Ciągły monitoring zmian geometrycznych

Transkrypt

1 Ciągły monitoring zmian geometrycznych konstrukcji obiektów mostowych dr inż. Krzysztof Karsznia Leica Geosystems Sp. z o.o. mgr inż. Maciej Wrona Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie 28 Wobec skali dzisiejszych projektów budowlanych tradycyjne metody geodezyjne zdawały się niejednokrotnie niewystarczające. Technologiczny postęp w dziedzinie instrumentów i technologii pomiarowych doprowadził w rezultacie do powstania nowych, specjalistycznych rozwiązań w dziedzinie pozyskiwania informacji o dynamicznym i geometrycznym stanie konstrukcji. Dziś geodezyjny monitoring obiektów inżynierskich jest działaniem kompleksowym. W przeciwieństwie do okresowego pomiaru kontrolnego dostarcza ciągłych informacji dotyczących zmian geometrii badanej konstrukcji. Uruchomienie takiego spójnego systemu kontrolno-pomiarowego wymaga współpracy wielu specjalistów oraz jasnego podziału kompetencji dane dostarczone przez geodetów muszą być umiejętnie zinterpretowane, tak by odpowiednie służby uzyskały wiarygodną informację o stanie danej struktury w sposób natychmiastowy. Działanie takie pozwala na podjęcie odpowiednich kroków zaradczych, zanim wykryte niepokojące zjawisko stanie się niebezpieczne dla życia i zdrowia ludzi, a także zagrozi mieniu i okolicznej infrastrukturze. W efekcie interdyscyplinarnej współpracy geodetów, mostowców, geologów czy geotechników można przystąpić zarówno do wykonania samego projektu monitoringu mostu, jak też do sporządzenia harmonogramu wdrożenia i eksploatacji opracowanego systemu. Należy bowiem dokładnie zapoznać się z warunkami geologicznymi i hydrogeologicznymi bezpośredniego otoczenia mostu, warunkami atmosferycznymi panującymi w miejscu budowanej przeprawy, rodzajem konstrukcji realizowanego obiektu, danymi technicznymi, działającymi na konstrukcję siłami itp. Analizując właściwości fizyczne mostu, w sposób szczególny rozpatrujemy przejęcie, przeniesienie i wykorzystanie sił, którym obiekt jest poddany. Siły te mają trzy źródła: ciężar własny mostu, obciążenia użytkowe przemieszczające się po moście oraz obciążenia zewnętrzne środowiskowe, takie jak: wiatr, oddziaływanie wody, a także sejsmika otoczenia (1). Udział tych czynników w oddziaływaniu na konstrukcje może być różny w zależności od materiału, typu konstrukcji, sposobu użytkowania mostu oraz jego lokalizacji. Z racji swojej funkcjonalności, a także rozmiarów, na szczególną uwagę zasługują mosty podwieszone i wiszące.

2 mosty materiały i technologie Przykład zintegrowanego monitoringu geodezyjnego mostu pomiar testowy w Lubuskiem Współczesne systemy pomiarowe i diagnostyczne w sposób oczywisty podnoszą wiarygodność przeprowadzanych ekspertyz dotyczących stanu technicznego obiektów mostowych. W niedalekiej przeszłości ciężar precyzyjnego pozyskania informacji o geometrii konstrukcji spoczywał na geodetach korzystających z optycznych instrumentów pomiarowych. Tego typu prace, bazujące na pomiarach kątowo-liniowych i metodach niwelacji, pozwalały na osiągnięcie wymaganej dokładności rzędu ±1 mm. Dzięki stosowanym przy ich budowie rozwiązaniom możliwe jest konstruowanie coraz dłuższych przęseł, co daje możliwość pokonywania coraz szerszych przeszkód. W Polsce na szczególną uwagę zasługuje most przez Wisłę w Płocku, którego całkowita długość wynosi 1200 m. Najdłuższym na świecie mostem podwieszanym jest Tsing Ma w Hongkongu, który obsługuje ruch kołowy oraz kolejowy. Składająca się z trzech segmentów konstrukcja przebiega w sumie na przestrzeni 3,5 km długość przeprawy Tsing wynosi bowiem 1377 m, a pozostałe (Kap Shui Mun oraz Tiang Kau) mają odpowiednio 1177 m i 820 m. Jak wiele innych mostów podwieszanych, konstrukcja ta pracuje w granicach od kilku centymetrów do kilku metrów, zależnie od panujących obciążeń. Chociaż wydaje się, iż warunki te nie stanowią zagrożenia dla tego typu konstrukcji, jednak nasilanie się drgań i obciążeń w czasie może być powodem zagrożenia stabilności przeprawy. W tym przypadku zastosowanie znajduje system monitoringu bazujący na technice pomiaru satelitarnego GNSS (amerykański GPS, rosyjski GLONASS oraz europejski system GALILEO, będący w fazie rozwoju) w czasie rzeczywistym. Technologia ta pozwala wyznaczyć przemieszczenia z dokładnością centymetrową (lub rzędu kilku milimetrów przy zastosowaniu odpowiedniej filtracji danych), jak też na bieżąco śledzić ruchy konstrukcji spowodowane wiatrem, zmianami temperatur oraz obciążeniami. Nowoczesne odbiorniki geodezyjne GNSS pozwalają pozycjonować punkty kontrolowane z częstotliwością co najmniej 20 Hz (obecnie w powszechnym użytku są odbiorniki 50 Hz, a nawet 100 Hz). Ponadto, zastosowanie techniki satelitarnej GNSS bardzo efektywnie uzupełnia znane i dotychczas stosowane systemy monitoringu klasycznego. Takie kompleksowe podejście umożliwia wyznaczanie bieżących przemieszczeń lin i dźwigarów, a także pylonów z bardzo wysoką wiarygodnością osiągniętych wyników (rzędu 99%), przy minimalnej niepewności pomiarów oraz ich znikomym rozrzucie. Otrzymane wartości służą do określania stanu sił i naprężeń działających w elementach konstrukcji. Dzięki interpretacji wyników oraz zastosowaniu do analiz metody elementów skończonych (z ang. FEM) powstaje model, którego rozwiązanie umożliwi identyfikację zagrożeń oraz prowadzenie predykcji zdarzeń związanych z obiektem. 29

3 Most w Cigacicach Literatura 1. Brown D.J.: Mosty. Trzy tysiące lat zmagań z naturą. Wydawnictwo Arkady, Warszawa Brown N., Troyer L., Zelzer O., Van Cranenebroeck J.: Advances in RTK and Post Processed Monitoring with Single Frequency GPS. Journal of Global Positioning Systems, vol. 5, no. 1-2, Chmielewski T., Zębaty Z.: Podstawy dynamiki budowli. Wydawnictwo Arkady, Warszawa Figurski M., Chmielewski M., Kroszczyński K., Kamiński P., Gałuszkiewicz M., Wrona M.: System autorski WAT. Geodeta, nr 12 (151), Przykłady zintegrowanego monitoringu mostów Zintegrowany monitoring geodezyjny mostów, podobnie jak w przypadku obiektów budowlanych (6), spełnia dwie podstawowe funkcje. Po pierwsze pozwala na sprawne i wiarygodne prowadzenie prac realizacyjnych podczas budowy oraz po drugie daje możliwość permanentnej oceny stanu obiektu po jego wykonaniu. Należy nadmienić, iż badanie dynamiki mostu może odbywać się przy użyciu różnych technik pozyskiwania, przetwarzania i opracowania danych przestrzennych. Takie zintegrowane podejście określa się mianem geomatyki. To właśnie geomatyka coraz częściej zastępuje klasyczną, znaną definicję geodezji i kartografii, rozszerzając ich zakres i formę współpracy z innymi branżami. W zakresie tym na uwagę zasługują choćby interdyscyplinarne prace zaprezentowane w publikacji P. Olaszka (9). System monitoringu mostu składa się na ogół z pięciu elementów składowych. Są to: lokalny system pozyskiwania danych, zbierający informacje o wartościach fizycznych konstrukcji mostu, globalny system pozyskiwania danych, pozyskujący dane geometryczne (GNSS, tachimetria precyzyjna, niwelacja, sieć pochyłomierzy) w odniesieniu do zewnętrznego układu odniesienia, centrum zarządzania komputer z oprogramowaniem analizującym, infrastruktura teleinformatyczna (światłowody, sieć LAN), infrastruktura łączności (radio, transmisja GPRS). Do głównych