CC BY
13
В.М. Анисимов, А.М. Мухаметшин
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ НА НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ ЦИРКА
~П непосредственной близости от горнодобывающих пред-
АДприятий на Урале, в Сибири и на северных территориях располагаются объекты социальной и промышленной инфраструктуры, на которых негативно сказывается сейсмический эффект от технологических взрывов в процессе рудоподготовки. Покажем это на конкретном примере.
Для обеспечения сейсмобезопасности при проведении технологических подземных взрывов в урбанистических условиях вблизи социальной городской инфраструктуры в г. Екатеринбурге проведено исследование состояния наиболее ответственных элементов конструкции уникального здания Цирка в северо-западном секторе (ближнем к пункту взрыва ул. 8-е Марта Балки Б-2 - ее консольной и пролетной части). После ввода цирка в эксплуатацию в 1980 году его здание подвергалось внешним нагрузкам, не предусмотренным его архитектурно-строительным проектом (взрыв 100 тонн тротила на ст. Свердловск-Сортировочный, взрывы на Шарташском и Сибирском карьерах). Актуальность проблемы возросла еще более в процессе строительства ст. Геологическая городского метрополитена.
Для решения технических и методических задач при исследовании сейсмического влияния взрывных работ предложена компьютеризованная портативная геоиформационная система. В техническом плане система содержит 3 стандартных компонента (блока) (см. рис. 1) [3]. Здесь в качестве первичных преобразователей сейсмических колебаний в электрические сигналы используются стандартные сейсмоприемники типа СМ-3, 08-20 БХ. В качестве модуля аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразования электрических сигналов нами использованы платы Ь-СаМ Е-330, которые обеспечивают многоканальный (до 32 каналов) прием и преобразование сейсмических сигналов с частотой до 500 Гц. Данные устройства передают преобразованные ими электрические
312
сигналы на компьютер, в качестве которого используется notebook, им осуществляется сбор данных через цифровой выход внешнего модуля, и одновременно обеспечивается его питание.
Таким образом, из минимального числа стандартных изделий создана портативная автономная компьютеризованная измерительная система, которую можно в полном смысле слова назвать геоинформационной.
Вышеописанные блоки соединены в виде технического средства непрерывных во времени (т. е. мониторинговых) измерений конкретного физического параметра, является средством сбора, преобразования, систематизации и переработки первичной информации. Программное обеспечение этого блока содержит ряд специализированных программ со специальными и вспомогательными функциями. С их помощью сигналы от всех сейсмоприемников группируются, преобразуются и в заданном порядке передаются на вход ноутбука.
В соответствии с возможностями компьютера было получено техническое средство цифровой регистрации быстропротекающих процессов независимо от времени их появления; независимо от их масштаба, как по амплитуде, так и по длительности (рис. 1).
Анализ полученных результатов показывает, что выполненные ранее оценки максимальных значений сейсмического воздействия взрывов на основе стандартной методики являются вполне представительными и хорошо согласуются со значениями - для взрыва № 3 вместо 0.077 см/с получено значение 0.09 см/с; (таблица) [2].
Мониторинговые наблюдения позволили установить, что отмечаемые резкие изменения частоты колебаний от взрывного воздействия обусловлены влиянием параметров и особенностей каждого взрыва, т.к. низкочастотная часть (соответствующая собственной частоте балки) остается в пределах 6-10 герц. Отмечены гораздо более важные следующие обстоятельства, вытекающие из анализа амплитудно-частотных спектров
результат (оценка сейсмоэффекта)
интерактивная интерпретация, (экспертная) оценка
313
Геоинформационная система
notebook ROVERBOOK - EXPLORER FT.4
методическое обеспечение программное обеспечение метрологическое обеспечение
внешний модуль многоканальный вход
г
Рис. 1. Схема геоинформационной системы и ее связей с объектом и результатом исследования
Расчетные значения скоростей по компонентам и полной скорости от взрывов на строящемся метрополитене в период май - июнь 1997 г.
