La Topografia di precisione per le grandi infrastrutture dell Ingegneria Civile seconda parte: dal Ponte sullo stretto di Messina alle gallerie dell Alta Velocità Prof. Ing. Luciano Surace Salerno, 4 marzo 2015 1
Grandi infrastrutture dell Ingegneria Civile 1. Gallerie dell AV Firenze-Bologna 2. Collegamento ferroviario Torino-Lione 3. Ponte sullo Stretto di Messina 4. Tunnel ferroviario del Brennero 5. Collegamento ferroviario AV Milano Genova GPS INSUFFICIENTE PER ALTIMETRIA E INUTILIZZABILE IN GALLERIA 2
sulla superficie fisica lo strumento si dispone secondo la verticale locale non coincidente con la normale ellissoidica, a quota geoidica H e quota ellissoidica h = H+N Linea di forza = direzione del filo a piombo Deviazione della verticale ε P H P 0 P Ondulazione geoidica N 3
, N? ROMA40 (ellissoide Hayford or. M. Mario) m = 42.8" 8" N MAX = 21 m N min = 0 m ETRF 2000 (ellissoide GRS80 geocentrico) m = 57.2" 9" N MAX = 55 m N min = 38 m 4
, N? Direzioni azimutali D = 0 10 Misure di distanza (R m = 6 400 000 [m]) Ds/s = k [ppm] = 3.3 (Roma40), 8.5 (ETRF 2000) 5
d 1 Piano ~ isometrico (d 1 ~ d 2 ) d 2 GRS80+h h m d 3 piano TM d 4 GRS80 R d 2 ~ d 1 = d 3 (1+h m /R) d 4 = d 3 m 6 15
7
Ponte sullo Stretto di Messina 8
Definizione del sistema geodetico Il sistema geodetico, articolato nelle componenti planimetrica (horizontal datum) e altimetrica (vertical datum), deve avere caratteristiche idonee per costituire riferimento permanente per tutte le operazioni necessarie alla progettazione e alla realizzazione dell opera e consentire l impiego delle metodologie satellitari di posizionamento e il loro sfruttamento diretto => 9
Sistema geodetico planimetrico Rete Dinamica Nazionale, inquadrata nel Sistema Europeo ETRS89, con realizzazione ufficiale ETRF2000. Può garantire le necessarie precisioni subcentimetriche dei vertici cui è affidato l inquadramento, per i rilievi fotogrammetrici e celerimetrici, per il tracciamento e per il monitoraggio in fase di realizzazione e di esercizio 10
Sistema geodetico altimetrico riferimento altimetrico unificato di quote ortometriche, specifico per l opera, collegato in modo univoco alle quote convenzionali delle due sponde. In Sicilia il riferimento altimetrico non è lo stesso dell Italia continentale. Due diversi riferimenti per le quote ortometriche: - Genova 1942 per la Calabria; - Catania 1956 per la Sicilia. 11
Sistema geodetico altimetrico I valori di quota di uno stesso punto, nei due riferimenti, differiscono di circa 0.14 metri (Sicilia + bassa riferita a Genova). Tutte le quote ortometriche sono state riportate al sistema peninsulare (mareografo di Genova, livello medio mare 1942). Le quote ellissoidiche derivate dalle determinazioni satellitari sono state trasformate nelle corrispondenti quote ortometriche attraverso l uso del modello di ondulazioni geoidiche, disponibile sotto forma di grigliati, caratterizzati da un accuratezza media di qualche centimetro su tutta l area di interesse. 12
Sistema cartografico Per tutte le operazioni di progettazione e di realizzazione dell opera è necessario disporre di un sistema cartografico definito e realizzato ad hoc. La scelta di un sistema cartografico locale discende dalla necessità di istituire un sistema di coordinate tali da minimizzare e rendere controllabili le deformazioni cartografiche e di quota, con differenze non significative rispetto alle misure di campagna (coordinate «praticamente» isometriche). 13
Distanza geodetica sull ellissoide a quota media H m A PIANO CARTOGRAFICO H a B ELLISSOIDE vs GEOIDE H b DISTANZA GEODETICA DISTANZA CARTOGRAFICA SUPERFICIE TOPOGRAFICA RAGGIO DI CURVATURA DELLA SFERA LOCALE CENTRO SFERA LOCALE 14
Sistema cartografico Il sistema di coordinate cartografiche PONTE che in assoluto risponde meglio di ogni altro alle esigenze suesposte è così definito: - Sistema geodetico: ETRF2000 - Rappresentazione di Gauss - Longitudine del meridiano centrale: 15 37' 00 - Fattore di scala sul meridiano centrale: 1.000016 (h ~ 100 m) - Falsa origine Est: 200 000 m - Falsa origine Nord: -3 700 000 m Con l adozione del sistema PONTE è garantita un affidabile corrispondenza tra geometria del piano cartografico e geometria delle misure lineari, derivante dal fatto che solo le coordinate PONTE possono essere definite «praticamente» isometriche su tutta l area di interesse. 15
Sistema di coordinate cartografiche PONTE meridiano centrale: 15 37' 00 16
