Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM

Transkrypt

1 WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Krzysztof JAŚKIEWICZ CBPM Cuprum, Wrocław Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM Streszczenie W pracy przedstawiono porównanie mierzonych wielkości parametrów drgań gruntu i budynków poddanych analizom sejsmicznym w tym: wielkości szczytowe drgań, wielkości wypadkowe poddane analizom filtracyjnym w paśmie,5 1 Hz, wielkości wypadkowe drgań po przeprowadzeniu analiz częstotliwościowych Fouriera. Zestawienia pokazano w funkcji energii zjawiska i odległości punktu pomiarowego od miejsca wystąpienia wstrząsu. Przedstawiono również porównanie parametrów drgań uzyskanych przy rejestrowaniu rzeczywistych parametrów przyspieszenia drgań oraz zróżniczkowanego parametru prędkości drgań. 1. Wprowadzenie Oddziaływania dynamiczne wstrząsów sejsmicznych na zabudowę i infrastrukturę powierzchni terenu jest problemem, który od wielu lat budzi kontrowersje wśród badaczy niniejszego problemu. Praktycznie w Polsce nie ma unormowań prawnych, które by niniejszą problematykę systematyzowały w sposób przystępny zarówno dla specjalistów zajmujących się problematyką wpływów dynamicznych na zabudowę powierzchni terenu jak również dla osób będących przedstawicielami administracji państwowej na danym obszarze administracyjnym. Wstrząs zachodzący w górotworze jest zjawiskiem złożonym zależnym od wielu czynników górniczo-geologicznych. W zależności od miejsca wystąpienia zjawiska, parametrów geomechanicznych skał budujących złoże, warunków geologicznych zalegania złoża, parametrów geometrycznych układu frontu wybierkowego i wielkości mas górotworu biorących udział w danym zjawisku na powierzchni terenu obserwuje się zróżnicowane pod względem amplitudowym i częstotliwościowym zapisy drgań rejestrowane na powierzchniowych stanowiskach sejsmicznych. Według aktualnie rozpoznanych czynników powstania wstrząsu trudno jest stwierdzić jakie elementy zaistniałego w górotworze zjawiska wstrząsu są czynnikiem decydującym o wielkości drgań obserwowanych na powierzchni, jak również, które parametry zapisu drgań należy uwzględniać przy ocenie ich szkodliwego wpływu na infrastrukturę zabudowy powierzchni. Prowadzone pomiary drgań generowanych górniczymi wstrząsami sejsmicznymi i analizy ich propagacji na powierzchni terenu prowadzą do poznawania mechanizmów rozchodzenia się drgań na powierzchni terenu oraz pozwalają weryfikować dotychczasowy stan rozpoznania tego zjawiska, a zwłaszcza rzeczywistego oddziaływania na istniejącą zabudowę. Drgania gruntu powierzchni terenu generowane przez górnicze wstrząsy w kopal- 25

