W wyniku oceny diagnostycznej albo przy projektowaniu budynku może okazać się, iż występujące albo prognozowane drgania w miejscu ich oddziaływania na człowieka w jakimś paśmie częstotliwości przekraczają linię określającą poziom niezbędnego komfortu wibracyjnego.
Wówczas należy zastosować środki prowadzące do redukcji nadmiernych drgań. Można przy określaniu sposobu redukcji drgań uwzględnić informacje o tym, co wpływa na poziom drgań przejmowanych przez człowieka w budynku.
Redukcja nadmiernych drgań
W [19] zestawiono najważniejsze czynniki wpływające na poziom drgań komunikacyjnych przenoszących się na budynki, a z nich na ludzi przebywających w pomieszczeniach zlokalizowanych w budynkach. Czynniki te można związać ze źródłem drgań, drogą ich propagacji oraz z odbiornikiem drgań. Poziom ten zależy przede wszystkim od następujących czynników:
*Rodzaj, typ mechaniczny oraz stan zachowania pojazdu wywołującego drgania. W szczególności mogą tu odgrywać rolę:
- kształt pojazdu (przy dużych prędkościach) i jego ciężar własny,
- stopień wypełnienia (załadowania) pojazdu,
- konstrukcja pojazdu: wyważenie elementów pojazdu, rodzaj układu resorowania, rozstaw osi zestawów kołowych itp.,
- stan zachowania pojazdu, szczególnie układu resorowania i kół (niewyważenia kół, owalizacja, lokalne spłaszczenia na obwodzie koła).
*Rodzaj i stan nawierzchni (np. tor, podtorze), po której porusza się pojazd. W szczególności:
- rodzaj szyny (styki szyn, styk z kołem, przekazanie obciążeń),
- sposób podparcia szyny, rodzaj i wielkość podpór (podkłady drewniane, betonowe, poprzeczne, podłużne, płyty itp.),
- elementy przenoszące drgania z szyny na otoczenie (podtorze, wibroizolacja itp.),
- sztywność pionowa i pozioma całej nawierzchni,
- rozwiązania w miejscach osobliwych (skrzyżowania, rozjazdy, zwrotnice, łuki itp.),
- stan nawierzchni (nierówności nawierzchni drogowej, falistość szyn itp.).
*Sposób poruszania się pojazdu (tzw. stany jazdy), w tym:
- prędkość pojazdu,
- tor ruchu (prosta, łuk),
- zatrzymywanie się i ruszanie pojazdu,
- nakładanie się drgań wywołanych ruchem większej liczby pojazdów (np. równoczesne mijanie się pojazdów).
*Rodzaj i stan podłoża, przez które propagują się drgania:
- budowa geotechniczna podłoża,
- warunki wodne w podłożu,
- występowanie przegród w gruncie, szczelin, infrastruktury podziemnej itp.
*Odległość i usytuowanie obiektu odbierającego drgania w stosunku do źródła drgań.
*Rodzaj i stan obiektu odbierającego drgania:
- typ budynku, jego konstrukcja i geometria, ciężar (nacisk na grunt),
- sposób posadowienia,
- stan zachowania obiektu,
- rozwiązanie techniczne konstrukcji stropu,
- cechy dynamiczne konstrukcji (częstotliwości drgań własnych, tłumienie).
W odniesieniu do podziemnych źródeł drgań komunikacyjnych (tunele: drogowe, metra, kolejowe i tramwajowe) dochodzą dodatkowo dwa czynniki:
- zagłębienie tunelu,
- rodzaj obudowy tunelu, przez którą propagowane są drgania na zewnątrz.
W zależności od stanu źródła drgań (projektowane, eksploatowane) i obiektu (projektowany, zrealizowany) stosuje się środki techniczne w źródle drgań, na drodze ich propagacji oraz w odbiorniku drgań. Kolejne analizy powinny umożliwić wybranie najkorzystniejszego (ze względu np. na koszty, wykonawstwo, zastosowane materiały itp.) środka technicznego o działaniu antywibracyjnym.