Influenza della deviazione della verticale Le sponde calabrese e siciliana dello Stretto di Messina sono caratterizzate da valori di deviazione della verticale di sensibile entità e con notevole variabilità a piccola distanza. Per valutare l influenza di tale deviazione sulle strutture del ponte, o meglio della differenza di deviazione della verticale fra le due sponde, è stata fatta una quantificazione approssimata dei valori in gioco, sulla base dei dati disponibili, in modo da valutare l opportunità di procedere o meno a misure integrative. 17
Influenza della deviazione della verticale Per tale indagine qualitativa si è ritenuto sufficiente l utilizzo dei dati reperibili in letteratura: 4 stazioni astronomiche, su vertici del poligono Stretto di Messina, istituito a suo tempo dal CNR e dall IGM. Le 4 stazioni, pur essendo in numero limitato, circondano bene la zona e consentono una stima per interpolazione dei valori di deviazione della verticale sui punti d interesse (corrispondenti agli assi delle torri ai lati del ponte). Pur essendo la deviazione della verticale tipicamente dipendente dalle anomalie locali e quindi difficilmente modellabile, per la regolarità di variazione (praticamente lineare) e per la vicinanza fra le stazioni e l area di interesse i dati possono essere considerati attendibili. 18
Curve di uguale x ( ) Curve di uguale h ( )
Sezione lungo il piano longitudinale Sicilia l.m.m. Calabria Ipotizzando che le due torri siano costruite rispettando perfettamente le verticali locali e che non ci sia differenza di deviazione della verticale sulle due sponde, la lunghezza del ponte porterebbe gli assi alla seguente posizione ideale: - formanti sul piano di mezzeria longitudinale un angolo di 1 46.8 (linee blu) - distanti in sommità, per la curvatura ellissoidica, circa 23 cm in più rispetto alla base 20
Sezione lungo il piano longitudinale La differenza di deviazione della verticale fra le due sponde sposta i due assi dalla posizione ideale generando traslazioni longitudinali uguali della sommità delle torri di circa 20 mm verso la sponda calabra (linee rosse) e 21
Schema planimetrico della struttura sui piani trasversali ortogonali passanti per gli assi delle torri: - sponda siciliana: circa 11 mm in direzione Nord-Est - sponda calabrese: circa 1 mm in direzione Sud-Ovest 22
LUNGHEZZA CAMPATA CENTRALE!!! 1. progetto preliminare: posizione degli assi delle due torri su cartografia di base, Gauss-Boaga fuso Est coordinate cartografiche => distanza cartografica D = 3300.001 m vs nominale di progetto =3300 m 2. sistema cartografico Ponte, creato ad hoc per il progetto definitivo (!) con coordinate isometriche nell area di interesse D= 3301.139 m!!! A! Le coordinate Gauss-Boaga non possono essere isometriche e non lo sono! distanza reale = distanza nominale => ricalcolare le coordinate, ripartendo in modo uguale la differenza di distanza (1.139 m), recuperando in tempo (!) le incongruenze teoriche di una progettazione condotta imponendo una metrica reale su un sistema affetto da metrica cartografica. 23
24
Progetto del collegamento ferroviario Torino-Lione (nuova linea a grande capacità merci e passeggeri) tunnel di base 52 km 25
Il nuovo tunnel Pendenze > 30 mezzi di trazione supplementari velocità molto basse Schema altimetrico 26
il progetto coinvolge due nazioni, ciascuna con i propri sistemi di riferimento le operazioni di progettazione e tracciamento sono particolarmente impegnative, considerate le caratteristiche dell opera => necessità. di una soluzione «geodetica locale» per un sistema locale di georeferenziazione ad hoc: unica ed utilizzabile da tutti i soggetti con minime le deformazioni cartografiche nell area di lavoro univocamente correlata con i sistemi nazionali mediante opportune procedure di trasformazione 27
La soluzione «geodetica» Una soluzione completa ed operativamente utilizzabile richiede - sistema planimetrico - sistema altimetrico e modello di geoide - sistema cartografico associato - algoritmi per conversioni e trasformazioni di coordinate 28
Il sistema planimetrico LTF2004 Realizzazione del sistema europeo ETRS89, come rete locale: I vertici sono materializzati con pilastrini o direttamente su roccia; due vertici sono realizzati per funzionare come stazioni permanenti, in acquisizione continua durante il periodo delle misure 29
Il sistema planimetrico Esempi di materializzazioni: 8 ricevitori GPS, monomarca, L1/L2 sessioni di 12 ore intervallo di campionamento 30 secondi 30
Il sistema altimetrico Riferimenti ufficiali nazionali: Italia continentale (Genova42): - origine convenzionale presso il mareografo di Genova - quote livellate (derivanti dalla somma di dislivelli misurati) Francia continentale (IGN69): - origine convenzionale presso il mareografo di Marsiglia - quote normali 31
La rete altimetrica di livellazione 32
Prima fase: la rete altimetrica di inquadramento 33
Il sistema altimetrico Seconda fase: compensazione in blocco di tutta la rete dei capisaldi + scelta del punto fondamentale origine delle quote (analisi storica dei movimenti dei capisaldi preesistenti) = realizzazione del sistema altimetrico LTF2004 34
Il sistema altimetrico Modello locale delle ondulazioni geoidiche Analisi locale dei modelli nazionali: - modello italiano (itg99): qualità complessiva di ordine decimetrico - modello francese: qualità complessiva di ordine centimetrico I valori di separazione derivanti dal modello francese sono risultati praticamente coincidenti con i valori misurati => modello francese / 35
Il sistema cartografico LTF2004 La zona interessata dall infrastruttura ha un estensione prevalente in direzione Est-Ovest: Schema planimetrico del progetto => rappresentazione conica conforme (FR) con le condizioni di applicazione scelte ad hoc 36
Sistema cartografico Per i rilievi topo-cartografici e per tutte le operazioni di progettazione e di realizzazione dell opera è necessario disporre di un sistema cartografico matematicamente definito e realizzato ad hoc, cioè di una rappresentazione cartografica utilizzabile esclusivamente per la porzione di territorio sulla quale insistono le opere in progetto. La scelta di un sistema locale discende dalla inderogabile necessità di istituire, per il progetto in questione, un sistema di coordinate tali da minimizzare e rendere controllabili le deformazioni cartografiche e di quota, con differenze non significative rispetto alle misure di campagna (coordinate «praticamente» isometriche). 37
Proiezione conica 38
Il sistema cartografico LTF2004 La quota lungo il tracciato del tunnel ha valore non trascurabile (h~600 m = 1/10000 R m =100 ppm) * Tracciato planimetrico 39
Distanza geodetica sull ellissoide a quota media H m A PIANO CARTOGRAFICO H a B ELLISSOIDE ~ SFERA LOCALE H b DISTANZA GEODETICA DISTANZA CARTOGRAFICA SUPERFICIE FISICA RAGGIO DI CURVATURA DELLA SFERA LOCALE CENTRO SFERA LOCALE 40
Il sistema cartografico LTF2004 1. L altimetria del tracciato comporta differenze significative tra distanze misurate e distanze ellissoidiche (geodetiche) 2. La rappresentazione cartografica comporta differenze modificabili tra distanze geodetiche e distanze cartografiche L A B h A h B L g L= distanza misurata L g = distanza geodetica = f(l, h A, h B, R ) L c = distanza cartografica = ml g m= modulo di deformazione lineare 41
Il sistema cartografico LTF2004 Proiezione conica e andamento altimetrico del tunnel parallelo di isometria esterno alla zona da rappresentare: asimmetria di applicazione della proiezione conica in funzione dell asimmetria altimetrica del tunnel 42
Il sistema cartografico LTF2004 condizioni ottimali di applicazione 43
In sintesi: - Sistema planimetrico = realizzazione di ETRS89 = rete geodetica locale, inquadrata nel sistema globale mediante alcune stazioni permanenti dell EUREF - Sistema altimetrico realizzato da una serie di capisaldi che costituiscono una rete altimetrica locale. Quote «livellate». - Sistema cartografico = rappresentazione conica conforme, condizioni di applicazione minime deformazioni cartografiche coordinate «praticamente» isometriche - modello locale di geoide coincidente col modello francese - Trasformazioni di coordinate dai sistemi nazionali al sistema locale con matrici di differenze puntuali ( grigliati ) 44
45
Alta Velocità Firenze-Bologna 78 km di ferrovia escluse le tratte urbane: 5 km allo scoperto e 73 in galleria, suddivisi in 9 tunnel con lunghezza variabile da 300 metri a oltre 18 km. Per diminuire i tempi di scavo e per questioni di sicurezza nella fase di esercizio 13 finestre laterali (9 km) e una galleria di servizio (9 km) totale 90 km di scavo con 40 fronti contemporanei. 46
47
48
Per gran parte del tracciato condizioni di terreno disomogenee, spesso caratterizzate da materiali geomeccanicamente deboli. Solo nel 16% dello scavo è stato possibile procedere in terreno stabile, nel 59% si è dovuto operare in terreno stabile solo a breve periodo e nel 25% in terreno instabile far precedere lo scavo da operazioni di preconsolidamento e procedere velocemente al rivestimento definitivo che esclude la rettifica di imprecisioni nel tracciamento. 49
50
Preconsolidamento con fibra di vetro 51
52 Posa delle centine per il consolidamento di prima fase
53 Spruzzatura dello spritz per il consolidamento di prima fase
Le specifiche di posa in opera impongono precisioni di ordine sub-centimetrico 54
Le specifiche di posa in opera impongono precisioni di ordine sub-centimetrico 55
L ambiente topografico è ostile Le metodologie di scavo impongono precisioni di pochi centimetri (1 2) nel tracciamento Le esigenze di movimento del cantiere sono predominanti su quelle topografiche 56
errore di direzione strumento visuale Rifrazione laterale mira Il tracciamento in galleria impone visuali radenti alle pareti, compatibili con le necessità di movimento del cantiere. Le differenze di temperatura fra gli strati d aria a ridosso delle pareti e quelli della parte centrale influenzano le osservazioni azimutali, provocando errori sistematici. Il raggio ottico che attraversa zone a diversa temperatura (= differente densità) risulta deviato e assume un andamento curvilineo sul piano orizzontale (rifrazione laterale). L errore dovuto alla rifrazione laterale (6 7 cc a stazione) aumenta con il diminuire della sezione della galleria e con l aumento del gradiente termico e si accumula nelle poligonali con molti lati corti, spesso minori di 100 m. Ipotizzando una rifrazione laterale pari a 5 cc per lato, dopo 30 lati si ha già un imprecisione di 30 cc (5.4 cm/km)
PROBLEMA: COME CORREGGERE IL DISORIENTAMENTO PROGRESSIVO DI UNA POLIGONALE APERTA? SOLUZIONE: ORIENTAMENTO CON APPARATI GIROSCOPICI PER BLOCCARE LA PROPAGAZIONE DEGLI ERRORI
IL GIROSCOPIO C B A A. GIROSCOPIO AD ASSE DI ROTAZIONE ORIZZONTALE, SOSPESO COME UN PENDOLO DI TORSIONE PER MEZZO DI UNA SOTTILE LAMINA METALLICA: OSCILLA INTORNO AL MERIDIANO E GENERA LA DIREZIONE DI ORIENTAMENTO B. TEODOLITE C. SISTEMA DI COLLEGAMENTO E DI OSSERVAZIONE DELLE OSCILLAZIONI
IL GIROSCOPIO generazione 90 - precisione nominale di un ordine di grandezza superiore rispetto ai precedenti: 10 cc (1.5 cm/km) operativo, <0.5 cc in lab. Misura veloce e automatica dell azimut: sensori che osservano con continuità il moto del pendolo e microprocessore integrato che esegue automaticamente i calcoli necessari, incluse le correzioni per temperatura e latitudine. Giroscopio DMT GYROMAT 2000 con teodolite Leica T1800
IL GIROSCOPIO Per ottenere la massima precisione nominale (10 cc) la temperatura dello strumento non deve discostarsi dalla temperatura ambiente di oltre 5 C, e quella interna non deve subire variazioni maggiori di 0.25 C durante la misura. Le misure giroscopiche di alta precisione sono molto sensibili alle condizioni ambientali e richiedono grande cura, per eliminare il più possibile gli errori sistematici e ridurre al minimo i contributi accidentali: attenzione a trasporto e appoggio, sorveglianza, preorientamento, stabilizzazione termica (5 / )
L uso del giroscopio consente di evitare la propagazione degli errori sistematici, essendo tale strumentazione indipendente e non influenzata dagli errori di orientamento commessi sui lati precedenti della poligonale. Immediatamente prima di ciascuna misura giroscopica in galleria è necessario verificare la calibrazione dello strumento su una base di taratura appositamente predisposta all imbocco del tunnel, per tenere periodicamente sotto controllo le caratteristiche fisiche dell apparato e l accoppiamento meccanico fra teodolite e giroscopio.
IL GIROSCOPIO - calibrazione La calibrazione viene effettuata operando su una base di orientamento noto e confrontando il valore strumentale con quello noto, ma. poiché il giroscopio determina la direzione del Nord astronomico e la calibrazione avviene su un lato della rete geodetica realizzata con il GPS, di cui è noto solo l azimut ellissoidico, si deve tener conto della differenza fra azimut astronomico ed ellissoidico generata dalla deviazione della verticale equazione di Laplace D =A astr- ell = h tg φ astr + (x sin - hcos ) ctg Per le anomalie locali del campo di gravità D cost eseguire la calibrazione su più basi note => differenti costanti di calibrazione
64