Wpływ dynamicznych technologii palowania i wzmacniania podłoża na otoczenie

Gwałtowny rozwój fundamentowania i wzmacniania podłoża oraz dostępność w Polsce niemal wszystkich możliwych technik wykonania sprawiają, że często sięgamy w realizacji wielu obiektów po technologie dynamiczne lub wibracyjne. Charakteryzują się one licznymi zaletami, wśród których można wymienić szybkość wykonania oraz uzyskiwane duże nośności wynikające z dobrego zagęszczenia lub dogęszczenia gruntów rodzimych w trakcie wykonywania robót. Do najpowszechniej wykonywanych technologii dynamicznych lub wibracyjnych można zaliczyć m.in.: pale prefabrykowane, pale Franki, zagęszczanie impulsowe, wymianę dynamiczną czy wibrowane rury lub ścianki stalowe (fot. 1–5). Pewnym mankamentem tych technologii są towarzyszące wykonywanym pracom hałas i drgania. W związku z coraz mniejszą dostępnością terenów budowlanych jesteśmy zmuszeni prowadzić prace w sąsiedztwie istniejących budowli czy domów mieszkalnych. Planując prowadzenie budowy z zastosowaniem metod powodujących hałas i drgania, należy uwzględnić ich wpływ na otoczenie. Zdecydowanie bardziej uciążliwy jest dla ludzi hałas. Co prawda, nie ma on zwykle dużo większego natężenia niż standardowe prace na budowie, ale cykliczność źródła hałasu (np. kafar palowy) jest dla osób postronnych uciążliwa (jest to zjawisko irytujące jak kapiąca z kranu woda). Dla zilustrowania problemu można przytoczyć relację inspektora nadzoru z budowy Stadionu Narodowego w Warszawie, który przez kilka miesięcy przez sześć dni w tygodniu nadzorował wbijanie pali. Tak był wyczulony na ten dźwięk, że słyszał go w niedziele z domu w odległości kilku kilometrów od budowy, mimo że w niedziele pale nie były na budowie wbijane. Dlatego konieczne może być ograniczanie godzin pracy palownicy, tak aby było to jak najmniej uciążliwe dla otoczenia.

Fot. 1 Maszyna do wykonywania pali Franki NG w pobliżu budynków (fot. archiwum firmy Franki SK)

W przypadku drgań sytuacja jest nieco inna. Tolerancja ludzi na drgania jest zwykle większa niż na hałas. Należy jednak kontrolować wpływ prowadzonych robót na obiekty w sąsiedztwie budowy. Służą do tego akcelerometry, które mierzą przyspieszenia elementów konstrukcji wywoływane dynamicznymi oddziaływaniami pracującego sprzętu. Przykładowy sprzęt pomiarowy pokazano na fot. 6 i 7. Całkowanie pomierzonych wartości w czasie pozwala wyznaczyć prędkości.

Do oceny wpływu drgań na obiekty w otoczeniu zwykle stosuje się normę niemiecką lub polską.W normie DIN 4150-3 Erschutterungen im Bauwesen, Einwirkungen auf bauliche Anlagen (ang. Structural Vibration Part 3: Effects of vibration on structures) podano dopuszczalne prędkości drgań w zależności od częstotliwości (tab. 1).

Tab. 1 Dopuszczalne prędkości drgań wg DIN 4150-3 [mm/s]

Fot. 2 Kafar do wbijania pali prefabrykowanych w pobliżu ściany budynku szkoły (fot. archiwum firmy Aarsleff)

Norma PN-B-02170:1985 Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki jest bardziej rozbudowana. Wprowadza ona skale wpływów dynamicznych (SWD) dla dwóch rodzajów budynków. Skala SWD-I jest odpowiednia dla małych budynków, które cechuje zwartość planu i wysokość do dwóch kondygnacji wysokości. Skala SWD-II ma zastosowanie do budynków o maksymalnej liczbie pięciu kondygnacji, których wysokość jest mniejsza od podwójnej szerokości. Na wykresie amplitudy przyśpieszenia w zależności od częstotliwości wydzielono pięć stref.

Fot. 3 Ciężki bijak zrzucany z kilkunastu metrów w czasie wymiany dynamicznej w pobliżu budynków mieszkalnych

Podział na strefy szkodliwości jest następujący:

– strefa I – drgania nieodczuwalne przez budynek;

– strefa II – drgania odczuwalne przez budynek, ale nieszkodliwe dla jego konstrukcji, następuje tylko przyspieszone zużycie budynku i pierwsze rysy w wyprawach, tynkach;

– 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 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 powstania drgań tego typu budynek nie może być użytkowany.

Fot. 4 Maszyna do zagęszczania impulsowego

Strefy te są oddzielone czterema granicami zaprezentowanymi w normie PN-B-02170:1985 na nomogramach i oznaczone literami:

– granica A – dolna granica odczuwalności drgań przez budynek, poniżej tej granicy można nie uwzględniać wpływów dynamicznych;

– granica B – granica sztywności budynku, dolna granica powstania zarysowań i spękań w elementach konstrukcyjnych;

– granica C – granica wytrzymałości pojedynczych elementów budynku, dolna granica ciężkich szkód budowlanych;

– granica D – granica stateczności konstrukcji, dolna granica awarii całego budynku, drgania powyżej tej granicy mogą spowodować awarie budynku.

Orientacyjne przyspieszenia odczytane z nomogramu Polskiej Normy pokazano w tab. 2.

Tab. 2 Przyspieszenia dla fundamentów budynków [mm/s²] wg PN-B-02170:1985

Fot. 5 Wwibrowywanie rur stalowych w czasie budowy mostu

Należy jednak z dużą ostrożnością podchodzić do rozszerzania wymagań na obiekty nieobjęte wspomnianą normą. W praktyce można spotkać obiekty, dla których wymagania można złagodzić lub zaostrzyć. Oddziaływanie dynamiczne zależy od bardzo wielu czynników: rodzaju konstrukcji, jej stanu technicznego, użytych materiałów, sposobu posadowienia, warunków gruntowych i wodnych, rodzaju drgań (ciągłe, krótkotrwałe), a nawet pory roku. W tym ostatnim przypadku w wyniku mrozów zmienia się sztywność i możliwość propagacji drgań przez przypowierzchniową warstwę gruntu. Znany jest przypadek budowy jednej ze stacji metra w Warszawie, z której transport urobku ciężkimi samochodami był zupełnie nieszkodliwy latem, a powodował w zimie po zamarznięciu gruntu uszkodzenia budynków sąsiednich.

Fot. 6 Urządzenie do rejestrowania drgań

Fot. 7 Akcelerometr do pomiaru przyśpieszeń elementów konstrukcji budowli

W odróżnieniu od oddziaływań statycznych, drgania i ich propagacja jest nieintuicyjna. W oddziaływaniach statycznych jesteśmy sobie w stanie wyobrazić obciążenia i towarzyszące im odkształcenia czy przemieszczenia oraz je w pamięci oszacować. Natomiast trudno jest sobie wyobrazić częstość drgań własnych czy przyspieszenie wyrażone w ułamkach mm/s. W zależności od układu warstw gruntu i rodzajów fundamentów możliwe są nieoczywiste sposoby przenoszenia drgań.Na jednej z budów ze względu na takie uwarunkowania najbardziej narażone na negatywne wpływy wykonywania kolumn dynamicznych były budynki w drugiej linii zabudowy od placu robót. Dlatego konieczne jest prowadzenie pomiarów drgań co najmniej na początku robót, a w trudniejszych przypadkach również w sposób ciągły. Możliwe jest wtedy na bieżąco korygowanie parametrów pracy sprzętu (wysokości zrzucania bijaków w palach i kolumnach czy też częstości drgań wibratorów przy pogrążaniu grodzic stalowych). Takie odpowiedzialne podejście umożliwia wykonywanie robót nawet bardzo blisko istniejących obiektów. Przykłady takich realizacji pokazano na fot. 1–3.

mgr inż. Piotr Rychlewski

Instytut Badawczy Dróg i Mostów