Przyjęcie odpowiedniego do zastosowania środka technicznego redukcji drgań oraz miejsca jego zastosowania (w źródle drgań, na drodze propagacji albo w odbiorniku drgań) wynika z wymagań określonych w miejscowym planie zagospodarowania przestrzennego. Tak postąpiono np. w Warszawie w związku z budową linii metra. Z zapisów w odpowiedniej uchwale władz samorządowych (por. [22]) wynika, iż projektując przebieg linii i konstrukcję toru metra uwzględniono wymaganie, aby drgania generowane przejazdami pociągów metra nie naruszały warunków ochrony antywibracyjnej istniejących budynków i ludzi w nich przebywających. Było to zadaniem projektantów linii metra. Włączenie tejże linii w obszar zabudowy powoduje, iż w nowym układzie odpowiednie wymagania antywibracyjne będą odnosiły się do nowej, projektowanej zabudowy w otoczeniu tunelu metra. A to oznacza, iż projektujący nowe obiekty w tym otoczeniu powinni uwzględniać istniejące lub projektowane (ale znane) źródło drgań (tzn. drgania generowane przejazdami pociągów metra).
Rola badań doświadczalnych i baz danych pomiarowych
Wykorzystanie normy [20] wymaga dysponowania informacjami o występujących albo prognozowanych parametrach drgań. W diagnozach można te informacje pozyskać jako wynik pomiarów wykonanych na obiekcie istniejącym przy eksploatowanym źródle drgań. Jednak w procedurze prognozowania wpływów dynamicznych na obiekty odbierające drgania istotną rolę odgrywają dane o oddziaływaniu prognozowanego źródła drgań na otoczenie. W przypadku drgań pochodzenia komunikacyjnego albo wywołanych robotami drogowymi brak jest jeszcze ujęć modelowych, które pozwoliłyby na analityczne wyznaczenie prognozowanych parametrów drgań obiektu odbierającego drgania w zależności od wielkości charakteryzujących źródła drgań i drogę ich propagacji. W takich sytuacjach należy skorzystać z wyników pozyskanych podczas wcześniejszych pomiarów dynamicznych, które tworzą zbiór nazwany Bazą Danych Pomiarowych (dalej: BDP). Jest to temat ważny w odniesieniu do opisywanych tu problemów.
W BDP znajdują się wyniki pomiarów i analiz pozyskane z opracowań diagnostycznych zarówno w czasie budowy jak i eksploatacji dróg oraz wyniki badań wykonanych na specjalnych poligonach badawczych. W celu zapewnienia możliwości wykorzystania w prognozowaniu danych zawartych w BDP należy w opisie wibrogramów umieścić również informacje:
- o źródle drgań, którego oddziaływanie na obiekt było przedmiotem pomiaru,
- o drodze propagacji drgań od źródła do obiektu odbierającego drgania,
- o obiekcie odbierającym drgania i o jego stanie (technicznym),
- o przyjętym kryterium oceny wpływu drgań na obiekt odbierający drgania,
- o wyznaczonych (doświadczalnie) wartościach parametrów opisujących reakcję obiektu odbierającego drgania,
- o ocenie wpływu drgań na obiekt odbierający drgania (z wykorzystaniem przyjętego kryterium oceny).
Podczas realizacji niniejszego tematu badawczego oraz wielu opracowań diagnostycznych wykonanych w Instytucie Mechaniki Budowli Politechniki Krakowskiej powstał dość liczny zbiór danych, który wraz z danymi wcześniej pozyskanymi tworzy dość obszerną BDP. W celu skonstruowania BDP zbierane są oddzielnie w odniesieniu do każdego rodzaju działań dynamicznych (tzn. drgań generowanych podczas budowy oraz drgań generowanych podczas eksploatacji dróg kołowych i szynowych) wyniki pomiarów odpowiednio opisane i skatalogowane. Taka formuła zbioru ułatwia odnajdywanie informacji potrzebnych do opracowania prognozy dotyczącej konkretnej sytuacji projektowej.
