Xác định độ thẳng đứng của công trình nhà cao tầng bằng công nghệ GPS

Bài viết Xác định độ thẳng đứng của công trình nhà cao tầng bằng công nghệ GPS đề cập đến một số vấn đề về xác định độ thẳng đứng công trình bằng phương pháp GPS (Global Positioning System). Mời các bạn tham khảo bài viết để nắm bắt nội dung.

Tạp chí KTKT Mỏ - Địa chất, số 42/4-2013, tr 69-75 XÁC ĐỊNH ĐỘ THẲNG ĐỨNG CỦA CƠNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG BẰNG CÔNG NGHỆ GPS LÊ NGỌC GIANG, NGUYỄN QUANG MINH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Bài báo đề cập đến số vấn đề xác định độ thẳng đứng cơng trình phương pháp GPS (Global Positioning System) Trong công tác xác định độ thẳng đứng cơng trình, số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quan trắc độ thẳng đứng rung lắc dao động cơng trình đo đạc Dựa số nghiên cứu xác định độ rung lắc giao động cơng trình kiến trúc cao tầng, xác định cơng trình có độ cao 100m có tượng dao động với tần số biên độ phụ thuộc vào kết cấu cơng trình Sự dao động ảnh hưởng đến độ xác kết đo đạc chuyền tọa độ lên tầng cao Vấn đề thảo luận kiểm chứng thực tế tòa nhà Lotte Tower Hà nội từ rút kết luận việc cần thiết phải sử dụng công nghệ GPS xác định độ thẳng đứng cơng trình nhà cao tầng Giới thiệu Trong năm gần q trình phát triển thị diễn với tốc nhanh Đối với cơng trình nhà cấu kiện cao tầng, việc đảm bảo độ thẳng đứng cơng trình cơng việc quan trọng, nhằm trì tính ổn định điều kiện vận hành cơng trình thời gian sử dụng Từ theo tiêu chuẩn TCXDVN 309:2004 tiêu chuẩn TCXDVN 357:2005 quan trắc nghiêng công trình sai số giới hạn quan trắc nghiêng cơng trình 0.0001H với H chiều cao cơng trình [1], [2] Có nhiều phương pháp xác định độ thẳng đứng cơng trình phương pháp sử dụng máy chiếu đứng độ xác cao, phương pháp quan trắc máy kinh vĩ máy toàn đạc điện tử [2] Tuy nhiên, phương pháp sử dụng số điều kiện định tùy thuộc vào điều kiện thi cơng cơng trình Ngồi ra, số cơng trình quan trọng cần sử dụng kết hợp nhiều phương pháp để đảm bảo tính xác xác định độ thẳng đứng cơng trình Trong thời gian gần đây, cơng nghệ GPS sử dụng để xác định độ thẳng đứng cơng trình đăng ký sáng chế Mỹ [3] Thực tế, công nghệ GPS sử dụng để chuyển tọa độ lên cơng trình kiểm tra độ thẳng đứng tòa nhà cao giới, tháp Burj Dubai Tiểu vương quốc Arap [4], [5] GPS có số lợi so với phương pháp sử dụng máy kinh vĩ máy toàn đạc điện tử điểm khống chế lân cận khơng cần thơng hướng ngắm, độ xác ổn định cơng trình lên cao Tại Việt nam, phương pháp xác định độ thẳng đứng cơng trình GPS sử dụng số công trình nhà cao tầng tiêu biểu tòa nhà Keangnam tòa nhà Lotte Hanoi Tower Hà nội Trong báo trình bày phương pháp xác định độ thẳng đứng cơng trình cơng nghệ GPS đề cập số vấn đề kỹ thuật liên quan đến xác định độ thẳng đứng cơng trình thi công công nghệ GPS Phương pháp xác định độ thẳng đứng cơng trình GPS 2.1 Phương pháp xác định độ lệch trục đứng cơng trình GPS Để xác định độ thẳng đứng công trình thi cơng phát kịp thời sai sót q trình thi cơng, cần xác định độ thẳng đứng trục đứng