Topografía 1 II semestre, 2013 José Francisco Valverde Calderón Email: [email protected] Sitio web: www.jfvc.wordpress.com Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.1 Concepto •Para ubicar un punto de forma univoca en el espacio topográfico, necesitamos conocer sus tres coordenadas: E,N,h. •La altimetría es la parte de la Topografía que se encarga de ubicar puntos a partir de superficies de nivel para conocer su altura con respecto a esta superficie de nivel •Línea vertical: línea paralela a la dirección de la gravedad. Apunta al centro de la Tierra. •Superficie de nivel: es la superficie que tiene una elevación constante y es perpendicular a la línea de plomada en todos sus puntos. •Altura: es la distancia vertical que existe entre una superficie de nivel y el punto de interés. Algunas veces a las alturas también se les dice “Cota” Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.1 Concepto •Nivel medio del mar: es el promedio de la altura de las mareas. Para considerarlo como un nivel medio se mide por períodos de 18.6 años. Este valor se ve afectado por mareas, corrientes marinas, fenómenos naturales como tormentas, maremotos, vientos huracanados, y otros. •Horizonte instrumental: es la altura que corresponde a la visual del observador •Delta altura (∆h): es la diferencia de altura entre dos puntos que están referidos a una misma superficie de nivel. •Se calcula con la fórmula (en caso de la nivelación geométrica) •∆h = h2 – h1, donde • h2 = altura del punto 2 • h1 = altura del punto 1 •∆h = diferencia de alturas o delta h Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.1 Concepto •Interpretación geométrica de la nivelación diferencial Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.1 Concepto •Al efectuar nivelaciones, se debe considerar la curvatura terrestre Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.1 Concepto •Itinerario o línea de nivelación •Ejercicio: calcular el ∆h entre los puntos: •CS1-B •CS1-C •CS1-CS2 •Calcular la altura del punto CS2, considerando HCS1 = 45,322 m Topografía 1 II Ciclo, 2013 Estación 1 2 3 4 P.O CS1 A A B B C C CS2 LE (m) 1,342 LF (m) 1,563 1,344 1,432 1,532 1,663 2,312 1,873 Profesor: José Francisco Valverde C Líneas de nivelación de la red vertical oficial de Costa Rica Facilitado por el Instituto Geográfico Nacional 11.1 Concepto •La topografía es un elemento condicionante en la configuración. •Se recomienda topografías (pendientes) suaves para establecer las líneas de nivelación. •Líneas de nivelación con pendientes fuertes implica un gasto mayor de tiempo. •Es Es común que las líneas de nivelación se lleven a lo largo de autopistas o vías férreas. •Es necesario tener en cuenta que las nivelaciones con fines geodésicos requieren mediciones gravimétricas. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.2 Sistema de referencia •El sistema de referencia es la superficie de nivel a la cual se refieren las elevaciones (por ejemplo, el nivel medio del mar o “n.m.m.”). •El nivel medio del mar es la altura media de la superficie del mar según, considerando registros mareográficos por un periodo de al menos 18,6 años. •Las superficies de nivel tienen importancia en la nivelación. Son las que sirven de referencia para los niveles. •La superficie de nivel es aquella en la que en todos sus puntos son normales a la dirección de la gravedad tanto, el desnivel entre dos puntos es la distancia que existe entre la superficie de dichos puntos. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C Mareas •El factor predominante sobre las mareas es la atracción gravitacional provocadas por el Sol y la Luna. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C Mareas •Mareógrafo en Anchorage, Alaska •Tomado de: http://www.co-ops.nos.noaa.gov/about2.html Profesor: José Francisco Valverde C Datum vertical de Costa Rica •Normativa referente al datum vertical en Costa Rica Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C Datum vertical de Costa Rica Mareógrafos en Costa Rica Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C Datum vertical de Costa Rica Ejemplo de circuito de nivelación efectuado en Costa Rica Facilitado por el Instituto Geográfico Nacional Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C Datum vertical de Costa Rica Ejemplo del registro del mareógrafo en Limón Facilitado por el Instituto Geográfico Nacional Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C Datum vertical de Costa Rica Tomado de: http://www.ioc-sealevelmonitoring.org/station.php?code=limon Profesor: José Francisco Valverde C Datum vertical de Costa Rica Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.2 Sistema de referencia •La superficie de nivel cero, que sirve de referencia para las alturas es el Geoide. •El geoide es una superficie equipotencial que se puede idealizar como el nivel medio del mar en reposo proyectado por debajo de los continentes. • Una cota es la distancia vertical, que se miden a partir de una superficie de nivel o plano de referencia arbitrario, que debe ser normal a la dirección de la plomada • La superficie de nivel que se toma como referencia se llama Datum. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.2 Sistema de referencia •La geodesia debe dar solución a dos problemas: •La determinación de la forma verdadera de la Tierra; •La determinación de su campo de gravedad. •Se pueden considerar las siguientes superficies: 1. Terreno 2. Elipsoide 3. Geoide Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.3 Clases de nivelación •Objetivo de la nivelación: determinar diferencias de altura (nivel) entre dos o mas puntos. •Según la metodología aplicada y el equipo utilizado: •Nivelación barométrica. •Nivelación trigonométrica (y sus variantes) •Nivelación geométrica (diferencial). •Nivelación geométrica de precisión. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.4 Uso de la estadia •Las estadias o miras de nivelación son reglas fabricadas de madera, fibras de vidrio o metal (aluminio), graduada metros y decimales (comúnmente al centímetro). •Existe gran variedad de modelos, colores y graduaciones: las hay de una sola pieza, de dos o tres secciones, mientras que otros son deslizantes o de bisagra con el fin de facilitar su transporte. •Por lo general están graduadas desde cero en su parte inferior. •Los telescopios de algunos niveles están equipados con hilos de estadía o tres hilos horizontales en la retícula. •Por ello, el topógrafo debe emplear el hilo correcto al tomar las lecturas. •En este caso, el hilo medio. Los otros dos hilos se usan para corroborar las lecturas y calcular la distancia. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.4 Uso de la estadia •Cuidados de las miras: •La mira nunca debe arrastrarse sobre el terreno o a través de agua, pasto o lodo •Nunca debe permitirse que su base metálica golpee contra rocas, pavimento u otros objetos duros •No se debe emplear la mira para mover o quitar hierbas o arbustos. •La mira no debe cargarse sobre los hombros cuando está extendido, ni se le debe recargar contra árboles ni muros, ya que es muy flexible. •Debe colocarse en posición horizontal sobre el terreno con los números hacia arriba. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C Algunos ejemplos de miras Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.4 Uso de la estadia Miras para nivelaciones de precisión Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.4.1 Controles necesarios para medir con estadía • Se debe garantizar la verticalidad de la mira; esto se logra con el centrado del nivel de burbuja en el nivel. •Colocar en un sitio firme el sapo o zócalo (errores por el hundimiento del mismo, por el peso de la mira). •Es necesario mantener la equidistancia de las distancias de “frente” y “espalda” de la estadia con el nivel (error del eje de colimación del nivel). • Se deben realizar las tres lecturas para efectos de controlar la lectura intermedia •Se deben seguir las recomendaciones del fabricante en cuanto a uso y almacenamiento de las miras. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.5 Errores por refracción y curvatura •Dos de los factores a tomar en cuanta en la nivelación son la curvatura terrestre y la refracción. •La curvatura terrestre provoca que las visual desde el nivel a la mira no sea paralelas a las superficies equipotenciales. •La refracción provoca errores de lecturas, ya que el observador toma y anota una lectura, pero por el efecto de la refracción, la visual esta dirigida a otra parte •Ejemplos del fenómeno de la refracción Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C •El error por refracción se produce por la desviación que sufre la visual al atravesar las capas de la atmósfera con diferentes densidades. •El rayo sufre continuas retracciones y toma una forma curva con concavidad hacia el suelo. •La refracción atmosférica varía con la temperatura, la presión atmosférica y el sitio • Se puede eliminar casi en su totalidad tomando observaciones recíprocas, asumiendo que las condiciones atmosféricas son iguales en los dos puntos. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.5 Errores por refracción y curvatura Error por curvatura c, donde la línea de visual no es paralela a la superficie equipotencial. Se cancela si SB = SF Tomado de: NOAA Manual NOS 3_Geodetic Levelling, 1981 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.5 Errores por refracción y curvatura Error por refracción, NO se cancela con SB = SF Tomado de: NOAA Manual NOS 3_Geodetic Levelling, 1981 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.5 Errores por refracción y curvatura 2 D cC = 2R Topografía 1 II Ciclo, 2013 Corrección por curvatura Profesor: José Francisco Valverde C 11.6 Nivel esférico: control y ajuste Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.6 Nivel esférico: control y ajuste •Definiciones •Eje de colimación: es la intersección del retículo y el centro del objetivo. •Eje del nivel de burbuja: es la tangente al punto medio que contiene a la burbuja. •Eje vertical: es el eje alrededor de cual gira el telescopio y el nivel de burbuja. •Relaciones •El eje de colimación debe ser paralelo al eje del nivel de burbuja •El hilo horizontal debe quedar en un plano perpendicular al eje vertical. •El eje del nivel de burbuja debe ser perpendicular al eje vertical. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.6 Nivel esférico: control y ajuste •Control y ajuste: • Nivelar el instrumento • Girarlo 180° • Corregir la mitad del error con una llave Allen • Repetir los pasos anteriores hasta que la burbuja permanezca centrada en cualquier posición. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.7 Nivel tubular: control y ajuste •Consiste en una ampolla de vidrio en forma de tubo curvado (en arco de círculo) llena casi del todo de éter sulfúrico o con alcohol, y contenida en una armadura metálica protectora. •La burbuja siempre tiende a ocupar la parte más alta del tubo. •El tubo generalmente graduado de dos maneras:. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.7 Nivel tubular: control y ajuste •Control y ajuste del nivel tubular: •En los niveles con nivel de burbuja debe ser perpendicular al eje principal del instrumento •Una vez que se centra el instrumento, se gira el mismo 180° •La burbuja no se debe mover •Si se mueve, el movimiento corresponde con el doble del error •Para corregir el error, se debe ajustar con los tornillos del nivel •Repetir hasta que la burbuja no se salga Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.7 Nivel tubular: control y ajuste •Sensibilidad del nivel: Es el ángulo en que debe inclinarse el nivel para que la burbuja se desplace un par Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.8 Uso del nivel de manguera •Otro instrumento o dispositivo sencillo, que data de la antigüedad es el tubo de agua. •En su forma más sencilla puede ser una manguera de jardín llena de agua y provista de un pequeño tubo (de plástico o de vidrio en cada extremo). •Los dispositivos de nivel de agua se usan mucho en la construcción así como en otras industrias, cuando no es conveniente usar los métodos convencionales de nivelación. •Por ejemplo, en una excavación para construcción, las marcas puestas a veces no permiten usar los instrumentos de topografía. •En esos casos, el nivel de agua puede usarse con éxito para determinar cotas o para hacer cambios en las mismas. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.9 Nivel de mano •Este es un instrumento muy fácil de utilizar para hacer nivelaciones. •El nivel de mano permite definir un plano horizontal (horizonte instrumental), con lo cual si se conoce a que altura a que está el nivel de mano del suelo, se puede determinar la altura de un punto observado con solo medir la distancia entre el horizonte instrumental y el suelo sobre el punto de interés. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.10 Clisímetro •Con este instrumento se pueden medir pendientes de una forma directa. •La condición es que la altura a la que está ubicado el clisímetro sea la misma que la del punto observado o punto de interés. •La graduación del instrumento dará automáticamente la pendiente, siempre y cuando la burbuja del instrumento (igual que la burbuja del Punto 2 nivel de mano) se encuentre centrada. Altura de la visual del punto 2 (hv2) Punto 1 Altura de la visual del punto 1 (hv1) condición: hv1 = hv2 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.10 Clisímetro Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.11 Calculo de pendientes •Pendiente: Es el grado de inclinación de una recta. ∆H P= DH •Donde: ∆H = diferencia de altura entre los puntos extremos de la línea DH = distancia horizontal P= pendiente. •Las pendientes se expresan en porcentajes, ya sean positivos o negativos: + 1%; -2% •Un pendiente del 100% representa un cambio en la altura de 1 m al avanzar 1 m en la distancia horizontal. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.11 Calculo de pendientes •Operación de campo •Se colocan dos balizas a una distancia fácil de usar, como 10 m •Con el nivel de mano o el nivel geométrico, se determina la diferencia de altura en los puntos considerados •Se aplica la fórmula dada anteriormente, considerando el signo del delta altura (∆h) Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros •De acuerdo al origen •Nivel tipo americano: Descansa sobre dos soportes de forma de “y” y sus características principales son las siguientes: •El anteojo puede girarse sobre su propio eje independientemente de los soportes. •El anteojo es desmontable (con el fin de facilitar el ajuste o corrección del instrumento) •El nivel de burbuja esta unido al anteojo y los soportes son ajustables. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros •De acuerdo al origen •Nivel tipo inglés: Tiene el anteojo fijo a la barra, lo cual no permite que pueda quitarse de sus soportes y por lo mismo no puede girar sobre su propio eje. •Este instrumento es más simple y compacto que el anterior y aunque es menos fácil de ajustar, este dura más. •El nivel va fijo a la barra de sostén de los soportes. •Los soportes son fijos, unidos rígidamente a la barra. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros •De acuerdo a la forma •Niveles Y-Y: El anteojo descansa sobre unos soportes en forma de Y •Se puede sacar en anteojo, girar sobre su eje longitudinal o voltear extremo por extremo. •En general el anteojo es igual al del teodolito. •Los hay de enfoque interno y de enfoque externo, así como también, de imagen en posición normal y de imagen invertida. •En los niveles de Y-Y se pueden distinguir dos tipos especiales: •Nivel de Y-Y tipo francés: lleva el nivel de burbuja solidario al soporte. •Nivel de Y-Y tipo americano: lleva el nivel de burbuja solidario al anteojo. La única ventaja del nivel es que puede sacar y girar el anteojo para las correcciones, pero en general ofrece muchos inconvenientes a causa del desgaste y consiguiente desajuste en las partes de contacto entre el anteojo y el soporte. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros •De acuerdo a la forma •Niveles Dumpy: La característica principal es que el anteojo es solidario con el resto del aparato. Está construido en tal forma que siempre el eje óptico es perpendicular al eje vertical del aparato. •El nivel Dumpy es más sencillo y práctico que el de Y-Y debido a que tiene menos partes sujetas al desgaste y a que las correcciones que hay que hacerle son pocas y más sencillas. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros •Automáticos y semiautomáticos •Nivel de fácil instalación y uso. •El nivel automático cuenta con un pequeño nivel circular de burbuja y (comúnmente) tres tornillos de nivelación. •Una vez centrada la burbuja de manera aproximada, el instrumento hace la nivelación fina de manera automática. •Es necesario centrar cuidadosamente la burbuja y mantenerla bien ajustada durante los levantamientos. •El nivel autonivelante cuenta con un instrumento en forma de prisma → compensador óptico suspendido mediante alambres no magnéticos. •Al centrar el instrumento de forma aproximada la fuerza de gravedad que actúa sobre el compensador provoca que el sistema óptico se balancee casi instantáneamente, hasta llegar a una posición tal que la línea de visual sea horizontal. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros •Automáticos y semiautomáticos •El tipo de nivel permite una mayor velocidad en la realización de las etapas de nivelación •Es muy útil en los sitios con suelo blando o cuando soplan vientos fuertes, ya que el instrumento se reajusta de manera automática. •Cuando se usa un nivel de línea en esas condiciones, se debe revisar la burbuja constantemente, cuidando que permanezca centrada. •Si ocurre alguna falla en el compensador, el instrumento no se autonivela y por consiguiente, las lecturas posteriores serán incorrectas. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros •Automáticos y semiautomáticos Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros Niveles electrónicos Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.12 Tipos de equialtímetros Niveles electrónicos Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Control del eje vertical. •El eje vertical del aparato debe ser verdaderamente vertical, o sea que el eje del nivel del plato debe ser perpendicular al eje vertical del aparato. •COMPROBACIÓN: Se nivela cuidadosamente el aparato y si al girarlo 180° sobre el eje vertical permanece nivelado, esta correcto. •CORRECCIÓN: Si al girar 180° la burbuja se sale, hay que corregir. Esta operación se efectúa la mitad con los tornillos de corrección de la burbuja y la otra mitad con los tornillos de nivelar. Se debe revisar varias veces hasta que quede completamente corregida. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Control del hilo horizontal. •El hilo horizontal del retículo debe ser verdaderamente horizontal, o sea que, cuando el aparato este nivelado, al girar el anteojo el hilo horizontal se desplace sobre un plano perpendicular al eje vertical. •COMPROBACIÓN: Se sitúa y nivela el aparato a unos 25 m de un muro sobre el cual se marca un punto por medio de una tachuela o de dos líneas que se cortar, de modo que este quede en un extremo del hilo horizontal (figura parte A); en seguida, con el tornillo de movimiento lento, se gira el anteojo; si el punto se mantiene sobre el hilo horizontal, esta correcto (figura parte B). •CORRECCIÓN: Si sucede como en la figura parte C, hay que corregirlo aflojando dos tornillos consecutivos del retículo y haciéndolo girar hasta que quede correcto. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Control del hilo horizontal. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Control de la verticalidad de las miras. •Las miras deben estar perfectamente verticales. •COMPROBACIÓN: Nivelar una a una las miras y con ayuda de un plomo o retícula de la estación total perfectamente nivelada y controlada, recorrer la mira para detectar doblamientos. •CORRECCIÓN: Se debe llevar a un taller especializado. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Efecto del error del eje de colimación Tomado de: NOAA Manual NOS 3_Geodetic Levelling, 1981 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros El efecto se cancela cuando SB = SF Tomado de: NOAA Manual NOS 3_Geodetic Levelling, 1981 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Cálculo del error del eje de colimación. Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Error por refracción, NO se cancela con SB = SF Tomado de: NOAA Manual NOS 3_Geodetic Levelling, 1981 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Error por curvatura c, donde la línea de visual no es paralela a la superficie equipotencial. Se cancela si SB = SF Tomado de: NOAA Manual NOS 3_Geodetic Levelling, 1981 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Efecto provocado por la NO verticalidad de la mira. Tomado de: NOAA Manual NOS 3_Geodetic Levelling, 1981 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C 11.13 Control y ajuste de equialtímetros Efecto sistemático provocado por la NO verticalidad de la mira Tomado de: NOAA Manual NOS 3_Geodetic Levelling, 1981 Topografía 1 II Ciclo, 2013 Profesor: José Francisco Valverde C