Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom górniczym na terenie miasta Polkowice

Mat. Symp. str. 113 129 Maria BĄCZKOWSKA, Magdalena MACIOSZCZYK, Margota WESOŁY Urząd Gminy Polkowice Wojciech BOCHENEK, Henryk PASSIA, Adam SZADE Główny Instytut Górnictwa, Katowice Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom górniczym na terenie miasta Polkowice Streszczenie Zbudowano system pomiarowy złożony z czujników optoelektronicznych i elektronicznych takich jak: laserowy czujnik wychyleń (prod. GIG), czujnik przyspieszeń i czujnik propagacji szczelin i szerokości dylatacji. Zapewniają one automatyczny precyzyjny pomiar wychyleń, drgań i deformacji budynków z wielokanałową akwizycją danych w rejestratorach cyfrowych oraz możliwością wizualizacji graficznej wszystkich wyników w formie wydruków przebiegów dobowych bądź charakterystyk drgań. Zestawy takie są instalowane na trzech obiektach znajdujących się w różnych punktach miasta Polkowice. Przedstawiono przykłady reakcji monitorowanych budynków na wpływy górnicze. Prezentacja jest jednocześnie relacją z realizacji Projektu Celowego. 1. Wstęp Gmina Polkowice liczy ponad 26 000 mieszkańców, 22 000 z nich zamieszkuje w mieście Polkowice, a pozostali w 15 sołectwach. Polkowice otrzymały prawa miejskie w 1265 roku. Po drugiej wojnie światowej zostały doszczętnie zniszczone i utraciły prawa miejskie, które odzyskały w 1966 r. Od tego czasu Polkowice rozpoczęły nowy etap rozwoju związany ze zlokalizowanym na tym terenie przemysłem miedziowym. W granicach administracyjnych gminy Polkowice leżą obszary górnicze: Lubin I, Rudna I, Rudna II, Polkowice II i Sieroszowice I. KGHM Polska Miedź S.A. w Lubinie posiadający koncesję na eksploatację złoża rud miedzi wraz z metalami współwystępującymi w granicach zatwierdzonych obszarów górniczych, stanowi solidny fundament gospodarczy dla całego subregionu polkowickiego. W latach dziewięćdziesiątych następuje przyspieszenie rozwoju ekonomicznego, społecznego i kulturalnego gminy i miasta, czego dowodem jest m.in. stary rynek wyburzony i sukcesywnie odbudowany po roku 1991. Ponieważ fasady budynków pierzei zachodniej, wschodniej i południowej stanowiły zabytek zostały odbudowane pod nadzorem konserwatora zabytków. Pierzeja północna wybudowana w latach siedemdziesiątych, bez pełnych zabezpieczeń na szkody górnicze, została również wyburzona, bo naprawa szkód górniczych i wzmocnienia okazały się ekonomicznie nieuzasadnione. 113

M. BĄCZKOWSKA i inni Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom... 1.1. Charakterystyka złoża Złoże rud miedzi zalega w środkowej części Monokliny Przedsudeckiej. W budowie geologicznej obszaru wyróżnić można trzy duże kompleksy skał: kompleks skał krystalicznych, najstarszy pochodzący z paleozoiku, będący przedłużeniem bloku przedsudeckiego i stanowiący podłoże monokliny, kompleks skał osadowych permu i triasu, wchodzący w skład monokliny, na który składają się: czerwony spągowiec (~315 m), utwory cechsztynu (~310 m) i pstry piaskowiec (~440 m), kompleks utworów trzecio- i czwartorzędowych, obejmujący: utwory trzeciorzędowe (~360 m), utwory czwartorzędowe (~60 m). Poszczególne utwory zalegają na sobie dyskordantnie. Złoże rudy miedzi zalega w spągowych utworach cechsztynu i w piaskowcach czerwonego spągowca na głębokościach od 710 m do 1250 m. W złożu występuje szereg zaburzeń tektonicznych, w tym głównie strefy uskoków: strefa Biedrzychowa o zrzucie przekraczającym 40 m, strefa Paulinów o zrzucie od kilku do kilkunastu m, strefa Rudna Główna o zrzucie do 31 m. W profilu geologicznym złoża można wyróżnić pięć zasadniczych pięter wodonośnych: czwartorzędowy, trzeciorzędowy, pstrego piaskowca, cechsztynu, czerwonego piaskowca. 1.2. Opis dokonanej i projektowanej eksploatacji Eksploatacja górnicza jest prowadzona pod terenami niezabudowanymi, pod zabudowanymi w zabudowie wiejskiej, a także w filarze ochronnym miasta Polkowice, również w filarach ochronnych szybów górniczych, i filarach ochronnych dla przemysłowych obiektów przyszybowych. Poza filarami ochronnymi złoże eksploatuje się systemem filarowo-komorowym z upodatnieniem. System filarowo-komorowy dwuwarstwowy z podsadzką hydrauliczną stosuje się do wybierania złóż o miąższości około 14,0 m, z modyfikacją w filarze ochronnym miasta. Dla złóż o miąższości do 6,0 m stosuje się system filarowo-komorowy jednoetapowy z podsadzką hydrauliczną. Decyzją OUG z dnia 24.08.1974 r. został utworzony filar ochronny dla miasta Polkowice, a w dniu 20.06.1978 r. OUG zezwolił na prowadzenie eksploatacji w tym filarze. Do roku 1983 eksploatacja w filarze miasta była prowadzona zawał. W tym okresie bardzo wzrosła sejsmiczność. Po protestach mieszkańców i władz miasta zatrzymano eksploatację w filarze ochronnym miasta i przystąpiono do wzmacniania profilaktycznego budynków. Dopiero w lutym 1991 roku podpisano z Radą Gminy Polkowice porozumienie dopuszczające prowadzenie eksploatacji w filarze ochronnym miasta, pod szczególnymi warunkami; m.in. likwidacji przestrzeni wybranej na pełną podsadzkę hydrauliczną. W latach 1999 2000 w filarze ochronnym miasta Polkowice dopuszczony był system eksploatacji grubego złoża o miąższości do 14,0 m dwuetapowy z niepełną podsadzką hydrauliczną, mimo protestu Burmistrza Gminy złożonego Przewodniczącemu Komisji do Spraw Ochrony Powierzchni przy Wyższym Urzędzie Górniczym. Eksploatacja w filarze ochronnym miasta Polkowice będzie prowadzona do 2005 roku; do 2004 roku na podstawie 114

