OPERAZIONI TOPOGRAFICHE PER LAVORI DI INGEGNERIA CIVILE/AMBIENTALE

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1 OPERAZIONI TOPOGRAFICHE PER LAVORI DI INGEGNERIA CIVILE/AMBIENTALE

2 Nella realizzazione di opere di ingegneria civile, il rilievo topografico interviene : - nella fase di progettazione; si eseguono infatti rilievi per costruire carte a grande scala su cui l opera verrà così progettata; - nella fase di costruzione: si eseguono operazioni di tracciamento che materializzano sul terreno quelli che saranno i punti caratteristici dell opera; - ad opera costruita, per eseguire collaudi e controlli periodici

3 Qualsiasi opera di ingegneria civile ha un determinato rapporto con il terreno, che deve essere conosciuto, nelle diverse fasi della progettazione, con minore o maggiore dettaglio. La carta su cui si realizza un progetto può avere scala maggiore o minore, in funzione della fase progettuale a cui serve.

4 Corso di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio a.a Progettazione preliminare Conduce ad una prima configurazione dell opera valutazioni economiche di massima si valuta il rapporto opera/terreno per caratteristiche generali la carta non si sfrutta in maniera metrica 1: SI GIUNGE ALLA VALUTAZIONE DEL COSTO CON UN APPROSSIMAZIONE DEL 10% - 15%

5 Corso di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio a.a Progetto di massima Si utilizzano carte alle scale 1: / 1:5.000 in funzione della minore o maggiore dipendenza opera/terreno 1: elettrodotti, oleodotti, funivie, reti di fognatura, ecc. 1:5.000 strade, ferrovie, canali, acquedotti, opere di irrigazione, bonifica, difesa del suolo, porti, ecc. 1:10.000

6 Progetto esecutivo Le singole strutture dell opera vengono generalmente rappresentate nelle scale 1:200/1:100. Però l insieme dell opera viene rappresentato nelle scale 1:2.000 / 1:1.000 Anche per l ubicazione dell opera (tracciamento) è sufficiente la scala 1:2.000/1:1.000 Su queste carte si possono anche valutare caratteristiche e costo dei movimenti di terra (integrando con misure sul terreno, sezioni stradali,ecc.)

7 I singoli manufatti (ponti, viadotti, gallerie, ecc.) sono progettati a scala 1:500/1:200. Queste scale sono necessarie per una descrizione particolareggiata del progetto dell opera e per definire con maggior precisione il posizionamento. Progetto del singolo manufatto (1:500)

8 Operazioni di tracciamento A progetto eseguito, per realizzare l opera di ingegneria progettata, la prima operazione che si effettua è tracciare l opera sul terreno. A tale scopo si individuano e si materializzano sul terreno punti che saranno punti caratteristici dell opera. Con quale precisione devono essere individuati questi punti? I disegni esecutivi delle opere sono in scala 1:50-1:200 e sui disegni le dimensioni sono indicate in centimetri. La precisione dei punti tracciati deve essere del cm

9 L operazione di tracciamento è concettualmente reciproca all operazione di rilievo. RILIEVO OGGETTO => MISURE (α, d, ) => COORDINATE => DISEGNO TRACCIAMENTO DISEGNO => COORDINATE => MISURE => OGGETTO Può essere semplice, quando si devono ubicare, rispetto a linee di confine, linee di fondazione, plinti, ecc. di edifici di modeste dimensioni In questo caso si riportano direttamente sul terreno i lati e gli angoli (retti) dei lati perimetrali

10 Se l edificio da ubicare è complesso (un edificio industriale, uno stadio, ecc.) e deve essere realizzato mediante parti prefabbricate è necessario che il tracciamento avvenga garantendo precisioni < ± 1 cm Si realizza allora una rete di punti di inquadramento di grande precisione. Le coordinate dei punti sono compensate intrinsecamente in un sistema locale (x,y) Rispetto a questa rete è stato fatto il RILIEVO della zona dove ubicare il manufatto. Sulla carta derivata dal rilievo è stato redatto il disegno di PROGETTO Si utilizzano i punti A, B, C, D di inquadramento del rilievo (che erano stati materializzati) per inquadrare il tracciamento

