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54. Jahrestagung für Sicherheit im Bergbau, Mauterndorf im Lungau, 11. bis 13. Juni 2014

Rolf Schillinger.2014 Seite 1 von 13

Die bauwerksbezogene Wahrnehmungsstärke von Erschütterungen und ihre Bedeutung für die Sprengarbeit.

Human Response to Structure-Related Perception Strength of Vibration and its Significance to Blasting Works.

Rolf R. Schillinger, ICEM Interdisciplinary Consultancy and Environmental Management, Augsburg, Germany

Email: [email protected]

ZUSAMMENFASSUNG

Umwelteinwirkungen durch Immissionen, im folgenden Sprengerschütterungen, die nach Art, Ausmaß oder Dauer geeignet sind, Gefahren bzw. erhebliche Nachteile oder erhebliche Belästigungen für die Allgemeinheit oder die Nachbarschaft herbeizuführen, sind zu vermeiden bzw. auf ein erträgliches Maß zu reduzieren. Soweit Erschütterungen auf Menschen in Gebäuden einwirken, sind die grundle-genden Anforderungen der Internationalen Norm ISO 2631 sowie anderer nationaler Normen (wie z.B. DIN 4150, ÖNORM S 9012, BS 6472 usw.), einzuhalten. Die Normen konkretisieren die Hinweise zur Messung, Beurteilung und Verminderung von Erschütterungseinwirkungen. Die Grundlagen, Messverfahren und Beurteilungen werden nachfolgend genauer dargelegt.

Detrimental effects on the environment by immissions in the following blast vibrations, which by a cer-tain extent or duration cause hazards or extensive annoyance or an extensive detriment for the gen-eral public respectively the neighborhood have to be avoided or reduced to a tolerable level. As far as blast vibrations affect people in buildings, it has to adhere to the basic requirements that are described in the International Standard ISO 2631, and in numerous national standards (such as DIN 4150, ÖNORM S 9012, BS 6472 etc.). The standards concretized references for measurement, evaluation, and reduction of vibration influences. In the following the basics, measurement methods, and evalua-tion are described in detail.

GRUNDSÄTZLICHES ZUR INTERNATIONALEN NORM ISO 2631

In den letzten Jahrzehnten war für viele Normungen der ISO-Standard 2631 aus dem Jahre1985 bzw. 1989 wegweisend. Er hat 1997 [8] bzw. 2003 [9] eine stark überarbeitete Neufassung erfahren. Dieser ISO 2631 besteht aus 2 Teilen unter dem Titel „Mechanische Schwingungen und Stöße - Bewertung der menschlichen Exposition gegenüber Ganzkörper – Schwingungen“:

Teil 1: Allgemeine Anforderungen

Teil 2: Kontinuierliche und Schock-indizierte Schwingungen in Gebäuden (1 bis 80 Hz)

Dieser ISO 2631 hat 5 Anhänge, wobei der Anhang A Bestandteil ist und die Anhänge B bis E nur zu Informationszwecken dienen. Die Überarbeitung des ISO 2631 basierte auf letzten Erfahrungen und Forschungsergebnissen, über die in der Literatur berichtet wurde und die es wünschenswert machten:

Reorganisieren von Teilen der internationalen Norm;

Ändern der Methode von Messung und Analyse von Schwingungs-Umgebungen;

Den Ansatz für die Anwendung der Ergebnisse zu ändern.

Eine ansteigende Sensibilisierung für die Komplexität der menschlichen physiologischen / pathologi-schen Antworten, die Verhaltensreaktion auf Vibrationen sowie der Mangel an klaren, allgemein aner-kannten Dosierungs-Wirkungs-Beziehungen, machten es erforderlich, dass weitere quantitative Leitli-nien und Hinweise zu den Auswirkungen von Vibrationen auf die Gesundheit und Lebensqualität zur Verfügung standen. Dies ist in den Anlagen B bis D des ISO 2631 dargelegt

SCHWINGSTÄRKE K UND FREQUENZBEWERTETE SCHWINGBESCHLEUNIGUNG Wm

Eine der bedeutendsten Änderungen im überarbeiteten ISO 2631 war, dass ein Wechsel von der be-werteten Schwingstärke K zur frequenzbewerteten Schwingbeschleunigung vorgenommen wurde. Die Exposition gegenüber Ganzkörper-Schwingungen war nun auf Grundlage der frequenzbewerteten Beschleunigung und deren Multiplikationsfaktoren in Übereinstimmung mit ISO 2631-1 zu bewerten. Der Frequenzbereich in der Revision wurde auf unter 1 Hz erweitert, wobei die Auswertung auf einer



Abb.1: Unterschiedliche Darstellung

eines Schwingsignals [10]

Frequenz - Bewertung RMS (root mean square, kurz r.m.s.), einer Vektor - Effektivwert - Beschleuni-

gung, anstatt des Rating-Verfahrens beruht [8]. Für stoßartige Schwingungen deren Scheitelfaktoren größer 9 sind, ist die Vierte-Potenz-Methode, RMQ (root mean quad, kurz r.m.q.) vorgesehen [8]. Ge-messene Schwinggrößen wie Schwinggeschwindigkeit, Schwingbeschleunigung und Schwingweg und der unmittelbare Zusammenhang mit der subjektiven Wahrnehmung, wird nun mit der Wm- frequenz-bewerteten Schwingbeschleunigung aw beschrieben. Diese Wm- bewertete Schwingbeschleunigung aw, hat die bewertete Schwingstärke K, als Maß der menschlichen Erschütterungswahrnehmung ab-gelöst. Auf letzteres wird in der weiteren Folge noch genauer eingegangen wobei zu bemerken ist, dass die meist einfacher durchführbaren und somit weniger fehleranfälligen Schwinggeschwindig-keitsmessungen auch weiterhin den Normanforderungen entsprechen.

Im überarbeiteten ISO 2631 wurden verschiedene Fre-quenz-Bewertungen für die Beurteilung von verschiede-nen Effekten angegeben. Auf der Grundlage von prakti-schen Erfahrungen bildet das RMS- Effektivwert Verfah-ren die Basis für Messungen von Scheitelfaktoren weni-ger als 9, wobei die Integrität der vorhandenen Daten-banken gewährleistet wurde. Scheitelfaktoren größer 9 werden durch zusätzliche oder alternative Messverfahren erfasst bzw. dargestellt [8]. Ein Beispiel für eine unter-schiedliche Bewertung ist nachfolgend in Abb. 1 aufge-

führt. Trotz der wesentlichen Änderungen, Verbesserungen und Verfeinerungen im überarbeiteten Teil des ISO 2631, ließ die Mehrheit der Berichte oder Studien erkennen, dass die empfohlenen Anleitungen und Belastungsgrenzen der ISO 2631-1:1985, sicher und präventiv gegenüber uner-wünschten Wirkungen waren. Daher sollte die Revision des ISO 2631 nicht die Integrität und/oder Kontinuität von bestehenden Datenbanken beeinträchtigen, sondern eine bessere Datenerhebung als Grundlage für die verschie-denen Dosis-Wirkungs-Beziehungen ermöglichen bzw. unterstützen.

Die o. a. vmax (PPV) und RMS-Geschwindigkeiten werden u.a. in mm (bzw. inch) pro Sekunde be-

schrieben [10]. Die Bezeichnung Dezibel dient dazu, dass der benötigte Zahlenbereich der die Vibrati-on beschreibt, komprimiert wird. Das untere Diagramm in der o.a. Abbildung 1 zeigt die RMS-Kurve des oberen Diagramms ausgedrückt in Dezibel.

Die Möglichkeit Erschütterungspegel in einer logarithmisch Skala in Dezibel darzustellen, ist ver-gleichbar mit der Darstellung der Lautstärke für den Schalldruckpegel. Die entsprechende Ermittlung (Beschreibung im ISO 1683) ist:

für die Geschwindigkeit [m/s] mit Bezugsgröße vr = 10

-9

m/s und

für die Beschleunigung [m/s² ] mit Bezugsgröße ar = 10

-6

m/s²

wobei Lv bzw. La der Geschwindigkeitspegel in Dezibel, v RMS (r.m.s.) die Geschwindigkeitsamplitude und vr die Referenzgeschwindigkeitsamplitude ist. Ein Referenzwert muss immer angegeben werden,

wenn eine Größe in Dezibel ausgedrückt wird.

Vibrationen sind häufig komplex, enthalten viele Frequenzen, treten in mehreren Richtungen auf und ändern sich im Verlauf der Zeit. Die Auswirkungen von Vibrationen können daher vielfältig sein. Die dabei auftretenden Ganzkörper-Schwingungen können Empfindungen (z. B. Beschwerden oder Be-lästigung) verursachen. Diese beeinflussen die menschliche Leistungsfähigkeit oder können zu einem Gesundheits- und Sicherheitsrisiko werden (z.B. pathologische Schäden oder physiologische Verän-derung). Das Auftreten von Schwingstärken mit geringer Bewegung kann ähnliche Wirkungen hervor-rufen. (8)

http://dict.leo.org/#/search=root&searchLoc=0&resultOrder=basic&multiwordShowSingle=on

http://dict.leo.org/#/search=mean&searchLoc=0&resultOrder=basic&multiwordShowSingle=on

http://dict.leo.org/#/search=square&searchLoc=0&resultOrder=basic&multiwordShowSingle=on



EINWIRKUNGEN VON MECHANISCHEN SCHWINGUNGEN AUF DEN MENSCHEN

Der primäre Zweck dieses Teils des ISO 2631 dient zur Definierung von Methoden zur Quantifizierung der Ganzkörper-Vibrationen in Bezug auf

die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden ;

die Wahrscheinlichkeit des Vibrationswahrnehmung;

das Auftreten von Krankheit durch Bewegung (Vibrationen) .

Dieser Teil des ISO 2631 befasst sich mit Ganzkörper-Vibrationen und schließt gefährliche Auswir-kungen von Vibrationen die direkt an Gliedmaßen übertragen werden ein. Drei Anhänge liefern aktuel-le Informationen zu den möglichen Auswirkungen von Vibrationen auf die Gesundheit (im Anhang B), Wohlbefinden und Wahrnehmung (im Anhang C) und auf die Häufigkeit von Bewegungen (Anhang D). Wichtig bei der Verwendung der Empfehlungen ist es darauf zu achten, dass die Einschränkungen zu der Anwendung berücksichtigt werden.

Die überarbeitete ISO 2631 definiert Methoden für die Messung von periodischen, zufälligen und vo-rübergehenden (transienten) Ganzkörper-Schwingungen. Der maßgebliche betrachtete Frequenzbe-reich ist

- 0,5 Hz bis 80 Hz für die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Wahrnehmung und - 0,1 Hz bis 0,5 Hz für Krankheit durch Bewegungen.

Die deutsche Richtlinie VDI 2057 beschreibt die Belastung und Beanspruchung des Menschen durch die Einwirkung mechanischer Ganzkörperschwingungen sowie die Verfahren zu deren Messung, Be-wertung und Beurteilung. Neue Erkenntnisse in der Schwingungsbeanspruchung wurden eingebun-den. Die wesentlichsten Neuerungen waren der neue Frequenzbewertungsfilter und wie bereits o. a. der Wegfall des K-Wertes zugunsten des Effektivwertes der frequenzbewerteten Beschleunigung Wm, die Abhängigkeit von der Einwirkungszeit und deren Auswirkungen auf die Gesundheit und eine Zu-sammenfassung von Schwingungen in mehreren Richtungen. Diese Neufassungen und die europäi-schen Normen lassen die bisher national verwendete Kennzeichnung der Schwingungsbelastung anhand der bewerteten Schwingstärke K nicht mehr zu. Auf letzteres wird später noch genauer einge-gangen.

