Геодезические стационарные наблюдения за деформациями зданий и сооружений

Работа содержит обзор и анализ способов существующих стационарных методов наблюдения за деформациями, а также примеры использования этих наблюдений ...

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………...3
1.Геодезические стационарные наблюдения за деформациями зданий и сооружений………………………………………………………………………..4
1.1. Причины и необходимость определения деформаций зданий и сооружений ……………………………………………………………………….4
1.2. Анализ существующих способов стационарных наблюдений за деформациями зданий и сооружений ……………….........................................7
1.3 Обзор и анализ рынка современного геодезического оборудования, применяемого при стационарных наблюдениях за деформациями зданий и сооружений………………………………………………………………………13
1.4.Примеры использования геодезических стационарных наблюдений для определения деформаций зданий и сооружений……….……………………19
Заключение……………………………………………………………………….24
Список литературы………………………………………………………………25

Каждое здание или сооружение представляет собой сложную техническую систему с заранее заданными эксплуатационными характеристиками, которые подлежат контролю в процессе изготовления конструкций, деталей, строительства и монтажа, при приемке и в ходе эксплуатации, а также перед постановкой объекта на капитальный ремонт, реконструкцию или списание. Только на баз е такого полного технического контроля процесс строительства и эксплуатации объекта становится управляемым.
Безопасность эксплуатации зданий и сооружений требует периодического ведения их мониторинга. Отслеживание структурных деформаций и активных реакций на многочисленные внешние нагрузки имеет большое значение для поддержания функционирования инженерных сооружений.
Геодезический контроль является важной частью системы те хнического контроля за эксплуатацией конструкций зданий и сооружений; следовательно тема реферата: «Геодезические стационарные наблюдения за деформациями зданий и сооружений» - актуальна и востребована.

Поэтому ведутся разработки новых программ наблюдения на станции, совершенствуются и разрабатываются новые приборы, например цифровые нивелиры и устройства для измерений, проводятся исследования основных источников ошибок, влияющих на результаты наблюдений в различных условиях.Метод геометрического нивелирования имеет следующие преимущества для определения деформаций инженерных сооружений; высокая точность, быстрота исполнения и мобильность. При его применении используется несложное, недорогое оборудование. Его можно применять в широком диапазоне положительных и отрицательных температур.Недостатками метода геометрического нивелирования являются: трудность непрерывного и автоматического процесса измерений и передачи информации на расстояние при применении оптических нивелиров; возникающая иногда невозможность использования их в труднодоступных и закрытых местах действующих сооружений и оборудования.Эти недостатки особенно ощущаются в тех случаях, когда необходимо получать данные о деформации в процессе эксплуатации объекта, где невозможно длительное пребывание человека (наличие радиации, сильных электромагнитных и температурных полей и т.п.). В этих случаях с успехом может применяться гидростатическое и гидродинамическое нивелирование.Метод гидростатического нивелирования применяется в тех случаях, когда невозможно применить метод геометрического нивелирования короткими лучами в силу каких-либо причин или в случаях, когда необходимо получить более высокую точность измерений. Данный метод позволяет также создать автоматизированные стационарные гидростатические системы, которые располагаются на исследуемом объекте. Гидродинамическое нивелирование во многом решает проблемы гидростатического нивелирования. Во-первых, этот метод позволяет расширить диапазон измерений по высоте (до 300 мм). Во-вторых, метод гидродинамического нивелирования позволяет во многом упростить процесс получения информации при наличии большого количества измеряемых точек.Так, в методе гидростатического нивелирования отсчетной поверхностью служит уровень жидкости, устанавливающийся в горизонтальное положение в сообщающихся сосудах. В гидродинамическом методе нивелирования отсчетной поверхностью является уровень жидкости, перемещающийся вверх — вниз по определенному закону в сообщающихся сосудах.К настоящему времени метод гидростатического нивелирования разработан достаточно хорошо. Выполнены разработки и исследования конструкций гидростатических систем, исследованы основные источники ошибок и найдены способы их устранения.Исследования в области гидронивелирования привели к разработке гидродинамического способа нивелирования перетеканием (передавливанием) жидкости в одну измерительную головку [5], суть которого заключается в том, что после выравнивания уровня жидкости в контролируемых измерительных головках жидкость под давлением перетекает поочередно из каждой контролируемой головки в измерительную, т.е. во время регистрации уровня жидкости контролируемые головки будут "сухими".