2) METODY MONITORINGU OBIEKTOW INZYNIERSKICH NA
TERENACH AKTYWNYCH SEJSMICZNIE. OMOWIC 1 WYBRANA
Badanie deformacji - to systematyczne pomiary przemieszczeń oraz śledzenie zmian w kształcie i wymiarach obiektów jako wynik działających na nie naprężeń. W zależności od zastosowania i regularności, czętości pomiarów, używa się różnych instrumentów do pomiaru deformacji. Można je podzielić na instrumenty geodezyjne, jak GPS, Total Station, niwelatory, satelitarny system odbiorników oraz na instrumenty geotechniczne, które nie mają odniesienia przestrzennego, mierzą w układzie lokalnym, powiązane są z efektami lub warunkami środowiskowymi: ekstensometry (do pomiaru naprężeń), piezometry (poziom wody), termometry, wskaźniki wilgotności, akcelerometry (pomiary przyspieszenia), sejsmometry, pochyłomierze barometry, inklinometry i inne. Innymi technikami mogą być pomiary radarowe.
Obiektami inżynierskimi, dla których prowadzone są pomiary deformacji są:
tamy, drogi, tunele, mosty, budynki wysokiego ryzyka (budynki użyteczności publicznej) oraz kopalnie.
Metody pomiaru deformacji:
ręczne - ręczna obsluga czujników lub instrumentów
automatyczne - są to pomiary wykonywane przy pomocy instrumentów powiązanych i współdziałających ze sobą lub z zewnętrznym sprzętem i opraogramowaniem, tworzących całość. Pomiar wykonywany jest automatycznie po jednorazowym wprowdzeniu danych lub współczynników i funkcji. Metody automatyczne mogą być wykorzystywane do ciągłego lub okresowego (periodycznego) badania zachowań obiektów.
geodezyjne (total station, GPS, Scanning laserowy, polączenie GPS i Total Station)
geofizyczne (lokalne) - piezometry, inklinometry, szczelinomierze, itd.
ZROBOTYZOWANE Total Station
W kopalniach już od wczesnych lat 90 XX wieku wykorzystywano zautomatyzowane tachinetry do monitoringu pryzmatów. Poczatkowo punkty kontrolowane były umieszczane w takich miejscach, aby można było pomiary odnieść do punktów już pomierzonych, punktow nawiązania. Stacja totalna mierzy kąt pionowy, poziomy i odległość zredukowaną do tarczy (pryzmatu), razem z ich współrzędnymi N, E, U, a następnie te przemieszczenia są obliczane. Stanowiska są tak wybierane, aby w późniejszych okresach pomiarowych stanowiły podstawę do wyznaczania przemieszczeń, zatem muszą być stabilne i zaniwelowane wzdłuż głównej linii pionu. W kopalniach total stations są ustawiane głównie w górnych częściach wykopu. Przynajmniej jeden punkt wyznaczany jest do orientacji pomiaru i rotacji z uwagi na nierównomierne ogrzewanie i wychładzanie się punktu (podstawy, monumentu) oraz instrumentu..
Celowanie instrumentem odbywa się na dwa sposoby: automatycznego rozpoznania celu i sygnału skanowania. Automatyczne rozpoznanie celu (ARC) odbywa się poprzez dwie zamontowane w obiektywie kamery CCD słuzące do pomiaru powracajacej fali lasera. W wyniku otrzymuje się obraz rozbieżności pomiedzy punktem na tarczy i osią lunety.Jednak ich zasięg ograniczony jest przez warunki atmosferyczne, optykę, siłę lasera i rozdzielczość matrycy CCD.
W przypadku, gdy tarcza nie znajduje się w zasięgu automatycznego rozpoznania celu, niezawodna staje się metoda skanowania sygnał. Polega ona na pomiarze lewej, prawej części tarczy, następnie góry i dołu i wyliczeniu współrzędnych środka tarczy. Pozwala to na pomiar z odległości 3 - 4km dla pojedynczego sygnału, jednak jest to pomiar długotrwały w porównaniu do ARC (trwa ok kilku minut), a osiągana dokładność jest na poziomie decymetrowym. Ta metoda jest wystarczająca w pomiarach trudno wykrywalnych deformacji w kopalniach odkrywkowych. Jednak umieszczenie stacji w centralnej części wykopu jest często niemożliwe ze względu na obecność maszyn ciężkich, ponieważ mogą one spowodować niestabilność punktu na całe dni lub tygodnie. W związku z tym proponowane są następujące rozwiązania:
1) użycie sieci tachimetrów do wykonania pomiarów na te same charakterystyczne punkty, a następnie zestawienie wyników pomiarów i wyrównanie sieci,
2) połączenie pomiarów tachimetrycznych i satelitarnych w celu zapewnienia całkowitej kontroli
3) wykorzystanie obserwacji sateliarnych do wyrównania sieci.
Użycie odbiorników GNSS do zapewnienia stałego ukladu odniesienia dla pomiarów tachimetrycznych na terenach niestabilnych ( w środowiskach niestabilnych) jest realna opcja i jedną z wielu korzyści wykorzystania więcej niż jednej techniki do wyrównania sieci.
GPS
W wielu przypadkach pomiar małych, zmian powierzchniowych na stromych zboczach może prowadzić do koniecznej obrony przed katastrofami. Są one często monitorowane przy użyciu teodolitów, Total Stations i geotechnicznych pomiarów deformacji. Niestety użycie konwencjonalnych technik pomiarowych często może być niewystarczające dla niektórych obserwacji, a rezultaty tych pomiarów nieadekwatne lub obarczone blędami rozwiązania. Dlatego właśnie GPS stal się alternatywną metoda monitoringu przemieszczeń powierzchniowych.
GPS stał się wiodcą technologią przy pomiarze przemieszczen pozwalającą na pozyskanie dużej ilości danych (typowo z częstotliwością 10Hz). Ze względu na możliwość pozyskania danych w czasie rzeczywistym z dokładnością centrymetrową, znalazł szerokie zastosowanie przy monitorowaniu różnych obiektow, ale także przy obsludze dźwigów, opracowaniu rozkladu drgań przy konstrukcjach budynków i mostów, a także przy weryfikacji przemieszczeń pionowych (odksztalceń) dymanicznych podczas konstruowania. Jednak głównymi wadami GPS-ów są:
- wymagania w stosunku do kąta elewacji (15o), co uniemoźliwia pomiar w terenach zurbanizowanych, zalesionych i obiektach zamkniętych,
- przy zlej geometrii satelitów pomiar staje się mniej dokladny.
Wyróżnia się dwie techniki pomiaru przemieszczeń:
- ciągła, pozwalająca na wykrycie ruchów skorupy ziemskich, obsuwania się gruntu i przemieszczeń geotechnicznych,
- epizodyczna (okresowa) uzywana do monitoringu tam, kopalni odkrywkowych ścian oraz obsuwania się gruntu (zwałowisk), a także tam gdzie zastosowanie meteod ciągłych jest niemożliwe ze względu na koszty i brak możliwości stabilizacji stanowiska do pernamentnych obserwacji. Przede wsystkim różnice można zaobserwować przy lokalizacji odbiornika i strategii rozwiązania. Głownymi zaletami obserwacji ciągłych GPS są:
- wykluczenie błędów systematycznych spowodowanych wielotorwością, odbiciami, opóźnieniami atmosferycznymi, błędami zegara, przesunięciem centrum fazowego anteny)
- zlikwidowanie blędów grubych wynikających ze złego centrowania, i innych błędów ustawczych,
- zlikwidowanie osztów zatrudniania osób potrzebnych do obslugi odbiornika - pomiar odbywa się automatycznie.
Scanning laserowy naziemny:
Scanning laserowy jest nowa metoda pozwalająca na uzyskanie dużych ilościowo i objętościowo danych z rozwiązaniem 3-D w zastosowaniach monitoringu obiektow inżynierskich. W pzeciwieństwie do tradycyjnych metod, które pozwalaja na pomiar setek dyskretnych punktów podczas kilku kilkunastu sesji pomiarowych, obraz laserowy pozwala uzyskać miliony punktow w ciągu zaledwie kilku minut. Zasięg pomiaru obejmuje teren od 50 do 350 m.
Możliwością sscanningu laserowego jest pozyskanie dużej ilości wyników dobrej jakości na calym obiekcie jako na poweirzchni, co jest zdecydowaną przewaga scannigu nad tradycyjnymi metodami geodezyjnymi (jak GPS i Total Stations), szczególnie dla deformacji powierzchni. Chmury punktów mogą być szybko przetworzone do regularnych siatek lub striangularyzowane pozwalającymi na zidentyfikowanie lokalnych obsunięć, które mogły zostac pominięte przy użyciu tradycyjnych metod. Ponadto sygnalizowanie punktów kontrolnych nie jest tu niezbędne, co wyklucza kontak z potencjialnie niebezpiecznym terenem. Może zostać zastosowana do pomiaru takich powierzchni jak ściany wyronbisk kopalni odkrywkowych, tereny zurbanizowane (zainwestowane przemysłowo), mosty i budynki. Największym potencjał scanningu laserowego leży w mozliwości archiwizowania ogromnych ilości danych 3-D punktów. Pozwoli to slużącego projektowaniu i analizie.na modelowanie obiektów inżynierskich importowanych do oprogramowania
Jedyna wada jest to, że za każdym razem operator musi wprowadzić dane dotyczące punktu stanowiska, ze względu na różnorodność układów odniesienia - scnning może pomierzyć jedna chmurę dla różnych ukladów odniesienia. Proces rejestracji pozwala na jednoznaczne zidentyfikowanie punktów i przetransformowanie ich doo jednego układu. Gdy rejestracja jest kompletna, to pozwala na wyeliminowanie (filtrację) szumów pomiarowych i nadmiaru obserwacji.