pozytywnie zaopiniowanego przez Komisję do Spraw Ochrony Powierzchni przy Wyższym Urzędzie Górniczym Programu eksploatacji i ochrony powierzchni w filarze ochronnym miasta Polkowice, w którym przyjęto, że likwidacja przestrzeni wybranej będzie dokonywana na pełną podsadzkę hydrauliczną. Do 2013 roku Przedsiębiorca posiada koncesję na eksploatację złóż: Lubin I, Polkowice II, Rudna I, Sieroszowice I, a do 2046 roku ze złoża Rudna II. 1.3. Opis wpływów bezpośrednich i pośrednich dokonanej eksploatacji 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; wpływów pośrednich: związanych z drenażem górotworu przez prace górnicze, konsolidację odwadnianych warstw trzeciorzędowych i obniżeniami w wyniku odwodnienia, wpływów parasejsmicznych, spowodowanych wstrząsami górniczymi. Podstawową metodą rejestracji wpływów bezpośrednich jest rejestracja ich wielkości w miejscu występowania za pomocą obserwacji geodezyjnych. Metody geodezyjne stosuje się także do określania wpływów pośrednich związanych z drenażem górotworu i jego odwodnieniem występujących w postaci wielko powierzchniowych niecek obniżeniowych. Pomiary geodezyjne są bardzo poprawnie prowadzone przez poszczególne Oddziały KGHM Polska Miedź S.A. w Lubinie; obejmują okres od początku działalności górniczej i prowadzone są na bieżąco. W granicach administracyjnych miasta i gminy Polkowice stwierdzono pomiarami I i II kategorię terenu do zabudowy, a sporadycznie poza terenami nie zabudowanymi występuje III kategoria terenu do zabudowy. Bardzo trudną i kontrowersyjną sprawą było określenie wpływów pośrednich parasejsmicznych. Dla gminy Polkowice, zgodnie z wymienionymi w literaturze opracowaniami, były one określane w terenie wiejskim zabudowanym w IV, V i VI stopniu intensywności w skali MSK-64 (Centrum Badawczo Projektowe Miedzi CUPRUM Sp. z o.o. 2000). 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 do 1983 roku były wznoszone zgodnie z podanymi warunkami zabudowy, ale bez zabezpieczeń na wpływy od wstrząsów pochodzenia górniczego. 1.4. Prognozowane wpływy eksploatacji górniczej W gminie Polkowice do 2012 roku przewiduje się I, II, III i IV kategorię terenu górniczego do zabudowy oraz maksymalnie VI stopień intensywności drgań w skali MSK-64. Kategoria IV terenu do zabudowy wystąpi poza terenami zabudowanymi (Popiołek 1998). Zgodnie z Opracowaniem Centrum Badawczo Projektowego Miedzi CUPRUM [2] w filarze ochronnym miasta Polkowice do 2010 roku wystąpi I i II kategoria terenu do zabudowy oraz przyspieszenie drgań max. 330 mm/s 2, a przy wstrząsach o energiach rzędu E8J: a < 350 mm/s 2. 115

M. BĄCZKOWSKA i inni Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom... 1.5. Działania podjęte przez urząd gminy Ponieważ we wrześniu 1998 roku Komisja Ochrony Powierzchni przy Wyższym Urzędzie Górniczym pozytywnie zaopiniowała prowadzenie eksploatacji grubego złoża w filarze ochronnym miasta Polkowice z likwidacją przestrzeni wybranej z niepełną podsadzką hydrauliczną, 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 roku 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 pomiarze przyspieszenia drgań i wychyleń elementów konstrukcyjnych, co jest m. in. przedmiotem umowy z Komitetem Badań Naukowych i Głównym Instytutem Górnictwa jako Realizatorem projektu celowego. 2. System pomiarowy opracowany w ramach projektu celowego W ramach części badawczo-rozwojowej tego projektu w GIG opracowano model, a po badaniach laboratoryjnych realizowana jest budowa prototypu systemu do ciągłego monitoringu wskazanych obiektów na terenie miasta. Dla przeprowadzenia prób ruchowych elementów zestawu wybrano trzy budynki leżące w różnych częściach miasta (rys. 2.1.) o lokalizacji przy ulicy Hubala (B), przy ulicy Ratowników (A) oraz przy ul. 11 lutego (C). Są to 11-to kondygnacyjne budynki z wielkiej płyty (A i B) oraz piętrowe murowane przedszkole (C), które znajduje się na granicy obszaru eksploatacji górniczej w strefie wpływów bezpośrednich. Takie rozmieszczenie systemu pomiarowego umożliwi optymalne porównanie danych pomiarowych w tych samych okresach czasu (np. wystąpienia wstrząsu) z uwzględnieniem specyfiki danego obiektu, jego położenia i klasyfikacji zarejestrowanych wartości przyspieszeń w gruncie. System monitoringu zaproponowany w projekcie obejmuje czujniki, które rejestrują automatycznie i w sposób ciągły wychylenia, przyspieszenia, szerokość szczelin. Podjęto również próby pomiaru naprężeń w konstrukcji nośnej, poprzez rejestrację odkształceń postaciowych wybranej kondygnacji. Całość spełnia w ten sposób wymagania określone w normach (PN-85/B-02170, PN-88/B-02171) i opracowaniach (Kwiatek i in. 1997; Kwiatek 1999; Kawulok, Sulimowski 1999; Cholewicki 1999), które wskazują na rozmieszczenie punktów i kierunków pomiarowych, podają sposoby sprawdzania wpływów dynamicznych na budynek i określają utratę jego wartości użytkowych. 2.1. Budowa prototypowego zestawu pomiarowego Zasadniczymi elementami zestawu do ciągłego monitoringu wpływów górniczych na budynki są: laserowy czujnik wychyleń prod. GIG, scalony mikropojemnościowy czujnik przyspieszeń, potencjometryczny bądź optoelektroniczny czujnik propagacji szczelin i rozwarcia dylatacji, czujnik naprężeń, 116

cyfrowy rejestrator danych pomiarowych na obiektach, centrum komputerowej analizy danych w Urzędzie Gminy, oprogramowanie pomiarowe. Rys. 2.1. Rozmieszczenie elementów systemu pomiarowego na terenie miasta, A, B, C obiekty monitorowane, D centrala Fig. 2.1.System elements layout in the town area; A, B, C monitored structures, D control room Każdy z wymienionych wyżej czujników zbudowany jest 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, tak jak na rysunku 2.2. Jest on zbudowany na bazie komputera PC, wyposażonego w 16-bitową, 8 kanałową kartę przetwornika analogowo-cyfrowego i klasyczne nośniki danych pomiarowych w postaci dwóch stacji dysków. Oprogramowanie systemowe umożliwia lokalne sterowanie, zadawanie parametrów i przeglądanie danych pomiarowych. 117

M. BĄCZKOWSKA i inni Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom... Rys. 2.2. Zestaw pomiarowy: czujnik przyspieszeń, czujnik szerokości szczeliny, czujnik wychyleń i cyfrowy rejestrator pomiarowy Fig. 2.2. Measuring set: accelerometric sensor, fissure measuring sensor, tilt sensor, digital recorder Na wybranym obiekcie montowane są każdorazowo: czujnik wychyleń α i przyspieszeń a ; tam gdzie występują szczeliny w konstrukcjach nośnych lub szczeliny dylatacyjne czujnik rozwarcia d (rysy, dylatacji) lub czujnik odkształceń konstrukcji nośnej F. Na obiektach rozciągłych i wysokich mogą być instalowane większe ilości wymienionych czujników. 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, przyjęto po analizie ekonomicznej założeń modelowych zastosowanie do transmisji danych z rejestratora do komputera w centrali modułów telefonii komórkowej. Rejestratory cyfrowe znajdujące się w monitorowanych budynkach połączone są kablem (RS i zasilanie) z modemem telefonu komórkowego, który na żądanie udostępnia pliki z danymi i przesyła je do komputera w centrali. 2.2 Krótka charakterystyka elementów systemu 2.2.1. Laserowy czujnik wychyleń W zastosowanej metodzie pomiaru wychyleń monochromatyczna wiązka światła o przekroju kołowym przechodzi jednokrotnie przez klin cieczowy o znanym współczynniku załamania światła n i pada bezpośrednio na fotodetektor umieszczony centralnie w ustalonej odległości L pod klinem cieczowym (Szade i inni, Polski patent nr 151 105; Szade, Passia, Lipowczan 1996). Detektor składa się z czterech aktywnych segmentów pomiarowych, a każdej parze można przypisać jeden z kierunków np. geograficznych. Schemat ideowy czujnika przedstawiono na rysunku 2.3. Zasadnicze jego części to: nadajnik, kuweta z cieczą (pryzmat cieczowy), 118

detektor, spodarka i obudowa. Skręcone razem korpusy nadajnika i detektora mocowane są w uchwycie, na którym opiera się osłona czujnika, a całość instalowana jest w spodarce geodezyjnej. Układ przedwzmacniacza i kontroli emisji światła (stabilizacji mocy wiązki) znajduje się w osobnej obudowie. W oddzielnej obudowie instalowany jest również rejestrator cyfrowy z układem zasilającym. W nadajniku mocowane jest źródło światła półprzewodnikowa dioda laserowa lub monochromatyczna dioda LED o dużej jasności oraz układ soczewek i przesłon formujących wiązkę światła o przekroju okrągłym (φ 7 mm) na powierzchni detektora. Wiązka ta biegnie z nadajnika do układu detekcyjnego, w którym są mocowane kolejno od góry : kuweta z cieczą i w regulowanej odległości segmentowa fotodioda. Jest to krzemowa epiplanarna fotodioda PIN o dużym polu powierzchni światłoczułej (1 cm 2 ). Powierzchnia światłoczuła ma kształt koła podzielonego na 4 równe segmenty. Sygnał z fotodetektora wzmacniany jest różnicowo w dwukanałowym wzmacniaczu pomiarowym, opartym na wysokiej klasy układzie scalonym INA 2128 firmy Burr-Brown. Poziom wzmocnienia jest dobierany w trakcie kalibracji czujnika, tak aby dla pełnego zakresu pomiarowego uzyskać sygnał wyjściowy + 5 V, odpowiadający napięciu wejściowemu przetwornika A/C rejestratora cyfrowego. Rys. 2.3. Schemat ideowy optycznego czujnika wychyleń Fig. 2.3. Schematic of optical tilt sensor 119

M. BĄCZKOWSKA i inni Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom... Wzmocniony sygnał poddawany jest filtracji w układzie dolnoprzepustowym w celu ograniczenia pasma sygnału i usunięcia zakłóceń wysokoczęstotliwościowych. Czujnik 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 2 mm/m, aż do zakresu od 0 do 50 mm/m (Szade, Passia, Lipowczan 1996; Szade i in. 1998). 2.2.2. Układ do pomiaru przyspieszeń W metodzie pomiaru przyspieszeń w zakresie bardzo niskich częstości ( < 30 Hz) zastosowano scalony czujnik przyspieszeń stałych i zmiennych ADXL 05 firmy Analog Device. Charakteryzuje się on bardzo małymi rozmiarami, co spowodowało łatwość jego wbudowania do istniejącej konstrukcji, nowoczesnością rozwiązań oraz łatwością przetwarzania sygnału. Jego schemat blokowy przedstawia rysunek 2.4. Pomiar możliwy jest tylko dla jednego wyróżnionego kierunku. Jest on wykonany w postaci mikromechanicznych układów kondensatorowych, których pojemność zmienia się pod wpływem oddziaływującego przyspieszenia. Zakres pomiarowy czujnika ADXL 05 wynosi + 5g przy rozdzielczości 5 mg, a pasmo częstotliwości mierzonych przyspieszeń 0 1 khz. Parametry te można modyfikować za pomocą zewnętrznych elementów (Szade i inni 1999; Bochenek i inni 2000). Dla zastosowań ujętych w niniejszym opracowaniu przyjęto następujące parametry: zakres pomiarowy + 0,5 g (możliwość regulacji do + 5 g), poziom szumów 2 mg pasmo częstotliwości pomiaru 0 12 Hz, napięcie wyjściowe dla pełnego zakresu: + 5 V. Rys. 2.4. Schemat blokowy czujnika przyspieszeń Fig. 2.4. Block diagram of acceleration Czujnik przyspieszeń dla trzech osi wraz z towarzyszącą elektroniką najczęściej jest związany mechanicznie z korpusem czujnika wychyleń, tak jak na rysunku 2.5. 120

Rys. 2.5. Mikroukładowy czujnik przyspieszeń zamontowany na czujniku wychyleń Fig. 2.5. Chip acceleration sensor mounted on the tilt sensor 2.2.3. Czujnik szerokości szczelin Widoczne uszkodzenia elementów nośnych konstrukcji (rysy i spękania murów nośnych, połączeń między ścianami, nadproży, filarów itp.) świadczą o zmniejszeniu wytrzymałości konstrukcji budynku. Destrukcyjny (lub nie) charakter oddziaływań zewnętrznych na budynek można potwierdzić poprzez ciągły monitoring rozwarcia najbardziej widocznych szczelin, rys czy spękań. Czujniki zastępują plomby cementowe lub szkiełka. Tam, gdzie budowla posiada konstrukcyjne szczeliny dylatacyjne można mierzyć ich rozstaw w funkcji czasu i wpływów górniczych. Dla dylatacji i dużych szczelin korzystne i wystarczające jest stosowanie liniowych, miniaturowych przetworników położenia ze ścieżką rezystancyjną. Zastosowano dwa przetworniki (prod. Duncan i Sakae), 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. Dla spękań i rys opracowano i wykonano prototyp optoelektronicznego pomostu pomiarowego, którego schemat ideowy przedstawiony jest na rysunku 2.6 i który jest zarazem czujnikiem przemieszczeń z możliwościami zastosowań, takimi jak na rysunku 2.7. Jego zasadniczymi elementami są: dioda LED emitująca widzialne światło, układ soczewek formowania (ogniskowania) wiązki znajdujące się na uchwycie montowanym po jednej ze stron rysy. Nad wiązką laserową z gaussowskim rozkładem mocy umieszcza się fotodetektor położenia, który innym uchwytem jest związany z drugim brzegiem szczeliny. Można tutaj zastosować czterosegmentową fotodiodę, taką jak w czujniku wychyleń. Mierzalny sygnał pomiarowy z detektora uzyskuje się przy setnych częściach milimetra przesunięcia plamki po powierzchni detektora. 121

M. BĄCZKOWSKA i inni Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom... Rys. 2.6. Schemat ideowy czujnika optoelektronicznego do ciągłego pomiaru rozwarcia szczelin Fig. 2.6. Schematic of optoelectronic sensor for continuous measurement of fissure spacing Rys. 2.7. Zastosowania czujnika przemieszczeń: a) pomiar propagacji rozwarcia szczeliny, b) pośredni pomiar odkształcenia postaciowego Fig. 2.7. Application of displacment sensor: a) measurement of propagation of fissure spacing; b) indirect measurement of non-dilatational strain 2.2.4. Czujnik naprężeń Zamiast światłowodowego czujnika z wykorzystaniem interferometru Michelsona (założenia modelowe, wysoki koszt przedsięwzięcia) zastosowano metodę pośredniego pomiaru 122

naprężeń (sił i momentów) drogą pomiaru wyboczenia ramy pod obciążeniem dynamicznym, rozumianego jako pomiar nachylenia ściany względem stropu (rozwiązaniem równania różniczkowego jest wielkość tego kąta w funkcji sztywności na zginanie i momentów zginających). Idea pomiaru rozwarcia szczelin oraz naprężeń poprzez pomiar kąta między stropem i ścianą jest przedstawiona na rysunku 2.7. 2.2.5. Cyfrowy rejestrator danych Jest nim system oparty 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 laserowego czujnika wychyleń budowli. Pakiet ten, o nazwie CHAN8, pozwala na rejestrację i analizę zarówno amplitudy poprzecznych drgań chwilowych o czasie relaksacji > 0,05 sek., jak i amplitudy wychyleń długoterminowych w okresach wielomiesięcznych. Rejestracja odbywa się w sposób ciągły z częstością > 4000 próbek/sek., przy czym zapamiętywane są maksymalne wartości amplitud, zarejestrowanych przez urządzenia pomiarowe w ciągu każdej minuty. Do akwizycji danych służy program CHAN8GD 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). Do przedstawienia rejestracji w formie graficznej służy program CVIEWER8. Wszystkie programy współpracują ze zbiorem STATUS, zawierającym m.in. po 2 współczynniki kalibracyjne na każdy czujnik, służące de przetworzenia zarejestrowanych danych do postaci metrycznych wartości w każdym z dwóch prostopadłych do siebie kierunków. Pakiet CHAN IV jest także dostosowany do akwizycji danych z czujnika przyspieszeń. W wybranych kanałach zamiast wychyleń rejestrowane są maksymalne i minimalne wartości przyspieszeń. Wszystkie elementy wymagają jedynie programowej zmiany opisu wielkości mierzonych z [mm/m] na [mg] (g = 9,81m/s 2 ) i odpowiedniego dobrania odpowiadających im współczynników kalibracji. Program RABE dla zintegrowanego czujnika wychyleń i przyspieszeń. Program RABE służy do ciągłej rejestracji wychyleń w osiach N-S i E-W oraz rejestracji przyspieszeń w osiach X (N-S), Y (E-W) i Z. Parametry zapewniane podczas akwizycji danych: częstotliwość próbkowania: od 100 500 Hz w każdym kanale pomiarowym, regulowany zakres pomiarowy, dla wychyleń: 1 10 mm/m, dla przyspieszeń: 50 1000 mg, zadawany próg wyzwalania rejestracji przyspieszeń: 0 50% zakresu pomiarowego, czas wyzwolonej rejestracji przyspieszeń: 2 10 s, ciągły podgląd rejestrowanych wartości cyfrowych. Zarejestrowane dane z wychyleń zapisywane są w formacie umożliwiającym ich przeglądanie przy pomocy programów pakietu CHAN4, mogą być też wprowadzane do arkusza kalkulacyjnego, co umożliwia wizualizację postaci drgań i dalsze przetwarzanie, np. analizę widmową Fouriera. 123

M. BĄCZKOWSKA i inni Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom... 2.3. Badania laboratoryjne czujników Rys. 2.8. Widok okna monitora kontrolnego Fig. 2.8. View of the window of the control monitor Zakres badań laboratoryjnych wyposażenia wykonanego w ramach projektu obejmował wyznaczenie charakterystyk pomiarowych, tj. głównie zakresów pomiarowych, liniowości i czułości czujników opisanych powyżej. Głównym elementem stanowiska pomiarowego, dla określania zakresów pomiarowych i czułości, zgodnie z procedurą pomiarową BR2-01, jest sztywna płyta o długości 1 m podparta przegubowo z jednej strony, a z drugiej oparta na pionowo ustawionym stoliku przesuwnym ze śrubą mikrometryczną. Na płycie tej umieszczony jest badany czujnik. Jego wychylenia wraz z płytą zmieniano kręcąc śrubą mikrometryczną z jednoczesnym odczytem wartości przesuwu pionowego. Odpowiada on przy takiej geometrii wychyleniom wyrażonym bezpośrednio w mm/m. Badanie zależności dynamicznych prowadzone było na trzech stanowiskach. W Laboratorium Techniki Laserowej funkcjonuje wychylny stół, którego wychylenia w czasie są zadawane przy pomocy obracających się mimośrodów lub krzywek o zadanym profilu. System przekładni napędzany silnikiem krokowym (Metra Blansko), stosowanym w rejestratorach taśmowych, obraca wałem, na którym są mocowane krzywki. Prędkość przesuwu po obwodzie może być regulowana w granicach od 10 do 600 mm/h, co pozwala na wprowadzanie 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 do 30 Hz przeprowadzono w Laboratorium Akustyki Technicznej GIG, w oparciu o akredytowaną procedurę pomiarową BR1.03.3: Badania drgań mechanicznych budynków. Pomiary prowadzono dla przyspieszeń o maksymalnych amplitudach w piku: 200, 500, 1000, (1500) mm/s 2, dla częstotliwości: 1, 5, 10, 30 Hz w przypadku drgań w płaszczyźnie X-Y, oraz dla przyspieszeń o maksymalnych amplitudach w piku: 500 i 1000 mm/s 2, lecz dla częstości z tercjowego rozkładu: 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 15 Hz. Przeprowadzono analizę ilościową i jakościową wyników badań. Ilościowo wyznaczono charakterystykę amplitudową w funkcji częstotliwości dla scalonego czujnika przyspieszeń. W ramach pomiarów laboratoryjnych czujników przemieszczeń (dylatacje, szczeliny), wyznaczono dokładnie charakterystyki przemieszczenie napięcie. Wielkość przemieszczenia 124

zadawano w układzie pomiarowym za pomocą śruby mikrometrycznej. Liniowość charakterystyk obydwu czujników wynosiła 0,4%. 3. Pomiary wpływów górniczych na wybrane budynki 3.1. Umiejscowienie czujników Dla przeprowadzenia prób ruchowych elementów systemu wybrano trzy budynki leżące w różnych częściach miasta, tak jak na rysunku 2.1. Pierwszą lokalizacją był 11-kondygnacyjny budynek mieszkalny przy ulicy Ratowników (A) 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 nośnych na poziomach 4 5 i 10 11 piętra oraz na fundamencie, tak jak na rysunku 3.1. Czujnik przyspieszeń w płaszczyźnie X-Y oraz czujnik szerokości dylatacji znajdują się na 11 kondygnacji. Wszystkie obsługiwane są przez jeden rejestrator. Rys. 3.1. Laserowe czujniki wychyleń w budynku: czujnik (zdjęcie lewe), rejestrator cyfrowy Fig. 3.1. Laser tilt sensor in the building: sensor (on the left), digital recorder Połączenia kablowe wewnątrz budynku zapewniają zasilanie czujników i zwrotnie transmisję sygnałów do rejestratora. Dane pomiarowe dostarczane były do komputera centralnego (archiwizacja, obliczenia) w Urzędzie Gminy za pomocą dyskietki pomiarowej. 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), a po zakończeniu laboratoryjnych badań kalibracyjnych uzupełniony zostanie o czujnik naprężeń. Na trzecim obiekcie (budynek Przedszkola C) na ścianie nośnej fundamentu zainstalowano czujnik wychyleń zintegrowany z czujnikiem przyspieszeń. 125