FAKTOREN DIE DEN GRAD VON ERSCHÜTTERUNGEN UND SCHALL BEEINFLUSSEN

Faktoren bezüglich der Emission (Erschütterungsquelle)

Einwirkungs-Faktoren

Sprengungen Geologische Verhältnisse des Untergrunds, Geometrie der Sprenganlage, Entfernung von der Sprengstelle, zeitlicher Verlauf der Sprengung sowie Lademenge pro Zünd-zeitstufe beeinflussen die Erschütterungsintensität. Die eine Sprengung begleitende sekundäre Schalleinwirkung, zeigt ebenfalls einen erkennbaren Effekt.


Boden- Erhöhte Erschütterungseinwirkungen sind in schweren Lehm- und Tonböden eher

struktur zu erwarten als in losen, sandigen Böden.

Gestein Erhöhte Erschütterungseinwirkungen sind üblicherweise an Gebäuden zu erwarten, die auf Fels gegründet sind. Aufgrund der schnellen Ausbreitung der Erschütterungen wird deren Stärke nicht so rasch gedämpft, wie in den o.a. Böden.

Untergrund Schichtungen im Untergrund haben eine wesentliche aber schwer einschätzbare Auswirkung auf die Erschütterungsübertragung. Grund hierfür ist, dass jede Ge-steinsschicht im Untergrund eine wesentlich unterschiedliche dynamische Charakte-ristik aufweist.

Grundwasser Das Vorhandensein von Grundwasser kann eine signifikante Auswirkung auf die Er-schütterungsübertragung haben, eine definierte Beziehung besteht jedoch nicht.



Abb.3 Übertragung von Erschütterungen in Gebäude

Faktoren bezüglich der Immission (Einwirkungsort)


Fundament Als allgemeine Faustregel gilt, dass je schwerer das Gebäudefundament, desto grö-ßer ist der Kopplungsverlust der Schwingung die sich vom Boden in das Gebäude ausbreiten.

Da über den Boden übertragene Vibrationen und Geräusche fast immer in Bezug auf Menschen die sich in Wohnungen oder vergleichbar genutzten Räumen aufhalten, ausgewertet werden, ist die Ausbreitung der Schwingung durch das Gebäude zu be-rücksichtigen. Jedes Gebäude verfügt über unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Bodenerschütterungen, obwohl als Faustregel gilt, dass je massiver das Gebäude, desto geringer sind die übertragenden Bodenerschütterungen.

Der Umfang einer akustischen Absorption in Wohnräumen beeinflusst die Höhe des Körperschalls.

ERSCHÜTTERUNGSIMMISSION

Vibration (Erschütterung) ist eine oszillierende Bewegung, die bezüglich ihrer Verschiebung als Ge-schwindigkeit oder Beschleunigung beschrieben werden kann. Da die Bewegung schwingend (oszillie-rend) ist, gibt es keine reine Bewegung des schwingenden Elements, wobei der durchschnittliche Be-wegungskennwert gleich Null ist. Unter Verschiebung ist der einfachste Kennwert zu verstehen. Für einen schwingenden Boden ist die Verschiebung die Strecke, auf der sich ein Punkt auf dem Boden von seiner statischen Position wegbewegt. Die Geschwindigkeit gibt das momentane Tempo der Bodenbewegung an, wobei die Beschleunigung das Maß der Änderung des Tempos der Fortbewegung ist. Ob-wohl der Begriff Verschiebung (Schwing-weg) leichter zu verstehen wäre als die Begriffe Geschwindigkeit oder Be-schleunigung, wird er selten für die Bode-nerschütterung verwendet. Die meisten Geophone, die zur Messung der Bodener-schütterungen verwendet werden, benüt-zen daher entweder den Begriff Ge-schwindigkeit oder Beschleunigung. Wobei festzustellen ist, dass zur Beurteilung hin-sichtlich der Reaktionen auf Menschen, Gebäude und Ausrüstung zur Messung von Erschütterungen, die Bewertung mit der Bezeichnung Geschwindigkeit oder Beschleunigung, genauer beschrieben ist.

Unter dem Begriff Erschütterungen (Vibrationen) im technischen Sinn werden alle Arten mechanische Schwingungen in festen Körpern verstanden. Erschütterungsimmissionen sind durch technische Vor-gänge an schützenswerten Orten (z. B. innerhalb eines Wohngebäudes) auftretende Erschütterungen. Erschütterungen können Belästigungen von Menschen bewirken und Schäden an Sachgütern verur-sachen. Die Einwirkungen auf Menschen die sich in Gebäuden aufhalten, werden häufig als Störung und Beeinträchtigung empfunden. Die Übertragung von Erschütterungen ist in Abb.3 dargestellt.

ERSCHÜTTERUNGSWAHRNEHMUNG

Wirkt eine Erschütterungsquelle z. B. auf ein Wohngebäude ein, wird dieses als Ganzes bzw. seine Bauteile - insbesondere der Fußboden - zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen werden dann auf Menschen innerhalb des Gebäudes entweder direkt vom Fußboden über die Beine oder indirekt über die Sitzflächen von Stühlen, über das Bett oder über Tische u. ä. übertragen. Ob diese Schwingungen von Menschen allerdings als Erschütterungen wahrgenommen werden oder nicht, hängt von sehr unterschiedlichen Faktoren ab. So werden Erschütterungsreize vom Menschen grund-

Bauwerks- erks- konstruktion

Akustische Absorption



sätzlich anders verarbeitet als z.B. Schall- oder Lichteinwirkungen, für deren Empfang und Verarbei-tung der Mensch spezielle Sinnesorgane besitzt. Erschütterungen hingegen werden von verschiede-nen, über den ganzen Körper verteilten unspezifischen Rezeptoren aufgenommen und weitergeleitet. Die Tabelle 1 und 1a veranschaulicht die Wahrnehmungsschwellen in unterschiedlicher Nomenklatur. .

Tabelle 1: Vergleich der Wahrnehmungsschwellen des Menschen in mm/s² und K

Grundsätzlich wird die Wahrnehmbarkeit von Erschütterungen beeinflusst durch:

Die Intensität der Erschütterungen,

deren Frequenzzusammensetzung,

die Einwirkungsrichtung in Bezug auf die Körperachse (Wirbelsäule),

die Dauer der Einwirkung,

die individuellen Empfindlichkeiten des betroffenen Menschen

Tabelle 1a: Vergleich der Wahrnehmungsschwellen vertikaler harmonischer

Schwingungen bei einer stehenden Person in mm/s² und mm/s [14]

Hinzu kommt die Wahrnehmung von tieffrequenten Geräuschen während der Erschütterungseinwir-kungen beim Sprengen. Diese Wahrnehmung ist anders als bei mittel- oder hochfrequenten Einwir-kungen. Im Frequenzbereich unter 16 Hz fehlen Tonhöhen- und Lautstärkeempfindung. Die Luft-druckänderungen werden dann als Pulsieren und Vibrationen, verbunden mit einem Druckgefühl auf die Ohren wahrgenommen. Im Frequenzbereich von 20 Hz bis etwa 60 Hz werden Tonhöhen und Lautstärke kaum noch wahrgenommen. Vielfach werden sogenannte „Schwebungen“ empfunden. Ab 60 Hz findet der Übergang zur normalen Tonhöhen- und Geräuschempfindung statt. Die Ursachen und Ursprünge von tieffrequenten Geräuschen sind vielfältig und lassen sich im konkreten Fall oftmals nur schwer hinterfragen bzw. aufklären. Eine mögliche Quelle ist durch Schwingungen hervorgerufe-ner sekundärer Luftschall.

ERSCHÜTTERUNGSEINWIRKUNG AUF MENSCHEN IN GEBÄUDEN

Ob ein Mensch Erschütterungsimmissionen als belästigend empfindet, hängt nicht nur von physikali-schen Parametern wie Stärke, Frequenz und zeitlichem Verlauf des eigentlichen Erschütterungsereig-nisses ab, sondern auch vom Menschen selbst. Gesundheitszustand, Art der Tätigkeit während der



Erschütterungswahrnehmung, Grad der Gewöhnung und der Erwartungshaltung an den Aufenthaltsort sind eher subjektive Parameter die beeinflussen, ob Erschütterungen als erheblich belästigend emp-funden werden. Sekundäreffekte, wie z.B. Schwingungsbewegungen von Türen oder Klappern sowie hörbares Klirren von Gläsern können das Belästigungsempfinden vergrößern.

Abb. 4: Normierte Erschütterungsfühlschwelle des Menschen in Abhängigkeit von der Frequenz.

Im Beurteilungssystem der DIN 4150 - Teil 2 wird versucht, die notwendigen Beurteilungsgrössen aus physikalischen Messgrößen abzuleiten. Letztere sollen eine objektive Beurteilung der Belästigungssi-tuation ermöglichen. Ein Mensch kann vereinfacht in einem physikalischen Modell auch als Schwin-gungssensor abgebildet werden, der im Frequenzbereich zwischen 5 Hz und 80 Hz besonders emp-findlich ist (Abb. 4). Für tiefere Frequenzen nimmt die Schwingungsempfindlichkeit des Menschen deutlich ab. Eine entsprechende Empfindlichkeitskurve wurde in der DIN 4150 - Teil 2 als sogenannte KB-Bewertung im Beurteilungsverfahren berücksichtigt. Wie oben angeführt versucht die DIN 4150, Beurteilungsgrößen aus physikalischen Messgrößen abzuleiten, die eine objektive Beurteilung der Belästigungssituation ermöglichen. Neben der physikalischen Fühlkurve des Menschen werden im Beurteilungsverfahren auch die maxi-male Größe, die Dauer und die Häufigkeit der Erschütterungseinwirkungen und der berechtigte An-spruch an den Aufenthaltsort berücksichtigt.

DIE MESSTECHNISCHE ERFASSUNG DER WAHRNEHMBARKEIT VON ERSCHÜTTERUNGEN

Die Wahrnehmbarkeit von Erschütterungen hängt neben der Intensität (Größe des Scheitelwertes oder des Effektivwertes) auch von der Frequenz und der Einwirkungsrichtung ab. Diese Einflüsse wurden für Sinusschwingungen in Laborversuchen untersucht. Daraus wurden vereinfachte mittlere Kurven für die Frequenzabhängigkeit abgeleitet und genormt. Bei Messungen dienen sie als Basis für die Frequenzbewertung, mit der eine der Schwingungswahrnehmung entsprechende Größe gebildet wird. Dies ist die bewertete Schwingstärke mit Abkürzung KB. Durch die messtechnische Ermittlung der bewerteten Schwingstärke lässt sich die Wahrnehmbarkeit von Erschütterungen für die überwie-gende Zahl der Betroffenen objektiv ermitteln. Als Unsicherheitsfaktor bleibt allerdings die individuell sehr unterschiedliche Wahrnehmungsempfindlichkeit einzelner Menschen.

