Instrumentos Topográficos Compuestos - Universidad José Carlos Mariátegui - Ingeniería Civil (Aracely Quispe)

UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI 12 de junio de 2015 sá “AÑO DE LA D IVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO FORTALECIMIEN TO DE LA EDUCACIÓN”

UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI 12 de junio de 2015

ÍNDICE

CONTENIDO:

PÁGINA:

I.

Carátula

1

II.

Índice

2

III.

Introducción

3

IV.

Definición

4

V.

Nivel de Ingeniería

5

VI.

Teodolito

11

VII.

Estaciones

16

VIII.

Escáner

20

IX.

Sistema GPS

23

X.

Giroscopio

27

XI.

Apreciación Crítica Personal

29

XII.

Bibliografía

30


ÍNDICE

CONTENIDO:

PÁGINA:

I.

Carátula

1

II.

Índice

2

III.

Introducción

3

IV.

Definición

4

V.

Nivel de Ingeniería

5

VI.

Teodolito

11

VII.

Estaciones

16

VIII.

Escáner

20

IX.

Sistema GPS

23

X.

Giroscopio

27

XI.

Apreciación Crítica Personal

29

XII.

Bibliografía

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INTRODUCCIÓN

Los instrumentos topográficos compuestos son aquellos instrumentos conformados por instrumentos simples, utilizados con fines topográficosingenieriles para las mediciones de distancias horizontales, distancias verticales,

distancias

inclinadas,

diferencias

de

evasiones,

ángulos

horizontales, ángulos verticales, cotas, coordenadas, etc. En la actualidad disponemos de una gran variedad de éstos aparatos tecnológicamente avanzados, los cuales nos proporcionan una mejor información en comparación con los antiguos métodos que aún se utilizan, pero que no nos ofrecen una mejor calidad de precisión que éstos novedosos aparatos nos proporcionan. Cabe recordar que ya sea por causas naturales, instrumentales o personales, siempre habrá un margen de error.


INSTRUMENTOS TOPOGRÁFICOS COMPUESTOS

DEFINICIÓN: Son aquellos instrumentos de alta precisión, que se utilizan para trabajos complejos de topografía. Los principales instrumentos compuestos son:

1) Nivel de Ingeniería 2) Teodolito 3) Estaciones 4) Escáner 5) Sistema GPS 6) Giroscopio Los instrumentos compuestos se apoyan y/o complementan con instrumentos simples: Trípode

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Mira



Plomada Óptica

Prisma



Libreta Electrónica

Goniómetro



Radioteléfono

Brújula

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Planímetro

Declinatoria



Curvímetro

     

Retículo


1) NIVEL DE INGENIERÍA La determinación de la diferencia de altura entre dos puntos de un terreno es una de las mediciones topográficas más usadas. Dicha determinación recibe el nombre de nivelación directa o topográfica que, como su nombre lo implica, efectúa la medición directa de las distancias verticales entre dos puntos de interés mediante el uso de un nivel topográfico o equialtímetro, una base de tornillos nivelantes, un trípode y una regla de campo denominada estadal, estadía o mira topográfica, los que hacen conjuntamente al instrumento. Los niveles difieren entre sí en apariencia, de acuerdo con la precisión requerida y a los fabricantes del instrumento. En la “Imagen 01” se representan los componentes básicos de un nivel.

ARACELY MIRIAM QUISPE CATACORA – INGENIERÍA CIVIL

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Existen distintos tipos de Niveles:

Niveles de Plano Fueron los primeros instrumentos utilizados en las mediciones topográficas para la diferencia de altura y hoy han caído prácticamente en desuso. Se basan simplemente en un nivel de burbuja adosado a un telescopio o anteojo topográfico y un sistema de tornillos nivelantes, todo el conjunto formando solo una pieza perpendicular a su eje vertical. Ver imagen 1.1.

