Naukowcy i studenci Politechniki postawili trójwymiarową diagnozę Kopca Kościuszki

Interdyscyplinarny projekt naukowców i studentów Politechniki Krakowskiej połączył numeryczne modelowanie 3D, skanowanie laserowe i tomografię sejsmiczną dla ochrony jednego z najważniejszych symboli Polski i Krakowa. Innowacyjne badania Kopca Kościuszki pozwoliły stworzyć trójwymiarową mapę punktów zagrożonych osuwaniem się gruntu, tworzącego zabytek. Współpraca zespołu badawczego Wydziału Inżynierii Lądowej oraz firmy Geopartner Geofizyka sp. z o. o.  w ramach projektu „Odkrywcy Kopca Kościuszki” umożliwiła przeprowadzenie badań sejsmicznych, które poszerzyły wiedzę na temat budowy wnętrza wyjątkowego obiektu inżynieryjnego.

Od innowacyjnych badań sejsmicznych i skanowania laserowego do cyfrowej mapy osuwisk

Interdyscyplinarny zespół pod opieką naukową prof. dr hab. inż. Elżbiety Pileckiej i dr inż. Mirosławy Bazarnik z Katedry Geotechniki i Wytrzymałości Materiałów na Wydziale Inżynierii Lądowej PK postawił sobie za cel diagnozę aktualnego stanu geologicznego Kopca. W ramach badań zespół opracował trójwymiarowy modelu zabytku, wskazujący obszary, gdzie jego struktura jest naruszona. Analizy wykazały miejscowe przemieszczenia w bryle Kopca do 20 cm w skali jednego roku. Jeszcze większe przemieszczenia ujawniają obserwacje długoterminowe z okresu 10-letniego, co wynika z porównania danych pomiarowych wykonanych skanowaniem laserowym RIEGL-VZ400 w 2014 roku.

 – Ten unikalny obiekt inżynieryjny regularnie zmaga się z problemami stateczności. Kopiec jest zabytkiem narodowym o delikatnej konstrukcji ziemnej, dlatego zintegrowane badania są istotne, bo pozwalają odtworzyć jego wnętrze cyfrowo i chronić stateczność w mało inwazyjny sposób – podkreśla prof. dr hab. inż. Elżbieta Pilecka, kierowniczka Katedry Geotechniki i Wytrzymałości Materiałów na Wydziale Inżynierii Lądowej PK i opiekunka merytoryczna projektu.

Miejsca objęte największym zagrożeniem można zabezpieczyć odpowiednimi metodami hamującymi osuwanie się bryły obiektu. – Mamy wiele możliwości działań w tym zakresie. Istnieją na przykład tak zwane zastrzyki cementowe, które wykonane punktowo wzmacniają warstwy gruntu składającego się, w przypadku Kopca, głównie z pyłu – mówi prof. Pilecka.

Sejsmika, skanowanie 3D i modele numeryczne dla ochrony Kopca Kościuszki

Kluczowe prace badawcze studenci prowadzili od ubiegłego roku, w grudniu uczestniczyli w zaawansowanych badaniach terenowych. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem specjalistycznej aparatury, przygotowanej przez partnera projektu – firmę Geopartner Geofizyka Sp z o. o. Urządzenie stanowiące źródło fal sejsmicznych zostało specjalnie zaprojektowane i zamontowane przez pracowników firmy na platformie  jezdnej, indywidualnie dostosowanej do warunków Kopca.

Istotnym ograniczeniem była wielkość urządzenia – maszyna musiała być na tyle kompaktowa, aby mogła zmieścić się na ścieżkach Kopca, nie powodując ich uszkodzenia. – Mechanizm uderzeniowy zamontowany na naszych maszynach typu “brutus” – najmniejszych jakie mamy – przenieśliśmy na jeszcze mniejsze urządzenie gąsienicowe. Współpraca ze studentami i naukowcami Politechniki Krakowskiej to było dla nas inspirujące wyzwanie. Mogliśmy w innowacyjny sposób wykorzystać zaawansowane techniki geofizyczne do badania i ochrony zabytku o tak głębokim znaczeniu historycznym i symbolicznym – mówi Jacek Słowiński, prezes zarządu Geopartner Geofizyka Sp z o. o.