celów stawianych systemom monitoringu obiektów mostowych zaliczamy: ciągłe rejestrowanie parametrów przemieszczeń, odzwierciedlanie obciążeń i warunków naprężeń, dostarczanie ciągłych informacji do oszacowania rozkładu naprężeń/skręceń głównych elementów konstrukcji, dokumentowanie nienaturalnych obciążeń/zjawisk, takich jak: silne wiatry, trzęsienia ziemi, przeciążenia związane z intensywnym ruchem pojazdów, kolizje statków z podporami mostów, wykrywanie uszkodzeń lub kumulacji czynników niszczących konstrukcję mostu, szacowanie zdolności obciążeniowej, weryfikację i walidację założeń konstrukcyjnych, dostarczanie informacji dla celów napraw/utrzymania i inspekcji. Z racji różnorodności obiektów inżynierskich nie można mówić o uniwersalnych instrumentach pomiarowych znajdu-

4 mosty materiały i technologie fot. zmodyfikowane przez M. Wronę źródło: Leica Geosystems AG Rys. 1. Miejsca sugerowanego rozmieszczenia instrumentów geodezyjnych (odbiorniki GNSS, pochyłomierze precyzyjne) Widok mostu Siekierkowskiego w Warszawie Niwelator cyfrowy Leica DNA 03 na tle mostu w Cigacicach podczas testu systemu GeoMoS w sierpniu 2007 fot. K. Karsznia jących zastosowanie dla każdej monitorowanej konstrukcji. W systemach monitoringu wykorzystywane jest bogate instrumentarium geodezyjne, jak również różnego typu sensory spełniające wymagania dyktowane charakterystyką mostu. Biorąc pod uwagę funkcjonalność systemów monitoringu działających na różnych obiektach, dokonać można jednak pewnego usystematyzowania zasad ich działania. Najbardziej popularnymi instrumentami geodezyjnymi działającymi w sposób niezależny bądź zintegrowany są wspomniane już odbiorniki satelitarne GNSS, pochyłomierze (łączone w rozległe sieci), niwelatory cyfrowe (precyzyjne i techniczne) oraz precyzyjne tachimetry elektroniczne nowej generacji (wyposażone w szybkobieżne serwomotory bazujące na elektromagnesach lub na zasadzie piezoefektu maksymalna prędkość obrotowa takiego urządzenia to nawet 600 /s). Popularność odbiorników GNSS podyktowana jest ich uniwersalnością oraz bezobsługową pracą w każdych warunkach pogodowych. Montowane są one w miejscach maksymalnych oczekiwanych wartości przemieszczeń na końcach krawędzi przęseł, w ich połowie, w ¼, a także na pylonach. Dane pozyskiwane w rezultacie pomiaru GNSS podlegają opracowaniu oraz integrowane są z innymi danymi np. z wartościami wskazań pochyłomierzy, z odczytami niwelatorów lub precyzyjnych tachimetrów. W tym celu używane jest specjalistyczne oprogramowanie np. Leica GeoMoS lub GNSS Quality Control (5). Pochyłomierze dają możliwość rejestracji pracy konstrukcji w ujęciu punktowym (pojedyncze urządzenia zainstalowane w miejscach newralgicznych) lub sieciowym (sieć kilku lub nawet kilkudziesięciu pochyłomierzy rozmieszczonych wzdłuż obiektu). Przy znanych parametrach fizycznych konstrukcji mostu oraz znanym rodzaju materiału, można na podstawie obserwowanych zmian kątów pochyleń płaszczyzny wyznaczać wartości działających na nią obciążeń (16). Przykłady badań nad zintegrowanymi systemami monitoringu mostów w Polsce Na świecie istnieje wiele przykładów łączenia monitoringu geodezyjnego z fizycznym w celu uzyskania najbardziej wiarygodnych informacji o stanie mostu. Na uwagę zasługuje jeden z pierwszych w Polsce testów geodezyjnego ciągłego monitoringu dużej przeprawy, który miał miejsce r. w lubuskiej 5. Karsznia K.: Nic nie jest statyczne, czyli system strukturalnego monitoringu przemieszczeń i odkształceń Leica GeoMoS, Geodeta Nr 9 (148), wrzesień Karsznia K.: Wykrywanie słabych punktów. Geodezyjny i geotechniczny monitoring w ujęciu dynamicznym. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, lipiec-sierpień Karsznia K., Wrona M.: Zintegrowane systemy monitoringu geodezyjnego w badaniu dynamiki konstrukcji inżynierskich obiektów budowlanych. Geodeta, nr 3(166), Leica Geosystems TruStory: Jiangyin Bridge, China: Monitoring with GPS RTK technology. com,

