OPIS SYSTEMU MONITOROWANIE ZDROWIA STRUKTURY BURJ KHALIFA

Projekt Burj Khalifa jest obecnie najwyższym budynkiem na świecie i najwyższą budowlą wzniesioną przez człowieka. Opracowanie wymagań strukturalnych systemu i włączenie ich do
koncepcji architektonicznej konstrukcji było zadaniem nowatorskim, planowanie budowy wieży było bardzo dużym wyzwaniem w każdym aspekcie i wymagało wykorzystania najnowszych osiągnięć technologicznych w metodach budowania i technikach budowy wieży z dużą dokładnością, podobnej lub lepszej niż stosowana do konstrukcji stalowych; co wymaga realizacji najświeższych osiągnięć w zakresie pomiarów (state-of-the art) oraz strukturalnego systemu monitorowania zdrowia stanu konstrukcji, na które składają się:

Obszerny program geodezyjnego monitorowania posadowienia fundamentu, skracania kolumn, oraz ruchu poprzecznego budynku w trakcie budowy.

Instalacja urządzeń do pomiarów naprężeń mierzących całkowite naprężenia w głównych elementach konstrukcyjnych, w tym w pali, płyty fundamentowej, ścian, kolumn oraz sił ścinająch w zamocowaniach paneli ściennych.

Instalacja systemu monitorowania stanu konstrukcji budowli w czasie rzeczywistym w celu pomiaru przemieszczeń poziomych (wychyleń) i przyśpieszeń w trakcie wznoszenia konstrukcji i określenia
charakterystyk dynamicznych (częstotliwości, tłumiące, itp.) budowli w trakcie jej budowy. System ten zawierał dwukierunkowe akcelerometry, system GPS i stację meteorologiczną (prędkość wiatru,
kierunek wiatru, wilgotność i temperatura).

Instalacja stałego w czasie rzeczywistym strukturalnego monitoringu zdrowia (SHM) programu do
pomiaru ruchów budynku (przyspieszenie, przemieszczenie) z powodu obciążeń poprzecznych (wiatr, i sejsmicznych w szczególności) oraz wszelkich innych nieprzewidzianych obciążeń poprzecznych. Dodatkowo więc oprócz instalacji systemu GPS, dwukierunkowe akcelerometry i sonimometers
zainstalowane były na kilku poziomach wzdłuż wysokości budynku, aby zapewnić w czasie rzeczywistym przyspieszenia ruchu budowli oraz dane dotyczące wiatru. Zainstalowanie tych urządzeń w istocie skutkowało w: 1) opracowaniu pełnoskalowego modelu aeroelastycznego wieży z zapewnieniem pełnego wsparcia zwrotnego i szczegółów dotyczących charakterystyk dynamicznych wieży; 2) dostarczeniu wystarczających danych do oceny zachowania się i oceny zmęczenia struktury stali w ogólności i w szczytowych momentach w szczególności; 3) znajomości prędkości wiatru i jego rozkładu wzdłuż wysokości budynku; oraz 4) najważniejsze – w dostarczeniu ekipom montażowym i kadrze zarządzającej budową informacji w czasie rzeczywistym na temat ruchów budynku i cech pozwalających im lepiej i niemal natychmiast podejmować decyzje zarządcze i wszelkich kwestiach, które mogą wyniknąć w czasie istnienia wieży.

Krótki opis programów monitoringu geodezyjnego

Klika szczegółowych programów pomiarowych opracowano dla obsługi budowy wieży, które obejmują wykorzystanie najnowszych osiągnięć w zakresie geodezyjnych tachimetrów elektrooptycznych. Instrumenty te odnoszą się do stałych punktów odniesienia o znanych współrzędnych, które są krytyczne dla precyzji całego postępowania geodezyjnego i służą jako punkty stałe dla total station. Jednak wykorzystanie punktów stałych, przy stale rosnącej wysokości Burj Khalifa, czyniło bardzo trudnym wykorzystanie punktów stałych będących na poziomie zera budowy (powierzchni ziemi) ponieważ odległość między tymi stałymi punktami i tachimetrem znajdującym się na najwyższym (aktualnie wznoszonym) poziomie budowy stawała się zbyt duża dla dokładnego odniesienia tachimetru i względna odległość pomiędzy punktami odniesienia stawała się zbyt mała. Dodatkowo, precyzja systemu pomiarowego komplikuje się coraz bardziej wraz ze wzrostem wysokości budowy, smukłości oraz ruchu wieży w czasie budowy.

