Aplicaciones de la topografia en las diferentes ramas de la ingenieria
La topografía
En la vida ordinaria, son muchas las actividades que, de forma más o menos detallada, precisan de una representación gráfica del terreno. La ciencia que estudia los instrumentos existentes, la forma de utilizarlos, y los métodos de trabajo a seguir hasta dibujar el terreno con todos sus accidentes, se llama Topografía.
La topografía busca como determinar la localización espacial relativa de los puntos ubicados sobre o debajo de la superficie terrestre o próximos a ella, empleando principios y métodos, usando medidas y tres elementos del espacio. Estos elementos pueden ser: dos distancias y una elevación, o una distancia, una dirección y una elevación.
Es el arte de medir las distancias horizontales y verticales entre objetos, de medir ángulos formados por líneas, de determinar la dirección de estas y de establecer puntos por medio de angulares y líneas predeterminadas.
La topografía, es una aplicación de la geometría y, por tanto, sin el conocimiento de esta ciencia, sería imposible que aquella llenara el cometido que tiene asignado.
La topografía se encuentra directamente relacionada con la Tierra. El estudio de la Tierra como cuerpo en el espacio le corresponde a la astronomía; y como globo terrestre en lo que concierne a su configuración precisa y a su medida le corresponde a la Geodesia; pero el hombre tiene necesidad de algo más, de un estudio detallado de un territorio determinado de la tierra, en el cual orientara su existencia diaria.
Y es aquí donde entra la Topografía; ayuda a determinar los linderos de la propiedad, con sus divisiones interiores y diversos cultivos, las viviendas, los caminos y los ríos, los puentes, los ferrocarriles, los montes con sus valles y barrancos, los bosques, los pantanos, etc., y en suma, todas aquellas particularidades del terreno que pueden interesaren las cuestiones que se presentan en las necesidades de la vida práctica.
La realización de cualquier trabajo topográfico se compone de dos fases bien diferenciadas, a saber, la toma de datos en campo y el posterior trabajo de gabinete. La primera se reduce a dibujar el croquis de la zona y medir ángulos y distancia a cada punto significativo. En gabinete se efectúan los cálculos necesarios y se representa, finalmente, el plano del terreno.
Conjuntamente con las mediciones reales están los cálculos matemáticos. Distancias, ángulos, direcciones, localizaciones, elevaciones, áreas y volúmenes se determinan a partir de los datos del levantamiento. Además, gran parte de la información de un levantamiento se registra gráficamente en los planos de construcción, perfiles, secciones transversales y diagramas.
Cada trabajo, dependiendo de la finalidad a la que va destinado, deberá realizarse con mayor o menor rigor, a fin de conseguir que los errores que se cometan no sean representativos. Los trabajos deberán, siempre, poderse comprobar y determinar su precisión a través de una serie de puntos de control.
Hay que tener presente que todas las medidas que se efectúen vendrán afectadas de un cierto error, provocado por las deficiencias del instrumento que se usa y por las limitaciones naturales del personal operador que lo utiliza. Condicionado, pues, al trabajo a realizar, habremos de seleccionar los instrumentos adecuados y los métodos de trabajo apropiados para que el conjunto de errores que se cometa no sobrepase jamás los límites exigidos.
El objeto de la Topografía es dar a conocer los distintos tipos de instrumentos existentes en el mercado, enseñar su manejo y precisión, estudiar los diversos métodos de trabajo con utilización de los mismos y calcular los errores cometidos a fin de poder presentar un plano.
En sí, la topografía es una de las artes más antiguas e importantes que practica el hombre, porque desde los tiempos más antiguos ha sido necesario marcar los límites y dividir terrenos.
