Nowe inwestycje a ochrona środowiska przed drganiami

Drgania mechaniczne różnią się od drgań akustycznych (wywołujących hałas) zakresem częstotliwości, sposobami pomiaru i analizy oraz zasadami ocen diagnostycznych [1, 2, 3, 4, 5, 7, 8]. Drgania mechaniczne stanowią dla budowli dodatkowe obciążenie, które w określonych przypadkach powinno być uwzględnione przez konstruktora w obliczeniach wytrzymałościowych konstrukcji budowlanych. Mogą one powodować uszkodzenia w budynkach, stąd ochroną środowiska przed drganiami powinni być zainteresowani nie tylko inwestorzy, wykonawcy i użytkownicy nowych inwestycji czy służby ochrony środowiska, lecz także nadzór budowlany i firmy ubezpieczeniowe.

Poniżej omówiona zostanie problematyka wpływu drgań na budynki i na ludzi w nich przebywających w odniesieniu do następujących sytuacji (rys. 1):

• budowa nowej inwestycji (wbijanie w grunt pali i ścianek szczelnych, stosowanie walców i innych urządzeń wibracyjnych) wywołuje drgania mające wpływ na sąsiednią zabudowę,
• eksploatacja nowej inwestycji (np. arterii komunikacyjnej) wywołuje drgania mające wpływ na sąsiednią zabudowę,
• nowa inwestycja (np. projektowany budynek mieszkalny) będzie podlegać drganiom z pobliskich źródeł drgań (droga, linia kolejowa lub tramwajowa, metro itp.).

Prawne podstawy oceny wpływu drgań na środowisko

Ogólne uregulowania prawne w zakresie ochrony środowiska przed różnymi wpływami zawarte są w ustawie Prawo ochrony środowiska z 27 kwietnia 2001 r. (DzU z 2001 r. nr 62, poz. 627) oraz w grupie norm ISO-14000 dotyczących tzw. zarządzania środowiskowego. Warto podkreślić, że ilekroć we wspomnianej ustawie jest mowa o emisji zanieczyszczeń, to dotyczy to także emisji drgań.

Od niedawna kwestie odpowiedzialności za szkody wyrządzone w środowisku szerzej reguluje Ustawa o zapobieganiu szkodom w środowisku i ich naprawie z 13 kwietnia 2007 r. (DzU z 2007 r. nr 75, poz. 493). W przypadku nowych inwestycji powinny być wykonywane oceny ich oddziaływań na środowisko. Kwestie te reguluje Ustawa o dostępie do informacji o środowisku i jego ochronie oraz o ocenach oddziaływania na środowisko z 9 listopada 2000 r. (DzU z 2000 r. nr 109, poz. 1157). Obowiązki wykonywania ocen oddziaływania na środowisko oraz konsultacji społecznej w tym zakresie przedsięwzięć i planów inwestycyjnych określone są także w dyrektywach Unii Europejskiej:

• Dyrektywie Rady 85/337/EWG z 27 czerwca 1985 r. w sprawie oceny skutków niektórych publicznych i prywatnych przedsięwzięć dla środowiska,
• Dyrektywie Rady 97/11/WE z 3 marca 1997 r. zmieniającej dyrektywę 85/337/ EWG w sprawie oceny wpływu wywieranego przez niektóre publiczne i prywatne przedsięwzięcia na środowisko,
• Dyrektywie 2001/42/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 27 czerwca 2001 r. w sprawie oceny wpływu niektórych planów i programów na środowisko,
• Dyrektywie 2003/35/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 26 maja 2003 r. przewidującej udział społeczeństwa w odniesieniu do sporządzania niektórych planów i programów w zakresie środowiska oraz zmieniającej w odniesieniu do udziału społeczeństwa i dostępu do wymiaru sprawiedliwości dyrektywy Rady 85/337/EWG i 96/61/WE.

Również art. 5 ustawy Prawo budowlane z 7 lipca 1994 r. stwierdza m.in., że obiekt budowlany należy projektować i budować w sposób zapewniający ochronę przed hałasem i drganiami.

Podstawy diagnostyki wpływu drgań na środowisko

Ochrona środowiska przed drganiami obejmuje przede wszystkim wpływ drgań na konstrukcję budynków oraz na ludzi przebywających w budynkach (rzadziej może dotyczyć także wpływu drgań na wrażliwe urządzenia w budynkach). W Polsce podstawy prawne oraz szczegółowe uregulowania w zakresie wykonywania ocen wpływu drgań w tych przypadkach zawarte są w dwóch normach¹⁾:

• PN-85/B-02170 „Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki”,
• PN-88/B-02171 „Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach”.