Abb. 5: Aufstellungsort Raummitte Abb. 6: Aufstellungsort Raummitte im

vertikale Messrichtung Aufenthaltsort von Menschen



Abb. 7: Aufstellungsort Raummitte, fixiert

A. Messort im Wohngebäude

Als Messort ist die Stelle der stärksten Schwingungseinwirkung auf dem Fußboden eines Aufent-haltsraumes zu wählen. Für die vertikale Richtung ist dies in der Regel die Mitte des Deckenfeldes. Weitere Messungen der horizontalen Komponenten x und y können auch an anderen Stellen, z.B. dicht am aufgehenden Mauerwerk erfolgen. Der Messort in den Räumen in denen sich Menschen aufhalten ist nachfolgenden Abb. 5 bis 8 dargestellt.

B. Ankopplung des Geophons

Wenn die Schwingbeschleunigung 1,96 m/s² (0,2 g) überschreitet, kann eine Entkopplung (verrutschen) des Geophons stattfinden. (ISEE Field Practice Guidelines for Blasting Seismographs, 2009 Edition)

In Abhängigkeit vom erwarteten Schwingbeschleunigungspegel ist eine dementsprechende Befesti-gung am Boden für das Geophon angebracht wenn der erwartete Schwingbeschleunigungspegel

a) kleiner als 1.96 m/s² (0.2 g), sind keine besonderen Befestigungen erforderlich; b) zwischen 1.96 m/s² (0.2 g) und 9.81 m/s² (1.0 g) können Befestigungen erforderlich werden,

Auch dünne Spikes können (z.B. bei Kunststoffböden wie Linoleum) hilfreich sein, c) größer als 9.81 m/s² (1.0 g) ist eine Befestigungen nötig.

Die nachfolgende Tabelle 2 veranschaulicht Schwinggeschwindigkeiten [mm/s] und Frequenzen [Hz] bei Schwingbeschleunigungen [m/s²] zwischen 1.96 m/s² (0.2 g) und 9.81 m/s² (1.0 g).

Tabelle 2: Werte von Schwinggeschwindigkeit, Frequenz und Schwingbeschleunigung

BAUWERKSBEZOGENE WAHRNEHMUNGSSTÄRKE

Neben Sprengerschütterungen mit ihren Auswirkungen auf Bauwerke, sind, wie vorher angeführt, noch weitere umweltrelevante Aspekte grundsätzlich zu beachten. Dazu gehört die Wahrneh-mungsstärke mit der ein Mensch die Erschütterungen aufnimmt und in DIN 4150 – 02, als "Bauwerks-bezogene Wahrnehmungsstärke KB" bezeichnet wird. Der entsprechende Wert dahingehend wird aus der maximalen gemessenen Schwinggeschwindigkeit vmax und der zugehörigen Frequenz ermittelt. Da der Mensch auf Bewegungen in Räumen besonders empfindlich reagiert, werden das Ausmaß und die schädlichen Auswirkungen von Erschütterungen, in vielen Fällen erheblich überschätzt. Für die Beur-teilung der Wirkung von Erschütterungen auf bauliche Anlagen, reicht daher die subjektive Wahrneh-

Abb. 8: Aufstellungsort Raummitte



mung und Einschätzung des Menschen nicht aus. Die Belästigung von Menschen hängt insbesondere von folgenden Faktoren ab:

- die Größe (Stärke) der auftretenden Erschütterung (auch durch Schallruck),

- der Frequenz,

- der Einwirkungsdauer,

- der Häufigkeit und Tageszeit des Auftretens,

- der Anfälligkeit (Überraschungseffekt),

- der Art der Erschütterungsquelle.

Im Einzelfall sind folgende Eigenschaften von Bedeutung:

- der Gesundheitszustand (physisch, psychisch),

- die Tätigkeit während der Einwirkung,

- die Gewöhnung,

- die Einstellung zum Erschütterungserzeuger,

- die Erwartungshaltung in Bezug auf ungestörtes Wohnen,

- die Sekundäreffekte (durch Schallruck).

Das Maß der Belästigung ist von den aufgeführten individuellen und situationsbedingten Einflüssen abhängig. In Räumen, die für den dauernden Aufenthalt von Menschen bestimmt sind, sind spürbare Erschütterungen unerwünscht, obwohl dies auch nach dem Stand der Technik nicht immer zu vermei-den ist. Wie bereits vorher angeführt sind die Wirkungen, die diese Erschütterungen bei Menschen verursachen, nicht nur von der Intensität der Schwingungen abhängig. Hinzukommen andere, gleich-zeitige Einwirkungen wie Lärm, sichtbare Bewegungen, Klappern von Gegenständen, Vibrieren von Fenstern und Türen usw.

RECHTLICHE BEURTEILUNGSGRUNDLAGEN

Nach bestehenden Gesetzen und Verordnungen sind schädliche Umwelteinwirkungen Immissionen, wie z.B. Sprengerschütterungen, die nach Art und Ausmaß oder Dauer geeignet sind, Gefahren, er-hebliche Nachteile oder erhebliche Belästigungen für die Allgemeinheit oder die Nachbarschaft her-beizuführen. Bei der Beurteilung von Erschütterungseinwirkungen in Wohnungen, die durch Anlagen in einem benachbarten Betrieb hervorgerufen werden, sind somit bestehende Anforderungen zu erfül-len. Soweit Erschütterungen auf Menschen in Gebäuden einwirken, sind diese Anforderungen in der Internationalen Norm ISO 2631 sowie anderer nationaler Normen (wie z.B. DIN 4150, ÖNORM S 9012, BS 6472), konkretisiert. Bei Einhaltung der dort niedergelegten Anforderungen und Anhaltswer-te werden erhebliche Belästigungen von Menschen in Wohnungen und vergleichbar genutzten Räu-men in der Regel vermieden.

