POMIARY PRZEMIESZCZEŃ PIONOWYCH I POZIOMYCH

POMIARY PRZEMIESZCZEŃ PIONOWYCH I POZIOMYCH
BUDYNKU STAROSTWA POWIATOWEGO W OPATOWIE
Agnieszka Nowakowska, Anna Rosa
Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji,
00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2
Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badań pomiaru przemieszczeń poziomych
metodą wcięć kątowych w przód oraz przemieszczeń pionowych metodą niwelacji
geometrycznej budynku starostwa powiatowego w Opatowie.
1. Wstęp
Pomiary przemieszczeń i odkształceń przeprowadza się w celu sprawdzenia
zgodności norm budowlanych i konstrukcyjnych obiektu oraz wykonania okresowych
badań, które odnoszą się do zapewnienia bezpieczeństwa. Pomiary są wykonywane
podczas budowy, jak również w czasie eksploatacji budowli.
Termin
wyznaczenie
przemieszczeń
odnosi
się
do
całokształtu
procesu
wyznaczenia wartości zmian położenia punktów kontrolowanych. Proces ten obejmuje
prace projektowe dotyczące określenia położenia punktów kontrolowanych, wiążących
i odniesienia, stanowisk obserwacyjnych wraz z ustawieniem instrumentów pomiarowych,
wykonanie pomiaru oraz wyznaczenie wielkości przemieszczeń. Badanie kończy
się analizą dokładności wykonanych prac geodezyjnych wraz z oceną procesu osiadania
obiektu.
Wyznaczane wartości przemieszczeń w określonych przedziałach czasu powinny
charakteryzować się przede wszystkim poprawnością, czyli zgodnością z prawdziwymi
zmianami położenia punktów kontrolowanych w granicach błędów przypadkowych
występujących podczas pomiarów geodezyjnych.
Przed przystąpieniem do prac geodezyjnych należy ustalić minimalną, popartą
potrzebami dokładność. Dokładność zależy od typów obiektów. Natomiast za istotne
należy uważać te przemieszczenia, których wartość przekracza dwukrotną wartość błędu
średniego ich wyznaczenia [6].
W analizowanym przypadku, termin przemieszczenia pionowego odnosi się
do zmiany składowej w linii pionu w określonym przedziale czasu.. Istotą określenia
zmiany geometrii obiektu, jest wyznaczenie wektora w płaszczyźnie trójwymiarowej.
Podczas badań przemieszczeń zarejestrowano trzy stany obiektu starostwa, stan
pierwotny w chwili t0 (17 lipca) kolejny pomiar wyjściowy w czasie t1 (4 kwietnia)
oraz pomiar aktualny w czasie t2 (7 maja). Przemieszczenie zostało określone na podstawie
porównania stanu w chwili t0 i t1 oraz t1 i t2. Odnosi się do przedziału czasu Δt= t0 – t2.
Wiedząc, iż każdy pomiar jest obarczony błędem założono, że różnice
wyznaczanych wartości w powyższym interwale czasu mogą być spowodowane:
-
rozbieżnościami w wynikach obu pomiarów w granicach ich dokładności,
-
nieznacznymi ruchami terenu lub zmianami kształtu obiektu, w którym są one
zastabilizowane. [3]
2. Przesłanki mające wpływ na przemieszczenia budynku starostwa
Do czynników, które mogą wpływać na osiadanie budynku starostwa jest przede
wszystkim osuwanie podłoża. Budynek został wybudowany na pokrywie lessowej, której
stałej wilgoci dostarcza pobliska rzeka Opatówka oraz opady atmosferyczne. Ponadto
obiekt wybudowano na wzniesieniu, co może sprzyjać tworzeniu się osuwisk.
Budynek posiada sześć pięter wraz z podpiwniczeniem, co stanowi duże
obciążenie na grunt. Ponadto jest to jeden z najwyższych obiektów w okolicy, zatem
jest najbardziej narażony na działanie wiatru oraz nierównomierne nagrzewanie
przez promienie słoneczne.
Wpływ na osiadanie budowli może mieć również bardzo duże natężenie ruchu
drogowego powodujące znaczne drgania gruntu.