Diagnostyka wpływu drgań na budynki

Norma PN-85/B-02170 przewiduje dwa sposoby oceny wpływu drgań na konstrukcję budynku:

• ocenę pełną, mającą zastosowanie w odniesieniu do budynku każdego typu,
• ocenę przybliżoną za pomocą skal wpływów dynamicznych SWD-I i SWD-II, dotyczącą dwóch najczęściej spotykanych klas budynków niskich i średnio wysokich (do 5 kondygnacji nadziemnych włącznie) wykonanych ręcznego układania, jak cegła, pustaki itp.), wielkoblokowych oraz wielkopłytowych.

Pełna ocena wpływu drgań na konstrukcję budynku dokonywana jest zgodnie z zasadami dynamiki budowli. Wymaga zbudowania modelu konstrukcji budynku do obliczeń dynamicznych (rys. 2). Pomierzone lub prognozowane na podstawie pomiarów drgania fundamentów są określane jako wymuszenie.

Ocena polega na sprawdzeniu możliwości wystąpienia rezonansu, wyznaczeniu sił bezwładności działających dodatkowo na konstrukcję pod wpływem drgań, obciążeniu modelu obliczeniowego konstrukcji wszystkimi obciążeniami statycznymi i dynamicznymi (siłami bezwładności) i sprawdzeniu tak obciążonej konstrukcji pod względem wytrzymałościowym zgodnie z wymaganiami obowiązujących norm dotyczących obliczeń statycznych i projektowania konstrukcji.

Ocena przybliżona polega na zastosowaniu tzw. skal wpływów dynamicznych: SWD-I i SWD-II. Znając wartości amplitud przemieszczeń lub przyspieszeń (oś pionowa skali) oraz odpowiadających im częstotliwości drgań poziomych (oś pozioma skali) budynku (pomierzonych w poziomie terenu lub na fundamencie), można zakwalifikować te drgania do jednej z pięciu stref szkodliwości:

• strefa I – drgania nieodczuwalne przez budynek,
• strefa II – drgania odczuwalne przez budynek, ale nieszkodliwe dla jego konstrukcji,
• strefa III – drgania szkodliwe dla budynku, powodujące lokalne zarysowania i spękania,
• strefa IV – drgania o dużej szkodliwości, stanowiące zagrożenie bezpieczeństwa ludzi,
• strefa V – drgania powodujące awarię budynku przez walenie się murów, spadanie stropów itp.; budynek nie może być wówczas użytkowany.

Na rys. 3 przedstawiono przebieg czasowy poziomych drgań budynku wywołanych przejazdem pociągu w tunelu kolejowym, a na rys. 4 – przykładowe wyniki przybliżonej metody oceny wpływu tych drgań na konstrukcję budynku (poszczególne słupki prezentują maksymalne wartości amplitud przyspieszenia drgań, określone w tercjowych pasmach częstotliwości). Z oceny wynika, że są to drgania nieodczuwalne dla konstrukcji budynku.

Diagnostyka wpływu drgań na ludzi przebywających w budynkach

Norma PN-88/B-02171 (zgodna ze standardami ISO) określa dopuszczalne wartości parametrów drgań mechanicznych w pomieszczeniach w zależności od:

• przeznaczenia pomieszczenia w budynku (mieszkalne, biura, warsztaty, szpitale itp.),
• pory występowania drgań (dzień, tj. od godz. 6 do 22, lub noc, tj. od godz. 22 do 6),
• charakteru i powtarzalności drgań,
• kierunku działania drgań (drgania poziome lub pionowe) i pozycji człowieka podczas ich odbioru (stojąca lub leżąca).

Podstawą oceny są wyniki analizy częstotliwościowej drgań zarejestrowanych w miejscu odbioru ich przez człowieka. W wyniku analizy otrzymuje się wartości skuteczne przyspieszeń, tzw. RMS (ang. root mean square) w tercjowych pasmach częstotliwości i porównuje je z dopuszczalnymi wartościami tych parametrów.

