Kako pratiti pomake, deformacije i oštećenja na objektima poput zgrada, mostova, tunela…

Praćenje strukturnog zdravlja zgrade je jedno od bitnih aspekta u životnom ciklusu objekta, bilo da se radi o ključnom objektu koji zahtjeva praćenje od trenutka puštanja u pogon, ili o nekom starijem objektu koji je zbog vanjskih utjecaja postao nesiguran za upotrebu. Sustavi permanentnog (trajnog)  monitoringa građevina glavna su komponenta kada je riječ o detekciji pomaka i deformacija u realnom vremenu. Postoje različite vrste sustava za praćenje, ali u ovome će se članku razmatrati dvije od njih: geodetski sustav (apsolutni) i geotehnički sustav (relativni).

Geodetski monitoring

Kod ovog tipa monitoringa građevina se prvenstveno oslanjamo na geodetske instrumente kao što su precizne mjerne stanice i precizni GNSS prijemnici. Kada govorimo o geodetskom sustavu monitoringa, najčešće se radi o sustavu koji je apsolutno orijentiran, odnosno onom koji prati 3D pomake objekta u definiranom 3D koordinatnom sustavu za koji su poznati smještaj i orijentacija u prostoru. Zahvaljujući tome, moguće je jasno definirati „gdje se objekt kreće“ i u kojem iznosu.

GNSS (GPS) prijemnici

Za potrebe monitoringa građevina se GNSS prijemnici mogu koristiti na dva načina: za indirektno i direktno određivanje pomaka. Kod indirektnog načina određivanja pomaka se prijemnici postavljaju izvan područja očekivanog pomaka, te se koriste kao stabilna osnova na koju se vežu drugi mjerni sustavi poput mjernih stanica. U slučaju da nije moguće postaviti mjerne stanice izvan područja očekivanog pomaka, moguće je prije početka svake epohe mjerenja, presjekom nazad (presjekom unutarnjih pravaca) ili kombiniranim presjekom, odrediti položaj i orijentaciju mjerne stanice te na taj način odrediti ukoliko je došlo do pomaka samog mjernog instrumenta.

Metodom direktnog određivanja pomaka se prijemnik postavlja na građevinu na kojoj je potrebno pratiti i detektirati pomak, te se kontinuiranim opažanjem i izjednačenjem GNSS opažanja u kinematičkom pristupu mogu odrediti pomaci točke na kojoj je antena prijemnika postavljena. Kod direktnog pristupa monitoringu bitno je voditi računa da najčešće običan GNSS prijemnik nije dorastao takvom zadatku, već je potrebno koristiti prijemnike sa mogućnosti računanja položaja sa svim konstalacijama, kako sustav monitoringa ne bi ovisio o potencijalnom manjku satelita zbog ispada iz rada jedne od konstalacija. Nadalje, treba voditi računa da prijamnik ima veliki broj mjerenja u sekundi (npr 50 – 100 Hz) kako bi se postigla adekvatna rezolucija mjerenja. Konačno, jedan od bitnih faktora jest precizna Choke ring antena, koja zahvaljujući svom dizajnu eliminira neke od utjecaja odbijenih GNSS signala (engl. Multipath) koji mogu proizvesti šumove u mjerenjima. Primjer takvog prijemnika je Topcon NetG5 u kombinaciji sa CR-G5 antenom. Prijemnik sa mogućnosti 100Hz brzinom mjerenja (engl. Refresh rate), uz mogućnost računanja sa svim GNSS konstalacijama i 452 univerzalna kanala, ostvaruje se milimetarska preciznost mjerenja uz visoku pouzdanost.