M. BĄCZKOWSKA i inni Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom... 3.2. Przykłady rejestracji wychyleń, przyspieszeń i szerokości dylatacji 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 drogą wprowadzania do arkuszy kalkulacyjnych dobowych wartości wychyleń (z każdej pierwszej minuty kolejnej doby). Wykresy słupkowe lub biegunowe obrazują kierunek i wielkość zachodzących zmian pod wpływem deformacji powierzchni. Ułatwiają one analizę wpływów eksploatacji górniczej. Nierzadko jednak okresowe zmiany wychylenia (np. w granicach + 0,2 mm/m) mogą być spowodowane sezonową zmianą warunków hydrogeologicznych, dobowymi różnicami temperatur lub nasłonecznieniem. Zdiagnozowanie przyczyn takich zmian wymaga skonfrontowania wyników z postępami eksploatacji górniczej i występowaniem innych uwarunkowań np. klimatycznych, drogowych itp. Zmiany dynamiczne na powierzchni, wywołane eksploatacją górniczą, objawiają się na terenie Gminy Polkowice, występowaniem silnych wstrząsów. Są one przyczyną znacznych chwilowych wychyleń oraz niskoczęstotliwościowych drgań budynków. Najsilniej reakcje obiektu na wstrząs odczuwane są na najwyższych kondygnacjach. Wywołują one uzasadniony niepokój wśród mieszkańców, szczególnie dziesięciopiętrowych budynków. Przedstawione przykłady ilustrują kolejno: wzmocnienie wstrząsu z wysokością budynku (rys. 3.2.), znaczne wartości wychyleń w czasie silnego wstrząsu (rys. 3.3.), zmianę szerokości szczeliny dylatacyjnej i duże wartości przyspieszeń w czasie trwania wstrząsu na 10-tym piętrze budynku (rys. 3.4.). Rys. 3.2. Przykład reakcji budynku na wstrząs: wielkość wychylenia na wysokości fundamentów 2,1 mm/m, a na wysokości 10-tego piętra 3,6 mm/m Fig. 3.2. Example of building reaction to shock: value of tilt at the foundation level 2,1 mm/m, and at the 11 storey level 3,6 mm/m 126

Rys. 3.3. Rejestracja maksymalnego wychylenia budynku podczas silnego wstrząsu (E8J) Fig. 3.3. Record of maximum tilt of the building during high-energy shock (E8J) A B Rys. 3.4. Przykład rejestracji silnego wstrząsu przez czujniki: pomiaru szerokości dylatacji A, przyspieszenia B Fig. 3.4. Example of recording of a strong shock by the sensors: expansion joint sensor A; acceleration sensor B 127

