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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]
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1 Vorgänge
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Workshop
39. Informationstagung Sprengtechnik
20. April 2017 in Siegen
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.
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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
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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
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1 Vorgänge
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Workshop
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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
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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.
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3 Messung
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3 Messung
Datum Sprengung Messort Art der Messungr m-
genau
Schwingge-
schwindigkeitenFrequenzen
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3 Messung
Schwing-
geschwin-
digkeitmm/s
Gemessene Schwingungskurven
im Fundamentbereich der
Gebäude
Zeit in s
Messung durch Bewegung des
Geophons nicht verwertbar
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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
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3 Messung
Schwingungskurven
verschiedener Quellen der
dynamischen Beanspruchung
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3 Messung
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3 Messung
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3 Messung
Beispiel einer Dehnungsmessung mit dem FBG-Sensor
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3 Messung
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3 Messung
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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!
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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
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4 Auswertung und Nutzen
Statistisch mit
zahlreichen
Messwerten
analysiert
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4 Auswertung und Nutzen
Im Bereich der
höchsten
Lademenge pro
Zündzeitstufe
sind keine
Maximalwerte zu
finden!
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4 Auswertung und Nutzen
Die maximale Lademenge pro Zündzeitstufe bis 1560 kg zeigt keinen Einfluss auf die
Schwinggeschwindigkeit
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Mit der Lademenge pro Zündzeitstufe ist die Regressions-gleichungstatistisch nicht mehr gesichert
Festgebirge: Granulit
4 Auswertung und Nutzen
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4 Auswertung und Nutzen
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4 Auswertung und Nutzen
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4 Auswertung und Nutzen
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4 Auswertung und Nutzen
Bei den
Erschütterungsmessungen mit
46 ms Verzögerungszeit von
elektronischen Zündern traten
resonanzartige Verstärkungen
der Schwinggeschwindigkeit im
Nahbereich auf.
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Festgebirge: Pyroklastit
4 Auswertung und Nutzen
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.
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4 Auswertung und Nutzen
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
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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
4 Auswertung und Nutzen
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4 Auswertung und Nutzen
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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
4 Auswertung und Nutzen
größere Zertrümmerung geringere Erschütterungen
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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
4 Auswertung und Nutzen
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20. April 2017 in Siegen
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)
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• 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.
4 Auswertung und Nutzen
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5 AnhaltswerteGebäude werden oft an-, um- und überbaut
für die Rissbildung von
erheblicher Bedeutung.
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5 Anhaltswerte
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5 Anhaltswerte
Man beachte die Durchbiegungen der
Deckenbalken der Fachwerkhäuser
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Unterschiede der dynamischen Einwirkung von
Erdbeben und Gewinnungssprengungen
5 Anhaltswerte
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Rissbildung zwischen Schornstein
und Haupthaus
horizontaler Schubriss
5 Anhaltswerte
Zugbruch ... Scherbruch 1. Stufe
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20. April 2017 in Siegen
horizontaler, absetziger Decken-
schubriss mit leichten Mörtelabplatzungen
leichte Brüstungsrisse im Obergeschoss
5 Anhaltswerte
Scherbruch 1. Stufe
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20. April 2017 in Siegen
Detail absetziger Rissschäden
Schubriss Decke
verschiedene Rissbildungen
Bewegungsrichtung während
des Erdbebens
5 Anhaltswerte
Scherbruch 2. Stufe
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Wiesenring 2, 04159 Leipzig 44
Workshop
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20. April 2017 in Siegen
durchgehender, treppenartiger Bruch
des Mauerwerkes; belegt durch
Thermogramm
treppenartiger, absetziger, fugenbezogener
Bruch im Mauerwerk
5 Anhaltswerte
Scherbruch 3. Stufe
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Workshop
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5 Anhaltswerte
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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