3. Przeprowadzenie pomiarów geodezyjnych
3.1.
Warunki atmosferyczne.
t0
t1
t2
Temperatura powietrza [ C]
23
16
8
Siła wiatru [m/s]
1
5
15
Kierunek wiatru
wschód
północny – zachód
zachód
Zachmurzenie
brak
małe
całkowite
Opady
brak
brak
brak
Wilgotność powietrza [%]
80
78
89
Ciśnienie [hPa]
1020
996
1007
0
3.2.
Przemieszczenia pionowe
3.2.1. Projekt sieci
3.2.1.1.
Punkty odniesienia
Na podstawie dokumentów dostępnych w Ośrodku Dokumentacji Geodezyjnej
i Kartograficznej w Opatowie wybrano trzy repery, które przyjęto jako punkty odniesienia.
Wybrane repery odniesienia są reperami niezależnymi, dla których podczas obserwacji
(w granicach dokładności) wykonanych w czasie t0, t1 oraz t2 stwierdzono niezmienne
położenie względem siebie. Pozwala to założyć, że punkty stałe poddane są ruchom
wiekowym (długotrwałe, nieznaczne przemieszczanie się poszczególnych warstw skorupy
ziemskiej wraz ze znajdującymi się na niej obiektami), natomiast pozostała część punktów
na analizowanym obszarze podlega również ruchom wiekowym, a ponadto ruchom
lokalnym.
Aby spełnić warunek niezależności reperów, punkty odniesienia rozmieszczone
były względem siebie w odległościach powyżej 100 m oraz zlokalizowane zostały
na innych budynkach.
Zadaniem punktów odniesienia jest bezpośrednie lub pośrednie utrwalenie
położenia wszystkich układów lokalnych, od momentu wykonania pomiaru wyjściowego
począwszy możliwie cały okres trwania badań obiektu [4].
3.2.1.2.
Punkty wiążące
Punkty wiążące stanowią sieć niwelacyjną, dzięki której istnieje możliwość
powiązania punktów odniesienia z punktami kontrolowanymi. Zastabilizowano
12 punktów wiążących wzdłuż ulic 1 Maja, Partyzantów oraz Henryka Sienkiewicza
(po obydwu stronach) pomiędzy kostkami polbruku. Miejsca zostały tak dobrane, aby móc
bez problemu ustawić łatę na punkcie oraz by ruch pieszych nie przeszkadzał w pomiarach
Rys.3.1. Rozmieszczenie punktów wiążących [15].
3.2.1.3.
Punkty kontrolowane
Jako punkty kontrolowane adaptowano punkty już istniejące znajdujące się
w murze budynku, na balkonie oraz na gruncie bezpośrednio przed starostwem. W ten
sposób ciągi niwelacyjne są położone na trzech poziomach, to znaczy na gruncie, w murze
oraz na balkonie.
Repery ścienne poziome to śruby, których średnica wynosi 0,01472 m (pomiar
wykonany suwmiarką z dokładnością 0,02 mm). Pozwoliły one na obserwację murów
budynku. Natomiast repery gruntowe to gwoździe pomiarowe bez opisu. Do badań
wykorzystano 7 znaków ściennych poziomych oraz 8 znaków gruntowych.
Wykonanie projektu rozpoczęto od stabilizacji punktów wiążących. Do realizacji
zadania wykorzystano niwelator Topcon DL 101C, statyw drewniany nieskładany, 1 łatę
fiberglassową - składaną 3 m oraz suwmiarkę.
Zastabilizowane oraz adaptowane punkty kontrolne umożliwiły pomiar zmian
zachodzących na gruncie, na budynku oraz we fragmentach budynku.
3.2.2. Realizacja pomiaru
Ciąg niwelacyjny został pomierzony metodą niwelacji geometrycznej ze środka
oraz metodą niwelacji wprzód. Pomiar został wykonany dwiema metodami ze względu
na dostępność do budynku oraz możliwości przeprowadzenia badania osiadania budynku
starostwa.
3.3.
Przemieszczenia poziome
3.3.1. Baza pomiarowa
Baza pomiarowa została stworzona z 4 punktów, zamarkowanych gwoździami.