El equipo disponible y los métodos aplicables para la medición y cálculo han cambiado notoriamente en las últimas décadas. En la era moderna la topografía se utiliza extensamente. Los resultados de los levantamientos topográficos de nuestros días se emplean, por ejemplo, para: elaborar planos de la superficie terrestre, arriba y abajo del nivel del mar; trazar cartas de navegación para uso en el aire, en tierra y en el mar; establecer límites en terrenos de propiedad privada y pública; constituir bancos de datos con información sobre recursos naturales y de utilización de la tierra, para ayudar a la mejor administración y aprovechamiento de nuestro ambiente físico; evaluar datos sobre tamaño, forma, gravedad y campo magnético de la tierra; obtener registros astronómicos de la luna y de los planetas, medición electrónica de distancias, y técnicas laser son ejemplos de los modernos sistemas utilizados para captar los datos requeridos en el proceso de levantamiento. La relativa facilidad para disponer de computadoras electrónicas de todos los tamaños agiliza el procesamiento y almacenamiento de grandes cantidades de datos.
Actualmente la topografía se encuentra en una etapa de cambios tecnológicos en ascenso. Los avances están ocurriendo a una velocidad sin precedentes y están afectando virtualmente todas las áreas de la práctica topográfica de campo y de oficina. Entre los nuevos instrumentos que han revolucionado las actividades de campo se incluyen los sistemas de levantamiento por satélite, GPS, los teodolitos digitales electrónicos, los instrumentos de estación total con sus colectores de datos automáticos (de los cuales los más recientes son operados robóticamente), niveles digitales automáticos que emplean técnicas de procesamiento de imágenes, nuevos dispositivos de alineación mediante el uso de láser, entre otros.
Con el desarrollo de este moderno sistema para recolectar y procesar datos, las labores del topógrafo se han extendido más allá de los límites tradicionales de la toma de datos y mediciones en el campo y del trabajo de gabinete para hacer cálculos y dibujos. En el trabajo de oficina, los avances en la computación han afectado los procedimientos usados en el procesamiento de la información. Nuevo equipo para el trazado de mapas y el escaneo de documentos ha sido perfeccionado, y han sido introducidos programas que ejecutan todo tipo de cálculos topográficos, compilación de mapas y trazado automático de curvas de nivel.
Los primeros levantamientos topográficos se efectuaron con el propósito de establecer linderos de predios, lo que hoy en día aun es una fuente de trabajo importante para muchos topógrafos.
Todo tipo de proyectos de construcción, sin importar su magnitud, se basa de alguna manera en las mediciones efectuadas por los levantamientos hechos durante la etapa de construcción, y además debe construir a partir de las líneas y puntos preestablecidos por el topógrafo. Aparte de los levantamientos de terrenos, prácticamente todos los levantamientos de carácter privado y la mayor parte de ellos, dirigidos por dependencias públicas son de carácter asistencial para la concepción, diseño y ejecución de trabajos de ingeniería.
Durante muchos años el gobierno, y algunas veces los estados en forma individual, han efectuado levantamientos de grandes áreas con diversos propósitos. El trabajo fundamental realizado hasta ahora consiste en determinar los limites nacionales y estatales; cartografiarlas costas, las corrientes y lagos navegables; localizar con precisión los puntos de referencia definida a todo lo largo de la nación; captar los datos importantes referentes al magnetismo terrestre por medio de un gran número de estaciones dispersas; establecer y observar una gran cadena de estaciones gravitacionales por todo el mundo; establecer y operar estaciones para mareas y niveles de agua; aumentar la cartografía y la planimetría oceanográfica e hidrográfica debido a que tres cuartas partes de la Tierra carecen de estos levantamientos e incrementar la planimetría topográfica de la superficie del planeta, para lo cual Estados Unidos ha realizado el cubrimiento de cerca de la mitad de su área superficial en planos a escala de 1:24000 o 1in por 2000ft.
A la topografía se le puede considerar una de las herramientas básicas de la ingeniería civil, aunque se le llega a utilizar en otras especialidades. Las materias propedéuticas son la geometría, la trigonometría, la física y la astronomía, por lo tanto, se puede decir que la topografía es una ciencia aplicada.
