Ochrona przed drganiami. Elastyczne posadowienie budynków z zastosowaniem materiałów elastomerowych Calenberg (cz. 1)

Transkrypt

1 Ochrona przed drganiami. Elastyczne posadowienie budynków z zastosowaniem materiałów elastomerowych Calenberg (cz. 1) 22 Dr inż. Frank Müller-Boruttau, Biuro imb-dynamik 1. Wprowadzenie do tematu ochrony przed drganiami 1.1. Znaczenie gospodarcze oraz potencjał szkód Ochrona przed imisjami przede wszystkim ochrona ludzi i urządzeń technicznych przed niepożądanymi wpływami w postaci drgań i hałasu wciąż zyskuje na znaczeniu. Konsekwencje finansowe wynikające z niedostatecznej ochrony przeciwimisyjnej mogą być bardzo wysokie. Przyczyną strat są nadmierne, uciążliwe oddziaływania na użytkowników budynku, których wzrastające niezadowolenie prowadzi do ciągłej rotacji wynajmujących. W końcu budynki mogą stać się nieużyteczne, co w efekcie może doprowadzić do zubożenia socjalnego całych obszarów zabudowań. W przeciwieństwie do problemów akustycznych, w przypadku problemów dotyczących wpływów dynamicznych w budownictwie, modernizacja powykonawcza jest często niemożliwa lub bardzo droga. Jeśli specjalista w zakresie dynamiki nie zostanie wezwany odpowiednio wcześnie do oceny sytuacji, w konsekwencji inwestor, aby przedsięwziąć odpowiednie kroki na etapie realizacji, będzie musiał uwzględnić koszty, które nie były wcześniej brane pod uwagę. W porę zaplanowana i pewnie zrealizowana ochrona przeciwimisyjna jest zawsze korzystniejsza pod względem finansowym. Ten artykuł jest skierowany do architektów, projektantów z biur inżynierskich, przedsiębiorstw wykonawczych, inwestorów i wreszcie samych użytkowników obiektów, w celu zwrócenia uwagi na problemy ochrony przed drganiami w budownictwie Ryzyko oraz skutki uboczne, wskazówki ostrzegawcze W przypadku dysponowania znikomym doświadczeniem lub posługiwania się przybliżonymi obliczeniami, zazwyczaj stosowany jest wysoki współczynnik bezpieczeństwa. Prowadzi to do przedsięwzięcia ogromnych środków w zakresie ochrony, często przewymiarowanych. Dynamika budowli i ochrona przeciwimisyjna, a w szczególności ochrona przed wstrząsami, są za gadnieniami wymagającymi spo rego doświadczenia. W obszarze tych zagadnień istnieje wiele parametrów wejściowych, które w różnym stopniu rzutują na wyniki. Inżynier musi jednak na podstawie własnego doświadczenia być w stanie dokonać trafnych oszacowań (określanych mianem educated guessing ). Ocena i propozycja zastosowania środków ochrony powinna uwzględniać kwestię ekonomiczną i nie być sporządzona na wyrost. 2. Ochrona przeciw wstrząsom na i w budynkach Ochrona budynków przed wstrząsami wymagana jest najczęściej w związku z wpływami dynamicznymi, których źródłem jest ruch kolejowy. Z tego też powodu takie wpływy posłużą jako przykłady demonstracyjne. Następne przedstawione przykłady dotyczą w tym samym sensie każdego rodzaju wstrząsów mających wpływ na budynek. Ważne jest branie pod uwagę okoliczności wynikających z różnego charakteru wpływu wstrząsów (np. różne obszary częstotliwości, różne rodzaje przebiegów czasowych) Koszty Ochrony przeciw wstrząsom nie można uzyskać bez poniesienia kosztów zawsze będą koszty zwią zane z materiałem i montażem, w przypadku których nie będzie mowy o jakichkolwiek oszczędnościach. Wysokość kosztów jest silnie uzależniona od natężenia, ustalonej częstotliwości drgań, kompleksowego uszczelnienia, powierzchni użytego materiału elastomerowego, ewentualnie obciążenia budowlanego itd. Bazując na doświadczeniach firmy imb-dynamik, przypada na nie wyraźnie mniej niż 10% wartości kosztów surowców budowlanych (najczę-