Niveles de Línea a) De Inclinación: A diferencia de los anteriores, en estos niveles el anteojo no está sujeto a la plataforma nivelante y la horizontalidad se logra independientemente para cada línea de colimación. Cuentan con un nivel de burbuja esférico que posee un tornillo basculante fino, para la nivelación grosera del aparato con ayuda de tornillos y de un nivel de burbuja de mayor precisión, que se desplaza con el anteojo y cuyo eje debe ser paralelo, por construcción, al eje de colimación. Ver imagen 1.2.1.

b) Automáticos o Auto-nivelantes: Como en los niveles de inclinación, los niveles automáticos también efectúan una nivelación grosera al estacionar el instrumento, pero no hay necesidad de nuevas manipulaciones. Esto es posible porque la línea de colimación queda automáticamente horizontal con gran exactitud en cualquier punto gracias a un mecanismo compensador de modo que la nivelación definitiva se realiza automáticamente. Se clasifican en dos tipos:

i.

Ópticos: Son los más comunes y emplean estadales convencionales. Ver imagen 1.2.2.1.

ii.

Digitales o Electrónicos: Pueden leer estadales con código de barras, obteniendo la lectura en la pantalla y pudiendo almacenarla en una memoria. Ver imagen 1.2.2.2.


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Niveles Láser Es el tipo más sofisticado de niveles, que proyectan un rayo láser, tanto vertical como horizontal. Se dividen en “Niveles de Plano” y “Niveles de Línea” y su uso depende de la aplicación. Los “Niveles Láser de Plano” generan planos verticales, horizontales u oblicuos mediante un sistema giratorio de la emisión del rayo láser y se utilizan principalmente para la nivelación de terrenos agrícolas. Los “Niveles Láser de Línea” emiten un rayo fijo horizontal o vertical que permite efectuar una alineación y destacan su mayor aplicación en el control de alineaciones y pendientes. De todos los tipos de niveles topográficos vistos, los “Niveles de Línea

Automáticos Ópticos” son los más usados hoy en día por su sencillez, rapidez y relación costo-beneficio, con aplicaciones que van desde la edificación de viviendas, jardinería y nivelación de terrazas hasta excavaciones, construcción de cimientos y paisajismo. Ver imagen 1.2.2.1.


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1.1) CARACTERÍSTICAS Éste instrumento debe tener las características especiales para poder realizar su función: 

Pueden ser manuales o automáticos, según se deba calibrar horizontalmente el nivel principal de cada lectura, o esto se haga automáticamente al poner el instrumento “En estación”.



Para manejarlo cómodamente, ha de situarse de modo que la altura del anteojo sobre el suelo, sea, poco más o menos de 1,40 m, según la altura del operador y para ello se utiliza un trípode, formados como su nombre lo indica, por tres pies de madera o metales ligeros que sostienen el soporte en el que se apoya el instrumento.



Un nivel burbuja muy sensible para nivelar el instrumento, que permita mantener la horizontalidad del eje óptico del anteojo, ambos están unidos solidariamente.



Un nivel óptico que conste de un anteojo similar al del teodolito con un retículo estadimétrico.



Un anteojo con los suficientes aumento para poder ver las divisiones de la mira, y un retículo con hilos para poder hacer la puntería y tomar sus lecturas.



La posibilidad de un compensador para asegurar su perfecta nivelación y horizontalidad del plano de comparación.

Una mira telescópica que debe estar totalmente vertical. La verticalidad



se logra por estimación o por medio de una niveleta o nivel esférico. Una división “E” rojo/blanco.




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1.2) ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 

La precisión de un nivel depende del tipo de nivelación para el que se lo utilice. Lo normal es un nivel de entre 20 y 25 aumentos y miras centimetradas o de doble milímetro. Con éste nivel y la metodología apropiada se pueden hacer nivelaciones con un error de aproximadamente 1.5 cm por kilómetro de nivelación.