2 K. JAŚKIEWICZ Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM niach podziemnych LGOM są specyficznym rodzajem drgań, są to drgania krótkotrwałe o charakterze impulsowym. W początkowym okresie prowadzenia pomiarów drgań, powierzchniowe stanowiska sejsmiczne instalowano w budynkach zgodnie z zasadami przedstawionymi w PN-85/B-217 pt. Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynek. Czujnik zespolony był na sztywno z jedną z głównych ścian konstrukcyjnych budynku na poziomie powierzchni terenu. Ponieważ pojawiły się głosy krytyczne mówiące, że wyniki pomiarów w budynku są wielce zróżnicowane od pomiaru w gruncie i nie należy ich brać pod uwagę przy sporządzaniu prognoz intensywności drgań. Aktualnie na powierzchni terenu LGOM zainstalowanych jest 36 powierzchniowych stanowisk sejsmicznych rejestrujących w czasie rzeczywistym parametry drgań gruntu lub budynku. Dla wykazania rzeczywistego poziomu rejestrowanych parametrów drgań w budynkach i na gruncie przeprowadzono porównanie rejestrowanych wielkości parametrów drgań. Podstawowym parametrem drgań branym pod uwagę przy wszelkiego rodzaju obliczeniach dynamicznych lub ocenie jego szkodliwości jest wielkość jego amplitudy. Z tego względu przeprowadzono analizy porównawcze maksymalnych amplitud drgań wg trzech kryteriów tj. szczytowe wielkości amplitudy drgań, po filtracji sygnału w paśmie,5 1 Hz (zgodnie z procedurami skali MSK-64) oraz po analizie Fouriera sygnału z maksymalnej fazy drgań danego sygnału. 2. Zbiór danych rejestracyjnych poddanych analizom Do analiz wytypowano zbiór stu kilkudziesięciu danych rejestracyjnych charakteryzujących stopień wpływów dynamicznych drgań na powierzchnię terenu ujmujące zróżnicowanie energetyczne, zróżnicowanie odległości pomiędzy źródłem wstrząsu a punktem rejestracji oraz częstotliwości charakteryzujących maksymalne amplitudy drgań. Wybrano następujące powierzchniowe stanowiska sejsmiczne: stanowisko przy ul 3-go Maja w Polkowicach (budynek z wielkiej płyty V kondygnacyjny), trójskładowe stanowisko na gruncie oraz w budynku (akcelerometryczne czujniki przyspieszenia drgań) oraz pomiar prędkości drgań (sejsmometry Willmorea) w budynku na dwu składowych poziomych, stanowisko pomiarowe przy ul Miedzianej w Polkowicach (budynek z wielkiej płyty XI kondygnacyjny), trójskładowe stanowiska pomiarowego na gruncie (akcelerometryczne czujniki przyśpieszenia drgań) oraz pomiar przyśpieszenia drgań w budynku (sejsmometry SP3 SENSONICS) na dwu składowych poziomych, stanowisko pomiarowe przy ul. Sosnowej w Polkowicach (budynek willowy) trójskładowe stanowisko na gruncie i w budynku (akcelerometryczne czujniki drgań), stanowisko pomiarowe w miejscowości Sucha Górna (budynek willowy) trójskładowe stanowisko na gruncie i w budynku (akcelerometryczne czujniki drgań), stanowisko pomiarowe w miejscowości Szklary Górne (budynek willowy) trójskładowe stanowisko na gruncie i w budynku (akcelerometryczne czujniki drgań). 3. Zastosowana metodyka opracowywania wyników rejestracyjnych Do analiz wytypowano zjawiska o energiach sejsmicznych rzędu 1E6, 1E7, 1E8-9 J i parametrach drgań rejestrowanych w punktach o zróżnicowanych odległościach od punktu rejestracji drgań. Do porównań wzięto pod uwagę: 26

3 WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie wielkości szczytowe z zapisu przyśpieszenia drgań ( pik) na składowych poziomych nie poddanego żadnym filtracjom (rejestracja na gruncie oraz w budynku) dla przedziałów energetycznych 1E6, 1E7, 1E8-9 J, maksymalne amplitudy przyśpieszenia drgań po przeprowadzeniu analizy częstotliwościowej sygnału przy zastosowaniu programów realizujących algorytm szybkiej (przeskalowanej) transformaty Fouriera z maksymalnej fazy amplitudy drgań, składowe poziome (rejestracja na gruncie oraz w budynku) dla przedziałów energetycznych 1E6, 1E7, 1E8-9 J, amplitudy przyspieszenia drgań po filtracji (,5 1, Hz) zgodnej z procedurami skali MSK-64 (rejestracja na gruncie oraz w budynku), dla przedziałów energetycznych 1E6, 1E7, 1E8-9 J, amplitudy prędkości drgań rejestrowane w stosunku do amplitud prędkości uzyskanych po przeprowadzeniu całkowania sygnału przyspieszeniowego (dotyczy wypadkowej składowych poziomych), dla przedziałów energetycznych 1E6, 1E7, 1E8-9 J, amplitudy przyspieszenia drgań rejestrowane w porównaniu do amplitud przyspieszenia uzyskanych po przeprowadzeniu różniczkowania sygnału prędkościowego (dotyczy wypadkowych składowych poziomych) dla przedziałów energetycznych 1E6, 1E7, 1E8-9 J. 4. Wyniki analiz Stanowisko przy ul 3-go Maja w Polkowicach grunt oraz budynek V kondygnacyjny z wielkiej płyty Wartości szczytowe ( pik). Przy wstrząsach o energiach rzędu 1E6 i 1E7 J obserwuje się zróżnicowanie wielkości przyspieszenia drgań (2 1 mm/s 2 ) w zakresie odległości do 16 m od źródła wstrząsu (rys. 4.1). Wyższe wartości rejestrowane są na gruncie. Iloraz przyspieszeń budynek grunt oscyluje średnio w granicach,5,7. Przy wstrząsach o energiach rzędu 1E8-9 J (rys. 4.2) różnice pomiędzy rejestracją na gruncie i w budynku są mniejsze (iloraz budynek grunt wynosi,55 1,). Wartości wypadkowe przyspieszenia drgań (rys. 4.3) wykazują niewielkie zróżnicowanie pomiędzy wielkością rejestrowaną na gruncie i budynku, a ich iloraz waha się w granicach,6 1,. Wartości maksymalne po filtracji częstotliwościowej. Obserwuje się zróżnicowanie wielkości przyspieszenia drgań rejestrowane na gruncie i w budynku zwłaszcza dla zjawisk o niskich energiach i w odległościach do 15 m. Przy energiach rzędu 1E8 9 J ( rys. 4.4) rozrzut jest niższy; stosunek przyspieszeń budynek grunt oscyluje w granicach,6 1,. 27

