ВВЕДЕНИЕ

Главной ценностью является человеческая жизнь, поэтому предупреждение опасности для человека от разрушения зданий и технических сооружений есть главная цель данной магистерской работы. Процесс жизнедеятельности человека содержит множество различных опасностей, которые могут представлять угрозу для человека или окружающей среді. Особенно остро это ощущается с появлением таких отраслей промышленности, как нефте-, газо-, химическая, металлургическая и энергетическая. То есть при разрушении или нарушении целостности зданий и сооружений, эксплуатируемых данными отраслями промышленности, зачастую возникают чрезвычайные ситуации, и вследствие этого людям угрожает техногенная опасность.

В Украине, как и в странах бывшего Союза, проблемами обеспечения требуемого уровня строительной и техногенной безопасности начали заниматься в конце 70-х годов. Однако, наиболее значимых успехов в решении этой проблемы удалось добиться только к началу 90-х годов. Актуальность этой проблемы на сегодня остается острой, хотя ей в последнее время уделяется довольно большое внимание.

В Украине в период с 1997 до конца 2000 года при разных чрезвычайных ситуациях, связанных с нарушением целостности инженерных конструкций, пострадало около 14,2 тыс. человек, из них погибло примерно 2,6 тыс. человек. Материальные убытки, причиненные народному хозяйству этими чрезвычайными ситуациями, оцениваются суммой около 3,1 млрд. грн.

Наибольшее количество ситуаций такого характера возникает в Донецкой, Луганской, Днепропетровской, Запорожской, Львовской, Одесской областях, а наибольшее число погибших вследствие чрезвычайных ситуаций техногенного характера зарегистрировано в Донецкой, Луганской, Днепропетровской, Одесской областях. Каждый год вследствие различных обрушений сооружений государство получает значительные убытки. Так, за период с 1997 по 2000 год их сумма составила около 205 млн. грн.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОПАСНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ СООРУЖЕНИЙ

Основными причинами возникновения опасных ситуаций вышеописанного характера в Украине являются:

- неудовлетворительное выполнение и нарушение требований технологии строительства при значительном моральном и физическом износе большинства основных производственных фондов предприятий Украины;

- неудовлетворительное материально-техническое обеспечение строительных производств, низкий уровень культуры производства;

- игнорирование требований государственных и отраслевых стандартов, техники безопасности, других норм;

- недостаточное внимание руководителей соответствующих органов государственного управления, предприятий, а также их ответственность за проведение комплекса предупреждающих мероприятий, направленных на предотвращение возникновения чрезвычайных ситуаций и уменьшения их негативных последствий.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Развитие науки и техники в любое время сопровождалось повышением уровня опасности,как для самого человека, так и для окружающей его природы. В последнее время эта проблема стала особенно остро. Это связано со множеством факторов: старением фондов; отсутствием общепринятых систем оценки инженерной опасности объектов и организаций контроля производственной безопасности; снижением капитальных вложений в строительство; отсутствием необходимых знаний у руководящего и обслуживающего персонала; проектных ошибок; отсутствия необходимых систем диагностирования и защиты и т.д. Этот список можно продолжать еще довольно долго.

Особое место в этом списке следует уделить несовершенству и просчету в проектных решениях, т.к. именно на этом этапе закладывается базовый уровень инженерной безопасности, разрабатываются системы диагностики и защиты, предлагаются организационно-технические мероприятия по обслуживанию объекта. Поэтому Анализируя все вышесказанное, можно прийти к закономерному выводу о необходимости создания критериев оценки строительной опасности. Данные критерии должны учитывать все неучтенное в предыдущих системах анализа.

Разработка указанных критериев позволит оценить опасность объекта не только на этапе проектирования, но и на этапе его эксплуатации. Что особенно важно. Развитие вычислительной техники значительно упростит процесс обработки результатов анализа, а значит, ускорит его, и, соответственно, позволит предсказать появление аварийной ситуации задолго до ее проявления.

Анализ опасности объекта необходимо проводить на всех этапах его жизни. На этапе эксплуатации этот процесс носит название анализа вероятности появления аварийной ситуации. Для его проведения необходимо наличие не только критериев оценки опасности объекта и их четкое понимание, но и схем развития аварийной ситуации, наиболее полно отражающих настоящее положение эксплуатируемых сооружений. Отсутствие таких схем или уникальные требования к их использованию, является существенной проблемой в процессе анализа опасности объекта.

Назовем блоки задач, которые должны рассматриваться:

- анализ вероятности возникновения аварийной ситуации;

- разработка системы организационно-методического обеспечения;

- создание эффективных систем диагностирования и контроля.

Данный подход должен быть системным, т.е. рассматривать объект на протяжении всего этапа его жизни: от стадии проектирования до критического состояния на стадии эксплуатации. При этом определяются слабые места в работе системы и разрабатываются наиболее эффективные мероприятия по их устранению. Данная особенность такого подхода является его неоспоримым преимуществом и должна использоваться во всех отраслях промышленности.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ

I. GPS-метод

На протяжении последних десяти лет весь мир, в общем, и специалисты в области геодезии, в частности, стали свидетелями технологической революции, название которой - GPS. GPS-метод дает возможность получать точные координаты своего местоположения либо местоположения любой интересующей точки не за часы или даже сутки долгих наблюдений и вычислений, а за минуты и секунды.

Но исследователи традиционных геодезических и смежных с ним прочих координатных измерений все же не были в должной степени удовлетворены качеством и полнотой получаемых данных для построения цифровых моделей измеряемых объектов. В самом деле, дискретные и разреженные координатные данные не позволяют с максимальной точностью описать объект съемки - слишком мало информации. Проблема, казалась неразрешимой, до тех пор, пока мир не услышал о ЛАЗЕРНОМ СКАНИРОВАНИИ.

Лазерное сканирование имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как высокая производительность и высокая точность.

Под производительностью в данном случае надо понимать то количество измеренных точек, которое сканирующей системе удалось зафиксировать в единицу времени (чаще всего в секунду).

П=N/t,

где П - производительность сканирующей лазерной системы;

N - количество точек, зафиксированных в единицу времени t;

t - время, в течении которого производилось наблюдение.

Производительность сканирующих лазерных систем на сегодняшний момент достигает до 5000 измеренных точек в секунду (П=5000 точек/сек).

Точность таких систем тоже предельно велика. В худшем варианте абсолютная погрешность измерения достигает 1.4 мм.

Высокая точность и производительность позволяют использовать лазерное сканирование при мониторинге сложных строительных конструкций, таких как мосты, купольные здания, высотные, арочные сооружения.

Преимущества GPS-метода:

- отсутствие необходимости прямой видимости между пунктами измерений;

- возможность работы в любых метеорологических условиях;

- высокая точность определения координат точек.

Недостатки GPS-метода:

- чувствительность к наличию препятствий в непосредственной близости от антенны приемника;

- невозможность установки антенны в некоторые координируемые точки (угол здания на уровне цоколя или фундамента);

- чувствительность к внешним электромагнитным полям и т.д.

Поэтому на практике в чистом виде GPS-технология практически не используется. Можно выделить классы задач, где применяются GPS- приемники:

- сгущение геодезической сети на картографируемом объекте (статика);

- привязка локальной координатной системы к глобальным системам координат (статика);

- съемка границ сооружений и других объектов на местности (статика и кинематика);

- применение GPS- методов в фотограмметрических технологиях.

Наибольшее распространение получило комплексное использование GPS- приемников и электронных тахеометров. При этом производят синхронные GPS- наблюдения на нескольких пунктах с известными координатами (опорных пунктах) и на определяемых пунктах, причем эти пункты могут как совпадать, так и не совпадать с поворотными точками границ сооружений. В последнем случае пункты играют роль связующих, т.е. они обеспечивают привязку измерений координат границ сооружения, полученных с помощью электронных тахеометров, к выбранной системе координат. Тахеометрические измерения выполняются полярным методом со съемочных станций, координаты которых, в свою очередь, определяются методом свободной станции.

II. Геодезические методы

Нивелирование

Нивелирование (от фр. Niveler - выравнивать) - определение высот точек земной поверхности относительно некоторой исходной точки или над уровнем моря. С помощью нивелирования также могут быть определены координаты искомых точек, что соответствует одному из методов решения задачи, поставленной при данном исследовании.

Нивелирование представляет собой один из видов геодезических измерений, которые производятся для создания высотной опорной геодезической сети и при топографической съемке, а также для более узких целей, таких как координатное определение фигуры объекта.

Различают геометрические, тригонометрические, барометрические, гидростатические и механические виды нивелирования. Тригонометрическое (геодезическое) нивелирование - это метод определения превышений (h) по измеренному теодолитом (кипрегелем, эклиметром) углу наклона линии визирования (?) с одной точки (А) на другую (В) и расстоянию (s) между этими точками:

h = s·tgA + l - a,

где h - превышение;

s - расстояние между точкой визирования и исконной точкой на объекте;

A - угол наклона линии визирования;

l - высота прибора;

а - высота цели.

Данный метод в основном применяется при топографической съемке, а также при других работах, связанных с определением местонахождения, удаленности либо прослеживания динамики объекта, связанной со смещениями объекта в целом или отдельных его частей.

При геометрическом нивелировании применяются инструменты, дающие довольно-таки небольшие погрешности измерений. Точность измерений характеризуется вероятной ошибкой не более 3 мм на 1000 м. Еще в конце XIX в. случайная ошибка составляла порядка 6.2 мм на 1000 м, а систематическая - 0.9 мм.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ АНАЛОГОВ

Лазерная сканирующая система Callidus

Лазерная сканирующая система Callidus (Германия) обладает рядом уникальных особенностей, позволивших ей занять лидирующее положение в нише сканеров для архитектуры, съемки зданий, промышленных цехов и небольших объектов.

Главная техническая особенность лазерного сканера Callidus, определившая его место в сегменте мирового рынка - большой угол обзора: 360° в горизонтальной плоскости и 140° в вертикальной.

Широкое поле зрения позволяет использовать Callidus в обширном круге приложений, а съёмку внутренних поверхностей (помещений, резервуаров, промышленных установок) делает оптимально быстрой и удобной. Для сравнения: для сканирования замкнутого пространства, Callidus необходимо сделать один скан, тогда как, сканеру, имеющему угол обзора 40° x 40° (Cyra 2500, Ilris 3D) требуется не меньше 40-50 сканов.

Высокая точность измерений (до 5 мм) - еще одна особенность сканера Callidus. Немногие сканирующие системы способны достичь такой точности в линейных измерениях.

Эти две особенности и определяют место сканера Callidus, как идеального прибора для съемки небольших объектов, внутренних поверхностей, подземного строительства, съемки резервуаров.

Callidus идеально подходит для съемки внутри помещений (культурные памятники, объекты исторического наследия, здания и сооружения сложной формы) для создания планов, схем, вычислений площадей, объемов, создания фотореалистичных 3D-моделей. Совместив внутреннюю съёмку с внешней и построив по облаку точек нерегулярную сеть, можно получить полноценную трёхмерную модель здания с информацией о толщине стен, отклонениях от плоскости, вертикали и горизонтали. По полученной модели, можно проводить различные измерения, строить сечения, рассчитывать количество строительных материалов для реставрации и реконструкции.

Благодаря расширенному температурному диапазону работы (-10° - +40° С), сканер можно использовать зимой, а учитывая, что конструкция корпуса имеет повышенную пыле- и влагозащищённость и в сложных погодных условиях или в местах с высокой запыленностью (производственные цеха, подземные выработки).

Рисунок 1 - Скан исследуемого объекта

Просто реализован механизм сшивки сканов в единое облако, поддерживаемый на аппаратном уровне. Прибор во время сканирования распознаёт стандартные геодезические отражатели и сохраняет в файле данных не только "облако" точек и цифровое растровое изображение, но и направление на область с высокой отражающей способностью. По известным координатам призмы и сканера, используя специализированное программное обеспечение, за считанные минуты можно не только сшить несколько сканов в единое "облако", но и трансформировать координаты в любую систему. Сшивку сканов можно осуществить и вручную, по характерным точкам, находящимся в областях перекрытия, в том случае, если во время выполнения полевых работ не было возможности вычислить координаты.

