1. Podstawy opracowania

1.1. Umowa nr 800/2018

1.2. Projekt budowlany branży architektonicznej w wersji elektronicznej dostarczony przez Projektanta branży konstrukcyjnej firmę XXXX zawierający rysunki projektu budowlanego budynków
1.3. Rysunek planu zagospodarowania terenu
1.4. Opis techniczny do projektu
1.5. PN-85/B-02170. Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki
1.6. PN-88/B-02171. Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach.
1.7. Polskie normy obciążeniowe.
1.8. ISO 10131:2007 Bases for design of structures – Serviceability of buildings and walkways against vibrations

2. Cel i zakres opracowania

Projektowany zespół budynków mieszkalnych wielorodzinnych z dwukondygnacyjnym podziemnym garażem usytuowany będzie na działkach nr 367/18, 367/19 obr. 98 Wodna, przy ul. Spójnej w Tarnowie.
Ponieważ budynki zlokalizowane mają być w bliskim sąsiedztwie toru kolejowego (rys.1) zachodzi potrzeba sprawdzenia czy drgania generowane przejazdami pociągów mogą w sposób niekorzystny wpływać na projektowany obiekt oraz na ludzi w nim przebywających.
Celem opinii jest opracowanie prognozy wpływu drgań kolejowych generowanych przejazdami pociągów na projektowane obiekty K1, K2, K4, K5 i wytycznych konstrukcyjnych, które umożliwią ograniczenie nadmiernego wpływu drgań na konstrukcję budynku i na przebywających w nim ludzi.

Zakres niniejszego opracowania obejmuje:
• wykonanie pomiarów drgań generowanych przejazdami pociągów w miejscu inwestycji,
• sporządzenie modelu projektowanego budynku do obliczeń symulacyjnych i wykonanie tych obliczeń oraz sformułowanie na ich podstawie zaleceń konstrukcyjnych,

• wyznaczenie prognozowanych – po wprowadzeniu zaleceń konstrukcyjnych – dodatkowych sił przekrojowych w elementach nośnych konstrukcji oraz określenie wpływu prognozowanych drgań na zapewnienie niezbędnego komfortu wibracyjnego ludziom przebywającym w budynkach

3. Opis warunków gruntowych

Podłoże dokumentowanego terenu do głębokości min. 15,0 m ppt budują czwartorzędowe
osady rzeczne stożka napływowego Prądnika i Wisły wykształcone w głębszej partii podłoża jako piaski grube i piaski średnie z przewarstwieniami pospółki i lokalnie jako piaski drobne przechodzące ku górze w piaski średnie i piaski drobne wzajemnie się przewarstwiające. Strop serii piaszczystej nawiercono na głębokościach od 1,4 – 4,4 m ppt. Strop podłoża rodzimego budują mady wykształcone jako pyły, pyły przewarstwione piaskiem drobnym, gliny pylaste i piaski gliniaste tworzące warstwę o łącznej miąższości 0,2 – 2,4 m.
Na powierzchni terenu zalega warstwa nasypów niebudowlanych o miąższości 0,5-2,7 m.
W podłożu dokumentowanego terenu warstwą wodonośną jest seria piaszczysto-pospółkowa, w której występuje woda gruntowa o zwierciadle swobodnym stabilizującym się na głębokości 9,80 – 10,30 m ppt, tj. na rzędnych 209,79 – 209,93 m npm (stan z września 2016r.) i 9,8 – 10,80 m ppt tj.na rzędnych 209,60 – 210,12 m npm (stan z października 2017r.). Średnie roczne wahania poziomu zwierciadła wody w podłożu omawianego terenu nie będą przekraczać 0,5 m ponad stan udokumentowany.
W dłuższych okresach z intensywnymi opadami deszczu pod nasypami, na stropie mad mogą pojawiać się sączenia wody wsiąkowej.