Dla przykładu na rys. 5 przedstawiono wyniki analizy wpływu na ludzi drgań pionowych stropu budynku, wywołanych przejazdem pociągu w tunelu linii średnicowej w Warszawie, w porównaniu z krzywymi dopuszczalnego komfortu. Krzywe zaznaczone linią przery- waną dotyczą drgań pionowych (wzdłuż podłużnej osi ciała człowieka), linią ciągłą natomiast oznaczono progi komfortu w przypadku drgań poziomych (prostopadłych do podłużnej osi ciała człowieka). Krzywe oznaczone cyfrą 1 prezentują progi odczuwalności przez ludzi drgań pionowych (linia przerywana) i poziomych (linia ciągła).

Strefy wpływów dynamicznych

Obszar, na którym zabudowa wymaga uwzględnienia wpływów dynamicznych, wywołanych przez dane źródło drgań i przenoszonych przez grunt, nazywa się strefą oddziaływań dynamicznych (lub strefą wpływów dynamicznych) tego źródła. Zasięg strefy powinien zostać ustalony dla danego źródła drgań (w nawiązaniu do istniejących warunków gruntowo-wodnych) na podstawie pomiarów dynamicznych. Orientacyjne wartości tego zasięgu dla niektórych źródeł drgań, odnoszące się do średnich warunków gruntowych (nie dotyczą np. gruntów nawodnionych, terenów kurzawkowych, bagnistych, torfowisk itp.) oraz do budynków o typowej konstrukcji w dobrym stanie technicznym zamieszczono w tabeli 1.

Ochrona środowiska przed drganiami wywołanymi pracami budowlanymi

Bardzo istotne (a nierzadko pomijane) są wpływy dynamiczne występujące w czasie budowy (por.: art. 75 ustawy Prawo ochrony środowiska). Niektóre urządzenia i technologie budowlane (praca drogowych walców wibracyjnych, wibracyjne lub udarowe wbijanie w grunt ścianek szczelnych lub pali fundamentowych, wybuchowe lub udarowe prace wyburzeniowe itd.) mogą być źródłem znacznych szkodliwych oddziaływań na konstrukcję sąsiednich budynków (rys. 6).

W takich przypadkach należy przed rozpoczęciem budowy:

• dokonać inwentaryzacji stanu technicznego (uszkodzeń) zabudowy istniejącej w strefie oddziaływań prac budowlanych,
• wykonać prognozę wpływu na sąsiednie budynki drgań wywołanych budową.

Prognoza powinna zawierać inwentaryzację źródeł drgań, jakie wystąpią w czasie budowy nowej inwestycji. Powinny w niej zostać wytypowane obiekty budowlane, które mogą się znaleźć w zasięgu wpływów dynamicznych pochodzących z tych źródeł, oraz określone sposoby zabezpieczenia zabudowy przed nadmiernym wpływem tych drgań. Należy wskazać te prace, które powinny być wykonywane pod nadzorem specjalistycznym wspartym pomiarami drgań w obiektach znajdujących się w strefie wpływów dynamicznych. W razie konieczności ograniczenia poziomu tych drgań powinny zostać określone parametry pracy urządzeń wywołujących drgania (np. dopuszczalne wysokości spadania młota kafara, dopuszczalne częstotliwości i amplitudy pracy urządzeń wibracyjnych) oraz odległości od zabudowy, w jakich te urządzenia mogą pracować przy zachowaniu zaleconych parametrów pracy.

Należy zwrócić uwagę na fakt, iż drgania, szczególnie związane z zagęszczaniem gruntu czy warstw nawierzchniowych, mogą mieć także istotny wpływ na zachowanie się podłoża pod budynkami w postaci osiadań (tabela 2) lub osuwania się skarp i zboczy. Biorąc pod uwagę tymczasowy charakter źródeł drgań występujących w trakcie budowy, należy stwierdzić, że najczęściej można pominąć wpływ tych drgań na ludzi przebywających w budynkach, o ile nie są to prace prowadzone w godzinach nocnych, tj. od godz. 22 do 6.

Ochrona środowiska przed drganiami wywołanymi eksploatacją nowej inwestycji

Przed rozpoczęciem prac związanych z realizacją nowej inwestycji, w której podczas eksploatacji będą powstawały drgania (droga, linia tramwajowa, tunel metra, linia kolejowa itp.), powinny zostać wykonane następujące prace:

• badania tła dynamicznego, tj. wpływów dynamicznych na istniejącą zabudowę pochodzących z dotychczasowych źródeł drgań działających przed rozpoczęciem budowy,
• prognoza wpływu na istniejącą zabudowę drgań wywołanych eksploatacją nowej inwestycji.

