Študija varnosti pred padajočim kamenjem na državni cesti RT-912/7302 Zali Log- Davča med km 0.204 in km 0.290.

Matic Rifl mag. inž. geol.

mag. Josip Sadnikar, univ. dipl. inž. geol.

Geoko d.o.o. Šutna 33, 1241 Kamnik.

Povzetek

Zametki navidezne resničnosti se poleg njihove že ustaljene uporabe za vizualizaicjo uporabljajo tudi znotraj projektantske implementacije posega v okolje. Z napredkom razvoja in povečane dostopnosti BIM (Building Information Modelling) orodij, ki omogočajo napreden in natančen prikaz podatkov v tridimenzionalnem okolju, je modeliranje v navidezni resničnosti postalo dostopnejše. Tekom projektne naloge izdelave izvedbenega načrta za zagotovitev varnosti pred padajočim kamenjem na državni cesti RT-912 odsek 7302 Zali Log- Davča med km 0.204 in km 0.290, ki jo je v okviru javnega naročila podala Direkcija Republike Slovenije za infrastrukturo smo pri podjetju Geoko d.o.o. izdelali dva tridimenzionalna modela. Model površja smo izdelali v programu ArchiCAD (© Graphisoft, 21) in je služil kot grafični prikaz pojavljanja obeh tipov žarišč padajočega kamenja in že obstoječih varovalnih ukrepov, na katerem smo glede na izračunane vrednosti energij in višin odbijanja izbrali optimalna mesta za lovljenje izpadlega kamenja. BIM Modele podajno – lovilnih sistemov smo izdelali v programu ArchiCAD (© Graphisoft, 21)m kjer so bili poleg položaja, zajeti tudi podatki o višini in dolžini funkcionalnega modula, postavitve količkov, sider ter lastnosti materiala. Izdelan model predvidenega stanja in model površja sta ob prikazu v navidezni resničnosti pripomogla k izbiri optimalnih mest postavitve podajno-lovilnega sistema.

The use of virtual reality during planning phase in engineering geology. Case study of falling rock hazard on state road RT-912/7302 Zali Log- Davča between km 0.204 in km 0.290.

Abstract

Besides the modern widespread usage of virtual reality for strictly visualisation purposes, the inceptions are seen also during the spatial planning phase. With the development and increased availability of Building Information Modelling (BIM), which enables advanced and accurate display of data in 3d environment, has modelling in virtual reality became more accessible. During the production of implementation plans for falling rock hazard project assignment at state road: RT-912 section 7302 Zali Log- Davča between km 0.204 in km 0.290 for the client DRI Investment Management, Company for the Development of Infrastructure we have made two 3D models. Surface model was made in ArchiCAD software and was used as 3D viewer of terrain, both types of detachment areas and existing rockfall protection measures. Surface model was used as a base for the calculations of total kinetic energy and bounce height for determination of optimal location for planned rockfall protection measures. BIM elements of rockfall protection barriers were made in ArchiCAD software, where besides their spatial configuration; also height and length of barrier system, quantity and distance between their individual posts and material properties were included. Generated 3D models, of existing state (surface model) and projected state (implementation model), visualized also in virtual reality greatly assisted during choice of optimal rockfall protection barrier systems.

