Ε. Αστρεινίδης: ασκήσεις BIM και FEA στο Μετρό της πρωτεύουσας του Qatar

Του Ευάγγελου Αστρεινίδη

Δρ. Πολιτικός Μηχανικός

CRD_group Structural Assessment Ltd

Προσομοίωση των δομικών επιπτώσεων της αστικής ανάπτυξης επί των εγκαταστάσεων Μετρό και η ανάγκη για σχεδιασμό επαρκούς συστήματος δομικής παρακολούθησης.

Το κεντρικό θέμα της παρουσίασης αυτής είναι το αντικείμενο που περιγράφεται στα αγγλικά με τον όρο TRANSIT ORIENTED DEVELOPMENT ή συντομογραφικά TOD. Ο τεχνικός όρος αυτός δεν έχει κάποια καθιερωμένη μετάφραση στα Ελληνικά ακόμη, αλλά μια καλή προσέγγιση, θα μπορούσε να είναι: ΚΕΝΤΡΑ ΑΣΤΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΕΠΙ ΤΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΔΙΑΜΕΤΑΚΟΜΙΣΗΣ 

Υπάρχουν ήδη επιστημονικές ενώσεις με μεγάλο αριθμό μελών, που εξυπηρετούνται από τις αντίστοιχες ιστοσελίδες τους, για το αντικείμενο αυτό. Επιστημονικά συνέδρια συγκεντρώνουν πολλούς επιστήμονες από τις ειδικότητες των Αρχιτεκτόνων, Μηχανολόγων Μηχανικών, Πολιτικών Μηχανικών –  Δομοστατικών, Συγκοινωνιολόγων, ειδικών στην Σιδηροδρομική, σε Μετρό , σε lightRail, κλπ.

Ίσως η πιο διαδεδομένη οργάνωση είναι η:  Transit Oriented Development Institute. Στην ιστοσελίδα της οργάνωσης μπορεί κανείς να ενημερωθεί για τις πολύ σημαντικές επιτεύξεις στον τομέα αυτό που είναι πολλά υποσχόμενος : Δείτε εδώ

Υπάρχουν όμως και άλλες οργανώσεις, όπως:

Η βασική ιδέα είναι η προαγωγή του Σταθμού Μετρό ή του Σιδηροδρομικού Σταθμού σε ένα αυτόνομο πολεοδομικό κέντρο, όπου εξυπηρετούνται όλες οι αστικές δραστηριότητες παρακάμπτοντας την χρήση του ιδιωτικού αυτοκινήτου.  Αυτό σημαίνει ότι επάνω από και περί τον σταθμό των μέσων σταθερής τροχιάς προβλέπονται πολυώροφα μπλοκ κτιρίων με ότι χρειάζεται η σχεδόν αυτόνομη αυτή πολεοδομική μονάδα: Πολυόροφα κτίρια κατοικιών, εμπορικά κέντρα, πλατείες, ξενοδοχεία, μουσεία, μπλοκ κτιρίων γραφείων, κέντρων ψυχαγωγίας, εκκλησίες, σχολεία, κλπ.

Είναι πλέον δοκιμασμένη μέθοδος οικιστικής ανάπτυξης, ειδικά στην Άπω Ανατολή, καθώς εκεί υπάρχουν και αναπτύσσονται πολύ σημαντικές επιχειρηματικές ευκαιρίες, και είναι εύκολη έως ανεμπόδιστη η πρόσβαση σε σημεία επαγγελματικών συναντήσεων.

Όμως, αυτοί οι οικιστικοί πυρήνες που στην πραγματικότητα αποτελούν μια μικρή πόλη από μόνη της, καθώς βρίσκονται επί και πέριξ των εγκαταστάσεων των μέσων σταθερής τροχιάς δημιουργούν συχνά σημαντικά και δυσεπίλυτα τεχνικά θέματα.

Από την άποψη των έργων Πολιτικού Μηχανικού, οι τεχνικές προκλήσεις που εγείρονται είναι πολλές. Στηνπολύσυνοπτικήαυτήπαρουσίασηαναφέρονταιενδεικτικάμερικάαπόαυτάταθέματα, τα οποία αναπτύσσονται σε αρκετή έκταση στο Βιβλίο“Tunnel Engineering”, Intechopen, Editor M. Sakellariou – Feb 12th-2019 – DOI: 10.5772/intechopen.86923, στο κεφάλαιο: Transit Oriented Development interactions on Existing Metro Systems: The need for the design of adequate Structural Monitoring System and the Experience from international projects.

