ניטור רעידות במבנים בהתאם לתקן DIN4150

בישראל אין תקן למדידת רעידות במבנים ולכן רוב המהנדסים מאמצים את התקן הגרמני אשר מקובל גם בעולם. באוקטובר 2015 הופץ להערות הציבור מסמך הצעה ל"תקן ישראלי 412 חלק 2- עומסים דינאמים"  מסמך זה עוסק בין השאר במדידת רעידות במבנים והוא נשען במידה רבה על תקינה גרמנית- אנו מקווים כי התקן יאושר ויפורסם בקרוב ואז יהיה בארץ תקן מחייב (ניתן להוריד בקישור בצד שמאל את המסמך שהופץ לעיון הציבור).

תקן DIN 4150 עוסק בישומים בפועל של מדידת רעידות. חלק 1 של התקן עוסק בהיבטים טכנים, בסוגי חיישנים, בחישובים נדרשים למציאת תדר ומהירות בהתאם לתאוצות וכו- חלק זה נשען על תקן  DIN 45669 וחשוב לוודא כי מכשירי המדידה יהיו תואמים לתקן 45669 זה. 

חלק 2 של תקן 4150 עוסק בהשפעת רעידות על בני אדם, וחלק 3 עוסק בהשפעת רעידות על יציבות מבנים ועל תקינות התשתיות במבנה. במאמר זה ארחיב על חלק 2 וחלק 3 של התקן בקשר לאתרי עבודה ובניה.

תקן DIN 4150 חלק 2- השפעת רעידות במבנים על בני אדם

חלק זה מתמקד בהבטחת נוחותם של האנשים ומניעת הפרעות לפעילות האנושית במבנים. ישנה הבחנה מהותית בין ימי עבודה לימי מנוחה (למשל יום שני מול יום שבת), וכנ"ל בין שעות פעילות ביום לשעות פעילות בלילה (למשל שעה 09:00 אל מול שעה 23:00). חשוב לדעת כי למקור הרעידות יש השפעה גדולה- אין דומה מטרד מפעילות של גנרטור נייח הפועל על גג מבנה 24/7 למיטרד כתוצאה מרכבות חולפות ואין אלו דומים למיטרד מאתר חפירה ודיפון בו מתבצעים עבודות לתקופה קצובה ורק בשעות העבודה. באתרי בניה התקן מגביל עצמו לרעידות המתקיימלתקופה של עד 78 ימים (ימי עבודה בהם מתבצעים רעידות, לא כולל ימים בהם אין עבודה או אין רעידות). אין הכוונה כי התקן אוסר על הרעדה מעבר ל78 ימים אבל נקבע כי יש להתייחב אליה באופן פרטני. סביר שאם העבודות נמשכות יותר מ78 ימים אזי הערכים צריכים להיות מחמירים יותר מהקבוע כאן. 

אז מה קובע התקן לגבני מטרדים לבני אדם?

מודדים את מהירות הרעידות KB באמצעות מדי תאוצה ב3 צירים המקבילים לצירי המבנה, במחזורים של 30 שניות, במהלך היום ובמהלך הלילה- בכל ציר ערך המקסימום יקרא KB(F)max- יש להתייחס לערך הגבוה מבין כל הצירים. אם הרעידות מתקיימות גם בזמני מנוחה יש לחשב ערך KB(FT)r שזה בעצם אותו ערך המבוסס על KB אבל חישובו מחמיר יותר.

ג. טבלה 2 בתקן מגדירה 3 רמות של אי נוחות המחולקות ל3 קבוצות של משכי זמן בימים (קבוצה ראשונה עבודות עד יום אחד, קבוצה שניה עבודות מ6 ימים עד 26 ימים, קבוצה שלישית עבודות מ26 ימים עד 78 ימים. אל תישאלו למה לא קבעו ערכים לתקופה של 2 עד 5 ימים- אני לא יודע, יש לעשות תהליך אינטרפולציה). בכל קבוצה הוגדרו ערכי מינימום (Au), ערכי מקסימום (Ao) וערכי ביניים משוקללים (At).

