ZAGROŻENIE USZKODZENIAMI BUDYNKÓW MUROWYCH PRZEZ WSTRZĄSY GÓRNICZE W ŚWIETLE ANALIZY WYTĘŻENIA ICH KONSTRUKCJI. Andrzej Wawrzynek, Zbigniew Lipski

Transkrypt

1 ZAGROŻENIE USZKODZENIAMI BUDYNKÓW MUROWYCH PRZEZ WSTRZĄSY GÓRNICZE W ŚWIETLE ANALIZY WYTĘŻENIA ICH KONSTRUKCJI Andrzej Wawrzynek, Zbigniew Lipski 1. Wprowadzenie Po wielu latach badań nad problemami związanymi z wpływem wstrząsów górniczych na budynki dorobek badawczo aplikacyjny jest na tyle obszerny, że powinien zapewniać, przynajmniej w ogólnym zarysie, poprawność procesu projektowania i wznoszenia typowych budynków mieszkalnych, handlowych i użyteczności publicznej narażonych na obciążenia tego typu [1-6]. Nie oznacza to, że wszystkie problemy związane z tym wpływem są rozwiązane i istnieje pełny konsensus dotyczący interpretacji obliczeń numerycznych konstrukcji obiektów budowlanych oraz wyników pomiarów dynamicznych i sejsmologicznych prowadzonych w rejonach zagrożonych wstrząsami górniczymi. Można tylko z dużą dozą prawdopodobieństwa stwierdzić, że podstawowe problemy, istotne z punktu widzenia praktycznego zostały rozpoznane w stopniu umożliwiającym wiarygodne projektowanie i wznoszenie wspomnianych budynków. W niniejszej pracy przedstawiono niektóre aplikacyjne aspekty numerycznej analizy wpływu wstrząsów górniczych na niską, tradycyjną zabudowę mieszkalną oraz w ogólnym zarysie jej metodykę. Badania prowadzone były głównie w Legnicko Głogowskim Okręgu Miedziowym lecz wnioski z nich wypływające mogą być w znacznej mierze rozszerzone także na analogiczną zabudowę Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego. Analiza niskiej zabudowy narażonej na wpływ wstrząsów górniczych prowadzona była zgodnie z zasadami zalecanymi w [7] w odniesieniu do problemów inżynierii sejsmicznej. Jej zasadniczym etapem było określenie ekstremalnego wytężenia konstrukcji nośnej obiektów narażonego na wpływ parasejsmiczny, który był podstawą oceny ich bezpieczeństwa i stanu użytkowalności. Na tej podstawie sformułowano wnioski dotyczące np. stosowania konkretnych rozwiązań konstrukcyjnych, materiałowych itp. Niektóre z nich przedstawiono w niniejszej pracy. Etapy analizy zabudowy dostosowane do warunków Polkowic były następujące: wybór obiektów reprezentatywnych dla zabudowy miasta zagrożonej znacznym oddziaływaniem wstrząsów, polegał na przeprowadzeniu wstępnej selekcji kilkuset budynków z punktu widzenia stopnia ich odporności na ten wpływ, analiza zbioru akcelerogramów zarejestrowanych w stacjach sejsmologicznych na terenie Polkowic w latach , której celem było oszacowanie najwyższego poziomu odpowiedzi dynamicznej analizowanych budynków tj. wytypowanie wymuszeń kinematycznych stanowiących najwyższe ich zagrożenie, opracowanie numerycznych modeli reprezentatywnych budynków według metody elementów skończonych uwzględniających najważniejsze części konstrukcji nośnej budynków, wykonanie obliczeń numerycznych stanu naprężeń, odkształceń i przemieszczeń całkowitych wywołanych w konstrukcji przez obciążenie dynamiczne wymuszenia kinematyczne o dwóch poziomych składowych oraz obciążenia statycznego stałego i części długotrwałej obciążenia zmiennego z uwzględnieniem różnych wersji materiałów konstrukcyjnych,