W tym miejscu należy jeszcze raz podkreślić (por. referaty na Seminarium WIBROSZYN w latach 2011, 2012 i 2013 r.), iż w metodyce pomiarowo-interpretacyjnej przywoływanej w pracach IMB korzysta się z wyników pomiarów drgań, które następnie odpowiednio analizowane doprowadza się do wielkości stosowanych w ocenie narażenia wibracji na ludzi w budynkach. Wyniki pomiarów wykorzystuje się podczas realizacji zadań diagnostycznych i projektowania. Okazuje się jednak, iż często takie pomiary wykonywane są przez jednostki nie dysponujące odpowiednim sprzętem i kadrą, a także nie stosujące wymagań odnośnie do metod analizy i oceny. Są więc to jednostki, które nie spełniają kryteriów jakości. Zasada najniższej ceny za usługę stosowana bezkrytycznie w procedurach przetargowych bez wymagania odnośnie do zapewnienia odpowiedniej jakości prac powoduje, że to te jednostki wygrywają przetargi na wykonanie takich zadań. Coraz częściej otrzymujemy zapytania kierowane do nas przez pokrzywdzonych wcześniejszymi ocenami wpływu drgań na budynki i ludzi w budynkach, które wykonywały jednostki nie posiadające kadry i aparatury umożliwiającej zapewnienie wymaganej jakości opracowań. W celu uniknięcia podobnych sytuacji celowe jest podawanie w wymaganiach przetargowych żądania, aby zleceniobiorca wykazał się stosowaniem procedur zapewnienia odpowiedniej jakości w jego badaniach. Najlepszym tego sprawdzianem jest legitymowanie się przez zespół badawczy akredytacją Polskiego Centrum Akredytacji i to w konkretnym zakresie: dotyczącym oceny wpływu drgań na budowle i ludzi w budynkach.
Podsumowanie
Jak wyżej wykazano wykonawcy tematu PT1.7 dysponują już znaczącym zbiorem informacji, który wykorzystają w procedurze nowelizacji normy [20]. Do najważniejszych zmian w normie [20] wprowadzonych w procesie nowelizacji można zaliczyć:
- uściślenie zapisów dotyczących kryteriów oceny wpływu drgań na ludzi w budynkach (analiza wartości RMS w podanych pasmach częstotliwości, wykorzystanie wskaźników WODL w ocenach porównawczych itp.);
- wyraźne wskazanie na możliwości wykorzystania metodyki pomiarowo-interpretacyjnej oraz związanych z nią procedur przy projektowaniu budynków i dróg;
- tworzenie i wykorzystanie BDP;
- wyraźne wyjaśnienie odnoszące się do sposobu uwzględnienia czasu narażenia wibracyjnego w ocenach wpływu drgań na ludzi;
- podanie działań kierunkowych prowadzących do redukcji nadmiernych drgań.
W celu dostosowania nowelizowanej normy do wymagań podanych w nowej wersji normy ISO konieczne będzie również podanie dwóch pozostałych parametrów oceny (wartość skorygowana oraz dawka wibracji) oraz podanie w jakich warunkach i w jaki sposób mogą być one stosowane.
Najważniejsze jest jednak to, że rezultaty dotychczasowych badań zostały już zebrane w książce [19] i mogą być stosowane przez autorów opracowań diagnostycznych i projektowych.
Trzeba również pamiętać o tym, że nowe wymagania zapisane w dokumentach dotyczących ochrony środowiska również wpływają na konieczność nowelizowania wspomnianej normy. Naruszenie np. wymagań odnośnie do zapewnienia ludziom niezbędnego komfortu wibracyjnego prowadzi do ograniczenia możliwości korzystania z pomieszczeń lub do wyłączenia pomieszczeń z użytkowania. Z tym zaś związane są decyzje podejmowane przez służby techniczne podobne do działań, jakie muszą być podejmowane w przypadku awarii konstrukcji budynku albo w sytuacji zagrożenia przedawaryjnego. Mogą być zatem kwalifikowane jako sytuacje zagrożenia awaryjnego albo awarie. W celu uniknięcia takich sytuacji należy już w fazie projektowania budynków zlokalizowanych w bezpośrednim sąsiedztwie występowania źródeł drgań rozważać ich wpływ na obniżenie komfortu wibracyjnego ludzi, którzy będą przebywać w tych budynkach. Z tych również powodów realizowany był temat badawczy PT1.7.
Stwierdzamy zainteresowanie opracowaną w Instytucie Mechaniki Budowli metodą badawczą ze strony inwestorów i projektantów budynków zlokalizowanych w sąsiedztwie źródeł drgań. Jest ona również zalecona do stosowania decyzjami władz samorządowych podejmowanymi w odniesieniu do miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego (por. np. [22]).
prof. dr hab. inż. Janusz Kawecki
Instytut Mechaniki Budowli, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki
Projekt „Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju” współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego realizowanego pod nadzorem ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego - Nr umowy POIG.01.01.02-10-106/09-06
Literatura i wykorzystane materiały:
[1] BS 6472-1:2008, Guide to evaluation of human exposure to vibration in buildings, Part 1: Vibration sources other than blasting, 2008, British Standard.