Para trabajos más exigentes existen niveles con nivel de burbuja partida, retículo de cuña, placas planoparalelas con micrómetro y miras de INVAR milimetradas, con los cuales se pueden alcanzar precisiones de unos 7 mm por kilómetro de nivelación con la metodología apropiada.

1.3) FINALIDAD El nivel de ingeniería es un instrumento que tiene como finalidad la medición de desniveles entre puntos que se hallan a distintas alturas o el traslado de cotas de un punto conocido a otro desconocido, se utiliza mucho para obras de construcción y para caminos.

NIVEL DE PLANO EN MUSEO


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2) TEODOLITO El teodolito es un instrumento de medición mecánico-óptico que se utiliza para obtener ángulos verticales y, en el mayor de los casos, horizontales, ámbito en el cual tiene una precisión elevada. Es portátil y manual. Con otras herramientas auxiliares puede medir distancias y desniveles. Si el teodolito tiene retículo estadimétrico es un taquímetro, el cual se usa para obtener la medida indirecta de distancias. Un equipo más moderno y sofisticado es el teodolito electrónico, y otro instrumento más sofisticado es otro tipo de teodolito más conocido como

“Estación Total”. Básicamente, el teodolito actual es un telescopio montado sobre un trípode y con dos círculos graduados, uno vertical y otro horizontal, con los que se miden los ángulos, con ayuda de lentes. Para conocer su composición detallada, ver “Imagen 02”.


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Existen distintos tipos de teodolitos:

Teodolitos Repetidores Éstos han sido fabricados para la acumulación de medidas sucesivas de un mismo ángulo horizontal en el limbo, pudiendo así dividir el ángulo acumulado y el número de mediciones vistas. Ver imagen 2.1.

Teodolitos Reiteradores Llamados también direccionales, los teodolitos reiteradores tienen la particularidad de poseer un limbo fijo y sólo se puede mover la alidada. Ver imagen 2.2.

Teodolito-Brújula Éste tiene una brújula imantada con la misma dirección al círculo horizontal. Sobre el diámetro 0º a 180º de gran precisión. Ver imagen 2.3.

Teodolito Electrónico Es la versión del teodolito óptico, con la incorporación de electrónica para hacer las lecturas del círculo vertical y horizontal, desplegando los ángulos en una pantalla, eliminando errores de apreciación. Ver imagen 2.4. y 2.4.1.


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2.1) CARACTERÍSTICAS 

El teodolito es un aparato mecánico-óptico, no electrónico, usado en la topografía, similar a una cámara de fotos antigua, que apoyado sobre un trípode nivelado sirve para medir el terreno.



Compuesto también por un estadal o mira topográfica y una base

nivelante que en conjunción trabajan con el teodolito. 

El rasgo principal en los teodolitos es el tipo de plomada, existen los de plomada por gravedad y plomada óptica.



Presenta un eje de colimación, que es el eje donde se enfoca los puntos.

Los discos son fijos y la alidada (limbo horizontal y vertical) es la



parte móvil. El declímetro también es el disco vertical. 

El eje de muñones es el eje secundario del teodolito, en el se mueve el visor.


Las imágenes pueden ser directas o invertidas.



La precisión del teodolito depende del tipo de éste, pero se alterna en segundos.



Los aumentos varían entre los 28X y 30X.



La plomada es óptica en su mayoría.



Lectura digitalizada.



Burbuja tubular.



Burbuja circular.



El alcance visual es 450 m en su mayoría.


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2.3) FINALIDAD Está hecho con fines topográficos e ingenieriles, sobre todo en las triangulaciones. El teodolito está destinado a ubicar un objeto a cierta distancia mediante la medida de ángulos con respecto al horizonte y con respecto a los puntos cardinales. Es un instrumento que se adapta a diferentes usos en el campo de la topografía.


