21. slovenské geodetické dni Žilina novembra 2013

21. slovenské geodetické dni

ZAMERANIE ZVISLOSTI VÝ

Ť

AHOVEJ ŠACHTY PRE

Ú

Č

ELY DOKUMENTÁCIE SKUTO

Č

NÉHO VYHOTOVENIA

STAVBY "KOŠICE – BÝVANIE, 1. ETAPA"

UPRIGHT ALIGNMENT SURVEY OF LIFT SHAFT FOR BUILDING

REALIZATION DOCUMENTATION OF BUILDING WORK "

KOŠICE – BÝVANIE, 1. ETAPA"

Martin Marcináško

Abstract:

Nowadays, when objects are getting bigger not only in width, but also in height and form various unusual objects, this work is still more recent. This paper discusses about upright alignment survey of buildings and their structural components. It also describes the practical application of some surveying methods focus on verticality of lift shaft for building realization documentation of building work "Košice – Bývanie, 1. etapa". Detailed is devoted to processing and field work, that must be done before the evaluation. The methods are assessed at work given to projected values and among themselves. The aim is not only to establish the most appropriate method to upright alignment survey of lift shaft, but also point to new directions and possibilities surveying and test them in confrontations with previously used.

1.

Postup zamerania a spracovania výťahovej šachty

Zameranie zvislosti stavebného objektu a ich konštrukčných častí je v dnešnej dobe veľmi aktuálna problematika. Nárast objektov čo do šírky, výšky a zložitosti vedie k nutnosti zamerania týchto objektov. Túto povinnosť ukladá aj samotný zákon a je ďalej rozvedená v technických predpisoch a normách pre jednotlivé druhy stavebných objektov. Existencia rôznych druhov stavebných objektov núti využívať rozličné metódy zameranie. Po rekognoskácií terénu bolo nakoniec rozhodnuté na zameranie železobetónového skeletu výťahovej šachty požiť metódu:

a) olovnicového závesu,

b) polárnu metódu s využitím univerzálnej meračskej stanice, c) laserové skenovanie.

2.

Olovnicový záves

Olovnicový záves je nutné pred meraním vhodne umiestniť a samotnú olovnicu ponoriť do nádoby s tekutinou aby tlmila samovoľné výkyvy. Záves bol umiestnený v prednej časti, kde je situovaný vchod do budúceho výťahu deň pred meraním z dôvodu ustálenia kyvov.

Olovnica aj cez svoju jednoduchosť je stále jedna z najpresnejších zariadení na určovanie zvislíc.

Dĺžky sa merali elektronickým diaľkomerom DISTO A5. Zameraných bolo na každej výškovej úrovni (podlaží) štrnásť dĺžok, z dôvodu kontroly a nadbytočného počtu zamerania. Prakticky pre zameranie jedného podlažia by postačilo odmerať iba štyri dĺžky – kolmice od stien šachty na olovnicu. Zameraná však bola aj hrúbka steny, celková dĺžka, šírka a uhlopriečka šachty, šírka vchodového otvoru a rozmery od otvoru po steny šachty. Rozdiel medzi dĺžkami v rohoch bol maximálne 2 mm. Ten bol zapríčinený v najväčšej miere meraním na rohy výťahovej šachty. Všetky steny nemohli byť osobitne zamerané z dôvodu neprístupnosti zadnej steny výťahovej šachty.

Obr. 1 Ukážka meraných rozmerov

Na spracovanie bol použitý program MicroStation V8 XM. Parametre nadbytočných meraní sa líšili od vyhotoveného pôdorysu výťahovej šachty maximálne jeden milimeter. Taktiež som porovnal s projektovou dokumentáciou pričom rozdiel musel byť v rámci dovolenej odchýlky (25 mm) podľa STN 73 2400 pre zhotovovanie betónových konštrukcií.

3.

Polárna metóda s využitím univerzálnej meračskej stanice

Výťahová šachta je situovaná v strede stavebného objektu, tým vyplynula nutnosť dočasnej stabilizácie stanovísk na každej výškovej úrovni. Ako orientáciu sme nastavili na stanovisko mimo stavebného objektu. Pre zobrazenie bola zameraná aj poloha olovnicového závesu na ktorý bol nalepený terč z reflexnej fólie. V rovnakej úrovni na každom poschodí bol zameraný obvod výťahovej šachty v rámci možností 3 - 5 bodov na jednu stenu. Piate podlažie (výšková úroveň) z dôvodu úplného obostavania nebola zameraná a nebola zameraná ani vnútorná časť najbližšej steny. V teréne sme preto zvolili doplnkové zameranie stien pomocou elektronického dĺžkomera DISTO A5. Kancelárske práce boli prevedené v grafickom programe MicroStation V8 XM. Odchýlka od projektovej dokumentácie bola v

tolerancii dovolenej odchýlky (25 mm) podľa STN 73 2400 pre zhotovovanie betónových konštrukcií.