2 przeprowadzenie analizy wytężenia konstrukcji obiektów reprezentatywnych ze szczególnym wyeksponowaniem zróżnicowania materiałowego obiektów i ich obciążeń dynamicznych, ustalenie prawidłowości występujących w uzyskanych wynikach obliczeń z uwzględnieniem przedmiotowych norm konstrukcyjnych. 2. Charakterystyka analizowanych typów obiektów Z oczywistych względów nie było możliwe przeprowadzenie analiz numerycznych dla wszystkich budynków i wszystkich wiarygodnie zarejestrowanych wstrząsów. Dokonano więc wyboru kilku budynków zwanych reprezentatywnymi będących przedmiotem szczegółowych analiz odporności na obciążenia dynamiczne ,70 2,34 3,84 2,40 A Y X 4,20 4,50 B C Y X 4,50 4,25 A B C 1,25 2,10 1,90 1,69 1,35 1, ,40 F 1, E 2,10 3,03 6 D 2,70 2,73 5 2,01 C 2, ,20 3,00 6, ,54 B A 2,40 1,80 1,80 3a 3 1, ,00 2,00 0,40 3,00 A B D E C Rys. 1. Schematy ław fundamentowych analizowanych typów obiektów Budynki te wybrano według następującego kryterium:

3 reprezentowały cechy dużej liczby budynków o zbliżonej geometrii (kształcie) i konstrukcji (sztywności i zastosowanych materiałach), była dostępna pełna dokumentacja budowlana, miały najniższą szacunkową odporność budynków na wstrząsy górnicze. Na przykład spośród budynków o zbliżonym rzucie poziomym i tych samych materiałach budowlanych, ale różnej liczbie kondygnacji, wybierano - oczywiście - wyższy, jako potencjalnie bardziej zagrożony uszkodzeniem. Schematy ław fundamentowych i ścian konstrukcyjnych wytypowanych obiektów reprezentatywnych przedstawiono na rys Klasyfikacja obciążeń parasejsmicznych Obliczenia numeryczne będące podstawą analizy wytężenia budynków jednorodzinnych prowadzono z wykorzystaniem wymuszenia kinematycznego. Stanowiły go dwie poziome składowe rejestrowanych w stacjach sejsmologicznych przebiegów przyspieszenia związanego z drganiami swobodnej powierzchni gruntu wywołanych przez wstrząs górniczy. Zbiór takich dwuskładowych wymuszeń odpowiadał stu kilkudziesięciu prawidłowo zarejestrowanym wstrząsom. Racjonalizacja zakresu obliczeń wymagała ich selekcji, którą wykonano uwzględniając następujące cechy: wartości ekstremalnych amplitud szczytowych, kształt impulsu lub segmentu akcelerogramu zawierającego amplitudę szczytową, położenie pasm zawierających ekstremalne wartości widmowej gęstości mocy. Otrzymane typy akcelerogramów charakteryzowały się zbliżonymi własnościami widmowymi oraz zbliżonym przebiegiem w czasie. To ujednolicenie cech w grupach, po uwzględnieniu widma własnego poszczególnych budynków pozwoliło na wytypowanie wymuszeń kinematycznych wywołujących maksymalną lub zbliżoną do niej odpowiedź dynamiczną analizowanych obiektów. Przykład zastosowanego w obliczeniach wymuszenia kinematycznego wykazującego najbardziej intensywne oddziaływanie na budynki pokazano na rys. 2. Ten typ sygnałów charakteryzuje się maksymalnymi wartościami funkcji widmowej w zakresie częstotliwości poniżej 10 Hz dla środkowego segmentu akcelerogramu. Rys. 2. Wymuszenie kinematyczne typu wywołującego ekstremalne odpowiedzi analizowanych budynków

4 4. Modele numeryczne budynków Do numerycznej symulacji odpowiedzi dynamicznej budynków na wymuszenie kinematyczne wykorzystano modele metody elementów skończonych MES w wersji przemieszczeniowej. Obliczenia konstrukcji przeprowadzono za pomocą programu komputerowego ANSYS. Dodatkowo posługiwano się autorskimi programami do obsługi, selekcji, wizualizacji i opracowywania ogromnych zbiorów wyników obliczeń. W obliczeniowym modelu budynków wykorzystano powłokowe elementy skończone o sześciu stopniach swobody (trzy przemieszczenia i trzy obroty) w każdym węźle. Dla każdego z budynków przyjęto kilka wersji modelu obliczeniowego różniące się materiałami konstrukcyjnymi dla ścian nośnych przyziemia i nadbudowy. Różnicowano je tak, żeby uwzględnić materiały od najniższych do najwyższych wartości wytrzymałości tj. od tradycyjnych bloczków żużlobetonowych i PGS do cegły ceramicznej wyższych klas i bloczków betonowych na zaprawie cementowej. Zadanie dynamiki konstrukcji z wymuszeniem kinematycznym rozwiązano metodą całkowania równań ruchu przyjmując ciągły rozkład masy oraz przyrostowe, zmienne w czasie działanie wymuszenia zgodne z zarejestrowanymi przebiegami przyspieszenia. Przykładowy model numeryczny przedstawiono na rys. 3. W modelach obok ścian, stropów, ław fundamentowych z podłożem gruntowym uwzględniono także wieńce, nadproża, biegi schodowe i niektóre ścianki działowe. Rys. 3. Przykładowy model numeryczny analizowanego budynku (odcienie szarości oznaczają różne materiały) Odpowiedź dynamiczna konstrukcji budynków wyrażana była przez: chwilowe pola przemieszczeń, pola naprężeń normalnych i stycznych oraz pola odkształceń postaciowych. Pola te zależą od wartości przyjętych w obliczeniach kombinacji trzech obciążeń: - ciężaru własnego wynikającego z rodzaju materiałów zastosowanych w badanym obiekcie i rzeczywistych wymiarów elementów konstrukcyjnych, - części długotrwałej obciążeń użytkowych stropów, - obciążeń od wstrząsów górniczych modelowanych wymuszeniem kinematycznym. Wartości ciężaru własnego oraz części długotrwałej obciążenia zmiennego przyjęto jako równe ich wartościom charakterystycznym, co wynika z następujących przesłanek:

5 - obciążenia stałe budynków mają w zasadzie charakter prawie deterministyczny, natomiast obciążenia zmienne i dynamiczne od wstrząsów górniczych mają strukturę losową, - w trakcie bieżącej eksploatacji budynku obciążenie użytkowe osiąga wartość zbliżoną do maksymalnej bardzo rzadko i jest bardzo mało prawdopodobne, żeby maksymalne obciążenie użytkowe na wszystkich kondygnacjach budynku wystąpiło jednocześnie ze wstrząsem górniczym, - obciążenie pionowe działa redukująco na naprężenia dynamiczne w przekrojach poziomych narażonych na rozciąganie i ścinanie, przyjęcie więc stosunkowo małej, ale występującej prawie na pewno wartości obciążenia użytkowego pozwala na oszacowanie odporności od dołu. 5. Zasady opracowywania wyników W trakcie obliczeń dynamicznych metodą historii obciążenia pakiet komputerowy ANSYS określał chwilowe pola naprężeń, odkształceń i przemieszczeń dynamicznych w całym modelu obliczeniowym budynku (we wszystkich ścianach) i w każdym kroku czasu trwania wymuszenia. W efekcie otrzymano zbiór co najmniej kilkuset zestawów wyników dla każdego budynku nie dający się racjonalnie przeanalizować. Stosując odpowiednie procedury postprocesora wybrano spośród nich ekstremalne pola wielkości dynamicznych. Jako kryterium wyboru chwili, w której występują te ekstrema wybrano chwilę ruchu budynku, w której maksymalne przemieszczenie najwyższego stropu względem fundamentu osiągało największą wartość. Niezależnie otrzymano także rozwiązania od obciążeń statycznych. W ten sposób określono: naprężenia normalne σ z (pionowe), σ x i σ y (poziome, wzajemnie prostopadłe) w płaszczyznach zewnętrznej, środkowej i wewnętrznej wszystkich ścian, naprężenia styczne w płaszczyznach środkowych wszystkich ścian, odkształcenia postaciowe we wszystkich ścianach, przemieszczenia wybranych punktów konstrukcji. st Na podstawie naprężeń wywołany obciążeniami statycznymi σ oraz dynamicznymi dyn σ określono nowy stan naprężeń opisany równaniem obw σ stanowiący obwiednię naprężeń st σ oraz dyn σ i obw st dyn σ = σ + ασ, (1) gdzie α jest współczynnikiem liczbowym, za pomocą uwzględniano możliwość działania przyjętego wymuszenia kinematycznego (składowej) z przesunięciem fazowym 0 lub π radianów na analizowany obiekt. Analiza stanu naprężeń obw σ polegała na tym, że w każdym budynku, dla każdej składowej stanu naprężeń w każdej ścianie sprawdzano warunek obw GR σ σ = f (2) k gdzie f k wytrzymałość muru w jednoosiowym stanie naprężenia, określona doświadczalnie w stanie zarysowania lub, w przypadku braku danych, równa wartości normowej, GR charakterystycznej [8]. W analizach uwzględniano dopuszczalne wartości σ ze względu na zarysowanie wynikające z rozciągania i ścinania. W analizie nacisk położony był na sprawdzenie stanu granicznego zarysowania ponieważ nie stwierdzono przekroczenia stanu granicznego nośności stanowiącego zagrożenie bezpieczeństwa analizowanych obiektów. Uzupełniono ja oszacowaniem pól powierzchni ścian, dla których zachodziło przekroczenie

