4. POMIARY PRZEMIESZCZEŃ I ODKSZTAŁCEŃ
Zmiany budowli dające się geometrycznie określić to:
a) odkształcenia obiektu - zmiana kształtu lub objętości albo zmiana kształtu i objętości obiektu powodująca zmiany wzajemnych odległości jego punktów. Odkształcenia obiektu mogą być liniowe, postaciowe, objętościowe, trwałe, sprężyste lub graniczne.
b) przemieszczenia obiektu - zmiana położenia obiektu polegająca na przesunięciu albo obrocie lub przesunięciu i obrocie, przy której wzajemne odległości wszystkich punktów obiektu nie ulegają zmianie. Przemieszczenia obiektów mogą być trwałe, nietrwałe lub graniczne.
c) przemieszczenia podłoża obiektu.
Zmiany budowli mogą być wyznaczone z wyników pomiarów pod warunkiem istnienia wcześniejszych pomiarów (w tych samych miejscach i o wyższej, tej samej, lub co najmniej zbliżonej dokładności), z których wynikami można je porównać.
Budowle o szczególnych cechach (np. zapory, kominy, mosty), których dynamika musi być badana w czasie ich eksploatacji, a czasem też w procesie wznoszenia, powinny mieć wykonany pomiar pierwotny. Zaleca się, aby budowle takie miały stałe, specjalnie zaprojektowane, służące do wykonania pomiaru pierwotnego oraz następnych:
a) punkty kontrolne (punkty przyłożenia, punkty zaczepienia, punkty celowania),
b) stanowiska instrumentów pomiarowych (związane z konstrukcją i/lub założone poza nią).
Niektóre z konstrukcji wymagają permanentnych pomiarów cech geometrycznych za pomocą wbudowanych urządzeń pomiarowo - kontrolnych.
Pomiar pierwotny najczęściej wykonuje się przed oddaniem do eksploatacji lub przed próbnym rozruchem. Przy konstrukcjach wymagających badania już w czasie ich wznoszenia, pomiary kontrolne po każdym tyczeniu zaleca się wykonywać tak, aby mogły być akceptowane jako elementy pomiaru pierwotnego.
Jeśli przewidywane są przemieszczenia podłoża, pomiar pierwotny powinien być wykonany możliwie wcześnie przed rozpoczęciem prac, których prowadzenie do tych przemieszczeń może prowadzić. Także w tym przypadku, o ile działania takie są opłacalne, zaleca się zakładać stałe punkty kontrolne i stanowiska instrumentów.
Przystępując do pomiaru przemieszczeń lub odkształceń geodeta ma do dyspozycji różne techniki prowadzenia monitoringu. Można wyróżnić następujące techniki pomiarowe:
1) wyznaczenie przemieszczeń pionowych,
a) metody niwelacji (technicznej, trygonometrycznej i precyzyjnej),
b) metoda przestrzennego wcięcia w przód,
2) pomiar wychyleń od pionu elementów konstrukcyjnych,
a) metoda stałej prostej, gdzie płaszczyzną odniesienia może być:
- pionowa płaszczyzna optyczna instrumentów geodezyjnych,
- pionowa płaszczyzna laserowa w postaci wiązki światła laserowego,
- napięty drut lub struna,
- płaszczyzna realizowana przez inklinometr lub wahadła,
b) metoda przestrzennego wcięcia w przód,
3) pomiary rys obejmujące: pomiar rozwarcia, głębokości, długości, położenia i przebieg rys,
4) wyznaczenie kształtu krawędzi budynku,
a) metoda „śledzenia krawędzi”,
b) metoda przestrzennego wcięcia w przód,
5) kontrola zmian nachylenia fundamentów budynków za pomocą:
a) sensorów,
b) pochyłomierzy.
W praktyce najczęściej wykonywane jest wyznaczenie przemieszczeń pionowych.
4.1. Pomiary przemieszczeń pionowych obiektu budowlanego
Obiekty budowlane posadowione na tzw. gruntach słabych lub niejednorodnych bardzo często podlegają procesom przemieszczeń pionowych, które uwidaczniają się występowaniem różnego rodzaju spękań i zarysowań elementów i zespołów konstrukcyjnych.
Problem zabezpieczenia istniejących budynków podczas wykonywania obok nich wykopów, zwłaszcza głębokich, pod nowe obiekty, jest nie tylko wciąż aktualny ale wzbogaca się o nowe rozwiązania i poszerza swój zakres. Ewentualne uszkodzenia istniejących budynków są wynikiem nierównomiernych przemieszczeń terenu występujących w sąsiedztwie wykopu oraz zmiany parametrów geotechnicznych podłoża gruntowego. Jednak w praktyce bardzo rzadko geodeta uczestniczy w planowym monitoringu przemieszczeń. Najczęściej geodeta wzywany jest w sytuacjach awaryjnych , gdy następują zarysowania budynków położonych w bezpośrednim sąsiedztwie budynku nowowznoszonego. Powoduje to potrzebę wyznaczania i rejestrowania wielkości tych przemieszczeń, które mogą być wyznaczane na podstawie wyników pomiarów geodezyjnych wykonanych metodą niwelacji geometrycznej o wysokiej dokładności tj. metodą niwelacji precyzyjnej.
Przed przystąpieniem do wykonania prac pomiarowych należy utworzyć sieć pomiarową składającą się z reperów kontrolowanych (zainstalowanych na obiekcie obserwowanym w zakresie przemieszczeń pionowych) i reperów odniesienia (zainstalowanych na obiektach sąsiednich o ustabilizowanym procesie przemieszczeń pionowych). W tak utworzonej sieci reperów wykonuje się pomiary różnic wysokości pomiędzy poszczególnymi reperami stosując w tym celu niwelator precyzyjny i łaty inwarowe.
Przykład sieci pomiarowej wykorzystywanej w praktyce inżynierskiej do wyznaczenia osiadań istniejącego budynku A i położonego w jego bezpośrednim sąsiedztwie nowowznoszonego budynku B przedstawiono na rys. 4.1. obejmującym usytuowanie reperów odniesienia 1, 2 i reperów kontrolowanych 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22.
Pierwszy pomiar jest zawsze przyjmowany jako pomiar wyjściowy, zaś każdy kolejny jest pomiarem okresowym, którego wyniki odniesione do wyników pomiaru wyjściowego stanowią podstawę do obliczenia przemieszczeń pionowych reperów obserwowanego obiektu budowlanego.
Ocena prawidłowości wykonania prac pomiarowych odbywa się w wyniku obliczenia odchyłki wysokościowej dla poszczególnych ciągów niwelacyjnych zamkniętych tzw. oczek i porównania jej z odchyłką dopuszczalną.
Przyjęte wyniki pomiaru wyjściowego i pomiaru okresowego podlegają tzw. wyrównaniu obserwacji terenowych, które w przypadku wyznaczania przemieszczeń pionowych może być wykonane tzw. metodą warunkową, w której przedmiotem wyrównania mogą być z kolei zmiany różnic wysokości w okresie między w/w pomiarami.
Zmiany w czasie pionowych rzędnych poszczególnych reperów kontrolowanych można przedstawić na wykresie (rys. 4.2.).
Analiza wyników osiadań pionowych pokazuje, że największemu osiadaniu ulegała południowa ściana szczytowa, sąsiadująca ze ścianą budynku nowowznoszonego. Osiadanie ściany południowej jest prawdopodobnie spowodowane brakiem dylatacji konstrukcyjnej między ławami i ścianami obu budynków.
Monitoring planowy od początku inwestycji chroni przed stanem awaryjnym, a możliwość dostrzeżenia zagrożenia na podstawie wyników pomiarów geodezyjnych pozwala do przyjęcia właściwej technologii robót budowlanych.
Przypadki występowania awarii i katastrof budowlanych występujących przy wznoszeniu nowych budynków w bezpośrednim sąsiedztwie obiektów istniejących wymuszają konieczność stosowania planowego monitoringu geodezyjnego.
4.2. Pomiary pionowości budowli wysmukłych.
Budowa coraz wyższych budowli wymaga większej kontroli ich skuteczności i wytrzymałości. Konstrukcje te są stale narażone na działanie słońca, wiatru, osiadania gruntu, itp. W celu zapewnienia bezpieczeństwa budowli należy wykonywać okresowo obserwacje pionowości, których celem jest opisanie aktualnego kształtu i uchwycenie różnic w stosunku do niminalnego położenia osi trzonu. W pomiarach pionowości stosuje się kilka metod.
Metoda bezpośredniego rzutowania.
Polega ona na wybraniu trzech stanowisk wokół budowli, najlepiej tak, aby kierunki celowania przecinały się pod kątem ok. 
. Wartość i kierunek wychylenia osi budowli uzyskuje się przez rzutowanie teodolitem tworzących trzonu na łatę niwelacyjną umieszczoną pionowo między stanowiskiem teodolitu a trzonem budowli i prostopadle do kierunku celowania (rys. 4.3.). W ten sposób składową wychylenia punktów osi budowli od pionu otrzymuje się bezpośrednio na łacie w skali 
, gdzie: d- odległość instrumentu od łaty, D- odległość instrumentu od obiektu. Wartość ogólną wychylenia określa się analitycznie lub graficznie (np. metodą Langa, rys. 4.5.) wykorzystując zasadę trójkąta błędów.
Metoda trygonometryczna.
Zakładamy sieć złożoną z trzech stanowisk usytuowanych w miarę możliwości symetrycznie wokół budowli w takich od niej odległościach, aby celowe nie były zbyt strome. Minimalne odległości między stanowiskami pomiarowymi a obiektem muszą wynosić minimum 1,5 h od budowli o wysokości h. Niezbędne jest określenie wzajemnego usytuowania punktów obserwacyjnych oraz budowli.
Przemieszczenia trzonu komina wyznacza się w nawiązaniu do odległych punktów orientacyjnych lub odnosi się je do środka komina na najniższym poziomie. Następnie oblicza się różnice kątowe między najniższym poziomem a poszczególnymi poziomami komina. (rys. 4.4).
Wykonując obserwacje z trzech stanowisk określimy wektory 
wychylenia od pionu w trzech płaszczyznach ze wzoru
gdzie:
- odległości stanowiska od obiektu,
- kąty między najniższym poziomem (odniesienia) a poziomami wyznaczanymi.
Wartość ogólną wychylenia określamy również analitycznie lub metodą graficzną Langa (rys. 4.5).
Metoda wcięć kątowych.
Metody wcięć kątowych są oparte na pomiarze kątów do niedostępnych punktów ze stanowisk dowolnie wybranych na placu budowy. Wielkość wychylenia góry budowli G względem dołu D i jego rzuty na osie współrzędnych 
i 
można obliczyć ze wzorów (rys. 4.6) (Baran, Grala 1980):
z pierwszego wcięcia
z drugiego wcięcia
gdzie:
- wektory składowe wychylenia 
- azymuty linii celowania
Zgodność wyników otrzymanych z pierwszego i drugiego wcięcia jest kontrolą pomiarów i obliczeń. Ze średnich wartości wyznaczonych wektorów 
i 
określimy azymut i wielkość wychylenia:
Jeśli potrzebna jest tylko wielkość zmiany wychylenia budowli, a pomiar z trzech stanowisk będzie niemożliwy, to zmianę wychylenia w czasie można wyznaczyć z jednego stanowiska wcięciem przestrzennym w przód, a pomiar z drugiego stanowiska będzie pomiarem kontrolnym (rys. 4.7) (Grala 1979).
Dla odległości przewyższającej wysokość budowli obieramy stanowisko gdzie mierzymy kierunki poziome 
i pionowe 
na punkt, którego zmianę wychylenia wyznaczamy (
- kierunki pomierzone w pierwszym i drugi cyklu). Z pomierzonych kierunków wyznaczamy różnicę 
, 
. Na podstawie tych różnic możemy określić wartości rzutów wychylenia na osi współrzędnych (rys. 4.6):
gdzie:
S - odległość pozioma od instrumentu do obiektu.
Zmianę wychylenia obiektu i azymut wychylenia wyznaczamy ze wzorów:
,
,
gdzie:
- azymut linii celowania.
Metoda fotogrametryczna
Metoda ta jest w swojej istocie analogiczna do metody trygonometrycznej. Różnica polega tylko na tym, że przyrządem wykonywania obserwacji jest kamera fotogrametryczna, nie teodolit (Geodezja Inżynieryjna 1990).
Z trzech stanowisk wykonywane są zdjęcia tak, aby badany obiekt znajdował się, jeśli to możliwe, na środku kliszy. Każde zdjęcie pozwala na wyznaczenie jednej składowej odchyleń od pionu soi budowli na poszczególnych poziomach obserwacji względem poziomu najniższego. Składowa ta jest rzutem wektora odchylenia od pionu na płaszczyznę równoległą do płaszczyzny kliszy, przy czym składowa ta powstaje według zasad rzutu środkowego, jakim jest zdjęcie fotogrametryczne.
Wyniki obserwacji z dwóch stanowisk pozwalają na określenie wektora odchylenia, obserwacja z trzeciego stanowiska jest obserwacją nadliczbową, konieczną do wyznaczania trójkąta błędów przy wyznaczaniu odchylenia od pionu, a tym samym niezbędną jako kontrola wyznaczenia.
Przy określaniu wektora odchylenia od pionu korzystać można z pomierzonych za pomocą stereokomparatora różnic współrzędnych tłowych i wyznaczonej skali zdjęcia, ale w tym wypadku należy wprowadzać do wyników pomiarów poprawkę perspektywiczną w przypadku pozaosiowego usytuowania komina (chłodni) na zdjęciu. Można również obliczać kąty na podstawie współrzędnych tłowych i odległości obrazowej i operować, tak jak w metodzie trygonometrycznej, zmianami kątów.
Przy pomiarze fotogrametrycznym pionowa linia odniesienia jest zrealizowana przez znaczki tłowe górny i dolny. Stąd bardzo ważnym elementem podczas realizowania tej metody jest dokładne poziomowanie kamery oraz kontrola warunku pionowości znaczków tłowych w spoziomowanej kamerze. Warunek ten może być zastąpiony przez zrealizowanie w terenie poziomej bazy, która fotografowana na zdjęciu razem z badaną budowlą dostarcza linii poziomej, prostopadłej do linii odniesienia.
Z uwagi na wspomniane już nieustanne działanie czynników zewnętrznych obserwowany obiekt trzeba uważać za układ w pełnym tego słowa znaczeniu dynamiczny. W związku z tym pomiary pionowości należy prowadzić w takich godzinach, aby udział czynników zewnętrznych w formowaniu aktualnego kształtu budowli był możliwie najmniejszy. Pomiar pionowości wykonany będzie prawidłowo tylko wówczas, kiedy pomiarem tym uchwyci się położenie osi budowli możliwie najbliższe jej położenia spoczynkowego. Na sytuację taką można liczyć tylko przy pochmurnej bezwietrznej pogodzie i we wczesnych godzinach rannych. Drugim warunkiem prawidłowości wykonania obserwacji pionowości jest jednoczesność prowadzenia pomiaru ze wszystkich stanowisk wcinających, gdyż tylko wówczas uchwyci się faktyczny kształt osi budowli.
Zaleca się, aby dla większych i bardziej złożonych obiektów używać sygnalizacji punktów badanych, stosując stabilizację już w okresie wznoszenia. Takie postępowanie daje możliwość zastosowania do pomiarów pionowości również dalmierzy optycznych, które wymagają, jak wiadomo ustawienia, reflektora w punkcie celu.
Duża podatność budowli wieżowych na odkształcenia sprawia, iż winny być one poddawane systematycznym obserwacjom przemieszczeń.
Dokumentacja pomiarów dla określenia przemieszczeń i odkształceń.
1. Dokumentacja pomiarów wykonywanych w celu określenia wielkości przemieszczeń i odkształceń powinna obejmować:
a) projekty badań przemieszczeń i odkształceń,
b) program stabilizacji punktów pomiarowych i (ewentualnie) urządzeń pomiarowo-
kontrolnych,
c) program wykonania pomiarów,
d) obliczenia przygotowawcze i ich wyniki,
e) zestawienia wyników pomiarów,
f) opracowania wyników dostosowane do wymogów ich interpretacji,
g) opracowania interpretacyjne,
h) protokóły uzgodnień i posiedzeń dotyczących kontroli bezpieczeństwa obiektu, związane z wyznaczeniem przemieszczeń i odkształceń.
2. Dokumentację wymienioną w ust. 1 należy przechowywać przez cały okres eksploatacji obiektu. Za przechowywanie tej dokumentacji odpowiada w okresie budowy inspektor nadzoru inwestorskiego, a w okresie eksploatacji - inspektor nadzoru eksploatacyjnego.
3. Projekt badań przemieszczeń i odkształceń powinien zawierać:
a) określenie celu badań oraz charakteru czynników wywołujących odkształcenia obiektu,
b) plan osnowy pomiarowej i rozmieszczenia punktów kontrolowanych oraz urządzeń
pomiarowo-kontrolnych,
c) metody pomiarów wraz z uzasadnieniem ich wyboru,
d) harmonogram pomiarów,
e) opis sposobu opracowania wyników,
f) ewentualny sposób identyfikacji stałego układu odniesienia (dla badań przemieszczeń bezwzględnych),
g) wymagany skład dokumentacji pomiarowo-obliczeniowej.
4. Określenie wartości przemieszczeń / odkształceń granicznych oraz współczynników precyzji należą do projektanta.
5 Opracowanie wyników pomiarów w zakresie ustalenia najbardziej prawdopodobnych wartości obserwowanych wielkości, ich błędów średnich i granicznych należą do geodety - wykonawcy pomiarów.
6. Obliczenia interpretacyjne dotyczące przemieszczeń / odkształceń w oparciu o wyniki pomiarów nie należą do geodetów, ale mogą być im zlecane i powinny być wykonywane w ścisłej współpracy z odpowiednimi specjalistami. Są to w zależności od przedmiotu: odkształcenia czy przemieszczenia, budowli czy podłoża - geofizycy lub budowniczowie (konstruktorzy, specjaliści mechaniki gruntów i fundamentowania).
7. Wnioski interpretacyjne z obliczeń dotyczących przemieszczeń/odkształceń należą do wspomnianych specjalistów.
Wyszukiwarka