Övervakning av strukturella vibrationer från stenbrottssprängningar i ett enfamiljshus

Vibrationer från ett närliggande stenbrott kan ha betydande påverkan på både byggnaders strukturella integritet och de boendes välbefinnande. I detta studentprojekt installerade jag en enkel men effektiv mätuppställning för vibrationer i ett enfamiljshus beläget nära ett stenbrott och en trafikerad väg. Under en treveckorsperiod registrerade Dewesoft-systemet vibrationsdata i huset. Resultaten visade korta men intensiva toppar orsakade av stenbrottssprängningar, vilka överskred internationella säkerhetsgränser för mänsklig exponering med mer än 30 gånger.

Vibrationer finns överallt omkring oss. De påverkar oss i vardagen – ibland på ett behagligt sätt, men ibland även på ett obehagligt eller till och med skadligt sätt. Detsamma gäller byggnader, där vibrationer i längden kan bidra till försämring av konstruktionens hållfasthet. Många hus är byggda nära trafikerade vägar eller i närheten av anläggningar som kan vara skadliga både för människor och byggnader.

Jag genomförde en snabb vibrationsmätning i ett enfamiljshus beläget nära ett stenbrott och en trafikerad väg som ofta används av tunga lastbilar i hög hastighet, särskilt i samband med byggverksamhet. Syftet var att undersöka om de uppmätta vibrationerna höll sig inom säkra gränser och om det var hälsosamt att bo i huset.

Utrustningen

Tanken är att använda en enkel och kostnadseffektiv triaxiell accelerometer monterad på husets vägg. Eftersom mätningen avser byggnadens strukturella hälsa används en Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-ACC -enhet. 

IOLITE-3xMEMS-enheterna kombinerar en triaxiell MEMS-accelerometer med en ADC-omvandlare och ett EtherCAT-datagränssnitt. De är väl lämpade för mätning av statiska vibrationer och har en mycket låg brusnivå över frekvensområdet 0–1000 Hz, vilket gör dem idealiska för strukturell övervakning.

Mätuppställningen 

Mätuppställningen är ganska enkel. Jag använder den nämnda sensor-/DAQ-enheten kopplad till DewesoftX-mjukvaran för datainsamling och analys av de uppmätta signalerna.

Problemet uppstår vid installationen av sensorn. Hur och var ska den monteras? Jag valde att fästa den med dubbelhäftande tejp på en vägg i vardagsrummet. Det ideala hade varit att borra hål i väggen och montera sensorn direkt mot ytan. Den metoden skulle ge resultat med minimala mätfel, men eftersom jag inte ville skada väggen valde jag att tejpa fast sensorn i stället. Tejpen bör fungera tillräckligt bra, eftersom syftet inte är att uppnå 100 % noggrannhet.

Efter att ha installerat sensorn kopplade jag den till DAQ-enheten, en enkel IOLITE Modular, och anslöt accelerometern till datorn med hjälp av Ethernet-kablar.

Det sista som återstod var att konfigurera systemet korrekt i datainsamlings- och signalbehandlingsmjukvaran DewesoftX. Anslutningen av sensor-/DAQ-enheten är enkel tack vare plug-and-play-funktionen. Jag använde de inbyggda konfigurationerna för de tillgängliga accelerometerkanalerna. 

Först var jag tvungen att välja den anslutna sensorn på startskärmen och sedan ställa in skalningen. Skalningen kan göras på flera olika sätt. I mitt fall är IOLITE-3xMEMS-enheten utrustad med en TEDS-sensor (Transducer Electronic Data Sheets). Jag valde detta alternativ vid kalibreringen i DewesoftX, och mjukvaran hanterar automatiskt all konfiguration.

Därefter valde jag en av de tillgängliga kanalerna och kontrollerade att enheterna stämde överens.

Jag ville mäta acceleration i enheten g, jordens gravitation, så att all data blir i förhållande till g. Det sista steget innan mätningen var att välja bandbredd. Eftersom jag mätte mycket låga frekvenser valde jag den minsta möjliga bandbredden på 50 Hz. Jag kontrollerade snabbt att sensorn fungerade, och därefter var allt klart och redo för datainsamling.

Mätningarna 

Mina mätningar pågick i ungefär tre veckor, från den 25 januari till den 14 februari. Jag valde detta intervall för att kunna fånga så många olika aktiviteter vid stenbrottet som möjligt. Huvudfokus låg på sprängningarna, som används av operatörerna för att bryta upp stora stenblock.

Effekten av sprängningen och naturligtvis sprängvibrationerna kan ha en skadlig inverkan på den närliggande byggnaden. När sådana sprängningar inträffade, och hur många de var, kan enkelt ses som stora toppar eller avvikelser i den insamlade datan.

Mitt intresse låg dock inte enbart på sprängningarna utan även på vägtrafik och fordon (vanligtvis tunga maskiner) som passerade. Jag valde därför ett längre mätintervall med kontinuerlig övervakning för att kunna undersöka om bilars vibrationer varierade över tid.

Som förväntat var vibrationerna från fordon minimala, liksom deras påverkan på byggnadens hälsa, de boendes välbefinnande och den omgivande miljön.

Det faktiska mänskliga arbetet vid mätningarna var minimalt. Jag behövde endast kontrollera om uppställningen samlade in data en gång per dag.

En av mina farhågor var att IOLITEi-3xMEMS-ACC-sensorn kunde lossna från väggen och falla i golvet, men det hände inte. Dubbelhäftande tejp var mer än tillräckligt stark. En annan fråga var om DAQ-enheten fortfarande samlade in data. Under mätperioden stötte jag dock inte på några praktiska eller tekniska problem.

Jag slutade spela in den 14 februari, sparade datan och rensade “arbetsytan”, vilket avslutade mätningen. Nästa steg blir en mer noggrann dataanalys och jämförelse med de vibrationsgränser som definieras av myndigheter.

Dataanalys

Figur 11 visar de uppmätta vibrationsdata i ljusgrön färg. Alla följande figurer visar specifika beräknade värden från originaldatan i limegrönt.

När jag började analysera den insamlade datan var det första steget att beräkna RMS (Root Mean Squared) med följande formel:

Detta värde härleds från ekvationen nedan, där T representerar hela tidsintervallet och a²(t) är kvadraten av accelerationen. RMS är en viktig parameter eftersom den speglar den energi och den genomsnittliga vibration som en person skulle uppleva.

Jag fokuserar inte på mätningar av vibrationer på människokroppen i detta fall, men RMS är ändå relevant eftersom den relaterar till mängden energi som påverkar huset och den potentiella skadligheten hos vibrationerna.

Som nästa steg beräknade jag maximumvärdet, vilket jag kommer att använda för att göra en snabb uppskattning senare.

Slutligen beräknade jag crestfaktorn. Detta tal anger antalet toppar i en våg, men mer empiriskt visar det antalet intressanta påverkningar, det vill säga sprängningarna vid stenbrottet. Figur 12 visar att det inträffade tre sprängningar under den perioden.

Figur 15 visar all min uppmätta och beräknade data prydligt presenterad i DewesoftX. Uppe till vänster visas originaldatan, uppe till höger maximumvärdet, nere till vänster RMS, och nere till höger crestfaktorn.

ISO 2631-2:2003 är en internationell standard för bedömning av människors exponering för helkroppsvibrationer och stötar i byggnader, med fokus på komfort och störning inom frekvensområdet 1–80 Hz. Jag gjorde en snabb beräkning för att kontrollera om de uppmätta vibrationsnivåerna i huset överensstämde med denna standard.

Jag använder en kurspil på inspelningsgrafen för att identifiera högsta punkten på maximumvärdesgrafen, vilket jag betecknar som a = 0,0548 g. Eftersom jag endast är intresserad av värdets storlek och inte riktning multiplicerar jag talets absoluta värde med g, då jag vill ha det i meter per sekundkvadrat. 

Den standardiserade gravitationsaccelerationen, g, är ungefär 9.81 m/s². Beräkningen blir alltså: a′ = 0.0548 × 9.81. Resultatet blir a′ = 0.5376 m/s2. Jag konsulterar därefter ISO 2631-2 standarden och kontrollerar gränsen för toppvibrationer as = 0.015 m/s2. 

När jag jämför de två värdena, a′ och as, ser jag att det faktiska värdet är mer än trettio gånger högre än det föreskrivna värdet. Det är viktigt att komma ihåg att detta är en mycket grov uppskattning och att metoden tillämpas på en händelse som inte varar länge.

En liknande beräkning kan göras med standarden ISO 4866:2010. Denna standard, med titeln Mechanical vibration and shock – Vibration of fixed structures, ger riktlinjer för mätning av vibrationer och utvärdering av deras effekter på strukturella skador.

Slutsats 

Sammanfattningsvis mätte och analyserade jag vibrationerna i huset, främst orsakade av sprängningar vid stenbrottet. Jag konstaterade att vid dessa sprängningar överstiger toppvibrationerna mer än trettio gånger det tillåtna värdet.

En toppvibration på 0,5376 m/s² är exceptionellt hög för en bostadsbyggnad. Även om sprängningarna snabbt avtar, bär de vibrationer de orsakar på enorma mängder energi, långt över acceptabla gränser för mänsklig komfort eller byggnadens strukturella hälsa enligt ISO 2631-2. Lyckligtvis varar de dock inte länge.

Över tid kan upprepad exponering för sådana vibrationer, även om de är kortvariga, skada huset, orsaka mikrosprickor i puts, väggar eller grund, och försvaga dess strukturella integritet. Som konstaterats kan det även leda till obehag, störd sömn och stress, vilket påverkar de boendes hälsa negativt.