SYSTEM STEROWANIA POMIARAMI PRZY WZNOSZENIU RDZENIA WYSOKIEJ BUDOWLI

(według: Core Wall Survey Control System for High Rise Buildings; Autorzy: Douglas McL HAYES, United Arab Emirates, Ian R SPARKS, Australia, Joël VAN CRANENBROECK, Switzerland)

Streszczenie

W ostatnich latach nastąpił znaczny zainteresowania w budowie super-wysokich budynków. Z dotychczasowego stanu wiedzy znane są różne procedury i urządzenia pomiarowe do pomiarów w czasie wznoszenia wysokich budowli jak i po zakończeniu budowy. Wysokie budowle są przedmiotem silnych wpływów zewnętrznych powodujących przechyły budowli, na przykład wpływ wiatru, jednostronnych wpływów termicznych spowodowanych ekspozycją na światło słoneczne i nierównomiernie rozłożonych obciążeń. Takie efekty są szczególnym wyzwaniem w fazie budowy wieżowca, ponieważ w miarę wzrostu wysokości nasilają się efekty kołysania budowli, które przynajmniej czasowo wychylają oś budowli, która teoretycznie powinna być pionowa. Jednak budowa powinna odbywać się w taki sposób, że budynek jest tyczony tak jak jest w projekcie, w szczególności w kierunku pionowym, jakby znajdował się w niewychylonej pozycji.

Istotne jest aby teoretycznie prosty element był tyczony w czasie budowy jako prosty, nawet jeżeli jego środek porusza się wokół środka projektowego z powodu różnych wpływów, czyli tak aby miał ustawienie pionowe kiedy wszystkie przesunięcia z powodu wpływów zostaną zneutralizowane. Z powodu nierównomiernego osiadania fundamentu, różnic w kurczeniu się betonu oraz z powodu tolerancji konstrukcyjnych taka idealna sytuacja rzadko jest osiągana.

Z tego powodu regularne dopasowanie układu odniesienia jest wymagane dla pomiarów na etapie budowy budynku wieżowego, po jej osiągnięciu pewnej wysokości lub pewnego stosunku wysokości do przekroju. Dotychczas pomiary na wysokich budowlach wykonywane były przy użyciu geodezyjnych tachimetrów elektrooptycznych (Total stations) umożliwiających bezdotykowe optyczne pomiary do punktów podlegających pomiarom. Pomiary tymi instrumentami odnoszone są okresowo do stałych punktów odniesienia o znanych współrzędnych.

Precyzja całego postępowania pomiarowego zależy od punktów odniesienia służących jako punkty stałe dla tachimetrów, dlatego punkty te są wybierane tak, aby ich bezwzględna stałość
pozycji była gwarantowana. Przede punkty blisko ziemi są najbardziej odpowiednie, ponieważ nie podlegają wpływom wytwarzających przemieszczenia.

Jednakże wzrost wysokości budowanej konstrukcji, możliwe pogorszenie ....... przez gęsto zabudowane otoczenie, zwiększają trudności w używaniu punktów odniesienia zlokalizowanych na poziomie powierzchni ziemi W miarę jak odległości między tachimetrem zainstalowanym na najwyższym poziomie budowy wieżowca a punktami odniesienia stają się zbyt duże dla dokładnego odnoszenia tachimetru, podczas gdy odległości pomiędzy punktami odniesienia stają się relatywnie coraz mniejsze, pogarszają się dokładności wyznaczeń, szczególnie w strefach silnie rozbudowanych. Po przekroczeniu pewnej progu wysokościowego, staje się zupełnie niemożliwe wykorzystanie punktów odniesienia na poziomie gruntu. Szczególnie na Dalekim Wschodzie, wzrost popytu na wysokie budynki o wysokości powyżej tego progu i stosunku wysokości do przekroju poprzecznego, która powoduje powstanie silnego przechyłu i kołysań budynku.