2 a) b) Rys. 2. Fala poprzeczna (a), fala kompresyjna (b), fala Rayleigh (c) (z: Haupt, Bodendynamik) Rys. 1. Powstawanie wstrząsów i rozprzestrzenianie się ich w podłożu ściej około 5%), a tylko w nielicznych przypadkach wartość ta może być wyższa. Powinno się jeszcze raz podkreślić, że przy niedostatecznej ochronie przeciw drganiom oraz wtórnym dźwiękom materiałowym, z reguły nie może być przeprowadzona modernizacja późniejsza, po realizacji obiektu Na co należy zwrócić uwagę podczas identyfikacji problemu Istnieje bardzo duże niebezpieczeństwo, że wymóg ochrony przed drganiami nie zostanie w porę lub też wcale rozpoznany. Powody mogą być między innymi następujące: Planista architekt, projektant, inżynier nie dostrzegają tego problemu. Niewłaściwa ocena stopnia wpływów źródła wstrząsów, np. tory znajdujące się w pewnej odległości, która może nie być postrzegana jako krytyczna. Tunel dla ruchu szynowego zlokalizowany w takiej odległości od budynku, że nie został on ujęty w planie rzutu poziomego. Brak odczuwalnych wstrząsów na przestrzeni niezabudowanej. Brak wstrząsów w istniejących budynkach sąsiednich. Nieuwzględnienie zjawisk rezonansowych w budynkach. Pracownicy biura imb-dynamik wciąż konfrontowani są z sytuacjami, w których zbyt późno zostaje rozpoznana potrzeba ochrony przeciw drganiom. Podamy tylko dwa przykłady: c) Co właściwie oznaczają te dwie kreski na planie sytuacyjnym, umiejscowione pod ulicą obok naszego budynku? To są przecież dwa tory metra! Skąd pochodzą właściwie te wstrząsy, które odczuwamy w kontenerze budowlanym? Zbyt późna identyfikacja problemu prowadzi z reguły do drogich konsekwencji. Bardzo prawdopodobne są również sytuacje, gdzie nie ma możliwości zmniejszenia niekorzystnych wpływów dynamicznych. W związku z tym: architekci, projektanci, inwestorzy muszą być wyczuleni na zadanie sobie w tej kwestii pytań Sytuacje i zadania Emisje, źródła Jako źródła emisji drgań brane są głównie pod uwagę: Ruch szynowy: w zasadzie wszystkie pojazdy (pociągi osobowe, pociągi towarowe, pociągi ekspresowe, metra, tramwaje), a także wszystkie pozycje torów (wysokie tory, nasypy, tory równe z terenem, wykopy, tunele o różnym przekroju). Ruch drogowy, chociaż w dużo mniejszym stopniu niż ruch szynowy. Przemysł, np. maszynowy itp. Generowane siły dynamiczne powodują powstawanie drgań, które rozprzestrzeniają się w podłożu gruntowym w formie wstrząsów Przykład ochrony przeciwimisyjnej budynku przed wstrząsami, których źródłem jest ruch szynowy Mechanizm powstawania, transmisji i wpływu wstrząsów oraz dźwięku materiałowego, a także jego konsekwencje zostaną przedstawione na przykładzie wpływów wstrząsów w wyniku ruchu szynowego, natomiast sposób postępowania jest dla innego rodzaju wpływów dokładnie taki sam. Należy tylko zwrócić uwagę na możliwe różnorodne średnie częstotliwości drgań wchodzące w skład wpływów w postaci wstrząsów. Budynki zlokalizowane przy już istniejących bądź dopiero powstających torowiskach lub w pobliżu innych źródeł wstrząsów są narażone na bezpośredni pierwotny dźwięk powietrzny oraz wpływy wstrząsów. Przejeżdżające pociągi wprowadzają w głąb ziemi i w sąsiednie budynki fale, które mogą być odczuwalne w formie wstrząsów przez mieszkańców lub użytkowników budynku lub mogą one być słyszalne jako tzw. wtórny dźwięk powietrzny Transmisja Dźwięki materiałowe rozprzestrzeniają się od miejsca oddziaływania poprzez podłoże. Istnieją różne rodzaje fal: poprzeczne, kompresyjne i Rayleigha. W zależności 23

3 24 Rys. 3. Wstrząsy oddziaływują na budynek i powodują drgania w budynku (przedstawione zostały tylko drgania w podłożu i na dachu) od rodzaju fali narasta lub zmniejsza się ich intensywność w związku z odległością. Rozprzestrzenianie się i zmiana wstrząsów zależne są od wielu czynników. Do najważniejszych zalicza się: Geometrię sytuacji, np. odstęp. Rodzaj podłoża. Ewentualnie występujące budowle zlokalizowane w gruncie, np. garaże podziemne. Poziom wód gruntowych Imisja i wzmocnienie rezonansowe w budynkach Wstrząsy Wstrząsy z podłoża przenoszą się na fundamenty i ściany piwnic. Stamtąd rozprzestrzeniają się w całym budynku. W zależności od konstrukcji budynku, transmisja wstrząsów może być dalekosiężna. Szczególnie narażone są budynki o regularnych zarysach poziomych. Przykłady: a) Ekstremalnie wnikające w głąb wstrząsy generowane przez prasę powodowały w odległości nawet 200 m tak silny rezonans, że w końcu konieczne było zainstalowanie amortyzatorów drgań. b) W szczególnie niekorzystnym przypadku budowli przemysłowej o kilku kondygnacjach o dużej rozpiętości dachu, wywołane przez podnośnik wstrząsy były odczuwalne na dachu jeszcze w odległości 60 m. Budynki składają się z wielu elementów budowlanych, z których wszystkie posiadają własne częstotliwości i własne formy drgań. Przy tych częstotliwościach siła wstrząsów jest jeszcze bardziej zwiększona. Zwykłe dachy w budynkach mieszkalnych mają np. częstotliwość drgań własnych równą 25 Hz. Częstotliwości drgania powodo wa nych przejazdem pociągu wchodzą częściowo w ten zakres. Dachy drgają mocniej w momencie, kiedy występują wstrząsy na poziomie fundamentów. W zwyczajnych budynkach żelbetowych o nowoczesnej architekturze zaobserwowano już współczynnik wzmocnienia do 30 Hz. Odpowiada to tłumieniu na poziomie prawie 2%. Często drgania występujące na wyższych kondygnacjach są silniejsze od tych mających miejsce na dolnych (rys. 4). Takie efekty rezonansowe mogą być bardzo niebezpieczne i mogą prowadzić do przekroczenia wartości granicznych. Możliwość wystąpienia rezonansu musi być brana pod uwagę na etapie projektowania środków ochronnych lub kształtowania konstrukcji bu dowlanej. Rys. 4. Wpływ wstrząsów na budynek, wzmocnienie wstrząsów na dachach pięter w przeciwieństwie do obszaru fundamentów Wtórny dźwięk powietrzny Kiedy wstrząsy rozprzestrzeniają się w bu dynku, możliwe jest, że człowiek będzie je nie tyl ko odczuwał, ale także słyszał. Ten słyszalny w danych okolicznościach dźwięk nazywany jest wtórnym dźwiękiem powietrznym. Drgające stropy, podłogi lub ściany działają jak megafon. Powodują one wahania ciśnienia w powietrzu. Przy wystarczającej sile są one wyczuwalne przez człowieka. W przypadku wpływu wstrząsów spowodowanych ruchem szynowym chodzi o tzw. głębokie turkotanie. Ten wtórny dźwięk powietrzny różni się od normalnego dźwięku przenoszonego przez powietrze. Pierwotny dźwięk wydobywa się ze źródła na rysunku 6 jest nim ruch drogowy. Rozprzestrzenia się on w powietrzu. Przez okna pierwotny dźwięk powietrzny przedostaje się do pomieszczeń. Tam można np. w dalszym ciągu wyraźnie słyszeć i identyfikować autobus. Przed tym dźwiękiem można się dobrze i stosunkowo niedrogo chronić poprzez wbudowanie odpowiednich dźwiękoszczelnych okien. Rys. 5. Wtórny dźwięk powietrzny, który jest emitowany przez drgające ściany i stropy

