Drgania przenoszone przez podłoże gruntowe na obiekty budowlane – metodologia pomiarów

Prowadzenie prac budowlanych, zwłaszcza na obszarach zurbanizowanych, niesie ze sobą ryzyko oddziaływania na istniejące obiekty. Ogromnym ułatwieniem w takich okolicznościach może stać się właściwie prowadzony monitoring. Ze względu na technologie wykonywanych prac, ich zakres, a także typ i stan istniejącej infrastruktury możliwe jest monitorowanie wielu parametrów, takich jak osiadanie, wychylenie, rozwarcie rys, naprężenia, przemieszczanie mas gruntu, a także wibracje.

Drgania

Roboty budowlane mogą generować powstawanie różnego typu fal – wgłębnych oraz powierzchniowych poprzecznych (fal Love’a o polaryzacji poziomej) i podłużnych (fal Rayleigha o polaryzacji pionowej), które wpływają na istniejącą infrastrukturę bezpośrednio lub pośrednio, powodując m.in. konsolidację lub upłynnienie gruntu, a tym samym jego osiadanie (rys. 1). Prędkość rozchodzenia się fal zależna jest od warunków ośrodka gruntowego. Fale powierzchniowe mają wyraźnie dłuższy okres, mniejszą prędkość oraz znacząco większą energię niż fale przestrzenne (fale podłużne – ok. 7%, poprzeczne – ok. 26%, powierzchniowe – ok. 67%). Mają charakter dyspersyjny – ich prędkość propagacji zależy od ich częstotliwości. Z tego powodu w warstwach ośrodka o różnych parametrach geotechnicznych wartość ich prędkości jest silnie zróżnicowana.

Rys. 1. Sposób zanikania fal ze wzrostem odległości od ich źródła (za: R.D. Woods, Screening of Surface Waves
in Soils, „Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division” 94, April 1968, Vol. 94, Issue 4, s. 951–979)

W styczniu 2021 r. prowadziliśmy badania terenowe, których celem było potwierdzenie przedstawionych założeń na istniejącym rurociągu. Ciąg pomiarowy składał się dwóch czujników zainstalowanych na powierzchni odkrytego rurociągu oraz kolejnych dwóch urządzeń zlokalizowanych na gruncie (fot. 1). Badanie polegało na pomiarze drgań generowanych w trakcie pogrążania grodzic. W wyniku pomiarów terenowych uzyskaliśmy następujące informacje:

• prędkości drgań zarejestrowane na osi pionowej stanowią ok. 50% wartości zarejestrowanych na gruncie,
• prędkości drgań zarejestrowane na osi równoległej do osi rurociągu stanowią 10–20% wartości zarejestrowanych na gruncie,
• prędkości drgań zarejestrowane na osi prostopadłej do osi rurociągu stanowią 42–78% wartości zarejestrowanych na gruncie.

Drgania oddziałujące na obiekty mogą mieć charakter długo-, krótkotrwały lub stały. Za oddziaływania krótkotrwałe przyjmuje się drgania trwające nie dłużej niż 3 min, długotrwałe mieszczą się w przedziale 3–30 min, natomiast drgania trwające dłużej niż 30 min uznawane są za oddziaływanie stałe. Czynniki zewnętrzne, generując drgania podłoża, przekazują energię na fundament i wywołują jego przemieszczenie. Aktywność ta nazywana jest wymuszeniem kinematycznym.

Fot. 1. Pomiar drgań – badania porównawcze na gruncie i na gazociągu

Kwestię wpływów dynamicznych należy rozważać w czterech różnych wariantach:

• istniejący obiekt i istniejące źródło drgań, np. infrastruktura na terenie przemysłowym poddana oddziaływaniom od pracy maszyn;
• istniejący obiekt i projektowane źródło drgań, np. budynek i pogrążanie grodzic w sąsiedztwie;
• projektowany obiekt i istniejące źródło drgań, projektowany budynek przy istniejącej drodze;
• projektowany obiekt i projektowane źródło drgań, np.  projektowany budynek przy projektowanej linii kolejowej.

Niektóre wymienione sytuacje wymagają wykorzystania zaawansowanych metod obliczeniowych i wykonania modeli numerycznych, w oparciu o które możliwa będzie weryfikacja wpływu drgań na analizowane obiekty.

>>> Czy wibroizolacja to kosztowna fanaberia?

>>> Ścianki szczelne – wykorzystanie w warunkach miejskich

>>> Akustyka w pobliżu linii kolejowej

Sprawdź: Produkty budowlane

Drgania – wytyczne krajowe

Przyjętą wśród inżynierów praktyką jest stosowanie wytycznych zawartych w oficjalnych normach, które sygnowane są przez Polski Komitet Normalizacyjny. W zakresie przekazywania drgań przez podłoże gruntowe najistotniejszymi przepisami są dwie normy: PN-B-02170 – Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki, PN-B-02171 – Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach. Zawarte w nich informacje w znaczny sposób ułatwiają prowadzenie pomiarów, dobór aparatury pomiarowej, interpretację i analizę wyników. Krajowe wytyczne opierają się na skalach wpływów dynamicznych SWD, które dotyczą dwóch typów budynków wzorcowych. Skale SWD można przyjmować dla obiektów z elementów murowych oraz obiektów z wielkowymiarowych elementów prefabrykowanych (takich jak wielka płyta). Ponadto istotny jest także wymiar obiektów. SWD-I przyjmować można dla budynków zwartych, o małych wymiarach rzutu poziomego, nieprzekraczających 15 m, jedno- lub dwukondygnacyjnych i o wysokości, która nie przekracza żadnego z wymiarów rzutu poziomego. SWD-II natomiast ma zastosowanie do obiektów o wysokości nie większej niż pięć kondygnacji nadziemnych, których wysokość jest mniejsza od podwójnej najmniejszej szerokości budynku, lub do budynków niskich, do dwóch kondygnacji nadziemnych, bez ograniczeń związanych ze stosunkiem wymiarów w rzucie. Skale SWD przedstawione są na wykresach, które obrazują zależność prędkości lub przyspieszenia od częstotliwości przenoszonych drgań. Na wykresach wprowadzono linie oznaczające pięć stref oddziaływania na budynki. Każda zaznaczona strefa oznacza bardziej istotny wpływ na budynek: strefa I – drgania pomijalne, natomiast strefa V – drgania powodujące awarię budynku oraz zawalenie się ścian i stropów.

W dalszej części artykułu:

• Co zrobić, jeżeli budynek nie klasyfikuje się do skal SWD?
• Montaż urządzenia do pomiaru drgań.
• Badania gruntu – strefa oddziaływań dynamicznych.
• Projektowanie budynków i wpływ na oddziaływania dynamiczne.
• Aparatura pomiarowa.
• Raport z pomiaru drgań.

Cały tekst znajdziesz w numerze 6/2022 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”

	Anna Lenart Metris Sp. z o.o.
	Michał Maj Metris Sp. z o.o.