6 GR odpowiednich wartości granicznych σ wg (2). Mapy obrazujące te powierzchnie ścian wykorzystano do identyfikacji obszarów konstrukcji szczególnie narażonych na uszkodzenia związane z działaniem wstrząsów górniczych. Dokonano także oszacowania odporności nieuszkodzonych budynków na wpływ wstrząsów górniczych, wyrażonej za pomocą maksymalnego, poziomego przyspieszenia powierzchni ziemi a 0. Uwzględniono przy tym warunek wystąpienia zarysowań wg zależności min{ ( st a a σ ) σ } =, (3) dyn 0 max f k gdzie a max - szczytowe poziome przyspieszenie charakteryzujące wymuszenie kinematyczne. Rys. 4. Rozkład pionowych naprężeń normalnych w całym budynku Rys. 5. Rozkład pionowych naprężeń normalnych w ścianie

7 6. Rezultaty i propozycje Rys. 6. Rozkład naprężeń tnących w ścianie Spośród bogactwa wyników, wniosków itp. będących rezultatami przeprowadzonych obliczeń, analiz wspartych obserwacjami w naturze poniżej przedstawiono to, co zdaniem autorów jest ważne i w miarę ogólne. Wiele kontrowersji wzbudza sposób charakteryzowania poziomu obciążenia dynamicznego związanego ze wstrząsami górniczymi. Ze względów praktycznych próbowano charakteryzować je za pomocą tylko jednego parametru np. energii sejsmicznej, szczytowej amplitudy przyspieszenia lub prędkości, magnitudy, stopnia intensywności wg skal sejsmicznych. Taki sposób opisu ma niewątpliwą zaletę jest prosty niestety aż do przesady. Szczegółowe analizy numeryczne budynków poddanych działaniu obciążeń dynamicznych od różnych wstrząsów wykazują pewne regularności w odpowiedziach dynamicznych obiektów. Podkreślenia wart jest fakt, że wymuszenia te były zawsze identyczne z przebiegami przyspieszenia powierzchni ziemi zarejestrowanymi w stacjach sejsmologicznych. Analiza dynamiczna tego samego obiektu poddanego działaniu zbioru wymuszeń wskazywała bowiem, że poziom ekstremalnych naprężeń dynamicznych jest zróżnicowany i zależy w wysokim stopniu od struktury czasowo widmowej tych obciążeń. Dlatego możliwe jest racjonalne uproszczenie problemu charakterystyki obciążeń dynamicznych od wstrząsów przy zachowaniu jej wiarygodności polegające na zastosowaniu rejonizacji sejsmologicznej. Polegałaby ona na określeniu obciążenia tylko za pomocą jednego, dwóch parametrów lecz odnosiłoby się ono do określonego okresu czasu występowania wstrząsów, podanego obszaru górniczego lub jego części i wskazanej klasy obiektów budowlanych, dla których obciążenie wywoływałoby ekstremalny poziom odpowiedzi dynamicznej. Przyjmując to założenie zaproponowano [5] ogólny sposób szacowania zagrożenia istniejących budynków jednorodzinnych. Jeśli: zachowane będzie podobieństwo jednego lub wielu nowo analizowanych budynków do