4 Rys. 6. Pierwotny dźwięk powietrzny, rozprzestrzenianie i wpływ Przeciw wtórnemu dźwiękowi po wietrznemu praktycznie nie można zastosować ochrony wewnątrz bu dynku. Ten dźwięk nie jest jedynie emitowany do pomieszczenia poprzez okna, ale także przez wszystkie powierzchnie w pomieszczeniu Środki redukujące imisję drgań w budynkach W dzisiejszych czasach ochrona budynku przed drganiami jest możliwa z uwagi na istniejące warunki gospodarcze i poziom techniki. Zadaniem planisty jest to, aby obszarom wymagającym takiej ochrony, prawidłowo i ekonomicznie została ona zapewniona, tzn. żeby chronione obszary były wystarczająco oddzielone od tych niechronionych. Aby to osiągnąć, istnieją rożne możliwości. Na rysunku 7 są przedstawione (począwszy od lewej strony) warianty od 1 do 6, które zawierają głównie realizowane rozwiązania. Kierunek padania dźwięku materiałowego zaznaczony jest czerwonymi strzałkami z lewej strony. Chronione obszary muszą poprzez elastyczną warstwę zaznaczoną na niebiesko zostać z reguły całkowicie oddzielone, aby uniknąć transmisji dźwięku materiałowego. Obszary budynku objęte ochroną powinny być w zasadzie rozdzielone czy przez sąsiadujące podłoża czy następne elementy budowlane od tych niechronionych obszarów. Wariant 3 jest pod tym względem pewnym wyjątkiem. Przejdźmy zatem do analizy zalet i wad poszczególnych wariantów Wariant 1: Elastyczne posadowienie budynku jako całości w wannie betonowej Bryła budynku zostaje usadowiona na elastycznych elementach, które z kolei opierają się na podwalinie wanny betonowej. Ten rodzaj posadowienia ma następujące wymagania i konsekwencje. Jest on prosty zarówno w wymiarowaniu, jak i wykonaniu. Ochrona przed powstawaniem mostków akustycznych jest bardzo wysoka. Wykonanie wanny prowadzi do wzrostu kosztów. Wanna wymaga większej po wierzchni niż sam budynek Wariant 2: Elastyczne posa - dowienie budynku na całej po - wierzchni Poprzez elastyczne posadowienie, bryła budowlana jako całość jest izolowana od dźwięku materiałowego płynącego z podłoża. Budynek musi być praktycznie oddzielony od otaczającego go podłoża (co zostało przedstawione na rysunku 8). Ten wariant ma wiele korzyści. Jest on pod wzglądem obliczeń i wykonania trudniejszy od wariantu 1, ale za to prostszy od innych wariantów (3 6). Wymagania względem architektów i projektantów konstrukcji nośnych są niewiele większe niż w przypadku normalnych budynków. Posadowienie pozostaje praktycznie takie samo (na całej powierzchni), a obecność warstwy elastycznej nie ma prawie żadnego wpływu na konstrukcję budowlaną. W przypadkach, gdy potrzeba wykonania zabezpieczenia zostaje rozpoznana późno lub też bardzo późno przykład obiektu Lenbachgarten w Monachium (o którym będzie mowa w cz.ii artykułu), gdzie krótko przed rozpoczęciem budowy została zidentyfikowana konieczność ochrony przed drganiami takie posadowienie może zostać jeszcze wykonane. Nawet jeśli projekt konstrukcji nośnej jest już praktycznie gotowy, to bez większych zmian może zostać w nim ujęte takie posadowienie. Wadą w przypadku tego wariantu może się okazać to, że całkowita powierzchnia mat wibroizolacyjnych jest największa. Doświadczenia z wielu zastosowań pokazały jednak, ze ten wariant pod względem wszystkich kosztów i problemów w porównaniu z zastosowaniem innych wariantów, jest z reguły najkorzystniejszy. Rys. 7. Przegląd 6 wariantów (od lewej) dla ochrony przeciwimisyjnej w budynkach 25

5 26 Rys. 8. Wizualizacja możliwości oddzielenia chronionych obszarów Wariant 3: Częściowe posadowienie W tym wariancie w przeciwieństwie do wariantu 4 elastycznie posadowiona zostaje tylko część budynku pod płytą fundamentową. Pozostała część budynku, która nie została elastycznie posadowiona jest oddzielona za pomocą szczeliny (porównaj wariant 2) i jest połączona z podłożem. W ten sposób zostaje naruszona wg planu podstawowa zasada, która w przypadku 1 i 2 wariantu jest w pełnym zakresie przestrzegana: wg planu zostaje ewentualnie wbudowany ogromny most dźwięku materiałowego. Ten wariant został (prawdopodobnie) po raz pierwszy zwymiarowany i zrealizowany przez firmę imb-dynamik. Był on konieczny, ponieważ budynek wykazywał dużą powierzchnię rzutu poziomego, a w kierunku rozprzestrzeniania się nie znajdowała się żadna dylatacja w budynku. Dlatego też bardzo duża powierzchnia musiałaby zostać wyłożona matami. Ze względów finansowych nie było to jednak wykonalne i dlatego opracowane zostało rozwiązanie, którego odpowiednikiem jest wariant 2. Ze względu na zwymiarowanie jest on niezwykle wymagający. Należy sobie wyobrazić, że dźwięk materiałowy może przedostać się do budynku co prawda w niewielkim stopniu przez znajdujący się obok obszar odizolowany ale za to przez obszar leżący na uboczu. Stamtąd może on rozprzestrzenić się już w całym budynku. Ten wariant może być stosowany tylko po spełnieniu pewnych warunków tj.: dźwięk ma te riałowy zostanie wystarczają co zmniejszony w odległości od źródła zarówno przez propagację w dół, jak i przez tłumienie materiałowe podłoża, tak że przedostający się w głąb budynku dźwięk materiałowy nie zostanie (np. przez rezonans) zbyt mocno wzmocniony; z przenoszenia się dźwięku materiałowego (przedostającego się przez elastyczne posadowienie wraz z dźwiękiem materiałowym, przedostającym się przez nieodizolowany obszar) nie dojdzie do przekroczenia wartości dopuszczalnych. Takie wykonanie może być zrealizowane tylko za pomocą precyzyjnych pomiarów technicznych przed i w trakcie wykonania wykopu pod fundament. Muszą również być brane dokładnie pod uwagę właściwości budynku punktowo można wymienić właściwości drgań samej płyty fundamentowej (przede wszystkim formy drgań własnych) oraz wpływ tłumienia konstrukcji budowlanej. Obliczenie za pomocą metody elementów skończonych jest problematyczne nie tylko z powodów: a) bardzo dużej bryły budynku i wielu parametrów, które musiałyby być zbadane, b) warunków brzegowych przy obliczeniach tą metodą, c) oszacowania wpływu tłumienia materiałów budowlanych, miejsc szczelinowych i gruntu pod budowę, d) trudnego do uwzględnienia stochastycznego, niestacjonarnego charakteru wpływu wstrząsów. Badania były z tych powodów podjęte z użyciem modelu obliczeniowego iseg biura imb-dynamik (opracowanego przez Dr. Norberta Breitsamtera i Dr. Holgera Molzbergera). Praktyczna pod względem budowlanym realizacja jest równie łatwa jak w przypadku wariantu 1 lub 2. Ryzyko, że inwestor w przypadku tego wariantu może nie być zadowolony z efektów końcowych, jest wprawdzie znacznie większe niż w przypadku zastosowania wariantu 1 lub 2, dlatego inwestor przy wyborze tego wariantu musi mieć naprawdę bardzo duże zaufanie do swoich doradców specjalizujących się w dynamice budowli. Doświadczeń związanych z realizacją tego wariantu, na które mógłby się powołać doradca, jest do dzisiaj (2009) niewiele Wariant 4: Elastyczne posadowienie budynku graniczącego bezpośrednio z drugim budynkiem Zadaniem tego wariantu jest, rozpoznanie, że dla znajdującego się w pobliżu źródła drgań budynku konieczna jest ochrona przeciw wstrząsom, gdy w przypadku innego (np. bardziej odległego, konstrukcyjnie odbiegającego lub pozornie bardziej wymagającego ochrony budynku) nie jest potrzebna żadna ochrona przeciwwstrząsowa. Budynek nieposiadający ochrony może więc odprowadzać więcej dźwięku