cơng trình (Hình 1) Các trục đứng đường thẳng nối điểm mặt đất có tọa độ (X matdat, Ymatdat) điểm coi có tọa độ chuyển lên mặt sàn tầng thi cơng Nếu trục đứng cơng trình nằm trùng với phương đường dây dọi coi cơng trình thẳng đứng Tuy nhiên, q trình chuyển điểm lên cơng trình khơng tránh khỏi sai số, nên thực tế điểm chuyển lên mặt sàn coi có tọa độ thực (Xchiếu, Ychiếu) 69 Hình Xác định độ thẳng đứng cơng trình GPS (xchiếu,ychiếu) Trục đứng cơng trình (X3,Y3) (X2,Y2) Các điểm khống chế mặt đất (X1,Y1) (xmatdatymatdat) Như vậy, độ nghiêng trục đứng cơng trình theo phương x, y hệ tọa độ cơng trình xác định theo công thức: eX = XChiếu – Xmặt đất eY = YChiếu – Ymặt đất , (1) Từ đó, giá trị tuyệt đối độ nghiêng trục cơng trình xác định công thức: 𝒆 = √𝒆𝟐𝒙 + 𝒆𝟐𝒚 , (2) Ngồi ra, xác định số tham số liên quan đến độ nghiêng trục công trình góc nghiêng hướng nghiêng [2] Thơng thường cơng trình xây dựng nay, để chuyển điểm lên mặt sàn dùng phương pháp giao hội góc cạnh máy tồn đạc điện tử độ xác cao sử dụng máy chiếu đứng Tuy nhiên, nhà cao tầng điều kiện Việt nam nay, việc sử dụng phương pháp gặp nhiều khó khăn mặt thi cơng chật hẹp, khơng có điều kiện thơng hướng đo ngắm có nhiều tầng nên khó giữ lỗ chiếu đứng q trình thi cơng xây dựng Độ thẳng đứng cơng trình xác định thơng qua giá trị tọa độ thực (Xchiếu, Ychiếu) đo GPS trình bày (Error! Reference source not found.) Trong 70 trước xác định độ thẳng đứng cơng trình cần xây dựng loạt điểm khống chế mặt đất nằm xung quanh cơng trình Theo TCXDVN 309:2004 điểm nằm cách cơng trình khoảng 1.5 lần chiều cao cơng trình trở lên chịu ảnh hưởng biến dạng cơng trình Các điểm khống chế nên xác lập khoảng cách an toàn tránh ảnh hưởng cơng trình làm di chuyển mốc khơng chế q trình quan trắc theo dõi thi cơng cơng trình Tọa độ thực điểm tọa độ chuyển lên cơng trình xác định cách đặt máy thu GPS điểm khống chế mặt đất điểm chuyển lên cơng trình Có thể sử dụng chế độ đo GPS tĩnh, đo động, đo động thời gian thực để xác định tọa độ điểm [4] 2.2 Độ xác cơng nghệ GPS để xác định độ thẳng đứng cơng trình Theo tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN 357:2005, sai số giới hạn việc xác định độ nghiêng Mgh = 0.0001H không lớn ±50mm Tuy nhiên, với tầng thấp cơng trình, việc xác định độ thẳng đứng với sai số giới hạn thực H nhỏ, giá trị M gh nhỏ Ví dụ: H = 10m Mgh ±1mm Chính vậy, kiến nghị tầng thấp sai số giới hạn nên yêu cầu có giá trị M gh = ±10mm Lý đưa giá trị thơng thường Mgh = lần sai số trung phương sai số trung phương đạt với thiết bị đo đạc đạt sấp sỉ ±5mm (máy tồn đạc điện tử có sai số đo chiều dài = 2mm+2ppm, sai số đo góc 2” GPS với độ xác đo tĩnh ±5mm+0.5ppm) Từ yêu cầu sai số giới hạn xác định độ nghiêng độ thẳng đứng cơng trình, sai số trung phương điểm (Xchiếu, Ychiếu) phải đảm bảo yêu cầu độ xác sau: 𝑚𝑡𝑝 = 1⁄2 𝑀𝑔ℎ , = ±5𝑚𝑚 (1) ÷ ±25𝑚𝑚 Để đạt độ xác sai số trung phương xác định tọa độ mx my là: 𝒎𝒕𝒑 𝒎 = 𝒎𝒙 = 𝒎𝒚 = , (2) √𝟐 ≈ 𝟑 𝟓𝟑𝒎𝒎 ÷ 𝟏𝟕 𝟔𝟖𝒎𝒎 Sai số hồn tồn đạt với phương pháp đo GPS static thông thường nhiều tác giả Việt nam nghiên