Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu wpływu eksploatacji górniczej na wybrane obiekty na terenie miasta Polkowice

Mat. Symp. str. 51 65 Maria BĄCZKOWSKA*, Stanisława BOCIAN*, Margota WESOŁY*, Magdalena MACIOSZCZYK*, Wojciech BOCHENEK**, Zbigniew MOTYKA**, Henryk PASSIA**, Adam SZADE** *Urząd Gminy Polkowice, **Główny Instytut Górnictwa, Katowice Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu wpływu eksploatacji górniczej na wybrane obiekty na terenie miasta Polkowice Streszczenie W ramach realizacji Projektu Celowego opracowano i zbudowano system pomiarowy złożony z czujników optoelektronicznych i elektronicznych takich jak: laserowy czujnik wychyleń, czujnik przyspieszeń i czujnik propagacji szczelin bądź szerokości dylatacji, wraz z wielokanałową akwizycją danych w rejestratorach cyfrowych. Był on prezentowany na ubiegłorocznych Warsztatach Górniczych. Obecnie po dwuletnich doświadczeniach i próbach ruchowych prezentujemy funkcjonowanie tego systemu, począwszy od kalibracji jego elementów poprzez automatyczny pomiar na obiektach, a skończywszy na możliwościach zapisu, transmisji i graficznej wizualizacji danych. Przedstawiono przykłady analiz wpływu eksploatacji górniczej na wybrane trzy obiekty na terenie miasta, monitorowane zgodnie z planem badań w projekcie. 1. Wstęp Eksploatacja górnicza prowadzona przez KGHM Polska Miedź S.A. w Lubinie przebiega pod terenami nie zabudowanymi, pod zabudową wiejską Gminy Polkowice, a także w filarze ochronnym miasta Polkowice. Poza filarami ochronnymi eksploatacja prowadzona jest systemem filarowo-komorowym z upodatnieniem złoża, dodatkową ochroną stropu i dwuetapowym systemem wybierania złoża w filarach oporowych wyrobisk. Eksploatacja w filarze ochronnym miasta Polkowice w latach 1999 2000 prowadzona była w sposób dwuetapowy z likwidacją przestrzeni wybranej z niepełną podsadzką. Do 2004 roku na podstawie pozytywnie zaopiniowanego przez Komisję do Spraw Ochrony Powierzchni przy Wyższym Urzędzie Górniczym Programu eksploatacji i ochrony powierzchni w filarze ochronnym miasta Polkowice, likwidacja przestrzeni wybranej będzie dokonywana na pełną podsadzkę hydrauliczną. Skutki prowadzonej eksploatacji górniczej na powierzchni terenu górniczego ujawniają się w postaci: wpływów bezpośrednich, przejawiających się jako deformacje ciągłe, będące rezultatem wybierania złoża i powstania, a następnie likwidacji pustki poeksploatacyjnej; 51

M. BĄCZKOWSKA, S. BOCIAN, M. WESOŁY, M. MACIOSZCZYK, W. BOCHENEK, Z. MOTYKA, H. PASSIA, A. SZADE Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu... wpływów pośrednich: związanych z drenażem górotworu przez prace górnicze, komprymację odwadnianych warstw trzeciorzędowych i obniżeniami w wyniku odwodnienia, wpływów parasejsmicznych, spowodowanych wstrząsami górniczymi. W mieście Polkowice istnieje zabudowa budynkami wielkoblokowymi, wielkopłytowymi i opartymi na szkielecie prefabrykowanym (5-cio i 11-to kondygnacyjne), a także zabudowa jednorodzinna. Ogólnie w mieście Polkowice budynki zabezpieczone są na V stopień intensywności drgań w skali MSK-64, a 8 budynków 11-to kondygnacyjnych jest zabezpieczonych na VI stopień intensywności drgań. Budynki jednorodzinne wznoszone do 1983 roku nie posiadały zabezpieczeń na wpływy od wstrząsów pochodzenia górniczego. Zarząd Gminy Polkowice zadecydował o prowadzeniu niezależnych pomiarów parametrów drgań gruntu wywołanych wstrząsami pochodzenia górniczego, jak i monitoringu konstrukcji budynków podczas wstrząsów pochodzenia górniczego. Ze względu na znaczny wzrost sejsmiczności w rejonie filara ochronnego miasta Polkowice (od listopada 1998 r. do listopada 2000 roku wystąpiło sześć wstrząsów o energii większej od 1,0x10 8 J) Zarząd Gminy w obawie o bezpieczeństwo mieszkańców postanowił rozbudować sieć pomiarową parametrów drgań gruntu i budynków przy jednoczesnym mierzeniu przyśpieszenia drgań i wychyleń elementów konstrukcyjnych, co było m. in. przedmiotem umowy z Komitetem Badań Naukowych i Głównym Instytutem Górnictwa jako Realizatorem projektu celowego. 1.1. System pomiarowy opracowany w ramach projektu celowego W ramach części badawczo-rozwojowej tego projektu w GIG opracowano model, a po badaniach laboratoryjnych zrealizowano budowę prototypu systemu do ciągłego monitoringu wskazanych obiektów na terenie miasta (Bochenek i in. 2002). Zasadniczymi elementami zestawu do ciągłego monitoringu wpływów górniczych na budynki są: laserowy czujnik wychyleń, scalony mikropojemnościowy czujnik przyspieszeń, potencjometryczny bądź optoelektroniczny czujnik szerokości szczelin / rozwarcia dylatacji, czujnik naprężęń, cyfrowy rejestrator danych pomiarowych na obiektach, centrum komputerowej analizy danych w Urzędzie Gminy, oprogramowanie pomiarowe. Każdy z wymienionych wyżej czujników zaprojektowany i zbudowany w Głównym Instytucie Górnictwa składa się z zasadniczych podzespołów, którymi są: układ zasilania czujnika, elementy czynne czujnika (pomiarowe, takie jak detektory, źródła światła), układy wzmacniania sygnału i transmisji. Wymienione elementy stanowią składniki analogowej części toru pomiarowego systemu. Sygnały pomiarowe z czujników zainstalowanych na danym obiekcie, poprzez transmisję przewodową (dwutorową, będącą zarazem torem zasilania czujnika) przekazywane są do jednego wspólnego, cyfrowego rejestratora danych pomiarowych. Jest on zbudowany na bazie komputera PC, wyposażonego w 12-bitową, 8 kanałową kartę przetwornika analogowocyfrowego i klasyczne nośniki danych pomiarowych w postaci dysków. Oprogramowanie systemowe umożliwia lokalne sterowanie, zadawanie parametrów i przeglądanie danych pomiarowych, a także archiwizację i udostępnianie danych pomiarowych. 52