Además del conocimiento de las materias mencionadas, para la realización de los trabajos topográficos se hacen necesarias algunas cualidades personales como: iniciativa, habilidad para manejar aparatos, habilidad para tratar a las personas y buen criterio.
La topografía tiene un campo de aplicación extenso, lo que la hace sumamente necesaria. Sin su conocimiento no podría el ingeniero por si solo proyectar ninguna obra. Sin un buen plano no podría proyectar debidamente un edificio o trazar un fraccionamiento; sin el levantamiento de secciones transversales no le haría posible proyectar muchas cosas y ni podría señalar una pendiente determinada como la requiere un alcantarillado.
La Topografía es necesaria para cualquier proyecto de ingeniería, tanto en la fase de su elaboración como en la de su ejecución. Las labores de estas ciencias físicas necesitan redefinirse para que se incluya la planeación del procedimiento de levantamiento y la selección del equipo apropiado para el proyecto; la consecución de los datos en el campo o por medio de estaciones remotas; el análisis de los datos en la oficina o en el campo; el almacenamiento de los datos de forma compatible con recuperaciones futuras; la preparación de planos o de otras presentaciones en forma gráfica o en forma numérica que depende de los objetivos del levantamiento y por último, la ubicación de monumentos y linderos en el campo, así el control de la disposición de las construcciones.
El desarrollo de estas labores implica una familiaridad con los usos de la topografía, un conocimiento de los fundamentos de su proceso y de los diferentes medios por los cuales los datos pueden repararse para su presentación.
La topografía tiene un papel extremadamente importante en todas las ramas de la ingeniería. Por ejemplo, se requieren levantamientos topográficos antes, durante y después de la planeación y construcción de carreteras, vías férreas, sistemas viales de transito rápido, edificios, puentes, bases de lanzamiento de cohetes y estaciones astronáuticas, túneles, canales, obras de irrigación, presas, sistemas de drenaje, fraccionamiento de terrenos urbanos, sistemas de aprovisionamiento de agua potable y eliminación de aguas negras, oleoductos y gasoductos.
Los métodos topográficos se emplean en la instalación de líneas de ensamble industrial y otros dispositivos de fabricación, para el armado y montaje de equipo y maquinaria de gran tamaño, para establecer el control de aerofotografía, y en muchas actividades relacionadas en la geología, la silvicultura, la arquitectura del paisaje y la arqueología, etc., pero particularmente en obras de ingeniería civiles y militares.
El alineamiento óptico es una aplicación de la topografía en trabajos de ingeniería mecánica y taller.
Todos los ingenieros deben conocer los límites de exactitud posibles en la construcción, en el diseño y proyecto de plantas industriales, y en los procesos de manufactura, aun cuando sea algún otro quien haga el trabajo real de topografía. En particular, los ingenieros civiles es a quienes se llama para planear y proyectar levantamientos deben tener una perfecta comprensión de los métodos e instrumentos a utilizar, inclusive sus alcances y sus limitaciones. Este conocimiento se obtiene mejor haciendo mediciones con los tipos de instrumentos que se usan en la práctica, para tener un concepto real de la teoría de los errores, y las pequeñas aunque reconocibles diferencias que ocurren en las cantidades observadas.
Además de hacer destacar la necesidad de límites razonables de exactitud, la topografía enfatiza también el valor de las cifras significativas. Un ingeniero debe saber cuándo trabajar hasta el centésimo en vez de hacerlo hasta los décimos o el milésimo de una cantidad, o talvez hasta el entero más próximo, y que precisión se requiere en los datos de campo que justifique el efectuar los cálculos con el número deseado de decimales. Con la experiencia aprenderá la forma en que el equipo y el personal disponibles determinan los procedimientos y los resultados.
Esquemas y cálculos bien hechos y limpios son señal de una mente ordenada, la cual es a su vez un índice de sólida preparación y competencia en ingeniería. El tomar buenas notas de campo en toda suerte de condiciones es una excelente preparación para la clase de registros y croquis que se esperan de los ingenieros. Un adiestramiento adicional de gran valor en las operaciones, es el disponer adecuadamente los cálculos.