BEURTEILUNG DER ERSCHÜTTERUNGSEINWIRKUNG AUF MENSCHEN IN GEBÄUDEN

Für eine Beurteilung der Erschütterungseinwirkungen auf Mensch in Gebäuden nach DIN 4150-2 wird aus den, bei einer Messung aufgezeichneten Schwinggeschwindigkeiten v(t) die bewertete Schwing-stärke KBF(t) berechnet. Es handelt sich hierbei um eine Art Pegelaufzeichnung der aufgetretenen Schwingstärken, bei dessen Berechnung die frequenzabhängige Fühlkurve des Menschen und ein gleitendes Mittel über den Betrag der Schwinggeschwindigkeiten eingehen.

Dieser gleitende Mittelwert ist die Basis zur Bildung der Beurteilungsgrößen nach DIN 4150 - Teil 2. Das Beurteilungsverfahren zur Klärung- ob belästigende Erschütterungen im Sinne der DIN 4150 - Teil 2 vorliegen - ist in mehrere Schritte unterteilt und berücksichtigt

den unterschiedlichen Schutzanspruch vor Erschütterungsimmissionen, resultierend aus der Ge-bietseinordnung hinsichtlich Wohngebiet oder Gewerbegebiet usw.,

ob die Erschütterungen tags und/oder nachts auftreten,

die maximal auftretenden Erschütterungen und

die Dauer der Erschütterungseinwirkungen.



Darüber hinaus werden für Erschütterungsimmissionen einige Sonderregelungen getroffen die durch folgendes verursacht werden

seltene Ereignisse (z.B. Gewinnungssprengungen in Steinbrüchen),

Bautätigkeit,

Verkehr.

Eine erhebliche Belästigung von Menschen, die sich in Wohnungen oder vergleichbar genutzten Räumen aufhalten, liegt in der Regel nicht vor, wenn die in der Norm genannten Anhaltswerte unter-schritten werden [4]. Als Ergebnis verschiedenster Forschungsarbeiten [11] zeigte sich die Tendenz, dass im Frequenzbereich f = 1 bis 10 Hz die subjektive Wahrnehmung von mechanischen Schwin-gungen der Schwingbeschleunigung proportional ist. Hingegen konnte im Bereich f = 10 bis 100 Hz eine lineare Abhängigkeit zur Schwinggeschwindigkeit beobachtet werden.

Zur Beurteilung des KB - Wertes wird aus der Schwingungsgröße vmax der Erschütterung, die bewerte-te Schwingstärke KBFmax ermittelt.

BEURTEILUNGSGRÖSSEN

Bevorzugte Ausgangsgröße nach DIN 4150 Teil 2 ist die Schwinggeschwindigkeit. Wird die Schwing-geschwindigkeit gemessen, so ist die Schwingungswahrnehmung des Menschen in weiten Bereichen frequenzunabhängig und nur proportional zum Messwert. Die Frequenzabhängigkeit bei niedrigen Frequenzen (unterhalb etwa 10Hz) wird näherungsweise durch eine Filterfunktion berücksichtigt, wel-che die so genannte KB-Bewertung ergibt. Die nachfolgende Gleichung 1 zeigt die KB-Bewertung.

(1

Wie aus der nachfolgenden Abb. 10 zu erkennen ist, unterscheided sich die früher verwendete KB-Bewertung nicht von der neuen frequenzbewerteten Beschleunigung Wm: Zur Beurteilung wurden die „Stufen“ der ehemaligen KB Filterfunktion mess- wie auch auswertungstechnisch durch einen annähernd gleichen kurvenförmigen Filterverlauf dargestellt, so dass von einer identischen Bewertung ausgegangen werden kann.(Abb,10)

Dieses Filter realisiert keine Kurve gleicher Wahrnehmung, sondern ist eine Interpolation zwischen zwei un-terschiedlichen Kurven für verschie-dene Einwirkungsrichtungen. Der tat-sächliche Grad der Wahrnehmung kann daher von Fall zu Fall niedriger liegen als der mittels dieses Filters ermittelte Wert ausweist. Wie in der Abb.10 zu erkennen ist, werden die Frequenzen oberhalb 80 Hz durch ein Sperrfilter abgeschnitten (Bandbe-grenzung), da diese Frequenzen bei Erschütterungseinwirkungen über das Gebäude auf den ganzen Körper kei-nen Beitrag zur Wahrnehmung liefern.

Von dem so frequenzbewerteten Signal wird der so genannte gleitende Effektivwert, wie in der Glei-

chung 2 dargestellt, mit der Zeitkonstanten = 125 ms gebildet. Diese Zeitkonstante ist die gleiche, die auch bei der Geräuschmessung in der Einstellung "Fast" (schnell) benutzt wird. Daher werden die auf der Basis dieses Effektivwertes ermittelten Größen (KB) mit dem Index F gekennzeichnet.

(2

Abb. 10: Amplitudenfrequenzgang HKB (f) des KB Filters



Unverändert geblieben ist auch die Empfehlung, für die Effektivwertberechnung 1 Sekunde als Integ-rationskonstante zu verwenden. Dieses bandbegrenzte und frequenzbewertete Signal wird als bewer-tete Schwingstärke KBF(t) bezeichnet und unterliegt in der Regel zeitlichen Schwankungen. Der wäh-rend der Beurteilungszeit erreichte höchste Wert der bewerteten Schwingstärke, die maximale bewer-tete Schwingstärke KBFmax, ist eine wichtige Beurteilungsgröße und behält anhand der o.a. Darstellun-gen ihre Gültigkeit zur Ermittlung der Erschütterungseinwirkung auf Menschen in Gebäuden.

Bemerkung: Um von den Bezeichnungen der DIN 4150, Teil 2, nicht abzuweichen, wird deren No-menklatur beibehalten. Gleichwohl ist darauf hinzuweisen, dass die Beurteilungsgröße nun als Wm- bewertete Schwingbeschleunigung bezeichnet wird. Die nachfolgend bestehende KB Bezeichnung ist daher identisch mit der neuen Nomenklatur Wm.

