Workshop: Erschütterungen – eine Nebenwirkung von …...Apr 20, 2017 · Informationstagung...

Geotechnisches Sachverständigenbüro Dr. Müller

Movement and Blasting Consulting

Wiesenring 2, 04159 Leipzig 1

Workshop

39. Informationstagung Sprengtechnik

20. April 2017 in Siegen

Dr. Ing. habil. Bernd Müller

Dipl.-Geophys. Uwe Pippig

- Geotechnisches Sachverständigenbüro

Dr. Müller, Leipzig

Workshop: Erschütterungen – eine Nebenwirkung von Sprengungen

1 Welche Beeinflussungen und Vorgänge

werden um die „Quelle“ Sprengung

ausgelöst [Vorgänge]

2 Wie definieren wir Sprengerschütterungen?

[Definition]

3 Was, wie und wo wird fehlerarm gemessen?

[Messung]

4 Wie werden die Messergebnisse der

Erschütterungen bewertet und welchen

Nutzen für die Beurteilungen des

Sprengergebnisses enthalten die

Messwerte? [Auswertung und Nutzen]

5 Bei welcher Größenordnung schädigen

Sprengerschütterungen Gebäude und

Anlagen [Anhaltswerte]




Workshop



1 Vorgänge




Workshop



1 VorgängeDehnung ppv Verformung εlt

Zusammenhang zwischen Schwinggeschwindigkeit und

Dehnung (Maximalwerte) - Messergebnisse aus drei

Tagebauen: Großsteinberg, Koschenberg und Oßling

Die ermittelte bleibende Verformung εlt bei den Dehnungssensoren in Beziehung zur Entfernung r von

der maximalen Sprengladung zum Messpunkt; die rot

markierte 1 µm/m Linie ist der festgelegte Grenzbereich

Die Abgrenzung der Zonen wurde auf der Basis von zahlreichen Erschütterungsmessungen vorgenommen.




Workshop



Messungen der Rissöffnung durch Erschütterungen

1 Vorgänge

Rissöffnungen von 0,01 – 0,10 mm bei Sprengeinwirkung an einem Wohnhaus

Messungen mit einem Riss-Sensor und 3-Komponenten-Geophon < 150 m vom Tagebau entfernt




Workshop



Die Rayleigh-Wellen sind die entscheidenden mechanischen Wellen für die

Ausbreitung und Messung von Erschütterungen.

Wenn Longitudinalwellen (P-) und vertikal polarisierte Transversalwellen (S-) interferieren, entstehen Rayleigh-Wellen mit einer rückläufig elliptischen Bahn der Partikelbewegung. (Lord Rayleigh 1885)

1 Vorgänge




Workshop



1 Vorgänge




Workshop



1 Vorgänge

In wassergesättigten

Lockergesteinen, im

Wasser sowie in der

Luft entstehen keine

S-Wellen und somit

bilden sich in diesen

Medien keine R-Wellen.

Derartige Verhältnisse

erfordern eine gesonderte

Erschütterungsbewertung

Die Größe der

Rayleigh-Wellen

in den Gesteinen

Beziehung zwischen P- und R-Wellengeschwindigkeiten verschiedener Gesteine




Workshop



2 Definition

In der DIN 4150, Teil 1 heißt es:

„Erschütterungen – Mechanische Schwingungen fester Körper mit potentiell

schädigender oder belästigender Wirkung“

Vorschlag einer physikalischen Definition:

Erschütterungen sind mechanische Schwingungsanregungen, die durch

verschiedene natürliche oder anthropogene Quellen im

Baugrund/Untergrund hervorgerufen werden und sich dreidimensional in der

x, y und z Ebene als P-(Longitudinal-, Druck- oder Primär-) Wellen, S-

(Transversal-, Scher- oder Sekundär-) Wellen sowie insbesondere

oberflächennah als Rayleigh-Wellen ausbreiten.

Bei Messungen müssen die verschiedenen Schwingungsebenen als x-, y-

und z-Komponenten beachtet werden.




