Καταγραφή ταλαντώσεων σιδηροδρομικής γέφυρας Γοργοποτάμου με ρομποτικό θεοδόλιχο (RTS)

• Κύριος συγγραφέας: Κοκκίνου, Ευαγγελία
• Άλλοι συγγραφείς: Στείρος, Στάθης
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2007
• Θέματα: Γοργοπόταμος; Ρομποτικός θεοδόλιχος; Γέφυρα; RTS; Σιδηρόδρομος; Γεωδαιτικές μετρήσεις; Ταλαντώσεις; 620.103

Τις τελευταίες δεκαετίες πραγματοποιείται παγκοσμίως μια συστηματική προσπάθεια παρακολούθησης (monitoring) της κινηματικής κυρίως των εύκαμπτων κατασκευών, όπως γέφυρες, ψηλά κτίρια, ψηλές τηλεπικοινωνιακές κεραίες κλπ. Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί νέες σύγχρονες μέθοδοι που αφορούν κυρίως στη χρήση του γεωδαιτικού δορυφορικού συστήματος GPS και των αισθητήρων οπτικών ινών (fiber optic sensors). Επιπλέον, μία νέα γεωδαιτική μέθοδος που χρησιμοποιεί ρομποτικό θεοδόλιχο (RTS) έχει αρχίσει να αναπτύσσεται και μέχρι τώρα συναντάται σε περιορισμένο αριθμό εφαρμογών. H σημασία της παρακολούθησης των κατασκευών είναι πολύ μεγάλη, καθώς μπορούν να δώσουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τις αποκλίσεις που παρατηρούνται στα δυναμικά χαρακτηριστικά ενός τεχνικού έργου μερικά χρόνια μετά την κατασκευή του, με αποτέλεσμα τη διαφοροποίησή τους από τον αρχικό σχεδιασμό και την επακόλουθη έκθεση των κατασκευών σε διάφορους κινδύνους, οι οποίοι μπορεί να προκαλέσουν μέχρι και την αστοχία τους. Ο σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να διερευνηθεί για πρώτη φορά αν o ρομποτικός θεοδόλιχος (RTS) σε υψίσυχνες καταγραφές (6-7Hz περίπου) μπορεί να καταγράφει την απόκριση σιδηροδρομικής γέφυρας κατά τη διέλευση συρμού. Ειδικότερα στόχος ήταν να ελεγχθεί η αξιοπιστία και η ακρίβεια της νέας μεθόδου σε ότι αφορά στην καταγραφή μετρήσεων πεδίου, καθώς και να προσδιοριστούν οι ημιστατικές και δυναμικές μετακινήσεις/παραμορφώσεις και τα επί μέρους χαρακτηριστικά τους (διάρκεια μετακίνησης/παραμόρφωσης, εύρος και συχνότητα - περίοδος ταλάντωσης) που προκαλούνται στη γέφυρα λόγω της διέλευσης του συρμού. Τέλος, να διερευνηθεί κατά πόσο η δυναμική απόκριση του φορέα μεταβάλλεται σε σχέση με τον τύπο και την ταχύτητα του συρμού, ώστε να είναι δυνατός ο προσδιορισμός ορίων για την ασφαλή και ταχεία διέλευση των συρμών. Η σιδηροδρομική γέφυρα που μελετήθηκε είναι η ιστορική γέφυρα του Γοργοποτάμου κοντά στην πόλη της Λαμίας. Κατασκευάστηκε το 1905 και μετά από δύο ανατινάξεις και ισάριθμες επισκευές πήρε τη σημερινή της μορφή το 1948. Έχει συνολικό μήκος 211μ. και ύψος 30μ. Είναι δοκογέφυρα μικρών ανοιγμάτων και το κατάστρωμά της αποτελείται από ξύλινους στρωτήρες, οι οποίοι στηρίζονται σε μεταλλικά, από χάλυβα, δικτυώματα. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή των μετρήσεων πεδίου ήταν, ρομποτικός θεοδόλιχος (RTS) καθώς και μια ανεξάρτητη γεωδαιτική μέθοδος με GPS σε kinematic mode που δεν μελετάται επί του παρόντος. Τα σημεία μέτρησης πάνω στη γέφυρα επελέγησαν έτσι ώστε οι καταγραφές να είναι αντιπροσωπευτικές της κίνησης της γέφυρας και επιπλέον να πληρούν κάποιες πρακτικές προϋποθέσεις όπως η επίτευξη καλής ορατότητας με το όργανο, η εύκολη και σταθερή τοποθέτηση του ανακλαστήρα κ.ά. Τελικά επελέγησαν τρία σημεία μέτρησης: το πρώτο πάνω από έναν πυλώνα στην κουπαστή της γέφυρας, και τα άλλα δύο στο μέσον δύο ανοιγμάτων της γέφυρας στην κουπαστή αυτής και σε έναν στρωτήρα. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν κατά τη διάρκεια δύο ημερών και συνολικά διέσχισαν τη γέφυρα 15 συρμοί, οι οποίοι διέφεραν στο μήκος τους, στο βάρος τους, καθώς και στην ταχύτητα διέλευσης τους από τη γέφυρα. Ο ρομποτικός θεοδόλιχος κατέγραψε επιτυχώς την απόκριση της γέφυρας κατά τη διέλευση 13 συρμών. Όλες οι μετρήσεις στη συνέχεια αποθηκεύονταν στο καταγραφικό του οργάνου και έπειτα μεταφέρονταν σε Η/Υ για επεξεργασία. Για την επεξεργασία των μετρήσεων του RTS, αρχικά πραγματοποιήθηκε μετασχηματισμός του συστήματος συντεταγμένων των καταγραφών της μεθόδου, έτσι ώστε η αρχή των αξόνων να βρίσκεται στο σημείο τοποθέτησης του ανακλαστήρα πάνω στη γέφυρα και στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ανάλυση των χρονοσειρών των μετακινήσεων που προέκυψαν από τις μετρήσεις πεδίου. Αρχικά, προσδιορίστηκε μία ζώνη αβεβαιότητας των μετρήσεων, για τις χρονικές περιόδους πριν και μετά τη διέλευση του συρμού οπότε και είχε καταγραφεί κάποιου είδους μετακίνηση, ενώ θεωρητικά ο ανακλαστήρας έπρεπε να είναι ακίνητος. Η ζώνη αυτή θεωρήθηκε ότι ισούται με x±3σ, όπου, x είναι ο μέσος όρος των καταγραφών πριν και μετά τη διέλευση και, σ το τυπικό σφάλμα των μετρήσεων. Ακριβείς και στατιστικά σημαντικές θεωρήθηκαν όλες εκείνες οι μετακινήσεις που βρίσκονται εκτός της ζώνης αυτής. Στη συνέχεια, εντοπίστηκαν και απομακρύνθηκαν τα χονδροειδή σφάλματα, δηλαδή οι τιμές που είχαν απόκλιση από την μέση τιμή μεγαλύτερη του ±3σ. Έπειτα, εκτιμήθηκε η τιμή της ημιστατικής παραμόρφωσης κατά τη διέλευση συρμού, είτε ως η διαφορά του μέσου όρου των μετρήσεων πριν και μετά τη διέλευση του συρμού με το μέσο όρο των μετρήσεων κατά τη διέλευσή του ή με τη χρήση της τεχνικής ανάλυσης δεδομένων του κυλιόμενου μέσου όρου (moving average). Ο προσδιορισμός του εύρους της δυναμικής παραμόρφωσης (εύρους ταλάντωσης), πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός band-pass filter. Τέλος, πραγματοποιήθηκε φασματική ανάλυση των χρονοσειρών για τον έλεγχο ύπαρξης περιοδικότητας στις μετρήσεις με τον κώδικα “normperiod” που βασίζεται στο περιοδόγραμμα Lomb. Τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν είναι τα εξής: το RTS μπορεί να εξασφαλίζει μεγάλη συχνότητα καταγραφών (έως 6-7Hz) και μεγάλη ακρίβεια στην καταγραφή συντεταγμένων, είναι όργανο που παρέχει τη δυνατότητα της παρακολούθησης ημιστατικών μετακινήσεων με μεγάλη ακρίβεια και αξιοπιστία, και σε μικρότερο βαθμό ταλαντώσεων υψηλής συχνότητας. Επιπλέον, για πρώτη φορά στη συγκεκριμένη μελέτη εφαρμογής χρησιμοποιήθηκε ένα τροποποιημένο λογισμικό για το RTS το οποίο παρείχε μεγαλύτερη ακρίβεια σε ότι αφορά το χρόνο λήψης και αποθήκευσης των μετρήσεων. Σε ότι αφορά τα δυναμικά χαρακτηριστικά της γέφυρας του Γοργοποτάμου, το εύρος της ημιστατικής κατακόρυφης κίνησης καταγράφηκε για τη διέλευση όλων των συρμών και εκτιμήθηκε σε 6.5mm (μέγιστο) και σε 2.6m (ελάχιστο). Το εύρος της ταλάντωσης στην κατακόρυφη διεύθυνση καταγράφηκε ατελώς και μόνο για τους βαρείς εμπορικούς συρμούς και η τιμή του εκτιμήθηκε γύρω στα 3mm. Τέλος, υπολογίστηκε τιμή συχνότητας ταλάντωσης ίση με 0.44Hz για τη διέλευση ενός εμπορικού συρμού, η οποία φαίνεται να είναι πραγματική και να εκφράζει την απόκριση της γέφυρας στο διερχόμενο συρμό, γιατί περίπου ίδια τιμή υπολογίστηκε και από τις ανεξάρτητες μετρήσεις GPS (0.46Hz). Στην Ελλάδα σε ότι αφορά την παρακολούθηση γεφυρών, παρόμοιες έρευνες έχουν πραγματοποιηθεί σε πολύ μικρή κλίμακα, με σημαντικότερη τη μελέτη της γέφυρας του Ευρίπου ποταμού στη Χαλκίδα. Όμως, τέτοιου είδους μελέτη σε σιδηροδρομική γέφυρα με τον συγκεκριμένο εξοπλισμό δεν έχει πραγματοποιηθεί ξανά στον ελλαδικό χώρο και στο εξωτερικό έχει πραγματοποιηθεί μικρός αριθμός παρόμοιων ερευνών με τη χρήση GPS, ενώ δεν εντοπίστηκε χρήση ρομποτικού θεοδόλιχου RTS για τη μέτρηση της κινηματικής σιδηροδρομικών γεφυρών. Η περαιτέρω έρευνα για την ολοκλήρωση των στόχων και την επαλήθευση των αποτελεσμάτων της παρούσας μελέτης μπορεί να περιλαμβάνει τη συστηματική και συνεχή παρακολούθηση της συγκεκριμένης γέφυρας ή και άλλων με την ίδια μεθοδολογία αλλά πχ. με περισσότερα όργανα, να μελετηθεί και η επίδραση του κεκορεσμένου εδάφους στην απόκριση της κατασκευής, να δοκιμαστούν και αλλά λογισμικά για την ακριβέστερη και συνεχή καταγραφή των ταλαντώσεων από το RTS, έτσι ώστε να καταγράφει υψίσυχνες ταλαντώσεις με μεγαλύτερη ακρίβεια, και να μελετηθούν εκτενέστερα οι μετρήσεις του GPS και να γίνει σύγκριση των δύο μεθόδων.