4 K. JAŚKIEWICZ Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM 12 1 pik grunt pik budynek 8 Przyśpieszenie [m m/s 2 ] Rys Rejestrowane szczytowe wielkości przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E7 J stanowisko pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach Fig Peak value of acceleration amplitude for tremors of 1E7 J energy measurement point 3 Maja st. in Polkowice 12 1 pik grunt pik budynek 8 Przyśpieszenie [mm/s 2 ] Rys Rejestrowane szczytowe wielkości przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E8 J stanowisko pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach Fig Peak value of acceleration amplitude for tremors of 1E8 J energy measurement point 3 Maja st. in Polkowice 28

5 WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie wypadkowa grunt wypadkowa budynek 1 P rzyśpieszenie [mm/s 2 ] Rys Rejestrowane wielkości wektora przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E8 J stanowisko pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach Fig Vector value of vibration acceleration for tremors of 1E8 J energy measurement point 3 Maja st. in Polkowice 4 35 analiza grunt analiza budynek 3 Przyśpieszenie [m m/s 2 ] Rys Rejestrowane maksymalne wielkości przyśpieszenia drgań po analizie częstotliwościowej przy wstrząsach o energii rzędu 1E8 J stanowisko pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach Fig Maximal acceleration amplitude after frequency analysis for vibrations for tremors 1E8 J measurement point 3 Maja st. in Polkowice 29

6 K. JAŚKIEWICZ Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM Stanowisko przy ul. Miedzianej w Polkowicach grunt oraz budynek XI kondygnacyjny Porównanie przeprowadzono biorąc pod uwagę wielkości poziome drgań z uwagi na to, iż w budynku rejestracje prowadzone są tylko na składowych poziomych. Porównano w tym przypadku wielkości rejestrowane przy zastosowaniu dwu odmiennych systemów rejestracyjnych oraz innych czujników drgań. Wyniki rejestrowanych wielkości przyspieszenia drgań wskazują, że przy wstrząsach o energiach rzędu 1E7 J w zakresie odległości do 9 m wielkości rejestrowane w budynku w porównaniu do wielkości rejestrowanych w gruncie są dość mocno zróżnicowane (rys 4.5) (,27,5). W zakresie wyższych energii sejsmicznych (rys. 4.6) i odległości przekraczających odległość od źródła wstrząsu 1 m iloraz wielkości przyspieszenia budynek grunt oscyluje w granicach,55,9. Stanowiska pomiarowe przy ul. Akacjowej i Sosnowej w Polkowicach oraz w miejscowości Sucha Górna i Szklary Górne rejestracja na gruncie i w budynku W tej części porównano wyniki rejestracji ze stanowisk zainstalowanych na gruncie oraz w budynkach zabudowy willowej. Większe zróżnicowanie rejestrowanych bezwzględnych wielkości przyspieszenia drgań obserwuje się w strefie do 14 m oraz przy wstrząsach o energiach rzędu 1E6 i 1E7 J. Przy wstrząsach o energiach powyżej 1,E8 J zróżnicowanie wielkości przyspieszenia rejestrowanego na gruncie oraz w budynku jest mniejsze (rys. 4.7, 4.8, 4.9). Określone stosunki wielkości drgań budynku do gruntu oscylują w granicach,6 1,1 (rys. 4.1). Porównanie rejestrowanego parametru przyspieszenia drgań stanowisko pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach Wyniki analiz wielkości przyspieszenia drgań rejestrowanych na budynku przy zastosowaniu akcelerometrycznych czujników drgań w porównaniu do wielkości parametrów przyspieszenia uzyskanych z różniczkowania sygnału prędkościowego rejestrowanego w tym samym budynku wskazują, że wartości bezwzględne rejestrowanych i obliczonych wielkości przyspieszeń są prawie identyczne zwłaszcza dla wstrząsów o energiach większych od 1,E7 J (rys. 4.11, 4.12). Porównanie rejestrowanego parametru prędkości drgań stanowisko pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach Wyniki analiz wielkości prędkości drgań rejestrowanych na budynku przy zastosowaniu czujników prędkości drgań (sejsmometry) w porównaniu do wielkości parametrów prędkości uzyskanych z całkowania sygnału przyspieszenia drgań rejestrowanego w tym samym budynku wskazują, że wartości bezwzględne rejestrowanych i obliczonych wielkości prędkości drgań są do siebie bardzo zbliżone zwłaszcza dla wstrząsów o energiach większych od 1,E7 J (rys. 4.13, 4.14). Wyższe wartości uzyskuje się dla rejestracji o około 2 %. 21