4. Opis konstrukcji

Budynki składają się z siedmiu kondygnacji nadziemnych – mieszkalnych i dwóch kondygnacji podziemnych – garażowych. Kondygnacje podziemne każdego z budynków w planie zbliżone są do prostokąta o wymiarach 61,0×48,0m. Kondygnacje mieszkalne w planie przypominają literę C o bokach 57x37m, lokalizowane są one w obrębie obrysu garażu podziemnego. Najwyższa kondygnacja cofnięta w obrysie budynków.
Konstrukcję do poziomu „zera” zaprojektowano, jako monolityczną w układzie płytowo-tarczowo-słupowym z usztywniającymi trzonami komunikacyjnymi i ścianami zewnętrznymi. Część podziemna jest w pełni monolityczna oraz szczelna. Przekroje słupów zostały dobrane do wielkości sił przekrojowych i wynoszą 40x40cm, 50x50cm. Grubość ścian zewnętrznych oraz ścian części technicznej dostosowano do uwarunkowań technologicznych i zaprojektowano grubości 25cm. Zaprojektowano również pilastry w ścianach o wymiarach 50x50cm.
Trzon komunikacyjny tworzy klatka schodowa wraz z szachtami windowym i instalacyjnym. Ściany szachtów windowych zostały zaprojektowane jako oddylatowane od konstrukcji budynku o grubości 15, 20cm. Grubości biegów i spoczników wynoszą 15cm.
Płytę fundamentową zaprojektowano grubości:
• dla budynków K1, K2 i K3 -70cm pod częścią wysoką budynku, oraz grubości 50cm z lokalnymi pogrubieniami pod ścianami do 70cm poza obrysem części wysokiej budynku.
• dla budynków K4, K5 i K6 -60cm
W obrębie trzonów komunikacyjnych znajdują się przegłębienia pod szyby windowe zgodnie z projektem architektoniczno – budowlanym.
Płytę stropową poziomu -1 zaprojektowano grubości 25cm, Płytę stropową poziomu „zera” zaprojektowano grubości 22cm wewnątrz budynku, a na zewnątrz grubości 30cm. Na przełamaniu płyty wewnętrznej oraz zewnętrznej występuje belka o wymiarach 50x70cm.
Konstrukcję nośną budynku powyżej poziomu zerowego stanowi układ ścian żelbetowych połączonych z monolitycznymi płytami stropowymi i belkami nadprożowymi, krawędziowymi. Usztywnienie budynku stanowią żelbetowe trzony komunikacyjne. Zaprojektowano ściany żelbetowe grubości 18cm i 25cm. Ściany szachtów windowych zostały zaprojektowane jako oddylatowane od konstrukcji budynku o grubości 15, 20cm. Grubości biegów i spoczników wynoszą 15cm.
Płyty kondygnacji powtarzalnej oraz stropodachu zostały zaprojektowane jako monolityczne grubości
• dla budynków K1, K2, K3 – 20cm.
• Dla budynków K4, K5, K6 – 22cm
Układ konstrukcyjny uzupełnia belka obwodowa o wymiarach 18x52cm.

Materiały konstrukcyjne przyjęte do projektowania to:
• beton C30/C37 – w technologii betonu wodoszczelnego – płyta fundamentowa, płyta -1 oraz ściany zewnętrzne na poziomie fundamentów
• beton C30/37
• chudy beton C8/10
• stal zbrojeniowa żebrowana A-IIIN K500SP
• stal zbrojeniowa gładka A–0 St0S

5. Obliczenia dynamiczne

Ze względu na brak informacji o wymuszenia na potrzeby analizy wykonano pomiary drgań w miejscu lokalizacji inwestycji. Posłużyły one do bezpośredniego wyznaczenie obciążenia konstrukcji budynków. Pomiary wykonano w dniu 23-03.2018.

Do ich realizacji użyto sprzętu w postaci:
• rejestrator: National Instruments PXI 1062Q
• karty pomiarowe NI-PXI 4472, NI-PXI-4461, NI-PXI-4462,
• czujniki pomiarowe akcelerometry 3-axis PCB czułość 1000 mV/g
• oprogramowanie LabView 8.52, Windows XP

Na potrzeby określenia wpływów drgań na budynek i ludzi w nim przebywających wykonano 18 rejestracji związanych z przejazdami pociągów i tła dynamicznego. Opisy zdarzeń i rejestracji zestawiono w tabeli 1 maksymalne wartości amplitud przyśpieszeń (pomiary oznaczone pauza należy uznać jako obarczone błędem). Błąd zarejestrowanych pomiarów wynosi 10%. Graficznie na rys. 2- rys. 10 zwizualizowano pomiar nr 10.

Jako obciążenie budynku przyjęto wszystkie pomiary związane z przejazdem pociągów,

Ze względu na przestrzenny charakter konstrukcji i trudności w wybraniu zastępczego uproszczonego modelu zdecydowano się na analizę budynku jako całości. Przyjęto przestrzenny model (3D – rys.11) zbudowany według zasad metody elementów skończonych (MES). Jako konstrukcyjne przyjęto elementy żelbetowe liniowe (słupy i belki) i powierzchniowe (płyty i ściany) o wymiarach zgodnych z dostarczoną dokumentacją.

Przyjęto też po uzgodnieniach z projektantem branży konstrukcyjnej, iż wszystkie połączenia pomiędzy elementami traktowane są jako monolityczne. Niewyszczególnione w opisie elementy (wymiary i zbrojenie) przyjęto jak w projekcie branży konstrukcyjnej. W odniesieniu do całej konstrukcji przyjęto tłumienie o wartości ułamka tłumienia krytycznego równej 10 %. Grunt zamodelowano elementami bryłowymi.
Sztywności płyt stropowych w budynkach K1i K2 zostały urealnione poprzez uwzględnienie ilości zbrojenia (zgodnie z opisem do projektu budowlanego). Natomiast w przypadku budynków K4 i K5 przyjęto alternatywnie liniowe związki konstytutywne w elementach płytowych lub implementacji analogicznej jak w przypadku budynków K1 i K2 ilości powierzchni zbrojenia przypadającego na 1m2 płyt.
Analizę wpływu drgań na budynek przeprowadzono uwzględniając trzy stadia pracy konstrukcji:
• bez obciążeń wynikłych z wykończeń (macierz mas w modelu obliczeniowym uwzględnia wyłącznie masę samych elementów konstrukcyjnych),
• budynek gotowy, bez obciążeń użytkowych, ale z obciążeniami wynikłymi z wykończeń,
• budynek gotowy, obciążony ciężarem własnym wraz z obciążeniami użytkowymi (w wymiarze normowym, zredukowanym do 40 % wartości charakterystycznych zgodnie z normą PN/B-02170) rozłożonymi równomiernie na danym układzie elementów. Układ elementów w tym ujęciu odpowiadał wydzielonym na danych kondygnacjach płytom, tarczom czy elementom liniowym.
W obliczeniach operowano wartościami charakterystycznymi obciążeń i sił przekrojowych. Wartości obciążeń stałych i zmiennych ustalono na podstawie opisu projektu konstrukcji.

5.1. Wymuszenia
W każdym z wymienionych stadiów pracy jako wymuszenie kinematyczne (drgania podziemnej części budynku) zastosowano przebiegi czasowe przyspieszeń drgań gruntu zarejestrowane podczas badań polowych. Zaimplementowano go gruntu w postaci przyśpieszeń.

5.2. Analiza wpływu drgań na konstrukcję budynku

Z uwagi na zróżnicowanie sił przekrojowych pochodzących od obciążeń dynamicznych wydzielono z konstrukcji grupy elementów przynależne do poszczególnych segmentów konstrukcji. Są to: słupy, ściany, belki, płyty i wsporniki. Obliczono siły przekrojowe w charakterystycznych przekrojach konstrukcji wywołane prognozowanym wymuszeniem kinematycznym. Wyniki zestawiono w tablicach 2 ÷ 6. Ze względu na bardzo dużą liczbę wyników zdecydowano się na ich uproszczenie. W odniesieniu do każdej kondygnacji zestawiono ekstremalne wartości amplitud sił przekrojowych w elementach, w których one wystąpiły, czyli w odniesieniu do:
• słupów są to: siła osiowa – N, siły poprzeczne – Qx i Qy, momenty zginające – Mx i My oraz moment skręcający Ms,
• ścian, tarcz: siła osiowa- N, siła tnąca Q i momenty zginające – Mx i My,
• płyt: siła poprzeczna – Q i momenty zginające – Mx, My, oraz siła N (którą należy traktować jako rozciągającą płytę),
• belek i nadproży : siła poprzeczna – Q i moment zginający – Mx oraz skręcający Ms.
Podane wartości sił przekrojowych wywołanych dynamicznym oddziaływaniem metra na konstrukcję są wartościami charakterystycznymi, do których należy w stanie granicznym nośności stosować współczynnik obciążenia γf = 1,5. Podczas wymiarowania należy je traktować jako dodatkowe siły działające niezależnie od siebie i wchodzące w skład każdej kombinacji obciążeń. Należy również zauważyć, że w wynikach podano ekstremalne wartości amplitud sił przekrojowych, które w kombinacjach należy uwzględnić niezależnie, ze znakami + albo -.
Kondygnacje ponumerowano od -2 do +7, przy czym parterowi nadano numer +1.

5.3. Analiza wpływu drgań na ludzi w budynku

Przeprowadzono również analizy dotyczące oceny wpływu prognozowanych drgań na ludzi w budynku zgodnie z wymaganiami normy PN/B-02171. Wyniki tych analiz w odniesieniu do poszczególnych kondygnacji budynków (przeznaczonych na pobyt ludzi) przedstawiono na rys.12-18. Na rys. 12.a zamieszczono wpływ na ludzi przy założeniu zwiększenia ilości zbrojenia na kondygnacji parteru o 10% w przęsłach i 15% nad podporami (ścianami) i 10% nad parterem nad podporami (ścianami). Na rysunkach zastosowano następujące oznaczenia:
• aZ – prognozowana wartość skuteczna (RMS) przyspieszenia drgań pionowych stropu,
• aXY – prognozowana wartość skuteczna (RMS) przyspieszenia drgań poziomych stropu,
• az – próg odczuwalności przez ludzi drgań w kierunku wzdłuż osi kręgosłupa,
• 1,4az – górny poziom zapewnienia ludziom wymaganego komfortu w pomieszczeniach mieszkalnych w porze nocnej w odniesieniu do drgań w kierunku wzdłuż osi kręgosłupa,
• 4az – górny poziom zapewnienia ludziom wymaganego komfortu w pomieszczeniach mieszkalnych w porze dnia oraz w pomieszczeniach biurowych i handlowo-usługowych niezależnie od pory ich występowania w odniesieniu do drgań w kierunku wzdłuż osi kręgosłupa,
• axy – próg odczuwalności przez ludzi drgań w kierunku poprzecznym do osi kręgosłupa,
• 1,4axy – górny poziom zapewnienia ludziom wymaganego komfortu w pomieszczeniach mieszkalnych w porze nocnej w odniesieniu do drgań w kierunku poprzecznym do osi kręgosłupa,
• 4axy – górny poziom zapewnienia ludziom wymaganego komfortu w pomieszczeniach mieszkalnych w porze dnia oraz w pomieszczeniach biurowych i handlowo-usługowych niezależnie od pory ich występowania w odniesieniu do drgań w kierunku poprzecznym do osi kręgosłupa.

6. Wnioski końcowe i zalecenia konstrukcyjne

Budynki K1 i K2
Przy spełnieniu przedstawionych w opracowaniu założeń i na podstawie wyników obliczeń zestawionych wyżej oraz rezultatów badań dynamicznych można następujące wnioski:
6.1. W obliczeniach statycznych i wymiarowaniu elementów konstrukcji obiektu należy uwzględnić (poza obciążeniami wynikłymi ze zwiększenia ciężaru własnego elementów na skutek zmian ich gabarytów) dodatkowe siły dynamiczne (jako amplitudy o podanych wartościach charakterystycznych) zestawione w punkcie 5.2 niniejszego opracowania (tab. 1÷5). Siły te zostały obliczone po uwzględnieniu zmian konstrukcyjnych zaleconych w punkcie 6.1.
6.2. Z analizy wpływu drgań na ludzi, przy założeniu jako kryterium spełnienia wymagań projektowych, że poziom drgań generowanych przejazdami pociągów nie powinien przekraczać progu komfortu drgań przez ludzi dla pomieszczeń o przeznaczeniu mieszkalnym
6.3. Na kondygnacji pierwszej osiągnięty został próg odczuwalności drgań dla częstotliwości środkowej pasma 80Hz. Współczynnik WODL (PN-B-210170-2016) dla tej częstotliwości wynosi 1.29. Dopuszczalny WODL niezależnie od pory dnia wynosi 1.4 co klasyfikuje obiekt jako taki, który zapewnia komfort przebywania ludzi w pomieszczeniach budynku. Próg komfortu w obiekcie można osiągnąć zwiększając ilość zbrojenia na stropowej na piwnicą i nad parterem w ilości o 10% w przęsłach i 15% nad podporami (ścianami) i 10% nad parterem nad podporami (ścianami)

Budynki K4 i K5

Wnioski jak dla budynków K1 i K2
• przy założeniu braku zarysowania elementów płyty budynki spełniają warunki odczuwalności a zarazem komfortu przebywania w nich ludzi,
• w przypadku zarysowania się płyty przy przyjęciu ilości wkładek zbrojeniowych przypadających na 1mb płyty w każdym z kierunków podobnie jak to zostało zaimplementowane w obiektach K1 i K2 mamy też spełnione warunki odczuwalności a zarazem komfortu przebywania w nich ludzi.

Mniejsza ilość wkładek zbrojeniowych wymagałaby dodatkowych analiz.

W przypadku istotnych zmian w konstrukcji obiektu, dotyczących geometrii, sztywności (np. zbrojenia) lub mas, konieczne jest ponowne przeprowadzenie obliczeń dynamicznych celem sprawdzenia wpływu drgań na budynek i ludzi w nim przebywających.

Opracowali:

Dr inż. Krzysztof Kozioł