Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów górniczych

Mat. Symp. str. 442 458 Tadeusz TATARA, Filip PACHLA Politechnika Krakowska, Kraków Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów górniczych Słowa kluczowe Wstrząsy górnicze, obiekty budowlane, uszkodzenia, drgania powierzchniowe, skale GSI, skale SWD, ocena wpływu wstrząsów, charakterystyki amplitudowo częstotliwościowe Streszczenie W pracy przeanalizowano występowanie uszkodzeń w budynkach mieszkalnych na skutek działania wstrząsów górniczych o dużej intensywności. Analizom poddano wstrząsy o energiach E n > E6 J z obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW), Legnicko Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM). Uwzględniono także wstrząsy tzw. regionalne z obszaru GZW. Wyznaczono charakterystyki przebiegów drgań powierzchniowych od wstrząsów górniczych wykorzystywane w przybliżonych ocenach ich wpływu na zabudowę powierzchniową. W analizach wykorzystano Górnicze Skale Intensywności GSI i Skale Wpływów Dynamicznych SWD opracowane odpowiednio w Głównym Instytucie Górnictwa i w Instytucie Mechaniki Budowli Politechniki Krakowskiej. Wyniki analiz przybliżonych ocen wpływu drgań powierzchniowych pochodzenia górniczego na budynki porównano ze stwierdzonymi i udokumentowanymi uszkodzeniami w budynkach. Analizy te były pomocne w udzieleniu odpowiedzi na pytanie dotyczące szkodliwości wpływu wstrząsów o analizowanej intensywności na konstrukcje budynków. 1. Wstęp Eksploatacja górnicza odbywa się często pod obszarami silnie zurbanizowanymi, o zróżnicowanej zabudowie powierzchniowej. W obszarach objętych wpływami eksploatacji górniczych w obiektach budowlanych mogą występować uszkodzenia, które są wynikiem negatywnego działania tej eksploatacji. Zabudowa charakteryzuje się m.in. różnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, materiałowymi, różny jest wiek wzniesienia obiektów i jej stan techniczny. Obiekty budowlane posiadają odmienne cechy dynamiczne, tj. częstotliwości drgań własnych. Z tych powodów obiekty te charakteryzuje zróżnicowana reakcja dynamiczna na obciążenia i możliwości przenoszenia dodatkowych obciążeń dynamicznych na skutek działania drgań powierzchniowych indukowanych wstrząsami górniczymi. W obiektach tych można wielokrotnie spotkać także wady budowlane spowodowane gospodarczą metodą ich wznoszenia bez odpowiedniego fachowego nadzoru, bądź niekorzystne rozwiązania konstrukcyjne, które pojawiły się w wyniku przeprowadzanych prac remontowych. Wielokrotnie obiekty pracują w niekorzystnych warunkach środowiskowych dotyczy to 442

T. TATARA, F. PACHLA - Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów... przede wszystkim obiektów własnych zakładów górniczych. Podanie bezpośrednich przyczyn uszkodzeń w tych obiektach jest często bardzo trudne i nie można ich występowania wiązać tylko z wpływami eksploatacji górniczej. Precyzyjne określenie przyczyn uszkodzeń wymaga bardzo pracochłonnych i kosztownych badań in situ oraz laboratoryjnych. Parametry analizowanych, reprezentatywnych wstrząsów odniesiono do Górniczych Skal Intensywności GSI opracowanych w Głównym Instytucie Górnictwa i porównano ze skutkami występującymi w obiektach z danego obszaru górniczego. W celach porównawczych w analizach posłużono się również Skalami Wpływów Dynamicznych SWD. Niejednokrotnie po wystąpieniu wstrząsu ma miejsce zjawisko paniki i poczucie zagrożenia wśród mieszkańców. Zgłaszają oni do działów szkód górniczych w kopalniach szkody, jakie pojawiły się wg opinii właścicieli w użytkowanych przez nich obiektach na skutek wystąpienia wstrząsu. W niektórych przypadkach liczba zgłoszeń jest znaczna, co może świadczyć o wystąpieniu zjawiska zagrożenia powszechnego. Tego typu przypadki mogą prowadzić do niekorzystnego dla kopalni zatrzymania eksploatacji ściany. Tego typu zjawiska miały miejsce w niedalekiej przeszłości w kopalniach w GZW(np. w kopalni Piast w 2010 r.). 2. Charakterystyka drgań powierzchniowych indukowanych intensywnymi wstrząsami górniczymi z obszaru LGOM i GZW 2.1. Obszar LGOM Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat wzrosła sejsmiczność w obszarach LGOM, zwłaszcza w zakresie wstrząsów o wysokich energiach rzędu E7 E9 J. W tabeli 1 zestawiono charakterystyki przykładowych wstrząsów o energiach większych od E6 J. W ostatniej kolumnie tabeli 1 zestawiono wartości stosunku PGA/PGV, podobnie jak czyni się to w przypadku trzęsień ziemi. Wartość tego stosunku przy wstrząsach o najwyższych energiach rzędu E8 i E9 nie przekracza 30, a więc pozostaje w zakresie charakterystycznym jak dla trzęsień ziemi. Na rys. 2.1 pokazano przykładowy przebieg składowej poziomej x przyspieszeń drgań wywołanych jednym z najbardziej intensywnych wstrząsów górniczych na obszarze LGOM oraz końcowe wyniki analiz przebiegów przyspieszeń i prędkości poziomych drgań. Na podkreślenie zasługuje fakt, że w przebiegach składowych poziomych przyspieszeń drgań powierzchniowych wywołanych wstrząsami o najwyższych energiach, dominują niskie składowe częstotliwości por. rys. 2.1. Sejsmiczność obszaru górniczego ZG Rudna, w obszarze którego znajduje się miasto Polkowice, charakteryzuje się największą sejsmicznością spośród obszarów górniczych kopalń LGOM. Na rys. 2.2 pokazano lokalizację wstrząsów o energiach En > E6 J. 443