Do ich rozmieszczenia wykorzystany został m.in. zjazd na parking znajdujący się
za starostwem (punkty P1, P2, P3), a także chodnik po przeciwnej stronie ulicy
Sienkiewicz (punkt P4).
Rys. 3.2. Rozmieszczenie punktów bazy. Opracowanie własne.
Baza została określona w układzie lokalnym. Przyjęto także jej stałość w czasie
całego procesu pomiarowego.
3.3.2. Rozmieszczenie znaczków pomiarowych
Do sygnalizacji punktów pomiarowych na ścianach budynku, zrobione zostały
specjalne znaczki pomiarowe. Wykonane zostały z papieru samoprzylepnego w kolorze
zielonym, o formacie 2x2 cm oraz narysowanym na środku czarnym krzyżem (1x1cm).
Rys. 3.3. Znaczek pomiarowy. Opracowanie własne.
W
czasie
pomiarów
pomierzonych
zostało
19
punktów
pomiarowych,
zasygnalizowanych na ścianie budynku. Dodatkowo wykorzystane do pomiaru zostały
górne rogi budynku, a także na ścianie południowo – wschodniej jeden róg okna i wyraźne
łączenie blachy nad oknem. Ich rozmieszczenie zostało przedstawione na Rys. 4.3.
Rys. 3.4. Rozmieszczenie znaczków pomiarowych. Opracowanie własne.
3.3.3. Realizacja pomiaru
Do wyznaczenia przemieszczeń poziomych wybrana została metoda wcięć
kątowych w przód. Każdy z pomiarów miał taki sam przebieg. Po ustawieniu tachimetru
nad punktem, nawiązywany był na punkt sąsiedni. Następnie sczytywane były kierunki
z punktów celowych na ścianie (w ustalonej kolejności) oraz z sąsiedniego punktu bazy.
Pomiar kończony był ponownym nawiązaniem na pierwszy punkt bazy. Odczyty
wykonywane były w dwóch położeniach lunety. Taki proces powtarzany był na każdym
punkcie bazy. Do realizacji pomiarów wykorzystano tachimetr TOPCON GTS-4, statyw
drewniany, pryzmat z tyczką
3.3.3.1.
Badanie śledzenia krawędzi
Dodatkowym sprawdzeniem, czy powierzchnia ściany nie jest odkształcona,
było badanie śledzenia krawędzi. Kontrolowane były trzy krawędzie. Pomiar wykonano
z bazy pomiarowej zastabilizowanej do metody wcięć kątowych.
Wyciągniętymi z tego badania wnioskami, jest potwierdzenie pionowości ściany.
Widoczne odchyłki krawędzi, wynikały bardziej z obecności blachy, okrywającej ściany,
niż z odkształceń obiektu. Można wnioskować, że pokrycie ścian zostało zrobione
niedokładnie, bądź różnice te wynikają z pracy tego materiału.
4. Wartości przemieszczeń oraz ocena dokładności przeprowadzonych
pomiarów
4.1.
Dokładność przeprowadzonych pomiarów
Błędy średnie pojedynczego pomiaru po wyrównaniu niwelacji geometrycznej
przedstawia tabela Tabela 6.1.
Pomiar
m0
t0
±0,13
t1
±0,22
t2
±0,10
Tabela 4.1. Błędy średnie pojedynczego pomiaru po wyrównaniu.
Do określenia przemieszczeń poziomych wyznaczony został błąd położenia punktu.
Poniższa tabela (Tabela 5.2.) przedstawia wartości tych błędów dla punktów celowych
wyznaczanych z dwóch punktów bazy.
mP [mm]
P1 – P2
2
P1 – P3
2
P2 – P4
2
P3 – P4
2
Tabela 4.2. Zestawienie błędu mP z boków bazy.
4.2.
Wartości przemieszczeń
Wykaz różnic wysokości w okresach lipiec - kwiecień, lipiec - maj, kwiecień – maj
przedstawia Tabela 5.3.
