Nauka: Górnicza Skala Intensywności Sejsmicznej (GSIS-2017) – Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna

Zakres stosowania

Zasady stosowania Górniczej Skali Intensywności Sejsmicznej GSIS-2017 do prognozy i oceny skutków oddziaływania wstrząsów indukowanych eksploatacją na obiekty budowlane oraz klasyfikacji ich odporności dynamicznej, przeznaczone są do stosowania w zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny.

Skala GSIS-2017 uwzględnia w ocenie następujące typy budynków:

budynki o konstrukcji tradycyjnej i tradycyjnej-ulepszonej, czyli ogólnie budynki
murowane z cegły lub innych elementów drobnowymiarowych, posiadające ścianowe układy nośne,
budynki ścianowe o konstrukcji betonowej i/lub żelbetowej,
budynki szkieletowe o konstrukcji żelbetowej lub stalowej.

Ponadto w skali uwzględniono:

skutki oddziaływania drgań na budynki w złym stanie technicznym,
skutki oddziaływania drgań na wrażliwe budowle zabytkowe o znaczeniu historycznym,
kryteria empirycznej oceny odporności dynamicznej budynków poddanych oddziaływaniom sejsmicznym pochodzenia górniczego, opracowane z wykorzystaniem skali GSIS-2017.

Do oceny skutków oddziaływania prognozowanych drgań sejsmicznych na obiekty budowlane nie objęte skalą GSIS-2017 należy stosować specjalistyczne normy oraz indywidualne ekspertyzy obliczeniowe, wykonane przez rzeczoznawców i specjalistów z zakresu budownictwa.

Założenia do skali GSIS-2017

Górnicza Skala Intensywności Sejsmicznej, GSI-2017, jest skalą empiryczno-pomiarową i pozwala na przybliżoną ocenę wpływu oddziaływania wstrząsów górniczych na budynki, w zakresie od drgań nieszkodliwych, przez drgania powodujące uszkodzenie elementów wykończeniowych, aż do wystąpienia uszkodzeń o charakterze konstrukcyjnym. Pozwala również na ocenę uciążliwości użytkowania obiektów budowlanych na terenie występowania wstrząsów górniczych oraz na ocenę odczuwalności wstrząsów przez ludzi.

Stopnie intensywności sejsmicznej w skali GSIS-2017 przedstawione są na odpowiednich wykresach lub w tabelach, w funkcji parametrów drgań na powierzchni terenu PGV_Hmax i t_Hv(i/lub PGA_H10, t_Ha) oraz pomocniczo ich częstotliwości głównej fazy drgań. Skala zweryfikowana została na podstawie posiadanej bazy górniczych wstrząsów sejsmicznych występujących w obszarze zagłębia górnośląskiego oraz uzupełniająco wstrząsów zaistniałych w górniczych zagłębiach niemieckich i czeskich.

W trakcie opracowywania, jak i weryfikacji skali, obserwacjami objęta była różnorodna zabudowa, w tym również obiekty o najsłabszych konstrukcjach i w złym stanie technicznym. W związku z powyższym wyznaczone granice stopni intensywności skali GSIS-2017, uwzględniają również szkodliwość oddziaływania wstrząsów górniczych na typowe obiekty budowlane o najsłabszych konstrukcjach i znajdujące się w złym stanie technicznym.

Drgania przypisane do określonego stopnia intensywności mogą – lecz nie muszą – wywołać skutki przypisane danemu stopniowi skali.

Symbole i Definicje

Szukaj:

Symbole	Definicje
1	F	Funkcja przejścia drgań z podłoża gruntowego na fundament wyrażona jako iloraz bezwzględnych spektrów odpowiedzi dla rejestracji w gruncie i na fundamencie w paśmie częstotliwości do 10 Hz.
2	P	Prognoza sejsmiczna – wartości prognozowanych amplitud drgań gruntu.
3	A	Amplituda drgań obliczona z zarejestrowanego przebiegu czasowego.
4	A_rx	Amplituda rzeczywistych drgań na wejściu kanału pomiarowego.
5	f	Częstotliwość drgań.
6	f_o	Pierwsza harmoniczna częstotliwość drgań własnych budynków.
7	R_e	Odległość epicentralna (odległość od epicentrum wstrząsu).
8	R_h	Odległość hipocentralna (odległość od hipocentrum wstrząsu).
9	t_HV	Czas trwania składowych poziomych prędkości drgań gruntu na sejsmogramie, wyznaczony pomiędzy tymi momentami czasowymi kiedy intensywność określona wzorem nr 3.2, osiąga 5 % i 95 % swojej maksymalnej wartości.
10	t_Ha	Czas trwania składowych poziomych przyspieszenia drgań gruntu na akcelerogramie, wyznaczony pomiędzy tymi momentami czasowymi kiedy intensywność określona wzorem nr 3.3, osiąga 5 % i 95 % swojej maksymalnej wartości.
11	a_x10 (t), a_Y10 (t)	Akcelerogram przyspieszenia drgań gruntu zarejestrowany na składowej poziomej x lub y, po filtracji w paśmie do 10Hz.
12	E_s	Energia sejsmiczna wstrząsu.
13	PGA	Amplituda pikowego przyspieszenia drgań.
14	PGA_H10	Maksymalne przyspieszenie drgań poziomych w paśmie częstotliwości do 10 Hz, wyznaczone jako poziome maksimum długości wektora drgań gruntu.
15	PGV	Amplituda pikowej prędkości drgań.
16	PGV_Hmax	Maksymalna prędkość drgań poziomych, wyznaczona jako poziome maksimum długości wektora drgań gruntu określona wzorem 3.1.
17	PGV_Z	Amplituda pikowej prędkości drgań składowej pionowej.
18	v_x(t), v_y(t)	Sejsmogram prędkości drgań gruntu zarejestrowany na składowej poziomej x lub y.
19	V_s	Prędkość rozchodzenia się sejsmicznej fali poprzecznej.
20	W_f	Amplifikacja drgań (współczynnik określający wzmocnienie lub tłumienie drgań przez nadkład geologiczny).
21	x_o, y_o, z_o	Współrzędne hipocentrum wstrząsu.
22	Pomiarowa Intensywność sejsmiczna (I_GSIS)	Wielkość scharakteryzowana poprzez parametr PGV_Hmax i t_Hv (tzw. skala prędkościowa) lub poprzez parametr PGA_H10 i t_Ha (tzw. skala przyspieszeniowa). Intensywność sejsmiczna w skali GSIS-2017 wyrażona jest w 7 stopniach.
23	Stopień szkodliwości drgań (S)	Opis skutków drgań na podstawie obserwacji makrosejsmicznych w budynkach, w liniowych obiektach infrastruktury podziemnej oraz odczuwalności wstrząsów przez ludzi i oceny poziomu uciążliwości użytkowania obiektów budowlanych.
24	Budynek	Budynki o wysokości nie przekraczającej 12-tu kondygnacji, w tym: – budynki o konstrukcji tradycyjnej i tradycyjnej-ulepszonej, czyli ogólnie budynki murowane z cegły lub innych elementów drobnowymiarowych, posiadające ścianowe układy nośne, – budynki ścianowe o konstrukcji betonowej i/lub żelbetowej, – budynki szkieletowe o konstrukcji żelbetowej lub stalowej.
25	Budynek o złym stanie technicznym	Budynek, w którym występuje przynajmniej jedna z poniższych cech: – przekroczenia wytrzymałości pojedynczych elementów nośnych, co oznacza pojawienie się pęknięć ścian, nadproży i stropów oraz połączeń elementów nośnych, – pęknięcia ścian o rozwartości przekraczającej 5 mm oraz lokalne zniszczenia fragmentów murów i innych pojedynczych elementów budynku, – obluzowania belek stropowych, – duże deformacje bryły budynku, – duże naturalne zużycie materiałów konstrukcyjnych, przejawiające się z rozległą i zaawansowaną erozją murów ścian konstrukcyjnych budynku oraz rozległą i zaawansowaną korozją zbrojenia i betonu w żelbetowych elementach konstrukcyjnych budynku.
26	Elementy konstrukcyjne budynku	Elementy ustroju nośnego budynku – elementy konstrukcji przenoszące głównie obciążenia pionowe budynku. Elementy ustroju usztywniającego budynku – elementy konstrukcji przenoszące głównie obciążenia poziome budynku. Część elementów ustroju nośnego budynku jest jednocześnie elementami ustroju usztywniającego budynku.
27	Elementy niekonstrukcyjne budynku	Elementy wykończeniowe budynku – elementy budowlane służące polepszeniu wyglądu i komfortu użytkowania budynku, takie jak okładziny elewacyjne, tynki i gładzie ścienne i sufitowe, powłoki malarskie, wykładziny ścienne, sufitowe i podłogowe wykonane z płytek ceramicznych, wykładzin i innych okładzin, sufity podwieszane, stolarka okienna i drzwiowa oraz pokrycie dachowe. Elementy wyposażeniowe budynku – czyli urządzenia i instalacje techniczne zainstalowane w budynku, w tym instalacje dźwigowe, instalacje poszczególnych mediów oraz elementy umożliwiające i wspomagające korzystanie z tych mediów.
28	Rysa, zarysowanie	Uszkodzenie powierzchniowe o niewielkiej rozwartości.
29	Pęknięcie	Uszkodzenie o niewielkiej rozwartości na całą głębokość elementu (na wskroś – do 5 mm).
30	Szczelina	Uszkodzenie o dużej rozwartości na całą głębokość elementu (na wskroś – powyżej 5 mm).
31	Liniowe obiekty infrastruktury podziemnej	Podziemne sieci wodociągowe, gazowe, kanalizacyjne lub inne (np. tunele).
32	Uciążliwość	Uciążliwość użytkowania obiektów budowlanych na terenie występowania wstrząsów górniczych według tabeli 1.2.