M. BĄCZKOWSKA i inni Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom... 4. Podsumowanie Ze względu na znaczny wzrost sejsmiczności w rejonie filara ochronnego miasta Polkowice (od listopada 1998 r. wystąpiło kilkanaście 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 przyspieszenia drgań i wychyleń elementów konstrukcyjnych, co jest m. in. przedmiotem umowy Urzędu Gminy Polkowice z Komitetem Badań Naukowych i Głównym Instytutem Górnictwa jako Realizatorem projektu celowego. W ramach dotychczasowej współpracy, przy realizacji części badawczo-rozwojowej tego projektu zbudowano system pomiarowy, złożony z zestawów czujników zainstalowanych na trzech budynkach w różnych częściach miasta. Realizują one jednoczesny, ciągły pomiar wychyleń i drgań budynków, przyspieszeń jakim są poddawane te konstrukcje oraz zmian szerokości dylatacji. Wszystkie dane są rejestrowane cyfrowo na każdym z tych obiektów, a następnie archiwizowane w Urzędzie Gminy. Automatyczny monitoring oznacza niezawodność kontroli zjawisk, szybkość reakcji na zagrożenia, przy minimalnej obsadzie kadrowej i niskich nakładach finansowych. Prowadzony dotychczas monitoring wykazał, że budynki reagują na wstrząsy znacznymi wychyleniami i przyspieszeniami (szczególnie na najwyższych kondygnacjach 10-cio piętrowych bloków). Najczęściej w zakresie częstotliwości drgań do 10 Hz obserwuje się wzmocnienie tych wielkości z wysokością obiektu. Dla pełnego obrazu zjawisk prowadzone są równolegle pomiary przyspieszenia w gruncie, widma drgań fundamentu i ściany szczytowej jednego z budynków oraz uzupełniające, okresowe pomiary geodezyjne, pozycjonowanie GPS. Wartość użytkowa budynków sprawdzana jest ponadto poprzez inwentaryzację budowlaną powstałych szkód, pomiar wytrzymałości betonu metodą ultradźwiękową. Testowany jest także prototyp optoelektronicznego czujnika do pomiaru odkształceń postaciowych konstrukcji w czasie wstrząsów. Autorzy są przekonani, że podjęte wysiłki i współpraca zaowocują bogatym materiałem badawczym, który będzie sukcesywnie publikowany. Literatura [1] Popiołek E. 1998: Aktualizacja oceny wpływów działalności górniczej na Terenie Górniczym Rudna I dla celów miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego obszaru funkcjonalnego (praca niepublikowana). [2] Centrum Badawczo Projektowe Miedzi CUPRUM Sp. z o.o. 2000: Program eksploatacji i ochrony powierzchni w filarze ochronnym miasta Polkowice na lata 2000 2010 (praca niepublikowana). [3] Polska Norma, PN-85/B-02170: Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki. [4] Polska Norma, PN-88/B-02171: Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach. [5] Kwiatek J. i inni 1997: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych, Wyd. GIG, Katowice. [6] Kwiatek J. 1999: Zasady ochrony istniejących obiektów budowlanych na terenach górniczych w świetle wytycznych GIG, Konferencja Naukowo Techniczna Problemy projektowania i ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych, Rudy Raciborskie 1999, od 141. [7] 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. [8] Cholewicki A., Szulc J., Król I. 1997: Ocena wytężenia i zasady zabezpieczania konstrukcji budynków narażonych na wstrząsy, Prace naukowe GIG Nr 20 Ochrona powierzchni i obiektów budowlanych przed szkodami górniczymi, Konferencja Katowice 1997, od 53. 128

[9] Cholewicki A. 1999: Zasady uwzględniania wpływów wstrząsów górniczych w projektowaniu budynków i obiektów, Konferencja Naukowo Techniczna Problemy projektowania i ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych, Rudy Raciborskie 1999, od 85. [10] Szade A. i inni: Polski patent nr 151 105. [11] Szade A., Passia H., Lipowczan A. 1996: Laser sensors for continuous control of tilting of buildings on mining-influenced and seismic areas construction and field experience, Proc. SPIE, Vol. 2868, 500 509. [12] Szade A., Bochenek W., Passia H., Pytlarz T. 1998: Ciągły, automatyczny pomiar wpływu eksploatacji górniczej na obiekty na powierzchni z zastosowaniem laserowych czujników drgań i wychyleń, Wyd. PAN, Warsztaty 98: Oddziaływanie wstrząsów górniczych na powierzchnię, Kraków 1998, 121 130. [13] Szade A., Bochenek W., Pytlarz T., Rzepecka D. 1998: Ciągłe i okresowe pomiary ruchów wysokiego budynku na terenie podlegającym deformacjom górniczym oraz wstrząsom, III Konferencja N.T., Ochrona środowiska na terenach górniczych, Mat. SITG, Ustroń 1998, 287 297. [14] Szade A., Bochenek W., Passia H. 1999: Czujnik do ciągłych pomiarów niskoczęstotliwościowych drgań i wychyleń budowli w trzech osiach współrzędnych, Wyd. PAN, Warsztaty 99: Oddziaływanie górniczych zagrożeń na środowisko, Kraków 1999, 193 200. [15] Bochenek W., Motyka Z., Passia H., Szade A. 2000: Reaction of buildings to diversified environmental conditions, including mining and geotectonic, on the basis of continuous monitoring with the use of laser tilt and vibration sensors, SPIE, V. 4072, 4th International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques, Ancona 2000, 239 244. Automatic monitoring of objects subjected to mining effects in the area of the town of Polkowice A measuring system was constructed on a basis of optoelectronic and electronic sensors such as: laser tilt sensor developed by CMI, acceleration sensor and fissure and expansion joint propagation sensor. The sensors ensure the possibility to perform precise and automatic measurements of the tilt, vibration and deformation of buildings using multichannel acquisition of data in computer recorders with graphical visualisation of all the results in the form of printouts of daily courses or vibration characteristics. Such assemblies have been installed in three building structures located in various places in Polkowice. The examples of reaction of the monitored buildings to mining effects are presented. At the same time, this presentation is an account of realisation of the Designated Project. Przekazano: 25 marca 2002 129