Workshop



3 Messung




Workshop



3 Messung

Datum Sprengung Messort Art der Messungr m-

genau

Schwingge-

schwindigkeitenFrequenzen




Workshop



3 Messung

Schwing-

geschwin-

digkeitmm/s

Gemessene Schwingungskurven

im Fundamentbereich der

Gebäude

Zeit in s

Messung durch Bewegung des

Geophons nicht verwertbar




Workshop



Time [ms]

1.8001.6001.4001.2001.0008006004002000

Velo

city

[m

m/s

]

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7

-8

-9

Frequency [Hz]

28026024022020018016014012010080604020

Magnitu

de

0,3

0,28

0,26

0,24

0,22

0,2

0,18

0,16

0,14

0,12

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

0

Messstelle: Server 1Entfernung: 21,2 m

Schwinggeschwindigkeit:

Kanal 1 (x-Komponente): 9,75 mm/s

Frequenz:

Kanal 1 (x-Komponente): 90,9 Hz

3 Messung

Moderne Messgeräte haben

eine hohe Auflösung der

Komponenten und weisen eine

Frequenzanalyse aus.

Erschütterungsmessungen zur Sprengung am 25. 08. 2009; 18:30 Uhr in Clausthal-Zellerfeld, „Pulverhaus“, Stollen Dorotheer Rösche




Workshop



3 Messung

Schwingungskurven

verschiedener Quellen der

dynamischen Beanspruchung




Workshop



3 Messung




Workshop



3 Messung

Beispiel einer Dehnungsmessung mit dem FBG-Sensor




Workshop



3 Messung




Workshop



3 Messung

Ausschnitt aus dem Tagebauriss mit dem Trinkwasserhochbehälter, der Lage der Erdgasleitung und einem Teil der messtechnisch begleiteten Gewinnungssprengungen

Die Entfernungen in den Tagebauen

ändern sich ständig!




Workshop



4 Auswertung und Nutzen

mn

dBmax0r

r*c*W*kppv

=

−

mn

dsSBmax

0r

r*

4

²c***V*kppv

ρξ=

−

Stark vereinfachte Prognose-BeziehungObjektive, physikalisch begründete

Prognose-Beziehungen

Problem in der Praxis: Es gibt verschiedene Beziehungen

Lz

k´, n´, m´

ohne Sprengstoff

''

max

0

**'

mn

Zr

rLkppv

=

−

r r

WB, VSB

cd

ρs

ξ




Workshop




Statistisch mit

zahlreichen

Messwerten

analysiert




Workshop




Im Bereich der

höchsten

Lademenge pro

Zündzeitstufe

sind keine

Maximalwerte zu

finden!




Workshop




Die maximale Lademenge pro Zündzeitstufe bis 1560 kg zeigt keinen Einfluss auf die

Schwinggeschwindigkeit




Workshop



Mit der Lademenge pro Zündzeitstufe ist die Regressions-gleichungstatistisch nicht mehr gesichert

Festgebirge: Granulit





Workshop







Workshop




Bei den

Erschütterungsmessungen mit

46 ms Verzögerungszeit von

elektronischen Zündern traten

resonanzartige Verstärkungen

der Schwinggeschwindigkeit im

Nahbereich auf.




Workshop



Festgebirge: Pyroklastit


Erst durch die Einbeziehung der fiktiven

Energie sind die Zusammenhänge

statistisch gesichert nachzuweisen.

In diesem Fall ist die Beziehung zwischen ppvmax und r statistisch nicht gesichert.

Mit der erarbeiteten Prognose-Beziehung und den darin enthaltenen Einflussfaktoren

ist eine objektive Begutachtung möglich.




Workshop




ppvmax WB

cd

r

Mehrfach-

korrelation

Beispiel einer statistischen Auswertung der Erschütterungsmessungen im Schwinggeschwindigkeits-Abstandsdiagramm (Basalt-Tagebau Unter-Widdersheim)

Beispiel der multiplen Regressionsanalyse unter Verwendung des Exponenten -1.8847 vom Bild links für die fiktive Impuls-Abstandsbeziehung




Workshop



Die empfohlenen fiktiven Energie-/Impuls-Abstandsbeziehungen gelten für Gewinnungssprengungen über- und untertage.

Fiktive Energie-Abstandsbeziehung im KarbonatgesteinDie Verwendung von gepumptem statt patroniertem Emulsionssprengstoff verbessert die Zertrümmerungund verringert die Erschütterungen bei gleicher fiktiver Energie.

Fiktive Energie-Abstandsbeziehung von3-D-Sprengungen beim Tunnelvortrieb in Karbonatgesteinen.