על המודד להשוות את ערך KB(F)max עם ערכי A המתוארים בטבלה הבאה, לפי התהליך המתואר בדיאגרמה 3 למטה משמאל: רמה 1- הפרעה זניחה לשיגרה- אין בעיה לבצע את העבודות. רמה 2- ניתן לבצע את העבודות אך יש לנקוט בפעולות הכנה פסיכולוגיות כגון הודעה מוקדמת, מינוי נציג אליו ניתן להתקשר, הסבר על מהות העבודות ונחיצותן וכיוצא בזה (בכל זאת מדובר בגרמניה, לא בטוח שבישראל יהיה מי שיקשיב J). רמה 3- לא ניתן לבצע את העבודות אלא לאחר נקיטה של פעולות המתואמות עם הציבור.

מסמך הצעה לתקן ישראלי 412 חלק 2- עומסים דינאמים במבנים

שלב שלישי- מדייסים את המרווח בין הצינור לשרוול המחורץ.

שלב חמישי- חוזרים על הקריאה מידי תקופה לפי הצורך ורגישות הפרויקט.

תוצרי המדידה- גרף המתאר שינויים בין מדידות שונות של הקיר. ניתן ללמוד משינויים אלו היכן יש עומסים חריגים בקיר, האם התזוזות עברו את הרף המותר והאם ישנה סכנה מקיר הדיפון.

סכמה המתארת את מעבר ראש הקריאה בתוך שרוול המדידה. (מימין הגדלה של ראש הקריאה המוקף עיגול)

פריזמה למדידת קרן לייזר אינפרא אדום. אם יהיו תזוזות בקיר אזי הפריזמה תזוז יחד עם הקיר וניתן יהיה לזהות שינויים מהמדידות הקודמות.

ATS

automatic total station

תקן DIN 4150 חלק 3- השפעת רעידות על יציבות מבנים

הערכים החשובים אותם נדרש לנטר הם מהירות ותדר. המהירות מחושבת על ידי נגזרת של התאוצה  (להלן ערך PPV), והתדר מחושב על ידי שימוש באלגוריתם FFT (התמרת פוריה מהירה). אנו במעבדה משתמשים בחיישנים אינטרנטיים המעבירים את המידע הגולמי לשרת מרוחק שם הוא מנותח באופן אוטומטי ומתורגם למהירויות ותדרים.

התקן מתייחס ל2 סוגים של רעידות-

Short term vibration (רעידות קצרות מועד) מוגדרת באופן קצת אמורפי ובתרגום חופשי- "רעידות בתכיפות נמוכה אשר אינן יכולות לגרום להתעייפות ו/או לתהודה במבנה" ("התעייפות" זהו מושג הנדסי המתייחס לנזק מצטבר שנגרם כתוצאה ממאמץ ממושך ולאורך זמן. "תהודה" מתרחשת כאשר תדר הרעידה קרוב לתדר העצמי של המבנה או של אלמנטים מסוימים בו- מצב זה גורם לתנודות המתעצמות עוד ועוד עד לכשל מוחלט). המשמעות של הגדרה אמורפית זו הינה כי לעיתים יהיה צורך באנליזת התעייפות של המבנה וכן צורך במציאת התדר העצמי של המבנה- שתי משימות שאינן פשוטות כלל ועיקר). על כל פנים אפשר להניח כי רעידות המתרחשות מספר פעמים ביום למשך זמן קצר ורעידות המאופיינות בתדרים רחוקים מתדרים עצמיים של מבנים יחשבו כקצרות מועד- למשל פיצוץ סלע במסגרת עבודות פיתוח קרקע, הפלת משקולת בעת הריסת מבנים, הפלת משקולת בעת חפירה, הפלת מסה גדולה על הקרקע באירוע חד פעמי.

long term vibration (רעידות ארוכות מועד) מוגדרות ככל רעידה אחרת שאיננה "קצרת מועד" כפי שנזכר בסעיף הקודם. אפשר להניח כי רוב העבודות באתרי בניה יחשבו כאלה- שימוש בפטישי חציבה, שימוש במכבש לעבודות הידוק, קידוחי כלונסאות (במיוחד עם הקידוח פוגע בברזל ישן הטמון בקרקע ואז נוצרים רעידות חזקות), קידוחי עוגנים, כריית מנהרות באמצעות TBM, מכונות הרעדה כגון ויברטורים, משאבות, מנופים, מעליות זמניות, גנרטורים או מנועים חזקים (במיוחד בעת התנעה וכיבוי- עלולה להיגרם תהודה). על המהנדס להגדיר למעבדה את סוג הרעידות הדרוש לניטור (האמת כי בדרך כלל ולמען הסר ספק יבקשו רוב המהנדסים לנטר את שתי סוגי הרעידות- כל אחת לפי הפרמטרים הקבועים לה כפי שנראה מייד).