Mjerne stanice

Mjerne stanice su jedne od najraznovrsnijih i najpreciznijih geodetskih mjernih instrumenata. Kao takve su idealne za zadatak monitoringa, jer se sa modelima visoke preciznosti mjerenja kuta (0,5”) i visoke preciznosti mjerenja duljine (0.8 mm +1 ppm) mogu postići submilimetarske točnosti. Danas se one koriste u gotovo svim sustavima permanentnog monitoringa, budući da ih je moguće vrlo jednostavno isprogramirati za automatsko autonomno mjerenje. U mjernu stanicu se prilikom postavljanja sustava namjeste parametri svih točaka i period mjerenja, te se nakon toga mjerna stanica sama aktivira prema rasporedu mjerenja, izmjeri pravce i duljine prema svim definiranim točkama, pošalje mjerenja na definiranu lokaciju putem interneta te se ugasi radi uštede energije. Primjer takve mjerne stanice je Topcon MS AX II. Mjerna stanica ima očitanje od 0,1 lučne sekunde uz točnost mjerenja kuta od 0,5 lučnih sekundi. Mjerenje duljine na prizmu je točnosti od 0,8 mm uz povećanje pogreške za 1mm po kilometru mjerene duljine.

Software za automatizirano izjednačenje

Osim sustava za mjerenje, jedna od ključnih komponenti sustava praćenja građevina jest programsko sučelje (engl. Software) za automatsko prikupljanje mjerenja, računanje i izjednačenje rezultata, te automatiziranu provjeru stanja građevine na osnovu predefiniranih parametara tolerancije. Glavni zadatak takvog programa je prikupiti sva mjerenja sustava, izračunati rezultate te ih usporediti sa tolerancijama. Ukoliko neko od mjerenja prekorači definiranu toleranciju, automatski se alarmiraju nadležne osobe koje zatim, s obzirom na rezultate, odlučuju je li potrebno staviti objekt izvan upotrebe, evakuirati objekt i okolicu ili nešto treće. Primjer takvog programskog sučelja jest Topcon Delta Watch, koji može računati i kombinirati mjerenja iz različitih izvora kao što su GNSS prijemnici, mjerne stanice, niveliri, geotehnički senzori… Program može raditi na osobnom računalu ili kontinuirano na serveru, gdje radi potpuno automatizirano i kontaktira korisnika u slučaju bilo kakvih opasnosti sa praćenim objektom.

Geotehnički monitoring

Geotehnički senzori su, za razliku od klasičnog geodetskog instrumentarija za monitoring građevina, puno manji, fleksibilniji i financijski povoljniji, što ih čini idealnom alternativom ili dopunom geodetskom sustavu, ovisno o situaciji. Postoji veliki broj različitih geotehničkih senzora, no mi ćemo se u ovom članku posvetiti samo onima koji se koriste kao zamjena ili nadopuna geodetskih sustava. Glavni senzori koje koristimo su troosni senzori promjene nagiba (engl. Tilt sensor), optički senzor pomaka (engl. Optical displacement sensor) i linearni senzor pomaka za praćenje pukotina (eng. Crack sensor). Sa takvim senzorima moguće je direktno opažati isključivo relativne pomake, što je u većini slučajeva i više nego dovoljno, jer je najčešća svrha sustava trajnog monitoringa identifikacija pomaka, određivanje njegovog iznosa, te alarmiranje nadležnih stručnjaka ukoliko iznos pomaka prijeđe pragove tolerancije. Sa ovakvim sustavom moguće je postići upravo to, a bez potrebe za osiguravanjem vizualnog dogledanja između senzora.

Troosni senzor nagiba

Optički senzor pomaka

Linearni senzor pomaka za praćenje pukotina

Velika prednost ovakvog sustava jest bežični rad. Svaki je senzor opremljen baterijom koja omogućava rad do 15 godina bez potrebe za punjenjem ili zamjenom baterije, što uz otporno kučište pruža veliku sigurnost i pouzdanost sustava. Senzori se jednostavno postave na ključne točke objekta koje se žele pratiti, konfiguriraju se parametri praćenja i tolerancije pomaka unutar web programskog sučelja nakon čega sustav sam obavlja periodička mjerenja te javlja putem SMS poruke ili e-pošte ukoliko postoji odstupanje veće od definiranog. U tom slučaju se, ukoliko je potrebno, izlazi na teren, ili se odmah reagira npr. stavljanjem objekta van pogona ili evakuacijom do trenutka sanacije.