Ruch wieży podczas budowy jest wynikiem:

1. Dynamicznych wzbudzeń wiatru;

2. Dużych i skoncentrowanych obciążeń dźwigów na najbardziej górnym poziomie konstruowanej wieży;

3. osiadania fundamentów;

4. skracania się kolumn z powodu elastyczności, pełzania i efektów skurczu materiału budowlanego (betonu);

5. codziennych wahań temperatury, które mogą prowadzić do ponad 150 mm zmiany wysokości budynku w górnej części betonowej, w okresie ponad 6 godzin;

6. nierównomierne nasłonecznienie budowli, które może spowodować pochylenia wieży;

7. poprzeczne dryfty (pływy) budynku spowodowane grawitacją ziemską, wywołane niesymetrycznym rozkładem obciążeń względem centrum sztywności wieży;

8. sekwencyjnej konstrukcji budynku (każda kondygnacja wznoszona w określonej kolejności jej części składowych);

9. wiązania betonu (z założenia do poziomu 156), a konstrukcja stalowa (od poziomu 156 do góry od szczytu w 828m).

Wymienione czynniki stwarzają szerego wyzwań, które trzeba wziąć pod uwagę przy tyczeniu budynku w zgodzie z poprawną teoretyczną pozycją projektowaną. Dlatego potrzeba użycia szerszego programu monitoringu geodezyjnego jest szczególnie istotna w zapewnieniu precyzyjnego pozycjonowania budynku w każdym szczególnym momencie czasu względem jego pozycji projektowej oraz w celu zapewnienia precyzyjnej pozycji tachimetru total station.

Aby pokonać opisane wyżej trudności i posiadać pełną kontrolę nad pozycją budynku względem jej osi pionowej w dowolnym momencie czasu wymagane jest:

1. pełne zrozumienie ekip pomiarowych ruchów budynku i jego zachowania w całym okresie budowy, które było omawiane szczegółowo z projektantami od rozpoczęcia projektu i na bieżąco przekazywane ekipom pomiarowym;

2. Opracowanie szerokiego programu monitorowania wszystkich elementów budynku, które wpływają na jego ruchy;

3. i najważniejsze to instalacja nowego "systemu pomiarowego", który wykorzystuje najnowsze osiągnięcia w technologii GPS, "Leica Geosystems", w połączeniu z precyzyjnymi czujnikami nachylenia (klinometrami), aby zapewnić niezawodne określenie pozycji budynku na najwyższym poziomie budowy niemal natychmiast, nawet wtedy, gdy budynek jest w ruchu.

Ponadto, złożoność i wielkość automatycznie przesuwanego deskowania (ACS), ze względu na kształt struktury, wymaga dużej liczby punktów kontrolnych na każdym poziomie, co dodatkowo zwiększa złożoność metod pomiarowych. Dlatego jest konieczne uproszczenie procedury pomiaru i systemu, tak, aby punkty kontrolne, nawet wtedy, gdy porusza się budynek, mogły być mierzone tylko jeden raz.

"System pomiarowy" został opracowany do stosowania na każdym poziomie i składa się z:

1) trzech (3) anten odbiorników GPS zamocowanych na wysokich słupkach na najwyższym poziomie deskowań ACS, stanowiących kontrolę pomiarów na najwyższym poziomie budowli,

2) trzy (3) pochylany okrągłe pryzmaty umieszczone pod każdą z anten GPS, oraz

3) instrumenty "total station" (TPS), które są ustawiane na najwyższym poziomie budowli i są widoczne dla wszystkich stacji GPS. Patrz Rysunek 7 na ogólny obraz "systemu pomiarowego".