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3) ESTACIONES Una estación es un instrumento topográfico electro-óptico, cuyo funcionamiento se apoya en la tecnología electrónica. Permite la medición de distancias y ángulos simultáneamente, así como también la realización de sencillos cálculos de distancias remotas, coordenadas, replanteos, elevaciones; incluso trabajar bajo

condiciones climáticas muy adversas. Es la mejor herramienta para el constructor, ingeniero y topógrafo. Las estaciones vienen provistas de diversos programas sencillos que permiten, entre otras capacidades, el cálculo de coordenadas de campo, replanteo de puntos de manera sencilla y eficaz y cálculo de acimutes y distancias. Para conocer su composición detal lada, ver “Imagen 03”.


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Existen distintos tipos de estaciones:

Estación Total Electrónica: Aparato que integra el Teodolito Electrónico y el Distanciómetro. Ver imagen 3.1.

Estación Robotizada: Estación total que se orienta automáticamente. Ver imagen 3.2.

Semiestación: Aparato que integra el Teodolito Óptico y el Distanciómetro. Ver imagen 3.3.

3.1) CARACTERÍSTICAS Integra en un solo equipo medición electrónica de distancias y ángulos, comunicaciones internas que permiten la transferencia de datos y cálculos en tiempo real. Una estación total posee básicamente 3 componentes: 

Mecánico: El Limbo, los ejes y tornillos, el nivel, la base nivelante.



Óptico: El anteojo y la plomada óptica.



Electrónico: El Distanciómetro, los lectores de limbos, trackeador, pantalla alfanumérica, el software y la memoria.

La gran ventaja de la “Estación Total” es la componente electrónica en

cuanto a memoria interna para almacenar datos de campo, que la hace más versátil y rápida que los instrumentos clásicos. Sus accesorios principales son: trípodes de madera o aluminio, base nivelante, prismas, miras, tarjetas y lector PCMCIA.


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3.2) ESPECIFICACIONES TÉCNICAS a) Telescopio: 

Imagen: Directa



Aumento: 30X



Diámetro objetivo: 45 mm



Enfoque mínimo: 1 m



Constante de multiplicación: 100

b) Medición de ángulos: 

Precisión DIN 18723: 2’’



Lectura mínima: 1’’



Detección horizontal: Doble



Detección vertical: Doble



Unidad de medida: 360º

c) Plomada óptica 

Imagen: Directa



Aumento: 3X

d) Compensador 

Precisión sensor: 1”

e) Temperatura de trabajo 

Rango: -20ºC a 15ºC

3.3) FINALIDAD Su uso tiene como finalidad la obtención de una mejor información requerida en un trabajo de campo con fines topográficos, además de permitirnos trabajar bajo condiciones climáticas muy adversas.


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4) ESCÁNER El “Laser Escáner 3D” adecuado para la topografía, es el abanderado instrumento

en éste campo, por ser de mayor calidad en cuanto a su procesador de información. Es la alta densidad de datos, más que otras de sus características, lo que distingue ésta tecnología de otros métodos para levantamientos basados en la toma discreta de puntos. Cuando los datos de alta densidad son visualizados en la pantalla del ordenador, realzado con efectos intrínsecos de color y visualización 3D, la tecnología provee “Información de Alta Densidad”. Para topógrafos e

ingenieros, este completo valor añadido, se traduce en un mejor resultado final, más precisos y adecuados diseños, además de un mejor valor global para el cliente. Para conocer el proceso de escaneado, ver “Imagen 04”.


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4.1) CARACTERÍSTICAS 

Al igual que otros instrumentos compuestos utiliza un trípode, estándar para su estacionamiento sobre un punto conocido “0” sobre

cualquier otro punto. 

Los puntos capturados pueden ser alineados de manera precisa a nuestro sistema de coordenadas local para su completa compatibilidad con los diseños de proyecto existentes.



La orientación del instrumento y su completa selección del campo de visión, puede ser definida fácil y rápidamente pulsando el nuevo botón QuickScan.