7 WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 9 8 wypadkowa WORS wypadkowa ELOGOR 7 6 Przyśpieszenie [mm /s 2 ] Rys Rejestrowane wypadkowe poziome przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E7 J stanowisko pomiarowe przy ul. Miedzianej w Polkowicach (grunt WORS, budynek ELOGOR) Fig Horizontal vector of vibration acceleration for the tremors of 1E7 J measurement point, Miedziana st. in Polkowice (subsoil WORS, construction ELOGOR) wypadkowa WORS wypadkowa ELOGOR 1 Przyśpieszenie [mm/s 2 ] Rys Rejestrowane wypadkowe poziome przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E8 J stanowisko pomiarowe przy ul. Miedzianej w Polkowicach (grunt WORS, budynek ELOGOR) Fig Horizontal vector of vibration acceleration for the tremors of 1E8 J measurement point, Miedziana st. in Polkowice (subsoil WORS, construction ELOGOR) 211

8 K. JAŚKIEWICZ Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM pik grunt pik budynek 12 Pr zyśpieszenie [m m/s 2 ] Rys Rejestrowane szczytowe wielkości przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E8 J stanowiska pomiarowe przy ul. Akacjowej i Sosnowej w Polkowicach oraz w miejscowości Sucha Górna i Szklary Górne Fig Peak valves of vibration acceleration for tremors of 1E8 J energy measurement points, Akacjowa st. and Sosnowa st. in Polkowice and Sucha Górna, Szklary Górne wypadkowa grunt wypadkowa budynek 1 Pr zyśpieszenie [m m/s 2 ] Rys Rejestrowane wielkości wektora przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E7 J stanowiska pomiarowe przy ul. Akacjowej i Sosnowej w Polkowicach oraz w miejscowości Sucha Górna i Szklary Górne Fig Vector value of vibration acceleration for tremors of 1E7 J energy measurement points, Akacjowa st. and Sosnowa st. in Polkowice and Sucha Górna, Szklary Górne 212

9 WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 8 7 analiza grunt analiza budynek 6 Przyśpieszenie [mm/s 2 ] Rys Rejestrowane maksymalne wielkości przyśpieszenia drgań po analizie częstotliwościowej przy wstrząsach o energii rzędu 1E8 J stanowiska pomiarowe przy ul. Akacjowej i Sosnowej w Polkowicach oraz w oraz w miejscowości Sucha Górna i Szklary Górne Fig Maximal acceleration amplitude of vibrations after frequency analysis for tremors of 1E8 J measurement point, Akacjowa st. and Sosnowa st. in Polkowice and Sucha Górna, Szklary Górne Iloraz przyśpieszeń budynek/gru Rys Iloraz rejestrowanych wielkości wektora przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E7 J stanowiska pomiarowe przy ul. Akacjowej i Sosnowej w Polkowicach oraz miejscowości Sucha Górna i Szklary Górne Fig Ratio of vector values (subsoil construction) of vibration acceleration for tremors of 1E7 J measurement point, Akacjowa st. and Sosnowa st. in Polkowice and Sucha Górna, Szklary Górne 213

