне;
- антикоррозийная защита металлоконструкций опорной башни усиления.