Analiza prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych, które w gruntach rozluźnionych i zawodnionych przemieszczają się wolniej, pozwoliła badaczom na uzyskanie przybliżonego obrazu wewnętrznej struktury Kopca. – Fala sejsmiczna przechodzi przez całą bryłę, dając obraz ciągły, a nie tylko dane z jednego otworu. Dzięki temu można wskazać miejsca, w których wewnątrz kopca gromadzi się woda lub gdzie struktura gruntu traci swoją spoistość, co zwiastuje potencjalne osuwisko – podkreśla prof. Pilecka. – Taka wiedza w powiązaniu z pozostałymi przeprowadzonymi badaniami, w tym modelami różnicowymi ze skanowania laserowego 3D, analizami numerycznymi 3D oraz rozpoznaniem geotechnicznym Kopca,  pozwala zaplanować precyzyjne prace zabezpieczające tam, gdzie jest to rzeczywiście konieczne, co oszczędza środki i chroni substancję zabytku – dodaje.

Studenci PK zbadali problemy i proponują rozwiązania

Studenci uczestniczący w projekcie wykonali skanowania laserowe 3D, tworząc szczegółowy model obiektu w postaci tzw. „chmury punktów 3D”. Dokładność pomiarów skanerem laserowym RIEGL-VZ 400 wynosi do 5 mm. Porównanie modeli 3D wykonanych w różnych okresach umożliwia opracowanie modeli różnicowych, pozwalających na identyfikację miejsc przemieszczeń bryły Kopca Kościuszki w czasie. Zarejestrowane deformacje obejmują zarówno osuwanie się gruntu, jak i lokalne nasuwanie mas ziemnych. – Oba zjawiska stanowią zagrożenie dla stateczności Kopca, dlatego potrzebna jest interwencja – mówi Łukasz Matusik, jeden ze studentów, którzy wykonywali skanowanie laserowe.

Studenci w ramach prac przygotowali autorskie koncepcje zabezpieczenia Kopca, wykorzystujące różne metody wzmacniania podłoża gruntowego. Projekty obejmowały konkretne rozwiązania konstrukcyjne oraz porównania skuteczności ich zastosowania. Analizom poddali też modele łączonych metod ochrony Kopca, co – jak wykazali – w niektórych przypadkach skutecznie poprawiałoby stateczność Kopca.

– W obliczu postępujących procesów degradacyjnych gruntu spowodowanych przede wszystkim działaniem wody, studenci wykazali duże zaangażowanie w opracowanie nowoczesnych rozwiązań mających na celu długoterminowe zabezpieczenie Kopca oraz zachowanie jego wyjątkowej wartości historycznej i kulturowej dla przyszłych pokoleń – mówi prof. dr hab. inż. Elżbieta Pilecka. 

Uniwersalna metodologia badań i ochrony budowli ziemnych  

Wyniki badań to nie tylko jednorazowa diagnoza, ale element długofalowej strategii ochrony Kopca Kościuszki, w którą zaangażowana jest Politechnika Krakowska. Analizy pozwoliły wskazać na modelu, gdzie w największym stopniu odbywa się degradacja obiektu, co w dłuższym terminie pozwoli ustalić, najbezpieczniejsze i najskuteczniejsze metody jego stabilizacji. Opracowane modele numeryczne umożliwiają symulowanie zachowania gruntu i przewidywanie przyszłych zagrożeń, co znacząco zwiększy efektywność planowanych prac konserwatorskich. 

Kolejne etapy badań, zaplanowane w ramach prac dyplomowych studentów zaangażowanych w projekt, będą koncentrować się na weryfikacji proponowanych rozwiązań oraz ich adaptacji do innych typów obiektów. Wypracowana metodologia ma charakter uniwersalny.  – Tego rodzaju badania są szczególnie obiecujące ze względu na ich mało inwazyjny charakter. Mogą być wykorzystywane w analizie szerokiego spektrum budowli ziemnych. Opracowane rozwiązania znajdują potencjalne zastosowanie nie tylko w ochronie obiektów zabytkowych, ale również w przypadku konstrukcji związanych z infrastrukturą drogową czy kolejową – podsumowuje dr inż. Mirosława Bazarnik.

Projekt „Odkrywcy Kopca Kościuszki” został zrealizowany ze środków Politechniki Krakowskiej w ramach FutureLab PK czyli uczelnianego laboratorium innowacji PK. To tam, pod okiem doświadczonej kadry badawczej uczelni, studenci różnych kierunków mogą realizować autorskie pomysły, łącząc naukę z praktyką i realnym wpływem na otoczenie społeczno-gospodarcze. Przy tym projekcie pracował zespół studentów kierunku budownictwo studiów I oraz II stopnia, który otrzymał wsparcie FutureLab PK w postaci  finansowania badań, dostępu do partnerów przemysłowych oraz mentoringu.

Wsparcie Politechniki Krakowskiej na rzecz narodowego dziedzictwa kościuszkowskiego

Specjaliści Politechniki Krakowskiej od wielu lat prowadzą regularny monitoring oraz nadzór nad statecznością Kopca, wykorzystując nowoczesne technologie pomiarowe. Współpracę uczelni i Komitetu Kopca Kościuszki wzmocniło podpisanie w 2025 r. oficjalnego porozumienia. – Nasza współpraca z Komitetem to nie tylko zobowiązanie wobec patrona uczelni, ale przede wszystkim realna, inżynierska odpowiedzialność za jeden z najcenniejszych symboli narodowych. Projekt “Odkrywcy Kopca Kościuszki” doskonale pokazuje, jak łączymy akademicką pasję z nowoczesnymi technologiami, by skutecznie chronić dziedzictwo, które od pokoleń jednoczy Polaków – mówi prof. dr hab. inż. Andrzej Szarata, rektor Politechniki Krakowskiej.

W ostatnich latach  zrealizowano szeroko zakrojone badania geologiczne, które obejmowały całe Wzgórze Bronisławy w Krakowie czyli miejsce usytuowania Kopca Kościuszki. Badania te miały na celu ustalenie głównych czynników zagrożeń, ­ zarówno związanych z samą konstrukcją obiektu, jak i z podłożem skalnym, na którym Kopiec został wzniesiony. 

 – Główną siłą niszczycielską jest woda, która przenosi grunt z Kopca do wapiennej podstawy, naruszając w ten sposób jedno i drugie. Stan bryły jest stale nadzorowany przy pomocy zamontowanych przez nas specjalnych czujników pomiarowych. Co 15 minut dostarczają one informacji na temat zmian odkształceń i zawilgocenia gruntu, prędkości i kierunku wiatru, a także ilości opadów i energii nasłonecznienia – mówi dr inż. Rafał Sieńko, z Katedry Konstrukcji Żelbetowych i Sprężonych na Wydziale Inżynierii Lądowej PK, członek Komitetu Kopca Kościuszki.

 – Dzięki współpracy z Politechniką Krakowską przygotowywane są fantastyczne materiały w dwóch płaszczyznach. Pierwsza to diagnostyka, która pokazuje nam problemy z jakimi Kopiec się mierzy, a druga to podpowiedzi, sugestie i wnioski dotyczące dalszych działań. Zrobimy co w naszej mocy, aby uzyskiwane dzięki specjalistom i studentom uczelni diagnozy były przekładane na zahamowanie procesów degradacji obiektu – mówił podczas prezentacji nowych badań na PK prof. dr hab. Piotr Dobosz, prezes Komitetu Kopca Kościuszki.