Vibrace jsou všudypřítomným jevem, který může mít významný dopad na stavební konstrukce, stroje a lidské zdraví. Zdrojem vibrací, které se šíří podložím do základů budov, jsou často dynamické účinky pohybu vozidel po pozemních nebo podzemních komunikacích. Tyto dynamické účinky se obvykle označují jako technická seismicita od povrchové nebo podpovrchové dopravy. Kromě dopravy mohou být zdrojem vibrací i výrobní a jiné provozy, stavební práce jako vrtání pilot, demolice nebo zemní práce, a také technická zařízení v budovách, jako jsou výtahy, výměníkové stanice, kotelny a vzduchotechnika.
V řadě případů může být přenos vibrací od dopravy do konstrukce budov usnadněn bezprostředním kontaktem konstrukce vozovky nebo tunelové roury se základy budovy a navazujícími zdmi objektu. Kontakt zdroje s ohroženou konstrukcí může rovněž zprostředkovat vysoká hladina spodní vody, promrzlé vrstvy terénu v zimním období, propojení základů ohrožené konstrukce i tunelové konstrukce se skalním podkladem, nepoužívané starší základy nebo jiné stavby v podloží, potrubní soustavy v podloží, případně skalní podklad v malých hloubkách pod povrchem terénu.
Charakteristika vibrací a jejich šíření
Charakter vibrací od dopravy je závislý zejména na hmotnosti vozidla, rychlosti a způsobu jízdy vozidla, na směru pohybu vozidla (po přímce nebo v oblouku, po rovině nebo ve svahu), na brždění nebo zrychlování vozidla. Dalším parametrem je "rovinnost" jízdní dráhy, ať již kvalita povrchu silniční vozovky nebo směrové a výškové vyrovnání kolejové dráhy, způsob upevnění kolejnic, skladba podkladních vrstev vozovky apod. Kromě parametrů vibrací ve zdroji má na velikost vibrací vliv složení prostředí na cestě od zdroje k ohrožené konstrukci budovy, tedy zvláště skladba geologického prostředí a jeho mechanické vlastnosti jako je tuhost, rychlost šíření vlnění, útlum se vzdáleností apod. Konečně pak může velikost vibrací z podloží zesílit nebo utlumit provedení vlastní konstrukce budovy a způsob jejího založení, zejména pak frekvenční naladění ohrožené konstrukce.
Měření vibrací
Právě pro řadu vlivů, které se podílejí na úrovni vibrací v místě stavební konstrukce, je pro rozvahy o snížení úrovně vibrací na přípustnou míru vhodné provést jejich měření. Měření lze realizovat buď na hotové konstrukci nebo v případě její předpokládané výstavby na úrovni základové spáry, nejlépe v sondách v blízkosti ohrožené konstrukce nebo v blízkosti zdroje vibrací, tedy na konstrukci vozovky nebo konstrukci metra, železnice, tramvajového tělesa apod. Naměřené vibrace pak lze využít pro kvalitnější analýzu odezvy celé konstrukce ohroženého objektu nebo jen jeho částí a návrh opatření ke snížení vibrací.
Typy měření vibrací
- Měření vibrací staveb: Zjišťuje se vliv technické seismicity na konstrukce budov nebo halových konstrukcí. Měření může být dlouhodobé pomocí geofonů nebo krátkodobé analýzy tříosých vibrací.
- Měření vibrací působících na člověka: Sledován je vliv celkových vibrací na zdraví člověka nebo na ruce člověka. K vibracím dochází při práci s ručním náčiním, při řízení dopravních prostředků nebo mechanizovaných strojů.
- Měření vibrací za účelem identifikace jejich zdroje: Využívá se frekvenční analýza, křížová spektra, frekvenční a časové přenosové funkce, multispektra a speciální diagnostické metody.
- Měření vibrací s cílem zjištění technického stavu zařízení (vibrodiagnostika): Kmitání (vibrace, chvění) stroje je velmi citlivým ukazatelem namáhání, technického stavu stroje a jeho funkce. Vibrodiagnostika představuje současný obor technické diagnostiky, který pomáhá v péči o veškeré stroje a jejich mechanické části.
