CC BY
63
ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ
RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF HIGH-RISE BUILDING
Е.Ю. Сергеевцев, Д.А. Зубков, A.A. Румянцев
E.Yu. Sergeevtsev, D.A. Zubkov, A.A. Rumiantsev
ГОУ ВПО МГСУ
Статья посвящена вопросам определения динамических характеристик высотного здания, а так же изучению возможностей акселерометров GeoSIG GMS-18.
The article deals with the definition of high-rise building the dynamic characteristics, as well as explore the possibilities of accelerometers GeoSIG GMS-18.
Изучение динамических характеристик высотных монолитных железобетонных зданий имеет актуальное значение, так как такой тип зданий очень распространен в Москве. Результаты динамических измерений могут быть использованы для верификации компьютерной модели исследуемого здания. Так же важным направлением является динамический мониторинг зданий и сооружений. При условии составления динамического паспорта здания сразу после завершения строительства, возможно проводить измерения динамических характеристик каждые несколько лет и на основании результатов судить об изменении в строительных конструкциях.
В данной статье описывается работа по измерению микроколебаний сорокаэтажного монолитного железобетонного здания. На момент проведения измерений монолитный железобетонный каркас возведен полностью, бетон набрал проектную прочность, ограждающие конструкции и фасадные панели смонтированы частично.
Для измерений микроколебаний использовались трехкомпонентные приборы типа акселерометр марки GeoSIG GMS-18.
Датчики располагались равномерно по высоте здания на 10, 20, 30, и 40 этажах. При проведении эксперимента все работы на стройплощадке останавливались. Таким образом, исследуемое здание находилось под воздействием только естественного вибрационного фона. По результатам измерений были получены записи микроколебаний в направлениях X, Y, Z по всей высоте здания.
Следующим этапом работ стала обработка сделанных записей. Для обработки данных была использована программа визуализации данных - GeoDAS. Программа GeoDAS включает в себя средства конфигурирования и контроля работы всех стандартных регистраторов GeoSIG, управления процессами записи, пересылки файлов между компьютером и регистрирующей системой, визуализации и анализа данных, преобразования форматов.
При обработке был выбран участок записи длиной 20 секунд, колебания на котором были наиболее равномерными - без резких импульсов от единовременного воз-
действия. Такие импульсы не являются периодическими и не могут считаться за часть нормального вибрационного фона, но искажают колебательную картину, вызывая биения или другие эффекты.
Исходя из соотношения высоты и длины, исследуемое здание в первом приближении можно представить в виде вертикального стержня, жестко закрепленного у основания. Для сооружений с такой расчетной схемой интерес в первую очередь представляют горизонтальные колебания. Исследования показали, что колебания в направления X и У идентичны, поэтому в рамках данной статьи рассматриваются только колебания в направлении оси У как наиболее выраженные.
На рисунке 1 показаны участки записей на 10, 20. 30 и 40 этажах в направлении оси У, а также их спектральные плотности. На графиках спектральной плотности хорошо видны пики соответствующие преобладающим частотам - 0,4 и 2,3 Гц. Эти частоты соответствуют I и II формам колебаний соответственно.
Целью поставленной при начале исследований было построение форм колебаний, для этого использовался метод нормирования. Суть метода состоит в следующем: записи предварительно обрабатываются - выставляется «0», отрезаются все частоты кроме той для которой необходимо построить форму колебаний. Далее для работы необходимо выбрать момент времени и определить в этот момент значения на каждой из исследуемых записей колебаний, получив таким образом значения а^ а2;...; ап. Затем определяют значения ближайших максимумов и получают значения Ьь Ь2;...; Ьп (см. рисунок 2)
Для определения Ъп берется максимум того же знака что и а^. Теперь можно определить относительное смещение значения виброускорения = а/Ъ.
Момент времени в который определяются величины а^ а2;...; а^ выбирается не случайно. При синхронной записи колебаний в нескольких точках конструкции обычно получаются записи с некоторым фазовым сдвигом от 0 до Т. Из всех исследуемых записей выбирается та, на которой выход энергии на исследуемой частоте больше. Для определения наиболее энергоемкой записи строятся энергетические спектры и определяются значения на пиках (пики соответствуют исследуемой частоте). Запись с наибольшим значением пика на энергетическом спектре является наиболее энергоемкой. Далее выбирается момент времени, в который на наиболее энергоемкой записи хорошо выражен максимум (результаты получаются точнее если на других записях колебания также имеют гармонический характер) и принимают этот момент времени для определения аи. При этом в точке, где энергии выделилось наибольшее количество, значение будет равно 1, а в остальных точках <1.
4/2011
ВЕСТНИК
Далее на схеме конструкции откладываются значения и получившиеся точки соединяют кривой 3-го порядка.
Построим нормированные формы колебаний для частоты 2.3 Гц по оси У. Записи колебаний с отрезанными частотами ниже 1,6 и выше 3,1 Гц - подножия пика в 2.3 Гц на спектральной плотности необработанной записи, показаны на рисунке 3. Частота 2.3 Гц является второй преобладающей частотой, ей соответствует 11-я форма колебаний. Данные для построения нормированной формы колебаний показаны в таблице 1.