Ενδεικτικά αναφέρουμε εδώ, ότι οι απαιτήσεις σταθερότητας για τις σιδηροτροχιές είναι πολύ σημαντική παράμετρος για τον σχεδιασμό όλης της ανοδωμής. Επίσης, οι απαιτήσεις για την ακαμψία του κελύφους του σταθμού είναι εξίσου μεγάλος περιοριστικός παράγοντας για την ανοδομή ή και για την κατασκευή γύρω από τους σταθμούς ή τις σήραγγες. Τα υπερκείμενα κτίρια, είτε θεμελιώνονται επί του κελύφους του σταθμού, είτε σε μεγάλη εγγύτητα προς αυτών και τις σήραγγες. Η κατασκευή των θεμελιώσεων των κτιρίων ανάμεσα από τις σήραγγες, τους υπόγειους σταθμούς, και τις άλλες εγκαταστάσεις του Μετρό είναι πηγή επικίνδυνων ρίσκων.

Πολύ σημαντική πρόκληση για τα συγκεκριμένα έργα είναι ο σχεδιασμός και η ανέγερση κατάλληλου στατικού συστήματος του σύμπλοκου έργου. (Εδώ σύμπλοκο έργο αναφέρουμε τον Σταθμό Μετρό-Switchbox-tunnelsαφενός και αφετέρου την ανοδωμή αποτελούμενη από πολυόροφα κτίρια). Ένα χαρακτηριστικό του στατικού συστήματος στις περιπτώσεις αυτές είναι η επιλογή γεφύρωσης πάνω από τις υπόγειες η και υπέργειες εγκαταστάσεις Μετρό όπου θα εδραστεί η ανωδομή εμπορικού χαρακτήρα με πολυόροφα κτίρια. Η γεφύρωση αυτή αναφέρεται συνήθως ως TransferSlab. Υπονοείται έτσι η αναδιανομή των κατακόρυφων φορτίων βαρύτητας των υπερκείμενων κτιρίων σε ενισχυμένα σημεία του κελύφους του σταθμού ή σε άλλα προετοιμασμένα σημεία θεμελίωσης.

Ο σχεδιασμός αυτών των κατασκευών και η κατάδειξη ενδεχόμενων τεχνικών ρίσκων είναι αδύνατος χωρίς την βοήθεια κατάλληλων τρισδιάστατων προσομοιωμάτων, και μάλιστα εκείνων που περιέχουν όλη την κτιριοδομική πληροφορία. Κατάλληλα μοντέλα ΒΙΜ (BuildingInformationModel) λοιπόν είναι εντελώς απαραίτητα για την θέαση του έργου και των κρίσιμων φάσεων κατασκευής.

Στις παρακάτω απεικονίσεις φαίνεται μια σειρά από παρουσιάσεις της πραγματικής εμπλοκής σιδηροδρομικών υποδομών με την θεμελίωση του υπερκείμενου κτιριακού συγκροτήματος. Τα παραδείγματα αυτά προέρχονται από το πρόγραμμα TODτης QatarRail.

Όλα τα σχήματα αυτά, παρόλο που προέρχονται από το πραγματικό έργο του TOD των σταθμών του Μετρό της πρωτεύουσας του Qatar, Doha , είναι απλώς ασκήσεις BIM και FEA. Δεν εκπροσωπούν την πραγματική διαμόρφωση.

Σχήμα 1: Τυπική διαμόρφωση του TOD (με γρι χρώμα) επί και πέριξ του Σταθμού του Μετρό και των Σηράγγων (με λευκό ο Σταθμός και με κόκκινο οι σήραγγες)

Σχήμα 2: Το ίδιο μοντέλο όπως στο Σχήμα 1, με γωνία θέασης από κάτω προς τα επάνω. Είναι χαρακτηριστική η εγκύτητα των πασσάλων σε ευαίσθητα σημεία των υπογείων κατασκευών.

Σχήμα 3: Μικτή θεμελίωσηTOD επάνω στον Σταθμό Ζήτημα ασύμμετρης φόρτισης στο κέλυφος του σταθμού, αγκύρωσης επί αυτού και εγγύτητας των πασσαλώσεων.

Οι κρίσιμες ενέργειες στις οποίες οφείλεται έμφαση για την στατική μελέτη συνοψίζονται στην πιο κάτω ενδεικτική λίστα:

1. Αποτίμηση στατικής επάρκειας της υφισταμένης εγκατάστασης Μετρό, έτσι ώστε να παραλάβει τα φορτία και τις φάσεις φόρτισης από το προς ανέγερση TOD

(Κανονισμοί που πρέπει να χρησιμοποιηθούν)

1. Οργάνωση της Μελέτης της συνολικής κατασκευής: Υποδομή του Μετρό – Ανοδωμή (TOD)
2. Αναγνώριση Κρίσιμων δομικών στοιχείων – κρίσιμες φάσεις κατασκευής

(Για παράδειγμα: transferslab, transfer systems, post tensioning, piles – foundation systems)

1. Έλεγχος για την ανεμπόδιστη λειτουργία του Σταθμού και του Μετρό γενικότερα κατά την φάση των εκσκαφών – κατασκευών
2. Μελέτη και Έλεγχος επιπέδων θορύβου και δονήσεων από την λειτουργία του Μετρό προς το TOD
3. Μελέτη και έλεγχος μετακινήσεων των τροχιών του τραίνου λόγω επιβαλλόμενων φορτίσεων από το TOD
4. Δομική Παρακολούθηση
5. Verification, Validation and Uncertainty Qualification

Όπως ελέχθη και πιο πάνω, οι προκλήσεις για την προσομοίωση του ενιαίου μοντέλου TOD-Metro είναι πολλές και ιδιόμορφες.

Μαθηματικό Προσομοίωμα και υπολογιστικές απαιτήσεις

Είναι προφανές ότι το μοντέλο περιλαμβάνει χιλιάδες μέλη, ραβδωτά και επιφανειακά στοιχεία κελύφους. Δημιουργείται έτσι σημαντικό πρόβλημα επεξεργασίας, καθώς δεν είναι σπάνιο ένα τέτοιο μοντέλο σαν αυτό που παρουσιάζεται στα σχήματα 1 και 2 να χρειάζεται πολλές ώρες επεξεργασίας σε πολύ ικανούς υπολογιστές.

Τίθενται έτσι θέματα στατικής συμπύκνωσης αν είναι διαθέσιμα σε κάποια μορφή στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων.

Άλλα σημαντικά θέματα computationalmechanics περιλαμβάνουν την Δυναμική ανάλυση του φορέα ή των φορέων, την προσομοίωση ελατηρίων εδάφους και την προσομοίωση ειδικών άκαμπτων συνδέσεων μεταξύ μελών.

Ειδικό σημείο ελέγχου είναι η κατάλληλη προσομοίωση να αποδώσει την μετακίνηση των σιδηροτροχιών, καθώς υπάρχει η αυστηρή απαίτηση πολύ μικρών μετακινήσεων σε αυτές.

Λόγω της πολυπλοκότητας του σύνθετου φορέα, μέθοδοι όπως Failure Modeand Effectsanalysis– Faulttreeanalysis είναι πολύ χρήσιμες για την ανάλυση κρίσιμων μελών.

Επιπλέον, της σπουδαιότητας του έργου, αλλά και λόγω της κρισιμότητας ορισμένων μελών απαιτείται ο κατά το δυνατόν περιορισμός της αβεβαιότητας και ο χειρισμός της με κατάλληλη μέθοδο Verification and Validation. (Verification, Validation and Uncertainty Qualification). Τα έργα αυτά προσφέρουν μεγάλο πεδίο έρευνας χειρισμού τουTechnical Risk Management.

Κρίσιμα Δομικά στοιχεία

Transfer Slab

Το πλέον χαρακτηριστικό δομικό στοιχείο ενός Tod είναι η μέθοδος γεφύρωσης πάνω από τις εγκαταστάσεις Μετρό. Το Transferslab ή Transfersystem, όπως φαίνεται στα σχήματα 4 και 5, μεταβιβάζει τα φορτία βαρύτητας σε κατάλληλα σημεία του σταθμού.

Για να επιτευχθεί αυτό όμως, απαιτείται μεγάλη ακαμψία, για ένα  μεγάλο άνοιγμα και ενδεχομένως σε σημαντικό ύψος. Χρειάζεται άρα θερμική ανάλυση ωρίμανσης του μαζικού σκυροδέματος, καθώς το πάχος υπερβαίνει τα 2.5μ. Το θέμα αυτό φαίνεται πολύ χαρακτηριστικά στο σχήμα 6.

Σχήμα 4: Γεφύρωση της ανωδομής ώστε να μεταβιβάσει φορτία σε ισχυρά σημεία του κελύφους του Σταθμού.

Σχήμα 5: Μία ακόμη άποψη μικτής θεμελίωσης του TODεπάνω στον Σταθμό και επάνω σε πυκνή πασσάλωση.

Σχήμα 6: Διαμόρφωση τουTOD πάνω από τις σήραγγες. Η transferslab βασίζεται σε εκτενέστατη πασσάλωση. Η θερμική ανάλυση του μαζικού σκυροδέματος της πλάκας πρέπει να λάβει υπόψη της την ακαμψία των πασσάλων.

Η δομική υγεία του προεντεταμένου αυτού φορέα δέον να παρακολουθείται από μόνιμο σύστημα αισθητήρων παραμόρφωσης.

Railtrack – displacementsensitive

Η ευαισθησία του Μετρό σε θέματα σταθερότητας των τροχιών είναι πάντα πολύ μεγάλη. Επιτρέπονται μόνο χιλιοστομετρικές μετακινήσεις, οι οποίες πρέπει πάντοτε να παρακολουθούνται. Στο σχήμα 7, φαίνεται διαγραμματικά η επιθυμητή φαθμιαία βύθιση των σηράγγων (και άρα των τροχιών) καθώς είναι ανεπιθύμητη η απότομη μεταβολή των μετακινήσεων.

Σχήμα 7: Βαθμιαία μεταβολή των μετακινήσεων λόγω ανέγερσης του υπερκείμενου κτιρίου.

Επιθυμητά χαρακτηριστικά συστήματος Δομικής Παρακολούθησης

Λόγω του εκτενούς καταλόγου παραδοχών (longassumptionslog), και για τους λόγους που πολύ περιληπτικά περιγράφηκαν στο προηγούμενο εδάφιο, κρίνεται σχεδόν πάντοτε απαιτητή η ενόργανη παρακολούθηση του φορέα τουλάχιστον στα κρίσιμά μέλη του και στις κρίσιμες φάσεις κατασκευής και ανέγερσης. Και πάλι λόγω της εκτενούς λίστας παραδοχών (longassumptionslog) είναι απαραίτητη και υποστηρίζεται πάντοτε από την βιβλιογραφία ή πολυπαραμετρική δομική παρακολούθηση και ώσμωση δεδομένων για την ακριβή αντίληψη της δομικής κατάστασης των φορέων. Στοιχεία παρακολούθησης συνήθως είναι, οι μετακινήσεις, παραμορφώσεις , επιταχύνσεις, πιέσεις (pressurecells), και η ταχύτητα διάβρωσης του φορέα με κατανεμημένα ηλεκτρόδια αναφοράς.

• Robustness and redundancy of sensors:

Βασικός κανόνας για την επιτυχημένη ενόργανη παρακολούθηση, είναι αυτοί οι δύο τεχνικοί όροι, που περιγράφουν την αντοχή του συστήματος και την πλεονασματικότητα. Παραδείγματος χάρη απαιτείται μεγάλη επιμέλεια για την προστασία των καλωδίων με οπλισμένα conduits, προστασία στην συναρμογή των καλωδίων –ή στις συγκολλήσεις των οπτικών ινών, προστασία στην περιοχή των αισθητήρων , εναλλακτικά περάσματα καλωδίων , κλπ.

• Συμπληρωματικότητα:

Η συμπληρωματικότητα ήδη περιγράφηκε στο κείμενο αυτό. Πραγματικά είναι πολύ σπουδαία ιδιότητα του συστήματος παρακολούθησης, και απαιτεί προσοχή στον ταυτοχρονισμό των διαφόρων μεθόδων. Μέθοδοι μέτρησης των παραμορφώσεων θα πρέπει να συμπληρώνονται και να επιβεβαιώνονται κατά το δυνατόν από μετρήσεις μετακινήσεων. Η εκτίμηση της εντατικής κατάστασης θα πρέπει να εμπλουτίζεται από την μέτρηση των επιταχύνσεων.

• Κάλυψη της περιοχής ενδιαφέροντος:

Είναι σαφές ότι πρέπει να καλύπτεται η περιοχή όπου έχει καταδειχθεί για την μέτρηση εντατικών μεγεθών. Αλλά, εκτός αυτού, πρέπει να χρησιμοποιούνται καλές πρακτικές όπως για παράδειγμα, ορθοκανονική κατανομή αισθητήρων, πολλαπλά σημεία μέτρησης, ειδικά για την μέτρηση στροφής του ουδέτερου άξονα ραβδωτών μελών, κλπ.