Parametry měření vibrací
Pohyb lze v mechanice popsat dráhou (výchylkou), rychlostí nebo zrychlením, přičemž tyto veličiny jsou navzájem vázány matematickými vztahy a jsou tedy vzájemně přepočítatelné.
Čtěte také: Metody měření vlhkosti betonu
- Pro běžná měření v rozsahu frekvencí 10 Hz až 1000 Hz se používá jako měřená veličina rychlost.
- Pro vyšší frekvence má přednost zrychlení.
- Pro nižší frekvence se měří výchylka.
Rychlost vibrací je nejvýhodnějším parametrem chvění pro diagnostické účely opotřebení pravidelně rotujících částí (pohonů, motorů, větráků apod.). Frekvenční rozsah kontaktních měření vibrací je od 0,1 Hz do 25 kHz. Amplitudový rozsah je shora limitován v řádech 50.000 g. Kontaktní měření vibrací můžeme provádět i na lehkých objektech již od cca 15 gramů.
Snímače vibrací
Obecné blokové schéma snímačů a měřicích zařízení pro diagnostiku a vyhodnocení vibrací zahrnuje různé typy snímačů.
Snímače výchylky (polohy, posunutí)
Lze je obecně sestavit na principu indukčním, indukčnostním, kapacitním, magnetickém nebo optickém. Ve vibrodiagnostice se v současné době nejčastěji používají snímače indukčnostní, které využívají závislost indukčnosti cívky na proudové hustotě vířivých proudů.
Snímače rychlosti
V dřívějších dobách byly obvykle principiálně založeny na měření kmitavých pohybů měřicí cívky, která se pohybuje v magnetickém poli permanentního magnetu tvořícího seizmickou hmotu snímače. V cívce se při kmitavém pohybu ze sledovaného objektu indukuje elektromotorická síla úměrná rychlosti vibrací. Z důvodu velkého množství mechanických částí se dnes již moc nepoužívají a byly nahrazeny snímači zrychlení, kde se signál zrychlení jen přepočítá na rychlost.
Snímače zrychlení (akcelerometry)
Dnes ve vibrodiagnostické praxi velmi výrazně převažují. Obecně se v praxi nejčastěji používají snímače zrychlení využívající ke snímání pohybu seizmické hmoty.
Čtěte také: Metody měření vlhkosti betonu
- Piezoelektrické akcelerometry: Jsou založeny na piezoelektrickém jevu a velmi často řešeny se smykovým namáháním piezokrystalu. Vyznačují se dobrou citlivostí, malou hmotností a vysokou vlastní frekvencí.
- Kapacitní elektromechanické MEMS akcelerometry: Jsou masivně využívány posledních cca 10 let a jsou založeny na měření kmitání / vychýlení mikrometrové mechanické soustavy pomocí změny kapacity pohyblivých elektrod vůči pevným elektrodám.
- Piezorezistivní snímače: Lze je také vyrobit jako integrované MEMS technologií a obvykle slouží k měření amplitudy zrychlení, pracují v podrezonanční oblasti a jejich frekvenční a dynamický rozsah je poměrně široký.
Uchycení snímačů
Jednou z významných problémových oblastí, a tedy i následně zdrojem nejistot, je uchycení snímačů ke sledovanému objektu. Způsob upevnění snímače má vliv především na frekvenční rozsah, v němž je možné vibrace měřit. Nejmenšího ovlivnění frekvenční charakteristiky a maximálního využití frekvenčního rozsahu lze dosáhnout při upevnění snímačů závrtnými šrouby, popř. ještě vylepšeném tenkou vrstvou silikonové vazelíny mezi styčnými plochami. Velmi dobrého frekvenčního rozsahu se dosahuje také při připevnění speciálními lepidly nebo včelím voskem. Nejproblémovější jsou snímače s ručním hrotem nebo magnetickou příchytkou, které však mají svůj nezastupitelný význam při hledání vhodného měřicího místa.