Таблица 1
время = 09.34.00.999 сек время = 09.34.08.099 сек
Значение (а1, а2, ■■■, ап) ближайший МАХ (Ъь Ъ2, ■.., Ъп) Соотношение Й 1 4 2, ■••, 4 п) Значение (а1, а2, ■■■, ап) ближайший МАХ (Ъ1, Ъ2, ■.., Ъп) Соотношение Й 1 4 2, ■••, 4 п)
117,00 117,00 1,000 118,00 118,00 1,000
9,00 91,00 0,099 -6,00 -48,00 0,125
-115,00 -127,00 0,906 -141,00 -167,00 0,844
-29,00 -142,00 0,204 -44,00 -130,00 0,338
время = 09.34.18.494 сек
Значение (а1, а2, ■■■, ап) ближайший МАХ (Ъ1, Ъ2, ■.., Ъп) Соотношение К 1 5 2, ■••, 5 п)
146,00 146,00 1,000
-24,00 -55,00 0,436
-115,00 -157,00 0,732
-29,00 -144,00 0,201
среднее значение
1,000 0,220 0,827 0,248
Результаты построения нормированной формы колебаний показаны на рисунке 4.
Рисунок 4 - П-я форма колебаний
На рисунке 5 показаны записи колебаний с отрезанными колебаниями выше 0,8Гц - подножие пика на графике спектральной плотности необработанной записи.
Построить нормированную 1-ю форму колебаний, соответствующую частоте 0.4Гц, не представляется возможным из-за характера записи. Видно, что приборы работали на пределе точности и разброс результатов слишком велик. Поэтому целесообразно построить формы колебаний по следующему методу: на записях колебаний отрезаются частоты выше 0.8 Гц - подножие пика на энергетическом спектре необработанной записи, вторично выставляется «ноль» и строятся энергетические спектры всех записей (см. рисунок 5). Далее на схеме здания в соответствующих точках откладываются значения пиков. На грунте принимаем «ноль». Первая форма колебаний, соответствующая частоте 0.4 Гц, показана на рисунке 6.
Заключение
Успешно апробирована методика измерения колебаний высотных зданий при помощи датчиков типа акселерометр.
На основе анализа акселерограмм были выявлены первая и вторая частоты собственных колебаний. При дальнейшей обработке данных удалось построить первую и вторую формы колебаний.
Важным выводом по результатам работы является то, что датчики работали на пределе точности и при измерении колебаний более высокого здания такого же типа определение первой частоты собственных колебаний вызовет трудности либо будет невозможным.
Для проведения исследований динамических характеристик высотных зданий рекомендуется использовать приборы типа велосиметр с собственной частотой маятника менее 0,1 Гц, поскольку они имеют лучшую чувствительность на низких частотах, например приборы CMG-6TD фирмы Guralp.
Литература
1. Шаблинский Г.Э., Исайкин A.C., Зубков Д.А. Мониторинг динамических характеристик зданий и сооружений для оценки стабильности состояния их конструкций I Сборник материалов Международной конференции-выставки «Уникальные и специальные технологии в строительстве», Москва, 12-13 апреля 2005 года. М., 2005.
2. Шаблинский Г.Э., Исайкин A.C., Зубков Д. А., Старчевский A.B. Экспериментальные исследования динамических характеристик строительных конструкций АЭС в натурных условиях II Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2005, №6.
3. Shablinsky G., Zoubkov D., Isaikin A. Frequency Response Analysis of Novovoronezhskaya NPP main Building, 1S The International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMIRT 18) August 7-12, 2005, Beijing, China.
Literature
1. Shablinskij G. Je., Isajkin A.S., Zubkov D. A. Monitoring dinamicheskih harakteristik zdanij i sooruzhenij dlja ocenki stabil'nosti sostojanija ih konstrukcij I Sbornik materialov Mezhdunarodnoj konferencii-vystavki «Unikal'nye i special'nye tehnologii v stroitel'stve», Moskva, 12-13 aprelja 2005 goda. M., 2005.
2. Shablinskij G. Je., Isajkin A.S., Zubkov D. A., Starchevskij A. V. Jeksperimental'nye issle-dovanija dinamicheskih harakteristik stroitel'nyh konstrukcij AJeS v naturnyh uslovijah II Sejsmostoj-koe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzhenij. 2005, №6.
Ключевые слова: динамические характеристики, натурные динамические исследования формы колебаний, колебания, микроколебания, горизонтальные колебания, спектральные плотности, высотные здания, виброметр, аналого-цифровой преобразователь
Key words: dynamic characteristics, dynamic field research mode shapes vibration, microvibrations, horizontal vibrations, spectral density, high-rise buildings, vibrometer, analog-digital converter
Адрес 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, тел./факс: +7(495) 781-80-07, e-mail: [email protected]
Рецензент: A.B. Старчевский, к.т.н., главный инженер ООО «Инжсстройсервис-1».