11 I punti 1, 2, 13 sono di coordinate note (disegno di progetto) La materializzazione dei punti di progetto sul terreno può avvenire: riportando angoli e distanze riportando solo angoli Angoli e distanze si ricavano dalle coordinate di progetto La rete di inquadramento ha quindi una importanza fondamentale

12 Corso di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio a.a Collaudo e controllo di grandi strutture Si tratta di determinare spostamenti, deformazioni o inclinazioni della struttura, cioè gli spostamenti assoluti e gli spostamenti relativi (verticali e orizzontali). Prima però è necessario definire cosa si intende per spostamento reale di un punto: un punto della struttura o del terreno che la circonda subirà uno spostamento reale quando, a causa di un certo stato di sollecitazione, il punto cambia posizione rispetto all insieme di tutti gli altri (avviene effettivamente). Spostamento assoluto: è il cambiamento di posizione di un punto della struttura rispetto ad uno o più punti di essa che hanno invece la caratteristica di non subire spostamenti reali della stessa natura e dello stesso ordine di grandezza di quelli relativi al punto in esame (capisaldi). Spostamento relativo: è il cambiamento di posizione di un punto della struttura rispetto ad uno o più punti che possono anch essi subire un cambiamento di posizione rispetto a tutti gli altri punti esterni alla struttura. Uno spostamento relativo è quindi una differenza di spostamenti reali.

13 Nella pratica operativa: - determinare gli spostamenti di una struttura significa misurare gli spostamenti assoluti; - determinare le deformazioni di una struttura significa misurare gli spostamenti relativi (in genere lo spostamento di alcuni punti della struttura rispetto ad uno o più punti della struttura stessa); - determinare l inclinazione di una struttura significa misurare eventuali rotazioni in un piano verticale intorno ad un asse orizzontale (tali rotazioni si evidenziano misurando lo spostamento relativo, orizzontale o verticale, tra due punti della struttura posti su uno stesso piano orizzontale o su una stessa linea verticale). I metodi topografici da adottare dovranno consentire quindi la determinazione di spostamenti verticali e di spostamenti orizzontali. Tali spostamenti saranno assoluti o relativi a seconda che i punti rispetto ai quali verranno determinati, saranno o no capisaldi.

14 Corso di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio a.a Metodi di misura variometrici e per differenza di posizione (coordinate) Si voglia determinare lo spostamento verticale assoluto del punto A della struttura M sotto l effetto del carico Q. Supponiamo che in prossimità della struttura M si disponga di una piattaforma sulla quale appoggiare un livello e che tale base d appoggio non subisca variazioni di quota (caposaldo). Supponiamo inoltre che l operazione di caricamento della struttura avvenga in un tempo molto breve in modo che durante tale intervallo di tempo l assetto dell asse di collimazione del livello non cambi. Per determinare lo spostamento del punto: - si pone il livello in stazione sulla piattaforma, una stadia in A, si esegue la lettura (fig. 1); - si carica la struttura e si esegue la nuova lettura alla stadia; la differenza delle due letture fornisce lo spostamento verticale del punto A (metodo variometrico) Fig. 1

15 Se invece la piattaforma (caposaldo) è lontana dalla struttura si dovrà eseguire una vera e propria livellazione (livellazione geometrica composta dal mezzo) tra il punto B della piattaforma ed il punto A e ricavare lo spostamento verticale del punto A come differenza della sua quota rispetto a B prima e dopo l applicazione del carico Q (metodo per differenza di posizione). Nel metodo variometrico non è necessario fissare un sistema di riferimento e sono tollerabili errori di tipo sistematico, purché costanti (se il livello non è in rettifica ciò non ha alcuna influenza negativa sulla misura); si misura direttamente lo spostamento verticale di A mentre con il secondo esso viene determinato come differenza tra i due dislivelli. È evidente quindi che il metodo variometrico è un metodo di misura diretto mentre quello per differenza di posizione è un metodo indiretto.