cứu [6] Ngoài ra, chuyền tọa độ từ tầng thấp lên tầng cao phương pháp sử dụng máy chiếu đứng máy kinh vĩ, tồn đạc điện tử cơng trình lên cao, sai số chuyền tọa độ lớn Kết xác định độ thẳng đứng cơng trình GPS chịu ảnh hưởng chênh lệch độ cao điểm mốc điểm tọa độ chuyền lên tầng cao tọa độ tầng xác định cách xây dựng lưới khống chế Error! Reference source not found Như vậy, kết xác định tọa độ tầng độc lập với chịu ảnh hưởng độ cao cơng trình 2.3 Ảnh hưởng rung lắc cơng trình đến kết đo Đối với cơng trình cao tầng thường xảy tượng rung lắc dao động ảnh hưởng tự nhiên, chủ yếu gió Hiện tượng dao động cơng trình xây dựng Việt nam chưa nghiên cứu nhiều (mới có số nghiên cứu chủ yếu xác định giao động cơng trình cầu Rạch miễu, Bãi cháy, Trần Thị Lý [7]) Ở Việt nam chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng gió đến dao động nhà cao tầng Tuy nhiên, giới có nhiều nghiên cứu vấn đề công nghệ khác sử dụng GPS đo động thời gian thực sử dụng accelerometers [8], [9] Các nghiên cứu cho phép xác định biên độ tần số dao động tòa nhà cao tầng ảnh hưởng gió Nhóm nghiên cứu Hyo Seon Park [8] sử dụng GPS đo động thời gian thực accelerometers xác định dao động tòa nhà có chiều cao 233m (66 tầng) kết cấu bê tơng với tốc độ gió cao 18m/s Kết xác định giá trị dao động theo trục X từ -11·7 đến 20·9mm (Hình 2) Y từ 31·8mm đến 61mm với tần số dao động khoảng 0.2Hz Nhóm nghiên cứu Cazzaniga thực quan trắc GPS cho ống khói có độ cao 120m điều kiện tốc độ gió khoảng 15m/s cho thấy dao động theo trục X từ giá trị 3026.380m dến 3026.480m dao động theo trục Y từ giá trị 763.830m đến 763.900m với tần số dao động từ 0.39Hz đến 1.7Hz Qua hai nghiên cứu thấy, kết cấu có chiều cao lớn, độ dao động kết cấu có ảnh hưởng đáng kể đến kết xác định tọa độ điểm nằm phần đỉnh kết cấu Thông thường dao động có biên độ dao động từ 5cm đến 15cm cho cơng trình có chiều cao 300m tùy thuộc vào độ cao, thiết kế vật liệu kết cấu cơng trình cao tầng Hiển nhiên dao động ảnh hưởng đến kết đo đạc điểm tọa độ cho tầng cao cơng trình phương pháp đo máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử máy chiếu đứng Như vậy, thấy rằng, đo đạc tầng cao độ xác kết đo khơng phải yếu tố đáng quan tâm hàng đầu hầu hết thiết bị cho phép đạt độ xác đo đạc điều kiện bình thường cao yêu cầu Cơng thức Và trình đo đạc tọa độ cho điểm tầng cao (từ 100 trở lên) phải tính đến ảnh 71 hưởng dao động tòa nhà Hình Đồ thị giá trị dao động tòa nhà 66 tầng theo trục X (Trích từ nghiên cứu nhóm Hyo Seon Park [8]) Hình Đồ thị dao động tòa nhà 66 tầng theo hướng trục Y (Trích từ nghiên cứu nhóm Hyo Seon Park [8]) Để khắc phục ảnh hưởng dao động nói chuyền tọa độ lên tầng cao cần thực việc đo đạc tọa độ điểm tầng cao nhiều lần thời gian khác lấy giá trị trung bình Hiện chưa có nghiên cứu xác định số lần đo cần thiết để khử ảnh hưởng q trình dao động tòa nhà tầng cao Tuy nhiên theo nghiên cứu thực nghiệm Heyes [4] sử dụng trị đo GPS đo vòng với epoch giây Như thấy số trị đo thực định vị tĩnh 1800 trị đo Đây ưu điểm việc xác định độ thẳng đứng tòa