W celu określenia tła dynamicznego powinny zostać przeprowadzone pomiary drgań (pochodzących ze źródeł działających przed rozpoczęciem budowy nowej inwestycji) w wybranych budynkach reprezentatywnych (pod względem konstrukcji, lokalizacji, warunków posadowienia i propagacji drgań itd.) dla zabudowy znajdującej się w strefie oddziaływań dynamicznych nowej inwestycji. Pomiary powinny uwzględniać ocenę wpływu drgań na konstrukcję budynków i na ludzi przebywających w tych budynkach. Prognoza wpływu drgań wywołanych budową (modernizacją) i eksploatacją nowej inwestycji na istniejącą zabudowę powinna zawierać:

inwentaryzację źródeł drgań, jakie wystąpią w czasie budowy (modernizacji) nowej inwestycji; powinny w niej zostać wytypowane obiekty budowlane, które mogą się znaleźć w zasięgu wpływów dynamicznych pochodzących z tych źródeł, oraz określone sposoby zabezpieczenia zabudowy przed nadmiernym wpływem tych drgań;

wstępne określenie obiektów najbardziej narażonych na wpływy dynamiczne wywołane przyszłą eksploatacją nowej inwestycji, przewidywany poziom tych wpływów oraz proponowane w uzasadnionych wypadkach techniczne środki zapobiegawcze;

wskazanie obiektów, w których drgania powinny być monitorowane przez pomiary dynamiczne prowadzone w sposób ciągły lub przez okresowe pomiary kontrolne.

Jednym z najistotniejszych elementów prognozy jest określenie spodziewanych przebiegów czasowych drgań fundamentów budynku, które stanowią wymuszenie kinematyczne w obliczeniach dynamicznych budynku. Podstawą określenia tego wymuszenia powinny być wyniki pomiarów drgań uzyskane w przypadku podobnego istniejącego już źródła drgań.

Jeżeli dysponuje się wynikami pomiarów drgań fundamentów budynku znajdującego się w podobnej sytuacji co obiekt prognozowany (to samo źródło drgań, ta sama konstrukcja nawierzchni, podobna droga propagacji drgań), to można przyjąć zarejestrowane przebiegi czasowe drgań jako wymuszenie kinematyczne prognozowanego obiektu i wykonać obliczenia dynamiczne na modelu budynku.

Jeżeli natomiast istnieją istotne różnice w konstrukcji nawierzchni (np. zastosowanie nowej wibroizolacji) lub różni się znacząco droga propagacji drgań (np. wstawiona zostaje przegroda w gruncie), to należy pomierzyć doświadczalnie drgania stanowiące wymuszenie (np. na szynie) i następnie wykonać model transmisji drgań od źródła do fundamentów budynku (rys. 7) w celu przeprowadzenia obliczeń drgań dochodzących do budowli jako wymuszenie kinematyczne i dalej, jak uprzednio, obliczeń dynamicznych na modelu konstrukcji budynku.

Metody ochrony przed drganiami koncentrują się przede wszystkim na możliwości ograniczenia emisji drgań w źródle. Przykładowo w przypadku arterii komunikacyjnych mogą to być:

• wprowadzenie wibroizolacji do konstrukcji nawierzchni (rys. 8),
• utrzymywanie nawierzchni w dobrym stanie,
• utrzymywanie taboru w dobrym stanie (szczególnie dotyczy to kształtu kół wagonów w pojazdach szynowych) – rozwiązaniem problemu może być stały monitoring drgań wywołanych przejazdami poszczególnych pojazdów.

W przypadku pojedynczych budynków możliwe jest również ograniczenie propagacji drgań do budynku za pomocą przegrody w gruncie (rys. 9). Należy podkreślić, że zarówno zastosowanie wibroizolacji w źródle drgań, jak i przegrody wibroizolacyjnej w gruncie powinno być poprzedzone obliczeniami dynamicznymi – prognozą potwierdzającą skuteczność przyjętego rozwiązania w danych warunkach (budowa geotechniczna podłoża, konstrukcja nawierzchni, częstotliwości drgań, rodzaj i stan konstrukcji ochranianego budynku, usytuowanie przegrody i jej wymiary). Bez takiego sprawdzenia rozwiązania te mogą być nieskuteczne lub nawet powodować wzrost poziomu wpływów dynamicznych w stosunku do sytuacji sprzed ich zastosowania (takie doświadczenia znane są np. z niektórych zastosowań wibroizolacji w nawierzchniach tramwajowych).