Numer
repera
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
lipiec - kwiecień
lipiec - maj
kwiecień - maj
Przemieszczenia
Przemieszczenia
Przemieszczenia
Śr. błąd
Śr. błąd
Śr. błąd
[mm]
[mm]
[mm]
-0,21
-0,91
-0,70
-0,19
-0,55
-0,36
-0,25
-0,47
-0,22
-0,03
-0,25
-0,22
-0,24
-0,39
-0,15
-0,36
-0,28
0,08
-0,53
-0,33
0,20
0,00
-0,11
-0,11
±0,41
±0,36
±0,37
-0,26
-0,31
-0,05
-0,33
-0,60
-0,27
0,18
0,08
-0,10
-0,34
-0,58
-0,24
-0,36
-0,54
-0,18
-0,42
-0,63
-0,21
-0,38
-0,57
-0,19
-0,22
-0,08
0,14
Tabela 4.3. Wykaz różnic wysokości w okresach lipiec - kwiecień, lipiec - maj,
kwiecień – maj.
Kolejna tabela przedstawia współrzędne dla punktów celowych, gdzie t0 to wartości
otrzymane z pomiaru wykonanego w lipcu, t1 – pomiar z kwietnia, t2 – pomiar z mają.
Przedstawione zostały także różnice z pomiarów w lipcu i kwietniu oraz różnice pomiarów
z lipca i maja.
Czas t0
Nr
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
25
16
18
19
20
21
22
23
X
122,820
141,149
123,533
128,916
136,703
139,299
139,434
136,630
130,579
127,468
124,821
136,657
125,797
125,367
125,036
124,379
124,038
124,942
123,492
123,083
125,385
124,945
124,003
Y
177,185
180,142
177,335
178,259
179,471
179,884
179,910
179,460
178,491
177,983
177,557
179,476
158,821
160,896
163,031
167,219
169,340
163,645
172,694
175,240
160,864
163,627
169,506
Czas t1
X
122,827
141,151
123,535
128,918
136,704
139,300
139,436
136,631
130,581
127,470
124,823
136,659
125,798
125,364
125,034
124,380
124,039
124,940
123,493
123,084
125,384
124,945
124,003
Y
177,181
180,143
177,335
178,259
179,471
179,884
179,910
179,460
178,491
177,983
177,557
179,476
158,818
160,894
163,029
167,218
169,338
163,644
172,692
175,237
160,861
163,625
169,504
Czas t2
X
122,828
141,152
123,536
128,919
136,706
139,302
139,437
136,633
130,582
127,471
124,824
136,660
125,798
125,364
125,034
124,380
124,039
124,940
123,493
123,084
125,384
124,945
124,003
Y
177,180
180,142
177,334
178,258
179,471
179,884
179,910
179,460
178,490
177,982
177,556
179,475
158,818
160,894
163,029
167,218
169,338
163,644
172,692
175,237
160,861
163,625
169,504
t0 – t 1
t0 – t 2
ΔX
ΔY
ΔX
ΔY
-0,007 0,004 -0,008 0,005
-0,002 -0,001 -0,003 0,000
-0,002 0,000 -0,003 0,001
-0,002 0,000 -0,003 0,001
-0,001 0,000 -0,003 0,000
-0,001 0,000 -0,003 0,000
-0,002 0,000 -0,003 0,000
-0,001 0,000 -0,003 0,000
-0,002 0,000 -0,003 0,001
-0,002 0,000 -0,003 0,001
-0,002 0,000 -0,003 0,001
-0,002 0,000 -0,003 0,001
-0,001 0,003 -0,001 0,003
0,003 0,002 0,003 0,002
0,002 0,002 0,002 0,002
-0,001 0,001 -0,001 0,001
-0,001 0,002 -0,001 0,002
0,002 0,001 0,002 0,001
-0,001 0,002 -0,001 0,002
-0,001 0,003 -0,001 0,003
0,001 0,003 0,001 0,003
0,000 0,002 0,000 0,002
0,000 0,002 0,000 0,002
Tabela 4.4. Wykaz różnic współrzędnych dla punktów w interwałach czasu.
4.3.
Ocena stabilności budynku
Podczas oceny stabilności położenia budynku (przemieszczenie pionowe) przyjęto
założenie, iż jeśli wartość różnicy wysokości pomiędzy tymi samymi punktami w chwili
t0 - t2, t0 – t1 oraz t1 – t2 jest ujemna, wówczas przemieszczenie jest ujemne (punkt osiada),
zaś jeśli jest dodatnia, wypiętrza się.