5 9. Lewandowski R.: Dynamika konstrukcji budowlanych. WPP, Poznań Olaszek P.: Investigation of the dynamic characteristic of bridge structures using a computer vision method. Measurement, journal of the International Measurement Confederation, 25 (1999). 11. Olaszek P., Łagoda M.: Badania w trakcie budowy i odbioru Mostu Siekierkowskiego w Warszawie. II Sympozjum Badania i diagnostyka mostów, Opole Ołdziejewska A., Berger A.: Budowa mostu podwieszonego przez Wisłę w Płocku. Geoinżynieria, 3/2006 (10), Roberts G.W., Cosser E., Meng X., Dodson A.: High-frequency deflection monitoring of bridges by GPS. Institute of Engineering Surveying and Space Geodesy, University of Nottingham, Roberts G.W., Cosser E., Meng X., Dodson A.H., Morris A., Meo M.: A Remote Bridge Health Monitoring System Rising Computional Simulation and Single GPS Data. Materiały konferencyjne, Institute of Navigation, Rutledge D.R., Meyerholtz S.Z., Brown N.E., Baldwin C.S.: Innovation: Dam Stability. Assessing the performance of a GPS Monitoring System. GPS World, Uhl T., Hanc A.: Rozproszone systemy monitoringu i diagnostyki obiektów. II Sympozjum Badania i diagnostyka mostów, Opole Van Vranenbroeck J.: Continuous Beam Deflection Monitoring Using Precise Inclinometers, Strategic Integration of Surveying Services. FIG Working Week 2007, Hong Kong SAR, China, May Wong K., Man K., Chan W.: Monitoring Hong Kong s Bridges. Real Time Kinematic Spans the Gap. GPS World & Advanstar Publication, miejscowości Cigacice (projekt Leica Geosystems Polska we współpracy z Uniwersytetem Zielonogórskim). Charakter tego obiektu, jak również rodzaje obciążeń (spowodowanych wahadłowym ruchem pojazdów) pozwoliły na dobór odpowiedniego instrumentarium test wykonano przy użyciu precyzyjnego tachimetru elektronicznego z zestawem specjalistycznych luster oraz precyzyjnego niwelatora cyfrowego z kompletem łat inwarowych (5). Integracja pomiarów oraz prezentacja wyników monitoringu wykonana została w oprogramowaniu GeoMoS Monitor (konfiguracja sensorów, definicja cykli pomiarowych) oraz Analyzer (graficzna prezentacja wyników). Kolejnym interesującym przedsięwzięciem pomiarowym było wykorzystanie obserwacji GNSS w badaniu dynamicznego zachowania Mostu Siekierkowskiego w Warszawie. Po teście na Moście im. Obrońców Modlina 1939 r. (4) zespół Zakładu Geomatyki Stosowanej wraz z przedstawicielami firmy Leica Geosystems, Zarządu Dróg i Mostów oraz Warszawskiego Przedsiębiorstwa Geodezyjnego zaaranżował kolejny pomiar testowy. Główne przęsło Mostu Siekierkowskiego, o długości 250 metrów, podwieszone jest za pomocą 28 stalowych lin na dwóch pylonach o wysokości 90 m. Podczas pomiarów wykorzystano 9 odbiorników GPS: 4 rozmieszczone na szczycie każdego z pylonów, 3 umieszczone w poprzek głównego przęsła, a 2 posłużyły jako referencyjne dla pomiarów różnicowych (rys. 4). W celu identyfikacji odkształceń wykorzystano 2 kamery VHS. Sesja pomiarowa rozpoczęła się o godz. 3 w nocy i obejmowała pięciogodzinną obserwację w trybie kinematycznym. Dane z odbiorników umieszczonych na pylonach wykorzystano do zbadania ich wzajemnego zachowania (NW- NE i SW-SE) podczas dynamicznego obciążenia głównego przęsła. Oprócz odkształceń będących bezpośrednim skutkiem przyłożonej siły bardzo istotna jest informacja o drganiach własnych