314
в = Изм компонента Мах компонента Частота, Гц Значение скорости см/с Модуль полной скорости, см/с Значения смещения, см х10-4 Модуль полного смещения, см х10-4 Мах значение модуля полной скорости, см/с Мах значение модуля полного смещения, см х10-4см. Примечания
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
X 53 0.071 2.1 взрыв
3.1 У Хтах 53 0.066 0.09 2.0 2.9 №3
Z 53 0.012 0.4
3.2 X 53 0.071 2.1
У Утах 53 0.066 0.09 2.0 2.9 0.09 29
Z 53 0.012 0.4
3.3 X 0 0
У Zах 53 0.04 0.06 1.2 2.0
Z 40 0.039 1.6
скоростей смещения и самих смещений, зарегистрированных от взрывных работ (рис. 2).
Вертикальная компонента скорости смещений балки Б-2 имеет богатый спектр частот скорости смещений в их низкочастотной (до 15 Гц) части. Компонента балки Б-2 почти в 1,5-2 раза меньше, чем эта же компонента на балке Б'-2, расположенной с другой стороны здания [4]. Для повышения достоверности полученных результатов рассмотрим математическую модель данной конструкции.
Основное уравнение свободных колебаний систем в общем виде рис. 3 [1].
Уравнение (1) впервые было получено в астрономии. Характеристические числа в нём, представляющие собой квадраты периодов движения планет, измеряются весьма большими числами — веками. Поэтому уравнение (1) получило в литературе название векового уравнения [1].
315
20 10
О 10 20 30 2о 5о 60 70 80 90 ' 100
<
консоль Б—2
20 10
0 20 30 40 50 50 *7б §0 30 '100
30 20 1С
25 30 .40 50 §0 70 8С> §0 10О
-¿Л
Б-1
О Ш
го 10
ОГО 20 ЗО 40 50 60 70 ВО 90 ' IОО ^ (0я о и/с.
колонна Б-2
10
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100^^
Рис. 2. Амплитудно-частотный спектр скорости смещения элементов конструкции северо-западного сектора Цирка от взрывных работ
Рис. 3. невесомая балка, находящаяся под действием сил инерции сосредоточенных масс т1, т1 . . .%т„, приложенных в точках 1,2.. .п
316
(1)
В данном случае мы имеем статически неопределимую балку с двумя степенями свободы - рис.4.
Вековое уравнение для нашего случая запишется в следующем виде:
Раскрывая детерминант, най-
493т
X - длина волны; т1 - масса опорной части; т2 - масса консольной части; Е - модуль упругости; I -момент инерции.
Решив это уравнение относительно X, найдём X = 3,59км * сек
Х2 = 0,07км * сек
Соответственно найденным значениям характеристических чисел определяем частоты собственных колебаний балки
Рис. 4. Балка Б-2
317
= 0,52 Гц
= 3,78 Гц
Таким образом, каждой из полученных частот колебаний соответствует своя форма колебаний. Первой частоте соответствует изгиб по двум полуволнам с точкой перегиба над средней опорой. Второй частоте отвечает изогнутая ось, симметричная относительно средней опоры (рис. 4.)
В заключение отметим, что полученные результаты исследования сопостовимы с теорити-ческими расчетами.
Результаты исследования показывают, что балка Б-2 работает в режиме упругих деформаций.
--СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прокофьев И.П., Смирнов А.Ф. Теория сооружений. - М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1948, 242 с.
2. Отчет по х/д «Инженерно-сейсмологические исследования состояния несущих конструкций здания цирка при его реконструкции (опорное кольцо, необследованные колонны, балки)»: ИГД УрО РАН. Науч. рук. Мухаметшин А.М. -Екатеринбург, 1998.
3.Отчет по х/д «Исследования по оценке сейсмической безопасности жилых зданий повышенной этажности в ближайшей части г. Нижний Тагил и сооружений на промплощадке шахты «Магнетитовая» от массовых и технологических взрывов в шахте и в главном карьере»: ИГД УрО РАН. Науч. рук. Мухаметшин А. М. - Екатеринбург, 2004.
4. Отчет «Обследование и оценка состояния основных несущих элементов здания Екатеринбургского государственного цирка»: ИГД УрО РАН. Науч. рук. Мухаметшин A.M. - Екатеринбург, 2005. ШИЛ
— Коротко об авторах
Анисимов В.М. - ИГД УрО РАН, Мухаметшин А.М. - УГГУ.
318