Los ingenieros que proyectan edificios, puentes, equipos, etc., se conforman con que sus estimaciones de las cargas que han de soportar sus construcciones estén correctas dentro del 5%, y luego aplican un factor de seguridad de 2 o más. Pero excepto en los levantamientos de configuración, solo pueden tolerarse errores extremadamente pequeños en los trabajos de topografía, y en estos no existe ningún factor de seguridad. Tradicionalmente, por tanto en la topografía siempre se requiere precisión, tanto en operaciones manuales como de cálculo.
Las actividades fundamentales de la topografía son el trazo y el levantamiento.
El trazo es el procedimiento operacional que tiene como finalidad el replanteo sobre el terreno de las condiciones establecidas en un plano; y el levantamiento comprende las operaciones necesarias para la obtención de datos útiles para poder representar un terreno por medio de su figura semejante en un plano.
La topografía tiene una gran variedad de aplicaciones:
Levantamiento de terrenos en general, para localizar y marcar linderos, medida y división de superficies y ubicación de terrenos en planos generales.
Localización, proyecto, trazo y construcción de vías de comunicación: caminos, ferrocarriles, canales, líneas de transmisión, acueductos, etc.
La topografía de minas tiene por objeto fijar y controlar la posición de trabajos subterráneos y relacionarlos con las obras superficiales.
Levantamientos catastrales hechos con el propósito de localizar límites de propiedad y valorar los inmuebles para la determinación del impuesto correspondiente.
Topografía urbana es la denominación que con frecuencia se da a las operaciones que se realizan para la disposición de lotes, construcción de calles, sistemas de abastecimiento de agua potable y sistemas de drenaje.
La topografía hidrográfica estudia la configuración de océanos, lagos, ríos, etc., para suministros de navegación, suministros de agua o construcción subacuática.
La topografía fotogramétrica es la aplicación a la topografía de la ciencia de las mediciones por medio de fotografías. Se usa para levantamientos topográficos generales, levantamientos preliminares de rutas, para fines militares y aun para levantamientos en áreas agrícolas. En la Topografía, los levantamientos de control consisten en establecer las posiciones verticales y horizontales en puntos arbitrarios. Los levantamientos de terrenos, linderos o propiedades determinan la dirección y la longitud de las líneas del terreno y para fijar en el piso su posición.
Un levantamiento topográfico consiste en determinar datos para construir un plano que le muestre la configuración del terreno y la situación de objetos naturales y artificiales.
La hidrografía se refiere a los levantamientos de las masas de agua para fines de navegación o construcciones subacuáticas. La topografía de minas utiliza los principios de topografía de control, planimetría, levantamientos topográficos y topografía geológica para controlar, localizar y trazar planos de trabajos subterráneos o a cielo abierto que tengan que ver con la minería.
Los levantamientos de construcción se efectúan para el replanteo, localización y control de trabajos de ingeniería públicos y privados. La topografía de ruta consiste en determinar en el terreno la configuración y localización de una línea propuesta de transporte o comunicación, como la de una carretera, una vía férrea o una tubería. En topografía se manejan de manera cotidiana muchos conceptos que en cierta manera son útiles en el lenguaje topográfico. Por ejemplo:
La superficie de nivel es una superficie curva, cada uno de cuyos elementos es normal a la dirección de la plomada. Si se omiten desviaciones locales de la línea de plomada con relación a la vertical, esta es paralela a la superficie esférica media de la Tierra. Una masa de agua en calma brinda el mejor ejemplo.
El plano horizontal es un plano tangente a una superficie de nivel en determinado punto. La línea horizontal es una línea tangente a la superficie de nivel. En topografía se sobreentiende que la línea horizontal es recta.