Silne ruchy konstrukcji tworzą wiele problemów z kontrolą poprawności realizacji projektu . Konieczne jest aby w każdym momencie czasu dokładnie wiedzieć na ile
budynek jest odchylony od pozycji projektowej i jednocześnie znać dokładne położenie tachimetru Total station. Sytuację dodatkowo komplikują wibracje budowli spowodowane pracą maszyn na budowie oraz ruchy budynku, przez co jest bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe, aby utrzymać dobrze wypoziomowane instrumenty.

Ta prezentacja opisuje procedurę opracowaną przez Leica Geosystems, używającą obserwacji GPS w połączeniu z precyzyjnymi czujnikami pochylenia, aby zapewnić niezawodne współrzędne
punktów na szczycie najwyższego na świecie wieżowca w budowie w Dubaju.

1. Wstęp

1.1 Przegląd ogólny

Wieża Burj Dubai w Dubaju, ZEA, osiągnie wysokość ponad 800m kiedy zostanie zakończona w 2008 roku. Oprócz tego, że jest najwyższą budowlą, jest też bardzo smukła i przewiduje się, że będzie występował ruch budynku w górnych poziomach ze względu na obciążenia wiatrem, obciążenia dźwigami, kolejnością budowy i innymi czynnikami.

Samowspinające się deskowanie budynku jest skomplikowane ze względu na kształt budowli i wymaga dużej liczby punktów kontrolnych. Konieczne było opracowanie systemu pomiarowego, który może skutecznie zapewnić dużą liczbę punktów kontrolnych i może być stosowany, gdy budynek jest w ruchu.

Analiza przewidywanych ruchów została zakończona i zainstalowany został system, który zapewnia dokładne pozycjonowanie przy tyczeniu szalunków na najwyższym poziomie budowy

Ograniczone wyniki dostępne są na bieżąco, ale monitoring wskazuje, że wymagana dokładność tyczenia jest osiągnięta.

2. Ruchy budynku

Różne elementy powodujące przemieszczenia i ruchu struktury budowli można podzielić na trzy grupy.

1.2.1 Ruchy długookresowe

Poniższe elementy mogą spowodować ruch w wieży o okresie od jednego tygodnia do 6 miesięcy.

Nierówne osiadanie fundamentów. Ponieważ obciążenie płyty fundamentowej będzie wzrastać, to będzie ona kontynuować osiadanie i jeżeli będzie ono nierówne, to spowoduje odpowiednie wychylenie konstrukcji wieży.

Deformacja fundamentu. Ze względu na większe obciążenia w środku wieży fundament będzie się deformował wraz z postępem prac, co może mieć wpływ na pionowość struktury.

Sekwencja budowy. Budowa postępuje w zamkniętej sekwencji przy 5 - 7 dniowym cyklu dla każdego poziomu budynku i spowoduje to że środek bryły budynku będzie wychodził z osi pionowej, co może spowodować odpowiednie przemieszczenie w strukturze budowli. Patrz rys. 3.

Projekt (kształt) budowli. Konstrukcja budynku, z dobudowywaniem zestawu skrzydeł występujących na różnych poziomach wprowadza ruch środka masy budynku w trakcie jego wznoszenia i pozycja końcowa projektowego teoretycznego kształtu będzie przesunięta względem osi pionowej budowli. Może to spowodować ruch w pozycji wieży, który jest ściśle związany z sekwencją budowlaną.

Kurczenie się i pełzanie betonu. Długoterminowe, różnicowe, pełzanie i skurcz w betonowych kolumnach wieży może spowodować niewielki ruch środka wieży w długim okresie czasu. Wielkość ugięcia będzie zależała od poziomu, na którym zajdzie skrócenie różnicowe.

1.2.2 Ruchy dobowe

Te elementy mogą powodować ruchy wieży w okresie 24 godzin.

Efekt nasłonecznienia. Betonowe powierzchnie wystawione na słońce będą rozszerzać się w porównaniu do tych, które będą po drugiej stronie budynku. To spowoduje odsunięcie budynku w kierunku od słońca. Modelowanie matematyczne wpływów słonecznych wskazuje, że przy różnicy temperatury dziesięciu stopni Celsjusza, ruch do 150 mm na górze betonu jest możliwy po sześciu godzinach. Odpowiada to ruchowi 25mm na godzinę na tym poziomie. Większość kontroli dla szalunku musi być wykonywana w ciągu dnia, gdy efekt nasłonecznienia będzie pokonywał swoje maksimum.

1.2.3. Ruchy dynamiczne

Elementy te powodują ruchy wieży o okresie od zaledwie 10 sekund do 15 minut.

Rezonans budynku. Według informacji uzyskanych od inżynierów budowlanych budynek będzie miał naturalny ruch o okresie 10 do 11 sekund w dwóch osiach, w których, jeśli dane pozycji były by obliczane co 0,5 sekundy, wtedy kształt wykresu ruchu punktu przez 30 minut będzie podobny do nieregularnej elipsy. Jeśli prędkość wiatru by wzrosła wtedy "wielkość" tej elipsy będzie również wzrastać.

Wind drug (?ciąg wiatru?). Naciski spowodowane wiatrem spowodują, że centrum budowli wychyli się o wielkość zależną od prędkości wiatru, jego kierunku i czynników strukturalnych.

Obciążenia żurawiami. Przewiduje się, że budynek będzie w pewnym stopniu poruszał się, kiedy dźwig będzie podnosił lub uwalniał obciążenie. Ruchy te będą całkowicie losowe z okresem 5 do 15 minut. Gdy będą prowadzone pomiary pozycjonowania, konieczne będzie zatrzymanie pracy żurawia aby zmniejszyć szanse na losowe wychylenia budynku przy wyznaczaniu przemieszczeń.

Obciążenia i inne efekty na wieży spowodują że wyjdzie ona z teoretycznej osi pionowej, a naturalny rezonans budynku spowoduje oscylacje wokół tej przesuniętej pozycji.

System pomiarowy musiał być zaprojektowany aby tolerować ten ruch i pozwolić na kontynuację budowy z zachowaniem dostosowania do poprzednich poziomów.

2. System szalowania

Deskowanie betonu (szalunki) dla każdego wylewu składa się z szeregu pojedynczych form, które wymagają wszystkich kontroli. Skutkuje to tym, że kontrola musi obejmować 240 punktów kontrolnych dla całego systemu deskowań na każdym poziomie.

To nie było praktyczne ani bezpieczne w użyciu stosowanie tradycyjnego plumbing up (?pionowania?) poprzez otwory podłogowe, dlatego już na początku projektu zdecydowano się wykorzystać wcięcia jako podstawowe procedury pomiarów kontrolnych.

2. Pomiary wyjściowe

W momencie rozpoczęcia umowy sześć stałych punktów odniesienia zostało założonych wokół miejsca budowy i dokładnie pomierzonych. Znaki te składały się z pokrytych betonem belek stalowych "I" sięgających do 15m poniżej poziomu gruntu. (???) Cap został dodany na górze, aby zapewnić solidną platformę roboczą. Znaki te zostały wykorzystane do wszystkich tyczeń początkowych oraz jako podstawa do prac monitoringu.

1. Niższe kondygnacje

Ze względu na dużą liczbę punktów kontrolnych wymaganych do kontroli deskowania, konieczne było opracowanie takiego sposobu pomiaru, aby ustawienie deskowania mierzono tylko raz. Jedyną stałą częścią budynku jest rdzeń betonowy, na którego górnej powierzchni nowo wylanej warstwy zainstalowany jest zestaw znaków pomiarowych.

Instrument Total Station jest również ustawiany na betonie i jego pozycja ustalana jest wcięciem wstecz do znaków zewnętrznych. Znaki ustawione na górnej powierzchni deskowania mierzy się promieniście z tej wciętej pozycji stanowiska instrumentu i precyzyjne współrzędne dla każdego znaku są obliczane.

Kiedy szalunki podnosi na kolejny wyższy poziom, znaki są przesuwane na główny pokład roboczy deskowania, który wiąże się do konstrukcji betonowej w tej pozycji. Przywracanie boków deskowania jest ustawiane od tych znaków.