Tabela 2.1. Charakterystyki przykładowych drgań gruntu pomierzonych na stacjach sejsmicznych w Polkowicach Table 2.1. Characteristics of ground vibrations recorded in Polkowice at seismological stations L.p. E n, J r e, m PGA, mm/s 2 t Ha, s PGA H10max, mm/s 2 PGV Hmax, mm/s t Hv, s PGA/PGV Hmax stacja przy ul. Akacjowej grunt 1. 4.3E6 548 461.6 5.92 185.5 5.85 11.36 78,91 2. 3.9E7 499 1734.5 6.39 566.8 16.43 15.62 105.57 3. 1.2E7 470 205 8.27 186.8 4.82 11.67 42.53 4. 1.7E8 450 1699.5 8.34 1356.4 60.63 13.92 28.03 5. 1.9E9 980 1566.6 15.2 1552.2 179.4 8.02 8.73 stacja przy ul. 3 Maja grunt 6. 2E7 2346 1242.2 3.25 408.2 16.41 3.66 75.70 7. 3.3E7 270 1360 3.37 337.1 15.69 3.90 86.68 8. 6.4E7 629 1083 2.99 378.2 14.68 4.06 73.77 9. 3.5E7 655 953.5 3.31 762.2 21.87 3.55 43.60 10. 1.5E9 1174 1448.2 5.80 1027 74.79 5.82 19.36 11. 3.8E7 1733 442 4.38 393.5 14.69 4.46 30.09 12. 1.7E8 912 1390.9 10.21 598.3 36.42 12.89 38.19 stacja przy ul. Miedzianej grunt 13. 4.3E7 903 952.5 3.04 422 17.96 3.39 53.03 14. 6.4E7 472 1027.7 3.02 668.8 19.66 3.36 52.27 15. 1.7E8 963 602.8 4.13 545 29.29 4.26 20.58 16. 1.3E8 650 1009 2.94 350.9 13.71 1.01 73.60 17. 1.1E7 537 1446.3 2.52 499.4 16.61 2.94 87.07 18. 5.4E8 676 1181.9 2.17 643.6 26.9 2.30 43.94 19. 8.4E8 923 633.7 10.96 502.3 25.64 11.31 24.72 20. 1.2E8 1020 739.6 6.50 629.3 27.65 8.94 26.75 Składowa pozioma x przyspieszeo drgao Gęstośd widmowa przebiegu składowej poziomej x przyspieszeo drgao 444

T. TATARA, F. PACHLA - Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów... Składowa pozioma x przyspieszeo drgao filtracja 0.5 10 Hz Wypadkowe poziome przyspieszenie drgao filtracja 0.5 10Hz Składowa pozioma x prędkości drgao Wypadkowa pozioma prędkośd drgao Rys. 2.1. Przebiegi składowych poziomych przyspieszeń i prędkości drgań gruntu od wstrząsu z poz. 5 tabeli 2.1 oraz wyniki analiz Fig. 2.1. Records of horizontal components of acceleration and velocity of ground vibrations from mining shock listed in pos. 5 in Table 2.1 and results of analysis 445