Obr. 2 Zobrazenie bodov v programe MicroStation V8 XM

4.

Laserové skenovanie

Táto metóda patrí k najmodernejším a najnovším používaných v geodézii. Využíva sa najmä na dokumentáciu skutočného stavu prírodných a antropogénnych objektov ako sú stavebné objekty a konštrukcie, historické pamiatky, povrchové a podzemné banské diela, technologické zariadenia apod. [1], [2], [3]. Reálne objekty pri ich dokumentácii nahrádzame ich zjednodušenými 3D modelmi. Pre použitie vo výťahových šachtách ju obmedzuje iba výška šachty, nakoľko s výškou a tým aj uhlom klesá presnosť a hustota bodov. Výťahová šachta je takmer uzavretý priestor, preto sme zorné pole prístroja Leica Scanstation C10 nastavili na maximálne možné. Hustota bodov bola nastavená 1 cm na vzdialenosť 20 metrov.

Obr. 3 Tvorba rezov

Výsledkom meračských prác bolo mračno bodov ktoré obsahovalo viac ako 33 miliónov bodov. Nakoniec som zvolil spracovanie v programe Trimble RealWorks 6.5. Mračno bodov

som načítal, orezal a upravil hustotu bodov na jeden centimeter. Orezávanie bolo minimálne z dôvodu uzavretého priestoru. Po znížení hustoty bodov klesol ich celkový počet na zhruba milión čím sa zjednodušilo narábanie s grafikou. Následne boli požadované rezy prevedené do programu MicroStation. Výška podlažia je 3 metre a zameriavané boli rezy vo výške 1,4 metra. Ako hrúbku vrstvy som zvolil 5 centimetrov (Obr. 3).

Export dát bol nutný z dôvodu spracovania a porovnania meraných hodnôt medzi metódami. V programe MicroStation som v každom reze preložil hrany referenčnou priamkou. Rozptyl bodov kolmo od referenčnej priamky je maximálne 3 milimetre. Ten však mohol do určitej miery vzniknúť aj ako dôsledok nerovností na stene šachty. Porovnali sa hodnoty s projektovanými rozmermi. Poloha olovnice nebola zameraná čím vznikol problém ako porovnať toto zameranie s ostatnými. Riešením bolo umiestnenie olovnice vzhľadom na bod 3 v prvom nadzemnom podlaží s rovnakým odstupom ako pri metóde olovnicového závesu. Taktiež natočenie výťahovej šachty bolo prevedené podľa úsečky medzi bodmi 3 a 4 v prvom nadzemnom podlaží.

5.

Presnosť meracích prác

Je samozrejmé, že z výsledkov spracovania je nutné vyvodiť určité závery. Záverom je zhodnotenie či zvislosť stavebného objektu je v rámci dovolených odchýlok. No zameranie musí spĺňať určité kritéria, ktorými sa je nutné zaoberať už pred samotným zameraním, aby boli prácou splnené. Pred zameraním musíme poznať, presnosť s akou by mala byť výťahová šachta zameraná. To znamená určiť krajnú hodnotu presnosti zamerania, ktorú pre daný druh práce nesmie prekročiť žiadna metóda. Tú stanovuje STN ISO 4463-1 krajnou odchýlkou pre premietané body s prevýšením väčším ako 4 m:

(1)

Kde h je zvislá vzdialenosť medzi referenčným a premietaným bodom v metroch (21 m). Krajná dovolená odchýlka meračských prác po dosadení zvislej vzdialenosti je ±6,9 mm. Presnosť stavebných prác je stanovená technickými predpismi nepriamo a to dovolenými odchýlkami geometrických veličín, o ktorých sa predpokladá, že majú malý vplyv na nosnú konštrukciu stavebného objektu. Presnosť polohy v pôdoryse vztiahnutá na sekundárnym priamkam je ±25mm.