Jako kryterium do oceny przemieszczeń poziomych przyjęto podwójną wartość
średniego błędu ich wyznaczenia. W przypadku przekroczenia powyższej wartości
przemieszczenia uznano za istotne.
Wyniki pomiarów metodą niwelacji geometrycznej pozwoliły ustalić, iż punkt
znajdujący się na budynku od strony ulicy Henryka Sienkiewicza uległ przemieszczeniu
o wartości -0,91 mm. Reper osiada systematycznie, w ciągu 9 miesięcy jego wysokość
zmieniła się o -0,50 mm, zaś od kwietnia do maja zmieniła się o -0,21 mm. Pozostałe
wykazane różnice wysokości reperów zarówno na gruncie oraz na budynku podczas
wykonanych 3 serii pomiarowych nie wykazały przemieszczeń. Wartości różnic wysokości
mieszczą się w granicach błędu pomiaru.
Powyższe wnioski zostały potwierdzone przez wyniki badań geometrii obiektu.
Współrzędne punktu znajdującego się na rogu budynku od strony ulicy Henryka
Sienkiewicza różnią się w dwóch płaszczyznach. Różnice pomiędzy pomiarem
t0 – t1 wynoszą: ΔX = - 0,007 m, ΔY = 0,004 m. Natomiast różnice pomiędzy pomiarem
t0– t2 wynoszą: ΔX = - 0,008 m, ΔY = 0,005 m.
5. Podsumowanie
W ocenie procesu osiadania dokonano analizy konstrukcji oraz założeń
użytkowania obiektu z rzeczywistymi warunkami terenowymi oraz środowiskowymi.
Na wyniki pomiaru (poza błędami przyrządów pomiarowych oraz błędami
obserwatora) mogła wpłynąć lokalizacja budynku wzdłuż drogi ekspresowej. Punkty
kontrolowane, na których przyjęto przemieszczenia za istotne znajdują się od strony ulicy.
W przypadku budynku Starostwa Powiatowego powinno się dalej kontynuować
proces kontroli stałości reperów kontrolowanych względem punktów odniesienia.
Przesłanką może być także przeznaczenie (obiekt użyteczności publicznej, gdzie przebywa
wielu pracowników oraz osób załatwiających swoje sprawy administracyjne).
Wykazane przemieszczenia punktów kontrolowanych nie stanowią zagrożenia
dla dalszego użytkowania obiektu. Biorąc pod uwagę konstrukcję, sposób jego
posadowienia można domniemywać, iż budynek, który w okresie badania nie wykazywał
istotnych przemieszczeń i może w dalszej perspektywie czasu być stabilny i nie
wykazywać oznak zagrożenia podczas dalszego użytkowania. budynku powinna zapewnić
stałość i bezpieczeństwo dalszego użytkowania budynku.
LITERATURA:
1. Bauer Jerzy F., Geodezyjne zabezpieczenie prac inżynierskich, Wydawnictwo WAT,
Warszawa 1985.
2. Bryś Henryk, Stefan Przewłocki, Geodezyjne metody pomiarów przemieszczeń budowli,
Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998.
3. Hermanowski Andrzej,
Pomiary przemieszczeń pionowych,
Instytut
Geodezji
i Kartografii, Warszawa 1993.
4. Lazzarini Tadeusz oraz zespół współautorów, Geodezyjne pomiary przemieszczeń
budowli i ich otoczenia, Wydawnictwo UWM, Olsztyn 2009.
5. Lazzarini Tadeusz, Geodezyjne pomiary odkształceń i ich zastosowanie
budownictwie. PPWK, Warszawa 1961.
6. Praca zbiorowa pod redakcją Mariana Pękalskiego, Ćwiczenia terenowe z geodezji
inżynieryjnej i miejskiej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
Warszawa 2003.
7. Prószyński Witold, Kwaśniak Mieczysław, Podstawy geodezyjnego wyznaczania
przemieszczeń: pojęcia i elementy metodyki, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 2006 .