16 Corso di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio a.a Determinazione di spostamenti verticali Per la determinazione degli spostamenti verticali si ricorre di solito alla livellazione geometrica o trigonometrica. Livellazione geometrica È usata per il collaudo dei ponti quando per l impraticabilità dei luoghi sottostanti (corsi d acqua, strade che non possono essere chiuse al traffico), non è possibile l impiego dei flessimetri. Consideriamo il ponte a travate della fig. 2; il collaudatore può richiedere che le misure gli permettano di conoscere le deformazioni delle travi (le frecce sotto carico) oppure che si determini anche l abbassamento delle spalle d appoggio delle travi. Consideriamo questo secondo caso che, anche se non molto frequente, ci permette di evidenziare alcuni accorgimenti che devono essere adottati per non incorrere in errori di interpretazione delle misure. Fig. 2

17 Le operazioni si svolgono generalmente in tre fasi: 1) Sopralluogo con il collaudatore per stabilire il numero e la posizione dei punti di controllo necessari per la determinazione della deformata delle travi. Tali punti devono essere accessibili e materializzati con chiodi idonei e ancorati alla struttura. 2) Esecuzione di almeno tre cicli di misure: uno iniziale a vuoto, uno sotto carico e uno finale a vuoto per accertare il ritorno della struttura alla forma originale. Nel 1 ciclo si consiglia di ripetere le letture tre volte per sicurezza in quanto la misura per conoscere l assetto originario della struttura è ovviamente irripetibile. Prima di eseguire poi le misure relative al 2 ciclo è consigliabile lasciar passare un po di tempo per consentire alla struttura di subire in modo completo la deformazione dovuta ai carichi. La stessa precauzione va adottata nel 3 ciclo per consentire il ritorno della struttura stessa. 3) Controllo dell errore di chiusura (schema della livellazione ad anello) Per la determinazione dell abbassamento delle spalle d appoggio si potrà seguire lo schema della figura 2, controllando che ad ogni livellazione la quota relativa dei due capisaldi rimanga costante, o che le variazioni siano di grandezza inferiore a quelle che si devono determinare per il controllo della struttura.

18 Il livello può essere utilizzato anche per misure di tipo variometrico; sempre con riferimento al collaudo di un ponte (fig. 3) si può trovare un punto stazione stabile e dal quale si possano battere le stadie poste sui vari punti da controllare. In questo caso le letture vanno eseguite subito prima e subito dopo il carico e si deducono gli spostamenti verticali come differenza delle letture; il metodo è valido se l intervallo di tempo fra una lettura e l altra è sufficientemente breve per poter ritenere che l asse di collimazione del livello non abbia subito variazioni di assetto (la variazione di un solo 1 causa una variazione di lettura di 0.25 mm su una stadia posta a 50 m). Fig. 3

19 Nel caso che si debba tenere sotto controllo un edificio che richieda il ripetersi periodico di operazioni di livellazione, è consigliabile utilizzare apposite stadiette di vetro (fig. 4) invece delle normali stadie di invar. I punti da controllare vengono materializzati da apposite squadrette d acciaio fissate opportunamente alla struttura. L uso di tali stadiette, molto maneggevoli, è conveniente solo quando i punti da controllare sono tutti pressappoco alla stessa quota. Fig. 4

20 Precisione conseguibile nelle operazioni La precisione che può essere conseguita nella determinazione del dislivello tra due punti con una singola battuta di livellazione oscilla da un errore medio di mm, per battute in ambiente chiuso e con stadiette di vetro, a mm all aperto, con stadie in invar di 3 metri e per battute abbastanza lunghe. In base a questi dati è possibile valutare a priori la precisione con la quale si può determinare lo spostamento verticale di un punto inserito in una linea di livellazione. La precisione con cui si determina tale spostamento è funzione del numero di dislivelli misurati per collegare il punto al caposaldo. Se lo s.q.m. di una battuta è di mm ed n è il numero di battute, lo s.q.m. della quota rilevata è ± 0.07 n mm. Ricordiamo però che lo spostamento verticale lo si ottiene come differenza tra due quote determinate con due operazioni di livellazione consecutive; lo s.q.m. dello spostamento vale allora ± n mm.

