А.Ф.МИЛОВАНОВ, д-р техн. наук, проф., В.В.СОЛОМОНОВ. И.С.КУЗНЕЦОВА, кандидаты техн. наук (НИИЖБ), Состояние основного железобетонного ствола Останкинской телевизионной башни после пожара
В 1967 г. в Москве в Останкино была построена телевизионная башня высотой 533,3 м, которая является свободно стоящим сооружением. Основная конструкция железобетонной башни представляет собой пустотелую коническую оболочку с сильно развитым основанием. Нижняя часть башни, расположенная между отметками — 0.2 и +63 м, состоит из опор-ног и конической железобетонной оболочки толщиной 500...600 мм. На отметке 63 м стены конуса переходят в ствол, где расположена нижняя железобетонная диафрагма толщиной 1000 мм. Железобетонный ствол башни до отметки 311 м имеет форму пологого усеченного конуса с уклоном стен 2%. Наружный диаметр конуса внизу 18,2 и вверху 8,2 м, толщина стенки 400 мм. Верхний участок ствола имеет форму цилиндра диаметром 8,2 м и толщиной стенки 350 мм.
Железобетонная оболочка ствола запроектирована из бетона марки М400 (класса В35) и армирована двойной сеткой из стержней периодического профиля Вертикальная арматура запроектирована из стержней 025...32 класса AIII марки 35ГС с шагом 170...220 мм, а горизонтальная арматура — из стержней 014... 16 класса АН с шагом 200...276 мм. Защитный слой бетона до оси вертикальной арматуры со стороны наружной и внутренней поверхностей составляет 60 мм (рис.1).
На отметке 385,5 м устроена верхняя железобетонная диафрагма высотой 1500 мм, в которой по оси имеется отверстие диаметром 4200 мм для пропуска и крепления конструкции металлической антенны высотой 147,5. Стальная телескопическая труба антенны, выполненная из стали марки Ст 3, в нижней части имеет опорный стакан диаметром 4000 мм и высотой 10400 мм. По периметру отверстия в железобетонной диафрагме имеются закладные детали, к которым крепится антенна. Зазор между стаканом антенны и железобетонной диафрагмой ствола заполнен бетоном на мелком заполнителе. Наружная поверхность железобетонного ствола башни покрыта гидрофобным покрытием.
Внутри железобетонной оболочки ствола по всей высоте расположены инженерные коммуникации и вертикальный транспорт: четыре шахты лифтов, шахты электросиловых кабелей, кабелей связи, радиотехнических фидеров, трубных разводок водопровода и канализации. На закладных деталях в стенах железобетонного ствола крепятся 16 перекрытий внутренних этажей и 13 перекрытий наружных высотных обстроек.
Башня выполнена из морозостойкого долговечного бетона на низкоалюминатном портландцементе активностью 57.. 65 МПа. Песок кварцево-полевошпатовый, с модулем крупности 2,6 ,2,8. Щебень фракций 5...15 и 15...32 мм, гранитный, прочностью не менее 120 МПа. Пластифицирующий добавкой служили концентраты сульфидно-спиртовой барды, гаэообразующей — ГКЖ-94.
Условия службы железобетонной башни суровые. В течение года бетон испытывал до 35 циклов замораживания — оттаивания, на отдельных участках подвергался обледенению. Влажность воздуха колебалась от 80 до 90%, иногда достигала 100 %, так как нижняя граница облаков доходила до отметки 150 м.
Прочность на сжатие бетона составляла в 28-суточном возрасте 37,. 45 МПа, через год — 45.,.50 МПа, и через 5 лет — 50...60 МПа, Прочность бетона на сжатие в возрасте 5 лет превышала проектную прочность на 50%.
Для предотвращения образования горизонтальных трещин от ветровой нагрузки а железобетонном стволе было создано предварительное обжатие бетона вертикальными канатами, расположенными на расстоянии 50...100 мм от внутренней поверхности оболочки башни. По периметру ствола было установлено 149 канатов длиной 145...344 м. Канаты 038 были изготовлены из оцинкованной высокопрочной проволоки 01,8 класса ВрИ, Каждый канат состоял из 259 проволок. Внутри ствола на восьми уровктх предусмотрены кольцевые консольные диафрагмы для анкеровки верхних концов канатов. Для обеспечения совместной работы предварительно напряженных канатов с железобетонной оболочкой ствола после их натяжения канаты крепили к стене с помощью закладных деталей, установленных с шагом 7 м высоте ствола. В апреле 1967 г. канаты натягивали на усилие 72,..69 т, которое вызывало среднее напряжение растяжения 1090 МПа. За три года эксплуатации усилия в среднем снизились на 12,3% и составили 60...63 т, Однако одинакового натяжения канатов не было, и падение усилий в них также происходило по-разному.
