Treppiedi topografici – White paper Caratteristiche e fattori di influenza

Treppiedi topografici –
White paper
Caratteristiche e fattori di influenza
Marzo 2010
Daniel Nindl, Mirko Wiebking
Heerbrugg, Svizzera
2
Treppiedi topografici –
caratteristiche e fattori di
influenza
Daniel Nindl, Mirko Wiebking
Sintesi
Un tecnico incaricato dei rilievi topografici esegue
spesso il proprio lavoro senza pensare a come gli
accessori utilizzati influiscono sulla precisione.
Quando si eseguono rilievi di precisione e misure per
periodi prolungati, questa costituisce tuttavia un
fattore significativo. È quindi opportuno disporre di
alcune conoscenze di base in materia.
In questo documento verrà valutato l'effetto dei
treppiedi sulla precisione degli strumenti. I requisiti
dei treppiedi in termini di stabilità in altezza in
condizioni di carico e di rigidità torsionale sono
definiti dalla norma internazionale ISO 12858-2. Leica
Geosystems non si limita tuttavia a queste
caratteristiche, ma valuta anche la deriva orizzontale.
Per la stesura del presente documento queste tre
proprietà sono state testate su una gamma di
treppiedi e, sulla base dei risultati ottenuti, sono
state formulate adeguate indicazioni sul tipo di
treppiede da utilizzare in funzione dello strumento e
dell'applicazione.
Per garantire un confronto ottimale tutti i test sono
stati eseguiti in laboratorio in condizioni di stabilità.
Non è stata quindi tenuta in considerazione
l'influenza della temperatura e dell'umidità. Per
ottenere risultati confrontabili, tutti i morsetti dei
treppiedi sono stati serrati con la stessa forza
utilizzando una chiave dinamometrica.
Sono stati esaminati due treppiedi Leica Geosystems
di ciascun tipo. Al fine di ottenere risultati
confrontabili per un treppiede in fibra di vetro, in
tutti i test sono stati inseriti due treppiedi Trimax
prodotti da Crain Enterprises. I test hanno fornito
risultati simili per il treppiede A e il treppiede B di
ciascun tipo (modello), pertanto in questo
documento verranno illustrati solamente i grafici
realtivi al treppiede A.
Il documento presenta la seguente struttura:


Criteri qualitativi – descrive i parametri di test
rilevanti
Risultati del test – riassume e valuta i risultati del
test

Raccomandazioni per l'utente
Criteri qualitativi – misure di
qualità standardizzate ai sensi
di ISO 12858-2
In base alla norma ISO 12858-2 i treppiedi possono
essere classificati come pesanti o leggeri. Un
treppiede pesante deve avere una massa superiore a
5,5 kg. Questo tipo di treppiede è in grado di
sostenere strumenti che pesano fino a 15 kg. I
treppiedi più leggeri sono idonei solo per strumenti di
peso inferiore a 5 kg. Gli unici strumenti Leica
Geosystems di questo tipo sono il Builder TPS, le
antenne GPS e i prismi.
Stabilità in altezza
La norma ISO stabilisce che la testa del treppiede non
debba subire uno spostamento verticale superiore a
0,05 mm quando si applica un carico pari al doppio
del peso massimo dello strumento. I modelli per
strumenti pesanti GST120-9, GST101 e Trimax
devono quindi essere testati con 30 kg. GST05,
GST05L e GST103 sono invece modelli per strumenti
leggeri e sono stati testati con 10 kg.
Figura1: Fasi del sistema di qualità per il gruppo basamento
Leica Geosystems
La deformazione verticale definita pari a 0,05 mm è
talmente piccola da influire in misura insignificante
sulla precisione angolare del TPS. Per le applicazioni di
livellamento di precisione è tuttavia necessario
considerare la stabilità in altezza del treppiede.
Le deformazioni sono state misurate con una livella
digitale Leica DNA03 tenendo conto della precisione
di misura e della funzione automatica. Le misure sono
3
state eseguite in base a una barra calibrata Invar
GWCL60 fissata alla vite di fissaggio del treppiede
(cfr. figura 1). Inizialmente sono state effettuate 100
misure senza alcun carico sul treppiede. Quindi si è
provveduto ad applicare un carico appoggiandolo
delicatamente sulla piastra del treppiede con un
sistema di pulegge. Dopo altre 400 misure è stato
rimosso il carico.