21 Corso di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio a.a Livellazione trigonometrica Sui viadotti delle autostrade vengono talvolta eseguiti controlli aventi lo scopo di accertare che non ci siano variazioni di quota tra i plinti di fondazione. Questi però si trovano molto spesso in posizione ravvicinata ma a quote molto diverse (fig. 5). In questi casi l uso della livellazione geometrica non risulta conveniente sia per ragioni economiche che di precisione, perché si dovrebbero seguire itinerari lunghi e tortuosi per Fig. 5 congiungere i punti da controllare. Si ricorre allora alla livellazione trigonometrica con risultati più che accettabili. Infatti, per la piccola distanza fra i plinti, non intervengono gli errori dovuti alla rifrazione atmosferica; le distanze tra il punto stazione e i punti da controllare possono essere misurate elettronicamente (stazione totale). Si ricorda inoltre che un piccolo errore nella misura della distanza, così come quello nella misura della distanza zenitale, ha influenza nella determinazione dei dislivelli, ma non sulla loro variazione. Se le distanze tra i punti sono dell ordine di qualche decina di metri, si possono determinare le variazioni di dislivello (spostamenti verticali) tra i punti con una precisione di qualche decimo di millimetro (2-5).

22 Determinazione di spostamenti orizzontali Fig.6 L uso della triangolazione per la determinazione degli spostamenti orizzontali è applicato principalmente per il controllo delle dighe. Il metodo si basa sulla determinazione della posizione di un certo numero di vertici (fig. 6) dei quali alcuni sono capisaldi al di fuori della struttura ed altri sono i punti che si vogliono tenere sotto controllo (punti sul coronamento della diga o sul paramento di valle). Ripetendo le operazioni di misura si determina lo spostamento dei punti sotto controllo come variazione di posizione (coordinate) dei punti stessi.

23 Accorgimenti da adottare per un lavoro a regola d arte: - È necessario che tali operazioni siano effettuate con la maggiore precisione possibile e che si realizzino schemi geometrici ottimali (triangoli il più possibile vicini alla forma equilatera, possibilmente inseriti in uno schema a quadrilateri). - I vertici - capisaldi (di solito a valle della diga) devono essere materializzati in zone che non subiscano le sollecitazioni del carico idrostatico. - Per quanto riguarda le misure angolari e lineari è necessario che esse siano sempre sovrabbondanti (di solito si misurano tutti i lati e tutti gli angoli) in modo da utilizzare metodi di compensazione rigorosi (osservazioni indirette) che permettano di ottenere non solo il valore delle coordinate dei vertici (il sistema di riferimento è arbitrario) ma anche il loro errore quadratico medio e, possibilmente, i parametri delle ellissi d errore. L errore medio nella determinazione degli spostamenti risulta, nella maggior parte dei casi, di circa 1 millimetro e pari a mm se si utilizzano stazioni totali di precisione.

24 Corso di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio a.a Determinazione di spostamenti tridimensionali I metodi utilizzati si basano sull impiego di ricevitori GPS. Come è noto tale tecnica consente di determinare le coordinate tridimensionali dei punti. Tale metodo è utilizzato quasi esclusivamente (si usa anche per il controllo delle dighe) per applicazioni relative al controllo del territorio, in particolare per il controllo dei movimenti franosi. Le reti GPS, analogamente a quelle classiche, prevedono la materializzazione di alcuni vertici in zone stabili, che costituiscono la rete di inquadramento, e di alcuni punti di controllo all interno della zona soggetta al movimento.

25 La strumentazione dovrebbe essere composta da ricevitori a doppia frequenza e la modalità di acquisizione di tipo statico. La messa in stazione deve prevedere il centramento forzato delle antenne per mezzo di opportuni supporti.

26 METODI PER DIFFERENZA DI POSIZIONE -DETERMINO LE COORDINATE -MISURO ANGOLI, DISTANZE E DISLIVELLI -DETERMINO GLI SPOSTAMENTI METODI VARIOMETRICI -MISURO DIRETTAMENTE GLI SPOSTAMENTI QUANDO È POSSIBILE SI ADOTTANO I METODI VARIOMETRICI PERCHÉ? NON È NECESSARIO FISSARE SISTEMI DI RIFERIMENTO MISURO DIRETTAMENTE LO SPOSTAMENTO SONO TOLLERABILI ERRORI SISTEMATICI (COSTANTI) SI CONSEGUE MAGGIORE SENSIBILITÀ CON STRUMENTI DI MINOR COSTO