Drgania drogowe i obciążenia cykliczne.

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Drgania drogowe i obciążenia cykliczne. Efekty te są pochodzenia użytkowego wynikające z przejazdu sprzętu kołowego, kolejowego, budowlanego, pracy maszyn i in. Szczególnie uciążliwy i w wielu przypadkach niebezpieczny jest ruch kołowy i kolejowy wywołujący drgania drogowe. Uciążliwość jest dotkliwa szczególnie w centrach dużych i starych miast, gdzie mamy do czynienia z wąskimi ulicami w zabytkowych dzielnicach. Stąd też, problem drgań drogowych jest od wielu lat przedmiotem zainteresowania specjalistów z wielu branż. Konieczność zbadania wpływu cyklicznych obciążeń na zachowanie się ośrodka gruntowego została spowodowana obserwowanymi w przeszłości licznymi katastrofami budowli w wyniku trzęsień ziemi. Zwrócono przy tym uwagę iż zjawisko zniszczenia gruntu przy cyklicznych obciążeniach ma zgoła inny charakter, co związane jest z trój-, a nawet w szczególnym przypadku z dwufazowością ośrodka i zachodzi poprzez tzw. upłynnienie. Jest to stan, w którym grunt traci całkowicie swą wytrzymałość na ścinanie i zachowuje się jak ciecz. Jest to typowe zjawisko tiksotropii czyli przechodzenia gruntów o dużej zawartości drobnych cząstek w płynną zawiesinę. Bardzo nieporządane szczególnie przy zagęszczaniu warstw gruntowych lub poddanych wstrząsom lub cyklicznym oddziaływaniom ruchu, wreszcie wibracjom. Mowa tu nie tylko o dużej zawartości frakcji ilastych lecz również frakcji pylastej. W tego typu gruntach cząstki iłowe i koloidalne tworzą pomiędzy strukturą o grubszych frakcjach spoiwa w postaci ciągłej siatki przestrzennej. Wadą tego typu wiązania jest mała odporność na uplastycznienie gruntu lub nawet upłynnienie w warunkach oddziaływania obciążeń dynamicznych. Podjęte badania wykazały ich wpływ nie tylko na zdrowie ludzkie, ale także na stateczność obiektów budowlanych oraz na stateczność ustrojów podpierających, skarp nasypów i wykopów, a także zboczy naturalnych. Do oceny wpływu drgań na obiekty znajdujące się w otoczeniu źródła drgań stosuje się normy niemiecką DIN lub polską PN-B-02170:1985. W polskiej normie ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże obejmuje budynki. Wprowadza ona skale wpływów dynamicznych (SWD). Na wykresach amplitudy przyspieszenia w zależności od częstotliwości wydzielono 5 stref (I V). Strefy te oddzielone są dodatkowo czterema granicami (A D). Skale SWD mają pięć stref (I, II, III, IV i V) oddzielonych czterema liniami granicznymi (A, B, C i D). Linie te podano na rys. 1 i 2 w układzie wspołrzędnych: częstotliwość drgań f [ Hz] - przemieszczenie d [ m],

2 Rys. 1. Rys. 2. a na rys. 3 i 4 w układzie wspołrzędnych: częstotliwość drgań f [Hz] - przyspieszenie a [m/s 2 ] Rys. 3. Rys. 4.

3 Wartości współrzędnych należy wyznaczać z pomiaru w punktach pomiarowych umieszczonych na konstrukcji w poziomie terenu. W normie przyjęto następujące kryteria podziału na strefy szkodliwości: - strefa I - drgania nieodczuwalne przez budynek; granica A - dolna granica odczuwalności drgań przez budynek i dolna granica uwzględnienia 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, - strefa III - drgania szkodliwe dla budynku, powodują lokalne zarysowania i spękania, przez co osłabiają konstrukcje budynku i zmniejszają jego nośność oraz odporność na dalsze wpływy dynamiczne; może nastąpić odpadanie wypraw i tynków; granica C - granica wytrzymałości pojedynczych elementów budynku, dolna granica ciężkich szkód budowlanych; - strefa IV - drgania o dużej szkodliwości dla budynku i stanowiące zagrożenie bezpieczeństwa ludzi; powstają liczne spękania, lokalne zniszczenia murów i innych pojedynczych elementów budynku; istnieje możliwość spadania przedmiotów zawieszonych, odpadanie płatów wypraw sufitów, wysunięcia się belek stropowych z łożysk itp.; wymagane możliwie szybkie usunięcie źródła drgań lub zmniejszenie jego wpływów; granica D - granica stateczności konstrukcji, dolna granica awarii całego budynku; drgania powyżej tej granicy mogą spowodować awarie budynku i zagrażają bezpieczeństwu życia ludzkiego, - strefa V - drgania powodują awarie budynku przez walenie się murów, spadanie stropów itp.; pełne zagrożenie bezpieczeństwa życia ludzkiego; w przypadku groźby powstania drgań tego typu budynek nie może być użytkowany. Granice stref podano w dwóch wariantach wg oceny stanu budynku, typu podłoża i rodzaju drgań. Zaliczanie do odpowiedniego wariantu następuje wg przeważającej liczby odpowiednich cech (patrz norma - tabl. 4). Niszczącym czynnikiem wszelkiego typu budowli i konstrukcji komunikacyjnych jest ruch kołowy wywołujący wielokrotnie powtarzalne określone obciążenia mające charakter dynamiczny. Obciążenia te wywołują zarówno w nawierzchni, w podbudowie drogowej jak i w podłożu gruntowym cykliczne zmiany naprężeń głównych, które w konsekwencji prowadzą do określonych deformacji zarówno odwracalnych jak i nieodwracalnych. Ogólnie, projektowe obciążenie ruchem określa się w postaci liczby nacisków standardowej pojedynczej tylnej osi pojazdu, tzw. osi projektowej w rozpatrywanym czasie. Oznacza to, iż