El Angulo horizontal es el ángulo formado por la intersección de dos líneas en un plano horizontal. La línea vertical es una línea perpendicular al plano horizontal. Una línea de plomada es un ejemplo. Se dice una línea vertical en dirección hacia el centro de la tierra está en dirección del nadir. Una línea vertical en dirección opuesta al centro de la tierra, y por encima del observador, se dice que está dirigida hacia el zenit.
El plano vertical es el plano donde la línea vertical es un elemento. El ángulo vertical es el ángulo formado entre dos líneas que se cortan en un plano vertical. En topografía es común suponer que una de estas líneas es horizontal, y que el ángulo vertical de un punto es el formado en un plano vertical por una línea a ese punto y el plano horizontal.
El ángulo zenital es un ángulo entre dos líneas en un plano vertical donde se supone que una de estas se dirige al zenit. El ángulo de nadir es el ángulo entre dos líneas del plano vertical donde se supone que una de ellas se dirige hacia el nadir.
En planimetría, las distancias medidas a lo largo de una línea de nivel se denominan distancias horizontales. La distancia entre dos puntos se supone que es la distancia horizontal entre la línea de plomada de un punto y de otro. Las distancias medidas pueden ser tanto horizontales como inclinadas, pero en la práctica todas las distancias inclinadas se transforman en longitudes horizontales equivalentes.
La elevación, cota o altura de un punto es la distancia vertical arriba de una superficie de nivel o superficie de comparación preestablecida o datum. La curva de nivel es una línea imaginaria de elevación constante en la superficie del terreno. La línea correspondiente en un plano se conoce como línea de curva de nivel o simplemente curva de nivel.
La distancia vertical entre dos puntos se conoce como diferencia de elevaciones. Es la distancia entre una superficie de nivel imaginaria que contiene un punto por encima de otra superficie que contiene otro punto. La operación de medir la diferencia de elevaciones se llama nivelación. La pendiente o gradiente es la inclinación de una línea o su porcentaje de declive ascendente o descendente.
El conocimiento de la propagación de errores es muy valioso ya que se requiere para la planeación de los procedimientos para seguir en los levantamientos y en la selección de equipos más apropiados.
El procesamiento de datos con computadoras electrónicas, calculadoras electrónicas portátiles es una de las partes clave del almacenamiento, grabación y recuperación de datos de los levantamientos que deben ser familiares para el topógrafo.
La práctica de la topografía es compleja. Los conocimientos teóricos no hacen a alguien un buen topógrafo, a menos que se tenga la habilidad necesaria en el arte de la medición y en los procedimientos de campo y gabinete. La topografía sirve y está en mayor o menor escala en casi todas las obras que el hombre hace o pretende hacer, desde medir una propiedad hasta para lanzar un cohete al espacio.
Todas las operaciones topográficas están sujetas a imperfecciones de los instrumentos y a los errores inherentes a su manejo. Por eso, ninguna medición topográfica es exacta. En consecuencia, la naturaleza y magnitud de los errores del trabajo topográfico deberán ser bien comprendidas si se desea asegurar buenos resultados. Obviamente, hay varios grados de precisión posible en cualquier medición. Así, la distancia entre dos esquinas de una cerca puede ser estimada a ojo, medida a pasos, con estadía, o con cinta. Cada uno de estos métodos puede ser el mejor para un propósito dado ya que, por lo regular, constituye una pérdida de tiempo y dinero obtener una exactitud innecesariamente elevada.
Por otra parte, si las mediciones no son lo bastante precisas, sino el que es capaz de seleccionar y aplicar el grado apropiado de precisión que se requiere para el propósito.
Bibliografía
GARCIA F.M. (2003). CURSO BASICO DE TOPOGRAFIA. PAX MEXICO EDITORIAL.
ANDERSON J. M. INTRODUCCION A LA TOPOGRAFIA. Mc GRAW HILL.
SCHMIDT M. FUNDAMENTOS DE LA TOPOGRAFIA. CONTINENTAL EDITORIAL.
BRINKER R. C.(1982). TOPOGRAFIA MODERNA. HARLA EDITORIAL.
Autor:
Adrian Alfonso Molina Euan.