8 opisanych wyżej obiektów, a w szczególności ich rzutów kondygnacji parteru, rozwiązań bryły obiektu, materiałów konstrukcyjnych i podłoża gruntowego, ocena dotyczyć będzie obszaru, w którym podstawowe cechy wymuszeń kinematycznych będą zgodne z wykorzystanymi w niniejszym artykule, analizowane obiekty będą zabezpieczone przeciw deformacjom górniczym kategorii II, to wówczas oszacowane poziome przyspieszenia powierzchni ziemi a 0 wyrażające odporności budynków na wstrząsy górnicze w przybliżeniu wyniosą: budynki dwukondygnacyjne a 0 = 0,25-0,45 0,5 m/s 2 ; najmniejsza wartość odpowiada obiektom o ścianach nadziemnych z bloczków typu PGS; pozostałe wartości należy łączyć ze ścianami konstrukcyjnymi z cegły ceramicznej pełnej z tym, że wartość średnia odpowiada budynkom o starszej konstrukcji ze stropodachem izolowanym żużlem piecowym, budynki dwukondygnacyjne o ścianach nośnych, nadziemnych z bloczków betonu komórkowego na cienkich spoinach a 0 = 0,35 m/s 2, budynki jednokondygnacyjne a 0 = 0,4 0,5 m/s 2 ; mniejsza wartość odpowiada ścianom nadziemnym z bloczków betonu komórkowego na cienkich spoinach, większa - z cegły ceramicznej pełnej. Ściany piwniczne budynków mogą być wykonane z betonu monolitycznego lub murowane z bloczków betonowych. W powyższej klasyfikacji zawarty jest wniosek warty wyeksponowania z punktu widzenia odporności mianowicie jej wyraźna zależność od rodzaju materiału konstrukcyjnego. Można bowiem wykazać na podstawie wyników obliczeń, że stosując materiały murowe o podwyższonej wytrzymałości np. cegły ceramiczne wyższych klas można oczekiwać, że odporność tego samego obiektu jest co najmniej dwukrotnie wyższa w stosunku do sytuacji, gdy wzniesiony jest z materiałów o małej wytrzymałości np. tradycyjnych bloczków żużlobetonowych, bloczków PGS itp. Z punktu widzenia projektowania nowych budynków warte wyeksponowania są także uwagi dotyczące szczegółowych aspektów rozwiązań konstrukcyjnych [4]. Wynikają one z analizy numerycznej stanu wytężenia budynków, ale także obserwacji zachowania się istniejących obiektów poddanych działaniu wstrząsów w rejonie LGOM. Ściany zewnętrzne i wewnętrzne konstrukcyjne powinny być wykonywane jako jednorodne (jednowarstwowe) z elementów o tych samych właściwościach wytrzymałościowych. Konieczne jest przestrzeganie zasad przewiązania murów w miejscach połączeń ścian do siebie prostopadłych. Na ścianach zewnętrznych należy stosować lekkie izolacje termiczne. W celu zabezpieczenia ścian działowych przed uszkodzeniem należy wzmocnić ich połączenie ze ścianami poprzecznymi (konstrukcyjnymi i działowymi) za pomocą zbrojenia w postaci prętów lub siatek układanych w spoinach nie rzadziej niż co 0,7 m [9]. Nie należy stosować ścian działowych o grubości 1/4 cegły. W budynkach powinny być stosowane żelbetowe, płytowe stropy monolityczne lub stropy gęstożebrowe. W stropach jednokierunkowo zbrojonych należy zastosować poprzeczne zbrojenie konstrukcyjne, zapewniające prawidłowe usztywnienie tarczy stropowej w jej płaszczyźnie. W poziomie wszystkich stropów, wzdłuż ścian zewnętrznych oraz konstrukcyjnych ścian wewnętrznych, należy bezwzględnie stosować monolityczne, ciągłe wieńce żelbetowe, niezależnie od liczby kondygnacji budynku. Niezbędne jest zachowanie ciągłości zbrojenia wieńców. Należy w nich kotwić zbrojenie płyt stropowych. Ze względu na znaczne zmniejszenie odporności budynków na działanie wstrząsów górniczych należy unikać: dużych otworów o rozpiętości większej niż 2,0 m, zwłaszcza łączonych otworów okiennych i drzwiowych (np. balkonowe), ścian łamanych w planie, ścian osłonowych lub wewnętrznych, konstrukcyjnych opartych na podciągach. Ewentualne wprowadzenie wymienionych rozwiązań wymaga szczegółowej analizy wytrzymałościowej i