6 Wariant 5: Posadowienie krawędzi dolnej sufitu piwnicy Ten wariant realizowany jest sporadycznie. Rysunek 8 pokazuje, że w tym przypadku wystająca bryła budynku musi być oddzielona. Rozdzielenie to warunkuje jednak nieuchronnie, że żaden element konstrukcji, mogący istotnie przenosić dźwięk materiałowy, nie może krzyżować się ze szczeliną. Ten wymóg jest w zasadzie bardzo trudny do spełnienia. Wariant 5 musi być od samego początku brany pod uwagę w planach architektonicznych i konstrukcji nośnej. Prowadzi on w konsekwencji do powstania masywnej konstrukcji budowlanej (rys. 9): masywne schody, szyby przednie, rdzeń budynku, szyb dźwigowy, solidne przewody (hydrauliczne, kanalizacyjne, rury próżniowe podatne na odkształcenia oraz stabilmateriałowego niż ten z ochroną. Rysunek 8 pokazuje, że znajdująca się z lewej strony bryła budynku musi zostać odizolowana od dźwięku materiałowego napływającego z okolicy. W zasadzie wariant 4 odpowiada wariantowi 2, z taką różnicą, że istnieje dylatacja konstrukcyjna między bezpośrednio sąsiadującym budynkiem. Bryła budynku znajdującego się w pobliżu źródła musi być wystarczająco odizolowana zarówno od podłoża, jak i od sąsiadującego budynku. Zewnętrzne ściany piwnicy są z tego powodu pokryte elastyczną warstwą. Przenoszenie dźwięku materiałowego z sąsiadującego obok budynku zostaje przez odpowiednie środki powstrzymane. Może to być szczelina powietrzna, jak i również elementy o elastycznej powierzchni. Te elastyczne elementy podlegają mniejszym wymogom niż maty wibroizolacyjne, bo na nie praktycznie działa podczas betonowania hydrostatyczne naprężenie ściskające. Jednak ścian tych również dotyczy warstwa oddzielająca, tak aby były one wolne od powstawania mostków, przez które przenosi się dźwięk materiałowy. Chodzi w tym przypadku w mniejszym stopniu o niebezpieczeństwo wystąpienia wstrząsów w obszarze chronionym niż o przenoszenie dźwięku materiałowego w obu kierunkach. Mostek akustyczny doprowadziłby do wtórnego dźwięku powietrznego w znajdującym się w sąsiedztwie domu. Z taką trudnością spotkać się można zazwyczaj przy każdym szeregowcu i jest to zjawisko powszechnie znane. ne ciśnieniowo itd.) nie mogą bezpośrednio znajdować się nad szczeliną. Wszystkie takie przewody muszą mieć zmieniony kąt położenia. Alternatywą dla osłabienia siły wiatru jest połączenie dźwigu szybowego wraz ze schodami monolitycznie z piwnicą i stworzenie przez to sztywniejszego rdzenia dla budynku. Jednak należy bardzo uważać na to, aby pozostały cały obszar górny został całkowicie elastycznie oddzielony od rdzenia. Zniesienie sił poziomych np. parcie wiatru jest do rozwiązania tylko przy pewnym wysiłku. Możliwością, poruszoną już i przedstawioną na rysunku 9, są odpowiednie elementy w ścia nach piwnic. Dla wysokich, wąskich budynków wariant ten jest praktycznie niestosowalny. Można zastosować tu mniejszą powierzchnię elastycznego materiału, co z kolei prowadzi najczęściej, wydawałoby się, do oszczędności w kosztach. W wielu przypadkach, przy uwzględnieniu wymienionych wy mogów, koszt całkowity będzie jednak wyższy. Jest to powód, dla którego to rozwiązanie w porównaniu z innymi rzadko jest stosowane. Logiczne jest, że ten wariant jest tylko wtedy odpowiedni, kiedy w samej piwnicy nie jest wymagana żadna ochrona przeciw wstrząsom. Rys. 9. Przykłady konstrukcyjnych konsekwencji znajdującej się w budynku szczeliny; po lewej: pochłonięcie siły wiatru przez dodatkowe odpowiednie elementy, po środku: schody i szyb dźwigowy są podwieszone, aby uniknąć połączenia z piwnicą, po prawej: przewody muszą być prowadzone pod kątem Wariant 6: Posadowienie na wyższych poziomach Mogłoby się wydawać, że na parterze nie jest konieczna ochrona przeciw wstrząsom i wtórnemu dźwiękowi powietrznemu. Taki przypadek mógłby mieć miejsce, kiedy na parterze zlokalizowane byłyby np. sklepy lub warsztaty. Problemy wynikające z zastosowania wariantu 6 odpowiadają analogicznie tym, które wynikają z zastosowania wariantu 5. 27