Вибрации

Уровни  вибрации могут колебаться от единиц до нескольких сотен миллиметров в секунду в зависимости от частоты возбуждения.

Характеристики  вибрации, измеряемой на конструкции  здания, для разных источников возбуждения  техногенной природы приведены  в таблице 1*.

 

Таблица 1 - Типичный диапазон параметров вибрации зданий для некоторых источников возбуждения

 

Источник возбуждения	Диапазон частот, Гц	Диапазон перемещений, мкм	Диапазон скоростей, мм/с	Диапазон ускорений, м/с2	Длительность
Движение дорожного (рельсового) транспорта	1 - 80	1 - 200	0,2 - 50	0,02 - 1	Д/К
Взрывы	1 - 300	100 - 2500	0,2 - 500	0,02 - 50	К
Забивка свай	1 - 100	10 - 50	0,2 - 50	0,02 - 2	К
Работа машин вне  здания	1 - 300	10 - 1000	0,2 - 50	0,02 - 1	Д/К
Примечание - В таблице применены следующие обозначения: Д - долговременный процесс; К - кратковременный процесс.

5.3 Факторы, влияющие  на риск повреждения конструкции

5.3.1 Общие положения

 

Отклик  конструкции здания на передаваемую через грунт вибрацию зависит  от типа фундамента, типа и состояния  грунта в основании здания, особенностей и состояния конструкции здания и расстояния, на котором находится источник вибрации.

5.3.2 Тип фундамента  и состояние грунта

 

Тип фундамента и состояние грунта определяют динамику системы на границе двух сред (грунт - фундамент здания). Так деформации фундамента, вызываемые сейсмическими  волнами, прямо пропорциональны  пиковому значению скорости в точке  фундамента, но обратно пропорциональны  скорости распространения этих волн в толще грунта. Поскольку скорость распространения сейсмических волн возрастает при увеличении жесткости  грунта, то одним и тем же деформациям (потенциальным источникам появления  трещин) будут соответствовать тем  большие пиковые значения скорости, чем выше жесткость грунта. Таким  образом, если конструкция фундамента обеспечивает высокую корреляцию между  вибрацией фундамента и грунта, то для зданий, возведенных, например, на скальной породе, допустима вибрация фундамента с большими значениями скорости.

Геологический состав грунта влияет на изменение  частотного состава вибрации, передаваемой от источника. Кроме того, от динамического  взаимодействия грунта с фундаментом  зависят значения собственных частот колебаний конструкции здания. В  общем случае, чем выше жесткость  фундамента и чем больше плотность  грунта, тем выше значения собственных  частот системы "грунт - фундамент  здания".

5.3.3 Особенности конструкции

 

Реакция конструкции здания и ее элементов  на передаваемую вибрацию зависит от передаточных свойств конструкции. Оценка воздействия вибрации, распространяющейся от одного и того же источника, будет  разной в зависимости от конструкции  здания. У старых кирпичных зданий высотой в один или несколько  этажей собственные частоты колебаний, как правило, ниже, чем у современных  высотных сооружений.

Собственные частоты колебаний элементов  конструкции здания (панелей, балок) обычно выше, чем у конструкции  в целом. Механические напряжения в  балках и пластинах, возникающие  при их колебаниях на частоте, близкой  к резонансной, могут быть рассчитаны по результатам измерений вибрации в точках, где значение скорости наибольшее (см. приложение А). Однако даже значительные колебания посередине балок и панелей редко приводят к повреждению конструкции здания. Так, для современных строительных материалов механические напряжения, соответствующие пиковому значению скорости 10 мм/с, когда вибрация становится явственно ощутимой, обычно находятся в диапазоне от 0,4% до 2,3% допустимого значения.

5.3.4 Расстояние до  источника

 

При оценке воздействия вибрации измерения  проводят в ограниченном числе точек  конструкции (см. 8.1). Эти измерения могут полно характеризовать вибрационную энергию, передаваемую зданию сейсмическими волнами, только в том случае, если здание находится в дальнем поле источника. Если здание находится в ближнем поле, то при том же максимальном значении вибрации по фундаменту здания вибрационная энергия, передаваемая конструкции (и, как следствие, риск ее повреждения), будет меньше.

Другим  важным моментом, который следует  учитывать при рассмотрении зависимости  от расстояния, является преобразование сейсмических волн из одного вида в  другой. Чем больше расстояние от источника  вибрации до здания, тем большая  часть вибрационной энергии передается зданию поверхностными (релеевскими) волнами и тем меньше влияют на него волны сжатия и сдвига.

Кроме того, при увеличении расстояния происходит перераспределение энергии в  область низких частот. Частота доминирующей составляющей (см. 6.3) уменьшается. Поэтому, как правило, при одинаковых результатах измерений вибрации на фундаменте здания чем больше расстояние от источника, тем выше риск повреждения конструкции (см. раздел 9).

6 Измеряемые величины

6.1 Общие положения

 

Многочисленные  исследования показали, что параметром вибрации, в наибольшей степени коррелированным  с риском повреждения конструкции  здания, является пиковое значение скорости. Данный параметр характеризует  энергию сейсмических волн, воздействующих на конструкцию. Однако помимо этого  существует еще ряд факторов (см. 5.3), от которых зависит риск повреждения конструкции при данном пиковом значении скорости. Многие из этих факторов в той или иной степени связаны с частотным составом вибрации. Поэтому в большинстве известных критериев оценки вибрации используют дополнительный показатель - частоту доминирующей составляющей спектра сигнала.

6.2 Пиковое значение  скорости

 

Основным  параметром, используемым для оценки вибрации зданий, является пиковое  значение скорости, измеряемое в направлении  трех взаимно перпендикулярных осей х, у и z - , и соответственно. Ось z направлена вертикально вверх. Направления горизонтальных осей х и у зависят от точки измерений и определяются особенностями геометрии конструкции в данной точке. Например, при установке датчика вибрации на вертикальной поверхности блока фундамента одну из горизонтальных осей выбирают в направлении нормали к данной поверхности, а при установке датчиков внутри здания направления измерений выбирают, по возможности, вдоль несущих элементов конструкции. Другой способ - направить одну из горизонтальных осей в сторону источника вибрации.

Для оценки вибрации определяют - наибольшее из пиковых значений, полученных для каждого направления измерений:

 

.

 

В зависимости  от типа используемого датчика вибрации измеряемой величиной, помимо скорости, может быть ускорение с последующим  выполнением операции интегрирования.

Примечание - Поскольку пиковое значение сигнала чувствительно к фазовой характеристике измерительной цепи, следует убедиться, что инструментальная реализация процедуры интегрирования не вносит существенных фазовых искажений в сигнал скорости.

6.3 Частота доминирующей  составляющей

 

Частоту доминирующей составляющей определяют следующим образом. На графике зависимости  сигнала скорости от времени выделяют область подъема вибрации, где  скорость имеет максимальное значение (если сигнал вибрации не имеет ярко выраженного импульсного характера, т.е. на всем периоде измерений уровень вибрации изменяется незначительно, то весь период измерений рассматривают как одну область). Применяя преобразование Фурье, определяют частотный состав вибрации для сигнала в выделенной области и находят доминирующие частотные составляющие этого сигнала (одну или несколько). Полученные значения частот доминирующих составляющих используют при оценке степени жесткости вибрации.

7 Средства измерений  и анализа

7.1 Средства измерения  пикового значения

 

Измерительная система должна обеспечивать измерение  пикового значения скорости в диапазоне  частот не менее чем от 1 до 250 Гц и  в диапазоне измеряемых значений не менее чем от 1 до 500 мм/с, а также  обеспечивать регистрацию времени  наблюдения пикового значения.

Типичная  измерительная система состоит  из датчиков вибрации, устройств согласования сигнала, устройств хранения данных, полосового фильтра с плосковершинной частотной характеристикой в заданном диапазоне частот измерений и показывающих устройств. Если для дальнейшего анализа сигнала (во временной и частотной областях) используют устройства записи, эти устройства также входят в состав измерительной цепи.

Расширенная неопределенность измерений пикового значения сигнала при коэффициенте охвата, равном двум, обусловленная  отклонением амплитудно-частотной  и фазово-частотной характеристик  измерительного тракта, разрешением  системы по времени, нелинейностью  системы в заданном динамическом диапазоне измерений, собственными помехами в измерительной цепи и  взаимным влиянием каналов при работе в нормальных условиях окружающей среды, не должна превышать 20%.

7.2 Датчики вибрации

 

Для измерений  вибрации зданий обычно применяют акселерометры  или датчики скорости (геофоны). При  использовании акселерометров в  состав измерительной цепи должно входить  устройство интегрирования для получения  сигнала скорости. Поскольку такая  характеристика, как пиковое значение скорости, чувствительна к фазовым  соотношениям в сигнале, особое внимание необходимо обращать на точность реализации фазово-частотной характеристики измерительной  цепи, включающей акселерометр и устройство интегрирования.

При применении геофонов следует учитывать, что  собственная частота колебаний  таких датчиков находится в диапазоне  от 6,5 до 9,5 Гц, т.е. попадает в диапазон измерений вибрации. После установки  геофона, например, в грунт, собственная  частота его колебаний изменяется, но по-прежнему может оставаться в  пределах диапазона частот измерений. Поэтому необходимо, чтобы в измерительную  цепь входило устройство компенсации (обычно программное) неравномерности  частотной характеристики в диапазоне  частот измерений.

7.3 Средства анализа  частотного состава сигнала

 

Обычно  для анализа сигнала с целью  определения частот доминирующих составляющих используют его цифровую запись за период измерений. Устройство анализа  должно обеспечивать отображение всего  временного сигнала за период измерений  для определения характера вибрации.

Если  вибрация носит ярко выраженный импульсный характер, то из сигнала "вырезают" импульс, где сигнал скорости имеет  максимальное значение, и дальнейшему  анализу подвергают "вырезанный" участок реализации.

Если  в начале и в конце анализируемой  записи на интервале  значение сигнала не близко к нулю, то перед проведением анализа в частотной области его умножают на окно Хана :

 

; .

 

Для анализа  частотного состава сигнала скорости используют анализатор, реализующий  преобразование Фурье (например, процедуру  быстрого преобразования Фурье).

Примечания

1 Окно  Хана лучше других обычно используемых  на практике временных окон  сохраняет соотношение между  частотными составляющими сигнала,  что особенно важно при определении  доминирующих составляющих.

2 Для определения частоты доминирующей составляющей на практике часто используют метод анализа во временной области: определяют максимальный пик сигнала и ближайшие моменты времени пересечения сигналом скорости нулевого уровня по обе стороны от этого пика. На основе полученного временного интервала определяют частоту детерминированной составляющей как величину, обратно пропорциональную . С помощью данного метода, как правило, получают завышенные значения частоты доминирующей составляющей по сравнению с методом преобразования Фурье, поэтому его не рекомендуется применять даже для сигналов простой формы.

8 Измерения

8.1 Точки измерений

 

Существует  два основных подхода к выбору места измерений вибрации при  оценке ее воздействия на здание: европейский  и американский. В США измеряют вибрацию грунта вблизи фундамента здания, а в Европе измерения проводят на самом фундаменте. Это различие имеет исторический, а не принципиальный характер. Для оценки воздействия  вибрации на конструкцию здания предпочтительно  выбирать точки измерения вибрации непосредственно на конструкции.

Если  провести измерения на фундаменте здания невозможно, то точки измерения должны находиться на нижней части (на высоте не более 1 м от уровня грунта) внешней  несущей стены здания. Рекомендуется, чтобы точки измерения находились на той стороне конструкции, которая  обращена к источнику вибрации.

Колебания, вызванные движением транспорта или строительными работами (взрывами, забивкой свай), могут усиливаться  при их распространении вверх  по конструкции здания. Поэтому рекомендуется  проводить дополнительные измерения  на верхнем перекрытии здания. Для  высоких зданий (выше 12 м) рекомендуется  проводить дополнительные измерения  с помощью датчиков, устанавливаемых  в ряд по вертикали через каждые 12 м, чтобы обеспечить возможность  наблюдения за характером изменения  вибрации. Вибрацию измеряют на несущих  элементах, определяющих жесткость  конструкции, обычно вблизи ее углов.