Su único diseño de doble ventana nos permite, para una utilización eficiente, la toma de su máximo campo de visión sin la re-orientación del instrumento incluyendo la captura de la cúpula completa de toda la escena. Ver imagen 4.1.



Con la mejorada tecnología pueden ser tomadas regiones adicionales con mayor detalle si es necesario.


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Máximo campo de visión 360º x 270º.



Diseño de doble ventana.



Totalmente seleccionable, tanto campo de visión como de la densidad a escanear.



Cámara digital integrada calibrada para la forma superpuesta de fotos.



Tamaño de punto <6mm a 50m.



Precisión en la posición de <6mm a 50m.



Estacionamiento en un punto conocido.



Botón de QuickScarn-M para una fácil selección de visión.

4.3) FINALIDAD Sus grandes características no sólo hacen que el “Láser Escáner 3D” sea

más familiar para los topógrafos, sino también más productivo para todos los profesionales de la medida. Lo cual describe y comunica mejor la tecnología en términos de cómo se diferencia respecto a otros métodos topográficos. La empresa “Leica Geosystems” que ha revolucionado éste producto, ha madurado la tecnología hasta el punto que ahora es un completo método topográfico no sólo una interesante tecnología.


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5) SISTEMA GPS Abreviatura de “Global Position ing System”, es decir “Sistema de Posicionamiento Global”. El sistema fue creado por americanos, con fines militares de espionaje. El

GPS es un sistema que permite determinar nuestra posición en el globo terráqueo, utilizando las señales que envían los satélites artificiales para calcular e indicarnos las coordenadas de nuestra posición. Para conocer mejor su funcionamiento ver “Imagen 05”.


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Existen 2 tipos de GPS:

GPS Navegador Es un dispositivo topográfico manual que permite ubicar puntos en un mapa digital a escala mundial, vinculado a una base de datos, ya que tiene una conexión directa con los satélites, podemos encontrarlo en diferentes dispositivos móviles, como teléfonos, incluso en vehículos. Ver imagen 5.1.

GPS Diferencial El GPS diferencial introduce una mayor exactitud al sistema. Ese tipo de receptor además de recibir y procesar la información de los satélites, recibe y procesa, simultáneamente, otra información adicional procedente de una estación terrestre situada en un lugar cercano y reconocido por el receptor. Ésta información complementaria permite corregir las inexactitudes que se puedan introducir en las señales que el receptor recibe de los satélites. En éste caso, la estación terrestre transmite al receptor GPS los ajustes que son necesarios realizar, éste los contrasta con su propia información y realiza las correcciones mostrando en su pantalla los datos correctos con gran exactitud. Ver Imagen 5.2.


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5.1) CARACTERÍSTICAS El sistema Global de Navegación por Satélite lo componen: 

Sistema de Satélites: Está formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados. Ver imagen 5.3.



Estaciones Terrestres: Envían información de control a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelación.



Terminales Receptores: Indican la posición en la que están, también conocidas como unidades GPS, son las que podemos adquirir en tiendas especializadas.

5.2) ESPECIFICACIONES TÉCNICAS: 

Exactitud: 15 metros de precisión. En realidad un GPS portátil monofrecuencia de 12 canales paralelos ofrece una precisión de 2.5 a 3 metros en más del 95% del tiempo. Con el WAAS/EGNOS/MSAS activado, la precisión asciende de 1 a 2 metros.



Cobertura: Mundial



Capacidad de Usuario: Ilimitada



Sistema de Coordenadas: WGS84

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Integridad: Tiempo de notificación de 15 minutos o mayor.



Disponibilidad: 24 satélites (70%) y 21 (98%).


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

El único inconveniente del GPS diferencial es que la señal que emite la estación terrestre cubre solamente un radio de unos 200 km.



Existen receptores GPS mucho más sofisticados que funcionan recibiendo múltiples señales de radiofrecuencia. En esos dispositivos el margen de error no sobrepasa los 25 cm.

5.3) FINALIDAD Como se mencionó antes, el sistema se creó con fines militares de espionaje, pero al acabar el conflicto, se tomó posesión de éste para fines lucrativos. La aplicación de posicionar puntos geográficamente de una forma común u ordinaria con equipo GPS Navegador o Diferencial está sujeta a consideraciones de importancia para efectuar trabajos topográficos y garantizar su confiabilidad.


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6) GIROSCOPIO El giroteodolito o teodolito giroscopio, es un instrumentos de medición compuesto por un giroscopio montado en un teodolito. Se utiliza para determinar la orientación de norte verdadero mediante la localización de la dirección de meridianos. Es el principal instrumento en una mina, para orientar la medición y en la ingeniería del túnel, y en los lugares donde las estrellas no son astronómicamente visibles. Para conocer mejor la composición de un giroscopio, ver “Imagen 06”.


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1.1) CARACTERÍSTICAS El giroteodolito cuenta con un teodolito normal con un sostén que contiene un giroscopio montado en el mismo sentido de rotación de la Tierra y que la alineación de los meridianos.


A diferencia de un horizonte artificial o sistema de navegación inercial, un giroteodolito no puede ser reubicado mientras esté en funcionamiento. Debe reiniciarse de nuevo en cada sitio.



Un giroteodolito sólo funcionará correctamente en el ecuador y en los hemisferios norte y sur.



Un giroteodolito no puede ser utilizado en los polos donde el eje de la Tierra es precisamente perpendicular al eje horizontal del giro, en efecto, no se utiliza normalmente en unos 15 grados del polo, ya que el componente de este-oeste de la rotación de la Tierra no es suficiente para obtener resultados fiables.

1.3) FINALIDAD Un giroteodolito se utiliza principalmente en la industria de la minería subterránea y en la ingeniería de túneles. En la topografía se usa generalmente por ser capaz de encontrar el norte verdadero.


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APRECIACIÓN CRÍTICA PERSONAL

Ingeniero Juan Ccamapaza Aguilar, me es grato dirigirme a usted, para exponer ante su enriquecida experiencia, mi humilde trabajo de investigación, el cual fue solicitado el día viernes 07 de junio de 2015, teniendo como fecha límite de presentación el día viernes 12 de junio de 2015, y desarrollar a continuación en lo que éste espacio realmente implica, mi apreciación crítica personal o comentarios personales, acerca de lo que he venido trabajando en éstos días, que es el tema “Instrumentos Topográficos Compuestos” .

Puesto que he venido desarrollando el contenido, a lo largo de muchas horas, con la única intención de presentar lo más impecable posible mi trabajo, he aprendido a reconocer los instrumentos y conseguí un entendimiento básico acerca sus más resaltantes características, de la finalidad de sus usos, y de lo que refiere en cuanto a especificaciones técnicas. Me ha llamado mucho la atención, la capacidad que tienen estos instrumentos para procesar la información que los profesionales en Ingeniería y Topografía necesitan para desarrollar un proyecto factible, de la mano con la tecnología y su rápido avance, haciendo posible, que las magnitudes de errores en las mediciones sean reducidas a las más mínimas, ya que es imposible reducirlas a un valor inexistente. Considero que la importancia de evaluar las características de un instrumento antes de su elección para el trabajo de campo, debe ser sobresaliente, ya que de ello depende la garantía de una mejor funcionalidad en la obra. En conclusión, la necesidad del hombre, por no sólo adaptarse al cambio, sino además de ello, sobresalir, y por consecuencia, el avance tecnológico, tanto en la ingeniería, como en otros campos, nos han brindado las mejores herramientas para hoy en día, acceder a la posibilidad de ser partícipes del desarrollo de grandes obras.


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Instrumentos Topográficos Compuestos - Universidad José Carlos Mariátegui - Ingeniería Civil (Aracely Quispe)

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