Rys. 2.2. Lokalizacja wstrząsów górniczych na obszarach górniczych kopalni Rudna (Dubiński i in. 2011) Fig. 2.2. Localisation of mining shocks in Rudna mining areas (Dubiński i in. 2011) 2.2. Obszar GZW Sejsmiczność obszaru GZW jest nieco mniejsza od sejsmiczności obserwowanej w LGOM. Niemniej jednak i na terenie GZW występują bardzo intensywne zjawiska sejsmiczne o energiach rzędu E9 J. W latach 2005 2010 wzrosła liczba wstrząsów o najwyższych energiach. Sejsmiczność terenu GZW zostanie scharakteryzowana poprzez podanie charakterystyk przykładowych drgań powierzchniowych pomierzonych w obszarze KWK Bobrek Centrum oraz KWK Piast. Przykładowo w latach 2005 2011 KWK Bobrek-Centrum prowadziła eksploatację węgla w dwóch pokładach - 503 i 504. W tym okresie eksploatacja ta była źródłem ponad 200 wstrząsów górotworu o energiach z przedziału E2 do E9 J. Po wstępnej analizie wszystkich zarejestrowanych zjawisk z przedziału E5 E9, do dalszych szczegółowych analiz wybrano wstrząsy o największej intensywności drgań powierzchniowych z grup energetycznych E6, E7 E8 i E9 J. W tabeli 2.2 zestawiono parametry charakteryzujące składowe poziome (E-W, N-S) i składową pionową z, wybranych reprezentatywnych przebiegów przyspieszeń drgań powierzchniowych od najintensywniejszych wstrząsów górniczych z lat 2005 2011 w przedziale energetycznym E6 E9. 446

T. TATARA, F. PACHLA - Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów... Tabela 2.2. Charakterystyki przykładowych drgań gruntu pomierzonych w obszarze KWK Bobrek- Centrum wywołanych najsilniejszymi wstrząsami Table 2.2. Characteristics of exemplary ground vibrations recorded at mining areas of KWK Bobrek Centrum mine caused by the most strongest mining tremors L.p. E n, J r e, m t HV, s PGV, mm/s t Ha, s PGA H10, mm/s 2 1. 2E7 800 2.93 5.3 2.55 148.4 2. 1E9 400 2.57 25.2 2.1 571.2 3. 7E8 229 1.88 29.8 1.10 923.3 4. 5E6 630.2 2.69 3.0 2.07 98.7 5. 8E8 321.1 1.83 30.4 1.55 809.8 Na rysunku 2.3. przedstawiono zarejestrowane przykładowe przebiegi czasowe składowych poziomych (E-W, N-S) przyspieszeń drgań wywołanych wstrząsem scharakteryzowanym w poz. 3 tabeli 2.2. Przy każdym przebiegu czasowym drgań podano także wynik analizy częstotliwościowej (FFT), co umożliwia określić dominujące częstotliwości drgań tych przebiegów. Rys. 2.3. Przebiegi czasowe składowych poziomych przyspieszeń drgań wywołanych wstrząsem z dnia 12.12.2008r. (poz. 3 tabeli 2.2) i wyniki analiz częstotliwościowych (FFT) tych przebiegów Fig.2.3. Records of horizontal components of ground acceleration vibrations caused by the shock on 12.12.2008r. (pos. 3 in table 2.2) and the results of FFT analysis. 447

Z analiz częstotliwościowych zarejestrowanych przebiegów składowych poziomych przyspieszeń drgań wynika, że dominują w nich niskie częstotliwości por. rys. 2.3. W obszarze KWK Piast 09 lutego 2010r. wystąpił wstrząs o energii E n = 3E9 J (pokład 209, partia XVI) o charakterze wstrząsu regionalnego, o przyczynie tektonicznej i wieloletniej działalności górniczej w trzech pokładach po południowej i północnej stronie uskoku Błędowskiego. Na obszarze GZW wstrząsy o tak dużej energii zdarzają się niezbyt często. Najczęściej tak silne wstrząsy występowały w rejonie niecki bytomskiej i uskoku kłodnickiego. W rejonie KWK Piast, w 1992r. odnotowano intensywny wstrząs o energii E = 2E9 J, a więc o podobnej intensywności jak ten z lutego 2010 r. Poniżej w tabeli 2.3. przedstawiono dane charakteryzujące w/w wstrząs regionalny. Tabela 2.3. Charakterystyka wstrząsu regionalnego z dnia 09.02.2010 obszar KWK Piast Table 2.3. Characteristics of the region al mining tremor on 09.02.2010 area of the Piast mine E n J r e, m a xmax, mm/s 2 a ymax, mm/s 2 a zmax, mm/s 2 PGA, m/s 2 t Ha, s PGA H10, t Hv, s PGV, mm/s 2 mm/s 3E+09 3393 557 466 266 344,5 3,73 394,8 3,18 15,2 Warto również podać, że wartość stosunku PGA/PGV wyniosła 22.66, a więc pozostawała w przedziale charakterystycznym dla trzęsień ziemi o bliższych epicentrach. 3. Przybliżona ocena szkodliwości drgań powierzchniowych na zabudowę Ocenę wpływu najsilniejszych zarejestrowanych drgań powierzchniowych wymienionych w rozdziale 2 na zabudowę przeprowadza się za pomocą: skal GSI 2004, GSI 2004/11 i GSI GZW KW oraz skali SWD zawartej w normie PN-85/B-02170. 3.1. Obszar LGOM - ocena wg skali GSI 2004 i GSI 2004/11 W obszarze LGOM ocenę odporności dynamicznej obiektów budowlanych przeprowadza się według zasad empirycznej Górniczej Skali Intensywności (GSI-2004) (Dubiński, Mutke 2005; 2006). Podstawową skalą do oceny poziomu intensywności sejsmicznej wstrząsów górniczych przyjmuje się skalę prędkościową GSI-2004 V por. rys. 3.1. Wyniki weryfikacji skali GSI 2004 umożliwiły opracowanie aktualizacji tej skali w wersji GSI-2004/11 z lipca 2011 roku (Dubiński i in. 2011). W dalszym ciągu za podstawową skalę do oceny poziomu intensywności sejsmicznej wstrząsów górniczych przyjmuje się skalę prędkościową GSI- 2004/11-V por. rys. 3.1. Skale GSI-2004 i GSI -2004/11 wyróżniają 4 stopnie, dla których opisano skutki oddziaływania drgań w budynkach i uciążliwość ich użytkowania. Szczegółowe opisy skutków działania drgań w wyróżnionych stopniach podano w pracach (Dubiński i in. 2006; Dubiński i in. 2011). 448

T. TATARA, F. PACHLA - Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów... Skala GSI-2004-V Skala GSI-2004/11-V Rys. 3.1. Podstawowa skala GSI-2004 dla terenów LGOM Fig. 3.1. Basic GSI-2004 scale for the LGOM area Wynikiem oceny wpływu drgań powierzchniowych z wykorzystaniem skal GSI 2004 są wartości: PGV Hmax, mm/s, PGA H10, mm/s 2 oraz maksymalna wartość przyspieszeniowego spektrum odpowiedzi S a, mm/s 2, wyznaczonego na podstawie składowych poziomych drgań, przy założeniu ułamku tłumienia krytycznego ξ = 5%. Parametry te były podstawą do określenia ich wpływu na zabudowę powierzchniową w LGOM. W tabeli 3.1 zestawiono intensywności reprezentatywnych drgań powierzchniowych o parametrach zestawionych w tabeli 2.1. Porównano intensywności uzyskane na podstawie skal GSI 2004 i GSI 2004/11. W odniesieniu do analizowanych tu reprezentatywnych wstrząsów, modyfikacja skal GSI 2004 miała największy wpływ w zakresie rezultatów ocen uzyskiwanych na podstawie skal pomocniczych, tj. skali przyspieszeniowej i spektralnej por. tabela 3.1. Tabela 3.1. Ocena szkodliwości wybranych reprezentatywnych wstrząsów z LGOM zestawionych w tabeli 2.1 zgodnie ze skalami GSI 2004 Table 3.1. Estimation of harmfulness of chosen representative tremors listed in table 2.1 according to GSI-2004 scales Lp. Intensywność drgań wg: GSI-2004-V GSI-2004/11-V GSI-2004-A GSI-2004/11-A GSI-2004 - S GSI-2004/11-S 1. 0 0 0 0 0 0 2. I I I II I I 3. 0 0 0 0 0 0 4. III III III III III III 5. III III III III III III 6. I I I I I II 7. I I I I I II 8. I I I I I II 9. I I I II I II 10. III III II III II II 11. I I I I I I 12. II II II II I I 13. I I I I I I 14. I I I I I I 15. I II I II I I 16. I I I I I I 17. I I I I II II 449