über Tage

unter Tage





Workshop







Workshop



Durch die simultane Zündung wird der

gezündete Bohrlochabstand vergrößert

und die gezündete Vorgabe verkleinert.

größeres Seitenverhältnis

verbessert die Zertrümmerung ohne

den Bohraufwand zu erhöhen.

Beispiel einer redundanten, simultanen nichtelektrischen Zündfolge mit

Vergrößerung des gezündeten Seitenverhältnisses von 1 auf 7,65

Beispiel eines Zündschemas mit

redundanter elektronischer,

simultaner Zündfolge und erheblicher

Vergrößerung des gezündeten

Seitenverhältnisses.

''

w

a B


größere Zertrümmerung geringere Erschütterungen




Workshop



Die Vergrößerung der Sprenganlagen

verringert die Umwelteinwirkungen- weniger Sprengungen - weniger Belästigungen! -

Haufwerk liegt mittig

Beispiel des Zündschemas einer 5-Reihensprengung mit nichtelektrischen Zündern; linke

Seite 25 ms oberflächenverzögert und re. Seite 42 ms nachfolgend bei mittigem Einbruch.

vorher:Sprengungtäglich/alle 2 Tage

nachher:Sprengungalle zwei bis drei Wochen

Vergleich der Einzellochzündung von 20 Bohrlöchern mit der

simultanen Zündung von 107 Bohrlöchern (nichtelektrisch).

- Metagrauwacke -

orange: Beginn der Gasdruckwirkung;

gelb: durchdetonierter Teil nach 300 ms





Workshop



4 Auswertung und NutzenSimultane, progressive Zündfolge bewirkte

geringe Erschütterungen und hohe

Frequenzen (~100 Hz) im Vortrieb des

Zierenberger Tunnels

Beispiel einer Schwinggeschwindigkeitsmessung zu

einer Sprengung in der Kalotte – Standort im neuen

Tunnel (ppvmax = 20,8 mm/s; Frequenz 98,9 Hz)

Zündfolge im Bereich der Kalotte mit spiralförmigem

Einbruch sowie Nutzung der simultanen Zündung im

Hilfslochbereich (Zahlen = Zeitstufen der nichtelektrischen Zünder im Bohrlochtiefsten)




Workshop



• Erschütterungen werden überwiegend durch Rayleigh-Wellen erzeugt.

• Die Lademenge oder das Ladevolumen eines Bohrloches und die Art des

Sprengstoffes bewirken die Erschütterungen.

• Die Lademenge pro Zündzeitstufe kann wegen der sonischen Effekte und des

vornehmlichen Charakters der R-Wellen nicht als Einflußfaktor für die

Erschütterungsprognosen gelten.





Workshop



5 AnhaltswerteGebäude werden oft an-, um- und überbaut

für die Rissbildung von

erheblicher Bedeutung.




Workshop



5 Anhaltswerte




Workshop



5 Anhaltswerte

Man beachte die Durchbiegungen der

Deckenbalken der Fachwerkhäuser




Workshop



Unterschiede der dynamischen Einwirkung von

Erdbeben und Gewinnungssprengungen

5 Anhaltswerte




Workshop



Rissbildung zwischen Schornstein

und Haupthaus

horizontaler Schubriss

5 Anhaltswerte

Zugbruch ... Scherbruch 1. Stufe




Workshop



horizontaler, absetziger Decken-

schubriss mit leichten Mörtelabplatzungen

leichte Brüstungsrisse im Obergeschoss

5 Anhaltswerte

Scherbruch 1. Stufe




Workshop



Detail absetziger Rissschäden

Schubriss Decke

verschiedene Rissbildungen

Bewegungsrichtung während

des Erdbebens

5 Anhaltswerte

Scherbruch 2. Stufe




Workshop



durchgehender, treppenartiger Bruch

des Mauerwerkes; belegt durch

Thermogramm

treppenartiger, absetziger, fugenbezogener

Bruch im Mauerwerk

5 Anhaltswerte

Scherbruch 3. Stufe




Workshop



5 Anhaltswerte




Workshop



Begründbare,

zulässige Anhaltswerteder Schwinggeschwindigkeit viund Frequenz

der Dehnung/Stauchung εmax

Zur Beurteilung der Wirkung von kurzzeitigen Sprengungen (≤ 2 s) über und unter Tage auf Gebäude und Bauwerke.

5 Anhaltswerte

Date post:	26-Jan-2021
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