Ochrona projektowanego budynku przed drganiami ze źródeł zewnętrznych

Konieczne jest wykonanie prognozy wpływu drgań na projektowany budynek na podstawie pomiarów drgań wywołanych przez istniejące źródło drgań w istniejących budynkach podobnych do projektowanego (pod względem konstrukcji, usytuowania względem źródła drgań, warunków posadowienia itp.). Jeżeli nie ma możliwości skorzystania z wyników takich pomiarów (np. nie istnieje porównywalny budynek), to należy wykonać pomiary drgań gruntu w miejscu przyszłego posadowienia projektowanego budynku, a następnie sporządzić prognozę, uwzględniając redukcję drgań na styku grunt–budynek. Nieuwzględnienie zjawiska redukcji drgań przechodzących z gruntu na budynek (rys. 10) grozi znacznym przewymiarowaniem konstrukcji budynku oraz ewentualnym wykonaniem zbędnych i kosztownych zabezpieczeń wibroizolacyjnych.

Prognoza powinna zawierać ocenę wpływu przewidywanych drgań na konstrukcję budynku, a także na ludzi (i ewentualnie urządzenia) w budynku, obliczenia dynamiczne w celu określenia sił bezwładności obciążających konstrukcję i uwzględnienia ich w projektowaniu konstrukcji, zalecenia konstrukcyjne wraz z proponowanymi w uzasadnionych przypadkach środkami technicznymi mającymi na celu obniżenie poziomu drgań budynku. Jedną z takich metod jest wprowadzenie wibroizolacji na styku budynku z gruntem lub w konstrukcji podłogi pływającej (rys. 11). Istotne obniżenie wpływu drgań na ludzi w budynkach można uzyskać przez dobór konstrukcji stropów o odpowiedniej sztywności.

Wnioski

Polskie przepisy prawne, normy PN-ISO 14000 oraz dyrektywy UE nakładają na inwestorów, projektantów i wykonawców obowiązek ochrony środowiska (budowli i ludzi) przed drganiami. Normy PN-85/B-02170 i PN-88/B -02171 zawierają uregulowania z zakresu diagnostyki wpływu drgań na budynki oraz ludzi i urządzenia w budynkach, w tym zasady prowadzenia pomiarów drgań. Pomiary te stanowią podstawę wszelkich działań diagnostycznych i prognoz. W większości wypadków istnieją techniczne możliwości ograniczenia wspomnianych wpływów dynamicznych. Prace budowlane, podczas których powstają drgania, w sąsiedztwie istniejącej zabudowy powinny być prowadzone pod nadzorem specjalistycznym z wykorzystaniem pomiarów drgań.

Literatura

1. R. Ciesielski, J. Kawecki, E. Maciąg, R. Masłowski, M. Pieronek, K. Stypuła, „Komentarz do normy PN-85/B-02170 »Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki «”, COBPBO – Warszawa, Warszawa 1988.
2. R. Ciesielski, J. Kawecki, E. Maciąg, K. Stypuła, „Ocena diagnostyczna skutków wpływów drgań na budynki i ludzi w budynkach”, „Inżynieria i Budownictwo” nr 9/1993, s. 390–394.
3. R. Ciesielski, J. Kawecki, E. Maciąg, „Ocena wpływu wibracji na budowle i ludzi w budynkach (Diagnostyka dynamiczna)”, ITB, Warszawa 1993.
4. R. Ciesielski, E. Maciąg, „Drgania drogowe i ich wpływ na budynki”, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1990.
5. Z. Engel, „Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993.
6. J. Lipiński, „Fundamenty pod maszyny”, Arkady, Warszawa 1985.
7. K. Stypuła, „Drgania mechaniczne wywołane eksploatacją metra płytkiego i ich wpływ na budynki”, Zeszyty Naukowe Politechniki Krakowskiej, Inżynieria Lądowa nr 72, Kraków 2001.
8. K. Stypuła, „Drgania i wibracje. Zarządzanie Środowiskowe ISO 14000”, Tom II: „Ochrona Środowiska Naturalnego”, Centrum Szkolenia i Organizacji Systemów Jakości Politechniki Krakowskiej, Kraków 2006, s. 11–59.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!