Ocena wpływów wstrząsów górniczych na budynki

Transkrypt

1 Edward MACIĄG Politechnika Krakowska, Kraków Mat. Symp. Warsztaty 2000 str Ocena wpływów wstrząsów górniczych na budynki Streszczenie Przedstawiono aktualny stan rozwoju zagadnienia oddziaływania wstrząsów górniczych na budynki, w tym: zakres potrzebnych badań sejsmometrycznych, charakterystykę drgań powierzchniowych wzbudzanych wstrząsami górniczymi, przyspieszeniowe spektrum odpowiedzi oraz różne metody oceny szkodliwości drgań dla budynków. Omówiono ocenę tej metody - przybliżoną i ścisłą. Podano przykładowe oceny z zastosowaniem analizy tercjowej z uwzględnieniem skal SWD normy PN-85/B Wstęp Źródła najintensywniejszych sejsmicznych i parasejsmicznych drgań znajdują się w pasie Polski południowej. Przez efekty sejsmiczne rozumujemy tu oddziaływania spowodowane przez źródła drgań, które pojawiają się spontanicznie, niezależnie od woli człowieka, nie wiemy kiedy mogą się zdarzyć. Polska jest krajem asejsmicznym, jednak fale sejsmiczne od silnych trzęsień ziemi, np. w Rumunii, wzbudzają drgania, głównie budynków wysokich w rejonach Polski południowej. Nie spowodowały one, jak dotąd, uszkodzeń budynków, ale wzbudzały niepokój mieszkańców. Wstrząsy górnicze wykazują szereg analogii do słabych trzęsień ziemi. Ich pojawienie się jest trudno prognozować, mimo, że są spowodowane w sposób pośredni działalnością człowieka. Oddziaływania wywołane tymi wstrząsami można oceniać w zakresie ich wpływu na budynki w pewnym stopniu podobnie, jak od słabych trzęsień ziemi. Wstrząsy górnicze propagują od hipocentrum (ognisko wstrząsu) do powierzchni terenu wywołując drgania podłoża, które z kolei są przekazywane na budynki w postaci tzw. wymuszeń kinematycznych. Siły dynamiczne jakie mogą wystąpić w budynkach na skutek wstrząsów górniczych zależą od intensywności drgań (w miejscu lokalizacji budynków) wzbudzanych tymi wstrząsami wewnątrz górotworu. Tak więc kluczową kwestią są poziomy drgań jakie mogą wystąpić w miejscu lokalizacji budynków. Z tego względu w niniejszym referacie sporo miejsca poświęca się zagadnieniu intensywności drgań występujących na powierzchni i pochodzących od wstrząsów górniczych. Między innymi jak i gdzie mierzyć te drgania, które wielkości są ważne w ocenie szkodliwości drgań dla budynków. Analizowany jest związek między charakterem drgań powierzchni w GZW i LGOM a odpornością różnych budynków na te drgania. 297

2 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki 2. Dane o drganiach wzbudzanych wstrząsami górniczymi potrzebne do oceny ich szkodliwości dla budynków Do oceny oddziaływania wstrząsów górniczych na powierzchniową zabudowę praktycznie potrzebne są dane o silnych i bardzo silnych wstrząsach. Jako dane dla obiektów są niewystarczające, szacunkowo zresztą ocenione, takie parametry jak spodziewane (w miejscu lokalizacji obiektu) największe przyspieszenie drgań i odpowiadające im częstotliwości. Jeszcze przed paru laty, wszystkie pomiary drgań, w tym i powierzchniowych od wstrząsów górniczych, obejmowały prędkości. Powyższe wynikało z faktu, że szacunkowe oceny szkodliwości drgań dla obiektów prowadzono z wykorzystaniem prędkości drgań. Wielokrotnie postulowaliśmy na różnych forach w Polsce, wskazując, że w analizach dynamicznych są bardziej przydatne pomiary przyspieszeń drgań. Obecnie, prawie wszędzie gdzie prowadzi się pomiary drgań sejsmicznych mierzy się przyspieszenie drgań. Eksploatacja górnicza w rejonach LGOM i GZW odbywa się czasem pod obszarami charakteryzującymi się zwartą zabudową, dużym zaludnieniem oraz występowaniem obiektów przemysłowych. W związku z tym kwestia oddziaływania drgań powierzchniowych wzbudzanych wstrząsami górniczymi na środowisko, a w szczególności na powierzchniową zabudowę, jest bardzo ważnym problemem i jeszcze jak dotąd, dalekim do pełnego rozwiązania. Konieczne jest aby badania drgań powierzchniowych wzbudzanych wstrząsami górniczymi były prowadzone przez sejsmologów (geofizyków) tak, by mogły być wykorzystywane przez inżynierów budowlanych do wyznaczania sił sejsmicznych jakim mogą podlegać obiekty powierzchniowe. W tym względzie, przez wiele lat nie było współpracy między geofizykami a inżynierami budowlanymi, a przede wszystkim ze specjalistami z zakresu dynamiki konstrukcji. Zaważyło na tym stosowanie skali MSK zarówno przez geofizyków, jak i inżynierów budowlanych, a nawet pracowników naukowych nie znających w wystarczającym stopniu dynamiki konstrukcji, podstaw inżynierii sejsmicznej oraz problematyki wstrząsów górniczych. Na etapie praktycznie zupełnego braku rozpoznawania oddziaływania wstrząsów górniczych na budynki funkcjonowało jednak wielu specjalistów z tego zakresu. Niniejszy referat wskazuje na potrzeby z zakresu geofizyki wstrząsów górniczych, a przede wszystkim drgań powierzchniowych, tak by można było uwzględniać ich oddziaływania na budynki; jest bowiem tak, że niekoniecznie te same kryteria rozpoznania wstrząsów górniczych stosowane są przez geofizyków, a wymagane przez specjalistów z zakresu dynamiki konstrukcji. 2.1 Rozmieszczenie aparatury pomiarowej i stacji sejsmicznych Aparatura pomiarowa Gdy zalecane jest wykonanie pomiarów drgań podłoża i budynków istotnym jest właściwy dobór aparatury pomiarowej. W badaniach dynamicznych budynków poddanych oddziaływaniom od wstrząsów górniczych (pod tym pojęciem rozumiemy tu drgania wzbudzone eksplozjami (MW) w kamieniołomach oraz drgania wywołane wstrząsami w kopalniach węgla i rudy miedzi) zalecane jest wykonywanie pomiarów drgań za pomocą akcelerometrów z uwagi na łatwość dalszych analiz potrzebnych do oceny zachowania się obiektów oraz do oceny szkodliwości drgań na konstrukcje. W czasie badań wykonuje się na jednym stanowisku pomiar trzech składowych (dwie poziome oznaczane x, y - odpowiadają one kierunkowi poprzecznemu i podłużnemu badanej konstrukcji lub też kierunkom N-S i E-W, oraz pionowa - z). 298