ברעידות הנגרמות ממקורות אחרים שאינן אתרי בניה יש להשתמש בטבלה 1 הכללית (משמאל)  ולהשתמש גם כן באותה דיאגרמה תהליכית כפי שמופיעה משמאל למטה (אני לא אפרט כאן על השימוש בטבלה זו אך נציג אותה בכל זאת):

ניקח דוגמא- אתר בניה מבצע עבודות חציבה בסלעים במסגרת עבודות פיתוח שטח בשכונת ורדיה בחיפה... העבודות צפויות להתבצע 20 ימים. עם תחילת העבודות בוצע ניטור במספר מבנים קרובים ובכמה דירות בגבהים שונים ונמצאו ערכי המהירויות הבאים:

KB(F)max=1.4 

 KB(FT)r=0.46

נעבוד לפי התרשים משמאל: האם הערך KB(F)max קטן מ(A(u? לא. האם הערך קטן מ(A(o? כן. האם מדובר באירוע קצר שאינו שכיח (אירוע כזה מוגדר כעד 3 אירועים ביום)? לא... ובכן עלינו לבדוק את ערך KB(FT)r והוא יחרוץ את הגורל... מדדנו ערך ששווה 0.46 ולכן המיקום שלנו בטבלה הינו LEVEL 2 עמודה 6. המשמעות- אנו יכולים לבצע עבודות הרעדה אך עלינו להסביר לציבור מראש במה מדובר- כמה זמן הרעידות יורגשו, להרגיע את מי שצריך, למנות נציג לתקשורת עם הציבור וכו... אבל כן- אפשר לבצע את החפירה. לעומת זאת אם היינו מודדים ערך KB(FT)r=1.12 היינו נמצאים בLEVEL 3 עמודה 6 ואז אסור לבצע את העבודות מבלי סידורים מתאימים לאוכלוסיה.

צריך לדעת כי סך הכל התקן מאפשר הרבה מרחב לקבלנים- הערכים שנקבעו הינם ערכים גבוהים יחסית ולא כל עבודת עפר של קידוח כלונסאות או חציבה בסלע חורגת מהם. בקרקעות עם חול ואדמה רכה הרעידות שוכחות במרחקים קצרים מאוד בייחס לאתרים על סלע או על אדמות קשות.

דיאגרמה 3-  תיאור תהליך אבחון רעידות- יש לקרוא אותה יחד עם טבלאות 1 או 2.

מדידת רעידות מסוג SHORT TERM VIBRATION

זכרו כי סוג מדידות זה מתאים לפיצוצים, נפילת מאסה, והרס מבנים באופן של רעידות אשר אינן יוצרות תהודה ואינן מתרחשות באופן תדיר מספיק כדי לגרום להתעיפות המבנה או חלקים ממנו. 

הטבלה הבאה מציגה ערכי מהירות מותרים בהתאם לסוג המבנה למיקום החיישנים ולתדר הרעידות. בעמודה השמאלית יש חלוקה ל3 סוגי מבנים - א. תעשיה ומסחר, ב. מגורים  או משרדים, ג. מבנים רגישים כגון מבנים עתיקים (ראו עמודה צבועה באדום). אם המדידה מתבצעת ביסודות או בקומה אפס אזי יש להתחשב בתדרים שנמדדו (העמודות הצבועות בצהוב), ואילו אם המדידה מתקיימת בתקרה העליונה ביותר אזי יש להתחשב בערכי המהירות המופיעים בעמודה הצבועה בכחול- ללא התייחסות לתדר הרעידות. מסובך קצת... ביטוי ויזואלי לטבלה זו אפשר לראות בגרפים משמאל- הגרף האדום מתאים למבני תעשיה, הגרף הצהוב למבנה מגורים, והגרף הירוק למבנים רגישים.

מדידת רעידות מסוג SHORT TERM VIBRATION

זכרו כי סוג מדידות זה מתאים לפיצוצים, נפילת מאסה, והרס מבנים באופן של רעידות אשר אינן יוצרות תהודה ואינן מתרחשות באופן תדיר מספיק כדי לגרום להתעיפות המבנה או חלקים ממנו. 

התקן מגדיר 3 סוגי מבנים - לכל סוג יש ערכי סף שהם פונקציה של תדר ומהירות. ראו את הטבלה הבאה: