ВСТУП

Головною цінністю є людське життя, тому попередження небезпеки для людини від руйнування будівель і технічних споруд є головною метою цієї магістерської роботи. Процес життєдіяльності людини містить безліч різних небезпек, які можуть представляти загрозу для людини або навколишнього середовища. Особливо гостро це відчувається з появою таких галузей промисловості, як нафто-, газо-, хімічна, металургійна і енергетична. Тобто при руйнуванні або порушенні цілісності будівель і споруд, експлуатованих даними галузями промисловості, часто виникають надзвичайні ситуації, і внаслідок цього людям загрожує техногенна небезпека.

В Україні, як і в країнах колишнього Союзу, проблемами забезпечення необхідного рівня будівельної і техногенної безпеки почали займатися в кінці 70-х років. Проте, найкращих успіхів в рішенні цієї проблеми вдалося досягти тільки в 90-х роках. Актуальність цієї проблеми на сьогодні залишається гострою, хоча їй останнім часом приділяється досить велика увага.

В Україні у період з 1997 до кінця 2000 року при різних надзвичайних ситуаціях, пов'язаних з порушенням цілісності інженерних конструкцій, постраждало близько 14,2 тис. людей, з них загинуло приблизно 2,6 тис. людей. Матеріальні збитки, заподіяні народному господарству цими надзвичайними ситуаціями, оцінюються сумою близько 3,1 млрд. грн.

Найбільша кількість ситуацій такого характеру виникає в Донецькій, Луганській, Дніпропетровській, Запорізькій, Львівській, Одеській областях, а найбільше число загиблих унаслідок надзвичайних ситуацій техногенного характеру зареєстроване в Донецькій, Луганській, Дніпропетровській, Одеській областях. Щороку внаслідок різних обвалень споруд держава одержує значні збитки. Так, за період з 1997 по 2000 рік їх сума склала близько 205 млн. грн.

ПРИЧИНИ ВИНИКНЕННЯ НЕБЕЗПЕКИ РУЙНУВАННЯ СПОРУД

Основними причинами виникнення небезпечних ситуацій вищеописаного характеру в Україні є:

- незадовільне виконання і порушення вимог технології будівництва при значному моральному і фізичному зносі більшості основних виробничих фондів підприємств України;

- незадовільне матеріально-технічне забезпечення будівельних виробництв, низький рівень культури виробництва;

- ігнорування вимог державних і галузевих стандартів, техніки безпеки, інших норм;

- недостатня увага керівників відповідних органів державного управління, підприємств, а також їх відповідальність за проведення комплексу застережливих заходів, направлених на запобігання виникненню надзвичайних ситуацій і зменшення їх негативних наслідків.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМИ І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Розвиток науки і техніки у будь-який час супроводжувався підвищенням рівня небезпеки, як для самої людини, так і для оточуючої його природи. Останнім часом ця проблема стала особливо гостро. Це пов'язано з безліччю чинників: старінням фондів; відсутністю загальноприйнятих систем оцінки інженерної небезпеки об'єктів і організацій контролю виробничої безпеки; зниженням капітальних вкладень в будівництво; відсутністю необхідних знань у керівного і обслуговуючого персоналу; проектних помилок; відсутність необхідних систем діагностики і захисту і т.д. Цей список можна продовжувати ще досить довго.

Особливе місце в цьому списку слід приділити недосконалості і прорахунку в проектних рішеннях, оскільки саме на цьому етапі закладається базовий рівень інженерної безпеки, розробляються системи діагностики і захисту, пропонуються організаційно-технічні заходи щодо обслуговування об'єкту. Тому Аналізуючи все вищесказане, можна дійти закономірного висновку про необхідність створення критеріїв оцінки будівельної небезпеки. Дані критерії повинні враховувати все невраховане в попередніх системах аналізу.

Розробка вказаних критеріїв дозволить оцінити небезпеку об'єкту не тільки на етапі проектування, але і на етапі його експлуатації. Що особливо важливе. Розвиток обчислювальної техніки значно спростить процес обробки результатів аналізу, а значить, прискорить його, і, відповідно, дозволить передбачити появу аварійної ситуації задовго до її прояву.

Аналіз небезпеки об'єкту необхідно проводити на всіх етапах його життя. На етапі експлуатації цей процес носить назву аналізу вірогідності появи аварійної ситуації. Для його проведення необхідна наявність не тільки критеріїв оцінки небезпеки об'єкту і їх чітке розуміння, але і схем розвитку аварійної ситуації, найбільш повно експлуатованих споруд, що відображають справжнє положення. Відсутність таких схем або унікальні вимоги до їх використовування, є істотною проблемою в процесі аналізу небезпеки об'єкту.

Назвемо блоки задач, які повинні розглядатися:

- аналіз вірогідності виникнення аварійної ситуації;

- розробка системи організаційно-методичного забезпечення;

- створення ефективних систем діагностики і контролю.

Даний підхід повинен бути системним, тобто розглядати об'єкт впродовж всього етапу його життя: від стадії проектування до критичного стану на стадії експлуатації. При цьому визначаються слабкі місця в роботі системи і розробляються найефективніші заходи щодо їх усунення. Дана особливість такого підходу є його незаперечною перевагою і повинна використовуватися у всіх галузях промисловості.

ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ МЕТОДІВ

I. GPS-метод

Впродовж останніх десяти років весь світ, загалом, і фахівці у області геодезії, зокрема, стали свідками технологічної революції, назва якої - GPS. GPS-метод дає можливість одержувати точні координати свого місцеположення або місцеположення будь-якої крапки, що цікавить, не за годинник або навіть добу довгих спостережень і обчислень, а за хвилини і секунди.

Але дослідники традиційних геодезичних і суміжних з ним інших координатних вимірювань все ж таки не були в належному ступені задоволені якістю і повнотою одержуваних даних для побудови цифрових моделей вимірюваних об'єктів. Насправді, дискретні і розріджені координатні дані не дозволяють з максимальною точністю описати об'єкт зйомки - дуже мало інформації. Проблема, здавалася нерозв'язною, до тих пір, поки мир не почув про ЛАЗЕРНЕ СКАНУВАННЯ.

Лазерне сканування має ряд незаперечних переваг, таких як висока продуктивність і висока точність.

Під продуктивністю в даному випадку треба розуміти ту кількість зміряних точок, які скануючій системі вдалося зафіксувати в одиницю часу (частіше всього в секунду).

де П – продуктивність скануючої лазерної системи;

N – кількість точок, зафіксованих в одиницю часу t;

t – час, в перебігу якого вироблялося спостереження.

Продуктивність скануючих лазерних систем на сьогоднішній момент досягає до 5000 зміряних точок в секунду (П=5000 точек/сек).

Точність таких систем теж гранично велика. У гіршому варіанті абсолютна погрішність вимірювання досягає 1.4 мм.

Висока точність і продуктивність дозволяють використовувати лазерне сканування при моніторингу складних будівельних конструкцій, таких як мости, купольні будівлі, висотні, арочні споруди.

Переваги GPS-методу:

– відсутність необхідності прямої видимості між пунктами вимірювань;

– можливість роботи в будь-яких метеорологічних умовах;

– висока точність визначення координат точок.

Недоліки GPS-методу:

– чутливість до наявності перешкод в безпосередній близькості від антени приймача;

– неможливість установки антени в деякі координовані точки (кут будівлі на рівні цоколя або фундаменту);

– чутливість до зовнішніх електромагнітних полів і т.д.

Тому на практиці в чистому вигляді GPS-технологія практично не використовується. Можна виділити класи задач, де застосовуються GPS- приймачі:

– згущування геодезичної мережі на об'єкті, що картографується (статика);

– прив'язка локальної координатної системи до глобальних систем координат (статика);

– зйомка меж споруд і інших об'єктів на місцевості (статика і кінематика);

– застосування GPS- методів у фотограмметричних технологіях.

Найбільше розповсюдження одержало комплексне використовування GPS- приймачів і електронних тахеометрів. При цьому виробляють синхронні GPS- спостереження на декількох пунктах з відомими координатами (опорних пунктах) і на визначуваних пунктах, причому ці пункти можуть як співпадати, так і не співпадати з поворотними точками меж споруд. У останньому випадку пункти виконують роль зв'язуючих, тобто вони забезпечують прив'язку вимірювань координат меж споруди, одержаних за допомогою електронних тахеометрів, до вибраної системи координат. Тахеометрічні вимірювання виконуються полярним методом із знімальних станцій, координати яких, у свою чергу, визначаються методом вільної станції.

II. Геодезичні методи

Нівеляція

Нівеляція (від фр. Niveler – вирівнювати) – визначення висот точок земної поверхні щодо деякої початкової точки або над рівнем моря. За допомогою нівеляції також можуть бути визначені координати шуканих точок, що відповідає одному з методів рішення задачі, поставленої при даному дослідженні.

Нівеляція є одним з видів геодезичних вимірювань, які виробляються для створення висотної опорної геодезичної мережі і при топографічній зйомці, а також для вужчих цілей, таких як координатне визначення фігури об'єкту.

Розрізняють геометричні, тригонометричні, барометричні, гідростатичні і механічні види нівеляції.

Тригонометрична (геодезичне) нівеляція – це метод визначення перевищень (h) по зміряному теодолитом (кипрегелем, эклиметром) куту нахилу лінії візування (щ) з однієї точки (А) на іншу (В) і відстані (s) між цими точками:

h = s·tgА + l - а,

де h – перевищення;

s – відстань між точкою візування і відвічною точкою на об'єкті;

А – кут нахилу лінії візування;

l – висота приладу;

а – висота споруди.

Даний метод в основному застосовується при топографічній зйомці, а також при інших роботах, пов'язаних з визначенням місцезнаходження, віддаленості або дослідження динаміки об'єкту, пов'язаної із зсувами об'єкту в цілому або окремих його частин.

При геометричній нівеляції застосовуються інструменти, що дають досить-таки невеликі погрішності вимірювань. Точність вимірювань характеризується вірогідною помилкою не більш 3 мм на 1000 м. Ще в кінці XIX в. випадкова помилка складала порядка 6.2 мм на 1000 м, а систематична – 0.9 мм.

ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ АНАЛОГІВ

Лазерна скануюча система Callidus

Лазерна скануюча система Callidus (Німеччина) володіє рядом унікальних особливостей, що дозволили їй зайняти лідируюче положення в ніші сканерів для архітектури, зйомки будівель, промислових цехів і невеликих об'єктів.

Головна технічна особливість лазерного сканера Callidus, що визначила його місце в сегменті світового ринку – великий кут огляду: 360° в горизонтальній площині і 140° у вертикальній.

Широке поле зору дозволяє використовувати Callidus в обширному крузі додатків, а зйомку внутрішніх поверхонь (приміщень, резервуарів, промислових установок) робить оптимально швидкою і зручною. Для порівняння: для сканування замкнутого простору, Callidus необхідно зробити один скан, тоді як, сканеру, що має кут огляду 40° x 40° (Cyra 2500, Ilris 3D) потрібен не менше 40-50 сканів.

Висока точність вимірювань (до 5 мм) – ще одна особливість сканера Callidus. Небагато скануючих систем здатне досягти такої точності в лінійних вимірюваннях.

Ці дві особливості і визначають місце сканера Callidus, як ідеального приладу для зйомки невеликих об'єктів, внутрішніх поверхонь, підземного будівництва, зйомки резервуарів.

Callidus ідеально підходить для зйомки усередині приміщень (культурні пам'ятники, об'єкти історичної спадщини, будівлі і споруди складної форми) для створення планів, схем, обчислень площ, об'ємів, створення фотореалістичних 3D-моделей.

Сумістивши внутрішню зйомку із зовнішньою і побудувавши по хмарі крапок нерегулярну мережу, можна одержати повноцінну тривимірну модель будівлі з інформацією про товщину стін, відхилення від площини, вертикаль і горизонталь. По одержаній моделі, можна проводити різні вимірювання, будувати перетини, розраховувати кількість будівельних матеріалів для реставрації і реконструкції.

Завдяки розширеному температурному діапазону роботи (-10° - +40° З), сканер можна використовувати взимку, а враховуючи, що конструкція корпусу має підвищену пиле- і влагозащищенность і в складних погодних умовах або в місцях з високою запорошеною (виробничі цехи, підземні вироблення).

Рисунок 1 - Скан досліджуваного об'єкту

Просто реалізований механізм зшивання сканів в єдину хмару, підтримуваний на апаратному рівні. Прилад під час сканування розпізнає стандартні геодезичні відбивачі і зберігає у файлі даних не тільки “хмару” крапок і цифрове растрове зображення, але і напрям на область з високою здатністю, що відображає. По відомих координатах призми і сканера, використовуючи спеціалізоване програмне забезпечення, за лічені хвилини можна не тільки зшити декілька сканов в єдину “хмару”, але і трансформувати координати в будь-яку систему. Зшивання сканов можна здійснити і уручну, по характерних крапках, що знаходяться в областях перекриття, в тому випадку, якщо під час виконання польових робіт не було можливості обчислити координати.

Особливості системи Callidus:

– вбудований в прилад датчик нахилу (інклінометр), з високою точністю автоматично усуває помилки за нахил лазерної головки, а електронний;

– компас дозволяє орієнтувати скани щодо сторін світла;

– сканер оснащений системою, забезпечуючий внутрішній контроль і автоматичне введення атмосферних поправок;

– живлення здійснюється або від стандартної мережі, або від автомобільного 12 В акумулятора;

– лазерний випромінювач має клас I (безпечний для очей).

Швидкість сканування системи Callidus може досягати 1750 изм/сек, в той час, коли сучасні тахеометри мають швидкість не більш 2 изм/сек.

Тобто можна зробити висновок, що продуктивність, одержана при використовуванні лазерного методу істотно більше за продуктивність, що фіксується при використовуванні тахеометрічеського методу.

Склад комплекту сканера

– сканер;

– кейс для транспортування;

– штатив з візком;

– управляючий комп'ютер;

– набір кабелів;

– програмне забезпечення для управління сканером (LMS Software);

– програмне забезпечення для постобробки одержаних результатів (3D-Extractor), надаюче широкий круг можливостей: зшивання, прив'язка в СК, проведення вимірювань, побудова моделей на основі графічних примітивів, профілізація, накладення текстур, експорт в CAD-системи і ін.

Лазерний сканер Callidus є високопродуктивним засобом для вирішення для цілого круга задач, таких як:

– зйомка приміщень;

– архітектура;

– підземне будівництво;

– тоннелестроєніє;

– зйомка промислових підприємств і ін.

Наприклад, з допомогою лазерного сканера Callidus можна вирішити наступну поставлену задачу: виробити виконавчу зйомку об'єкту, виявити виниклі деформації будівлі.

Паралельно з тахеометром для виявлення деформацій був використаний лазерный сканер Callidus. Одержана картина будівлі складається з дев'яти сканів об'єкту, зшитих в єдину хмару крапок. Кожний з одержаних сканів має свій колір Загальна картина відхилення фасаду будівлі від вертикальної площини представлена на малюнку 2. А колірна гамма пояснює напрям і ступінь відхилення.

Величина відхилення показана зміною колірної гамми. Навіть нашвидку поглянувши на малюнок, можна зрозуміти, що правий верхній кут будівлі завалений углиб, а в центрі фасаду є область, випираюча назовні.

Дану задачу також можна було б вирішити і з використанням стандартних геодезичних методів. Проте, використовування сканера дозволяє значно скоротити час на виробництво польових робіт, і значно зростає повнота одержуваної інформації, що, поза сумнівом, позначається на якості кінцевого результату.

Переваги GPS-методу:

– відсутність необхідності прямої видимості між пунктами вимірювань;

– можливість роботи в будь-яких метеорологічних умовах;

– висока точність визначення координат точок місцевості.

Недоліки GPS-методу:

– чутливість до наявності перешкод в безпосередній близькості від антени приймача;

– неможливість установки антени в деякі координовані крапки (кут будівлі на рівні цоколя або фундаменту);

– чутливість до зовнішніх електромагнітних полів і т.д.

Тому на практиці в чистому вигляді GPS-технологія практично не використовується. Можна виділити класи задач, де застосовуються GPS- приймачі:

– згущування геодезичної мережі на об'єкті, що картографується (статика);

– прив'язка локальної координатної системи до глобальних систем координат (статика);

– зйомка меж споруд і інших об'єктів на місцевості (статика і кінематика);

– застосування GPS- методів у фотограмметричних технологіях.

Найбільше розповсюдження одержало комплексне використовування GPS- приймачів і електронних тахеометрів. При цьому виробляють синхронні GPS- спостереження на декількох пунктах з відомими координатами (опорних пунктах) і на визначуваних пунктах, причому ці пункти можуть як співпадати, так і не співпадати з поворотними точками меж споруд. У останньому випадку пункти виконують роль зв'язуючих, тобто вони забезпечують прив'язку вимірювань координат меж споруди, одержаних за допомогою електронних тахеометрів, до вибраної системи координат. Тахеометрічні вимірювання виконуються полярним методом із знімальних станцій, координати яких, у свою чергу, визначаються методом вільної станції.

ВИСНОВКИ

Забезпечення необхідного рівня будівельної безпеки припускає створення підходів, що дозволяють ефективно управляти безпекою. Це забезпечується за рахунок систематизації всіх наявних знань, одержаних при рішенні питань безпеки.