Rigidità torsionale
Le forze prodotte da uno strumento che ruota
imprimono una rotazione orizzontale alla piastra della
testa del treppiede. La rigidità torsionale è la capacità
del treppiede di assorbire questa rotazione orizzontale
tornando alla sua posizione originale quando lo
strumento è fermo. La precisione con cui il treppiede
ritorna nella posizione originale è nota come isteresi.
rotante motorizzato. A tale scopo è stato utilizzato
un TPS1200, che in fase di accelerazione e frenata
imprime una coppia orizzontale di 56 Ncm. Le
osservazioni sono state eseguite automaticamente su
due prismi a fasi alterne utilizzando l'applicazione
“Set di angoli”. In tal modo durante il tempo di
osservazione è stata ottenuta una rotazione continua
in entrambe le direzioni. Le misure sono state
registrare per almeno 200 secondi. La rigidità
torsionale è stata misurata con un collimatore
elettronico che monitorizza le deformazioni in base al
principio di autocollimazione. Una frequenza in uscita
di 16 Hz ha permesso di tracciare rapidamente le
deformazioni. Tra la testa del treppiede e il
basamento è stata montata una piastra di tipo
speciale. Le misure sono state effettuate facendo
riferimento a uno specchio montato sulla piastra.
Nella figura sopra riportata è possibile osservare un
secondo specchio montato sul basamento. Questo ha
consentito di eseguire ulteriori misure volte a rilevare
l'effetto combinato del treppiede e del basamento
sullo strumento.
Deriva orizzontale
Figura 2 - Specchi di autocollimazione montati sul treppiede
La deriva orizzontale di un treppiede è una misura che
esprime la variazione del suo orientamento nel tempo.
Sebbene non si tratti di un requisito ISO, Leica
Geosystems verifica la deriva di tutti i suoi treppiedi
per garantire sempre ai clienti la massima qualità.
Il metodo utilizzato è simile a quello impiegato per la
rigidità torsionale, ma il periodo di misura viene
prolungato a un minimo di 3 ore. Per limitare la
quantità di dati, la frequenza del collimatore è stata
ridotta a 0,5 Hz.
e sul basamento per rilevare le deformazioni rotazionali
Ai sensi della norma ISO, se la piastra del treppiede
ruota di 200 cc (circa 70”), l'isteresi massima consentita
è di 10 cc (3”) per i treppiedi pesanti e di 30 cc (10”)
per i treppiedi leggeri. Per ottenere risultati più
concreti è stato misurato l'effetto di uno strumento
4
Il TPS1200 è stato ancora una volta montato nel
basamento, ma in questo caso durante il periodo di
misura lo strumento è rimasto fermo.
Tabella 1 - Modello di treppiede testato
Nome modello
Materiale
GST120-9
GST101
Trimax
GST05
GST05L
GST103
Legno di
Legno di pino
Fibra di vetro
Legno di pino
Alluminio
Alluminio
Verniciatura
Nessuno
Rivestimento
Nessuno
Nessuno
Vite centrale
Vite centrale
Vite laterale
faggio
Trattamento
Olio e verni-
superficiale
ciatura
Morsetti gambe
Vite laterale
in PVC
Vite laterale
Morsetto
rapido
Paese d'origine
Peso
Ungheria
Cina
USA
Ungheria
Ungheria
Cina
6,4 kg
5,7 kg
7,4 kg
5,6 kg
4,6 kg
4,5 kg
Altezza massima
180 cm
166 cm
175 cm
176 cm
176 cm
167 cm
Classificazione
Pesante
Pesante
Pesante
Leggero
Leggero
Leggero
ISO
5
Lo strumento non imprime quindi alcuna forza di
rotazione sul treppiede. Il movimento del treppiede è
dovuto unicamente al carico dello strumento. La
tabella 1 mostra un riepilogo delle diverse proprietà
dei modelli di treppiedi utilizzati per i singoli test.