"System pomiarowy" na każdym piętrze jest zintegrowany z zainstalowanymi ośmioma (8) klinometrami Leica Nivel 200 (dwuosiowe klinometry precyzyjne), na co około 20 pięter od poziomu fundamentów, aby natychmiast śledzić ruchy boczne wieży wynikające z obciążenia i ruchu opisanego powyżej i do dokonywania niezbędnej korekty w celu dostosowania ustawienia systemu deskowań ACS do jego geometrycznego środka na każdej budowanej kondygnacji. Ten program korekcji jest konieczny dla utrzymania pionowości budowli i utrzymania budynku w wymaganej tolerancji na każdym poziomie (w 15 mm).

Osiem (8) klinometrów Leica NIVEL200 (dwuosiowe precyzyjne klinometry) są również używane, aby natychmiast określić skręt wieży i obliczyć przemieszczenie / wyrównanie wieży w kierunku X i Y w stosunku do fundamentu. Te klinometry są zamontowane na środkowym murze rdzenia konstrukcji w obszarach bez zakłóceń i podłączone do RS-485, jednym kablem magistrali do portu LAN dedykowanym PC z oprogramowaniem Leica GeoMoS znajdującym się w biurze pomiarów. Na rysunku 8 pokazano schemat zintegrowania "systemu pomiarowego" z klinometrami. Te klinometry są kalibrowane w oparciu o pomiary kontrolne na danym poziomie przez obserwacje pionowości z poziomu fundamentu (raft). Serie obserwacji dostarczają średnich przemieszczeń X i Y danego klinometru w danym czasie, który został wykorzystany do wszystkich kolejnych odczytów. Dane i obserwacje zebrane z klinometrów, GPS z pryzmatami i z total stations są analizowane i syntetyzowane aby dokładnie ustawić najwyższy poziom systemu szalunku ACS. Chociaż pełny opis działania systemu programu wieży jest nowym zadaniem, i nie jest podane w pełni tutaj, jednak dokument ten opisuje działanie pomiarowego monitorowania programu
opracowanego dla Burj Khalifa do okresowego pomiaru rzeczywistych ruchów budynku, który
obejmuje 1) osiadania fundamentu, 2) całkowitego skrócenia kolumn i ścianek wynikających z elastyczności, kurczliwości i efektu pełzania , 3) ogólne przemieszczenie boczne wieży na każdym poziomie, wpadka, oraz 4) boczne przemieszczenie struktury iglicy wieży podczas budowy i eksploatacji podnośnika. Wszystkie okresowe pomiary i monitoring przeprowadzane były wczesnym rankiem, aby zminimalizować różnicowe wpływy nasłonecznienia i kiedy dźwigi były wyłączone w celu zmniejszenia liczby zmiennych które powinny być brane pod uwagę przy pomiarach.

Aby porównać rzeczywiste zmierzone ruchy budynków (x, y, z) z przemieszczeniami przewidywanymi, 3-wymiarowy model analizy strukturalnej metodą elementów skończonych został opracowany dla Burj Khalifa, który wziął pod uwagę rzeczywiste właściwości materiałowe (wytrzymałość betonu, moduł sprężystości, współczynnik rozszerzalności cieplnej, itp.) oraz elastyczność podłoża. Model ten był również używany do symulacji sekwencji budowy wieży, z uwzględnieniem rzeczywistych prac wykonywanych przez wykonawców w funkcji czasu, jak pokazano na rys. 9.

Celem tego modelu analizy było przewidywanie 1) osiadania fundamentu, 2) bocznych przemieszczeń (X & Y) wieży od fundamentu do góry wieży, 3) kurczenia się kolumn i ścian z powodu elastyczności, kurczliwości i efektu pełzania, 4) jak w 3 w funkcji czasu, 5) sprawdzenie projektowanych sił w elementach krytycznych, szczególnie na wysięgnikach i połączeniach belek, 6) przemieszczenia poziome z tytułu wstrząsów sejsmicznych lub wiatru w trakcie budowy i po jej zakończeniu.