18. I I I I I I 19. II II I II I I 20. II II II II I I 3.2. Obszar LGOM - ocena wg skal SWD Do przybliżonego sposobu oceny działania składowych poziomych drgań podłoża gruntowego na konstrukcje budynków, traktowanych jako jedna całość, norma PN-85/B- 02170dopuszcza stosowanie Skal Wpływów Dynamicznych SWD. Podstawą opracowania skal SWD były wyniki analiz dynamicznych budynków uznanych za wzorcowe. Skale SWD można stosować w przypadku budynków z elementów murowych oraz w przypadku budynków z wielkich bloków i wielkich płyt. Skala SWD-I (por. rys. 3.2.a) 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 żużlobetonu lub podobnych. Skala SWD-II (por. rys. 3.2.b) 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. W normie PN-85/B-02170 przyjęto następujące kryteria podziału na strefy szkodliwości: strefa I drgania nieodczuwalne przez budynki, strefa II drgania odczuwalne przez budynek, ale nieszkodliwe dla konstrukcji; następuje tylko przyspieszone zużycie budynku i pierwsze rysy w wyprawach, tynkach itp., strefa III drgania szkodliwe dla budynku, powodują lokalne zarysowania i spękania, przez co osłabiają konstrukcję budynku i zmniejszają jego nośność oraz odporność na dalsze wpływy dynamiczne; może nastąpić odpadanie wypraw i tynków, 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; strefa V drgania powodują awarię 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. W praktyce inżynierskiej najczęściej spotyka się drgania, które kwalifikują się do pierwszych trzech stref, określanych jako strefy szkodliwości. Analizom poddano przebiegi składowych poziomych przyspieszeń drgań pomierzonych budynkach w poziomie fundamentów oraz równocześnie pomierzonych na gruncie por. tabela 2.1. Analizy ograniczono do budynków spełniających wymogi skali SWD-I. Na rys. 3.3 pokazano przykładowe wyniki analiz tercjowych przebiegów drgań wywołanych wstrząsem z poz. 1 tabeli 2.1. 450

T. TATARA, F. PACHLA - Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów... Skala SWD - I Skala SWD - II Rys. 3.2. Skale SWD [8] Fig. 3.2. SWD scales [8] Rys. 3.3. Wyniki analizy tercjowej przebiegów składowych poziomych drgań wywołanych wstrząsem z poz. 1 tabeli 2.1. Fig. 3.3. Results of the 1/3 octave analysis of horizontal components of vibrations caused by tremors of the item 1 of table 2.1. Z analiz pokazanych na rysunku 3.3. wynika, że oceny szkodliwości drgań prowadzone na podstawie przebiegów składowych poziomych przyspieszeń drgań gruntu dają zawyżone wyniki. W tabeli 3.2. zestawiono przykładowo wyniki analiz przebiegów składowych poziomych drgań z poz. 1 5 tabeli 2.1, prowadzonych pod kątem oceny szkodliwości dla budynków spełniających wymogi skali SWD-I. 451

Tabela 3.2. Wyniki analizy szkodliwości drgań wg skali SWD-I Table 3.2. Results of harmfulness analysis of vibrations according to scale SWD I Składowa x Składowa y Lp. grunt fundament grunt fundament Budynki uszkodzone 1. III II III II 2. III III III II 3. II II II II 4. III III III III 5. III III III III Budynki bez uszkodzeń 1. II II II II 2. III III III II 3. II II II I 4. III III III III 5. III III III III Zgodnie z zaleceniami normy PN-85/B-02170 oceny szkodliwości powinny być prowadzone na podstawie przebiegów drgań zarejestrowanych w budynku w poziomie fundamentów. 3.3. Obszar GZW - ocena wg skali GSI - GZW KW W obszarze GZW ocenę odporności dynamicznej obiektów budowlanych przeprowadza się według zasad empirycznej Górniczej Skali Intensywności (GSI-GZW KW ) (Dubiński i in. 2009). W tabeli 3.3. przykładowo przedstawiono intensywności reprezentatywnych drgań powierzchniowych z obszaru GZW o parametrach zestawionych w tabeli 2.2. Tabela 3.3. Stopnie intensywności według skali GSI-GZW KW dla wstrząsów zestawionych w tabeli 2.2 Table 3.3. Degrees of intensity according to the GSI-GZW KW scale for tremors from table 2.2 Lp. Stopnie intensywności I na podstawie: PGV, t Hv PGA H10, t Ha 1. 0/I 0/I 2. II II 3. II III 4. 0 0 5. II II Z analizy tej wynika, że parametr PGV najintensywniejszych poziomych drgań powierzchniowych pozostaje w 0/I do II strefy intensywności, więc można te drgania uznać za nieszkodliwe dla wszystkich nieuszkodzonych elementów konstrukcyjnych i nie powodujące obniżenia nośności budynków. Podobnie parametr PGA H10 pozostaje w 0/I do III strefy intensywności, a więc również wynik analizy przy użyciu tego parametru potwierdza wynik analiz przy użyciu parametru PGV. Należy również podkreślić, że parametr PGA H10 dla wstrząsu z poz. 3 tabeli 2.2, pozostaje w początkowym obszarze III strefy intensywności skali GSI GZW KW por. rys. 3.4. 452