Tab. 1 Presnosť metódy s použitým prístrojovým vybavením

Metóda Olovnicový záves Polárna metóda Laserové skenovanie

Presnosť meračských prác ±3,5mm ±2,1 mm ±6,0 mm Krajná dovolená odchýlka ut ±6,9 mm Krajná hodnota strednej chyby mp ±3,5 mm

Pri určovaní presnosti meračských prác, keď máme polohu bodu určiť s krajnou dovolenou odchýlkou meračských prác ut, potom v mnou zvolenom konfidenčnom koeficiente t = 2 (α =

0,05 – riziko 5%, že skutočná hodnota bude mimo intervalu spoľahlivosti), môžeme požadovanú strednú chybu polohy bodu vyjadriť vzťahom:

Hodnotu mp považujeme za krajnú (maximálnu) hodnotu strednej chyby, ktorá zahŕňa chyby

meračskej siete a chyby pri meraní polohy bodu danou metódou. Presnosť krajnej hodnoty strednej chyby spĺňajú jedine metóda olovnicového závesu a polárna metóda pre konfidenčný koeficient t = 2 (95% pravdepodobnosť, že skutočná hodnota sa nachádza vo vnútri intervalu spoľahlivosti). Laserové skenovanie spĺňa konfidenčný koeficient t = 1 (α = 0,32 - riziko 32%).

5.1 Výpo

č

et presnosti metódy olovnicového závesu

Pri tejto metóde ma najväčší vplyv na výsledky zamerania vplyv kyvov olovnice a presnosť

merania dĺžok elektrooptickým diaľkomerom. Vplyv kyvov olovnice ma najväčší vplyv. Presná hodnota kyvov olovnice sa určuje špecifickými prístrojmi, ktoré sú využívané hlavne v banskej geodézií. V našom prípade pre šachtu ktorá je vysoká 25 metrov a vplyv prostredia je nízky môžeme vplyv kyvov olovnice uvažovať na hranici ±2 mm.

Presnosť použitého elektrooptického diaľkomera DISTO A5 pre dosah 100 metrov od steny výrobca priamo udáva ±1,5mm. Tým je priamo daná presnosť určenia polohy bodov pri tejto metóde, ako súčet vplyvu kyvov olovnice (±2 mm) a a presnosti merania dĺžok (±1,5 mm). Presnosť metódy je ±3,5 mm (Tab. 1).

5.2 Výpo

č

et presnosti polárnej metódy

Zameranie polohy bodu polárnou metódou sa skladá z merania uhla a dĺžky, ktoré najväčšou mierou vplývajú na presnosť. Taktiež musíme zohľadniť vplyv chýb v meraní zenitového uhla

z. Presnosť merania polohy bodu polárnou metódou je určená vzťahom pre strednú polohovú chybu, ktorá je odvodená zo vzťahov pre priestorové určenie súradníc bodu:

(3)

Principiálne má stredná súradnicová chyba určovaného bodu dva členy, a to vplyv chýb meračskej siete na polohu meraného bodu a vplyv chýb, ktoré vzniknú pri meraní v meraných veličinách (šikmá dĺžka d, zenitový uhol z a vodorovný uhol ω). Výpočet bude pre najvzdialenejšie body od stanoviska prístroja, kde je predpokladaný najväčší vplyv. Pri praktickej aplikácii na zameranie výťahovej šachty pomocou polárnej metódy preto musíme presnosť rátať v dvoch krokoch. V prvom kroku vypočítame presnosť polohy bodu z ktorého výťahovú šachtu zameriame (meračskej siete).

Tab. 2 Krok 1. – presnosť meračskej siete, polárna metóda

z – meraný zenitový uhol 80g

mz – stredná chyba meraného zenitového uhla 3cc

ω – meraný vodorovný uhol 210g

mω – stredná chyba meraného vodorovného uhla 3cc

d – meraná šikmá dĺžka 120m

md – stredná chyba meranej šikmej dĺžky 1 mm + 1.5 ppm

ρcc _{– prevodový koeficient 636620}

mP – stredná súradnicová chyba bodu meracej siete ±1,1 mm

V druhom kroku už rátame presnosť polohy meraných bodov.

Tab. 3 Krok 2. – presnosť meraného bodu, polárna metóda

z – meraný zenitový uhol 110g

ω – meraný vodorovný uhol 210g

mω – stredná chyba meraného vodorovného uhla 3cc

d – meraná šikmá dĺžka 4m

md – stredná chyba meranej šikmej dĺžky 1 mm + 1.5 ppm

ρcc _{– prevodový koeficient 636620}

mP – stredná súradnicová chyba meraného bodu ±1 mm

Výsledná presnosť sa bude rovnať súčtu chýb meračskej siete a meraného bodu. Teda univerzálnou meracou stanicou Leica TCRA 1201+ danou metódou vieme určiť polohu bodu v rovine s presnosťou ±2,1 mm (Tab. 1).