К достоинствам данного способа динамического гидронивелирования можно отнести следующее: отсутствуют отсчетные устройства в контролируемых головках; регистрация уровня жидкости производится в единственной на всю систему измерительной головке, что повышает надежность и упрощает систему; регистрация уровня жидкости производится при ее спокойном состоянии, что повышает точность измерения; перетекание жидкости в сосудах приводит к ее перемешиванию и, как следствие, к ослаблению влияния температуры на результат измерений (перед каждым измерением необходимо перекачивать несколько раз жидкость между головками); влияние испарения (добавления) жидкости в системе учитывается методикой измерений.Цифровые технологии позволяют значительно расширить возможности нивелиров и области их применения. На смену традиционным оптическим нивелирам пришли цифровые (кодовые) нивелиры. В основе определения превышений цифровым нивелиром лежит тот же принцип, что и в классических оптических нивелирах. Однако вместо обычной рейки используется специальная, «кодовая», рейка, а вместо анализатора, определяющего положение визирной оси нивелира на рейке, используются не глаз человека, а матричный фотодетектор. Задача оператора состоит лишь в наведении оптической трубы нивелира на рейку, после чего автоматически происходит распознавание, обработка и анализ изображения, и, наконец, выдача полученного результата в цифровом виде [9]На нивелирную рейку нанесён специальный код, по которому происходит определение превышений. Наиболее распространённым в настоящее время является штриховой код. Изображение кодовой рейки переносится на фотоприёмные устройства (ФПУ), на основе линейных ПЗС, где происходит автоматическое распознавание кода, определяется значение превышения и выдается результат. Точность измерения - важнейшее свойство нивелира — зависит от выбранного способа кодирования рейки и алгоритма его обработки.Кодирование рейки и декодирование полученного изображения должны обеспечивать точное определение значения превышения на всем диапазоне дальностей. Основными сложностями при этом считаются переменный масштаб изображения, ограниченное разрешение оптической системы нивелира, недостаточное поле зрения нивелира, а также зависимость работы фотодетектора от освещенностиНаземное лазерное сканирование (НЛС) - это новейшая система измерения для мониторинга деформаций инженерных сооружений. С помощью лазерной сканирующей системы можно не только осуществлять мониторинг сложных зданий и сооружений, но и фиксировать состояния мест аварий и катастроф с получением реальной картины произошедшего, а также возможность привязки реальной картины произошедшего к опорной системе координат [10].Результатом сканирования является массив точек с известными трехмерными координатами, принадлежащими объекту, по которым оценивается техническое состояние зданий и сооружений.Такие наборы точек принято называть облаками точек или сканами. Обычно количество точек в одном облаке может варьировать от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов.Основное управление работой наземного лазера производится с помощью персонального компьютера или ноубука со специальным программным обеспечением. Полученные значения координат точек из сканера передаются в компьютер и накапливаются в специальной базе данных.На сегодняшний день спутниковые технологии все больше находят применение в различных сферах деятельности человека, в том числе и для осуществления контроля за сложными и труднодоступными объектами. Это обусловлено возрастающей потребностью обеспечения безопасности при строительстве и эксплуатации зданий, мостов, железных дорог и других сооружений. Спутниковая технология все чаще применяется как дополнение к уже существующим системам контроля и мониторинга [13].До настоящего времени способы инженерно-геодезических измерений, применяемые для определения деформаций различных типов сооружений при помощи GPS освещены хорошо. Обычными источниками для мониторинга деформация сооружений являются результаты традиционных геодезических методов, а также другая геотехническая аппаратура. Хотя эти методы могут быть более точными, однако большое преимущество GPS мониторинга – его непрерывный характер, который допускает позиционирование в реальном времени, а также детальные признаки долгосрочной работы. Это особенно важно, когда альтернативой является съемка, выполняемая с интервалом в год, полгода или ежемесячно. При непрерывных GPS-наблюдениях данные будут иметься в любое время [16].В зависимости от целей и требуемой точности мониторинга деформаций инженерных и природных объектов, для работы используют несколько приемников на наблюдаемом сооружении совместно с несколькими базовыми станциями.Несколько GPS приемников, установленных на наблюдаемом сооружении, позволяет существенно повысить надежность получаемых результатов.Установка двух и более базовых станций за пределами сооружения и последующее вычисление базовых линий гарантирует, что движение свободно от смещения базовых станций.