3 Stacje sejsmiczne Podstawowym sposobem oceny efektów oddziaływania wstrząsów górotworu na obiekty jest zarejestrowanie rzeczywistych przebiegów drgań w badanym punkcie na gruncie lub w obiekcie. Rozwiązanie tego zagadnienia wymaga ciągłej rejestracji drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi. Konieczna jest rejestracja 3 składowych pełnych przebiegów drgań. W tym celu, w ostatnim okresie m.in. na terenie LGOM powstało szereg stacji pomiarowych mających na celu ciągłą rejestrację drgań powierzchniowych. Obecnie na tym terenie działa kilka stacji w kilku wsiach oraz w miastach Lublin, Polkowice. Na terenie wsi stacje lokalizowane są w typowych dla tego terenu budynkach lub na gruncie. W miastach aparatura jest zakładana w budynkach murowych typu willowego oraz w budynkach wielorodzinnych wznoszonych metodami uprzemysłowionymi oraz na gruncie. Na danym terenie stacje te działają przez pewien okres czasu po czym są przenoszone na inne obszary. Rozmieszczenie stacji i uzyskane z nich wyniki pozwalają ocenić intensywność drgań na danym obszarze. W przypadku uzyskania informacji z kopalni o podwyższonej lub spodziewanej wyższej sejsmiczności danego terenu, przenosi się aparaturę pomiarową do innej stacji na wskazanym obszarze. Uzyskane zapisy składowych całych przebiegów drgań pozwalają na ich dalszą analizę prowadzoną m.in. pod kątem oceny szkodliwości drgań na konstrukcje budynków, a także wyznaczenia wzorcowego spektrum odpowiedzi dla danego terenu. Wstrząsy zdarzają się przypadkowo, losowo, ich czas wystąpienia nie zależy od ludzi. Aparatura do rejestracji drgań od wstrząsów górniczych musi się automatycznie sama włączać w momencie wystąpienia wstrząsu. Aparatura może się włączać po przekroczeniu ustalonego poziomu drgań, bowiem w budynku w miejscu jej zainstalowania mogą wystąpić drgania od innych źródeł np. od trzaśnięcia drzwiami, podskoku, przejazdu pojazdu obok stanowiska pomiarowego, włączenia silnika itp. Aby uniknąć włączenia się aparatury, przynajmniej od części przypadkowych poza górniczych drgań, ustala się pewien próg intensywności drgań np. 30 czy 50 mm/s 2 dopiero po przekroczeniu którego włącza się aparatura do rejestracji drgań. Pomiary drgań pozwalają nie tylko na rejestrację rzeczywistego poziomu drgań z możliwością ich wykorzystania w ocenie szkodliwości dla budynków, ale mają też znaczenie psychologiczne. Wiadomo bowiem, że próg odczuwalności drgań przez ludzi jest niższy niż przez budynki. Niekiedy mieszkańcy odczuwają drgania od jakiegoś wstrząsu i dowiadują się ze wstrząs był bardzo silny. Uważają, że skoro ich budynek jest np. uszkodzony to należy się odszkodowanie, bo być może poprzednie wstrząsy wywołały uszkodzenie. Nie biorą pod uwagę, że o poziomie drgań w danym miejscu decydują głównie dwa czynniki: energia wstrząsu i odległość epicentralna. Informacja, że miał miejsce odczuty, jak się okazuje silny wstrząs, ale w dużej odległości epicentralnej (np. wynoszącej kilka kilometrów) nie jest przekonującą. Dopiero pokazanie, że mimo silnego wstrząsu brak jest zapisu lub zarejestrowany przebieg drgań przedstawia bardzo niski poziom drgań, może przekonać, że odczuwane drgania nie w każdym przypadku świadczą o ich dużej intensywności. Mimo ustalonego progu dla drgań przed rejestracją, zdarzają się na stacjach sejsmicznych LGOM zapisy drgań spowodowane nie wstrząsem górniczym, ale np. uderzeniem młotka lub spadającym ciężarem w pobliżu stanowiska pomiarowego. Ważne jest aby umieć rozróżnić drgania przypadkowe od spowodowanych wstrząsami górniczymi. Niekiedy dostajemy zarejestrowane przebiegi drgań, które są spowodowane innymi przyczynami, a traktowane są jako pochodzące od wstrząsów górniczych. Zagadnienie rozpoznawania charakteru przebiegów drgań ma ważne znaczenie w sytuacjach jak poniżej. 299

4 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki W strefach epicentralnych nawet słabe wstrząsy o energii mniejszej niż 10 5 J mogą wzbudzać dość wysoki poziom drgań, oczywiście rejestrowany na stacji sejsmicznej o ile znajduje się w obszarze epicentralnym. Tak jest aktualnie np. w okolicy wsi Obora w Zakładzie Górniczym Lubin. W zestawie wstrząsów przygotowywanym przez zakłady górnicze na podstawie pomiarów w stacjach kopalnianych taki wstrząs jest odnotowywany, ale nie jest przedstawiany w ogólnodostępnych zestawach. Tak więc jest zapis przebiegu drgań, brak jest w zestawieniu wstrząsów danych o parametrach wstrząsu w momencie tego zapisu drgań. Umiejętność rozróżniania charakterów przebiegu drgań ma tu istotne znaczenie. Ponadto rodzi się postulat, aby ogólnodostępne zestawy danych o wstrząsach obejmowały również i słabe wstrząsy np. o energiach E>5x10 4 J. Spotykamy się z opracowaniami dotyczącymi oddziaływania drgań na budynki w warunkach LGOM a postulującymi uwzględnienie amplifikacji drgań tam pomierzonych. W przypadku pomiaru drgań prowadzonych na powierzchni (a tak jest w LGOM) amplifikacja już tkwi w uzyskanych wynikach pomiaru i wyniki te mogą być rozszerzone w obręb pobliskich terenów z uwagi na podobny nakład. Problem amplifikacji ma większe znaczenie w GZW; problematyką tą zajmuje się GIG i współczynniki amplifikacji są uwzględnione we wzorach na prognozowane intensywności drgań powierzchniowych. 2.2 Charakterystyka drgań powierzchniowych wywołanych wstrząsami górniczymi Wstrząsy pochodzenia górniczego są zjawiskami daleko odbiegającymi od innych źródeł drgań parasejsmicznych i są trudne w badaniu. Wyróżniają się dużą intensywnością względem innych drgań parasejsmicznych. Przebiegi powierzchniowych drgań od wstrząsów górniczych wykazują pewne podobieństwa, ale i różnice względem drgań powierzchniowych wzbudzanych ruchami tektonicznymi skorupy ziemskiej. Istotną cechą różniącą te drgania powierzchniowe jest czas trwania intensywnej fazy przebiegów drgań. W przypadku trzęsień ziemi ta faza wynosi średnio 20 s i więcej; w przypadku wstrząsów górniczych 0,5 1,5 s. Szczególnie krótki jest czas trwania intensywnej fazy przebiegu w obszarach epicentralnych. Przebiegi powierzchniowych drgań są bardzo nieregularne. Zmieniają się ich amplitudy w czasie a(t), a także częstotliwości f(t). Wstrząsy górnicze mają charakter bardziej lokalny, łatwiej jest poznać mechanizm ich powstawania, łatwiej zarejestrować powierzchniowe przebiegi drgań nimi wzbudzane, występują bowiem na ograniczonych obszarach - jest więc szansa poznać lepiej charakter przebiegów drgań na powierzchni i opracować, po rozpoznaniu tych zjawisk, metody pozwalające w miarę dokładnie określać spodziewane obciążenia. Na przykładzie zarejestrowanych przebiegów powierzchniowych drgań w LGOM, ogólnie można je scharakteryzować jako podobne do otrzymywanych w GZW, ale z dominującymi wyższymi częstotliwościami w porównaniu z częstotliwościami przebiegów drgań powierzchniowych zarejestrowanych w GZW. Różnicę tę dobrze ilustrują przyspieszeniowe spektra odpowiedzi z rys. 2.2a,b wykonane na podstawie dwu przykładowych przebiegów drgań zarejestrowanych odpowiednio w GZW 1 (rys.2.1a) i LGOM 2 (rys.2.1b). W rejonie Suchej Górnej, w oddziałach G-51 i G-52 O/ZG Polkowice - Sieroszowice I intensywność drgań powierzchniowych jest największa. Analiza przebiegów tych drgań wskazuje, że ich dominujące częstotliwości są nieco niższe niż w pozostałych rejonach LGOM. 1 Pomiaru drgań dokonał GIG w Katowicach 2 Pomiary przeprowadził Zakład Doświadczalny KGHM w Lubinie 300