5.2 Presnos

ť

laserového skenovania

Laserové skenovanie pracuje na princípe priestorovej polárnej metódy. Výšková presnosť nie je podstatná, pre účel merania je nutné určiť len polohovú presnosť. Taktiež nie je potrebné brať do úvahy presnosť meracej siete, keďže prístroj nebol orientovaný. Presnosť sa dá vypočítať podobne ako pri predchádzajúcej metóde. Keďže táto metóda nepoužíva pre zameranie len niekoľko bodov, ale doslova celé mračno (zameranie tvorilo viac ako 33 miliónov bodov), čím sa zvyšuje presnosť.

Výrobcom je udávaná polohová presnosť pre jednotlivý bod na ±6 mm. Avšak pri uvážení celého mračna, vznikne povrch, ktorého presnosť sa dá zvýšiť na ±2 mm. To je presnosť, ktorá je pre zameranie zvislosti postačujúca. V tomto prípade som však neprekladal mračnom bodov povrch, ale len som využil zredukovaný počet bodov v jednotlivých výškových úrovniach o hrúbke 50 mm ktorým som preložil referenčnú priamku. Preto za presnosť budem uvažovať ±6 mm (Tab. 1).

6.

Zhodnotenie zamerania

Jednotlivé merania bolo možné vyhodnotiť na základe zameranej polohy olovnice, na ktorej polohu sa pripájali všetky merané výškové úrovne. Na základe výsledkov zamerania som vyvodil záver, že poloha výťahovej šachty v jednotlivých výškových úrovniach, tým pádom aj celková zvislosť premietaných bodov, je v rámci dovolenej stavebnej odchýlky (25mm) podľa STN 73 2400 pre Zhotovovanie betónových konštrukcií.

Tab. 4 Odchýlky od projektovanej hodnoty pre bod 1.

Bod 1. Olovnicový záves Polárna metóda Laserové skenovanie

ΔY (mm) ΔX (mm) ΔY (mm) ΔX (mm) ΔY (mm) ΔX (mm) 8 NP -11 -3 -6 -4 -6 -5 7 NP -1 -4 -1 -7 1 -8 6 NP -6 -4 -8 -8 -3 -6 5 NP -1 8 - - 4 7 4 NP -7 10 -4 7 -2 10 3 NP -11 8 -14 7 -9 6 2 NP -8 4 -12 3 -7 2 1 NP -4 -4 -4 -8 -7 -9

Maximálna nameraná vzdialenosť rohov šachty od projektovanej polohy je 13mm pri olovnicovom závese, 16mm pri polárnej metóde a 12mm pri laserovom skenovaní. Záverom meracích prác je, že výťahová šachta stavebného objektu "Košice – Bývanie, 1. etapa" je zvislá v rámci dovolených odchýlok.

7.

Porovnanie jednotlivých metód

Zhodnotenie a vyvodenie záverov z meraní tvorí len časť mojej práce. Porovnanie sa skladá z vyhotovenia výkresov, kde je znázornená zvislosť z dvoch na seba kolmých smerov a vektorového znázornenia pre každú metódu. Zároveň ich zobrazenie a porovnanie v jedinom výkrese. Taktiež číselné porovnanie odchýlok od projektovaného stavu v dvoch na seba kolmých smeroch.

Obr. 4 Grafické zobrazenie metód a projektovaného stavu – bod 1. prvé poschodie

Po preukázaní zvislosti výťahovej šachty som porovnal absolútne hodnoty súradnicových rozdielov medzi jednotlivými metódami v dvoch na seba kolmých smeroch.

Tab. 5 Porovnanie absolútnych hodnôt rozdielov medzi metódami pre bod 1.

Bod 1.

Olovnicový záves –

Polárna metóda Laserové skenovanieOlovnicový záves – Laserové skenovanie Polárna metóda –

ΔY (mm) ΔX (mm) ΔY (mm) ΔX (mm) ΔY (mm) ΔX (mm) 8 NP 5 1 5 2 0 1 7 NP 0 3 2 4 2 1 6 NP 2 4 3 2 5 2 5 NP - - 5 1 - - 4 NP 3 3 5 0 2 3 3 NP 3 1 2 2 5 1 2 NP 4 1 1 2 5 1 1 NP 0 4 3 5 3 1

Jednotlivé metódy vyšli v rámci dovolených odchýlok a môžu slúžiť aj ako kontrolné merania medzi sebou. Rozdiely vzniknuté medzi metódami nepresiahli hranicu 7mm. Táto hodnota nie je samozrejme len výsledkom nepresnosti jednotlivých metód ale aj určitých rozdielov pri zameriavaní. Teoreticky, keď cielime na rovnakú stenu, mal by byť rozdiel maximálne súčtom stredných chýb jednotlivých metód, čo je hodnota, ktorú nie všetky body spĺňajú. V praxi ale musíme vziať na vedomie aj to, že samotná stena nie je v celom priebehu úplne rovná, čím vzniká priestor pre ďalšie odchýlky zapríčinené odlišnosťami jednotlivých metód pri meraní.