T. TATARA, F. PACHLA - Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów... Rys.3.4. Wyniki interpretacji wg skali GSI - GZW KW -A wstrząsu o energii 7E8 J por. tabela 2.2. Rys.3.4. The results of interpretation according to the scale GSI - GZW KW -A parameters of mining shock with energy 7E8 J comp. table 2.2 Intensywność wstrząsu z KWK Piast o parametrach pokazanych w tabeli 2.3 pozostaje w II stopniu skali GSI GZW KW. 3.4. Obszar GZW - ocena wg skali SWD I Przybliżoną analizę szkodliwości wpływu drgań pochodzenia górniczego wstrząsów scharakteryzowanych zestawionych w tabeli 2.2 dokonano wg skali SWD I i SWD II. Na rys. 3.5 przykładowo przedstawiono wyniki analizy tercjowej, składowej N-S przyspieszeń drgań - por. rys. 2.3, wywołanych wstrząsem scharakteryzowanym w poz. 3 tabeli 2.2. Rys. 3.5. Wynik analizy tercjowej (1/3-oktawowej) przebiegu składowej N-S drgań z rys. 2.3 wg skali SWD-I i skali SWD-II Fig. 3.5. Result of 1/3 third octave analysis of the N-S component of vibration record from fig. 2.3 according to scale SWD I and SWD II W tabeli 3.4 zestawiono wyniki oceny wpływu szkodliwości drgań w budynkach, wykonanej na podstawie wyników analizy tercjowej przebiegów drgań od wstrząsów 453

górniczych scharakteryzowanych w tabeli 2.2. Z danych z tabeli 3.4 wynika, że parametry analizowanych składowych najintensywniejszych drgań pozostają w III strefie szkodliwości. Tabela 3.4. Wyniki oceny wpływu szkodliwości składowych poziomych drgań wywołanych wstrząsami opisanymi w tabeli 2.2 wg skali SWD-I i SWD-II Table 3.4. Results of harmfulness analysis of vibration horizonatal vibrations caused by shocks from table 2.2 according to scale SWD I and SWD II Strefa szkodliwości Lp. E - W N - S SWD-I SWD-II SWD-I SWD-II 1. II II II II 2. III III III II/III 3. II II III III 4. II I I/II I 5. III III III III Oznacza to, że drgania te są szkodliwe dla budynków, powodują lokalne zarysowania i spękania, przez co osłabiają konstrukcję budynku i zmniejszają jego nośność oraz odporność na dalsze wpływy dynamiczne; może nastąpić odpadanie wypraw i tynków. Taka interpretacja może być tu zaprezentowana z uwagi na liczbę wstrząsów jakie miały miejsce na przestrzeni lat eksploatacji w KWK Bobrek. 4. Charakter i diagnoza przyczyn uszkodzeń obiektów budowlanych W obszarach górniczych na terenie GZW i LGOM w wielu obiektach powierzchniowych występują ich uszkodzenia. Służby działów ochrony powierzchni zakładów górniczych każdorazowo po zgłoszeniach przez mieszkańców szkód po wstrząsach dokonują ich inwentaryzacji i oceny czy wstrząs o danych parametrach mógł być przyczyną tych uszkodzeń. W rozstrzygnięciach pomocne może być korzystanie ze skal GSI. W niektórych przypadkach mamy do czynienia z masowymi zgłoszeniami i wówczas możemy mówić o tzw. zagrożeniu powszechnym. Oczywiście nie wszystkie zgłoszenia szkód są jednoznaczne i kwalifikujące je jako szkody po zaistnieniu wstrząsu. Zabudowa mieszkalna jak i obiekty własne zakładów górniczych cechuje duża różnorodność. Różne są układy konstrukcyjne obiektów, materiały użyte do wzniesienia obiektów, sposób ich wzniesienia. Nie bez znaczenia ma też czas użytkowania obiektu oraz przeprowadzane w nich prace remontowe. Praca obiektów w warunkach chemicznie agresywnych również może być przyczyną występowania uszkodzeń w obiektach budowlanych. Rozstrzygnięcie dotyczące ustalenia przyczyn uszkodzeń w obiektach budowlanych często nie jest jednoznaczne i w wielu przypadkach wymagana jest pogłębiona analiza, w tym także analiza teoretyczna z wykorzystaniem modeli obliczeniowych analizowanych obiektów. Poniżej na rys. 4.1 i 4.2 przedstawiono przykładowe zgłoszone typowe uszkodzenia w budynkach (położonych blisko stacji sejsmicznych) na skutek działania wstrząsu wymienionego w poz. 5 tabeli 2.2. 454