1          Uvod

Metodologija dela na vseh področjih geologije temelji na zbiranju podatkov, njihovi razlagi, postavitvi konceptualnega modela ter napovedi prihodnjih dogodkov. Temu sledi predstavitev izsledkov raziskave in predlog o morebitni sanaciji ali drugi izvedbi posega v prostor. Rezultat raziskave in nadaljnji predlogi za poseg v prostor morajo biti nedvoumni in točni. V zadnjem času preko razvoja BIM orodij v gradbeništvu, arhitekturi in urbanizmu navidezna resničnost postaja uporabna tudi znotraj projektantske implementacije posega v okolje (Sampaio in dr., 2004). Uporaba tovrstnih orodij z namenom generiranja, zbiranja, upravljanja, izmenjave in deljenja informacij lahko skrajša čas in zniža težavnost izvedbe. Navidezna in obogatena resničnost lahko z uporabo teh orodij predstavljata velik potencial kot novo orodje presoje za projektiranje, proizvodnjo in upravljanje našega grajenega okolja (Tawelian in Mickovski, 2016). V okviru analize padajočega kamenja na državni cesti RT-912 odsek 7302 Zali Log – Davča med km 0.204 in km 0.290 je prvi geološki posnetek na območju opravila DRI upravljanje investicij d.o.o. Opredeljena je bila resna nevarnost padanja manjših do velikih skalnih blokov na območje ceste. Padanje blokov je v zaledju ceste pogojeno z specifičnimi geološkimi in topološkimi razmerami na območju. Na podlagi te analize smo na podjetju Geoko d.o.o. opravili detajlno inženirsko geološko kartiranje, opredelili potencialna žarišča in določili potencialne trajektorije izpadlih blokov.

Slika 1: Desno. Prostorski prikaz pojavljanja žarišč padajočega kamenja (poligoni) in sekundarnih blokov (zelene točke). Žarišča fizikalno kemijskih dejavnikov so prikazana z rjavo in žarišča biogene erozije so prikazana z modro barvo)

Slika 2: Levo. 1: Poškodbe vozišča kot posledica padajočega kamenja, 2: Žarišče biogene erozije, 3: Poškodbe dreves zaradi padajočega kamenja; 4: Žarišče fizikalno- kemijskih dejavnikov.

Obravnavani odsek na katerem je bila ugotovljena resna nevarnost padanja manjših in velikih skalnih blokov se nahaja ob cesti med krajema Zali Log in Davča v bližini Železnikov. Cesta je postavljena v ozko rečno dolino, ali sotesko, omejeno z dvema strmima bregovoma na zahodni in vzhodni strani. Padajoče kamenje izvira iz vzhodnega pobočja v bližini vrha Konjakovica (763 m nad. v.). Predstavljajo ga predvsem primarni padci in sekundarno odloženi bloki Baškega dolomita. Dolomitizirani apnenci Baškega dolomita vsebujejo pole črnega roženca. Žarišča izvorov nevarnosti padajočega kamenja so nepravilno razporejena po pobočju, ki poteka v generalni smeri zahod-vzhod. Ogroženo območje skupaj z zalednim območjem z žarišči je veliko 120 x 150 m in je klinaste oblike. Na območju je bilo tekom terenskega dela prepoznanih 11 žarišč, ki kažejo znake fizikalno – kemijskega preperevanja in sveže lome, ter 8 žarišč kjer prihaja do povečanega obraščanja s koreninskimi sistemi in večjim preperinskim pokrovom. Prav tako je bilo opaženih 17 sekundarnih žarišč v obliki odloženih blokov.

2          Kriteriji umestitve ukrepov

Potencialne trajektorije padajočega kamenja so bile določene glede na položaj primarnih žarišč in sekundarno odlomljenih blokov. V nadaljevanju smo izdelali simulacijo premikanja odlomljenih blokov s programskim paketom Rockyfor3D (v5.2.6). V programu Rockyfor3D se je, na posamezno rastersko celico, izvedlo 1000 simulacij padajočega kamenja iz predhodno sestavljenih rastrskih podatkov.