27 августа 2000 г. в металлической антенне примерно на отметке 430 м произошло замыкание в одном высокочастотном фидере, в результате чего воспламенилась изоляция из полихлорвинила (рис.2). Последний является горючим материалом, при температуре 230°С начинается термическое разложение, а при 450°С — самовоспламенение. Полихлорвинил интенсивно горит, при горении создает высокую температуру порядка 1000°С, плавится, падая горячими каплями. Продукты горения токсичны, выделяется хлористый водород. Медная основа фидеров имела большую теплопроводность, и высокая температура быстро распространялась вниз, где возникали новые очаги возгорания изоляции. Пожар распространялся сверху вниз за счет оплавления и отекания полихлорвиниловой изоляции по стволам фидеров. Перекрытия в местах прохождения фидеров имели зазоры 100...150 мм, через которые капала горящая изоляция.
Пожарная нагрузка по высоте башни образовывалась в основном за счет горения полихлорвиниловой изоляции фидеров. На некоторых отметках она значительно увеличивалась за счет сгораемого оборудования шахты связи, аппаратных и машинных помещений скоростных лифтов, состоящих из пластмасс, резины, битума и масел, воспламеняющихся при температуре 250„,300°С.
Горение происходило в основном в пространстве между лифтами, где находились фидеры. Ограждающие конструкции лифтовых шахт были выполнены из листового металла и сетки Рабитца и не являлись огневой и тепловой преградой.
Во время пожара железобетонный ствол башни работал как дымовая труба Наличие проемов в железобетонном стволе на различных отметках по высоте способствовало сильной тяге воздуха и быстрому удалению теплового потока наружу. Горячие газы и продукты горения поднимались вверх по лифтовым шахтам и распространялись в пространстве между шахтами лифтов и железобетонной оболочкой ствола башни преимущественно в южном и юго-западном секторах ствола. Внутренняя поверхность железобетонного ствола и предварительно напряженные канаты в основном подвергались воздействию потока горячих газов, а в отдельных местах непосредственному огневому воздействию.
Температура внутренней поверхности бетона ствола на отметках 80..130 м достигала 100„.120°С; на отметках 130... 170 м — 120...200°С; на отметках 150.„325 м — 200„.300°С, в верхней части ствола на отметках 320.„380 м — 350„.400°С. Температура канатов была на 50„.70°С выше температуры бетона (рис.З).
Пожар характеризуется слабой степенью огневого воздействия. Во время пожара поверхность бетона стенки ствола нагревалась неравномерно как по высоте, так и по толщине. На отметках 201, 253 и 374 м температура бетона поднималась до 400„.500°С. На этих участках происходило отслоение защитного слоя бетона. Хрупкое разрушение бетона на нагреваемой поверхности сопровождалось его отколом на глубину 30.„50 мм Причиной хрупкого разрушения бетона при пожаре являлось образование трещин в его структуре и перехода их в спонтанное неравновесное развитие под воздействием сжимающих напряжений от внешней нагрузки, неравномерного нагрева по толщине сечения стенки ствола и растягивающих напряжений от пара, который образовывался из воды, находящейся в порах бетона. Последний имел высокую прочность, плотную структуру и низкую пористость. В таком бетоне многие поры и капилляры имеют замкнутую структуру При нагревании давление пара в порах и капиллярах возрастало, и при температуре нагрева бетона 'выше 250°С происходило его взрывообразное разрушение, Внутрённюю поверхность ствола, где отслоился защитный слой бетона, необходимо зачистить, промыть и нанести новый слой мелкозернистого бетона.
После пожара прочность на сжатие бетона внутренней поверхности стенки ствола снизилась не более чем на 15%. Учитывая, что прочность бетона на сжатие до пожара была почти вдвое больше проектной, это снижение прочности бетона не повлияло на общую прочность ствола.
Горизонтальная арматура нагревалась до 200...250°С, вертикальная арматура — до 150...200°С. Такой нагрев не снизил сопротивления арматуры растяжению и сжатию. Несмотря на пожар и высокую температуру теплового потока, прочность железобетонных стен ствола башни осталась выше проектной
В районе отметок 201, 253 и 374 м, где наблюдались местные очаги горения, произошли обрывы некоторых преднапряженных канатов. На этих местных участках канаты подвергались непосредственному воздействию пламени при жестком температурном режиме и высокой плотности теплового потока.
