Эйфелева башня: Особенности конструкции железного гиганта - Строительство и ремонт

Эйфелева башня стала первым сооружением, достигшим заветной высоты в 1000 футов, и сохраняла статус самого высокого сооружения в мире до 1930 года. Она была построена как памятник архитектуры в честь столетия Французской революции 1789 года. Позже городские власти признали ее значение как радиовышки, которая сыграла важную роль во время первой и второй мировых войн.

В настоящее время Эйфелева башня, расположенная в Париже, Франция, является одним из самых знаковых туристических мест в мире. Ее архитектурные хитросплетения привлекают больше посетителей, чем любая другая туристическая достопримечательность в мире.

Эйфелева башня

Помимо своей архитектурной ценности, башня также знаменует собой значительные усовершенствования в инженерном проектировании: ее четыре опоры представляют собой экспоненциальную кривую, чтобы наилучшим образом противостоять ветровой нагрузке. Благодаря уникальной конструкции опор, башня смогла достичь высоты, которой не достигала ни одна другая конструкция.

Эйфелева башня представляет собой большую решетчатую конструкцию из кованого железа, состоящую из 7 300 тонн железа и 2,5 миллионов заклепок. Она имеет три смотровые площадки, соединенные многочисленными лестницами и лифтами. Ежедневно эти смотровые площадки посещают в среднем 30 000 человек. Это делает смотровые площадки башни одним из самых посещаемых мест в мире. В башне также находятся два ресторана, из которых открывается панорамный вид на окружающий город.

Эйфелева башня стоит высоко даже спустя столько лет благодаря своей замечательной инженерной конструкции. Чтобы объяснить это в деталях, мы обсудим геотехнические, структурные и строительные особенности, которые делают ее необыкновенной.

3. Детали фундамента

3.1 Фундамент со стороны парка
3.2 Фундамент Риверсайда

4. Учет ветровой нагрузки

5. Процесс строительства Эйфелевой башни

5.1 Уровень первого этажа
5.2 Уровень второго этажа
5.3 Последний уровень

Вопросы и ответы

1. Геология участка

Ниже описана геология участка, на котором расположена Эйфелева башня:

Почва вокруг Эйфелевой башни представляет собой смесь твердой (плотный песок) и мягкой почвы (ил и глина).

Мягкий грунт находится преимущественно под опорами со стороны реки, что требует более глубокого и широкого фундамента, чем для опор со стороны парка, чтобы уменьшить оседание башни.

Нижний слой грунта состоит из пластичной глины и находится на глубине около 16 м, опираясь на меловую породу.

Слой меловой породы находится примерно в 30 м от слоя грунта.

Территория вокруг ложа Эйфелевой башни характеризуется обнажением конгломератов, алевритов и песков. Такие почвенные условия не подходят для строительства фундамента столь высокой башни.

Некоторые из современных исследований пришли к выводу, что на месте башни наблюдалась четкая резонансная частота в 2 Гц. Средняя скорость сдвига составляет около 250 м/с в аллювиальных слоях на территории башни.

Геологическая карта участка Эйфелевой башни (Эйфелева башня изображена черным квадратом)

2. Структурные элементы Эйфелевой башни

Конструктивные элементы Эйфелевой башни состоят из системы перекрытий, балок и опор. Эти элементы конструкции рассматриваются ниже:

2.1 Система перекрытий

Пол всех смотровых площадок сделан из кованого железа. Эти настилы поддерживаются большой сеткой ферм, проходящих между опорами.

2.2 Балки

Большая решетка ферм, проходящих между опорами, служит в качестве балок для конструкции. Эти фермы сделаны из кованого железа. Фермы обеспечивают поддержку системы перекрытий, а также помогают распределить нагрузку.

Нижняя и средняя платформы поддерживаются квадратными решетчатыми фермами размером 16 м х 16 м и 6 м х 6 м площадью 4200 м2 и 1650 м2 соответственно. Балки в верхней половине башни обеспечивают непрерывность между четырьмя опорами, прежде чем они соединятся в одну опору. Пролеты этих балок варьируются от 1,8 м до 15,7 м.

2.3 Ноги

Эйфелева башня состоит из четырех опор. Эти опоры имеют форму экспоненциальной кривой, так что на вершине они сходятся в одну точку. Размер каждой опоры составляет приблизительно 15 м х 15 м. Каждая опора состоит из четырех колонн. Каждая колонна соединена с железной решеткой. Таким образом, колонны каждой опоры ведут себя как фермы. Колонны каждой опоры состоят из полого квадратного сечения, образованного рядом углов и плоских секций.