Koncept

Upotrebom troosnog senzora nagiba, moguće je direktno mjeriti promjenu nagiba podloge na koju je senzor montiran, što u nekim slučajevima nije nužno dovoljno da bi se pomak mogao jasno interpretirati, stoga se upotrebom trigonometrije mogu precizna mjerenja promjene nagiba interpretirati u linearnom smislu uz visoku točnost. Npr., postavljanjem senzora nagiba na gredu fiksne poznate duljine (npr. 2 m) te fiksiranjem te grede na dvije točke objekta, moguće je detektirati i izmjeriti točan pomak objekta u linearnom smislu trigonometrijskim izračunom.

Recimo da je potrebno pratiti slijeganje mosta. U tom slučaju bismo uzeli gredu duljine npr. l = 2 m i jedan kraj grede fiksirali na most, a drugi kraj grede fiksirali izvan područja mosta (na slici je greda označena plavom bojom). Na gredu se postavlja senzor nagiba (na slici označen žutom bojom) koji periodično mjeri promjenu kuta nagiba. Ukoliko bi došlo do slijeganja mosta (desna slika), promjena nagiba grede bila bi izmjerena od strane senzora (kut α). Budući da nam je poznata duljina grede, jednostavnim izračunom je moguće doći do iznosa slijeganja mosta upotrebom formule:

Sin(α) = dh / l

Senzor prije slijeganja

Senzor nakon slijeganja

Ukoliko je potrebno pratiti slijeganje objekta u više točaka, moguće je grede povezati u lanac, gdje se na svakoj gredi lanca postavlja novi senzor i na taj način dobivaju promjene položaja po cijeloj dužini. Na jednaki način se mogu pratiti pomaci u vertikalnom smislu, odnosno odstupanje od vertikale. Ovakvim pristupom se svaka točka fiksiranja grede može tretirati kao točka na kojoj bi u geodetskom pristupu monitoringa postavili prizmu.

Nadalje, postoje mjesta u kojima je potrebno direktno mjeriti udaljenost između dviju točaka. Za takve situacije postoji optički senzor pomaka, koji pored troosnog senzora nagiba sadrži i precizan daljinomjer kojim je moguće mjeriti udaljenosti do 150 m. Na taj način je moguće odrediti ukoliko dolazi do međusobnog približavanja/udaljavanja upornjaka mosta. Druga mogućnost je da se senzor postavi na vrh zgrade, tako da mjeri udaljenost vrha zgrade od tla i na taj način određuje dolazi li do slijeganja zgrade. Ovaj se senzor najčešće koristi u kombinaciji sa senzorima nagiba, kako bi se dobila jasnija 3D slika o kretanju objekta.

Primjer 1D podataka senzora za slijeganje mosta

Primjer 2D podataka senzora slijeganja mosta

Zadnji senzor koji ćemo spomenuti u ovom članku jest linearni senzor za praćenje pukotina. Radi se o senzoru koji se fiksira u dvije točke, svaka sa jedne strane pukotine, te dinamično prati širenje/skupljanje pukotine. Osim za praćenje pukotine, ovaj senzor se može koristiti za praćenje bilo kakvog drugog linearnog pomaka.

Sustavi ovog tipa su veoma fleksibilni budući da je moguće napraviti cijeli sustav za praćenje sa samo par senzora, a isto se tako za veće objekte u sustav može uključiti i po nekoliko tisuća senzora, ovisno o potrebama projekta.

Primjer proizvođača ovakvih senzora je britanski Senceive. Oni su firma koja se već preko 15 godina bavi razvojem i održavanjem monitoring sustava baziranog na ranije objašnjenim principima za potrebe praćenja željeznica, tunela, mostova, klizišta, zgrada… Jedna od novijih kategorija klijenata za ovakve sustave su osiguravajuće kuće, budući da se sa ovakvim sustavima može veoma jednostavno pokazati kakav utjecaj imaju radovi na susjedne objekte. Na taj način se eliminiraju potencijalne tužbe od strane vlasnika za oštećenja nepovezana sa obavljenim radovima.

Primjer postavljenih senzora na mostu

Primjer postavljenih senzora na tunelu