Не ставший куполом тысячелетия

Автор: 
Виктор Петров
Изображение: 
Все о куполах

На двухкилометровых картах Подмосковья, на западе от столицы, вблизи станции Новоиерусалимская, изображен необычный географический объект — две концентрические окружности, внутренняя из которых зачернена. Таких объектов нет ни на одной другой географической карте мира, а на картах Подмосковья он никак не расшифрован в условных обозначениях, хотя и имеет впечатляющие размеры.





image002.jpg

...«Все врут календари» — заявил еще Фамусов. Что уж тогда говорить о географических картах, которые много сложнее календарей? На картах Подмосковья нет многих городов, сотен поселков, а в то же время изображено множество населенных пунктов, давно исчезнувших с лица земли. Так, до сих пор обозначено село Половецкое, полностью сожженное поляками еще в 1612 г., о чем сохранилась запись в Писцовой книге тех лет.

Но, к чести картографов, таинственный объект действительно одно время строился в Новом Иерусалиме, хотя, как и село Половецкое, исчез ко времени подготовки и издания указанных карт. Что же это за объект?

image004.jpg

Речь идет о самом большом купольном сооружении в мире, построенном в ноябре 1984 г. и простоявшем до 25 января 1985 г. Если крупнейшее сооружение прошлого — Вавилонская башня — имело диаметр 193 мм и поддерживалось внутренними опорами, то наш Большой Купол без безопорным и имел диаметр 236,5 м! Его можно заслуженно считать Восьмым Чудом Света.

Купол должен был стать зданием Высоковольтного испытательного центра Всесоюзного электротехнического института имени В.И. Ленина. Под его крышей планировалось проводить испытания высоковольтного оборудования для самой мощной и протяженной линии электропередачи «Экибастуз — Центр» напряжением 1500 киловольт. Кроме того, намечалось исследовать стойкость оборудования к воздействию коротких электромагнитных импульсов, возникающих при грозовых разрядах и атомных взрывах. Размеры купола и выбраны, исходя из заданного испытательного напряжения в миллионы вольт.

Форму купола проектировщики (ЦНИИпроектстальконструкция) выбрали в виде приплюснутой сферы, подобной капле ртути, лежащей на столе. Диаметр «капли» по экватору, расположенному на высоте 23,2 м, составлял 236,5 м. Купол шарнирно опирался на 63 столбчатых фундамента, расположенных по окружности диаметром 231,7 м. Высота сооружения достигала 118,4 м.

image006.jpg

Толщина конструкции оболочки составляла 2,5 м. Несущий каркас был выполнен в виде перекрестной системы стальных ферм трех направлений, образующих треугольные элементы размером 9 х 9 х 9 м. К наружным поясам каркаса приварены мембранные полотна из атмосферостойкой стали толщиной 1,5 мм. К внутренним поясам крепились панели подвесного потолка с теплозвуко-изоляцией из минеральной ваты, закрытой гофрированным алюминием. На отметке 106,7 м внутри здания располагалось подвешенное к каркасу перекрытие, на котором размещалось грузоподъемное оборудование.

Масса стали основных и ограждающих конструкций составляла 10050 т, а алюминия — 363 т. Все элементы несущей конструкции изготовлены на Челябинском заводе металлоконструкций. Изготовление панелей подвесного потолка, укрупнительную сборку конструкций и монтаж выполнило Монтажное управление № 21 треста Спецстальконструкция.

Монтаж оболочки купола осуществлялся навесным методом от фундамента до вершины крупными блоками 9 х 9 мг (два соединенных треугольных элемента) полной строительной готовности без использования каких-либо поддерживающих конструкций. Первые десять ярусов собраны двумя башенными кранами, движущимися по кольцевому пути снаружи здания. Начиная с одиннадцатого яруса монтаж производился одним краном грузоподъемностью 25 т, перемещавшимся по рельсовым путям внутри здания. Блоки 1—18 ярусов имели массу от 7 до 9 т, а девятнадцатого и двадцатого, включавшие участки технологического перекрытия — 18 т. После блочного 21-го яруса было собрано коробчатое кольцо диаметром 34 м. На него полиспастами подняли центральную часть оболочки массой более 600 т. Так завершилось строительство невиданного сооружения, которое должно было стать прообразом будущих северных городов для нефте- и газодобытчиков.