Od poziomu gruntu do około 20 kondygnacji wcięcia stanowisk instrumentu były możliwe z zewnętrznych punktów kontrolnych, które były odległe o 100 do 150 m od podstawy wieży. Nadliczbowość obserwacji była możliwa i bardzo wysokiej jakości wyniki wcięć zostały osiągnięte. Obserwacje pionowości potwierdziły, że wieża nie była w ruchu, a pomiary płyty fundamentowej wskazywały, że nie było zróżnicowania w osiadaniu płyty, które powodowało by wychylenia wieży. Stąd tyczenie i kontrola szalunku za pomocą tej metody było prostym zadaniem geodezyjnym.

1. Wyższe kondygnacje

Wraz ze zwiększaniem się wysokości budynku pojawiają się wpływy różnych sił, jak opisano w punkcie 1.2 i budowla zaczyna wychylać się o zmienne wielkości i czasem w przypadkowych kierunkach. Powyżej poziomu 20 jest coraz trudniej nawiązywac się do zewnętrznych punktów kontrolnych z powodu zasłaniania ich przez górne elementy systemu deskowania. W Dubaju najbliższe wysokie, stabilne budynki były ponad 500m odległe od miejsca budowy i nie mogły być wykorzystane ze względu na potencjalne problemy widoczności i złą geometrię wcięć.

Na tym etapie budowy konieczne stało się wdrożenie nowej metody wcięcia oraz systemu pomiarowego, który może tolerować ruchy budowli. Konieczne było również zainstalowanie przyrządów pomiaru ruchu budynku, aby ostatecznie zidentyfikować wszelkie długoterminowe, stałe ruchy wieży w konkretnym kierunku, którym trzeba przeciwdziałać.

1. System pomiarowy rdzenia budowli

Ruch struktury budowli stwarza kilka problemów dla pomiarów precyzyjnych. W określonym momencie czasu, teoretycznie, trzeba dokładnie wiedzieć, o ile projektowa oś konstrukcji budynku jest odsunięta od osi pionowej i w tym samym momencie musisz znać dokładne współrzędne instrumentu. Jednakże "średnia" pozycja wzięta z krótkiego okresu czasu może zapewnić odpowiednie rozwiązanie.

2.1. Określenie pozycji instrumentu

GPS pracujący w trybie statycznym użyty został do ustanowienia odniesienia dla pomiarów na wyższych kondygnacjach. System składa się z minimum 3 anten GPS / odbiorników zamontowanych na stałych wysokich masztach w najwyższym poziomie szalunku.

Uchylny okrągły pryzmat był umieszczony poniżej każdej anteny GPS i instrument Total Station (TPS) był ustawiany na betonie w miejscu widocznym dla wszystkich stacji GPS. GPS oraz TPS składają się na "system pomiarowy".

W trybie statycznym GPS, sygnał danych satelitarnych jest odbierany i rejestrowane w okresie do 1 godziny. W tym samym czasie, instrument TPS służy do pomiaru szereg kątów i odległości do pryzmatów zamontowanych pod antenami GPS. TPS następnie mierzy do punktów referencyjnych umieszczonych na świeżym betonie, które są punktami odniesienia dla kontroli szalunku, jak opisano w pkt 1.4.1.

Po zakończeniu obserwacji, dane są przekazywane do Biura w celu ich przetworzenia. Odbywa się obliczanie pozycji anten GPS, w odniesieniu do przetwarzanych danych GPS pozyskiwanych z pracujących w sposób ciągły Reference Total Station Leica GPS GRX1200 Pro z anteną AT504 chokering przy użyciu oprogramowania LEICA GPS Spider, oraz za pomocą Leica Geo Office oprogramowania (LOG).