[2] Ciesielski R.; Próba klasyfikacji szkodliwości wpływów drgań i wstrząsów na ludzi znajdujących się w budynkach; Zeszyty Naukowe Politechniki Krakowskiej, Kraków, 1, 1966.
[3] Ciesielski R.; O ochronie ludzi w budynkach przed wpływem wibracji; Przegląd Budowlany, 1981, nr 7.
[4] Ciesielski R., Kawecki J.; Doświadczalna weryfikacja skal wpływów dynamicznych na budynki (SWD); XIX Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica, 1973, t. 1.
[5] Ciesielski R., Kawecki J.; Weryfikacja doświadczalna skal SWD; Prace z Sympozjum: Wpływy sejsmiczne i parasejsmiczne na budowle; Politechnika Krakowska, Kraków 1979.
[6] Ciesielski R., Maciąg E.; Drgania drogowe i ich wpływ na budynki, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1990.
[7] Ciesielski R., Kawecki J., Maciąg E.; Ocena wpływu wibracji na budynki i ludzi w budynkach (diagnostyka dynamiczna), Wyd. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 1993.
[8] Ciesielski R., Kawecki J., Maciąg E., Stypuła K., Ocena diagnostyczna skutków wpływów drgań na budynki i ludzi w budynkach, Inżynieria i Budownictwo, 1993, nr 9, str.390-394.
[9] DIN 4150-2, Structural vibration, Part 2: Human exposure vibration in buildings, 1999, German Standard.
[10] ISO 2631-2, Guide to the evaluation of human exposure to whole body vibration. Part 2- Vibration in buildings, 2003, International Organization for Standardization.
[11] ISO 10137,Bases for design of structures - Serviceability of buildings and walkways against vibration, 2007, International Organization for Standardization.
[12] Kamińska M., Lefik M.: Wyniki realizacji Projektu „Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju; Przegląd Budowlany, 2014, nr 6, str.12-17.
[13] Kawecki J.; Uwzględnienie wpływu drgań na ludzi w projektowaniu i diagnostyce budynków, V Seminarium „WIBROSZYN-2010” Politechnika Krakowska, Kraków 2010.
[14] Kawecki J.;Zastosowanie procedur oceny wpływu drgań na ludzi w projektowaniu i diagnostyce budynków, Materiały VI Seminarium: Wpływ hałasu i drgań wywołanych eksploatacją transportu szynowego na budynki i ludzi w budynkach. Diagnostyka i zapobieganie, WIBROSZYN’2011, Kraków 8-9 września 2011.
[15] Kawecki J., Kowalska-Koczwara A., Stypuła K.: Consideration of Criteria of Vibration Comfort of People in Diagnosis and Design of Buildings. World Academy of Science, Engineering and Technology, Venice Italy, WASET, 2011 Issue 59 November 2011.
[16] Kawecki J., Stypuła K.: Błędy w projektowaniu i diagnostyce wpływów dynamicznych na budynki; Inżynieria i Budownictwo, nr 5/2011.
[17] Kawecki J., Stecz P., Stypuła K.: O konieczności wykonywania obliczeń symulacyjnych wibroizolacji w torze tramwajowym; Czasopismo Techniczne, 2011, z. 19; Seria: Budownictwo, z. 3-B; Kraków.
[18] Kawecki J., Kowalska-Koczwara A., Stypuła K.: Rozwój ujęcia wpływu drgań na ludzi w budynkach; Inżynieria i Budownictwo, nr 12/2013.
[19] Kawecki J., Stypuła K.; Zapewnienie komfortu wibracyjnego ludziom w budynkach narażonych na oddziaływania komunikacyjne, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2013.
[20] PN-88/B-02171, Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach1988, norma polska.
[21] PN-EN 1990: 2004, Podstawy projektowania konstrukcji.
[22] Uchwała Nr LXXVII/2422/2006 Rady Miasta Stołecznego Warszawy z dnia 22 czerwca 2006 r. w sprawie uchwalenia miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego regionu tzw. Dworca Południowego, Dziennik Urzędowy Województwa Mazowieckiego Nr 146, poz. 4800.