Большинство систем мониторинга разработаны для работы в режимах постобработки и реального времени. Обычно собственники сооружений заинтересованы только в данных реального времени за исключением некоторых моментов нестандартного движения конструкции за пределами предопределенных критических параметров.Для мониторинга зданий при помощи GPS частота измерений должна быть очень высока. Большая частота наблюдений наилучшим образом позволяют определять динамические деформации линейных сооружений, таких как высотные здания или длинные фермовые мосты, в то время как меньшая частота больше подходят для медленно или импульсно деформирующихся объектов, таких как плотины или оползни.1.3. Обзор и анализ рынка современного геодезического оборудования, применяемого при наблюдениях за деформациями зданий и сооруженийСовременными геодезическими приборами применяемые при стационарных наблюдениях за деформациями зданий и сооружений являются: электронные тахеометры, лазерные сканеры, цифровые нивелиры Электронный тахеометр - это комбинация теодолита, светодальномера и микропроцессора или микрокомпьютера в единую неразъёмную или модульную конструкцию. Электронные тахеометры условно делят на три вида: простейшие, универсальные и роботизированные.К пепростейшим относятся тахеометры с минимальной автоматизацией и ограниченными встроенными программными средствами. Такие тахеометры обеспечивают точность измерений углов ± 5 ÷ 10″, линий ± 3 ÷ 5мм ⁄ км.34823401287780К универсальным относят тахеометры с расширенными возможностями. Они оснащены большим количеством встроенных программ и имеют объёмную внутреннюю память – на 10000 и более точек. Точность измерения углов, обеспечиваемая этими приборами, как правило, ±1÷10″, линий ± 2÷3мм ⁄ км.434340102235Рис.1 Электронный тахеометр ТСR 1201 с точностью измерения углов 1''К роботизированным относятся роботизированные тахеометры с сервомоторами, обладающие всеми возможностями приборов предыдущей группы. Именно наличие сервомоторов, встроенных радиокоммуникационных устройств, а также систем автоматического поиска и слежения за отражателем позволяет отнести эти приборы к категории приборов – роботов.Лазерные сканеры отличаются от тахеометров гораздо большей скоростью измерений, наличие сервопривода, автоматически поворачивающего измерительную часть прибора как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях и самое главное – скорость (от 5000 измерений в секунду) и плотность (до десятков точек на 1 см2 поверхности). Полученная после измерений модель объекта представляет собой гигантский набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с точностью в несколько миллиметров.Лазерные наземные сканеры часто классифицируют по принципу определения пространственных координат на импульсные, фазовые и триангуляционные.В импульсных сканерах реализован метод определения расстояний, основанный на точном определении времени прохождения импульса до цели и обратно. Так как в этом методе используется световой импульс для непосредственного измерения расстояния, то главное достоинство таких сканеров – в большой дальности измерений (несколько сотен метров). Дальность действия фазовых сканеров ограничена 100 м. В сканерах этого типа расстояние определяется на основе измерения сдвига фаз излучаемого и отражённого сигналов. Поскольку в этом методе используется модулированный световой сигнал, для определения расстояния, в отличие от импульсного метода, большой мощности лазера не требуется, поэтому расстояния могут быть измерены с ошибкой в несколько мм.Скорость измерений фазовых сканеров на несколько порядков (1-2) превосходит скорость импульсных сканеров. Триангуляционный метод реализован в высокоточных сканерах. Конструктивной особенностью скане-ров такого типа является то, что излучатель и приёмник сигнала разнесены на известное расстояние (базис). Такие сканеры позволяют достичь точности измерений в десятые и даже сотые доли миллиметра, но на коротких дистанциях (в несколько метров) (таблица 1).-89535695325Таблица 1 – Классификация наземных лазерных сканеров по принципу измерения расстоянияЗаслуживают особого внимания определение деформаций GPS приемниками. Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) – это система, при помощи которой можно получить координаты в любой точке земной поверхности путем обработки спутниковых сигналов. В России для наблюдений за деформациями используют геодезические приемники фирм США, Германии, Швейцарии (TRIMBLE, LEICA и др.). GPS-приемник LEICA Sistem 1230 характеризуется временем инициализации 8 с (вхождения электроники в рабочий режим), действует на удалении от базовой станции до 30 км и больше при хороших условиях приема сигналов. Масса процессора – 1,20 кг, контроллера – 0,48 кг, антенного модуля –0,44 кг, батареи – 0,19 кг (2 шт.); время непрерывной работы – до 15 ч [10]Показатели точности определения расстояний GPS-приемником LEICA 1200 по методу базовой станции: в режиме измерений статика ΔD = 5 мм+10–6 D; в режиме измерений кинематика ΔD = 10мм + 10–6D; при камеральной обработке (постобработке) на компьютере данных режима статика ΔD = 3 мм + 10–6D; погрешность превышения ΔН в 2 раза больше погрешности расстояния ΔD.