Następnie prowadzi się obliczenie pozycji TPS, faktycznie jako wcięcie z użyciem metody najmniejszych kwadratów. Wreszcie wykonywana jest transformacja dla 3 anten GPS mających współrzędne WGS84 oraz wciętego TPS do lokalnego układu współrzędnych (w oryginale: „Finally transformation is performed of the 3 no WGS84 antenna coordinates and resected TPS coordinates into the local coordinate system and ...„) i na ich podstawie określenie współrzędnych wszystkich mierzonych znaków odniesienia. Kroki te dają współrzędne oprzyrządowania pomiarów oraz współrzędne znaków odniesienia w układzie współrzędnych projektu.

Tachimetr, lub bardziej ogólnie każdy teodolit, mogą być traktowane jako system dwuosiowy dla osi celowej lunety. Dla zmniejszenia wpływu mechanicznych niedopasowań (błędów) w instrumentach na wyniki obserwacji, stosowane były klasyczne procedury operacyjne (rektyfikacyjne) od pierwszego zastosowania takich instrumentów.

Obecne instrumenty mogą uwzględnić te błędy instrumentalne osi celowej przy użyciu wbudowanego dwuosiowego kompensatora i specjalngo oprogramowania korygującego odczyty z instrumentu. Jednak zakres działania kompensatorów jest ograniczony, zwykle do około sześciu minut kątowych.

Operator ustawia oś główną instrumentu zgrubnie utrzymując bańkę libeli instrumentu w dopuszczalnym zakresie. W przypadku sygnału kompensatora "poza zakresem" , stacja musi być przepoziomowana ręcznie. Procedura ta znana jest przez doświadczonych operatorów jako po prostu nieodpowiednia podczas pracy total stacji w przypadku, gdy spodziewamy się dynamicznego zachowania budowli oraz gdy oś główna budynku nie będzie zgodna z kierunkiem lokalnej grawitacji.

Aby usunąć to ograniczenie konieczne było uznanie układu osi tego instrumentu jako lokalnego systemu 3D. Współrzędne obliczane korzystając z obserwacji (kierunki i odległości) są wewnętrznie spójne, ale muszą być przetransformowane do układu odniesienia określonego przez zestaw anten GPS. W naszym przypadku korzystaliśmy z jednego total station, zatem problem sprowadza się po prostu do transformacji 3D, znanej także jako transformacja podobieństwa lub przekształcenie Helmerta.

2. Określenie pionowości budowli

Core Wall Survey System (CWSS) używa NIVEL200 dwuosiowych precyzyjnych klinometrów dla dokładnego określenia wychylenia osi wieży od pionu. Klinometry mierzą pochylenia bezwzględne z dokładnością do +/-0,2 " łuku. Te pomiary klinometryczne, wraz z określeniem odległości pionowej czujnika klinometeru od płyty fundamentowej, wykorzystane zostały do obliczenia przemieszczeń poziomych w kierunkach X i Y na danej wysokości, spowodowanych wychyleniem konstrukcji.

Łącznie 8 precyzyjnych klinometrów zostało połączonych w sieć na co około 20 pięter wieży (dodawanych sukcesywnie w miarę realizacji budowy). Każdy klinometr był zamontowany w ścianie centrum rdzenia betonowego we wnęce (skrzynce) w ścianie, gdzie przypadkowe zaburzenia były mało prawdopodobne.

Gdy klinometry zostały zainstalowane najpierw były skalibrowane w odniesieniu do pomiarów kontrolnych na danym poziomie wykonanych przez obserwacje pionowości z fundamenu. Serie takich obserwacji dostarczyły średnich przemieszczeń w X i Y dla danego miernika nachylenia w danym czasie, a następnie zostały zastosowane do wszystkich przyszłych odczytów tak, że sygnał wyjściowy odzwierciedlał przesunięcie osiowania wieży na tym poziomie w stosunku do osi pionowej.

Klinometry były podłączone poprzez kabel RS-485 (single bus) do portu LAN dedykowanego komputera z oprogramowaniem systemu Leica GeoMoS znajdującego się w Biurze.

Ciągłe, w czasie rzeczywistym pomiary pochylenia konstrukcji były rejestrowane dlakażdego piętra z przyrządem i dane wyjściowe jako składowe X i Y ustawienia osi względem pionu. Amplitudy pików wygładzonych danych stanowiły dane o drganiach konstrukcji.