 Ločili smo dva tipa poligonov iz katerih smo predpostavljali, da izpadni material predstavljajo sekundarno odloženi bloki Baškega dolomita. Za prvi tip smo postavili poligone, ki ustrezajo žariščem fizikalno kemijskih dejavnikov in ki tvorijo razmeroma nepreperele, rektangularne bloke manjših dimenzij. Gostota kamnine je bila analizirana na terenu in ocenjena z uporabo referenčnega materiala na 2400 kg/m³. Drugi tip poligonov smo osnovali na izpadanju kamenja, ki je posledica biogene erozije v obliki preraščanja s koreninskimi sistemi. Na teh blokih je bilo opaženih več razpok zapolnjenih z drobnozrnatim materialom. Prav tako so ti bloki vsebovali več polj roženca in je bila zato njihova gostota ocenjena višje, na 2600 kg/m³. Vhodni podatki so bili na terenu izmerjene dimenzije blokov, različne značilnosti hrapavosti in ostale lastnosti terena. Na področju smo ocenili možnost izpada največjega na terenu pomerjenega izpadlega bloka z merami 1 x 1,3 x 1,2 m. Modeliranemu bloku smo priredili standardni odklon na izmerjene dimenzije ± 50%. Poligonom žarišč fizikalno kemijskih dejavnikov smo priredili pravokotno obliko in obliko diska izpadlega bloka v žariščih biogene erozije.

Rezultat predstavlja set rastrskih kart izračunanih potencialnih trajektorij, energij in višin glede na meritve pobrane tekom terenskega ogleda. Program simulira spust 1000 blokov na posamezno rastrsko celico, ki se nahaja znotraj poligonov žarišča, in računa dosežene energije z analizo prej izdelanih tematskih kart, katerih osnova je lidar DMV. S takim procesom je bilo v simulacijo vključeno 2 650 000 teoretičnih blokov v dimenzijah (min: 0,6 m³; max: 1,6 m³ in mediano 1 m³) V model nismo vključili položajev sekundarno odloženih blokov ampak smo z njimi le preverjali natančnost izračunanih trajektorij. Razvidno je da se večina opaženih blokov nahaja na področjih stekanja padajočih skal v eno izmed kritičnih področij, kjer je srednja vrednost kinetične energije manjša.

Slika 3: Rezultat simulacije padajočega kamenja v QGisu 3.2. Prikaz poteka profilov in predlogov izvedbe podajno-lovilnih sistemov.

Rezultati simulacij so pokazali tri kritična stekališčna območja padajočega kamenja in sicer:

• • Od km 0,190 do km 0,213,
• • od km 0,270 do km 0,293
• • in od km 0,340 do km 0,370.

Rezultati analize z programom Rockyfor3D so primerljivi z namensko programsko opremo Brežine, ki jo uporabljajo zaposleni pri DRI upravljanje investicij d.o.o. Rezultati analize v programu Brežine prav tako kažejo na najmanj tri specifične poti po katerih se proži padajoče kamenje. Karakteristični profili so bili izbrani glede na razmere prepoznane na terenu in med analizo potencialnih trajektorij v programu Rockyfor3D in programu Brežine.

Padanje in odskakovanje blokov smo za potrebe detajlne presoje doseženih višin in kinetične energije simulirali tudi v RocFall Analysis podjetja Rocscience. Analizirali smo šest karakterističnih profilov stekališč padajočega kamenja na obravnavanem področju. Izdelali smo modelni izračun za primer postavitve podajno lovilnih sistemov na horizontalni oddaljenosti od ceste približno 20 m. Zaradi morfoloških lastnosti terena je bilo potrebno lovilno ograjo izvesti v štirih višinah. Predvideli smo torej štiri sisteme katerih uporabljene kriterije podajamo v spodnji tabeli.

Profil	Naklon	Wk	Višina odskakovanja	Sistem	Višina	Dolžina	Wk sistema	Mnv. izvedbe
Profil 1	35 – 47	< 350 kJ	< 1,5 m	1	3 m	30m	500 kJ	520
Profil 2	50 – 60	< 250 kJ	< 3,5 m	2	5 m	20m	1000 kJ	540
Profil 3	35 – 65	800 kJ	2 – 3 m	3	5 m	30m	1000 kJ	535
Profil 4	50 – 65	400 kJ	2 – 3 m	4	5 m	60 m	1000 kJ	520
Profil 5	45 – 55	800 kJ	3- 4 m
Profil 6	30 – 45	< 150 kJ	1 – 2 m

Tabela 1: Rezultati računalniških analiz in uporabljenih kapacitet podajno lovilnih sistemov

3          Implementacija modela

V programskem okolju ARCHICAD 21 smo izdelali smo dva trodimenzionalna modela pobočja nad državno cesto RT-912 odsek 7302 Zali Log – Davča (stacionaža: med km 0.204 in km 0.290). Za potrebe inženirsko geološkega elaborata smo na podlagi prosto dostopnih LIDAR podatkov, z enometrsko natančnostjo, izdelali preprost model površja v katerem smo uvozili vsa kritična žarišča padajočega kamenja in položajev nemih prič. Programsko okolje ARCHICAD je služilo le kot način za trodimenzionalno predstavitev rezultatov. Podatki za model so se pridobili iz prosto dostopnih LIDAR podatkov, ki smo jih priredili glede na tip pojavljajočih kritičnih žarišč padajočega kamenja (in v manjši meri položaja nemih prič). Prav tako se je v programu QGis (verzija 3.2) pripravilo topografske izohipse, ki smo jih uvozili v ARCHICAD in so bile nepogrešljive pri umeščanju posega v prostor.

Slika 4: Model površja s prikazanimi žarišči (Violična: Fizikalno kemijski dejavniki, rumena: žarišča biogene erozije) in obstoječih ukrepov (mreža)

Drugi model je bil postavljen kot predlog izvedbenega načrta, kjer smo na prej identificirana kritična področja padajočega kamenja postavljali elemente predvidenih podajno lovilnih sistemov z lastnostmi katere smo določili na podlagi predhodnih analiz in faze definiranja metodologije. V programskem okolju ARCHICAD smo na podlagi zahtevanih lastnosti podajno-lovilnih sistemov, realnih geomorfoloških lastnosti območja in skladnosti z zakonodajo ETAG 27 izbrali optimalna mesta za postavitev ukrepov iz vidika izvedbe in zagotavljanja varnosti pred padajočim kamenjem. Postavljeni podajno lovilni sistemi znotraj okolja ARCHICAD vsebujejo vse elemente BIM modeliranja. Znotraj predloga izvedbenega načrta so bili zajeti naslednji podatki o postavljenih sistemih: nadmorska višina, skupna dolžina in širina posameznih sistemov, višina in dolžina funkcionalnega modula v posameznem sistemu, števila in postavitve količkov, števila in oddaljenost sider ter lastnosti materiala uporabljenega pri podajno lovilnih sistemih.

Slika 5: Model izvedbenega načrta s prikazom ukrepov v obliki podajno lovilnih sistemov in razširitve obstoječih mrež.

Izvedbeni načrt predstavlja konceptualni BIM model, ki je poleg vizualnih lastnosti vsebuje tudi zbirko podatkov o lastnostih elementov podajno-lovilnih sistemov. V tej zbirki je mogoča ekstrakcija in računanje posameznih ne-grafičnih segmentov predloga izvedbe v obliki: kvantitet, tipov materialov, opisov kontrukcijskih in varnostnih detajlov, stroškov in ostalih popisov. Oba postavljena modela smo v okviru izdelave projektne naloge pripravili za prikazovanje v navidezni resničnosti in izvozili kot interaktivne virtualne modele za uporabno v aplikaciji BIMx, ki je namenjena za prikazovanje BIM modelov na pametnih telefonih in tablicah.

4          Predlogi za izvajanje

Potreba po zaščiti objektov pred padajočim kamenjem je vodila v razvoj mnogih tehnoloških rešitev, ki so zmožnih prestrezanja ali odklonitve izpadlega bloka. Med njimi je na področju Evrope najbolj v uporabi podajno lovilni sistem (Peila in Ronco, 2009). Projektiranje in testiranje podajno lovilnega sistema na širšem območju Evrope določa ETAG 027. Izvedba in projektiranje teh sistemov je kompleksna naloga kjer se moramo zavedati glavnih faktorjev v obliki doseženih energij, višin odbijanja bloka, frekvenci izpadanja in ostalih lastnosti, ki botrujejo uspešni izvedbi proizvajalčevih pogojev ob katerih lahko zagotavlja predpisane lastnosti materialov. Ob tem se moramo zavedati tudi generalnih lastnosti terena ki, med drugim, vključujejo geološko ozadje, topografijo, geomehanske lastnosti hribin in stopnje tveganja, ki jo predstavlja scenarij brez opravljenih ukrepov (Peila in Ronco, 2009).