ALLGEMEINE BEURTEILUNG

Die Vorgehensweise ist folgende: Für die Bestimmung der Beurteilungsgröße KBFmax ist das Messver-fahren zu prüfen. Der Frequenzbereich des verwendeten Registriersystems muss von unter 2 Hz bis über 80 Hz betragen. In diesem Falle ist das System in der Regel ohne Bedenken verwendbar. Zuerst wird die maximale Bewertete Schwingstärke für die drei Richtungskomponenten x, y und z ermittelt.

Der größte dieser Werte, KBFmax, wird mit den Anhaltswerten Au und Ao der Tabelle 3 verglichen:

Ist KBFmax kleiner oder gleich dem (unteren) Anhaltswert Au, dann sind die Anforderungen der Norm eingehalten.

Ist KBFmax größer als der (obere) Anhaltswert Ao, dann sind die Anforderungen der Norm nicht ein-gehalten.

Für selten auftretende und kurzzeitige Einwirkungen ist die Anforderung der Norm eingehalten, wenn KBFmax kleiner oder gleich Ao ist (siehe Abschnitt 6.5.1 DIN 4150-2, Juni 1999).

Bei häufigeren Einwirkungen mit KBFmax größer Au, aber kleiner Ao, ist zusätzlich zu prüfen, ob die Beurteilungs-Schwingstärke KBFTr kleiner ist als Ar. Ist dies der Fall, dann sind die Anforderungen der Norm ebenfalls eingehalten.

Es ist zu bemerken, dass das Ar-Kriterium einer angemessenen Beurteilung stark schwankender und/oder nur kürzere Zeit einwirkender Erschütterungen dient, deren KBFmax -Wert größer als Au, aber kleiner als Ao ist. Für Einwirkungen mit relativ geringen Schwankungen der Taktmaximalwerte wird das Ar-Kriterium nur dann eingehalten, wenn die Einwirkungen kürzer als 4 Stunden am Tage bzw. 2 Stunden in der Nacht sind. Deutlich längere Einwirkungszeiten führen in derartigen Fällen grundsätz-lich zur Überschreitung von Ar. Das dargestellte Beurteilungsverfahren ist grundsätzlich für alle Arten von Erschütterungseinwirkungen anwendbar.

Tabelle 3: Anhaltswerte A unter berücksichtigung von KBFmax und KBFTr nach DIN4150 – 02, JUN 1999



BEURTEILUNG FÜR SPRENGUNGEN

Bei Sprengungen können aus einer festgestellten (gemessenen) Schwingungsgröße und der auftre-tenden Frequenz, die Beurteilungsgrößen ermittelt werden. Die Aufstellungsorte müssen der DIN 4150, Teil 2 " Einwirkung auf Menschen in Gebäuden", Juni 1999, entsprechen. Sind die Messsyste-manforderungen erfüllt, darf wie folgt ausgewertet werden: Der Maximalwert des v(t) Signals und die Frequenz der Aufzeichnung ist zu bestimmen. Danach ist das KB-bewertete Signal nach den Glei-chung 3 zu berechnen.

Nach Ermittlung des KBFmax - Wertes wird dieser mit den Anhaltswerten A nach Tabelle 3 verglichen. die nach den Einwirkungsorten entsprechend der baulichen Nutzung und ihrer Umgebung, der Dauer und Häufigkeit der Einwirkung sowie nach der Tageszeit des Auftretens unterteilt sind. In der Regel darf der KBFmax - Wert in Wohngebäuden (je nach Anzahl der Sprengungen) 3 - 6 und in Mischgebie-ten 5 betragen. Die Werte können wie beschrieben, nur durch die Sprengung begleitende Erschütte-rungsmessungen und deren Messergebnisse, berechnet werden. Für den Vergleich mit den AO-Werten (obere Anhaltswerte), werden die Ergebnisse als Grundlage für die KBFmax - Wert Berechnung herangezogen.

a) Beurteilungsverfahren bis 15 Sprengungen pro Woche mit KBFmax

Unter der Bezeichnung "selten auftretende Erschütterungen" verstehen sich nach den Regeln der Technik wenige, kurzzeitig einwirkende Ereignisse, wie z.B. durch bis zu drei Sprengungen je Tag und somit 15 Sprengungen in der Woche. Der Anhaltswert AO muss dabei gleich oder geringer nach Ta-belle 3 sein. Wenn die Sprengungen werktags mit Vorwarnung außerhalb der Ruhezeiten erfolgen, gelten in der Umgebung eines Abbaus die Zeilen 3 und 4, aber auch die AO - Werte nach Zeile 1, wenn nur ein Ereignis pro Tag stattfindet.

Ermittlung des KB-Wertes mit der Gleichung

(3 Dabei ist:

KB = dimensionslos fo = Bezugsfrequenz 5,6 Hz (Grenzfrequenz des Hochpasses) f = gemessene Frequenz in Hz vmax = maximale gemessene Schwinggeschwindigkeit in mm/s cF = Konstante Ermittlung des KBFmax -Wertes mit der Gleichung KBFmax = KB * cF (4

cF ist ein mittlerer Erfahrungswert (Tabelle 4). Die gemessenen Werte sind um 15% zu reduzieren, da mit Messunsicherheiten in dieser Größe gerechnet werden muss.

Tabelle 4: Konstante cF



b) Beurteilungsverfahren über 15 Sprengungen pro Woche mit KBFTr

Bei über 15 Sprengungen in der Woche, wird in der Regel die Beurteilungs-Schwingstärke KBFTr er-forderlich sein (Tabelle 3). Für diese müssen eine ausreichend große Anzahl von 30-s-Takten der Erschütterungseinwirkungen aus den Maximalwerten vTi der einzelnen Takte mittels der o.a. Glei-chungen 3 und 4, die KBFTi - Werte ermittelt werden. Dabei ist KBFT die Anzahl der Maximalwerte der bewerteten Schwingstärke, mit dem Index i werden die Takte nummeriert. Mit Hilfe dieser Werte kann dann das Beurteilungsverfahren wie es vorher in „Allgemeine Beurteilung“ dargestellt wurde und wie es in DIN 4150 - 02, S. 5, Pkt. 6, beschrieben ist, durchgeführt werden [4].