Vibrodiagnostika
Vibrodiagnostika je zpracování vibračních signálů pro účely technické diagnostiky. Hodnocením vibračních signálů, nejčastěji ve formě zrychlení, je možné identifikovat běžná poškození strojů, jako jsou například nevývaha, nesouosost, problémy s ložisky, problémy s ozubením, uvolnění, problémy elektromotorů, obecných pohonů a další. Metoda PTK (provozní tvary kmitů) je použitelná všude, kde stroj nelze zastavit a je třeba určit možný zdroj vibrací. Provozní tvary kmitů zobrazují pohyb měřeného objektu na požadované frekvenci nebo řádu (násobku otáček). Provozní tvary kmitů jsou měřeny při běžném provozu měřeného stroje a pro měření není nutné stroj odstavovat.
Opatření ke snížení vibrací
Pro snížení přenosu vibrací do chráněné konstrukce je možné provádět opatření ve zdroji, na cestě od zdroje ke chráněné konstrukci a konečně uvnitř nebo v základové části chráněné konstrukce.
Opatření ve zdroji
Provádět opatření ve zdroji, tedy například použít pryžové nákolky u vozidel metra (jako v Paříži) nebo ukládat celou kolejovou dráhu pružně (jako v Miláně nebo na zkušebních úsecích v Praze na Kačerově), zpravidla projektanti běžných objektů nemohou ovlivnit.
Opatření na cestě od zdroje k chráněné konstrukci
Přenos vibrací na cestě od zdroje ke chráněnému objektu lze přerušit, například budováním podzemních stínících stěn s vloženými dynamickými filtry, které zčásti sníží přenos vibrací. V Praze byl tento způsob použit při návrhu založení nemocnice v Praze 9 na perlitových matracích nad tunelovými úseky metra. Efektivnost tohoto řešení je zejména závislá na úrovni spodní vody v podzákladí a na jejím složení. Pro vysokou hladinu spodní vody je tento způsob neefektivní, pokud se neprovedou opatření k výraznému snížení hladiny spodní vody vhodným odvodněním.
Čtěte také: Práce projektanta ve Znojmě
Opatření v konstrukci budovy
Efektivním způsobem pro snížení úrovně vibrací chráněné konstrukce je pružné založení konstrukce jako celku vůči její základové konstrukci (desce, vaně apod.). Toto odpružení bývá realizováno osazením celé konstrukce na pružiny, ať již ocelové, pryžové nebo korkové. Pokud není nutné chránit před vibracemi celou konstrukci, je možné provést odpružení jen pro její vybranou část, jako jsou koncertní sály, kina, divadla, studiové prostory rozhlasu a televize, byty apod.
Pryžové a korkové odpružení
Při použití pryží, korku a jim podobných hmot se zpravidla umísťují tyto pružné prvky na úrovni základové desky. Nosná konstrukce budovy je pak osazena na těchto pružných prvcích prostřednictvím dostatečně širokých patek pod nosným skeletem, trámových roštů nebo další desky. Principem je důsledné oddělení horní konstrukce od základové konstrukce pomocí této pryžové vrstvy. Nevýhodou tohoto řešení je zpravidla nepřístupnost pryže v průběhu života konstrukce a tedy obtížnost nebo nemožnost její výměny, dále je nevýhodou změna vlastností pryže v důsledku jejího stárnutí.
Ocelové vinuté pružiny
Velmi efektivní je použití ocelových vinutých pružin pro provedení odpružení. Jeden z nejznámějších výrobců vinutých pružin, firma Gerb Berlin, umisťuje vinuté pružiny do bloků, které jsou spolu vzájemně spojeny a lze je na stavbě osazovat jako celek. Pro zvýšení tlumení mohou být pružinové bloky vybaveny integrovanými nebo samostatnými viskózními tlumiči a nebo, v levnější variantě, jsou vlastní pružiny povlakovány pryží. Výhodou pružinových bloků je možnost jejich dodatečné výměny za měkčí nebo tužší, případně upravit tlumení při rekonstrukcích, přestavbách objektu, při změně zatížení nebo užívání objektu. Dále lze pružinové bloky v konstrukci objektu osadit až ve fázi dokončování stavby objektu podle skutečné úrovně kmitání objektu, nebo při dolaďování vlastností konstrukce.
