CC BY
13Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Reports of the VII Academic reading "Actual issues of building physics"
УДК 699.842
В.А. СМИРНОВ, канд. техн. наук (org.com@list.ru)
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
Экспериментально-численная оценка уровней вибраций конструкции фундамента высокоточного оборудования
Работа посвящена оценке эффективности системы виброизоляции фундамента высокоточного литографического сканера при его установке в реконструируемом здании. В ходе работ проведены замеры уровней вибрации площадки строительства, а также дна котлована под размещение фундамента сканера. Проведенные замеры фоновой вибрации выявили наличие нестационарных, источников случайных колебаний на частотах от 7 до 150 Гц. Проблема назначения необходимых толщин упругих и демпфирующих элементов системы виброизоляции заключается в том, что на момент проектирования системы отсутствовала информация об уровнях динамического воздействия от устанавливаемого в здании виброактивного оборудования. Для оценки эффективности спроектированной системы виброизоляции проведен анализ распространения вибрации от виброактивного оборудования по несущим конструкциям здания и грунту с использованием пакета конеч-ноэлементного моделирования MSCPatran/Nastran. Результаты нестационарного динамического анализа распространения колебаний от источников вибрации позволили оценить амплитуды колебаний фундамента и скорректировать параметры виброизолирующих материалов как в фундаментной конструкции, так и подобрать необходимые виброизоляторы для источников воздействия.
Ключевые слова: виброизоляция, высокоточное оборудование, прогноз, эффективность, литографический сканер, виброизолирующий материал, МКЭ, MSCPatran.
V.A. SMIRNOV, Candidate of Sciences (Engineering) (org.com@list.ru) Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (RAACS) (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow,127238, Russian Federation)
Experimental — Numerical Study of Precision Equipment's Foundation Vibration Levels
This work is devoted to the numerical estimation of the effectiveness of high-precision lithography scanner foundation and its vibration isolation system when it is installed in a reconstructed building. In the course of this work, we performed field measurements of the vibration levels of the construction site, as well as at the bottom of the excavation. The results of the measurements revealed the presence of non-stationary random vibration sources at frequencies from 7 up to 150 Hz. The problem of assigning the appropriate thicknesses of elastic and damping elements of the vibration isolation system is that at the time of designing the system, there was no information available about the levels of dynamic influence from the installed in the building vibrating equipment. To evaluate the effectiveness of the designed vibration isolation system, an analysis of vibration propagation from vibrating equipment through the supporting structures of the building and the ground layers to the scanner's foundation was performed using finite element package MSC Patran/Nastran. The results of non-stationary dynamic analysis of vibration propagation allowed us to estimate the amplitudes of foundation oscillations and to adjust the parameters of the vibration isolating materials both in the scanner's foundation, and at the sources of vibration.
Keywords: vibration isolation, precision equipment, numerical estimation, lithography scanner, vibration isolation materials, FEM, MSC Patran.
В статье рассматривается вопрос расчета и оценки эффективности виброизолированного фундамента для размещения высокоточного литографического сканера. Производитель оборудования требует, чтобы фундамент сканера был изолирован как от фоновой вибрации, так и от источников вибрации, которые могут возникнуть внутри здания. Поскольку требования к уровню вибрации основания сканера должны быть выполнены в диапазоне 1-100 Гц, а бюджет, выделенный на проектирование и строительство фундамента, ограничен, требуется нетривиальное и надежное решение, эффективность которого должна быть доказана на этапе проектирования.
Процесс проектирования и последующей эксплуатации системы виброзащиты высокоточного оборудования является сложной задачей в связи с изменчивостью внешнего вибрационного воздействия [1], зависящих от конструкции здания путей передачи колебаний от различных источни-
6'2016 ^^^^^^^^^^^^^
ков вибрации [2], расположенных внутри здания. Из-за высоких скоростей распространения продольных и поперечных волн в железобетоне или металле, которые являются наиболее часто применяемыми на практике материалами для строительства зданий, передача колебаний от источника к фундаменту зависит не только от характеристик грунтов основания, но также и от его конструктивной схемы и упругодемпфирующих характеристик конструктивных материалов.
Проблема оценки эффективности виброзащитной системы становится особо сложной, когда стоит задача определения ориентировочных уровней колебаний основания сканера, расположенного в здании, находящемся на реконструкции. Любое изменение конструкционной схемы зданий или распределения его веса от постоянных (связанного со сносом или изменением планировки, модификации используемых материалов и т. д.) или временных нагрузок
- 33
Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
приводит к сдвигу его собственных частот и передаточных функций между точками конструкции. В результате динамический отклик здания на одно и то же внешнее воздействие на каждой стадии процесса реконструкции объекта будет различен. Необходимость получения информации о фоновой вибрации внутри реконструируемого объекта, а также невозможность учета финального динамического отклика здания, приводят к необходимости поиска иных методов обеспечения работоспособности виброизолированного фундамента.
Объектом исследования является высокоточный литографический сканер, произведенный компанией ASML и размещаемый внутри здания в Москве. Из-за высокой сложности внедренных в оборудование технологических процессов, высокой важности получаемых на нем изделий и высокой общей стоимости проекта производитель оборудования устанавливает максимальные допускаемые уровни вибрации на поверхности фундамента. Требования производителя к вибрации представлены на рис. 1 в диапазоне от 1 до 100 Гц для спектральной плотности мощности ускорения в вертикальном и горизонтальном направлениях. С учетом последних исследований [3], указывающих на влияние податливости фундамента на производительность оборудования, регламентируются жесткостные параметры фундамента - 1x10® Н/м. Требования по вибрации и жесткости фундаментного блока достигаются путем соответствующего подбора арматурного каркаса, выбора требуемых материалов для изгибаемых элементов, заменой грунта под подошвой фундамента и применением разнообразных виброзащитных мероприятий, снижающих уровень вибрации на подступах к фундаменту.
Измерения уровней фоновой вибрации в месте устройства фундамента сканера на различных этапах реконструкции здания проводились с применением 8-канальной поверенной виброизмерительной системы LMSScadasMobile и высокочувствительных ЮРакселерометров. Последующая обработка данных с датчиков проводилась с применением ПК Ма^аЬ или программных продуктов LMS. Измеренные виброускорения точек в основании фундамента представлены на рис. 2.
Долговременный мониторинг уровней вибрации в месте устройства фундамента выявил смещение в преобладающих частотах внешнего вибрационного воздействия в низкочастотную область (ниже 15 Гц), наличие нестационарных случайных колебаний на частотах 50, 70 и 100 Гц с колебаниями указанных доминантных частот в пределах 4-5 Гц.
Исследованиями [4, 5] отмечен факт заметного различия между уровнями вибрации в только что построенном предприятии и эксплуатируемом. Это явление объясняется
34| -
суперпозицией колебаний от разнообразных появившихся в здании источников, пешеходной и людской активности. На рис. 2 отмечены уровни вибрации в только что построенном предприятии ('asbuilt') и эксплуатируемом на протяжении 20 месяцев ('+ 20 mos') по материалам [4].
Анализ результатов измерений, представленный на рис. 3, показывает, что максимальная величина повышения вибрационного фона наблюдается в частотном диапазоне 40-60 Гц, что является следствием наличия двигателей переменного тока, а также прочего оборудования с вращающимися частями и приводами от источников тока 50 Гц. Повышение вибрационного фона на частотах около 25 Гц связано с вводом в эксплуатацию оборудования ОВК, насосов, центрифуг, систем подачи и смешивания газов и т. д. Повышение фона в области низких частот - 5-11 Гц связано с появлением пешеходной активности. Общее повышение уровня вибрации в эксплуатируемом предприятии составляет в среднем от 1,8 до 9,3 раза!
На этапе проектирования виброизолированного фундамента сканера итоговый уровень вибрации в здании неизвестен, причем нет гарантии, что он не превысит заданный производителем рекомендуемый уровень, что приведет к снижению характеристик и производительности сканера. Получить более достоверную оценку уровней вибрации на предприятии после его ввода в эксплуатацию возможно, если учесть влияние всех детерминированных источников колебаний, что, учитывая их большое количество и разброс характеристик, возможно сделать, построив соответствующую численную модель.
Целью численного расчета является оценка уровней вибрации от работающего в различных помещениях предприятия оборудования и распространение их до исследуемого фундамента по грунту или несущим конструкциям здания. Задача рассматривалась в трехмерной постановке в рамках метода конечных элементов, реализованного в ПК MSCPatran/Nastran. Инженерно-геологические данные для расчета были получены по результатам соответствующих изысканий. Динамические параметры грунта взяты из СП 23-105-2004.Численная конечно-элементная модель состояла из грунтового основания под предприятием, модели бетонного основания и модели фундамента сканера. Граничные условия и модель грунтового напластования представлены на рис. 4. На рис. 4, а также указаны местоположения разнообразного динамического оборудования, которое смоделировано путем приложения вынужденного ускорения или скорости к точечным узлам модели (моделируя точечные опоры оборудования) или к поверхностям (моделируя фундаменты оборудования).
Задача определения уровней вибрации от оборудования включала в себя два расчета. В первом расчете определя-
^^^^^^^^^^^^^ |6'2016
Научно-технический и производственный журнал
-----ЖИЛИЩНОЕ-----
СТРОИТЕЛЬСТВО
Reports of the VII Academic reading "Actual issues of building physics"
Рис. 5. Численная модель предлагаемой конструкции фундамента сканера
74704
74676
ни пи ■ ::т> ' г ит\ 1:1т1 11315 1ен1г:л1») 1М1 '-т*: иг>' № итяз!» ив ■¡■в* ,::,г -
Рис. 4. Граничные условия (а) и модель грунтового напластования (б)
all all ~
лась скорость или ускорение vF или aF точек под подошвой фундамента сканера от всего работающего оборудования:
-mis 1пл тг» i:i,r\ i
7469-
..»И
(i)
где i = (1, 2, ..., и); n - полное число источников; vf(t) - скорость i-го источника в рабочем режиме.
Целью первого расчета являлось определение кумулятивного эффекта распространения колебаний от оборудования на рабочих режимах (причем каждый источник характеризуется в общем случае своим диапазоном рабочих частот) по грунту и конструкции основания до фундамента сканера. Расчет выполнялся в прямой (Direct) постановке нестационарного динамического анализа (TransientResponse) SOL 109 или SOL 129 решателем MSC Nastran.
Во втором расчете определяются передаточные функции и пути распространения вибрации между исследуемым фундаментом и каждым источником в отдельности. Целью этого расчета является определение путей передачи колебаний от каждого из источников до фундамента и выработка виброзащитных мероприятий как в источнике, так и у фундамента сканера. Кроме того, данный расчет полезен для оценки вклада каждого источника в общий вибрационный уровень у подошвы фундамента сканера, особенно при наличии разных режимов работы оборудования. Используя график работы оборудования, а также полученные передаточные функции, можно определить уровень вибрации подошвы фундамента по каждому из источников. Суммарный уровень воздействия определяется по формуле:
Рис. 6. Расчетные
значения скоростей
колебаний 65612
65630Ji---
У
65650
65622
Суммарный уровень вибрации на разных режимах работы оборудования затем сравнивается с уровнем вибрации, полученным по первому расчету, и из них выбирается наихудший.
Расчетное значение скорости колебаний основания фундамента у^"®" определяется как сумма измеренной фоновой вибрации и численно полученной вибрации от различного оборудования, умноженного на коэффициент запаса к3, зависящего от требований к надежности предприятия:
ign_ £ ^backgrounds ^all/reg^
(3)
Данное значение скорости колебаний затем используется как входное воздействие в расчете эффективности
v7M
(2)
где j - идентификатор оборудования; ft) - его режимная характеристика (например, график разгона или неравномерности в работе); klt - коэффициент надежности оборудования, зависящий от разброса его характеристик;
k
коэффициент запаса, зависящий от характеристик
точности защищаемого оборудования.
Рис. 7. Скорости в узлах на различной глубине
6'2016
35
Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
фундамента сканера. На рис. 5 представлена численная модель предлагаемой конструкции фундамента сканера.
Фундамент состоит из двух частей - фундаментной плиты и подфундаментного короба, служащего для увеличения массы фундамента и числа границ раздела сред на пути движения упругих волн из грунта. Проектирование фундамента осуществляется в соответствии с СП 26.13330.2012. На рис. 6 показаны номера узлов численной модели, в которых определялись расчетные значения скоростей колебаний.
Скорости в узлах на различной глубине показаны на рис. 7 от работающей группы вентиляторов, расположенных внутри предприятия. Результаты анализа показывают на значительное отличие в скоростях колебаний точек на различной глубине.
Наибольшие скорости колебаний имеют узлы на поверхности фундамента - 74704 и 54087, вблизи конструкций пола. Это связано с большими скоростями распространения волн в слое железобетона. Наименьшие скорости имеют узлы в средней и нижней частях фундамента. Отношение скоростей узлов наверху и снизу фундамента составляет от 2,5 до 3,2 раза. Разница в скоростях колебаний узлов, расположенных на одном и том же уровне, составляет от 0,27 до 1,06 для верхнего уровня фундамента, нормированных относительно узла 74704, и от 0,48 до 1,49 для нижнего уровня фундамента, нормированных относительно узла 65630. Такой разброс скоростей связан с эффектом дифракции упругих волн в грунте относительно жесткой преграды - конструкции подфундаментного короба. Более того, сравнительный анализ графиков скоростей колебания узлов верхней и нижней частей фундамента показывает, что последние имеют нерегулярный характер, что является эффектом суперпозиции упругих волн от различных источников.
Наиболее простым виброзащитным мероприятием по снижению скоростей колебаний точек на поверхности фундаментной выемки является устройство виброзащитного шва из мягких марок материала <^у1отег» между подфун-даментным коробом и конструкцией пола предприятия.
Аналогичный расчет производится для каждой группы работающего оборудования.
Анализ распространения упругих волн через предлагаемую конструкцию фундамента показывает значительное снижение скорости колебаний поверхности фундамента по сравнению с основанием - в 1,12-1,3 раза. В дальнейшем результаты численного нестационарного анализа пересчитываются в спектральные характеристики и сравниваются с требованиями к виброзащите фундамента сканера. Результаты расчетов показывают соответствие предложенной конструкции фундамента требованиям производителя.
Предлагаемая методика расчета использована для определения эффективности виброизолированного фундамента высокоточного сканера. Фундамент конструктивно состоит из двух частей - фундаментной плиты и подфундаментного короба, служащего для увеличения массы фундамента и числа границ раздела сред на пути движения упругих волн из грунта. Внешняя поверхность подфундаментного короба покрыта вибродемпфирующим материалом.
Результаты расчетов наглядно демонстрируют важность учета конструктивных элементов здания, где размещено
оборудование на расчет распространения вибрации от различных источников. По результатам расчетов определена эффективность виброзащитных мероприятий фундамента сканера.
Предлагаемый подход позволяет как рассчитывать вибрационные характеристики фундамента (снижение скоростей колебаний, собственные частоты и т. д.), так и разрабатывать виброзащитные мероприятия на пути распространения вибрации от источников колебаний, расположенных внутри здания.
Работа выполнена при поддержке гранта 16-38-50019 Российского фонда фундаментальных исследований.
Список литературы / References
1. Smirnov V.A., Mondrus V.L. Probability Analysis of Precision Equipment Vibration Isolation System. Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 467, pp. 410-415.
2. Smirnov V.A., Mondrus V.L. Optical Tables Vibration Isolation during Precision Measurements. Proc. E. 2015. Vol. 111, pp. 561-568.
3. Gazetas G. Analysis of machine foundation vibrations: State of the art. Int. J. of Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 1983. Vol. 2, Issue 1, pp. 2-42.
4. Michael Gendreau and Hal Amick Maturation of the Vibration Environment in Advanced Technology Facilities. Journalofthe IEST. 2005. Vol. 48, No. 1, pp. 83-93.
5. Smirnov V.A. Numerical modelling of nonlinear vibration isolationsystemfreeoscillations.Advancedmaterialsresearch. 2014. Vols. 1025-1026, pp. 80-84.
36
62016