nhà GPS 72 Đối với phương pháp sử dụng máy chiếu đứng việc phải chiếu nhiều lần thực thiết bị có Việt nam Có thể khắc phục vấn đề phần chuyền điểm tọa độ khoảng cách ngắn để đồng dao động Tuy nhiên, điều dẫn đến tích lũy sai số chiếu chuyển điểm Trong trường hợp sử dụng máy tồn đạc điện tử cần sử dụng phương pháp đo tự động để xác định tọa độ nhiều lần đảm bảo tránh ảnh hưởng dao động kết cấu đến kết đo độ thẳng đứng cơng trình Tuy nhiên, qua phân tích khuyến cáo nên sử dụng GPS để chuyển điểm lên cao sử dụng máy GPS để kiểm tra độ thẳng đứng cơng trình số lượng trị đo phương pháp GPS lớn Vị trí tọa độ xác định vị trí trung bình vị trí dao động Thực nghiệm xác định độ thẳng đứng cơng trình GPS 3.1 Khu vực thực nghiệm Với phân tích khả ứng dụng GPS xác định độ thẳng đứng cơng trình, tác giả tiến thành nghiên cứu thực nghiệm xác định độ thẳng đứng cơng trình nhà cao tầng Việt nam Khu vực thực nghiệm chọn tòa nhà Lotte Landmark Tower, đường Liễu Giai – Đào Tấn, quận Ba Đình, Hà nội Cơng trình gồm tòa nhà 68 tầng, với tổng chiều cao dự kiến 280m diện tích 14000m2 (Hình 5) Cơng trình bao gồm hai kết cấu bê tông lõi đẩy dần lên cao ván khn trượt (Hình 6) Phần bên ngồi xây dựng bê tơng bám vào kết cấu lõi Để chuyển trục cơng trình lên tầng cao, đơn vị thi cơng dựa vào trục kết cấu lõi Giao điểm trục đặt tên 1, 2, 3, chiếu lên tầng cao máy chiếu đứng (Hình 6) tạo thành trục đứng kết cấu lõi Các trục đứng cần kiểm tra độ thẳng đứng tầng lần GPS với độ lệch trục đứng cho phép tối đa 50mm Như vậy, hai lõi có điểm cần xác định độ thẳng đứng trục công trình Tại điểm mặt sàn tầng có chơn mốc làm sở để chuyển điểm lên cơng trình phương pháp Helmert 3.2 Thực nghiệm xác định độ thẳng đứng cơng trình GPS GPS-2 Hình Hình ảnh thiết kế cơng trình tòa tháp Lotte dự kiến Hình Hai phần kết cấu lõi (Core) tòa nhà Lotte thi công Từ điểm gốc mặt sàn tầng lưới khống chế bố trí xung quanh cơng trình, lưới khống chế đo máy toàn đạc điện tử xây dựng để xác định tọa độ điểm gốc quan trắc bên cơng trường với sai số trung phương vị trí điểm yếu ±4mm Từ tọa độ GPS WGS84 UTM múi 48 tọa độ điểm gốc hệ tọa độ địa phương cơng trường xác định tham số tính chuyển hai hệ tọa độ theo GPS-1 Hình Lưới khống chế xác định độ thẳng đứng cơng trình điểm 1, 2, 3, trục lõi cơng trình A Tại kết cấu lõi cơng trình có xác định độ thẳng đứng cơng trình cách xây dựng lưới khống chế Hình với hai điểm gốc khống chế GPS-1 GPS-2 nằm gần công trường Độ thẳng đứng điểm trục đứng 1, 2, 3, kết cấu lõi (core) xác định cách xác định lại tọa độ điểm hệ tọa độ công trường từ tọa độ GPS Kết đo so sánh với tọa độ phía thi cơng xác định cho độ lệch trục đứng cơng trình theo phương X, Y hệ trục tọa độ công trường Việc xác định tọa độ điểm 1, 2, 3, xác định chế độ đo tĩnh với ca đo từ 25-40 phút /1 ca nhằm mục đích tránh ảnh hưởng dao động kết cấu cơng trình đến kết đo Quá trình xử lý kết đo GPS tọa độ điểm 1, 2, 3, hệ tọa độ UTM múi 48 với hai điểm khống chế GPS-1 GPS-2 Các tọa độ điểm sau tính chuyển hệ tọa độ cơng trường cách sử dụng phương pháp tính