При нагреве свыше 300°С углеродистая холоднотянутая высокопрочная проволока теряет наклеп, снижает сопротивление растяжению, в ней увеличиваются деформации ползучести. Предельная деформация проволоки при температуре 20°С составляет 4...5% Усилия предварительного напряжения в канатах перед пожаром составляли в среднем 60 т. Напряжения растяжения от пред- напряжения были равны 900 МПа. Для создания такого напряжения необходимо было выбрать до 20...30% деформаций проволоки. Снижение сопротивления растяжению проволоки с повышением температуры учитывается коэффициентом условия работы yst (рис.4).
Когда сопротивление растяжению при нагреве снизилось до напряжения в канате от преднапряжения, он оборвался. Следует отметить, что из 259 проволок в канате наиболее напряженными были проволоки, расположенные у его наружной поверхности, и они обрывались в первую очередь. Кроме того, канаты имели разную свивку, вследствие чего проволоки канатов пересекались, создавая местное сжатие.
По всей высоте ствола башни происходило умеренное повышение температуры канатов. Во время пожара от воздействия высокой температуры в необорвавшихся канатах происходили дополнительные потери пред напряжения: от релаксации напряжений в проволоке, разности температурных деформаций канатов и бетона нагретой поверхности ствола, от температурной усадки и ползучести нагретого бетона.
Снижение предварительного напряжения в проволоке класса ВрП с повышением температуры нагрева при начальных уровнях предварительного напряжения csp = {0,4...0,6)RSвыражается формулой
Данная формула справедлива при fs> 20°С и ст5р > 0. Из нее следует, что при нагреве каната до 100°С остается 62%; при 200°С — 35%; при 280°С — 13% предварительного напряжения. При температуре нагрева каната 330°С предварительное напряжение полностью утрачивается.
Таким образом, в канатах длиной 154 м с верхней анкеров кой на отметке 195 м, нагретых в среднем до 200°С, сохранилось всего 35% от предварительного напряжения до пожара, и сопротивление проволоки растяжению снизилось на 13%. Эти канаты могут быть использованы при дальнейшей эксплуатации башни в случае обязательного восстановления предварительного напряжения до проектного значения. Канаты необорванные, но находящиеся в состоянии свободного провисания, после пожара полностью потеряли пред- напряжение, снизили сопротивление растяжению на 47...75% и не могут обеспечить обжатие бетона Тем самым они не способствуют предотвращению образования горизонтальных трещин в железобетонном стволе башни от ветровой нагрузки.
Утратив предварительное напряжение, канаты при огневом воздействии до 450...500°С в течение 20. 30 мин, провисли. При температурах свыше 400°С оцинковка проволок расплавилась, сечение канатов уменьшилось, и они могли проскальзывать через прижимные закладные детали их креплений к стене ствола под действием собственного веса (вес длинных канатов составлял около 2 т).
Напряжения в канате от собственного веса находились в пределах 15.,.20 МПа. Даже при таких сравнительно малых напряжениях растяжения в углеродистой стали при действии температур порядка 50 500°С происходило увеличение упругих деформаций Е вследствие снижения модуля уп ругости арматуры каната и развития деформаций быстронатекающей ползучести esc
Если принять, что от огневого воздействия на общей длине каната 100 м температура была 450...500°С, то упругая деформация каната составила 3.10 см, и деформация быстронатекающей ползучести — 159..,342 см. Общая деформация каната составила 162...352 см. Эти деформации соответствуют провисанию канатов, обнаруженных после пожара в нижней части ствола башни.
На основании обследования состояния железобетонного ствола башни после пожара и теоретического анализа влияния огневого воздействия на железобетонные конструкции можно сделать следующие выводы:
1. Прочность и устойчивость железобетонного ствола башни после пожара не снизились.
2. Металлическая антенна надежно закреплена в железобетонной верхней диафрагме ствола телебашни.
3. Жесткость железобетонного ствола значительно снижена, и в нем возможно образование и развитие горизонтальных трещин при значительной ветровой нагрузке.
4. Все канаты, находящиеся в состоянии свободного провисания или имеющие обрывы, не пригодны для дальнейшего использования, их следует заменить.
5. В качестве новых преднапряженных канатов предпочтительно применить канаты К-7 из высокопрочной проволоки класса Bpli с диаметром проволок 5 мм.
6. Предварительно напряженные канаты должны иметь антикоррозийное и огнезащитное покрытия. Последнее должно быть выбрано таким образом, чтобы в случае возможного пожара не допускался нагрев канатов свыше 100°С,
7. Для повышения пожарной безопасности и обеспечения огне- сохранности телевизионной башни при реконструкции внутреннего пространства следует предусмотреть применение негорючих материалов для изоляции фидеров и кабелей, а также для аппаратуры и оборудования.
Бетон и железобетон, 2001 №3