konstrukcji, ujawniających stopień jej reakcji na wymuszenia dynamiczne (ruch uliczny, tektonika, atmosfera, hydrosfera). Aby określić częstotliwość drgań własnych, zebrane dane wstępnie przetworzono, a następnie poddano szybkiej transformacji Fouriera. Wszystkie odbiorniki ujawniły częstotliwość oscylacji równą 0,931 Hz. Wartość ta jest zbliżona do 0,95 Hz wartości uzyskanej podczas badań odbiorczych obiektu (10). Dla północnych pylonów (składowe poziome) odnotowano dodatkowo drgania o częstotliwości 1,274 Hz odpowiadające wynikom otrzymanym podczas badań odbiorczych (10). Z kolei strona południowa drgała podczas sesji z częstotliwością 1,32 Hz. Proces wyznaczenia pozycji a posteriori, wymagający dużej mocy obliczeniowej komputera (ponad 5 godzin obserwacji GNSS z częstotliwością 20 Hz i 10 Hz), przeprowadzono w Zakładzie Geomatyki Stosowanej Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Obliczenia wykonano w oparciu o pliki obserwacyjne w zunifikowanym formacie wymiany danych GNSS, przy zastosowaniu precyzyjnych parametrów orbit satelitów. Przeprowadzone doświadczenia pozwalają patrzeć optymistycznie na możliwości wykorzystania wysokoczęstotliwościowych pomiarów GNSS w badaniu dynamiki konstrukcji inżynierskich. W dobie dynamicznego wzrostu skali obiektów budowlanych technologia satelitarnego wyznaczania pozycji staje się znaczącą alternatywą dla innego typu czujników mierzących wartości przemieszczeń. Główną wadą tego rozwiązania jest dwukrotnie niższa dokładność wyznaczenia składowej pionowej w stosunku do pozostałych dwóch wymiarów. Problem ten można jednak rozwiązać włączając do obliczeń wyniki pomiarów pochylenia elementów konstrukcji przy zastosowaniu precyzyjnych pochyłomierzy (np. serii Nivel 200 firmy Leica Geosystems). Dokładność pracy takiego urządzenia wyrażona w wartościach względnych to ±1mm na 100 m długości badanego elementu podłużnego (np. belki). Okres próbkowania pochyłomierza Nivel wynosi 300 ms jest zatem wystarczająca do badania drgań i stabilności konstrukcji mostowej. Podsumowanie Pełny obraz dynamiki obiektu mostowego uzyskany zostanie tylko przy połączeniu oraz zintegrowaniu obserwacji geometrycznych (zaprezentowanych w artykule monitoring geodezyjny) z właściwościami fizycznymi konstrukcji (spotykany powszechnie monitoring cech fizycznych mostów). Pamiętać należy, że oba rodzaje monitoringu uzupełniają się w żadnym wypadku wdrożenie jednego z nich nie oznacza eliminacji drugiego. Prowadzenie analiz przy zastosowaniu jedynie pomiarów względnych (monitoring fizyczny) oddaje tylko częściową charakterystykę pracy obiektu. Z kolei przeprowadzenie okresowego pomiaru kontrolnego (okresowy pomiar geodezyjny bez charakteru ciągłości) na ogół niwelacji reperów lub pomiaru przestrzennej sieci kątowo-liniowej obrazuje geometrię konstrukcji w odniesieniu tylko do danego dnia ( tzw. epoki pomiarowej ). Bazując na takich danych, użytkownik nie rozpoznaje rzeczywistej pracy konstrukcji badanego mostu. Podejście takie znacznie utrudnia proces modelowania dynamiki zmian zachodzących na obiekcie oraz szczególnie w przypadku przepraw dużych, o długościach od kilkuset metrów do nawet kilku kilometrów niejednokrotnie uniemożliwia wykonanie rzetelnej analizy zachodzących tam zjawisk. Jednakże nawet najdokładniejsze metody pomiaru nie znajdą uzasadnienia bez wiarygodnej interpretacji ze strony konstruktorów i specjalistów budowy mostów. Z tego też powodu współczesne systemy monitorowania konstrukcji projektowane są w oparciu o interdyscyplinarną wiedzę specjalistów z różnych dziedzin techniki, związanych z projektowaniem i funkcjonowaniem obiektu. q