chuyển Helmert với tham số tính chuyển góc xoay = 341° 08' 25.516”, tham số tỷ lệ = 1.000054498, tịnh tiến trục hướng Bắc = 2038035.9188m tịnh tiến trục hướng Đông 73 = -1231199.3409m Tại chu kỳ sau đo máy GPS, tác giả sử dụng máy toàn đạc điện tử kiểm tra lại toàn cạnh kết cấu lõi (core) lưới đem so sánh với chiều dài cạnh đo GPS nhằm kiểm tra kết đo GPS Bảng Tọa độ sau bình sai điểm quan trắc trục đứng cơng trình kết cấu lõi A, tầng 28 cho điểm 1, 2, 3, hệ tọa độ WGS-84 Sau có tọa độ điểm trục đứng cơng trình xác định GPS, xác định độ lệch trục đứng, góc lệch, hướng lệch [2] kết cấu lõi điểm 1, 2, 3, cho tầng 28 Bảng Bảng Độ nghiêng trục đứng điểm 1, 2, 3, Core A, tầng 28 No e (mm) Góc nghiêng (giây) Độ Hướng lệch Phút Giây Điểm Trục Bắc (m) Sai số (mm) Trục Đông (m) Sai số (mm) 1.66 6.47 64 58 59.2 C1-1 2326522.3888 0.4 506321.4963 0.6 10.82 42.32 196 26.9 C1-2 2326528.5183 3.4 506339.4746 4.0 15.35 60.03 129 11 3.7 C1-3 2326520.1020 1.0 506342.3652 1.4 11.18 43.71 158 29 2.8 C1-4 2326513.9574 0.6 506324.3791 0.8 GPS2 2326417.4339 N/A 506378.9318 N/A Bảng Kết tính chuyển tọa độ điểm sang hệ tọa độ X, Y công trường N o Trục Bắc (m) Trục Đông (m) 2326522.3888 506321.4963 26.6507 54.8015 2326528.5183 506339.4746 26.6396 73.7970 2326520.1020 506342.3652 17.7403 73.8119 2326513.9574 506324.3791 17.7396 54.8041 X (m) Y (m) Đối với cơng trình nhà 68 tầng Lotte Tower tầng lại yêu cầu kiểm tra độ thẳng đứng trục công trình lần cho kết cấu lõi Sau bình sai lưới GPS cho kết cấu lõi, ví dụ kết cấu lõi A tầng 28 kết Bảng Từ kết bình sai lưới GPS, tính chuyển hệ tọa độ cơng trường theo Bảng xác định độ chênh tọa độ theo Công thức Bảng Bảng Kết độ chênh tọa độ điểm trục đứng đơn vị thi công xác định tọa độ xác định GPS Core A tầng 28 N o 74 Tọa độ GPS X (m) Y (m) Tọa đo thi công Chênh tọa độ X (m) Y (m) 26.6507 54.8015 26.650 54.800 𝑒𝑋 (mm) 𝑒𝑌 (mm) 0.7 1.5 26.6396 73.797 26.650 73.800 -10.4 -3.0 17.7403 73.8119 17.750 73.800 -9.7 11.9 17.7396 54.8041 17.750 54.800 -10.4 4.10 Kết luận đề xuất Từ trình nghiên cứu yêu cầu, giải pháp thực nghiệm xác định độ thẳng đứng trục đứng cơng trình GPS, nhóm tác giả có số kết luận đề xuất sau: Trong điều kiện thích hợp, sử dụng GPS để xác định độ thẳng đứng cơng trình nhà cao tầng Ưu điểm công nghệ GPS lưới khống chế xây dựng nhằm xác định độ thẳng đứng tầng độc lập nhau, tránh sai số tích lũy chuyền tọa độ qua tầng Sau xem xét nghiên cứu tượng rung lắc dao động kết cấu cơng trình có chiều cao lớn, thấy yếu tố ảnh hưởng không nhỏ đến việc chuyền tọa độ lên tầng cao cơng trình Sai số rung lắc dao động cơng trình cần loại bỏ cách chuyền tọa độ nhiều lần lấy giá trị trung bình vị trí tọa độ Việc sử dụng GPS cho phép khử ảnh hưởng rung lắc dao động kết cấu cơng trình lên cao trị đo GPS trung bình nhiều trị đo thời điểm khác Vấn đề cần nghiên cứu thêm để từ đưa quy định đo đạc, chuyền tọa độ lên tầng cao công trình có chiều cao lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Xây dựng, Tiêu chuẩn TCXDVN 309 : 2004 Quy định công tác trắc địa nhà cao tầng, Bộ Xây dựng, Hà nội, 2004 [2] Bộ Xây dựng, Tiêu chuẩn Xây dựng Việt nam: TCXDVN 357: 2005 Quy trình đo độ nghiêng cơng trình phương pháp trắc địa, Bộ Xây dựng, Hà nội, 2005 3] G S Chisholm, J S Daly and M A Hansby, 28 11 1998 Relating to the determination of verticality in tall building and other structures USA Patent 5841353 [4] D M Hayes, I R Sparks and J V Cranenbroeck, 2006 Core Wall Survey Control System for High Rise Buildings, in XXIII FIG Congress: Shaping the Change, Munich, Germany, [5] J v Cranenbroeck, D Hayes, S H Oh and M Haider, 2009 Core Wall Control Survey - The State of Art, in 7th FIG Regional Conference:, Hanoi, Vietnam [6] Trần Mạnh Nhất nnk Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trắc địa cơng trình cơng nghiệp nhà cao tầng, Bộ Xây dựng: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, Hà nội, 2002 [7] Hồ Thị Lan Hương, Hồ Thị Hoài Đánh giá tình hình ứng dụng hệ thống quan trắc cầu giây văng cầu dây võng Việt nam, in Hội thảo Khoa học "Công nghệ địa tin học quản lý sở hạ tầng”, Đại học Giao thông Vận tải, Hà nội, 2012 [8] H S Park, H G Sohn, I S Kim and J H Park, 18 06 2008 Application of GPS to monitoring of wind-induced response of high rise buildings, Structrure Design of Tall Spec Building, pp 117-132 [9] N E Cazzaniga, L Pinto, F Bettinal and A Frigerio, 2006 Structure monitoring with GPS and accelerometers: the chimney of the power plant in Piacenza, Italy, in 12th FIG Symposium, Baden SUMMARY Determination of verticality of high-rise building using GPS Le Ngoc Giang, Nguyen Quang Minh , Hanoi University of Mining and Geology This paper mentions to some issues in determination of the verticality of high-rise building using GPS To determine the verticality of the high-rise building, there is a challenge of the effect of oscillations and displacement of the structure during the measurement Based on some researches on determination of oscilation and displacement of the high structures, it is possible to conclude that the more than 100m high buildings have displacement with various magnitude and frequency This displacement affect to the accuracy of surveying measurement in the very top floors This issue is discussed and examined in this paper for the high-rise building project of Lotte Tower in Hanoi and from that a conclusion on the necessity of using GPS to determine the coordinates for the very top floors of the high-rise building is presented 75 ... pháp GPS lớn Vị trí tọa độ xác định vị trí trung bình vị trí dao động Thực nghiệm xác định độ thẳng đứng cơng trình GPS 3.1 Khu vực thực nghiệm Với phân tích khả ứng dụng GPS xác định độ thẳng đứng. .. lưới GPS, tính chuyển hệ tọa độ cơng trường theo Bảng xác định độ chênh tọa độ theo Công thức Bảng Bảng Kết độ chênh tọa độ điểm trục đứng đơn vị thi công xác định tọa độ xác định GPS Core A tầng. .. xác định độ thẳng đứng cơng trình nhà cao tầng Ưu điểm công nghệ GPS lưới khống chế xây dựng nhằm xác định độ thẳng đứng tầng độc lập nhau, tránh sai số tích lũy chuyền tọa độ qua tầng Sau xem