Особенности системы Callidus:

- встроенный в прибор датчик наклона (инклинометр), с высокой точностью автоматически устраняет ошибки за наклон лазерной головки, а электронный;

- компас позволяет ориентировать сканы относительно сторон света;

- сканер оснащён системой, обеспечивающий внутренний контроль и автоматический ввод атмосферных поправок;

- питание осуществляется либо от стандартной сети, либо от автомобильного 12 В аккумулятора;

- лазерный излучатель имеет класс I (безопасен для глаз).

Скорость сканирования системы Callidus может достигать 1750 изм/сек, в то время, когда современные тахеометры имеют скорость не более 2 изм/сек. То есть можно сделать вывод, что производительность, полученная при использовании лазерного метода существенно больше производительности, фиксируемой при использовании тахеометрического метода.

Состав комплекта сканера

- сканер;

- кейс для транспортировки;

- штатив с тележкой;

- управляющий компьютер;

- набор кабелей;

- программное обеспечение для управления сканером (LMS Software);

- программное обеспечение для постобработки полученных результатов (3D-Extractor), предоставляющее широкий круг возможностей: сшивка, привязка в СК, проведение измерений, построение моделей на основе графических примитивов, профилирование, наложение текстур, экспорт в CAD-системы и др.

Лазерный сканер Callidus является высокопроизводительным средством для решения для целого круга задач, таких как:

- съемка помещений;

- архитектура;

- подземное строительство;

- тоннелестроение;

- съемка промышленных предприятий и др.

Например, с помощью лазерного сканера Callidus можно решить следующую поставленную задачу: произвести исполнительную съёмку объекта, выявить возникшие деформации здания.

Величина отклонения показана изменением цветовой гаммы. Даже бегло взглянув на рисунок, можно понять, что правый верхний угол здания завален вглубь, а в центре фасада имеется область, выпирающая наружу.

Данную задачу также можно было бы решить и с использованием стандартных геодезических методов. Однако, использование сканера позволяет значительно сократить время на производство полевых работ, и значительно возрастает полнота получаемой информации, что, несомненно, сказывается на качестве конечного результата.

Преимущества GPS-метода:

- отсутствие необходимости прямой видимости между пунктами измерений;

- возможность работы в любых метеорологических условиях;

- высокая точность определения координат точек местности.

Недостатки GPS-метода:

- чувствительность к наличию препятствий в непосредственной близости от антенны приемника;

- невозможность установки антенны в некоторые координируемые точки (угол здания на уровне цоколя или фундамента);

- чувствительность к внешним электромагнитным полям и т.д.

Поэтому на практике в чистом виде GPS-технология практически не используется. Можно выделить классы задач, где применяются

GPS- приемники:

- сгущение геодезической сети на картографируемом объекте (статика);

- привязка локальной координатной системы к глобальным системам координат (статика);

- съемка границ сооружений и других объектов на местности (статика и кинематика);

- применение GPS- методов в фотограмметрических технологиях.

Наибольшее распространение получило комплексное использование GPS- приемников и электронных тахеометров. При этом производят синхронные GPS- наблюдения на нескольких пунктах с известными координатами (опорных пунктах) и на определяемых пунктах, причем эти пункты могут как совпадать, так и не совпадать с поворотными точками границ сооружений. В последнем случае пункты играют роль связующих, т.е. они обеспечивают привязку измерений координат границ сооружения, полученных с помощью электронных тахеометров, к выбранной системе координат. Тахеометрические измерения выполняются полярным методом со съемочных станций, координаты которых, в свою очередь, определяются методом свободной станции.

ВЫВОДЫ

Обеспечение требуемого уровня строительной безопасности предполагает создание подходов, позволяющих эффективно управлять безопасностью. Это обеспечивается за счет систематизации всех имеющихся знаний, полученных при решении вопросов безопасности.