T. TATARA, F. PACHLA - Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów... Rys. 4.1. Obraz skutków wstrząsu z poz. 5 tabeli 2.2 przy ul. Miedzianej 9 w Polkowicach (Samokar 2009) Fig. 4.1. Result of effects of the tremor of the item 5 of table 2.2 in building at Miedziana 9 in Polkowice (Samokar 2009) Rys. 4.2. Uszkodzenia budynku stodoły przy ul. Ogrodowej 1 w Polkowicach w wyniku wstrząsu z poz. 5 tabeli 2.2 (Minch, Samokar 2007) Fig. 4.2. Damages of barn at Ogrodowa 9 in Polkowice as the result of tremor of the item 5 of table 2.2 (Minch, Samokar 2007) Z kolei na rysunku 4.3. pokazano zgłoszone przykładowe uszkodzenia w budynku jednorodzinnym po wstrząsie z 09.02.2010r. (por. tabela 2.3) w obszarze górniczym KWK Piast. Był to jeden z najsilniejszych wstrząsów jaki wystąpił na tym terenie. Po wstrząsie zgłoszono ponad 1500 roszczeń. Wstrząs ten odczuty był przez mieszkańców, odległych nawet o kilkanaście kilometrów miejscowości od jego epicentrum. Z uwagi na jego intensywność została wstrzymana eksploatacja jednej ze ścian kopalni. Rys. 4.3. Przykładowe uszkodzenia stwierdzone w budynku jednorodzinnym po wstrząsie w dniu 09.02.2010r. w Chełmku Fig. 4.3. Exemplary dama ges occured In dwelling house after tremor on 09.02.2010. in Chełmek in area of the Piast mine W wielu przypadkach na terenach górniczych wpływ na uszkodzenia obiektów budowlanych mają deformacje podłoża. Przykładem mogą być budynki w Bytomiu 455

w dzielnicy Karb. W tym przypadku deformacje podłoża spowodowały katastrofę budowlaną. Przeprowadzone analizy zarejestrowanych przebiegów drgań, których przykładowe wyniki pokazano w rozdziale 3.3. i 3.4., wykluczyły wstrząsy górnicze, jako przyczynę wywołania takiego poziomu uszkodzeń. Na rysunku 4.4. pokazano przykładowe uszkodzenia w jednym z wielorodzinnych budynków w dzielnicy Bytom Karb. Rys. 4.4. Przykładowe uszkodzenia stwierdzone w budynku wielorodzinnym w Bytomiu dzielnica Karb Fig. 4.4. Exemplary damages occured in multifamily building in the district Karb in Bytom Po analizie uszkodzeń występujących w zabudowie powierzchniowej na obszarach objętych wpływami wstrząsów górniczych można stwierdzić, że w przeważającej liczbie przypadków nie występują uszkodzenia elementów konstrukcyjnych, które powodowałyby utratę nośności i stateczności konstrukcji. W przypadkach, gdy takie uszkodzenia wystąpiły to było to np. zawalenie się części ściany szczytowej, zawalenie się fragmentu stropu Kleina, pęknięcia ukośne ścian nośnych. W wyniku wstrząsów pojawiają się uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych. Najczęściej są to miejscowe odpadania wypraw tynkarskich i malarskich, rysy w tynkach, pęknięcia płytek glazurowych, wysunięcia lub spadanie pojedynczych dachówek, zarysowanie faset, uszkodzenia ogniomurków. Występujące uszkodzenia wywołują wśród mieszkańców bardziej poczucie dyskomfortu użytkowania takich budynków. Bardzo silne zjawiska wstrząsowe są silne odczuwane przez mieszkańców i towarzyszy temu uczucie lęku. 6. Podsumowanie i wnioski końcowe W pracy podano przykładowe charakterystyki wstrząsów górniczych o wysokiej intensywności występujących na obszarach GZW i LGOM. Charakterystyki drgań powierzchniowych wykorzystano w analizach oceny wpływu szkodliwości tych drgań na obiekty powierzchniowe za pomocą skal GSI oddzielnie dla obszaru LGOM I GZW. Dokonano analizy porównawczej oceny szkodliwości drgań powierzchniowych przy pomocy skal GSI 2004 i GSI 2004/11. Dodatkowo wykonano analizy tercjowe zarejestrowanych przebiegów drgań wg skal SWD. Podano przykładowe, charakterystyczne uszkodzenia w zabudowie powierzchniowej i wskazano najczęściej występujące uszkodzenia wywołane wstrząsami górniczymi. Wskazano również na wpływ deformacji podłoża gruntowego, jako przyczynę występowania uszkodzeń 456