9 odpowiedniego wzmocnienia konstrukcji. Ważnym aspektem wykorzystania wyników analiz numerycznych konstrukcji opisywanych budynków jest diagnostyka obiektów istniejących [10]. Ważna ona jest przede wszystkim w trakcie sporów pomiędzy ich właścicielami a zakładami górniczymi dotyczącymi odpowiedzialności za istniejące uszkodzenia. Do niedawna w trakcie takich sposobów wykorzystywano uproszczone sposoby oceny przyczyn powstawania uszkodzeń np. skale sejsmiczne. Prowadziło to do wątpliwych konkluzji i przedłużania sporów. Nie rozstrzygając o sposobach diagnostyki można zaproponować jako narzędzie pomocnicze zasady lokalizacji typowych stref uszkodzeń konstrukcji nośnej i elementów drugorzędnych w budynku jednorodzinnym. Wynikają one z obliczeń konstrukcji obiektów oraz obserwacji budynków w naturze. Można wymienić następujące strefy zagrożenia: naroża otworów okiennych i drzwiowych, słupki międzyotworowe, pasma podokienne, górne naroża ścian, pasma podstropowe ścian. Lokalizacje niektórych spośród tych obszarów pokazano na rys. 9. W związku ze zmianą pól naprężeń w czasie lokalizacja ekstremów różnych składowych naprężeń zmienia się i nie występują one jednocześnie, a więc obszary zagrożenia lokalizują się na poszczególnych ścianach np. na prawej lub lewej jej stronie, w jednym narożu lub przeciwległym itp. Ściany z intensywną perforacją są wyraźnie bardziej zagrożone zarysowaniami niż ściany słabo perforowane lub pozbawione otworów.

10 Rys. 9. Przykładowe lokalizacje stref (ciemniejsze pola) ścian szczególnie narażonych na uszkodzenia LITERATURA [1] Instrukcja 364/2000. Wymagania techniczne dla obiektów budowlanych wznoszonych na terenach górniczych. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa [2] Instrukcja 391/2003. Projektowanie budynków podlegających wpływom wstrząsów górniczych. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa [3] Tatara T.: Działanie drgań powierzchniowych wywołanych wstrząsami górniczymi na niską tradycyjną zabudowę mieszkalną. Zeszyty Naukowe Politechniki Krakowskiej, seria Inżynieria Lądowa, nr 74, Kraków [4] Wawrzynek A., Kubica J., Lipski Z.: Podstawowe zasady projektowania budynków jednorodzinnych zagrożonych oddziaływaniem wstrząsów górniczych. Inżynieria i Budownictwo, nr 3/2003, s [5] Wawrzynek A., Lipski Z., Pilśniak J.: Ocena zagrożenia niskiej zabudowy mieszkalnej w rejonie Polkowic oddziaływaniami parasejsmicznymi. Inżynieria i Budownictwo, nr 10/2003, s

11 [6] Kwiatek J. i inni: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice [7] ISO-DIS 3010 Basis for Design of Structures Seismic Actions on Structures. Revision of First Edition. [8] PN-B-03002:1999 Konstrukcje murowe niezbrojone- Projektowanie i obliczanie. [9] PN-B-03340:1999 Zbrojone konstrukcje murowe.-projektowanie i obliczanie konstrukcji. [10] Ciesielski R., Kawecki J., Maciąg E.: Ocena wpływu wibracji na budowle i ludzi w budynkach. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, 1993.