5 Rys. 2.1 Dwa przykładowe zapisy przebiegów drgań zarejestrowane: a) w GZW i b) w LGOM Rys. 2.2 Przyspieszeniowe spektra odpowiedzi wykonane na podstawie dwu przykładowych przebiegów drgań zarejestrowanych odpowiednio w GZW i LGOM Pasmo dominujących częstotliwości przebiegów drgań z w/w rejonu jest szersze (z przesunięciem w kierunku niższych częstotliwości) niż w pozostałych rejonach. Na podstawie dotychczasowych badań prowadzonych w LGOM dotyczących powierzchniowych drgań pochodzących od wstrząsów górniczych wynika, że wszystkie 3 składowe drgań (N-S, E-W i Z) są tego samego rzędu. W ostatnim okresie w niektórych rejonach LGOM zarejestrowano bardzo intensywne przebiegi składowych pionowych drgań, zdecydowanie większe od składowych poziomych drgań. Na podstawie dotychczas przeanalizowanego materiału pomiarowego i opracowanych przyspieszeniowych spektrów odpowiedzi, o których piszemy w dalszej części niniejszej pracy, wynika, że maksima osiągane są w zakresie częstotliwości pozostającym w paśmie 2,5 12,5 Hz. 301

6 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki Rys. 2.3 Przykładowy przebieg składowej poziomej przyspieszeń drgań zarejestrowany w stacji w Moskorzynie Na rys. 2.3, 2.4, 2.5 przykładowo przedstawiono wybrane bardzo intensywne przebiegi składowych poziomych przyspieszeń drgań zarejestrowanych odpowiednio na stacjach w Moskorzynie, Polkowicach Dolnych i Suchej Górnej. Maksymalne wartości złożonej amplitudy drgań przebiegów z rys. 2.3, 2.4, 2.5 wynoszą odpowiednio 807.5, 399 i 681 mm/s 2. Przebieg z rys. 2.3 cechuje wyjątkowo duża maksymalna amplituda ( a max= 807 mm/s 2 ). Charakter przebiegu drgań z rys. 2.4 jest nietypowy; jest to jednocyklowy udar o a max= 400 mm/s 2.Charakter tych przebiegów w zakresie częstotliwości jest dość odmienny. Rys. 2.4 Przykładowy przebieg składowej poziomej przyspieszeń drgań zarejestrowany w stacji w Polkowicach Dolnych 302

7 Rys. 2.5 Przykładowy przebieg składowej poziomej przyspieszeń drgań zarejestrowany w stacji w Suchej Górze Poszczególne składowe powierzchniowych drgań (E-W, N-S i Z) osiągają nawet, wartości przyspieszeń równe 1000 mm/s 2, wynoszące więc ok. 0,1 g, gdzie g jest przyspieszeniem ziemskim. Dalsze pomiary drgań w rejonie Suchej Górnej wymagają aparatury o zwiększonym zakresie dynamicznym przyspieszeń drgań. Obecnie stosowana akcelerometryczna aparatura pomiarowa na stacjach sejsmicznych LGOM może rejestrować bez przesterowań, przebiegi drgań o intensywności do 1m/s 2. Dalszą charakterystykę powierzchniowych drgań odpowiednio z LGOM i GZW przedstawia się poprzez wzorcowe względne przyspieszeniowe spektra odpowiedzi. Na obszarach eksploatacji górniczej występują też drgania powierzchniowe wzbudzane pod ziemią odpalaniem MW; niekiedy łączny odpalany ładunek wynosi i kilka ton. Nawet czasami udaje się zarejestrować drgania na powierzchni od tych eksplozji. Intensywność tych powierzchniowych drgań jest mała (są słyszalne na powierzchni), nie mogą być szkodliwe dla budynków i z tego powodu nie wymagają dalszych analiz. Z kolei nie mogą być pomijane w ocenie szkodliwości na zabudowę powierzchniową wstrząsy górnicze wzbudzane w kopalniach odkrywkowych odpalaniem MW. Są one kontrolowane przez człowieka, wiemy kiedy się zdarzają, mamy w pewnych granicach wpływ na intensywność drgań wzbudzanych przez odpalenie ładunków MW. Od tych samych ładunków w tej samej kopalni odkrywkowej intensywność drgań i ich charakter mogą znacznie się różnić. Muszą być badane, rozpoznawane, oceniane. Ten rodzaj drgań nie jest tu dalej omawiany. 2.3 Przyspieszeniowe spektrum odpowiedzi Do scharakteryzowania powierzchniowych przebiegów drgań wzbudzanych wstrząsami górniczymi stosuje się spektra odpowiedzi. Tak więc spektrum odpowiedzi zawiera informacje o wymuszeniu kinematycznym. Jest to funkcja podająca maksymalne wartości bezwzględne odpowiedzi modeli oscylatorów o jednym stopniu swobody dynamicznej na wymuszenie kinematyczne w zależności od drgań własnych tych oscylatorów, przy założonej wartości tłumienia. Spośród kilku typów spektrów, poniżej omawia się przyspieszeniowe spektrum odpowiedzi, z uwagi na jego przydatność do przybliżonej analizy dynamicznej obiektów. Na podstawie wielu akcelerogramów zarejestrowanych w rejonach sejsmicznych zostało opraco- 303

8 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki wane względne wzorcowe przyspieszeniowe spektrum odpowiedzi odrębne dla obszaru GZW i LGOM (rys.2.6a,b). Ze spektrum dla obszaru LGOM wyodrębniono rejon Suchej Górnej, któremu odpowiadają przebiegi drgań o niższych dominujących częstotliwościach, co zaznaczono na rys.2.6b. Opis matematyczny krzywych spektralnych podany jest na rysunkach 2.6 a,b. Rys. 2.6 Pzyspieszeniowe spektrum odpowiedzi dla obszaru: a) GZW i b) LGOM 3. Ocena szkodliwości drgań dla budynków poddanych wpływom dynamicznym od wstrząsów górniczych Do oceny szkodliwości drgań dla budynków stosuje się: metody przybliżone, metodę ścisłą, która może być przedstawiona w formie wariantowej - poprzez analizę dynamiczną przyjętego modelu budynku. W zależności od przewidywanej metody oceny szkodliwości drgań dla zabudowy powierzchniowej są potrzebne inne, a w szczególności co do zakresu, wyniki pomiarów drgań wzbudzanych wstrząsami górniczymi. Gdy wymagane jest, w miarę dokładne określenie spodziewanych oddziaływań na obiekt, stosuje się metodę ścisłą, przy czym trzeba wyróżnić tu dwa przypadki: projektowanie obiektów z uwzględnieniem efektów sejsmicznych, weryfikacja, sprawdzenie czyli diagnozowanie istniejących obiektów na spodziewane siły sejsmiczne. 304