image008.jpg

Однако в жизни купола наступила первая зима. В 1984/85 г. она была снежная и морозная. И купол не выдержал ее испытания. 25 января 1985 г. после нескольких дней треска, сопровождавшегося падением крепежных болтов, произошло его внезапное обрушение. К счастью, катастрофа произошла в 7 ч 45 мин утра, за 15 мин до начала рабочего дня, и поэтому никто не пострадал. Сотрудники испытательного центра на подходе к работе услышали страшный грохот, почувствовали сотрясение земли и сильный встречный ветер. На их глазах гигантский купол исчез в котловане. Его стальные детали разбились о бетонный пол, как стеклянные.

Комиссия по расследованию причин аварии отметила прогрессивность, архитектурные и технологические достоинства технического решения здания в виде двухпоясного сетчатого купола. Она отметила также эффективность примененного навесного монтажа крупными блоками полной строительной готовности, обеспечивающего высокую скорость возведения сооружения при малых трудозатратах. В то же время комиссия сочла принятое решение сложным, особенно с точки зрения правильного определения усилий в элементах оболочки. «Для успешной практической реализации такого решения — заключила комиссия — требовалось провести детальные экспериментальные, теоретические и расчетные исследования с целью изучения статической работы сооружения, действительного сопротивления элементов конструкции, особенностей работы конструкций в монтажной и эксплуатационной стадиях. В полной мере эти исследования выполнены не были, в результате чего при проектировании сооружения, изготовлении и монтаже металлоконструкций имел место ряд упущений».

image010.jpg

Комиссия выявила многочисленные дефекты и отступления от проекта, допущенные при изготовлении и монтаже узлов купола. Так, вместо высокопрочной легированной стали, местами оказалась низкосортная. Отверстия под крепежные болты сверлились не заранее по контроллеру, а при монтаже по месту в несущих элементах каркаса. Все это снижало прочность оболочки. Но глав— резкое увеличение нагрузки на купол, связанное с зимой. Перед обрушением температура воздуха в течение суток повысилась от -32 до +2°С и резко упало атмосферное давление. Остывшая за время морозов внутренняя часть оболочки не успела прогреться как наружная. В результате возникли сильные термомеханические напряжения, не принимавшиеся в расчет при проектировании. Резкое изменение атмосферного давления могло создать дополнительные нагрузки. Так, перепад давления внутри и снаружи купола всего на 10 мм рт. ст. вызывает нагрузку на оболочку, равную весу 1 см ртути, т.е. 136 кгс/м5, что близко к предельно допустимой. На крыше купола было много снега. Расчетная снеговая нагрузка в то время составляла 140 кг/мг. По оценке ЦНИИСК им. Кучеренко снеговая нагрузка составила половину расчетного значения. На самом деле она могла быть значительно большей.

image012.jpg

За день до обрушения над куполом на малой высоте пролетел крупный самолет. Нагрузки на оболочку при этом, согласно расчетам комиссии, оказались на порядок меньшими допустимых.

Комиссия не смогла однозначно установить причину обрушения купола и определить степень влияния на аварию каждого из рассмотренных факторов. Поэтому осталась возможность для обсуждения причины аварии и даже фантазий на эту тему. Священники из соседнего Ново-Иерусалимского монастыря утверждали, что здание купола располагалось на проклятом месте, где раньше был построен, но быстро рухнул Храм Божий. «Аномальщики» свя зали аварию с разломом земной коры и геопатогенной зоной, якобы проходящей, как всегда, под местом аварии. Однако фундамент купола остался цел и прочен.

image014.jpg

На мой взгляд, причина разрушения купола кроется в его каплевидной форме. Почти плоская вершина оболочки имела возможность прогиба и вертикальных колебаний подобно мембране. Под тяжестью первого снега она слегка прогнулась, образовав углубление. В углублении снег таял (помещение под куполом нагревалось), выпадал новый снег, приводя к еще большему прогибу оболочки. Так образовалось целое озеро из воды, льда и снега, глубина его лавинообразно росла до тех пор, пока не произошло разрушение.