T. TATARA, F. PACHLA - Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów... konstrukcyjnych w budynkach. Występujące uszkodzenia w budynkach dobrze korelują z wynikami przybliżonych ocen szkodliwości drgań określonych za pomocą skal. Podziękowanie Praca zrealizowana w ramach prac finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (Nr L-4/95-DS/2012). Literatura [1] Dubiński J., Mutke G. 2005: Skala górnicza GSI 2004 V do oceny oddziaływania drgań sejsmicznych od wstrząsów górniczych na powierzchnię LGOM, VIII Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych, GIG, Ustroń, 80 91. [2] Dubiński J., Mutke G. 2006: Zweryfikowana skala GSI 2004, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, Special Edition, Kwartalnik, GIG, Katowice, 50 60. [3] Dubiński J., Mutke G., Stec K., Lurka A., Barański A. 2009: Górnicza Skala Intensywności GSI- GZW do oceny skutków oddziaływania wstrząsów indukowanych eksploatacją złóż wegla kamiennego w Zakładach Górniczych Kompanii Weglowej SA na obiekty budowlane i na ludzi, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, Kwartalnik Nr 2/2/2009 (red. Mutke G, Tatara T.), Katowice, 73-90. [4] Minch M., J., Samokar Z. 2007: Analiza skutków dużego wstrzasu górniczego na zabudowe powierzchniowa miasta Polkowice, XXIII Konf. Nauk. Techn. Awarie Budowlane 2007, Szczecin Międzyzdroje, 299 306. [5] Samokar Z. 2009: Zastosowanie Górniczej Skali Intensywności GSI 2004 do oceny skutków wstrząsów górniczych w zabudowie powierzchniowej na terenie górniczym ZG Rudna, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, Kwartalnik Nr 2/2/2009 (red. Mutke G, Tatara T.), Katowice, 91-101. Normy i inne wykorzystane materiały [6] Dubiński J., Jaśkiewicz K., Lurka A., Mutke G. 2006: Instrukcja prowadzenia powierzchniowych pomiarów sejsmometrycznych, interpretacja wyników oraz oceny i prognozowania drgań sejsmicznych wywołanych wstrząsami górniczymi na powierzchni w LGOM w oparciu o skale GSI - 2004, KGHM, Lubin. [7] Dubiński J., Lurka A., Mutke G., Stec K., Jaśkiewicz K., Jaśkiewicz I., Stolecki L. 2011: Weryfikacja skal GSI-2004, KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław (praca niepublikowana). [8] PN-85/B-02170,, Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki. Damages to buildings in terms of mining tremors Key words Mining tremors, building structures, damages, surface vibrations, GSI scales, SWD scales, assessment of the influence of tremors, amplitude - frequency characteristics Summary The study analyzes the presence of damages in buildings by reason of mining tremors. The shocks with energies E n > E6 J from the Upper Silesian Coal Basin (USCB), Legnica - Głogów 457

Copper (LGOM) were analyzed. In analyses also included the so-called regional tremors. The results of approximate analysis of assessment of harmfulness of surface vibrations on buildings made by scales were compared with known and documented damages in buildings. It permits to answer the question dealt with the harmfulness of tremors with the concerned intensity on buildings. Przekazano: 28 marca 2012 r. 458