9 Ścisłość metody oznacza, że obliczenia dynamiczne są dokładne w odniesieniu do przyjmowanego modelu dynamicznego obiektu. Odrębną kwestią jest odpowiedniość modelu w stosunku do rzeczywistego obiektu. Stąd słowo ścisłość w cudzysłowie. Budynki są projektowane przede wszystkim do przenoszenia pionowych obciążeń, więc nawet nie uwzględnienie w obliczeniach dodatkowych obciążeń dynamicznych wynikających z pionowego ruchu podłoża budynku nie ma istotnego znaczenia. Można się wówczas liczyć tylko z kilku procentowym wzrostem obciążeń względem projektowanych. Składowe pionowe drgań mogą mieć istotne znaczenie w obiektach dla poziomych elementów nośnych o dużych rozpiętościach. Składowe poziome drgań są wykorzystywane jako wymuszenia (obciążenia) kinematyczne budynków. Od tego rodzaju obciążeń wyznacza się siły sejsmiczne, a następnie uwzględnia się je w projektowaniu lub sprawdza czy istniejący obiekt jest w stanie przenieść bezpiecznie te dodatkowe obciążenia i umożliwia funkcjonowanie obiektu bez zakłóceń. Projektowanie obiektów z uwzględnieniem pełnych rzeczywistych przebiegów drgań podłoża stosuje się rzadko, tylko w obiektach, które w razie awarii mogą zagrażać bezpieczeństwu wielu ludzi. W przypadku sprawdzania istniejących obiektów na działania sejsmiczne jako wymuszenia kinematyczne dla obliczeniowego modelu dynamicznego obiektu należy brać przyspieszenia drgań zarejestrowane w poziomie fundamentów obiektów. 3.1 Przybliżone metody oceny szkodliwości drgań wzbudzanych wstrząsami górniczymi na budynki Najprostszym sposobem oceny szkodliwości drgań przekazywanych z podłoża na budynki może być wykorzystanie odpowiednio skonstruowanych skal. Na podstawie wybranych, istotnych parametrów charakteryzujących wymuszenie i obiekt odbierający drgania można na podstawie skali ocenić spodziewane skutki działania wibracji. Pierwsze skale wpływów drgań na budynki powstały w związku z oceną skutków oddziaływań sejsmicznych. Ulepszono je drogą stałej weryfikacji uwzględniającej efekty coraz to nowych działań sejsmicznych. Pomimo tego nie mogą być one generalnie przydatne w ocenie skutków wpływów dynamicznych innych niż działania sejsmiczne. Historia i podstawy skal wpływów dynamicznych najobszerniej w polskiej literaturze technicznej omówione są w (Ciesielski 1961, 1973) a ostatnio w (Maciąg 1996). Z końcem ubiegłego i na początku XX wieku powstało bardzo wiele skal, dotyczyły one głównie wpływu trzęsień ziemi na budynki. Najważniejszymi z nich były: sześciostopniowa skala G. Mercallego, dwunastostopniowa skala MM(zmodyfikowana skala Mercallego) (Bolt 1981), dwunastostopniowa skala Mercallego-Cancaniego, dwunastostopniowa skala Mercallego-Cancaniego-Sieberga(MCS). Mimo, że skale te przyjmują jako kryterium szkodliwości trzęsień ziemi przyspieszenia drgań, to jednak ich stopnie przede wszystkim są formułowane głównie poprzez fizykalne efekty (objawy) trzęsień ziemi. Zgodnie ze skalą MM dopiero przy jej VI stopniu mury i to kategorii D (a więc najgorsze) ulegają spękaniu. Temu stanowi uszkodzeń przypisuje się przyspieszenie a 600 mm/s

10 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki Skala EMS - 98 Podobną do skali MM czy MCS jest skala MSK (skala V. Miedwiediewa, W. Sponheuera i V. Karnika) stosowana do oceny sejsmiczności obszarów objętych trzęsieniami ziemi. Skala MSK to nic innego jak skala GEOFIAN (Miedwiediewa) z 1953 r. w 1964 skala MSK-64 została zalecona przez ESC (European Seismological Commission) do stosowania. Zmodyfikowana wersja tej skali została wprowadzona w 1981 r. w związku z propozycjami Miedwiediewa z 1976 i 1978 r. W 1992 r. na zebraniu ogólnym ESC przyjęto nową wersję tej skali jako Europejską Skalę Makrosejsmiczną (EMS-92) i zalecono ją do trzyletniego testowania. W 1996 ESC zaleciło przyjęcie Europejskiej Skali Makrosejsmicznej przez poszczególne kraje. W międzyczasie weryfikowano jej zalecenia na przykładzie skutków kilku trzęsień ziemi i podkreślam że tylko skutków trzęsień ziemi. Wersja EMS-92 była prezentowana na 10 Europejskiej Konferencji Inżynierii Sejsmicznej w 1994 r. we Wiedniu i na 11 Światowej Konferencji Inżynierii Sejsmicznej w Acapulco w 1996 r. Specjaliści z zakresu inżynierii sejsmicznej nie włączyli się w jej aprobatę i skala ta jest firmowana prawie wyłącznie przez sejsmologów. Europejska Skala Makrosejsmiczna została ostatecznie przyjęta w 1998 r. jako EMS-98. (European Macroscismic Scale 1998). Według EMS-98 wyróżnia się 6 klas podatności budynków na uszkodzenia (vulnerability class) - A, B, C, D, E, F. Tabela z klasami podatności budynków na uszkodzenia zawiera różne typy konstrukcji w tym i projektowane jako odporne na trzęsienie ziemi, konstrukcje stalowe i drewniane. Skala MSK wyróżniała 3 kategorie budynków A, B, C. Skala EMS-98 wprowadza klasyfikację uszkodzeń, odrębnie budynków murowych i budynków żelbetowych. Zarówno w jednej jak i drugiej grupie obiektów wyróżnia się pięciostopniową skalę uszkodzeń. Każdy stopień uszkodzenia jest dość szeroko opisany, obszerniej niż to było w skali MSK. Zdefiniowano stopnie intensywności w liczbie 12, ale uznaje się że 8 ma znaczenie praktyczne. Opisowo podano zjawiska odpowiadające poszczególnym stopniom intensywności w tym i spodziewane stopnie uszkodzeń w poszczególnych klasach budynków. Zaleca się ocenę stopnia uszkodzeń i intensywności przeprowadzać na pewnym obszarze sejsmicznym obejmującym kilkadziesiąt, a nawet setki budynków. Nie podaje się żadnych relacji między uszkodzeniami a intensywnością czy poziomem drgań np. w postaci maksymalnej amplitudy przyspieszenia gruntu na obszarze z ocenianymi budynkami: EMS nie zawiera żadnych odniesień do innych zjawisk niż wynikających z trzęsień ziemi. Brak jest przesłanek do stosowania EMS w przypadku innych rodzajów drgań, jak np. przy ocenie szkodliwości wstrząsów górniczych. Skala MSK odnosiła się do obiektów nie uszkodzonych, a więc będących w dobrym stanie technicznym. Podobnie jest ze skalą EMS-98. Skale dotyczące trzęsień ziemi i tak było z MSK, i tak jest z EMS-98, mogą mieć charakter ogólny, opisowy bez głębszej analizy i dokładniejszej oceny szkodliwości, bo skutki ocen wg tych skal nie powodują wniosków odszkodowawczych, bo Kto (piszę celowo przez duże K) miałby ponosić koszty likwidacji skutków trzęsienia ziemi?. Właściciel budynku może go ubezpieczyć i ubezpieczyciel ponosiłby koszt w zależności od rodzaju ubezpieczenia. Ale firma ubezpieczająca nie ubezpieczy uszkodzonego lub wadliwie zaprojektowanego czy wykonanego budynku, a gdyby nawet to opłata za takie ubezpieczenie byłaby tak droga, że byłoby to zupełnie nieopłacalne. I w związku z tym jeśli są uszkodzenia po trzęsieniu ziemi, to rzeczywiście tylko temu zdarzeniu szkody można przypisać. Z tego powodu wystarczy ogólny, opisowy fenomenologiczny charakter oceny aby tylko też ogólnie podać stopień uszkodzenia i opisowo związać z intensywnością. 306

11 3.1.2 Skala Bureau of Mines Do oceny skutków wstrząsów górniczych w USA była stosowana skala Bureau of Mines, funkcjonujaca tam przez wiele lat (Stagg 1980, Siskind i in. 1982), por. też (Medearis 1978). Skala Bureau of Mines dotyczy szkodliwych efektów wstrząsów górniczych z kopalń odkrywkowych węgla, gdzie urobek uzyskuje się przez odpalanie ładunków materiału wybuchowego (MW) oraz z kamieniołomów również stosujących MW. Dominujące częstotliwości tego rodzaju drgań silnie zależą od geologii i od technologii strzelania zapalników oraz od wartości ładunków (MW) przypadających na milizwłokę. Podkreśla się wyraźnie, że skala Bureau of Mines nie może być stosowana do oceny skutków trzęsień ziemi, bowiem drgania sejsmiczne charakteryzują się dłużej trwającymi drganiami i o bardzo niskich częstotliwościach. Dominujące częstotliwości drgań powierzchniowych od wstrząsów górniczych z kopalń podziemnych też są wyższe niż od trzęsień ziemi Zastosowanie skal wpływów dynamicznych (SWD) normy PN-85.B do oceny szkodliwości drgań na budynki podlegające wstrząsom górniczym W Polsce podejmuje się opracowania mające charakter skal wpływów dynamicznych, które dotyczyłyby oceny szkodliwości wstrząsów górniczych dla budynków (Gil i in. 1985, Lipski 1988, Muszyński 1993). Swego rodzaju podsumowaniem prac prowadzonych w GIG z tego zakresu jest artykuł L. Muszyńskiego (Muszyński 1993). Do budynków, dla których oceny szkodliwości drgań poziomych można wykazywać w sposób przybliżony i które podlegają drganiom przekazywanym z podłoża gruntowego ma zastosowanie norma PN-85/B Przybliżonych ocen szkodliwości drgań na budynki, zgodnie z PN-85/B-02170, dokonuje się: przy użyciu skal wpływów dynamicznych SWD-I i SWD-II, przez wyznaczenie sił bezwładności przy użyciu spektrum odpowiedzi. Ze zrozumiałych względów, skoro norma PN-85/B jest obowiązująca, omówię nieco szerzej skale SWD zawarte w tej normie. Skale SWD można stosować tylko do określonej klasy istniejących budynków. W przypadku drgań budynków podlegających drganiom pochodzącym od wstrząsów górniczych lub od odstrzałów (MW) w kopalniach odkrywkowych, do oceny szkodliwości tych drgań wg skal SWD wymagane są zarejestrowane całe przebiegi składowych poziomych drgań. Drgania te należy rejestrować na budynkach w poziomie gruntu lub poniżej na ścianach piwnic lub fundamentach. Skale SWD można stosować w przypadku budynków z elementów murowych oraz w przypadku budynków z wielkich bloków. Skala SWD-I (rys. 3.1a) dotyczy budynków zwartych o małych wymiarach rzutu poziomego (nie przekraczających 15 m) jedno - lub dwukondygnacyjnych oraz o wysokości nie przekraczającej żadnego z wymiarów rzutu poziomego. Wskazania skali SWD-I odnoszą się do budynków murowych z cegły, pustaków, bloków z betonu komórkowego lub żużlobetonu i podobnych. Skala SWD-II (rys. 3.1b) przeznaczona jest do budynków kilkukondygnacyjnych (do 5 kondygnacji) o konstrukcji murowej lub mieszanej i których wysokość jest mniejsza od podwójnej najmniejszej szerokości budynku oraz do budynków niskich (do 2 kondygnacji) lecz nie spełniających warunków podanych dla skali SWD-I. 307

12 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki Rys. 3.1 Skala SWD-I (a) i SWD-II (b) Skale SWD mają pięć stref (I, II, III, IV i V) oddzielonych czterema liniami granicznymi (A, B, C i D). Linie te pokazano na rys. 3.1a, b. Osie rysunków stanowią: częstotliwość drgań f(hz) i przyspieszenie a (m/s 2 ). Obie osie na rys. 3.1a, b są logarytmiczne. Wartości współrzędnych należy wyznaczać z pomiaru w punktach umieszczonych na konstrukcji w poziomie terenu lub poniżej (na ścianach piwnic lub fundamentach). Przyjęto następujące kryteria podziału na strefy szkodliwości: strefa I - drgania nieodczuwalne przez budynek; granica A - dolna granica odczuwalności drgań przez budynek i dolna granica uwzględniania wpływów dynamicznych; przy drganiach poniżej tej granicy można nie uwzględniać wpływów dynamicznych. strefa II - drgania odczuwalne przez budynek, ale nieszkodliwe dla konstrukcji; następuje tylko przyspieszone zużycie budynku i pierwsze rysy w wyprawach, tynkach, itp.; granica B - granica sztywności budynku, dolna granica powstawania zarysowań i spękań w elementach konstrukcyjnych; z naszych długoletnich badań i obserwacji budynków w Instytucie Mechaniki Budowli Politechniki Krakowskiej, wynika że z reguły nie pojawiają się wówczas żadne rysy w wyprawach i tynkach. strefa III - drgania szkodliwe dla budynku, powodują lokalne zarysowania i spękania, przez co osłabiają konstrukcję budynku i zmniejszają jego nośność oraz odporność na wpływy dynamiczne; może nastąpić odpadanie wypraw i tynków. Rozróżnia się w budynku uszkodzenia niekonstrukcyjne oraz uszkodzenia elementów nośnych (konstrukcyjnych). Do uszkodzeń niekonstrukcyjnych zwanych też kosmetycznymi albo architektonicznymi zalicza się: rysy i spękania wypraw malarskich i tynków, rozluźnienie mocowań drzwi i okien 308