Praktický příklad snížení vibrací v budově
Na příkladu vícepodlažní železobetonové budovy je řešen přenos vibrací z okolního základového prostředí do vlastní konstrukce. Budova je založena na velkoprůměrových pilotách, vzájemně provázaných výztuží se spodní základovou deskou. Na této desce bylo navrženo umístění antivibrační vrstvy pryže značky Belar. Na pryži je osazena horní základová deska, do které je vetknuta skeletová monolitická konstrukce budovy. Pružná pryžová vrstva tedy důsledně odděluje spodní a horní část základové desky. Obdobně bylo provedeno odpružení spodní a horní části samostatných základových patek (vodorovnými vrstvami pryže) a dále všechny svislé konstrukční prvky pod úrovní terénu od okolního prostředí (vrstvy pryže podél sloupových prostupů zeminou nebo obvodových stěn pod úrovní terénu).
Při modelování konstrukce byla respektována jednotlivá podlaží v členění na stropní, základové a střešní desky, sloupy, nosné stěny a obvodové a vnitřní průvlaky. Pryžová vrstva, sestavená z různých typů pryže, byla umístěna pod celou plochou horní částí dvojité základové desky. Pro analyzovanou budovu byl proveden výpočet vynuceného kmitání při neharmonickém buzení vibracemi od provozu metra. Byly stanoveny časové průběhy vynuceného kmitání po celou dobu trvání budicího signálu, a to pro vybrané prvky na konstrukci na jednotlivých podlažích. Z vypočtených časových průběhů kmitání je zřejmé, že buzení od provozu metra se projevuje zejména v nejnižším podlaží jako impuls; nejvíce kmitající místa jsou v blízkosti sloupů a části konstrukce prostorově situované ke zdroji.
S rostoucí výškou podlaží se tento způsob buzení projeví zakmitáním objektu na některé z vlastních frekvencí konstrukce. Výraznější vliv zakmitání je však omezen většinou jen na nejnižší dvě až tři podlaží. Z porovnání výpočtů pro danou konstrukci při vertikálním versus horizontálním buzení je zřejmé, že úroveň horizontálního buzení je nižší než vertikálního buzení, podle měření přibližně poloviční. Vibrace naměřené při výstavbě objektu na hlavách pilot, odpovídající buzení od provozu vlaků metra, dosahovaly maximálních výkmitů zrychlení až 690 mm/s2 ve frekvenční oblasti od 32 do 40 Hz. Odpružením budovy jako celku se přesunuly dominantní vibrace budovy do oblasti nejnižších vlastních frekvencí kmitání objektu jako celku. Pro frekvence naladění odpružení do 5 Hz je prognóza maximálního efektivního zrychlení aef ≈ 4,9 mm/s2.
Normy a předpisy
Posouzení vibrací podlah vzhledem k osobám pracujícím, pobývajícím nebo bydlícím v objektu je předepsáno podle mezinárodních a současně i českých norem ČSN ISO 2631 a také v Nařízení vlády č. 502/2000, které odpovídají platným hygienickým předpisům u nás.
Důležité normy a předpisy zahrnují:
- ČSN 73 0040: Zatížení stavebních objektů technickou seizmicitou a jejich odezva.
- Nařízení vlády č. 272/2011: O ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací.
- ČSN ISO 10816: Hodnocení strojů podle vibrací na základě měření v pásmu 10 Hz až 1000 Hz.
- Nařízení vlády č. 217/2016 Sb.: Pro měření vibrací přenášených z pracovního nářadí nebo zařízení na člověka.
- Nařízení vlády č. 176/2008 Sb.: O technických požadavcích na strojní zařízení.
Hluk a vibrace spolu úzce souvisejí, respektive hluk je ve své podstatě způsoben vibracemi stavebních konstrukcí. Proto je důležité při návrhu budov do území se zdrojem vibrací, typicky blízko tubusů metra, železnice nebo významné komunikace, tyto vibrace měřit a kvantifikovat. Na základě zjištěných deskriptorů vibrací lze predikovat hlukové ukazatele v budově a v případě zvýšených požadavků na ticho navrhnout příslušná opatření.
tags: #vse #o #mereni #vibraci #staveb