Der KBFTr – Wert wird ermittelt aus (5

Tr = Beurteilungszeit (tags 16h, nachts 8h);

Te = Einwirkungszeit außerhalb von Ruhezeiten

KBFTm = Taktmaximal-Effektivwert

(6

(7

SCHLUSSFOLGERUNGEN

In seinem Wohnbereich ist das Alltagsleben des Menschen dadurch charakterisiert, dass keine stän-dig wahrnehmbaren Erschütterungsimmissionen auf ihn einwirken, sondern nur einzelne Ereignisse, die vorwiegend von anderen Hausbewohnern, einschließlich der Nachbarschaft hervorgerufen wer-den. Im Umfeld von Bergbaubetrieben fühlen sich Menschen durch Wahrnehmungen von Ganzkörper-Schwingungen, in ihrer Ruhe mittelbar gestört. Daher sind Sprengerschütterungen, wenn diese nach Art, Ausmaß oder Dauer geeignet sind, Gefahren, erhebliche Nachteile oder erhebliche Belästigungen für die Allgemeinheit oder die Nachbarschaft herbeizuführen, zu vermeiden. Aufgrund dieser Situation spielt die bauwerksbezogene Wahrnehmungsstärke beim Sprengen, eine nicht zu unterschätzende Rolle bezüglich der Planung wie auch bei der Ausführung. Wobei zumindest erhebliche Belästigungen unter Einbeziehung der o.a. Darstellungen begrenzt bzw. vermieden werden können.

Die dargestellten Beurteilungsverfahren entsprechen dem Stand der nationalen wie auch internationa-len Normung. Zu berücksichtigen ist nur die Änderung von der bewerteten Schwingstärke KB auf die Wm - bewertete Schwingbeschleunigung aw. Wobei die Normen, aufgrund messtechnischer Belange wie auch aufgrund der Erschütterungswahrnehmung, weiterhin die Schwinggeschwindigkeitsmessung empfehlen, obgleich die Beurteilungsgröße nun als Wm - bewertete Schwingbeschleunigung bezeich-net wird. Wie vorher dargestellt wurde, liefern beide Größen identische Aussagen für die Beurteilung.

Um die Bewertungsgröße jedoch klar zu unterscheiden wird es notwendig, dass bei der Zuordnung, ähnlich wie es beim Sprengen bei der Unterscheidung der Schallauzeichnungen in dB(A) oder dB(C) in Lpeak bereits geschieht, ausdrücklich auf die Wm - bewertete Schwingbeschleunigung hingewiesen

wird. Die Änderung der Bewertungsgröße hat keine relevanten Auswirkungen auf das bisherige Beur-teilungsverfahren und kann daher, entsprechend den dargestellten Voraussetzungen zur Ermittlung der bauwerksbezogenen Wahrnehmungsstärke von Erschütterungen beim Sprengen, weiterhin ver-wendet werden.

N = Anzahl der Takte

Die Ruhezeiten sind mit dem

Gewichtsfaktor 2 einzugeben



Zitierte Literatur:

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2. Brammer, A.J.: Human Response to Vibration and Mechanical Shock. Institute for Microstructural Sciences, National Research Council, Ottawa, Ontario, Canada, 2002.

3. BS 6472, Guide to evaluation of human exposure to vibration in buildings (1 Hz - 80 Hz).

4. DIN 4150-2, Erschütterungen im Bauwesen - Teil 2: Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden (Vibrations in Buildings Part 2: Effects on persons in buildings), JUN 1999.

5. Die Technischen Regeln zur Lärm- und Vibrations- Arbeitsschutzverordnung (TRLV Vibrationen), GMBl. 14/15 vom 10. März 2010 S. 271, Ausgabe JAN 2010.

6. IEC 61260:1995: Electroacoustics - Octave-band and fractional-octave-band filters - Part 1: Specifications.

7. ISO 2631-1:1997 / Amd 1:2010: Mechanical vibration and shock – Evaluation of human exposure to whole body vibration – Part 1: General requirements. International Organization for Standardization, Genf [ISO 2631-1:1997 Mechanische Schwingungen und Stöße - Bewertung der Einwirkung von Ganzkörper -Schwingungen - Teil 1: Allgemeine Anforderungen].

8. ISO 2631-2:2003: Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole body vibration - Part 2: Vibration in buildings (1 Hz to 80 Hz), [ISO 2631-2:2003: Mechanische Schwin-gungen und Stöße - Bewertung der Einwirkung von Ganzkörper -Schwingungen - Teil 2: Schwin-gungen in Gebäuden (1 Hz - 80 Hz)].

9. ISO 2631-5:2004 Mechanische Schwingungen und Stöße - Bewertung der Einwirkung von Ganzkörper -Schwingungen - Teil 5: Verfahren zur Ermittlung von Schwingungen mit mehreren Schocks.

10. Noise and Vibration Technical Report. FRA High-Speed Ground Transportation Noise and Vibra-tion Impact Assessment manual (FRA 2005, 2012). US Department of Transportation, APR 2014.

11. ÖNORM S 9012, Beurteilung der Einwirkung von Schwingungsimmissionen des landgebundenen Verkehrs auf den Menschen in Gebäuden – Schwingungen und sekundärer Luftschall (2009)

12. ÖNORMISO 2631-1:2007 and -2:2007 Mechanical vibration and shock Evaluation to human ex-posure to whole body vibration. Part 1: General requirements -Part 2: Vibration in buildings (1 Hz to 80 Hz), 2007

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