Średnie przemieszczenie linii regresji reprezentowało całkowite średnie przemieszczenie struktury. Bloki danych odpowiadających danym z obserwacji GPS zostały wykorzystane w tym celu.

Rozróżnienie danych z klinometrów na różnych wysokościach umożliwiło korekcję za nieliniowość pochylenia konstrukcji.

2. System pomiarowy rdzenia budowy

Stacja referencyjna GPS, odbiorniki GPS i anteny z okrągłym pryzmatem, Total Station zostały połączone z siecią precyzyjnych klinometrów tak, jak pokazano poniżej, tworząc 4 pomiarowe podelementy całego układu syntezy danych.

1. Dokładności

Badanie prawdopodobnych błędów w systemie CWSS wskazuje, że będzie możliwa realizacja tyczenia ustawienia deskowania wzdłuż pionu konstrukcji z dokładnością ± 15 mm.

Powinno być również możliwe zidentyfikowanie dowolnego długoterminowego ruchu wieżyktóry będzie miał wartość> 20 mm w dowolnym kierunku.

1. Analiza

Pomiary kontrolne dostarczały informacji na temat osiadania i deformacji płyty fundamentowej, a to było wykorzystane do dokładnego określenia przesunięcia wieży na określonym poziomie z powodu
wpływu tych czynników. Podobnie pomiary różnicowego skurczu i pełzania betonu w ścianach rdzenia budowli i w kolumnach były używany w celu określenia tego możliwego składnika ruchu wieży.

Dynamiczny model budynku został opracowany i na jego podstawie było możliwe uzyskanie wartości przemieszczeń na dowolnym poziomie będących skutkiem sekwencyjnej budowy, projektu budowlanego i efektów nasłonecznienia. W okresie pomiaru kontrolnego, jeśli żurawie wieżowe są zamknięte, to jedynym nieznanym składnikiem ruchu budowli jest ten, spowodowany wiatrem.

Stacje pogodowe zostały ustalone w trzech miejscach na wieży i przekazywały ciągłe dane dotyczące temperatury, prędkości i kierunku wiatru. Dane te były korelowane z danymi z klinometrów w celu ustalenia zależności. Przewidywano, że taka analiza ujawni wszelkie długoterminowe ruchy w danym kierunku, i jeśli to będzie konieczne będą mogły być podjęte działania korygujące.

segment sieciowy Nivel200 tego systemu może być stosowany do monitorowania zachowania wieży, zarówno w trakcie jej budowy jak i po zakończeniu. Jeśli będzie on zintegrowany z innymi informacjami pozyskiwanymi z monitorowania będzie tworzył się kompletny system monitorowania konstrukcji.

1. Wnioski

Połączenie techniki pomiarów GPS, automatycznej stacji Total Station, odczytów z klinometrów i modelowania matematycznego dostarczyło środków do prowadzenia budowy najwyższego na świecie budynku jako elementu strukturalnego i zapewniającego bogactwo danych o ruchu budowli.

To dopiero początek długiej drogi do ostatecznego zakończenia Burj Dubai Tower i autorzy wiedzą, że będą musieli uzupełnić istniejący system syntezy danych innymi elementami z biegiem czasu.

Joël van Cranenbroeck, Leica Geosystems AG, SWITZERLAND

Douglas Hayes, Burj Dubai Tower, Samsung Besix Arabtech JV, DUBAI, UAE

Ian Sparks, Connell Wagner, Neutral Bay, Sydney, AUSTRALIA

BIOGRAPHICAL NOTES

Joël van Cranenbroeck is Business Development Directorfor GNSS Reference Stations and

Structural Monitoring program in Leica Geosystems AG, Geosystems Division – BA

Infrastructure and Engineering.

Douglas Hayes is Chief Surveyor in Burj Dubai Tower, Samsung Besix Arabtech JV, Dubai

Ian Sparks is Project Surveyor in Connell Wagner, Neutral Bay, Sydney, Australia.