image016.jpg

А многого было и не нужно. Так, если толщина слоя воды (или снега в пересчете на воду) составила всего 20 см, то нагрузка на оболочку достигла 200 кг/м2, что больше расчетной снеговой нагрузки (140 кг/м2). Поэтому обрушение было неизбежным, так как заложено в проекте.

image018.jpg

Проектировщики Большого Купола не учли многовековой опыт строительства церквей. Оболочка их куполов б своей верхней части как стрела уходит от полусферы вверх, плавно переходя в шпиль, тогда как у нашего купола она отклоняется вниз от полусферы (рис. на с. 3). Стрельчатая форма обеспечивает жесткость храмового купола даже при небольшой толщине. Для придания жесткости каплевидному куполу пришлось взять большую толщину оболочки (2,5 м), но и этого оказалось недостаточно.

image020.jpg

Второе достоинство стрельчатых церковных куполов заключается в том, что угол наклона крыши составляет не меньше 45 — 50°, в результате чего дождь и снег на ней не удерживаются и не накапливаются. У каплевидного купола угол наклона крыши в центральной части близок к нулю, и снег (а при небольшом прогибе дождь и талая вода) может накапливаться на ней в неограниченном количестве, вплоть до разрушения.

Конечно, обрушение самого крупного безопорного сооружения в мире — это большая трагедия. Но такова, видимо, судьба всего «самого-са-мого». Не выстояла до конца постройки Вавилонская башня. В первом же рейсе затонул самый большой пассажирский пароход «Титаник». При показательных выступлениях разбился самый первый сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144. Не выдержал первой зимы и самый большой купол. Это первопроходцы будущего, опередившие свое время. Их гибель не проходит даром.

Чудеса будят воображение. Про них сочиняют легенды, пишут книги, снимают кинофильмы. На ошибках создателей «самого-самого» учатся следующие поколения. В результате стоит, несмотря на морозы, ветры и пожары, Останкинская телебашня, больше Вавилонской. Без риска встречи с айсбергами бороздят моря и океаны лайнеры и супертанкеры, много большие «Титаника». Нет сомнения, что будут созданы летательные аппараты, куда более быстрые, чем Ту-144, и не уступающие по надежности наземному транспорту. Хочется сказать, что с учетом опыта строительства Большого Купола, при использовании новых материалов и новых методов проектирования будут построены много большие купольные сооружения, под которыми разместятся исследовательские лаборатории, стадионы, сады и целые города, как на холодном Севере, так и в жаркой Сахаре. И они будут стоять сотни и тысячи лет.

image022.jpg

Но... Нашему Куполу не повезло. Его строительство не афишировалось, а обрушение осталось «сов. секретным», поэтому полезный опыт строительства гигантского сооружения пропал вместе с ним. Возможно, и в этом корни памятного всем 14 февраля 2004 г., когда рухнул, не прослужив и года, значительно меньший купол Ясеневского аква-парка в Москве.

Катастрофа привела к многочисленным человеческим жертвам. И этот купол рассчитывался на снеговую нагрузку в 140 кг/мг. Вдобавок, легкую алюминиевую кровлю при строительстве заменили на железобетонную — запаса прочности не осталось. Перед обрушением несколько дней был сильный снегопад с западным ветром. Толщина снега на восточной части крыши вполне могла превысить расчетное значение, и опорные колонны не выдержали.

Летом 2003 г. расчетную снеговую нагрузку повысили до 180 кг/мг. Это 18 см воды или около полуметра плотного снега. Ясно, что на почти плоской крыше, какая была в нашем Куполе и в аквапарке, эти значения легко могут быть превышены. Хочется еще раз обратить внимание на форму куполов церковных храмов, где это невозможно.

P.S. На месте Большого Купола сейчас находится гигантский котлован идеально круглой формы с бетонированным дном, окруженный множеством бетонных колонн, между которыми частично сохранилась кирпичная кладка. В котловане работает испытательная установка Истринского филиала ВЭИ, излучающая сверхмощные наносекундные импульсы электромагнитного поля прямо в небо.

В заключение выражаю глубокую благодарность В .А. Савельеву за предоставленные фотоснимки «живого» купола.

image024.jpg

Техника Молодёжи № 6 - 2004