Risultati del test – stabilità in
altezza
Il GST120-9 fornisce i risultati migliori, con una
stabilità in altezza di 0,02 mm.
Figura 3c - Treppiede in fibra di vetro Trimax Crain
Treppiedi leggeri
Il GST05 assicura le migliori prestazioni registrate per
i treppiedi leggeri. Dopo l'applicazione di un carico di
10 kg, la deformazione massima del treppiede è di
appena 0,02 mm.
Figura 3a - Treppiede Leica GST120-9
Le gambe del GST101, 14 cm più corte di quelle del
GST120-9, contribuiscono a renderlo più stabile.
Figura 4a - Treppiede Leica GST05
Il GST05L ha una deformazione verticale di 0,03 mm,
appena superiore a quella del GST05 in legno.
Figura 3b - Treppiede Leica GST101
Il Trimax fa registrare una deformazione massima di
0,05 mm, un valore al limite dei requisiti ISO. Il
treppiede testato aveva morsetti rapidi, a differenza
di tutti i treppiedi Leica Geosystems che utilizzano
morsetti a vite. I morsetti potrebbero quindi essere la
causa della scarsa stabilità in altezza.
Figura 4b - Treppiede Leica GST05L
Il GST103 fornisce prestazioni simili al GST05L, con un
spostamento verticale massimo di 0,03 mm. Pur
trattandosi di un modello economico concepito per
strumenti di precisione inferiore, soddisfa comunque i
criteri ISO.
6
Il GST101 fa registrare un'ampiezza quasi altrettanto
ridotta, pari a of 3cc (1”). Il Trimax mostra invece
un'ampiezza due volte superiore a quella di treppiedi
cc
pesanti, con un valore di 6 (2”). L'andamento
generale lineare indica un aumento costante
dell'isteresi durante il tempo di set-up.
Figura 4c - Treppiede in alluminio Leica GST103
Risultati del test – rigidità
torsionale
I picchi di ampiezza massima si verificano nella fase di
accelerazione e decelerazione dello strumento
rotante. Poiché durante questo periodo non è
possibile registrare sullo strumento alcun valore
angolare, questi fattori di influenza possono essere
ignorati.
Il valore dell'isteresi viene determinato esaminando
l'ampiezza massima del grafico con esclusione dei
picchi.
I risultati mostrano chiaramente la differenza di
stabilità fra i treppiedi pesanti e quelli leggeri. I
treppiedi leggeri evidenziano infatti una
deformazione diverse volte superiore. I treppiedi in
fibra di vetro e in alluminio presentano inoltre un
andamento generale di tipo lineare. Ciò significa che
lo strumento perde costantemente l'orientamento nel
tempo.
Treppiedi pesanti
Fra tutti i treppiedi testati il GST120-9 mostra
cc
l'isteresi più modesta, con un valore di 22 (0,7”). La
piastra della testa del treppiede rimane infatti
estremamente stabile per tutto il processo di misura.
Figura 5b - Treppiede in legno Leica GST101
Figura 5c – Treppiede in fibra di vetro Trimax Crain
Treppiedi leggeri
Il GST05 in legno si rivela il più stabile dei treppiedi
cc
leggeri, con un'isteresi di 8 (2,7”).
Entrambi i treppiedi in alluminio mostrano una forte
deviazione rotazionale nel tempo. Dopo 200 secondi
cc
l'isteresi risulta essere di 11 (3,7”) per il GST05L e di
30cc (10”) per il GST103. Il valore di 30cc (10”) è al
limite di quanto previsto dalla norma ISO per un
treppiede leggero.
Figura 6a - Treppiede Leica GST05
Figura 5a - Treppiede Leica GST120-9
7
Il CTP101 presenta la deriva inferiore in assoluto, con
cc
un massimo 4 (1,3”).
Figura 6b - Treppiede Leica GST05L
Figura 7b - Treppiede Leica GST101
La deriva del Trimax inizia immediatamente dopo il
set-up, raggiungendo il valore di 12cc (4”) durante i
primi 600 sec. Dopo circa 20 minuti il Trimax si
cc
stabilizza tuttavia a 14 (4,7”).