Επίσης είναι πολύ σημαντικό να υπάρχουν πλεονασματικά σημεία μέτρησης και εναλλακτικές οδεύσεις καλωδίων. Το περιβάλλον των αισθητήρων και της ενοργάνωσης εν γένει, δεν είναι και το ευγενέστερο. Ειδικά στην φάση κατασκευής.

• Επισκεψιμότητα και δυνατότητα συντήρησης του συστημάτος

Λόγω της κρισιμότητας της δομικής παρακολούθησης, αλλά και λόγω του δύσκολου περιβάλλοντος για το οποίο προορίζεται, είναι απαραίτητο να προβλέπεται ο τρόπος πρόσβασης και επιδιόρθωσής του.

• Ενταξη στο ΒΙΜ

Για να είναι έγκαιρη η διάγνωση πιθανών αστοχιών ή κάποιας μη προβλεπόμενης συμπεριφοράς του TOD, επιλέγεται συνήθως η ενόργανη παρακολούθηση να γίνεται σε πραγματικό χρόνο μέσω IPμέσα από το μοντέλο BIMτου TOD.

Στο σχήμα 8, φαίνεται η ενόργανη παρακολούθηση μέσω IPμιάς μεταλλικής υπερκατασκευής σε πραγματικό χρόνο. Η επιλογή των αισθητήρων με τον κέρσορα, δίνει την χρονοιστορία των εντατικών μεγεθών στο κάτω μέρος της σελίδας, ενώ σε χρωματική κλίμακα δίνεται η κρισιμότητα αυτών.

Σχήμα 8: Ενόργανη παρακολούθηση εντός του BIMσε πραγματικό χρόνο μέσω IP.

Επίλογος

Με την αύξηση της χρήσης των μέσων σταθερής τροχιάς εντός του αστικού ιστού, είναι αναπόφευκτο να αυξάνονται και οι προσπάθειες για την μεγιστοποίηση των ωφελημάτων του Real Estateτων περιοχών των Σταθμών. Το Transit Oriented Development, αναπτύσσεται σε πολύ μεγάλο βαθμό, και τα τεχνικά επιτεύγματα που το συνοδεύουν είναι πολύ σημαντικά. Ειδικά τα θέματα Πολιτικού Μηχανικού έχουν να επιδείξουν πολύ σημαντικές επιτεύγματα, μερικά από τα οποία παρουσιάστηκαν στο σύντομο αυτό πόνημα. Δόθηκε έμφαση στην παρουσίαση αυτή στην αναγκαιότητα της ένταξης της στατικής μελέτης εντός ενός ολοκληρωμένου πακέτου BIM, αλλά και στην ένταξη σε αυτό και του σχεδιασμού και της παρακολούθησης της Δομικής Διάγνωσης του έργου.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Astreinidis Evangelos, “Transit Oriented Development interactions on Existing Metro Systems: The need for the design of adequate Structural Monitoring System and the Experience from international projects”, Chapter in “Tunnel Engineering”, Intechopen, Editor M. Sakellariou – Feb 12th-2019 – DOI: 10.5772/intechopen.86923
2. Astreinidis Evangelos, Tsatsanifos Christos, Patsioras Paraskevas, Chronopoulos Petros, [2018], Structural challenges of Transit Oriented Developments above or in proximity to existing underground Metro Stations and Tunnels, IABSE Symposium Nantes 2018
3. Dittmar H., Ohland G., “The new Transit Town: Best Practices in Transit-Oriented Development, ISBN-13: 978-1559631167
4. Cervero R., “The Transit Metropolis: A Global Inquiry”, ISBN-13: 978-1559635912
5. Deutsche Bahn: Rahmenplanung Talbrucken, Inhaltsvezeichnis 804.9020
6. CODE OF STRUCTURAL INTERVENTIONS 2012 – Earthquake Planning and Protection Organization of Greece (EPPO)
7. Qatar Rail TM-219-G01 “Guidance for Third Party Structural Interventions on Existing Qatar Rail Assets”, Rev.1.0, 04/05/2017
8. Su, R.K.L. Seismic Behaviour of Buildings with Transfer Structures in Low-to-Moderate Seismicity Regions. EJSE Special issue, Earthquake Engineering in the low and moderate seismic regions of Southeast Asia and Australia.
9. Chen, C. and Fu X. (2004) “The Influence of Transfer Beam Stiffness on the Aseismic Behaviour of Column – Shear Wall Transfer Structure”. Building Science, 20 (1), p 35-71