Nauka: Górnicza Skala Intensywności Sejsmicznej (GSIS-2017)

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  PGVHmaxtHv (i/lub PGAH10, tHa) 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

wdt_ID 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 Arx Amplituda rzeczywistych drgań na wejściu kanału pomiarowego.
5 f Częstotliwość drgań.
6 fo Pierwsza harmoniczna częstotliwość drgań własnych budynków.
7 Re Odległość epicentralna (odległość od epicentrum wstrząsu).
8 Rh Odległość hipocentralna (odległość od hipocentrum wstrząsu).
9 tHV 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 tHa 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.

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 PGVHmax oraz wartość czasu trwania składowej poziomej drgań tHV i 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, IGSIS 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 , PGVHmax niż dla przyspieszenia drgań, PGAH10. Do wyznaczania stopni intensywności sejsmicznej zaleca się wykorzystywanie parametru PGVHmax jako parametru podstawowego i bardziej wiarygodnego, szczególnie dla oceny uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych.

Stopnie intensywności sejsmicznej dla wstrząsów górniczych według skali GSIS-2017
Rys. 1.1. Stopnie intensywności sejsmicznej dla wstrząsów górniczych według skali GSIS-2017 w wersji prędkości drgań powierzchni
Stopnie intensywności sejsmicznej dla wstrząsów górniczych według skali GSIS-2017
Rys. 1.1a. Stopnie intensywności sejsmicznej dla wstrząsów górniczych według skali GSIS-2017 w wersji przyspieszenia 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 (PGVHmax ≤ 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 PGVHmax = 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.

Syntetyczny opis potencjalnych skutków drgań dla poszczególnych stopni intensywności sejsmicznej w skali GSIS-2017
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 IGSIS 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