Свойства сечения как полых квадратных колонн, так и диагональных раскосов изменяются с высотой, что отражает увеличение постоянной нагрузки на башню на меньших высотах.

Диаграмма, изображающая вид Эйфелевой башни в плане

3. Детали фундамента

Ниже приведены важные сведения о фундаменте Эйфелевой башни:

Нижний слой подпочвы состоит из пластичной глины и находится на глубине около 16 м, опираясь на меловую породу.

Глинистая почва сухая, компактная и способна выдерживать нагрузку от 30 до 40 КН/м2.

Каждая из четырех опор опирается на каменные блоки (длиной 10 м и шириной 6 м). Эти блоки закреплены в фундаменте 16 анкерными болтами. Болты имеют диаметр 10 см и длину 7,5 м.

Верхний слой кладочных блоков был выполнен из лендонского свободного камня. Такие камни имеют прочность на раздавливание 1235 кг/см2.

Помимо кладочных блоков, каждая нога башни имеет бетонный постамент, который уложен на фундамент пирса через стены.

Диаграмма, представляющая вид в разрезе пирса

Для строительства фундамента Эйфелевой башни с двух разных сторон башни, т.е. со стороны парка и со стороны реки, рассматривались два различных подхода.

3.1 Фундамент со стороны парка

Ниже описаны детали фундамента Эйфелевой башни со стороны парка:

Раскопки и стабилизация фундамента со стороны парка были относительно простыми.

Во время строительства башни уровень реки Сены составлял около +27 м. Уровень естественного грунта вокруг парковой части башни находился на отметке +34 м, что позволило легко построить фундамент на таких слоях.

Во время рытья котлована использовалась деревянная опалубка для защиты стен от обрушения. Гравий и бетон были залиты, чтобы сделать опоры для фундамента. Каждый фундамент состоит из двух опор.

Процесс строительства фундамента Эйфелевой башни

3.2 Фундамент на берегу реки

В следующих пунктах описаны детали строительства фундамента Эйфелевой башни на берегу реки:

Выемка грунта и стабилизация речного фундамента требовали сложного инженерного процесса. Особое внимание уделялось тому, что фундамент был расположен близко к реке Сена.

Во время строительства башни уровень реки Сены составлял около +27 м. Ложе естественного грунта не встречалось до отметки +22 м в районе речного берега башни. Поэтому построить фундамент на берегу реки было непросто.

Каждый фундамент состоит из двух опор. Закладка фундамента каждого пирса производилась с помощью сжатого воздуха. Для каждого пирса было предусмотрено четыре кессона длиной 15 м и толщиной 6 м, каждый из которых был заглублен на 5 м ниже уровня воды в реке Сена. Кессоны заполнялись бетоном, образуя огромную неподвижную массу.

Была предусмотрена дополнительная поддержка в виде арматуры. Арматура была забита глубоко в дно реки, чтобы плиты фундамента не скользили и не проседали в более мягком грунте.

Кессонный фундамент Эйфелевой башни

4. Учет ветровой нагрузки

Ветровая нагрузка является критическим фактором при проектировании высоких башен. Она воздействует на высокие башни двумя способами – статически и динамически. Условия ветровой нагрузки, рассмотренные для Эйфелевой башни, обсуждаются ниже:

Влияние ветровой нагрузки на башню Эйфелевой башни рассматривалось в двух конфигурациях. Во-первых, равномерная нагрузка 3 КН/м2 по всей высоте. Во-вторых, линейно изменяющаяся нагрузка от 2 до 4 КН/м2 по всей высоте.

В то время Эйфель учитывал только статическое воздействие ветровой нагрузки, используя графический метод Кульмана.

Современные исследования показали, что хотя Эйфель и не учитывал динамический эффект ветровой нагрузки, но все же статические значения были достаточно высокими, чтобы пренебречь динамическим поведением.

Максимальное смещение, рассчитанное Eiffel, было обнаружено на вершине башни. Максимальное зарегистрированное значение смещения составило 10 см и 15 см в случае равномерной ветровой нагрузки 2 KN/m2 и переменной ветровой нагрузки 2-4 KN/m2, соответственно.

Эйфель спроектировал башню как открытую конструкцию с минимальными препятствиями, что позволяет самым сильным ветрам легко проходить через конструкцию.

5. Процесс строительства Эйфелевой башни

Ниже описаны детали процесса строительства Эйфелевой башни:

Литье и сверление отверстий для установки заклепок в железных деталях было начато на заводе Levalloi-Perret, где работало около 150 человек.

Железные куски склепывались на самом заводе, чтобы получить сегменты нужной формы. После этого эти сегменты перевозились на стройплощадку.

Работы по закладке фундамента начались 23 января 1887 года и заняли около пяти месяцев. В ходе работ были вырыты котлованы для четырех опор башни. Глубина фундамента башни составляла около 16,3 м. Более подробная информация о фундаменте рассматривается в разделе “Фундамент” раздела этой статьи.

После завершения фундаментных работ на каждый фундамент были уложены кладочные блоки. Назначение каменных блоков заключалось в том, чтобы сформировать башмаки для ног башни. Опоры башни были вмонтированы в каменные блоки с помощью гигантских болтов.

Использование кранов для подъема материалов и инструментов

Далее детали строительного процесса рассматриваются в трех различных сегментах для уровня первого этажа, второго этажа и третьего этажа.

5.1 Уровень первого этажа

В июне 1887 года начался процесс подъема башни. Рабочие приступили к сборке огромных железных конструкций. Каждая секция была тщательно разработана на заводе, чтобы ее можно было легко собрать и подогнать к другой секции на стройке.

Рабочие несли железную балку на своих плечах. На стройке были построены решетчатые железные балки, по которым можно было подниматься и спускаться, чтобы достичь нужной высоты. Для подачи инструментов и строительных материалов рабочим использовались краны.

Строительство до 7 января 1988 года

Вес ножек башен был огромным, и поэтому для того, чтобы сделать малейшую поправку, требовалась большая мощность. Для этой цели команда Эйфеля разработала машину с отбойным молотком, чтобы обеспечить силу. Между тем, чтобы удержать ноги башни на месте, в качестве противовеса использовались мешки, наполненные песком. К концу марта 1888 года строительство первого этажа было завершено.

Строительство велось до 27 апреля 1988 года

5.2 Уровень второго этажа

Поскольку краны могли подниматься только до первого этажа и, следовательно, для достижения большей высоты, Эйфель разработал “криперы”.

Криперы – это краны с паровым двигателем, которые могут работать внутри ножки башни. Позже эти краны использовались в качестве лифтов для публики.

Для достижения большей высоты и поддержания веса ног также требовались строительные леса. Однако после возведения уровня первого этажа ноги башни наклонились на 54 градуса внутрь. Огромные гигантские болты, которые были установлены в фундаменте, держали только ноги. Дальнейшее строительство башни без опоры могло привести к ее обрушению.

Строительство до 19 июня 1988 года

Чтобы поддержать башню, Эйфель соорудил деревянные леса вокруг ног башни. Эти леса также помогали поддерживать все инструменты и материалы, необходимые для строительства. Леса были сделаны на свайном фундаменте, чтобы не было возможности проседания.

С помощью кранов и строительных лесов строительство второго этажа было завершено в июне 1988 года.

Строительство до 20 июля 1988 года

5.3 Последний уровень

После достижения уровня второго этажа наклон четырех опор башни менялся и уменьшался по мере подъема. На вершине башни была сделана поворотная платформа, где все ножки башни напоминали плоскую платформу.

Эйфелева башня после завершения строительства

Вопросы и ответы

Кто был инженером-конструктором и архитектором Эйфелевой башни?

Архитектор: Стефан Совестр.
Инженеры-строители: Морис Коэхлин и Эмиль Нугье.

Какова общая высота Эйфелевой башни?

Общая высота Эйфелевой башни составляет 324 м.

Какова общая площадь Эйфелевой башни?

Эйфелева башня имеет три надземных этажа, общая площадь этажа составляет около 6200 м2.

Какова общая стоимость строительства Эйфелевой башни?

Приблизительная стоимость: 7 800 000 золотых франков (эквивалент 43 млн. австралийских долларов на сегодняшний день).

Кессонный (пирсовый) фундамент – типы, конструкция и преимущества

Структурные детали Бурдж-Халифа – бетонный уровень и фундамент

Типы кранов, используемых в строительстве

Читайте далее: