GEODEZJA WYKŁAD Pomiary przemieszczeń i odkształceń Katedra Geodezji im. K. Weigla ul. Poznańska 2

Pomiary przemieszczeń i odkształceń Geometrycznie zmiany obiektu budowlanego to: - odkształcenia obiektu, - przemieszczenia obiektu, - przemieszczenia podłoża obiektu. Zmiany oblicza się na podstawie wyników pomiarów pod warunkiem istnienia wcześniejszych pomiarów (w tych samych miejscach i o wyższej, lub co najmniej zbliżonej dokładności), z których wynikami można je porównać. Okresowe pomiary przemieszczeń i odkształceń wykonuje się, jeżeli pomiary takie przewiduje projekt budowlany lub na wniosek zainteresowanego inwestora. Przemieszczenie to zmiana położenia punktów obiektu bez zmiany kształtu (wzajemnych odległości punktów badanych). W interpretacji geometrycznej to translacje i obroty. Odkształcenie jest zmianą położenia punktów obiektu wynikającą ze zmiany kształtu. W ocenie geometrycznej to zmiana skali, skręcenie, wyboczenie, ugięcie.

Pomiar pierwotny i pomiary kontrolne okresowe Ekspertyzy budowlane wymagają wyznaczenia odchyłek wymiarów wraz z oceną błędów. Wykonuje się pomiary kontrolne dla uzyskania danych o pionowości, prostoliniowości, odchyleniach od teoretycznego kształtu i odkształceniach budowli i gruntu najczęściej dla poznania charakteru czynników wywołujących odkształcenia obiektu Kontrola zmian położenia elementów budowli w czasie jej użytkowania może być jednokrotna lub okresowa. Jednokrotny pomiar daje informację o aktualnym stanie obiektów, która może być porównana z teoretycznym modelem. Jest to zbiór danych o odchyłkach wymiarów budowli od teoretycznego modelu. W praktyce jako model budowli przyjmuje się obiekt opisany przez dokumentację projektową. Okresowe pomiary kontrolne: - pierwotny, stan początkowy obiektu w momencie t o, - wyjściowy, stan obiektu na moment t i pomiaru poprzedniego, - aktualny, stan obiektu na moment t a pomiaru aktualnego Pomiar pierwotny wykonuje się przed oddaniem do eksploatacji lub przed próbnym rozruchem.

Składowe przemieszczeń i odkształceń Wyznaczanie przemieszczeń i odchyłek od stanu teoretycznego wykonuje się najczęściej metodą różnicową Odkształcenia budowli i urządzeń są analizowane w oparciu o uzyskane przemieszczenia punktów kontrolowanych, wyznaczane w trakcie pomiarów okresowych. Wektor przemieszczenia, które nastąpiło pomiędzy stanem pierwotnym „0” i stanem „ i ” (w momencie t i ) jest określony trzema składowymi: Składowe: a)Poziome ∆ X i ∆ Y (w rzucie punktów kontrolowanych na płaszczyznę poziomą). b)Pionowe ∆ Z (w rzucie punktów na płaszczyznę pionową). Składowymi pionowymi są osiadania budowli i gruntu. Składowe pionowe wyznacza się w oparciu o pomiary wysokościowe metodą niwelacji geometrycznej lub trygonometrycznej ∆ X = X i – X o, ∆ Y = Y i – Y o, ∆ Z = Z i – Z o. Przem. wypadkowe:

Składowe w układzie ortogonalnym X, Y, Z Z X Y PoPo PP XX ZZ YY PiPi 

Przemieszczenie i odkształcenie graniczne  g jest to wartość (odchyłka), która nie może zostać przekroczona bez ujemnych skutków dla prawidłowości, działania urządzenia, wytrzymałości konstrukcji, lub walorów architektonicznych. Określenie wartości granicznych należy do projektanta Ogólna klasyfikacja przemieszczeń 1.Bezwzględne, wyznaczane w układach odniesień, spełniających kryterium stałości. 2.Względne, wyznaczane w odniesieniu do punktów układu związanego z badanym obiektem. Punkty kontrolnej sieci pomiarowej: 1.Kontrolne tworzą układ odniesienia, lokalizowane w oddaleniu od badanego obiektu, 2.Kontrolowane (badane) sygnalizują zmiany położenia elementu obiektu, Takie punkty powinny zapewnić sprawdzenie kształtu, orientacji, lokalizacji i zmian wymiarów budowli. 3.Wiążące są pośrednio związane z punktami kontrolowanymi i służą do powiązania sieci pomiarowej założonej do prowadzenia obserwacji

Zakres i rodzaj pomiarów kontrolnych powinien być ustalany indywidualnie w zależności od potencjalnych zagrożeń. Liczba punktów do pomiaru przemieszczeń pionowych budynku nie powinna być mniejsza od 6 dla budynków w strefie bezpośredniego oddziaływania wykopu i 4 dla budynków w pozostałych przypadkach. Częstotliwość pomiarów powinna być uzależniona od postępu robót i wartości stwierdzonych przemieszczeń. Pomiary należy wykonywać co najmniej po każdym zakończonym etapie robót.

metody pomiarów Przemieszczenia pionowe: -metoda niwelacji geometrycznej, -metoda niwelacji trygonometrycznej, Przemieszczenia poziome: -metoda powierzchniowej sieci kątowej, -metoda sieci kątowo-liniowej, -metoda stałej prostej, -metoda bezpośredniego rzutowania, -Metoda niwelacji bocznej, -metoda kątowych wcięć w przód, -metoda biegunowa. W sieci niwelacyjnej zakłada się ciągi łączące punkty kontrolne i kontrolowane.

∆ i - ∆ i-1 = (h a i - h w i-1 ) + v i równanie przemieszczeń dla każdej obserwacji różnicy wysokości pomiędzy punktami sieci. v i = ∆ i - ∆ i-1 + (h a i - h w i-1 ) v i – poprawka uwzględniająca błąd przypadkowy pomiarów, h a i, h w i-1 - różnice wysokości pomiędzy punktami (i, i-1) aktualna i wyjściowa Metoda najmniejszych kwadratów  pv i = min, rozwiązuje układ równań dając wartości przemieszczeń ∆ i. Wyznaczenie przemieszczeń poziomych z obserwacji w sieci, wymaga zestawienia dla każdego mierzonego kąta i długości równania: d i,i-1 + v i = f(X i +∆ Xi, Y i + ∆ Yi, X i-1 +∆ i-1, Y i-1 + ∆ i-1 ) Nieliniowa forma funkcji f(X,Y) wymaga użycia specjalnych algorytmów w metodzie najmniejszych kwadratów do obliczenia ∆ Xi, ∆ Yi,

Zmiany położenia punktów kontrolowanych (wykres) X Y

Zmiany w rzutach na płaszczyzny pionowe XY Z

Ocena granicznych przemieszczeń Wartości ostrzegawcze i alarmowe należy określać dla każdego budynku, uwzględniając jego konstrukcję, przeznaczenie i oddalenie od źródła.

Analiza błędów Z prawdopodobieństwem P = stwierdza się, że błędy pomiarów należą do przedziału:, stąd  g = r m p  g – odchyłka graniczna, r - współczynnik krotności błędu średniego; Wymagana dokładność pomiaru:

Metoda stałej prostej Do obserwacji obiektów wydłużonych i prostoliniowych (mosty, korony zapór wodnych, mury oporowe, ściany budynków). Metoda stałej prostej daje wartości składowych przemieszczeń w kierunku prostopadłym do osi obiektu. Linia wytyczona w pobliżu osi obiektu z 2 parami stałych punktów A,B i C, D położonych poza obiektem na trwałym podłożu. Wzdłuż linii BC stabilizowane wskaźniki punktów kontrolowanych {1,2,3,...,k}, nad tymi punktami ustawia się liniał z podziałką i tarczą celowniczą. W punktach A i B ustawia się teodolit zaś w C i D tarczę sygnałową. Oś celowa teodolitu (z lunetą o dużym powiększeniu 40-60X) wyznacza płaszczyznę pionową, względem tej płaszczyzny wyznaczane są położenia punktów kontrolowanych 1-k. Na podziałkach przesuwnego liniału odczytuje się odległości punktów od płaszczyzny (stałej prostej). Różnice obserwacji w kolejnych pomiarach okresowych wskazują na zmiany położenia punktów kontrolowanych. ABCD Wydłużony obiekt

Metoda przestrzennego wcięcia w przód S1S1 S2S2 PnPn PoPo P1P1 P2P2 z1z1 oo oo z1z1 baza S 1 S 2 - stanowiska pomiarowe, P o, P 1,.., P n – punkty kontrolowane,  o,  o,  1,  1 - kąty poziome kierunków wcięcia, z 1, z 1 - kąty zenitalne C 1, d 1 – długości celowych. c1c1 d1d1

S1S1 S2S2 PnPn PoPo P1P1 P2P2 z1z1 z2z2 d 1 d 2 Metoda bezpośredniego rzutowania 90 o S 1 S 2 - stanowiska pomiarowe, P o, P 1,.., P n – punkty kontrolowane, O o, O 1, O n - odczyty z poziomej łaty niwelacyjnej, z 1, z 1 - kąty zenitalne d 1, d 2 – długości celowych. Łata niwelacyjna O1O1

Metoda bezpośredniego rzutowania Stan: S 1 Pkt Odczyty O i Kąt Z i d 1 = O O O O O O Z i = d k (ctg z i – ctg z 0 ) – wysokości punktów na poziom punktu P 0.  X i = O’ i – O’ 0. Odczyty na łacie ze stanowiska S 1  Y i = O’’ i – O’’ 0. Odczyty na łacie ze stanowiska S 1

Urządzenia pomiarowo – kontrolne do pomiarów względnych, Tensometry i czujniki zegarowe (mechaniczne, elektroniczne), Dylatometry i szczelinomierze, Klinometry i pochyłomierze, Pionowniki, i piony mechaniczne, Wahadła. Urządzenia mogą być zamontowane na stałe lub przemieszczane w miejsca punktów kontrolowanych na czas pomiarów. W obiektach zamkniętych (zapory, jazy) prowadzone jest ciągłe monitorowanie wskazań urządzeń pomiarowych.

Urządzenia pomiarowo – kontrolne do pomiarów względnych, Czujnik zegarowy i szczelinomierz do pomiaru wydłużenia

Szczelinomierz mechaniczny stały

Tensometr do montowania w dylatometrach

Pochyłomierz

Czynne osuwisko Osuwisko jest formą deformacji powierzchni ziemi występuje na stokach, powstaje w wyniku procesu osuwania gruntu.

Zjawiska wywołujące osuwisko : nawodnienie gruntu spowodowane długotrwałymi opadami lub roztopami, a także podtopieniami wylewających rzek, podcięcie stoku przez erozję w dolinie rzecznej lub w wyniku działalności człowieka, np. przy budowie drogi, nadmierne obciążenie stoku przez budowle, wibracje związane z robotami ziemnymi, ruchem samochodowym, eksplozją materiałów wybuchowych, wstrząsy sejsmiczne (trzęsienia ziemi). Osuwiska są szczególnie częste w obszarach o sprzyjającej im budowie geologicznej, gdzie warstwy skał przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych występują naprzemiennie.

Opady wywołujące osuwisko

Największe rozpoznane osuwisko na Ziemi znajduje się w Iranie. W Polsce osuwiska występują w Beskidach (w 2001 roku osuwisko w Lachowicach zniszczyło 15 budynków mieszkalnych, osuwisko w Jachówce zagroziło osiedlu Straczkówka, osuwisko w Nowym Sączu zniszczyło kilka zabudowań mieszkalnych i gospodarczych). Osuwiska spotyka się na zboczach Wisły i na bałtyckich klifach. Trudność w prognozowaniu osuwisk, związanych z opadami atmosferycznymi, wynika z nieregularności występowania tych zjawisk. Ich występowanie jest w praktyce nieprzewidywalne, można określić jedynie statystyczne prawdopodobieństwo ich wystąpienia. Najskuteczniejszym sposobem unikania zniszczeń, jakie wynikają z powstania ruchów masowych, jest omijanie terenów osuwiskowych i wykluczenie z ich zasięgu działalności gospodarczej. Obszary narażone na wystąpienie osuwisk powinny podlegać szczególnym zasadom zagospodarowania, drenowaniu i odwadnianiu.