13 w ścianach, odpadanie płytek ceramicznych, ściennych szkliwowych i okładzin, rysy i spękania ścianek działowych itp. Do uszkodzeń elementów nośnych zalicza się takie uszkodzenia, które prowadzą do zmniejszenia wytrzymałości elementów konstrukcyjnych budynku: rysy i spękania murów nośnych, połączeń między ścianami, nadproży, filarów itp. W praktyce inżynierskiej najczęściej spotyka się drgania, które kwalifikują się do tych pierwszych trzech stref, więc strefy wyższe (IV i V) nie są tu omawiane, są szczegółowo opisane w PN-85/B Granice stref podano w dwu wariantach wg oceny stanu budynku, typu podłoża i rodzaju drgań. Zaliczanie do odpowiedniego wariantu następuje wg przeważającej liczby odpowiednich cech zestawionych orientacyjnie w tablicy 4 normy. Linie granic ciągłe niższe (rys. 3.1) oznaczane przez A, B, C i D stosuje się w przypadku budynków starych z uszkodzeniami. Linie wyższe (przerywane) A', B', C' i D' wykorzystuje się w przypadku budynków nieuszkodzonych. Jeśli właściciel lub użytkownik budynku zgłasza roszczenia stwierdzając, że przed wystąpieniem źródła drgań budynek był nieuszkodzony i jego zdaniem istniejące uszkodzenia budynku są skutkiem oddziaływania drgań to ocenę szkodliwości drgań trzeba odnosić wg linii wyższych A', B', C' i D', a więc jak do budynku nieuszkodzonego. Chcąc dokonać oceny szkodliwości drgań bierze się wartości maksymalnej amplitudy przyspieszenia najniekorzystniejszego przebiegu drgań składowej poziomej drgań i odpowiadającą tej amplitudzie częstotliwość drgań i odczytuje się w której strefie znajdują się te współrzędne. Tego rodzaju ocenę można stosować w przypadku drgań regularnych (okresowych lub im bliskich). Przy założeniu drgań harmonicznych i to działających długotrwale (np. 8 godzin dziennie) zostały określone skale SWD. W przyjętym poziomie dopuszczalnych drgań uwzględnione jest już i zmęczenie materiału. Wymaga komentarza kwestia wykorzystania normy PN-85/B i jej skal SWD w przypadku drgań powierzchniowych wzbudzanych wstrząsami górniczymi. Przebiegi drgań od wstrząsów górniczych są bardzo nieregularne i nie można do oceny szkodliwości tych drgań brać tylko maksymalną amplitudę przyspieszenia drgań i odpowiadającą jej częstotliwość. Niekiedy do oceny przyjmuje się nawet tylko samą amplitudę przyspieszenia. W przypadku drgań budynków podlegających wstrząsom górniczym do oceny szkodliwości tych drgań wymagane są zarejestrowane całe przebiegi drgań. Przebiegi drgań od wstrząsów górniczych charakteryzują się tym, że na składowe drgań o niższych częstotliwościach nałożone są składowe o wyższych częstotliwościach. Maksymalnej amplitudzie nie odpowiada jedna częstotliwość drgań; różnym składowym drgań tej amplitudy" odpowiadają różne częstotliwości. W przypadku przebiegu drgań od wstrząsów górniczych mając zarejestrowany pełny przebieg drgań należy go rozłożyć na składowe prostsze" - drgania o określonych częstotliwościach - i dopiero na tej podstawie, uwzględniając wszystkie składowe, można dokonać oceny szkodliwości drgań. Opisaną analizę przebiegu drgań wykonuje się specjalistyczną aparaturą z użyciem analizatora, filtrów oraz komputera w pasmach tercjowych i dopiero tak otrzymane wyniki, w przypadku budynków, które się do tego kwalifikują odnosić należy do skal SWD-I lub SWD-II podanych w normie PN-85/B Mając pomierzony poziom drgań budynku (a więc określony obiektywnie specjalistyczną aparaturą, a nie oceniany subiektywnie przez człowieka) dopiero dokonuje się oceny szkodliwości tych drgań budynku. W przypadku wstrząsów górniczych w obrębie obszarów zabudowanych nie jest możliwe instalowanie w każdym budynku specjalistycznej aparatury. Można więc dopuścić sytuacje, w których nie wykonuje się bezpośrednio pomiarów drgań 309

14 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki w danym budynku i dokonać oceny szkodliwości drgań o ile dysponuje się pełnymi przebiegami drgań pomierzonymi w podobnych warunkach. Poniżej pokazano ocenę szkodliwości drgań od wstrząsów górniczych na typowe, murowe jednorodzinne i kilkurodzinne oraz typowe ścianowe prefabrykowane budynki mieszkalne (do 5 kondygnacji). Jako wymuszenia kinematyczne dla tych budynków wykorzystuje się przykładowe przebiegi składowych poziomych drgań z LGOM. Analiza przebiegów drgań od wstrząsów górniczych z wykorzystaniem skal SWD prowadzona jest w pasmach 1/3 oktawowych. Częstotliwości środkowe pasm 1/3 oktawowych w granicach od Hz wynoszą:1,00; 1,25; 1,60; 2,00; 3,16; 4,00; 5,00; 6,30; 8,00; 10,00; 12,50; 16,00; 20,00; 25,00; 31,60; 40,00; 50,00; 80,00 i 100,00. Stosunki między granicami pasm (górnej do dolnej) wynoszą jak 3 2. Oceny są wykonywane przy założeniu, że zarejestrowane przebiegi składowych poziomych drgań odpowiadają drganiom oddziaływującym bezpośrednio na przedmiotowy budynek (będący przedmiotem oceny), a więc tak jakby były zarejestrowane na gruncie w sąsiedztwie budynku lub w budynku w poziomie otaczającego terenu lub poniżej: a) Na rys. 3.2 b i c są pokazane wyniki analizy tercjowej przebiegu drgań z rys. 3.2a wykonanej pod kątem oceny szkodliwości tych drgań dla budynków, które kwalifikują się odpowiednio do oceny stosownie do skali SWD-I i SWD II. Maksymalna amplituda przebiegu drgań z rys. 3.2a wynosi ok. 156 mm/s 2. Jeśli omawiane budynki są stare i uszkodzone to przyjmuje się w ocenie szkodliwości niższy dopuszczalny poziom drgań przez przyjęcie niższych granic na rysunkach ze skalami SWD. Z rys. 3.2 b i c widać, że największe parametry drgań znajdują się w II strefie skal SWD (powyżej krzywej SWD I- A i SWD-II-A). Drgania takie traktowane są jako odczuwalne przez budynki, ale nieszkodliwe dla konstrukcji. Jeśli więc w budynkach są uszkodzenia elementów konstrukcyjnych to jako ich przyczynę, przy przewidywanych drganiach o intensywności do 150 mm/s 2, wstrząsy górnicze należy wykluczyć. Drgania takie mogą powodować intensyfikację istniejących uszkodzeń niekonstrukcyjnych. Jeśli budynki są nieuszkodzone, to drgania z rys. 3.2 b i c pozostają w I strefie skal SWD i są traktowane jako nieodczuwalne przez budynki i oczywiście są nieszkodliwe dla budynków. b) Do analizy przyjmuje się przebieg drgań jak na rys. 3.3a. Maksymalna amplituda tego przebiegu wynosi 203,5 mm/s 2. Analizy tego przebiegu wykonane pod kątem oceny szkodliwości tych drgań w pasmach 1/3 oktawowych są przedstawione na rys. 3.3 b i c. Przy ocenie wg skali SWD-I parametry drgań odniesione zarówno do budynku uszkodzonego jak i nieuszkodzonego mieszczą się w II strefie tej skali. Ocenę szkodliwości takich drgań przeprowadzono już uprzednio. Przy ocenie wg skali SWD-II parametry drgań odniesione do budynku uszkodzonego pozostają głównie w I i II strefie tej skali, ale w paśmie f i = 6,3 Hz granica SWD-II-B jest nieznacznie przekroczona. W tym jednym paśmie wartość przyspieszenia sięga do III strefy tej skali. Tak więc trzeba założyć, że jeśli budynek był uszkodzony z chwilą rozpoczęcia oddziaływań górniczych w postaci wstrząsów górniczych i jeśli drgania o intensywności jak w paśmie f = 6,3 Hz byłyby długotrwałe (np. po kilka godzin dziennie) to takie drgania mogłyby spowodować uszkodzenia konstrukcyjne, a ponieważ chodzi tu o budynek uszkodzony więc takie drgania (przy przyjętych wyżej założeniach) mogłyby intensyfikować uszkodzenia konstrukcyjne. W omawianym przypadku, z uwagi na wyjątkową krótkotrwałość intensywnej fazy drgań mogą (ale nie muszą) pojawić się uszkodzenia kosmetyczne 310

15 (niekonstrukcyjne). Jeśli drgania z rys. 3.3a odnieść wg skali SWD-II do budynku nieuszkodzonego, to parametry drgań mieszczą się w II strefie tej skali. Rys. 3.2 Wyniki analizy tercjowej wg skali SWD-I (a) i SWD-II (b) dla przebiegu drgań (a) 3.2 Stosowanie spektrum odpowiedzi Względne wzorcowe przyspieszeniowe spektrum odpowiedzi zostało przedstawione w p niniejszego referatu. Poniżej omawia się możliwość jego wykorzystania. Stosuje się go przede wszystkim w projektowaniu obiektów na obszarach sejsmicznych, ale również jako wystarczająco dokładną analizę dynamiczną w ocenie odporności istniejących budynków w pogłębionym diagnozowaniu budynków poddanych wstrząsom górniczym. Jest to metoda dopuszczona przez polską normę PN-85/B-02170, jak również Eurokod 8. Spektrum 311

16 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki odpowiedzi jest przede wszystkim stosowane do szacowania odpowiedzi budynków, które można modelować układem o jednym, ale także o wielu stopniach swobody podlegających działaniom sejsmicznym. Jak wykazały nasze badania, może być również z powodzeniem, stosowane do szacowania odpowiedzi dynamicznej budynków podlegających drganiom wzbudzanym wstrząsami górniczymi por. np. (Kowalski 1998). Rys. 3.3 Wyniki analizy tercjowej wg skali SWD-I (a) i SWD-II (b) dla przebiegu drgań (a) Możliwość wykorzystania spektrum odpowiedzi do wyznaczania sił sejsmicznych w projektowanych i istniejących budynkach podlegających wpływom wstrząsów górniczych 312

17 wymaga sporządzenia wzorcowego, względnego przyspieszeniowego spektrum odpowiedzi na podstawie wielu powierzchniowych drgań zarejestrowanych w rejonach występowania wstrząsów górniczych, podobnie jak się to czyni w wielu rejonach sejsmicznych. Tego rodzaju wynikowe spektrum odpowiedzi może być wykorzystane w projektowaniu budynków. Nie jest bowiem możliwe, aby projektant posługiwał się wieloma spektrami dla rożnych możliwych wstrząsów górniczych, jakie mogą zaistnieć w miejscu posadowienia projektowanego budynku. Wykorzystując spektra odpowiedzi od poszczególnych przebiegów drgań sporządzono przyspieszeniowe spektrum średnie (o prawdopodobieństwie przekroczenia równym 50%, tzw. uniform risk spectrum - por. Eurocode 8), odpowiadające różnym warstwom ułamka tłumienia krytycznego, które następnie poddano iteracyjnej procedurze wygładzenia. W celach porównawczych na rys. 2.6a i 2.6b przedstawiono względne przyspieszeniowe spektra odpowiedzi odrębnie dla obszaru GZW i LGOM. Siły dynamiczne (bezwładności) nazywane tu sejsmicznymi oblicza się za pomocą wzoru (z wykorzystaniem spektrum odpowiedzi S a): Sa Pik Qk ik (3.1) g gdzie: P - siła odpowiadająca drganiom budynku z i-tą częstotliwością drgań własnych f i, ik - oblicza się ze wzoru: ik ik j 1 c 2 Spektra odpowiedzi na rys. 2.6a i 2.6 b sporządzono przy przyjęciu wartości ułamka tłumienia krytycznego = 2,5% Eurocode 8 (Eurocode ) proponuje wzorcowe spektrum odpowiedzi dla = 5%, a zatem dla tłumienia większego. Założenie mniejszego tłumienia prowadzi w analizach dynamicznych do większych sił sejsmicznych (niekorzystniejszych sił wewnętrznych w konstrukcjach), a zatem oznacza pewien zwiększony zapas bezpieczeństwa. Spektra z rys. 2.6a i 2.6b wprowadzone zostały do wymagań technicznych dla obiektów 313 n j 1 ik n Q c Q j j i j gdzie: c - wylicza się zgodnie z zasadami dynamiki budowli. ij Dopuszcza się stosowanie innych spektrów odpowiedzi zgodnie z zależnościami: S d i j a fi (3.2) S (3.3) Sa Sv (3.4) 2 fi gdzie: S i są odpowiednio przemieszczeniowym i prędkościowym spektrum odpowiedzi. d S v

18 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki budowlanych wznoszonych na terenach górniczych, ITB, oddział w Gliwicach (Wymagania 1999). 3.3 Stosowanie analizy dynamicznej Przedstawiona powyżej ocena odporności na wstrząsy górnicze odnosi się do budynków kwalifikujących się do ocen zgodnie ze skalami SWD i nie dotyczy budynków szkieletowych (żelbetowych i stalowych) oraz prefabrykowanych budynków ścianowych mających więcej niż 5 kondygnacji. Te ostatnie budynki są typowymi w obu zagłębiach górniczych. Wykorzystanie skal nie daje jednak odpowiedzi na pytanie, które z elementów konstrukcyjnych budynku są najbardziej wytężone, a tym samym narażone na ewentualne uszkodzenia. Dokładniejszą ocenę wytężenia budynku można przeprowadzić poprzez pełną analizę dynamiczną, z wykorzystaniem przebiegów drgań. W tym celu wymagane jest przygotowanie teoretycznych modeli odpowiedzi budynków na sejsmiczne wymuszenie, wykorzystanie pełnych zarejestrowanych przebiegów drgań powierzchniowych oraz dysponowanie odpowiednim sprzętem obliczeniowym. Przeprowadzono ocenę i analizę teoretyczną zachowania się niskiego, typowego dla polskich warunków budynku jednorodzinnego, poddanego obciążeniom dynamicznym wywołanym wstrząsami górniczym z LGOM. Analizę dynamiczną przeprowadzono w zakresie sprężystym i objęła ona: a) dobór teoretycznego modelu odpowiedzi rzeczywistego budynku na wymuszenie sejsmiczne. b) wyznaczenie cech dynamicznych budynku na podstawie jego badań w skali naturalnej i jego teoretycznego modelu, c) obliczenie teoretycznej odpowiedzi modelu budynku na przykładowe, rzeczywiste pomierzone wymuszenia kinematyczne, d) oszacowanie naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych budynku na podstawie obliczeń. Obliczenia dynamiczne wykonane zostały przy użyciu programu elementów skończonych ALGOR. Wyniki analizy teoretycznej prowadzonej pod kątem oceny szkodliwości drgań na elementy nośne analizowanego budynku, porównano z wynikami przybliżonej oceny szkodliwości tych drgań w odniesieniu do konstrukcji całego obiektu, wykonanej z wykorzystaniem skal SWD normy PN-85/B Kryterium przydatności modelu budynku stanowi obliczona podstawowa częstotliwość drgań własnych porównywalna z pomierzoną częstotliwością rezonansową. Rozważano przypadek wymuszenia jednej składowej poziomej drgań, co jest zgodne z propozycjami Eurokodu 8, oraz dwu składowych x i y przyspieszeń drgań od tego samego reprezentatywnego wstrząsu górniczego. Celem obliczeń odpowiedzi dynamicznej modelu na przyjęte wymuszenia kinematyczne było m.in. określenie stanu wytężenia ścian budynku poprzez wyznaczenie w nich naprężeń; określano lokalizację i wartości maksymalnych naprężeń głównych. W tym celu wyznaczano, w każdym kroku czasowym, mapy naprężeń głównych. Porównano poziomy odpowiedzi dynamicznej modelu w przypadku jedno i dwukierunkowego działania przyjętego wymuszenia kinematycznego. Obliczone dynamiczne naprężenie w ścianach nośnych od wymuszenia drganiami wywołanymi wstrząsami górniczymi np. a max równe nawet 320 mm/s 2 są poniżej stanu granicznego. Przeprowadzone przybliżone analizy przebiegów drgań pod kątem oceny 314

19 szkodliwości na analizowany budynek na podstawie skal SWD, przy ich właściwej interpretacji są zgodne z wynikiem teoretycznej analizy dynamicznej. Pomocne w ocenie odporności budynków ścianowych prefabrykowanych (szczególnie wysokich) podlegających działaniu wstrząsów górniczych są poniższe wnioski wynikające z analiz dynamicznych tego rodzaju budynków: W budynkach wysokich 11-kondygnacyjnych i wyższych siły sejsmiczne od wstrząsów z LGOM należy obliczać z uwzględnieniem dwóch pierwszych postaci drgań własnych obiektów. Te same budynki reagują odmiennie na wstrząsy górnicze z LGOM i GZW o tej samej maksymalnej amplitudzie przyspieszenia (a max). Maksymalne przyspieszenie drgań gruntu nie jest wystarczającą miarodajną charakterystyką powierzchniowych przebiegów wstrząsów górniczych do oceny sił sejsmicznych (a zatem również oceny ich szkodliwości dla budynków), Istotny wpływ na sztywność, a zatem na częstotliwość drgań własnych budynków w kierunku podłużnym mają elementy niekonstrukcyjne (ściany osłonowe). 3.4 Wyznaczanie sił sejsmicznych na podstawie wyników pomiarów Oceny szkodliwości drgań od wstrząsów górniczych dla budynku można dokonać na podstawie pomiarów drgań budynku. Do tej pory takich ocen nie przeprowadzano. Można przewidzieć odpowiednie badania dynamiczne w skali naturalnej. Szansa taka się wyłania. Tego rodzaju badania i analiza wyników badań miałyby ogromne znaczenie poznawcze i praktyczne. W zakresie teoretycznym pozwoliłyby na: * identyfikację modeli przyjmowanych w obliczeniach dynamicznych, * określenie rzeczywistych deformacji obiektu, * wyznaczenie rzeczywistych sił sejsmicznych. W tym celu niezbędne są odpowiednie badania dynamiczne. Czujniki pomiarowe rozmieszcza się w ten sposób, aby możliwe było wyznaczenie nie tylko parametrów drgań, ale i postaci przemieszczeń budynków w czasie ich ruchów w kierunku ich osi poprzecznych i podłużnych oraz drgań skrętnych. W tym celu mierzy się składowe poziome drgań budynków jako całości w dwu wzajemnie prostopadłych kierunkach równoległych do osi poprzecznych i podłużnych budynków. Oprócz pomiaru drgań pionowych elementów nośnych rejestruje się składowe pionowe drgań stropów, zwykle w połowie ich rozpiętości. W celu określenia postaci drgań budynków wybiera się kilka poziomów pomiarowych na całej jego wysokości. W budynkach wysokich, gdy chcemy zarejestrować składowe drgań nie tylko z podstawową, ale i z wyższymi częstotliwościami drgań własnych, nie możemy ustawiać czujników w takim poziomie budynku gdzie postać przemieszczeń odpowiadająca np. drugiej częstotliwości drgań własnych jest równa lub bliska wartości zerowej. W przypadku niskich budynków wystarczają dwa poziomy pomiarowe - w dolnej i górnej części budynku. Liczba poziomów pomiarowych zależy też od przyjmowanych kryteriów oceny zachowania się obiektu i jego funkcji. W dolnych poziomach pomiarowych zarówno w budynkach niskich jak i wysokich należy mierzyć oprócz dwu składowych poziomych również składowe pionowe drgań. Czujniki pomiarowe mocuje się do nośnych elementów konstrukcji budynku. 315

20 E. MACIĄG - Ocena wpływu wstrząsów górniczych na budynki W dolnych poziomach pomiarowych czujniki przytwierdza się do ścian w poziomie posadzki piwnicy. W celu zbadania zjawiska przekazywania się drgań z gruntu na budynek noszącego nazwę interakcji dynamicznej, wykonuje się równoczesne pomiary drgań w budynkach i na gruncie w ich sąsiedztwie. Po dłuższym okresie badań można by stwierdzić czy w budynku zachodzi degradacja jego sztywności na skutek podlegania, aczkolwiek nie częstym ale występującym przez kilka lat, działaniom dynamicznym. Mając zarejestrowane drgania, można określić wartości przyspieszeń, częstotliwości oraz fazowości pozwalającej na określenie postaci drgań. Mając podane w/w wielkości oraz masy wyznaczone na podstawie dokumentacji lub inwentaryzacji obiektu można określić siły dynamiczne działające na konstrukcje. Analiza przebiegów drgań pozwala na określenie najniekorzystniejszego - z uwagi na siły przekrojowe (wewnętrzne) - układu sił dynamicznych. W przypadku drgań budynku wzbudzonych drganiami przekazywanymi przez podłoże, po części początkowej przebiegów drgań następuje faza drgań swobodnych (po wytłumieniu drgań podłoża), która pozwala na określenie częstotliwości i postaci drgań rezonansowych; z reguły jest to tylko podstawowa, lub pierwsza i druga częstotliwość i odpowiadające im postacie. Pomiarami z zastosowaniem dynamicznej tensometrii elektrooporowej można wyznaczyć rzeczywiste naprężenia dynamiczne w wybranych punktach o spodziewanych maksymalnych wartościach tych naprężeń. Pomiary tensometryczne są efektywnym sposobem oceny naprężeń dynamicznych w nośnych elementach budynków poddanych badaniom w skali naturalnej. Wyniki proponowanych badań wybranego typowego budynku można by wykorzystać poprzez porównanie do oceny szkodliwości drgań w innych podobnych obiektach poddawanych drganiom od wstrząsów górniczych o różnej ich intensywności. 4. Wnioski Chcąc dokonać oceny szkodliwości drgań wzbudzonych wstrząsami górniczymi dla budynków trzeba dysponować miarodajnymi danymi w postaci zarejestrowanych lub prognozowanych przebiegów drgań dla lokalizacji obiektu podlegającego ocenie. Stosowanie skal jest tu niewystarczające; konieczna jest także ocena stanu technicznego obiektu, bowiem skutki oceny mogą pociągnąć za sobą daleko idące roszczenia odszkodowawcze. Problem wpływu wstrząsów górniczych na budynki, szczególnie na obiekty wysokie, nie jest, jak dotąd, w pełni rozwiązany. Wymagane są dalsze badania w tym względzie, łącznie z badaniami geofizycznymi, głównie w LGOM-ie. Literatura [1] Bolt B.A., 1981: Earthquakes. (wyd. ros.), Wyd. Mir, Moskwa. [2] Ciesielski R., 1961: Ujęcie obliczeniowe oraz ocena wpływu drgań i wstrząsów pochodzących ze źródeł zewnętrznych na niektóre typy budowli. Zeszyt Naukowy nr 1, Politechnika Krakowska, Kraków. [3] Ciesielski R., 1973: Ocena szkodliwości wpływów dynamicznych w budownictwie. Wyd. Arkady, Warszawa. 316