Tak zbudowany system monitoringu spełnia wymagania określone w normach (Polskie Normy: PN-85/B-02170, PN-88/B-02171) i zalecenia wynikające z licznych opracowań. W problematyce ochrony istniejących obiektów budowlanych na terenach górniczych pojęcia deformacji konstrukcji obiektu i rozwoju stanu uszkodzeń mają znaczące miejsce. Odpowiedni, kompleksowy monitoring zachowania się obiektu w dużej mierze ułatwia diagnozowanie stanu obiektów. W zależności od wartości takich parametrów jak wychylenie budynku od pionu, rozwartość pojedynczych rys, odkształcenie postaciowe konstrukcji, wprowadzono również stopnie uciążliwości użytkowania budynków z uwagi na wpływ deformacji ciągłych powierzchni spowodowanych eksploatacją górniczą (Kwiatek 2002). W tablicy 1.1 wg Kwiatka (2002), podano wartości wymienionych parametrów określających stopnie uciążliwości użytkowania budynków na terenach górniczych ze względu na wpływ ciągłych deformacji powierzchni. Tablica 1.1. Uciążliwość użytkowania budynków na terenach górniczych ze względu na wpływ ciągłych deformacji powierzchni Table 1.1. Annoyance of building utilisation in mining-affected areas with respect to continuous deformation of the ground surface Uciążliwość nieodczuwalna mała średnia duża Tb, mm/m < 10 10< Tb <15 15 < Tb < 20 Tb > 20 d,mm* d < 1 1 < d < 3 3 < d < 8 d > 8 k k <10exp-3 10exp-3< k< 2*10exp-3 2*10exp-3< k<3*10exp-3 3*10exp-3< k<5*10exp-3 * podano rozwartość rys w kondygnacjach nadziemnych, w piwnicach dopuszcza się rysy dwukrotnie większe. Przy ocenie stanów granicznych budynków na terenach górniczych wskazuje się w literaturze na konieczność opracowania nowych polskich przepisów nawiązujących do przepisów Unii Europejskiej. Nowym pojęciem jest sytuacja obliczeniowa definiowana jako zbiór warunków fizycznych występujących w okresie czasu, dla którego należy wykazać, że stosowne stany graniczne nie zostaną przekroczone. Definiowane są stany graniczne nośności i stany graniczne użytkowalności związane z oddziaływaniem górniczym, rozróżniając przy tym przejściową (niecka dynamiczna), trwałą (niecka statyczna) oraz wyjątkową (wstrząsy górnicze) sytuację obliczeniową. W sprawdzaniu stanów granicznych użytkowalności budynków wznoszonych na terenach górniczych podstawowymi parametrami oceny są wg Kawuloka i Sulimowskiego (1999) wychylenia budynku od pionu, odkształcenie konstrukcji (ścian budynku) powodowanych krzywizną terenu górniczego i określonych kątem odkształcenia postaciowego, rozwarcie rys w żelbetowych elementach zabezpieczających konstrukcję obiektów na wpływy eksploatacji górniczej. Podobne zapotrzebowanie na ciągły pomiar deformacji i odkształceń postaciowych występuje w problematyce oceny wytężenia budynków narażonych na wstrząsy. Ponieważ na terenach górniczych występują wstrząsy o wyższych niż założone w parametrach konstrukcyjnych wartościach przyspieszeń, problem oceny wytężeń budowli m.in. poprzez poprawny i ciągły pomiar wartości przyspieszeń, wychyleń, wartości kątów odkształcenia postaciowego w trakcie wstrząsów, szczególnie dla budynków wielokondygnacyjnych, przestaje mieć charakter marginalny (Cholewicki i in. 1997). 53

M. BĄCZKOWSKA, S. BOCIAN, M. WESOŁY, M. MACIOSZCZYK, W. BOCHENEK, Z. MOTYKA, H. PASSIA, A. SZADE Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu... 1.2. Ciągły monitoring funkcjonowanie systemu Dla przeprowadzenia prób ruchowych elementów zestawu wybrano trzy budynki leżące w różnych częściach miasta (rys. 1.1) o lokalizacji przy ulicy Ratowników (A), przy ulicy Hubala (B), oraz przy ul. 11 lutego (C). Są to 11-kondygnacyjne budynki z wielkiej płyty (A i B) oraz piętrowe murowane przedszkole (C), które znajduje się w strefie krawędziowej obszaru eksploatacyjnego w strefie wpływów bezpośrednich. Rys. 1.1. Rozmieszczenie elementów systemu pomiarowego na terenie miasta, A, B, C obiekty monitorowane, D centrala Fig. 1.1. System elements layout in the town area; A, B, C monitored structures, D control room Na wybranym obiekcie montowane są każdorazowo: czujnik wychyleń i czujnik przyspieszeń budynku a ; tam gdzie występują szczeliny w konstrukcjach nośnych lub dylatacje czujnik rozwarcia d rysy / dylatacji. Laserowy czujnik wychyleń zapewnia automatyczny pomiar amplitudy wychyleń w dwóch kanałach (N-S, E -W) z dokładnością 0,01 mm/m, w wybranym zakresie pomiarowym od 0 do kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu mm/m, aż do zakresu od 0 do 50 mm/m. Maksymalny zakres pomiarowy czujnika przyspieszeń, zbudowanego na bazie mikroukładowego przetwornika ADXL 05, wynosi + 5g przy rozdzielczości 5 mg, a pasmo częstotliwości mierzonych przyspieszeń 0 12 Hz. 54

Dla pomiaru dylatacji i dużych szczelin zastosowano dwa miniaturowe przetworniki (prod. Duncan i Sakae) położenia ze ścieżką rezystancyjną, o zakresach pomiarowych: do 5 i do 15 mm (korpus czujnika montowany jest po jednej stronie dylatacji, a bagnet z krążkiem oporowym po drugiej; przetwornik umocowany jest na saniach z amortyzatorem sprężynowym). Rejestracja danych oparta jest na wielokanałowej karcie przetwornika A/C o rozdzielczości 12-bitów, komputerze klasy IBM PC ze stacją dysków 1,44 MB oraz dyskiem stałym. Pakiet oprogramowania do akwizycji i analizy danych z systemu 4 czujników wychyleń, opracowany został w całości w GIG dla potrzeb rejestracji i analizy danych z czujników. Pakiet ten, o nazwie CHAN8, pozwala na rejestrację i analizę zarówno amplitud chwilowych o czasie relaksacji > 0,05 sek., jak i amplitud, np. wychyleń długoterminowych w okresach wielomiesięcznych. Rejestracja odbywa się w sposób ciągły z częstością > 4000 próbek/sek, przy czym zapamiętywane są maksymalne i minimalne wartości amplitud, zarejestrowanych przez urządzenia pomiarowe w ciągu każdej minuty. Do akwizycji danych służy program CHAN8GD w języku TurboPascal wchodzący w skład pakietu. Współpracuje on z kartą analogowo-cyfrową ADC-2043 i rejestruje w rzeczywistości wartości liczbowe uzyskiwane z przetworzenia sygnałów analogowych z ośmiu kanałów (dwa kanały dla każdego z czujników, np. dla kierunku W-E oraz N-S). 1.3. Bieżąca kontrola danych na obiektach Program CVIEWER8 pozwala na podgląd i kontrolę bieżących danych na monitorze kontrolnym w czasie pracy urządzenia, tak jak na rysunku 1.2. Umożliwia to obsłudze odczyt wartości pomiarowych w danej minucie z każdego czujnika, ilustruje aktualne położenie wektora wypadkowego w płaszczyźnie N-S, E-W, ogląd przebiegu zdarzeń w skali jednej doby. Wszystkie programy współpracują ze zbiorem STATUS, zawierającym m.in. po 2 czynniki kalibracyjne na każdy czujnik, służące de przetworzenia zarejestrowanych danych do postaci metrycznych wartości w każdym z dwóch prostopadłych do siebie kierunków. 1.4. Transmisja danych do centrali i ich opracowywanie Dane zarejestrowane na dyskietkach przenoszone są do komputera PC w centrali, gdzie następuje ich archiwizacja i gdzie dokonywane są analizy, obliczenia i ilustracje wybranych zależności w funkcji czasu rejestracji. W wersji zdalnego nadzoru systemu monitoringu kilku obiektów, zastosowano telefonię komórkową. Rejestratory cyfrowe znajdujące się w monitorowanych budynkach połączone są kablem (RS i zasilanie) z modemem telefonu komórkowego, który na żądanie (w abonamencie z aktywacją przesyłania danych) udostępnia pliki z danymi i przesyła je do komputera w centrali bez pośrednictwa Internetu. Udostępnienie dostępu do szybkiego serwera umożliwia obecnie rozpoczęcie pakietowej transmisji danych w standardzie GSM rozszerzonym o GPRS. Program Wykres (autorstwa mgr inż. Piotra Wywioła GIG) stosowany w centrali przeznaczony jest do wizualizacji przebiegów czasowych rejestrowanych przez wszystkie czujniki. Pozwala na równoczesne śledzenie przebiegów z maksymalnie 4 czujników. Przebieg czasowy każdego czujnika widoczny jest na oddzielnej zakładce w głównym oknie programu, tak jak na rysunkach 1.3 i 1.4. Program przystosowany jest do pracy w systemie operacyjnym Windows 9x, Windows 2000 pracującym z rozdzielczością min. 800x600 pikseli. Przeglądarka wyposażona jest w aktywny marker ułatwiający odczyt danych z dowolnej minuty, a także 55

M. BĄCZKOWSKA, S. BOCIAN, M. WESOŁY, M. MACIOSZCZYK, W. BOCHENEK, Z. MOTYKA, H. PASSIA, A. SZADE Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu... w lupę i opcję zmiany podstawy czasu. Program ten został zrealizowany na bazie środowiska programowania Visual C++ 5.0 firmy Microsoft, stosując technikę obiektowego projektowania aplikacji. Rys. 1.2. Widok okna monitora kontrolnego Fig. 1.2. View of the window of the control monitor 1.5. Nadzór nad pracą czujników okresowe badania i kalibracja czujników Nieodzowne jest sprawdzanie charakterystyk pomiarowych, tj. głównie zakresów pomiarowych, liniowości i czułości czujników opisanych powyżej co 12 miesięcy, na wyspecjalizowanych stanowiskach w Laboratorium Techniki Laserowej GIG. Badanie zależności dynamicznych prowadzone było na mocowanym przegubowo stole, którego wychylenia w czasie są zadawane przy pomocy obracających się mimośrodów lub krzywek o zadanym profilu. Prędkość przesuwu po obwodzie może być regulowana w granicach od 10 do 600 mm/h, co odpowiada wprowadzaniu wychyleń do 10 mm/m z przyspieszeniami do 2500 mm/s 2. Badania charakterystyki amplitudowej czujnika przyspieszeń w funkcji wybranych częstotliwości wg skali tercjowej w granicach od 1 Hz do 30 Hz przeprowadzane są w Laboratorium Akustyki Technicznej GIG, w oparciu o akredytowaną procedurę pomiarową BR1.03.3: Badania drgań mechanicznych budynków. W ramach pomiarów laboratoryjnych czujników przemieszczeń (dylatacje, szczeliny), wyznaczane są charakterystyki przemieszczenie napięcie. Wielkość przemieszczenia zadawana jest w układzie pomiarowym za pomocą śruby mikrometrycznej. Liniowość charakterystyk obydwu czujników powinna wynosić 0,4 %. 56

Rys. 1.3. Odczytywanie wartości wychyleń statycznych i dynamicznych w programie Wykres Fig. 1.3. Taking the readings of static and dynamic tilt in the Wykres programme Rys. 1.4. Odczytywanie amplitudy przyspieszenia w trakcie wstrząsu Fig. 1.4. Taking the acceleration reading during the occurrence of a tremor 57

M. BĄCZKOWSKA, S. BOCIAN, M. WESOŁY, M. MACIOSZCZYK, W. BOCHENEK, Z. MOTYKA, H. PASSIA, A. SZADE Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu... 2. Wyniki pomiarów wpływów górniczych na wybrane budynki 2.1. Umiejscowienie czujników Obiektem, na którym najwcześniej rozpoczęto pomiary był 11-kondygnacyjny budynek mieszkalny przy ulicy Ratowników 2 jednonawowy z pojedynczą dylatacją i trzema klatkami schodowymi budynek z wielkiej płyty. Jego konstrukcja była wzmacniana ścianami wewnętrznymi do wysokości 4-tego piętra. Czujniki wychyleń zostały przymocowane do ścian na poziomach 4/5 i 10/11 piętra oraz na fundamencie. Czujnik przyspieszeń w płaszczyźnie X-Y oraz czujnik szerokości dylatacji znajdują się na 11 kondygnacji. Wszystkie obsługiwane są przez jeden rejestrator. Pomiar na kolejnym obiekcie przy ulicy Hubala (B) 11-kondygnacyjnym budynku hotelu na planie kwadratu rozpoczęto również od instalacji czujników wychyleń: na fundamencie i ostatnim piętrze. Zestaw pomiarowy na tym budynku wyposażony jest ponadto w czujnik przyspieszeń (zainstalowany na ścianie podszczytowej). Na trzecim obiekcie (budynek Przedszkola C) na ścianie nośnej fundamentu zainstalowano czujnik wychyleń oraz czujnik przyspieszeń. 2.2. Omówienie najważniejszych wyników rejestracji prowadzonych w trakcie realizacji projektu Wszystkie dane pomiarowe w postaci plików, znajdują się w archiwum (dysk stały) Urzędu Gminy Polkowice. Zmiany wychylenia wypadkowego budynków w dłuższych okresach czasu wizualizowane są poprzez wprowadzenie do arkuszy kalkulacyjnych dobowych wartości wychyleń (z każdej pierwszej minuty kolejnej doby). Wykresy słupkowe (takie jak rys. 2.1) lub biegunowe (rys. 2.2) obrazują kierunek i wielkość zachodzących zmian pod wpływem ciągłych i nieciągłych deformacji powierzchni. Ułatwiają one analizę wpływów eksploatacji górniczej. Rysunek 2.3 przedstawia wyniki długookresowych (maj 2000 listopad 2002) pomiarów wychylenia budynku przy ul. Ratowników 2 laserowymi czujnikami na fundamencie, 4/5 i 10/11 piętrze. Zauważyć można różnice między wartościami kątów dla wyższych pięter w odniesieniu do zmiany wychylenia na fundamencie. Z takiego zestawienia wynika, że wyższe piętra nadążają za wychyleniem fundamentu z pewnym opóźnieniem. Widać również, że okresowe różnice wychyleń między fundamentem, a 11 piętrem mogą dochodzić do 4 mm/m, a wychylenia w połowie wysokości budynku mają wartości średnie. Różnice te odniesione do składowych związanych z osiami głównymi budynku mogą świadczyć o linii wygięcia obiektu, która jest wyraźnie większa dla składowej N-S odpowiadającej osi poprzecznej budynku. Kierunki zmian wychylenia budynku rejestrowane przez czujnik na fundamencie budynku z północno-zachodnich (do III kwartału 2001), przeszły na południowo-wschodnie i ta tendencja pozostała do końca 2002 roku. Są one porównywalne z wynikami pomiarów niwelacyjnych (O.Z.G. Rudna wysokości reperów 86, 87, 94, 84 na fundamencie) w podobnych okresach czasu i przeliczonych na wychylenia. Maksymalne różnice pomiędzy wartościami pomierzonych przyrostów wychyleń nie przekraczały 1 mm/m. Całkowita zmiana wychylenia pomierzona laserowymi czujnikami w okresie od 1.05. 2000 r. do 30.11. 2002 r. wyniosła 2 mm/m dla fundamentów i 1,5 mm/m dla 11 p. 58

Zmiany wychylenia, budynek Przedszkola 8 6 4 wychylenie [mm/m] 2 0 28.02.02-2 4.03 12.03 18.03.02 3.04 8.04.02 16.04 26.04 30.04 6.05 15.05 26.05 28.05 11.07.02 17.07.02 20.07.02 10.09.02 17.09.02 27.11.02 N-S, dynamiczne E-W, dynamiczne N-S,statyczne E-W, statyczne -4-6 data Rys. 2.1. Zmiany wychylenia statyczne i dynamiczne dla składowych N-S i E-W dla budynku przedszkola w 2002 roku Fig. 2.1. Tilt variations static and dynamic for N-S and E-W components at the infant school building, over the year 2002 Wychylenie budynku przy ul. Hubala 24 w roku 2002, w odniesieniu do dn. 19.04.2001 1 0,75 E(+)-W(-) [mm/m] 0,5 0,25 fundament 11p. 19.04.2001 19.04.2002-fundament 19.04.2002-11p. 0-0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 N(+)-S(-) [mm/m] Rys. 2.2. Zmiany położenia końca wektora wychylenia wypadkowego dla fundamentu i 11piętra budynku przy ul. Hubala w 2002 roku Fig. 2.2. Variations of the tip position of the vector for the foundation and 11 storey at the building located at Hubala street, over the year 2002 59

M. BĄCZKOWSKA, S. BOCIAN, M. WESOŁY, M. MACIOSZCZYK, W. BOCHENEK, Z. MOTYKA, H. PASSIA, A. SZADE Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu... Wychylenie budynku przy ul. Ratowników 2 4 wychylenie [mm/m] 3 2 1 0-1 Data -2-3 -4 1.05.00 12.08.00 14.09.00 15.10.00 14.11.00 10.12.00 8.01.01 27.01.01 13.03.01 21.04.01 18.05.01 21.06.01 29.07.01 30.08.01 4.10.01 30.10.01 11.12.01 7.01.02 data 31.01.02 22.03.02 17.04.02 25.04.02 1.05.02 31.05.02 25.06.02 10.07.02 10.08.02 15.09.02 10.10.02 30.10.02 11p. N-S 11p. E-W 4/5 p. N-S 4/5 p.e-w fundament N-S fundament E-W Rys. 2.3. Zmiany wychylenia budynku przy ul. Ratowników 2 w okresie od maja 2000 do listopada 2002, rejestrowane na trzech wysokościach Fig. 2.3. Changes of the tilt of building located at Ratowników 2 street, from May 2000 to November 2002, recorded at different heights Wychylenia dynamiczne budynku przy ul. Hubala 24 w okresie 26.01.02-8.07.2002 15 10 wychylenie [mm/m] 5 0 26.01.02 28.01.02 31.01.02 10.02.02 13.02.02 15.02.02 16.02.02 18.02.02 20.02.02 20.02.02 20.02.02 18.04.02 28.04.02 15.06.02 24.06.02 3.07.02 7.07.02 N-S;fundament E-W;fundament" N-S;11p. E-W;11p. -5-10 data Rys. 2.4. Zarejestrowane amplitudy składowych N-S i E-W wychyleń spowodowanych wstrząsami budynku przy ul. Hubala w I półroczu 2002 r. Fig. 2.4. Recorded N-S and E-W component amplitudes of the tremor-induced tilt of the building located at Hubala street, of the first half-year of 2002 60

Sumaryczne zmiany wychylenia statycznego rozpatrywanego budynku na kierunku NS dla poziomu 11 piętra (-1,4 mm/m) miały znak przeciwny niż zmiany wychylenia na poziomie fundamentów (1,3 mm/m). Dla kierunku EW wychylenia budynku górą i dołem mają ten sam znak, a różnica ich wartości jest niewielka. Świadczy to, że linia wygięcia budynku na kierunku jego szerokości dla składowej N-S jest wyraźnie wyższa. Jak wynika z operatu geodezyjnej kontroli pionowości budynku wykonanego 30.9.1999 roku przez O/ZG Rudna już wtedy występował identyczny profil, a zakres wychylenia wynosił 2,2 mm/m przy obecnym 2,7 mm/m. 2.3. Analiza wyników pomiarów wychyleń dynamicznych budynku oraz wyników pomiarów maksymalnych amplitud przyspieszeń drgań budynku Analiza reakcji budowli na wstrząsy rozpoczyna się od ilościowej i jakościowej oceny zarejestrowanych zjawisk, obrazowanych tak jak na rysunkach 1.3 i 1.4. Podkreślić należy, że rejestracja odbywa się w sposób ciągły z częstością > 4000 próbek/sek, przy czym zapamiętywane są maksymalne i minimalne wartości amplitud, zarejestrowanych przez urządzenia pomiarowe w ciągu każdej minuty. W ramach analizy wychyleń dynamicznych budynku i maksymalnych amplitud jego przyspieszeń dokonano porównań wyników badań prowadzonych przy użyciu laserowego czujnika wychyleń usytuowanego w poziomie fundamentów z wynikami takich samych czujników zainstalowanych w poziomie 4/5 piętra i 11 piętra oraz z wynikami pomiarów przyspieszeń drgań budynku wykonanych akcelerometrem. Dane do analizy obejmowały 136 reakcji na wstrząsy budynku przy ul. Ratowników 2. Pozwoliło to na przeprowadzenie kilku analiz statystycznych. Stosunek wypadkowych wychyleń chwilowych fundamentu budynku do wypadkowych wychyleń chwilowych w poziomie 4/5 piętra zawiera się w przedziale od 0,15 do -0,7, natomiast stosunek wypadkowych wychyleń 11 piętra do wypadkowych wychyleń w poziomie fundamentów osiąga wartości od -1,3 do 1,26. Wyniki te świadczą o tym, iż drgania wymuszone budynku w zależności od parametrów zaistniałych wstrząsów (energia, odległość ogniska wstrząsu od budynku i częstotliwości drgań generowane wstrząsem) przybierają różne postaci i podlegają wzmocnieniu z wysokością. W tablicy 1.2 wyszczególniono 20 dynamicznych odpowiedzi budynku, w przypadku których można rozróżnić zmianę znaku, czyli zwrotu składowej maksymalnej amplitudy wychylenia na wyszczególnionych poziomach. Tezę, że może to świadczyć o wyższej postaci drgań budynku potwierdza fakt, że 90 % wychyleń ze zmianą znaku występuje dla składowej N-S, czyli w osi poprzecznej budynku. Z tablicy 2.2 wynika natomiast, że wartości chwilowych wychyleń budynku z pionu dla poziomu 11 piętra i poziomu fundamentów wykazują bardzo silną korelację z wartościami maksymalnych amplitud przyspieszeń pomierzonych przy użyciu akcelerometru i nieco mniejszą korelację dla poziomu 4/5 piętra. Wychylenia dynamiczne budynku oraz maksymalne amplitudy przyspieszeń jego drgań charakteryzują reakcję budynku na wstrząsy pochodzenia górniczego, dlatego wyniki pomiarów winno się rozpatrywać w połączeniu z energiami wstrząsów oraz epicentralnymi i hipocentralnymi odległościami ognisk tych wstrząsów od rozpatrywanego obiektu. Uwzględniając energie wstrząsów w J, przeliczone na unormowaną do 1 km odległość epicentralną ich ognisk od budynku ( rozwieranie sferyczne czoła fali, (Kasina 1998)) oraz wartości wypadkowych wychyleń budynku w mm/m, uzyskano korelacje rzędu 73 % dla fundamentu i 60 % dla 11 piętra. Lecz gdy dokonamy tego samego wybierając wstrząsy z tego 61

M. BĄCZKOWSKA, S. BOCIAN, M. WESOŁY, M. MACIOSZCZYK, W. BOCHENEK, Z. MOTYKA, H. PASSIA, A. SZADE Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu... samego oddziału i rejonu, tak jak w tablicy 2.3, uzyskujemy korelacje na poziomie 96 97 %, co najlepiej świadczy o powtarzalności reakcji budynku na to samo źródło, a co można stwierdzić przy zastosowaniu laserowych czujników wychyleń do kontroli wpływów dynamicznych. Data Tablica 2.1. Zestawienie wstrząsów, przy których wystąpiła zmiana kierunku maksymalnego wychylenia z wysokością budynku Table 2.1. Specification of tremors at which the change of maximum tilt along the height of building took place Energia Składowe wychyleń chwilowych [mm/m] przyspieszenia 11p. 10/11p. 4/5p. fundament mm/s^2 2000 N-S E-W N-S E-W N-S E-W N-S E-W kierunek zmiany 6.08.00 2.0E6-4,2 2,2-2,9 2,2 1,94 0,99-205 -96 N-S 2.09.00 2.4E6-4 2,3-1,1-2,31 1,5 1-179 -112 N-S 9.09.00 3.9E6-4,7-2 5 1,4 3,1-0,7-270 -87 N-S 28.09.00 1,9E7 4,5 5,5 4,5 4,9-1,9 2,5-187 -326 N-S 15.11.00 3.3E7-8 10,5 8 10,2-4,6 6,5 461-706 N-S 16.11.00 3.1E7-8,9-3,5-5,5 3,3-1,5 0,7 300-168 E-W 25.11.00 5.2E6-4,5-1,9 3,7-2,2 2,3-0,8-201 -87 N-S 27.01.01 4.3E7-8,2 3,7 5,7 2,8 1,6 0,9 335 153 N-S 1.05.01 4.4E7-10 4 8,75 3,9-6,2 1,13 810 213 N-S 18.05.01 7.7E7-10,5 3,4 8,7 2,9-6 0,6 542 54 N-S 17.08.01 3.1E7-5,9 10,8 7,8 7,8-3,1 4,7 453 662 N-S 19.10.01 1.7E8-9 10,8 2,5 2,7 728 510 N-S 24.01.02 4.9E8-3,2 9,5 0,3 1 109 283 N-S 23.03.02 7.8E6 2,6 3-0,5 0,4 117 110 N-S 8.06.02 8.3E6 2-1,25 0,5 0,2 135-66 E-W 30.07.02 1.3E8-12,1 15 1,4-2 599 950 N-S 10.08.02 1.7E8-12,3 14 1,1-1,1 675 529 N-S 16.08.02 2.6E7 1,2 4,4-0,6 1,1 71 N-S 7.12.02 5.2E6 1,8 4,1-0,2 0,4 147 336 N-S 24.01.03 3.9E7-5,7 1,2 0,4 0,1 300 135 N-S Tablica 2.2. Wyniki badań zależności między chwilowymi wychyleniami budynku a przyspieszeniami drgań Table 2.2. Results of investigation of the relationship between instantaneous values of the building tilt vc. acceleration of vibration Wychylenie chwilowe Wsp. korelacji z a w T w11p 0,9 T w4/5 0,79 T wo 0,93 62

Maksymalna różnica wychyleń odnotowana w trakcie wstrząsu (30.07.2002, 1.3E8, G 1/7) między 11 piętrem, a fundamentem wyniosła 13 mm/m, co daje kąt odkształcenia postaciowego budynku b = 13*10-3 ; średni kąt odkształcenia postaciowego ściany jednej kondygnacji wynosi wtedy s = 11.8*10-4. W żadnym przypadku, dla budynku przy ul. Ratowników, nie stwierdzono bezpośredniego wpływu wstrząsu na zmianę wychylenia statycznego. Jednak w dwóch przypadkach odnotowano na ostatnim piętrze okresowe (miesiąc, dwa) zmiany wychylenia. Po wstrząsach w dniach 9 i 14 września 2000 roku nastąpiło wyraźne (0,8 mm/m) zwiększenie wychylenia w kierunku S-E, a po wstrząsie w dniu 20.02.2002 1 mm/m w kierunku N-E, co jest widoczne na rysunku 2.3. Tablica 2.3. Przykład korelacji między wypadkową amplitudą wychylenia budynku, a unormowaną do stałej odległości energią wstrząsów z tego samego rejonu eksploatacji Table 2.3. Example of correlation between the amplitude of the building tilt and energy of tremors from the same mining region, normalised to a constant distance Data Rejon Energia Epicentrum E/R^2 fundament wstrząsów R Składowe wychyleń chwilowych [mm/m] x E6 J km x E6 J N-S E-W wypadkowa 5.08.00 G-6/6 4,300 2,450 0,716 0,400 0,000 0,400 7.08.00 G-6/6 1,300 2,450 0,217 0,900 0,400 0,985 12.08.00 G-6/6 2,900 2,450 0,483-0,500 0,200 0,539 29.08.00 G-6/6 2,400 2,450 0,400 1,700 0,500 1,772 5.09.00 G-6/6 1,800 2,650 0,256 0,600 0,400 0,721 15.10.00 G-6/6 1,700 2,540 0,264 0,700 0,400 0,806 22.10.00 G-6/6 1,000 2,530 0,156 0,900 0,300 0,949 2.11.00 G-6/6 2,700 2,520 0,425-1,700-0,800 1,879 2.12.00 G-6/6 2,000 2,420 0,342 0,900 0,300 0,949 9.12.00 G-6/6 3,000 2,410 0,517 0,300 0,200 0,361 10.12.00 G-6/6 18,000 2,420 3,074 0,800 1,100 1,360 28.04.02 G-6/6 190,000 2,400 32,986 6,100 3,800 7,187 Korelacja: 0,966 Największą wartość reakcji budynku przy ul. Hubala wynoszącą 12 mm/m wychylenia chwilowego odnotowano 20.02.2002 r. w trakcie wstrząsu o energii 1,5 * 10 9 J, którego ognisko znajdowało się w odległości 0,7 km od budynku. Wartości przyspieszenia drgań budynku w obu kierunkach przekroczyły zadany, maksymalny zakres 1000 mm/s 2. Wstrząs ten spowodował liczne uszkodzenia budynku, (opisane w rozdziale 3.2.1 opracowania (Stefańka 2002)), spowodował także przesuwanie się i spadanie ciężkich przedmiotów takich, jak telewizory, segmenty szaf itp. oraz stan paniki wśród osób przebywających w budynku. 3. Podsumowanie System ciągłego monitoringu nadzoruje budynki różniące się wymiarami rzutów oraz wysokością, rodzajem konstrukcji i położeniem w obrębie filara ochronnego miasta Polkowice. 63

M. BĄCZKOWSKA, S. BOCIAN, M. WESOŁY, M. MACIOSZCZYK, W. BOCHENEK, Z. MOTYKA, H. PASSIA, A. SZADE Funkcjonowanie systemu automatycznego monitoringu... Dla poszczególnych budynków różny był także zakres i okres prowadzenia pomiarów, niemniej jednak analiza danych uzyskanych z systemu ciągłego monitoringu dla wybranych obiektów Polkowic, wskazuje na możliwość uzyskania dzięki temu systemowi najistotniejszych danych odnośnie reakcji budynków na oddziaływania dynamiczne i statyczne oraz stanowi podstawę do sformułowania wytycznych dotyczących sposobu i zakresu dalszego prowadzenia badań. Najszerszy zakres badań obejmował budynek przy ul. Ratowników 2, gdyż dla tego budynku prowadzono pomiary wychyleń w trzech poziomach: fundamentów, 4/5 piętra oraz na ostatniej kondygnacji. Dla tego budynku najdłuższy był także okres prowadzenia badań, który trwał ponad 2 lata. W związku z tym wyniki uzyskane dla tego budynku są najbardziej miarodajne. Całkowita zmiana wychylenia pomierzona laserowymi czujnikami w okresie od 1.05. 2000 r. do 30.11. 2002 r. wyniosła 2 mm/m dla fundamentów i 1,5 mm/m dla 11 piętra. Pomierzone sumaryczne zmiany wychylenia statycznego rozpatrywanego budynku na kierunku NS dla poziomu 11 piętra (-1,4 mm/m) odniesione do wychylenia na poziomie fundamentów (1,3 mm/m) pozwoliły na określenie zmian w linii wygięcia budynku. Zmiany te nie wpłynęły na zmianę kategorii uciążliwości użytkowania budynków (tablica 1.1) ze względu na wpływ ciągłych deformacji powierzchni; zachowany został nieodczuwalny stopień uciążliwości. Liczebność wstrząsów w obszarze filara ochronnego Polkowic jest natomiast duża, znaczne są również ich energie. Zaprezentowane wyniki pomiaru zjawisk dynamicznych wykazały, iż drgania wymuszone budynku w zależności od parametrów zaistniałych wstrząsów (energia, odległość ogniska wstrząsu od budynku i przyspieszenie) przybierają różne postaci. Wykazano występowanie wysokich korelacji maksymalnych przyspieszeń wymuszonych drgań jego konstrukcji (mierzonych akcelerometrem) z wypadkowymi wychyleniami chwilowymi, a także silną korelację między wychyleniami budynku, a energią fali sejsmicznej pochodzącej z tego samego rejonu eksploatacji górniczej. Fakty te potwierdziły badania korelacji wykonane dla budynku przy ul. Hubala 24. Pomierzone wartości zjawisk dynamicznych wychyleń, przyspieszeń drgań, odkształceń postaciowych jako reakcji monitorowanych konstrukcji na wstrząsy częstokroć przekraczały granice określane w ocenach uciążliwości użytkowania budynków, klasyfikacji dynamicznej odporności (Kwiatek 2002) i wytężeń obiektów (Cholewicki i in. 1997) jako najwyższe. W żadnym przypadku nie stwierdzono jednak bezpośredniego wpływu wstrząsu na zmianę wychylenia statycznego budynku. Pomimo tego iż przeprowadzane były przez różne ośrodki badania z zastosowaniem innych metod pomiarowych oraz ekspertyzy budowlane, nie można jednoznacznie określić postępu utraty wartości użytkowych przez monitorowane obiekty. Zaprezentowany system monitoringu, poprzez zmianę sposobu rejestracji danych, może być jednak przystosowany do pomiaru dodatkowo takich parametrów jak okres drgań własnych, postać drgań i dekrement tłumienia w czasie wstrząsów. Wyniki takich pomiarów mogą zapewnić bardziej precyzyjne oceny i prognozy. Literatura [1] Bochenek W., Passia H., Szade A i in. 2002: Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom górniczym na terenie miasta Polkowice, Wyd. IGSMiE PAN, Warsztaty'2002, Kraków. [2] Kwiatek J. 2002: Obiekty budowlane na terenach górniczych, Wyd. GIG Katowice. 64

[3] Kawulok M., Sulimowski Z. 1999: Nowe ujęcie stanów granicznych budynków na terenach górniczych, Konferencja Naukowo Techniczna Problemy projektowania i ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych, Rudy Raciborskie 1999, od 75. [4] Cholewicki A., Szulc J., Król I. 1997: Ocena wytężenia i zasady zabezpieczania konstrukcji budynków narażonych na wstrząsy, Prace naukowe GIG Nr20 Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi, Konferencja Katowice 1997, od 53. [5] Kasina Z. 1998: Przetwarzanie sejsmiczne, Wyd. Centrum PPGSMiE PAN, Kraków. [6] Stefańka L. 2002: Wstępna ekspertyza budowlana na podstawie danych pomiarowych uzyskanych z systemu, Dokumentacja pracy badawczo usługowej GIG, Katowice. Operation of an automatic system for monitoring of the effects of mining on selected building structures in the city of Polkowice Within the Dedicated Project, the measuring system was built, composed of optoelectronic and electronic sensors, including: laser sensor, acceleration sensor, fissure propagation (fissure width) sensor, together with multi-channel data acquisition in computer-based recorders. The system itself was presented at last-year Mining workshop. Recently, after two-year experience and field tests, the authors present the operation of the system, starting from calibration of its elements, trough automatic measurements at the objects, to the possibilities of recording, and graphical visualisation of data. Examples are given of the effects of mining on three selected structures in the city area, monitored in accordance with the schedule of the research project. Przekazano: 10 marca 2003 r. 65