Poziomy uciążliwości użytkowania obiektów budowlanych

Uciążliwość	Zakłócenie normalnego użytkowania	Odczuwalność skutków eksploatacji przez ludzi	Naprawianie szkód
Nieodczuwalna	Praktycznie nie występuje	Znikoma	Nie występują skutki wymagające usuwania
Mała	Nieistotne	Zauważalna	W ramach okresowych remontów
Średnia	Utrudniające użytkowanie	Wzbudzająca niekorzystne reakcje (zaniepokojenie)	Po zakończeniu eksploatacji górniczej lub w uzgodnieniu z użytkownikami
Duża	Mogą wystąpić przerwy w użytkowaniu	Dokuczliwa	Zachodzi potrzeba bieżących interwencji
Nieakceptowalna	Wyłączenie z użytkowania na dłuższy okres	Zagrażająca zdrowiu	Konieczność natychmiastowej interwencji

Stopnie pomiarowej intensywności sejsmicznej w skali GSIS-2017

Niezbędnymi parametrami do przeprowadzenia oceny stopni pomiarowej intensywności sejsmicznej są maksymalna wartość wypadkowej amplitudy prędkości drgań poziomych PGV_H_max oraz wartość czasu trwania składowej poziomej drgań t_HVi uzupełniająco częstotliwość głównej fazy drgań dla wyższych stopni intensywności.

Skala wyróżnia 7 stopni pomiarowej intensywności sejsmicznej, od stopnia 0 do VI (rys. 1.1), dla których opisano makroskopowo obserwowane skutki oddziaływania wstrząsów górniczych w budynkach i liniowych obiektach infrastruktury podziemnej oraz intensywność odczuwania drgań przez ludzi wraz z uciążliwością użytkowania obiektów budowlanych. Należy zauważyć, że V stopień intensywności jest ograniczony od góry linią stanowiącą aktualną granicę doświadczeń empirycznych (pomiarowych) dla wstrząsów górniczych indukowanych eksploatacją węgla kamiennego w Polsce. Nie wyklucza się, że w przyszłości mogą wystąpić drgania przekraczające VI stopień pomiarowej intensywności.

Skala GSI-2017 odnosi się do budynków w dobrym i w złym stanie technicznym, w podziale na budynki o konstrukcji tradycyjnej, tradycyjnej ulepszonej, budynki o konstrukcji
betonowej i żelbetowej oraz budynki szkieletowe o konstrukcji żelbetowej lub stalowej.

Duża grupa wstrząsów, szczególnie charakteryzujących się drganiami krótkotrwałymi do 1,5s wykazuje, że często ich pomierzony poziom drgań osiąga wyższy stopień intensywności pomiarowej, I_GSIS niż wskazują na to makrosejsmiczne obserwacje skutków.

Na rys. 1.1 przedstawiono skalę GSIS-2017 w wersji prędkościowej, która jest skalą podstawową do stosowania.

Na rys. 1.1a przedstawiono skalę GSIS-2017 w wersji przyspieszenia drgań na osi pionowej. Należy mieć jednak na uwadze, że korelacja obserwowanych skutków drgań (stopni szkodliwości w poszczególnych stopniach intensywności sejsmicznej jest lepsza dla prędkości drgań , PGV_Hmax niż dla przyspieszenia drgań, PGA_H10. Do wyznaczania stopni intensywności sejsmicznej zaleca się wykorzystywanie parametru PGV_Hmax jako parametru podstawowego i bardziej wiarygodnego, szczególnie dla oceny uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych.

Rys. 1.1. Stopnie intensywności sejsmicznej dla wstrząsów górniczych według skali GSIS-2017 w wersji prędkości drgań powierzchni

Budynki o konstrukcji tradycyjnej i tradycyjnej-ulepszonej, czyli ogólnie budynków murowanych z cegły lub innych elementów drobnowymiarowych, posiadających ścianowe układy nośne, istnieje bogata baza doświadczeń w zakresie wpływu wstrząsów górniczych na tego typu obiekty budowlane. Syntetyczny opis skutków wyrażony stopniami szkodliwości drgań dla poszczególnych stopni intensywności sejsmicznej i określonych parametrów drgań powierzchni przedstawia tabela 1.3.

Budynki ścianowe o konstrukcji betonowej i żelbetowej charakteryzują się wyższą odpornością na wstrząsy górnicze niż budynki o konstrukcji tradycyjnej i tradycyjnej-ulepszonej i dlatego występujące w nich skutki wstrząsów określić można jako odpowiadające skutkom wstrząsów o intensywności o jeden stopień niższej, niż wynikająca z zarejestrowanych (prognozowanych) parametrów drgań (nie dotyczy to 0 stopnia intensywności).

Budynki szkieletowe o konstrukcji żelbetowej lub stalowej, posiadające słupowo-belkowe układy nośne, charakteryzują się podobną odpornością, co budynki o konstrukcji tradycyjnej i tradycyjnej-ulepszonej. Dla budynków tych stosować można bezpośrednio ocenę skutków wstrząsów wg tabeli 1.3.

Budynki w złym stanie technicznym charakteryzują się zazwyczaj niższą odpornością dynamiczną niż budynki w dobrym stanie technicznym. Na podstawie dotychczasowych doświadczeń przyjmować można, że drgania wywołują w nich skutki charakterystyczne dla skutków o intensywności o jeden stopień wyższej niż wynikające z zarejestrowanych parametrów drgań. Przykładowo, przy drganiach zaliczonych do III stopnia intensywności można się zatem spodziewać wystąpienia skutków charakterystycznych dla IV stopnia intensywności drgań (opisanych w tab. 1.3).

Tabela 1.3. Syntetyczny opis potencjalnych skutków drgań dla poszczególnych stopni intensywności sejsmicznej w skali GSIS-2017 dla budynków w zabudowie tradycyjnej i tradycyjnej-ulepszonej w dobrym stanie technicznym

Budynki historyczne i zabytkowe o dużej wrażliwości na drgania.

Wstrząsy w 0 stopniu intensywności sejsmicznej GSIS- 2017 (PGV_Hmax≤ 5 mm/s) nie są szkodliwe dla budynków zabytkowych i historycznych o dużej wrażliwości na drgania w przypadku oddziaływania pojedynczych zdarzeń sejsmicznych (liczba zdarzeń sejsmicznych < 100 w ciągu 1 roku). W przypadku wielokrotnego powtarzania się wstrząsów w stopniu 0 (liczba zjawisk sejsmicznych >100 w ciągu roku), poziom pierwszych wpływów szkodliwych mogą występować po przekroczeniu poziomu drgań PGV_Hmax = 3 mm/s. Na rys. 1.2. przedstawiono syntetyczny opis potencjalnych skutków drgań dla poszczególnych stopni intensywności sejsmicznej w skali GSIS-2017 dla budynków w zabudowie tradycyjnej i tradycyjnej-ulepszonej w dobrym stanie technicznym.

Rys. 1.2. Syntetyczny opis potencjalnych skutków drgań dla poszczególnych stopni intensywności sejsmicznej w skali GSIS-2017 dla budynków w zabudowie tradycyjnej i tradycyjnej-ulepszonej w dobrym stanie technicznym przedstawiony na podkładzie graficznym

Skutki drgań wyrażone stopniem szkodliwości, S przypisane do stopni pomiarowej intensywności sejsmicznej I_GSIS są różne dla różnych konstrukcji budynków i ich stanu technicznego. Z tej przyczyny wygodną formą prezentacji ich wzajemnej korelacji jest forma tabelaryczna, przedstawiona w tab. 1.4.

Tab. 1.4. Relacja między stopniem intensywności sejsmicznej a stopniem szkodliwości drgań, w zależności od typu konstrukcji budynku i stanu technicznego

Pełny opis skali GSIS-2017 można znaleźć w książce:
Mutke G. 2019: Oddziaływanie górniczych wstrząsów sejsmicznych na powierzchnię”. Monografia. Wyd. GIG – Katowice