Figura 6c - Treppiede Leica GST103
Risultati del test – deriva
orizzontale
Analogamente a quello di rigidità torsionale, anche
questo test evidenzia che i treppiedi in fibra di vetro
e in alluminio perdono l'orientamento nel tempo.
Questo fenomeno si protrae approssimativamente
per i primi 1200 sec, trascorsi i quali il Trimax in fibra
di vetro si stabilizza. I treppiedi in alluminio
continuano a ruotare, ma ad una velocità inferiore.
Treppiedi pesanti
Il GST120-9 ha fatto registrare una variazione lineare
costante per tutto il periodo di misura. La deriva
rimane tuttavia di appena 7cc (2.3”) dopo 3 ore.
Figura 7c - Treppiede Trimax Crain
Treppiedi leggeri
Il GST05 si è dimostrato il più stabile fra tutti i
cc
treppiedi testati, con una deriva inferiore a 3 (1”). I
treppiedi in alluminio continuano a deformarsi per
tutto il periodo di misura. Dopo 3 ore la deriva
cc
cc
registrata era di 23 (7,7”) per il GST05L e di 9 (3”)
per il GST103.
Figura 8a - Treppiede Leica GST103
Figura 7a - Treppiede Leica GST120-9
8
Accessori originali Leica e
imitazioni a confronto
Sono molte le imitazioni dei nostri treppiedi
disponibili sul mercato. Per la loro ben nota qualità, i
treppiedi Leica Geosystems sono spesso considerati
un modello di riferimento.
Figura 8b - Treppiede Leica GST05L
Figura 8c - Treppiede Leica GST05
Tabella 1 - Fasi del sistema di qualità per il gruppo
treppiede Leica Geosystems
Non c'è quindi da stupirsi se i treppiedi Leica sono
spesso utilizzati come un modello da imitare e se il
mercato è invaso da imitazioni a basso costo offerte
da svariati produttori che non sono tuttavia in grado
di assicurare un standard qualitativo garantito. La
colonna di destra nella tabella 1 descrive le fasi
necessarie per realizzare un treppiede Leica
Geosystems originale. La maggior parte di queste fasi
passano del tutto inosservate al cliente, ma rientrano
nella nostra severa politica di gestione della qualità
volta ad offrire sempre i prodotti migliori.
9
Raccomandazioni per l'utente
alluminio sono consigliati per applicazioni di
livellamento.
La tabella 2 riassume i risultati di tutte le misurazioni
effettuate durante questo progetto. I valori riportati
rappresentano l'errore massimo riscontrato durante il
periodo di misura. Al fine di determinare l'effetto totale
sulla precisione dei TPS, nella tabelle è inserito anche il
valore di isteresi del basamento. Leica Geosystems
consiglia di utilizzare il GDF121 (1”) con i treppiedi
pesanti e il GDF111-1 (3”) con i treppiedi leggeri.
Considerando la totalità dei possibili fattori di influenza,
è evidente che il treppiede e il basamento hanno un
effetto significativo sulla precisione angolare dei TPS. Il
legno si è rivelato il materiale in grado di conferire la
maggiore stabilità ai treppiedi. Il GST120-9 ha fornito i
risultati migliori in termini di stabilità in altezza e rigidità
torsionale ed è pertanto idoneo per tutti gli strumenti
TPS Leica. I valori di deriva orizzontale dimostrano che il
GST05 in legno subisce la deformazione minore sul lungo
periodo. Ciò lo rende il treppiede ideale per antenne GPS
e prismi bersaglio, che di solito sono concepiti per un
utilizzo prolungato.
I treppiedi in alluminio assicurano una buona stabilità
in altezza, ma uno scarso orientamento orizzontale e
non dovrebbero quindi essere utilizzati per strumenti
per misure angolari. Poiché sono più economici di
quelli in legno, più leggeri e più duraturi, i treppiedi in
Nome modello
Prodotto Leica per il
quale è idoneo
Materiale
Come emerge dai grafici della deriva orizzontale,
l'alluminio e la fibra di vetro subiscono forti deformazioni
durante i primi 20 minuti di set-up. Per ottenere risultati
affidabili è quindi consigliabile lasciare trascorrere questo
intervallo di tempo prima di iniziare le osservazioni.
Inoltre è buona norma controllare regolarmente
l'orientamento durante il processo di misura.
Tutti i test analitici sui treppiedi sono stati eseguiti in
condizioni di laboratorio. Nelle normali condizioni sul
campo, tuttavia, la stabilità è influenzata anche da altri
fattori esterni, quali temperatura, umidità, tipo di
terreno, vento, ecc. Con gli anni è inoltre possibile che la
stabilità dei treppiedi vada diminuendo. Ciò significa che
per determinare la precisione angolare ottenibile è
sempre necessario considerare l'influenza del treppiede
e del basamento.
Utilizzando i valori elencati nella tabella è possibile
scegliere il treppiede più indicato per ciascun tipo di
rilevamento topografico. Per rilievi di precisione sul lungo
periodo è bene utilizzare una colonna di sostegno in
calcestruzzo. In alternativa è necessario un sofisticato
processo di misura atto
a compensare questi errori.
GST120-9
GST101
Trimax
Tutti i TPS
Tutti i TPS
TPS > 5”
Legno di
Legno di
faggio
pino
Fibra di vetro
GST05
Antenna GPS
Prismi
Legno di
pino
GST05L
GST103
Prismi Livelle
Prismi Livelle
Alluminio
Alluminio
Classificazione ISO
Pesante
Pesante
Pesante
Leggero
Leggero
Leggero
Stabilità in altezza
0,02 mm
0,03 mm
0,05 mm
0,02 mm
0,03 mm
0,03 mm
Isteresi treppiede
1” (2 )
Isteresi basamento
1” (3 )
Influenza max. possibile
Deriva orizz. dopo 3
ore
cc
1” (3 )
cc
1” (3 )
cc
2” ( )
cc
1” (4 )
2” (5 )
2” (7 )
cc
2” ( )
cc
1” (3 )
cc
cc
cc
cc
3” (8 )
cc
3” (10 )
cc
6” (18 )
3” (9 )
cc
5” (14 )
cc
10” (30 )
cc
3” (10 )
cc
13” (40 )
cc
3” (9 )
4” (11 )
cc
3” (10 )
cc
7” (21 )
1” (3 )
8” (23 )
cc
cc
cc
cc
cc
Tabella 2 - Riepilogo dei risultati e delle raccomandazioni
Fonte
Il presente documento è una sintesi e una traduzione
della tesi dal titolo Genauigkeitsanalyse von
Vermessungsstativen und Dreifüssen unter der Belastung
verschiedener Instrumente. La tesi è stata presentata nel
2006 da Daniel Nindl presso la facoltà di Ingegneria
geodesica dell'Università Tecnica di Vienna sotto la guida
di Mirko Wiebking di Leica Geosystems AG, Heerbrugg. Lo
scopo del lavoro consisteva essenzialmente nell'analizare
gli effetti dei treppiedi e dei basamenti sulla precisione
degli strumenti. Il presente documento non tiene conto
10
della parte relativa all'analisi del basamento, che è
tuttavia disponibile in un ulteriore white paper dal titolo:
“Basamenti topografici – caratteristiche e fattori di
influenza.
Che si voglia monitorare un ponte o un vulcano, eseguire rilievi su un
grattacielo o una galleria, tenere sotto controllo un cantiere o eseguire
misure di controllo – è necessario poter contare su strumenti
affidabili. Gli accessori originali Leica Geosystems consentono di
eseguire anche le operazioni più complesse. Grazie ad essi gli
strumenti Leica Geosystems soddisfano sempre le specifiche previste,
assicurandovi così il massimo livello di precisione, qualità e lunga
durata. Potrete sempre contare su misure precise e affidabili e
ottenere il massimo dai vostri strumenti Leica Geosystems.
When it has to be right.
Le illustrazioni, le descrizioni e le specifiche tecniche non sono vincolanti e potrebbero subire modifiche.
Stampato in Svizzera–Copyright Leica Geosystems AG, Heerbrugg, Svizzera, 2019.
VII.10 –INT
11