Porovnal som tiež zvislosť výťahovej šachty, jej jednotlivé premietané body, vzhľadom k prvému nadzemnému podlažiu. Porovnanie ukázalo maximálne namerané odchýlky vztiahnuté k prvému nadzemnému podlažiu. Takéto vyhodnotenie slúži pre názornejšie porovnanie zvislosti premietaných bodov jednotlivých metód.

Tab. 6 Odchýlky vztiahnuté k polohe 1. nadzemného podlažia pre bod 1.

Bod 1. Olovnicový záves Polárna metóda Laserové skenovanie

ΔY (mm) ΔX (mm) ΔY (mm) ΔX (mm) ΔY (mm) ΔX (mm) 8 NP -7 1 -2 4 1 4 7 NP 3 0 3 1 8 1 6 NP -2 0 -4 0 4 3 5 NP 3 12 - - 11 16 4 NP -3 14 0 15 5 19 3 NP -7 12 -10 15 -2 15 2 NP -4 8 -8 11 0 11 1 NP 0 0 0 0 0 0

8.

Výhody a nevýhody jednotlivých metód pri zameraní vý

ť

ahovej šachty

Olovnicový záves + minimálne prístrojové vybavenia

+ jednoduchosť metódy + rýchlosť merania + presnosť

– nutnosť prípravy závesu niekoľko hodín (deň) pred meraním – pri vysokých budovách a exteriéroch sú kyvy olovnice značné – iba lokálny súradnicový systém

Polárna metóda + možnosť pripojenia na súradnicové systémy

+ jednoduché spracovanie

– stabilizovanie prístroja na každom podlaží (jeho prenášanie) – zameranie len stien, ktoré vidno (v šachte jednu nevidno) – dĺžka terénnych prác

– nutná viditeľnosť na orientáciu

Laserové skenovanie + takmer žiadne terénne práce

+ rýchlosť zamerania

+ rýchle vyhodnotenie z dôvodu uzavretého priestoru šachty – cena prístroja

– veľký hardvérové požiadavky – obmedzenie výškou šachty

Touto prácou som poukázal na aktuálnu problematiku a jej riešenie modernými metódami, ktoré v dnešnej dobe už dosiahli požadovanú úroveň presnosti a spoľahlivosti vhodných pre použitie v inžinierskej geodézií. Výsledky uverejnené v tejto práci jasne poukazujú na vhodnosť, možnosti a hranice použitia všetkých metód pre zameranie zvislosti výťahovej šachty.

Zároveň na základe tejto práce, by som volil ako najvhodnejšiu metódu olovnicového závesu pri ktorej s minimom nákladov sa dosahuje požadovaný cieľ merania. Druhou voľbou, ak by sa nedala použiť metóda olovnicového závesu, by som volil laserové skenovanie. Minimum práce na stavenisku odradzuje len v dnešnej dobe pomerne vysoká cena prístroja a hardvérového vybavenia. Polárna metóda je preukázateľne vhodná, aspoňčo do presnosti, ale

množstvo terénnych prác oproti ostatným metódam ju značne znevýhodňuje. Je to vhodná metóda hlavne ako kontrolná a doplnková.

Literatúra:

[1] KOVANIČ, L.: Terestrické laserové skenovanie ako silný nástroj pre dokumentáciu prírodných a antropogénnych objektov, 2013. In: Transfer inovácií. Č. 26 (2013), s. 170-175. - ISSN 1337-7094.

[2] KOVANIČ, L. – NÉMETH, Z.: Využitie geodetických metód na modelovanie stien povrchových lomov a skalných útvarov a pri ich štruktúrnej analýze: príklad z kameňolomu Sedlice, 2013. 2013. In: Mineralia Slovaca. Roč. 45, č. 1-2 (2013), s. 69-84. - ISSN 0369-2086.

[3] KOVANIČ, L.: Możliwości wykorzystania naziemnego skaningu laserowego w monitorowaniu deformacji w zakładach górniczych, 2013. 2013. In: Inżynieria Mineralna. Vol. 31, no. 1 (2013), p. 29-41. - ISSN 1640-4920.

[4] STN ISO 4463-1: Metódy merania v stavebníctve, Vytyčovanie a meranie, 2002. [5] STN 73 2400: Zhotovovanie betónových konštrukcií, 2010.