4 obciążenie nawierzchni różnymi typami pojazdów sprowadza się do tzw. projektowego obciążenia osią. Na podstawie badań ruchu można określić statystycznie liczby pojazdów rzeczywistych o określonym obciążeniu osią, przypadające na jednostkę czasu. W praktyce, w celu uproszczenia procedury projektowania dróg, wprowadzono obciążenie nawierzchni ruchem wyrażone w pojazdach porównawczych. Konstrukcja jezdni drogowej składa się z trzech podstawowych elementów : nawierzchni, podbudowy, podłoża gruntowego. W zależności od wymogów projektowych, poszczególne warstwy nawierzchni i podbudowy mogą być wykonane z różnych materiałów, scharakteryzowanych modułami sprężystości E i współczynnikami Poissona υ, przy czym typowe rozwiązania podatnych konstrukcji jezdni w warunkach krajowych przedstawia katalog nawierzchni. Ze względu na cykliczny charakter obciążenie ruchem jest w znacznym stopniu analogiczne do obciążenia np. falowaniem na morzu. Różnice dotyczą tutaj głównie wpływu tego obciążenia na zachowanie się ośrodka gruntowego. W zagadnieniach reakcji podłoża pod konstrukcją obciążoną falowaniem, proces zniszczenia ośrodka zachodzi głównie wskutek jego upłynnienia, co jest wynikiem relatywnie dużych obciążeń cyklicznych całkowicie nawodnionego ośrodka i utrudnionego rozpraszania się ciśnienia wody w porach (związanego z częstotliwością falowania). Natomiast pod konstrukcją nawierzchni występują mniejsze obciążenia cykliczne, mniejsze częstotliwości, pozwalające na ogół na swobodne rozpraszanie się mobilizowanego ciśnienia wody w porach, w ośrodku, który zazwyczaj bywa jedynie częściowo nawodniony, z wyjątkiem podłoża gruntowego poniżej swobodnego zwierciadła wody gruntowej. Należy zaznaczyć, iż w obrębie tzw. strefy czynnej działania naprężeń pochodzących od ruchu pojazdów, wilgotność podłoża ogranicza się do tzw. wilgotności wiosennej, tj. do poziomu wilgotności optymalnej zgodnie z normalną próbą Proctora. Dlatego też czynnikiem decydującym o zniszczeniu jest powstanie odpowiednio dużych odkształceń nieodwracalnych, a nie mobilizacja ciśnienia wody w porach. Zależność poziomu naprężeń cyklicznych od niszczącej liczby cykli dla różnych materiałów przedstawiono na poniższym rysunku.

5 Rys.5. Zależność poziomu obciążeń cyklicznych od niszczącej liczby cykli dla różnych materiałów. [1] Wpływ obciążeń dynamicznych może zmienić wytrzymałość statyczną nawet o około 30 % na niekorzyść. Dlatego też problem właściwego zabezpieczenia skarp nasypów i wykopów nabiera szczególnego znaczenia w przypadku poddania ich obciążeniom dynamicznym (cyklicznym). Geotechniczna prognoza zjawisk w podłożu, to inaczej wstępne przewidywanie oceny współpracy obiektu budowlanego z podłożem, uwzględniające zmiany w podłożu, jakie mogą powstać wskutek wykonywania i eksploatacji obiektu (PN-B-02479:1998). W niektórych źródłach literaturowych obciążenie dynamiczne pochodzące od: ruchu kolejowego, drogowego, pracy sprzętu budowlanego, zwłaszcza z efektem wibracyjnym (płyty, żaby i walce), maszyn (młoty, prasy), eksplozje, wybuchy, zdarzenia kolizyjne nazywa się również parasejsmicznym.

6 Rys. 6. Schemat wpływów dynamicznych w ośrodkach gruntowych Czas, w którym poziom naprężeń i odkształceń w gruncie zmienia się pod wpływem działania obciążenia można nazwać czasem działania obciążenia. Charakterystyka zmienności obciążenia w czasie może być różna - od bardzo szybkich zmian po zmiany wolne w czasie, a szybkość i poziom amplitud tych zmian wywołują różne zmiany w gruncie. Na rysunku 2 przedstawiono ogólną charakterystykę obciążeń dynamicznych działających na grunt w zależności od czasu działania i od szybkości zmian (częstotliwości zmian = liczby cykli zmian w jednostce czasu). Rys.7. Klasyfikacja obciążeń dynamicznych działających na grunt. [2]

7 Literatura : 1. Werno M.: Podłoże gruntowe obciążone cyklicznie. WKiŁ W-wa 1985 r., 2. Wrana B.: Charakterystyka parametrów dynamicznych gruntu.wyd. PK, 2008 r., 3. PN-B-02170:1985. Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki, 4. PN-B-02171:1988. Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach.