Pomiary drgań budynków
Pomiary drgań budynków: metody pomiarowe, kryteria oceny, jakiego sprzętu należy używać i w jaki sposób prezentować wyniki pomiarów.
Pomiary drgań budynków: metody pomiarowe, kryteria oceny, jakiego sprzętu należy używać i w jaki sposób prezentować wyniki pomiarów.
W Polsce w kontekście drgań przekazywanych przez podłoże na budynki obowiązuje norma PN-B-02170:2016-12 „Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki”. Norma ta definiuje metody na pomiary drgań budynków, wskaźniki czy skale wpływów, a także jakiego sprzętu należy używać i w jaki sposób prezentować wyniki pomiarów.
W Załączniku A do normy PN-B-02170:2016-12 zdefiniowano trzy parametry, które należy badać podczas pomiarów drgań. Są to prędkość, przyspieszenie lub przemieszczenie. Odpowiedni parametr należy wybrać po analizie konstrukcji budynku. Każdy parametr jest parowany z częstotliwością drgań, dla której jest określany. Zakres badanych częstotliwości powinien być od 0.5 Hz do 100 Hz, zakresy prędkości od 10-4 ms-1 do 1 ms-1. Dla drgań krótkotrwałych pomiary należy wykonać w pasmach tercjowych od 0.5 Hz do 100 Hz.
Norma PN-B-02170:2016-12 narzuca, aby zestaw pomiarowy składał się z rejestratora lub analizatora wraz z dołączonym przetwornikiem drgań lub geofonem. Czułość geofonu powinna być równa co najmniej 15 V/ms-1, zaś sugerowana czułość dla przetworników to 10 V/g. Podobnie jak dla innych metod akredytowanych konieczne jest określenie niepewności wskazań. Docelowo niepewność ta powinna być mniejsza niż 20%. Konieczne jest aby na podstawie wykonanych pomiarów móc określić czas trwania drgań.
Punkty pomiarowe rozmieszcza się uwzględniając wykorzystaną metodę pomiarową. Punkty powinny wyznaczać trzy kierunki pomiarowe, zgodne z współrzędnymi układu prostokątnego – dwa poziome x i y oraz pionowy z. Przetworniki należy umieścić na sztywnych węzłach konstrukcji, powinny być mocowane bezpośrednio do konstrukcji budynku.
Prawidłowo wykonane sprawozdanie z badań powinno zawierać sprecyzowany cel pomiarów, określenie według której normy dokonywano pomiarów, opis wybranej metody pomiarowej, opis źródeł drgań, aparatury i obiektu, który należy mierzyć. Wyniki pomiarów powinny być przedstawione w formie wibrogramów. W raporcie powinno być w jasny sposób określone, gdzie znajdowały się punkty pomiarowe. Raport powinien też zawierać prezentacje przebiegów czasowych drgań oraz precyzyjne informacje związane z warunkami meteorologicznymi oraz zakłóceniami.
Drgania transmitowane są przez podłoże na konstrukcję budynków. Odbywa się to drogą materiałową. Źródła tych drgań mogą być bezpośrednio lub pośrednio zależne od człowieka. Przykładowymi źródłami drgań są przejeżdżające pociągi lub pojazdy ciężkie, budowy i remonty. Należy także pamiętać o drganiach, które są generowane poprzez wyposażenie techniczne budynków – takie jak np. systemy wentylacyjne. Takie drgania również mogą być transmitowane przez konstrukcję na wyższe lub niższe kondygnacje.
W zależności jak silne są drgania oddziałujące na budynek mogą prowadzić do wielu zniszczeń w konstrukcjach budynków. Zniszczenia mogą objawiać się na przykład pęknięciami tynków. Dźwięki materiałowe finalnie są emitowane do pomieszczeń wewnątrz budynku jako dźwięki powietrzne. Oprócz szkodliwości drgań na konstrukcję, należy także rozważać szkodliwość tych drgań w kontekście osób i maszyn znajdujących się wewnątrz budynków.
Wibrogram to zgodnie z PN-B-02170 „zapis zmiany prędkości, przyspieszenia lub przemieszczenia drgań w danym punkcie i kierunku podany w funkcji czasu”. Jest to zatem zapis parametrów drgań występujących w danym punkcie pomiarowym dla konkretnego kierunku drgań i dla określonego czasu. Pomiary drgań budynków wykorzystują wibrogramy drgań w raportach do przeprowadzonych pomiarów drgań lub modeli pomiarowych.
Drgania krótkotrwałe to drgania, których czas trwania przez całą dobę nie przekracza 3 min. Drgania długotrwałe to drgania, które trwają od 3 min do 30 min na dobę. Trzeci rodzaj drgań to drgania występujące stale i są to drgania, które trwają dłużej niż 30 min na dobę.
WODB to „wskaźnik odczuwalności drgań przez budynki”. Jest on ściśle powiązany z skalami SWD i pozwala określić jak bardzo odległe są parametry drgań wpływających na budynek od granicy uwzględnienia wpływów dynamicznych. WODB większy od 1 wskazuje na przekroczenie granicy. Wskaźnik wyrażamy w postaci dwóch liczb – bezwymiarowej w postaci stosunku oraz częstotliwości dla której wyznaczono ten stosunek.
Metody MRSA (ang. Modal Response Spectrum Analysis) i THA (ang. Time History Analysis) to metody pozwalające na wyznaczenie odpowiedzi modelu budynku na wymuszenie kinematyczne. Metoda MRSA opiera się na użyciu spektrum odpowiedzi, zaś metoda THA używa całkowania równań ruchu w czasie. Metoda MRSA dopuszcza stosowanie prędkościowego spektrum odpowiedzi. W normie PN-B-02170-16 można znaleźć odpowiednie wzory, z których należy korzystać przy wykorzystaniu powyższych metod.
Wymuszenie kinematyczne to drgania budynku powodowane przez ruch fundamentów. Wymuszenie prezentujemy w postaci wibrogramów w osiach x, y i z. Wyznaczenie wymuszenia odbywa się przy wykorzystaniu metod MRSA lub THA. Punkt pomiarowy powinien być w sztywnym węźle konstrukcji od strony źródła drgań. Wymuszenie można wyznaczać w już eksploatowanym budynku lub na etapie projektowania. Jeżeli dysponujemy jedynie projektem budynku możliwe jest prognozowanie wymuszenia w oparciu o podobne przypadki.
Pierwszym warunkiem pozwalającym na pominięcie wpływu drgań jest wartość amplitudy przyspieszeń ruchu poziomego podłoża w miejscu budynku – powinna być mniejsza niż 0,05 ms-2. Aby spełnić ten warunek konieczne jest umieszczenie budynku w odległości co najmniej 25 m od osi toru kolejowego, co najmniej 15 m od osi toru tramwajowego lub osi najbliższego pasa drogi, co najmniej 20 m od źródła drgań związanego z pracami budowlanymi i odległości większej niż 60 m od trasy drogowych walców wibracyjnych. Budynek powinien być także poza obszarem strefy wpływu sejsmicznego.
Norma PN-B-02170 rozróżnia dwa rodzaje uszkodzeń – uszkodzenia niekonstrukcyjne i uszkodzenia elementów nośnych. Pierwszy rodzaj uszkodzeń to przede wszystkim rysy i spękania tynków czy rozluźnienie mocowań drzwi i okien. Można także zauważyć odpadanie płytek ściennych i okładzin. Uszkodzenia elementów nośnych charakteryzują się rysami i spękaniami fundamentów, ścian nośnych, nadproży i filarów. Takie uszkodzenia mocno osłabiają wytrzymałość konstrukcji budynku.
Aby ocenić jak bardzo poszczególne drgania wpływają na budynki określono skale wpływów dynamicznych SWD. Metoda wykorzystująca skale SWD jest przybliżoną oceną drgań wpływających na budynek. Zdefiniowano dwa rodzaje skali SWD – skalę SWD-I oraz SWD-II. Pierwsza z nich odnosi się do budynków o wymiarach rzutu poziomego nie większych niż 15 m i maksymalnie jedno- lub dwu-kondygnacyjnych. Ponadto wysokość budynku nie powinna przekraczać wymiarów rzutu poziomego. Skala SWD-II to skala dla budynków do 5ciu kondygnacji, których finalna wysokość jest mniejsza niż dwukrotność szerokości budynku. Dodatkowo skalę SWD-II można stosować także do budynków 2-kondygnacyjnych lub mniejszych jeżeli nie spełniają one warunków skali SWD-I. Aby zastosować skale SWD należy zmierzyć wibrogramy w osiach poziomych. Wartości prędkości powinny znajdować się w odpowiednio zdefiniowanych strefach.
Skale SWD definiują 5 stref, które są oddzielone liniami granicznymi. Strefa pierwsza jest oddzielona linią A, która jest dolną granicą uwzględniania wpływów dynamicznych na budynek. Strefa druga to drgania nieszkodliwe dla konstrukcji, oddzielona linią B – granicą sztywności budynku. Budynki narażone na drgania z strefy B zużywają się szybciej. Trzecia strefa to drgania szkodliwe dla budynku, linia C to wytrzymałość pojedynczych elementów budynku, dolna granica ciężkich szkód budowlanych. Przed ostatnią strefą jest strefa IV – która definiuje drgania o dużej szkodliwości dla budynku. Budynki te są zagrożeniem dla ludzi, przedmioty zawieszone mogą spadać, płaty sufitowe i gzymsy mogą ulegać zniszczeniu. Dla drgań w tej strefie konieczne jest zabezpieczenie budynku poprzez usunięcie źródła drgań lub redukcji wpływu. Strefa ta jest oddzielona od strefy V poprzez linię D – granicę stateczności konstrukcji. Strefa V to drgania powodujące zawalenie się ścian i spadanie stropów. Budynek taki nie powinien być użytkowany.
Norma uwzględnia dwa rodzaje granic stref szkodliwości. Pierwszy typ to granice niższe, które mają zastosowanie dla budynków o większym narażeniu na drgania. Zdefiniowano cztery kryteria dla tych budynków – stan budynku materiał i konstrukcja budynku, typ podłoża i posadowienia oraz rodzaj drgań. Niższa granica obowiązuje dla budynków starych, uszkodzonych, wykonanych niestarannie, z kamienia, bez fundamentów i wieńców posadowionych na niestabilnym podłożu i narażonych na drgania długotrwałe lub stałe. Wyższe granice obowiązują dla budynków nieuszkodzonych, z cegły pełnej na fundamentach i sztywnym podłożu, które są narażone na drgania krótkotrwałe.
Cena pomiarów drgań zależy od rodzaju i źródeł wibracji. Przykładowo, pomiary drgań budynków kosztują średnio 3200 zł. Dodatkowym kosztem pomiarów mogą być są analizy obliczeniowe i raporty. W ofercie laboratorium znajduje się też stały monitoring drgań, którego koszt jest wyceniany indywidualnie.
Źródłami drgań, które mogą uszkodzić budynek są na przykład ruchy wywołane robotami budowlanymi na sąsiednich posesjach, ruchy gruntu spowodowane wstrząsami sejsmicznymi związanymi z działalnością kopalni lub stałe drgania związane z przejazdami pojazdów ciężkich, tramwajów czy pociągów.
W praktyce laboratorium badawczego SVANTEK wielokrotnie zdarzały się sytuacje, że mierzono wpływ drgań na konstrukcje, które nie spełniają wytycznych skal SWD. Nie możliwe jest wtedy wykorzystanie skal SWD zgodnie z PN-B-02170:2016-12. Laboratorium badawcze SVANTEK korzysta w takich sytuacjach z normy DIN 4150-3 „Vibrations in buildings – Part 3: Effects on structures”, która pozwala mierzyć wpływ drgań na inne konstrukcje niż budynek.
Na potrzeby inwestycji budowlanych Laboratorium Badawcze SVANTEK może monitorować wpływ drgań na sąsiednie budynki podczas wykonywania prac budowlanych. Dzięki temu możliwa jest kontrola drgań i dostosowanie odpowiednich metod budowlanych, które będą bezpieczne dla budynków obok. Systemy monitoringu wysyłają w czasie rzeczywistym alerty, informujące o przekroczeniach poziomów dopuszczalnych.
Laboratorium badawcze SVANTEK na zlecenie firmy odpowiedzialnej za budowę wykonywało pomiary drgań, które mogą propagować się z budowy na sąsiednie budynki. Do tego typu zleceń wykorzystujemy metody akredytowane zgodne z PN-B-02170:2016-12. Nasze raporty zawierają pełne opisy przestrzeni oraz precyzyjne określenie położenia punktów pomiarowych. Ponadto w raporcie można znaleźć też informacje o naszych niepewnościach pomiarowych. Efektem końcowym pomiarów jest obszerny raport z wynikami pomiarów, a także analiza tych wyników i wnioski. W raporcie znajduje się jasne określenie czy drgania były szkodliwe dla budynku czy nie.