Slika 6: Imerzija v navidezno resničnost z uporabo kartonastega vmesnika in pametnega telefona.

Pri izvedbi podajno lovilnega sistema so dela v grobem razdeljena na: pripravljalna dela, vrtanje za sidra in postavitev podajno lovilnih ograj po navodilih proizvajalca. Tridimenzionalno modeliranje in kasnejši ogled modela v navidezni resničnosti je znatno pripomogel k računanju površin potrebnih za vkop temelja, večji interaktivnosti in natančnosti tlorisnega lomljenja sistema na posamezne funkcionalne module, minimaliziranja površin vrzeli in opredelitev do sidranja v vertikalno steno. Prav tako je v fazi projektiranja model do neke mere omogočal postavitev sidrnih mest in postavitev namestitve žične mreže na izpostavljeno hribino.

5          Zaključek

Virtualna resničnost se je razvila iz izkušenj pridobljenih tekom napredkov v računalniški grafiki in razvoja grafičnih orodjih. Osnovni koncept je poglabljanje operaterja v računalniško generiran svet, kjer je v stanju projektiranja omogočena optimalna presoja modeliranega posega v okolje v treh dimenzijah. Napredek v pretočnosti digitalnih podatkov omogoča lažjo izmenjavo podatkov med inštitucijami, kjer se gradi na sodelovanju med vsemi vključenimi skupinami za natančno in koordinirano izvedbo (Bridgewater in dr., 1994). V veliki meri je tovrstno modeliranje uporabno tudi pri definiranju varnostnega načrta. V zadnjem času ko, lahko spremljamo porast v zmogljivosti in dostopnosti pametnih tehnologij (pametni telefoni, računalniške tablice in navsezadnje virtualna in obogatena resničnost), pa predstavlja uporabno orodje v vseh fazah gradnje in interakcije z okoljem. Kljub nekaterim omejitvam v obliki interaktivnosti končnega modela je tehnika poglabljanja v virtualno resničnost lahko dosežena že z vmesnikom (preprostim kartonastim okvirjem), in pametnim telefonom. Potencial navidezne resničnosti pri poseganju v okolje sega tudi izven projektantskega okvirja. V fazi izvajanja je tako mogoče na modelu in v navidezni resničnosti prikazati ključne projektirane aktivnosti, alocirati surovine, določiti optimalne dostopne poti in definirati območja odlaganja (Bridgewater in dr., 1994). Prav tako so znotraj takšnega BIM modeliranja vkomponirana managerska orodja v obliki popisov materialov in njihovih lastnosti ter stroškov.

6          Literatura

Peila, D & Ronco C. 2009. Technical Note: Design of rockfall net fences and the new ETAG 027 European guideline. Natural Hazard Earth System Sciences, 9, 1291-1298.

ETAG 027 Guideline for European technical approval of rock protection kits. 2013. European organisation for Technical Approvals (EOTA). 59 str.

Bridgewater C., Griffin M, Retik A. 1994. Use of virtual reality in scheduling and design of construction projects. Automation and Robotics in Construction XI, Elsevier Science, 249 – 256.

Sampaio A. Z., Henriques G. P., Ferreira S. P. 2004 Virtual reality technilogy applied in civil engineering education: Visual simulation of construction processes. Zbornik, 20th Annual ARCOM conference, Association of Researchers in Construction Managment. 587 – 94.

Tawelian R. L. & Mickovski B. S 2016. The implementation of Geotechnical Data Into the BIM Process. Zbornik, 3rd International Conference on Transportation Geotechnics (ICTG 2016). Advances in Transportation Geotechnics 3, 143, 734 – 741.