10 K. JAŚKIEWICZ Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM 12 pik WORS 1 pik ELOGOR 8 P rzyśpieszenie [mm/s 2 ] Rys Rejestrowane szczytowe wielkości przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E7 J stanowisko pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach (WORS ELOGOR, przyspieszenie z zapisu prędkościowego) Fig Peak values of vibration acceleration for tremors of 1E7 J energy measurement point, 3 Maja st. in Polkowice (WORS ELOGOR, acceleration calculated on the basis of velocity recording) 12 1 wypadkowa WORS wypadkowa ELOGOR Pr zyśpieszenie [m m/s 2 ] Rys Rejestrowane wypadkowe poziome przyśpieszenia drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E7 J stanowiska pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach (WORS ELOGOR, przyspieszenie z zapisu prędkościowego) Fig Horizontal vector of vibration acceleration for tremors of 1E7 J energy measurement point, 3 Maja st. in Polkowice (WORS ELOGOR, acceleration calculated on the basis of velocity recording) 214

11 WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 6 5 pik WORS pik ELOGOR 4 Pr ędkość [m m/s] Rys Rejestrowane szczytowe wielkości prędkości drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E8 J stanowiska pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach (ELOGOR WORS, prędkość obliczona z zapisu przyspieszenia drgań) Fig Peak values of vibration acceleration for tremors of 1E8 J energy measurement point, 3 Maja st. in Polkowice (ELOGOR WORS, velocity calculated on the basis of acceleration recording) wypadkowa WORS wypadkowa ELOGOR 5. Pr ędkość [m m/s] Rys Rejestrowane wypadkowe poziome prędkości drgań przy wstrząsach o energii rzędu 1E8 J stanowiska pomiarowe przy ul. 3-go Maja w Polkowicach (ELOGOR WORS, prędkość obliczona z zapisu przyspieszenia drgań) Fig Horizontal vectors of vibration velocity for tremors of 1E8 J energy measurement point, 3 Maja st. in Polkowice (ELOGOR WORS, velocity calculated on the basis of acceleration recording) 215

12 K. JAŚKIEWICZ Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM 5. Podsumowanie Pomierzone wielkości amplitudy drgań na gruncie i w budynkach, przy przyjętym sposobie analiz porównawczych wskazują, że rozrzut bezwzględnych wartości parametrów drgań w niewielkim stopniu od siebie się różni, zwłaszcza przy wstrząsach sejsmicznych o energiach przekraczających poziom 1, E7 J. Stosunki rejestrowanych wielkości przyspieszenia drgań w budynku do wielkości drgań gruntu oscylują w granicach od,6 do 1,1. Przeprowadzone analizy zapisów przyspieszenia drgań i przeliczania ich na parametr prędkości w porównaniu z wielkościami prędkości rejestrowanymi w danym punkcie jak i w przypadku odwrotnym tj. analizy zapisów prędkości drgań i przeliczania ich na wielkość przyśpieszenia i porównywania ich z rejestrowanymi w danym punkcie wielkościami przyspieszenia wykazały, że uzyskiwany rozrzut uzyskiwanych wartości jest bardzo mały i nie przekracza z reguły 2 % wartości podstawowej. Generalnie z przeprowadzonych analiz parametrów drgań wynika, że prowadzone rejestracje drgań w gruntach i w budynkach niskiej zabudowy można traktować jako równoważne. Characterics of excitations of buildings and the subsoil The parameters of the subsoil and buildings excitations, among them the peak excitation values, the other resultant parameters subjected to filtration analysis within the band of,5 1 Hz, as well as the resultant excitation amplitudes analyzed using the Fourier transforms, were presented in the paper for selected surface stations established for seismic measurements. The obtained field data were furnished in the form of the function of events energy and the distance between the occurred event location and the measurement point coordinates. Przekazano: 1 kwietnia 23 r. 216