Teren osuwiskowy

Osuwiska górskie

Teren osuwiskowy

Rejestracja, przeprowadzona na obszarze środkowej części Karpat w 1997 roku, wykazała ponad 500 przypadków zagrożeń obiektów budowlanych. W roku 2000 zarejestrowano około 2500 obiektów zagrożonych, a w 2001 ponad 200 następnych obiektów. Stabilizację skarp przeprowadza się różnymi metodami zależnie od warunków terenowych. W miejscach osuwisk dla utworzenia nad skarpą tarasów do zabudowy, wykorzystuje się technologie gruntu zbrojonego i gabionów. Gdy podcinamy istniejące skarpy w celu pozyskania terenów inwestycyjnych u ich podnóża wykorzystuje się różne technologie: kotew gruntowych, palisad z pali wierconych lub ścianek szczelnych stalowych

Czynne osuwisko w Lachowicach

Osuwisko w Dobczycach

Badanie przemieszczeń skarp Ocena stateczności skarp i zboczy na podstawie pomiarów inklinometrycznych W budownictwie stosuje się aparaturę kontrolno-pomiarową umożliwiającą pomiar przemieszczeń poziomych nie tylko na powierzchni konstrukcji, lecz również w częściach niedostępnych dla pomiarów geodezyjnych, są to inklinometry.

ZASADY POMIARU Pomiar wykonuje się przy użyciu sondy klinometrycznej, umożliwiającej wyznaczenie wychylenia od pionu w dowolnym punkcie na całej długości otworu. Sondę opuszcza się na dno otworu i wykonuje się pierwszy odczyt nachylenia, następny i kolejne odczyty prowadzi się po podniesieniu sondy o założony odcinek (np. 1 m), aż od powierzchni terenu. Przemieszczenie poziome Δu ij i-tego odcinka o długości 1 m będzie: Δu ij = (sin θ ij - sin θ io )*1000 mm Θ io – kąt nachylenia odcinka w pomiarze zerowym (odniesienia) Θ ij – kąt nachylenia odcinka w j-tym pomiarze. Sumowanie Δu ij od dna otworu do jego szczytu daje ∑Δu ij - przemieszczenie skumulowane.

MONITORING WYKOPÓW Warunki realizacji budowy wymagają wykonywania głębokich wykopów, a te z kolei – zabezpieczeń ścian wykopów specjalnymi konstrukcjami budowlanymi. Zagrożony jest nie tylko nowo wznoszony obiekt, ale i otoczenie rejonu budowy. Konieczna jest znajomość zmian geometrycznych dla wybranych punktów kontrolowanych. Ważne jest tempo, zakres, dokładności i forma przedstawiania wyników. Nowe technologie pomiarowe i systemy przetwarzania danych pozwalają uzyskiwać wartości przemieszczeń w czasie trwania pomiarów (w czasie rzeczywistym). Katastrofa budowlana przy ulicy Puławskiej w Warszawie, wymusiła wprowadzenie monitoringu w trybie interwencyjnym. Rozległość katastrofy i stopień wynikającego z niej zagrożenia dla otoczenia wymagały użycia różnych technik pomiarowych dostosowanych do potrzeb. Monitorowaniu powinny być poddane budynki bezpośrednio zagrożone, ściany szczelinowe, powierzchnie ulicy oraz samo osuwisko. Poziome przemieszczenia punktów kontrolowanych dwóch ścian szczelinowych przekraczały dwukrotnie wartości deformacji dopuszczalnych.

Złamanie ściany szczelinowej od strony ulicy Chocimskiej i obsunięcie się gruntu wraz z kontenerami zaplecza budowy do wykopu. Upadkiem były zagrożone dwa żurawie wieżowe. Zniszczeniu uległy fragmenty konstrukcji stropów i słupów wznoszonego obiektu oraz 50-metrowy fragment nawierzchni ulicy Chocimskiej wraz z infrastrukturą technicznego uzbrojenia terenu.

POMIARY PRZEMIESZCZEŃ BUDOWLI WODNYCH

ZAPORA DOBCZYCE