CC BY
46
ВЕСТНИК
МГСУ
инженерные изыскания и обследование зданий. специальное строительство
УДК 624.042
А.А. Румянцев, Е.Ю. Сергеевцев
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНО ВОЗВЕДЕННОГО ЗДАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО БАССЕЙНА В г. АНАПЕ1
Приведены методика и результаты натурных динамических исследований строящегося здания универсального бассейна, а также результаты расчета собственных частот, проведенного на компьютерной модели.
Ключевые слова: динамические характеристики, натурные динамические исследования формы колебаний, колебания, микроколебания, вертикальные колебания, горизонтальные колебания, спектральные плотности, динамический мониторинг, виброметр, аналого-цифровой преобразователь, компьютерное моделирование, конечно-элементная модель.
Объектом исследования стало строящееся здание универсального бассейна в городе Анапе, общей целью — проверка сейсмостойкости строительных конструкций бассейна. Для этого предполагается использовать специальную мощную вибромашину дебалансного типа направленного действия, спроектированную и изготовленную в МГСУ Для оценки необходимых режимов работы вибромашины необходимо было предварительно определить частоты собственных колебаний строительных конструкций объекта и проверить идентичность расчетной модели реальной работе конструкций бассейна. Для определения динамических характеристик в натурных условиях был принят импульсный метод возбуждения колебаний.
Рис. 1. Общий вид объекта на момент проведения экспериментов
Конструктивная система исследуемого здания бассейна представляет собой монолитный железобетонный безригельный колонный каркас из плоских плит перекрытия с капителями и контурными балками по периметру здания. Фундаменты — монолитная железобетонная плита толщиной 800 мм (в районе расположения чаши бассейнов толщина фундаментной плиты принята 400 мм) по железобетонной плите — подго-
1 Эксперименты проводились с участием кандидата технических наук Д.А. Зубкова.
© Румянцев А.А., Сергеевцев ЕЮ., 2012
93
ВЕСТНИК
5/2012
товке толщиной 200 мм на подушке из уплотненного щебня толщиной 500 мм. Шаг колонн 12,0^12,0 м. Колонны из монолитного железобетона переменного сечения по высоте. На момент проведения экспериментов первого этапа на здании не было возведено покрытие, бетон уже построенных частей здания набрал проектную прочность.
Для измерения колебаний использовались модернизированные виброметры СМ-3 (далее виброметр), которые по принципу работы являются велосиметрами (измеряют скорости колебаний). В качестве аналого-цифрового преобразователя использовался комплекс автоматизации экспериментальных установок АCTest, включающий модуль подготовки и проведения эксперимента, модуль послесеансной обработки данных и математическую библиотеку. для регистрации использовался ноутбук с установленным специальным программным обеспечением.
Натурные испытания первого этапа были разделены на две части: измерение колебаний от горизонтальных импульсных воздействий от удара грузом массой 1,2 т и измерение колебаний от сброса грузов массами 1,2 и 2,4 т на грунт.
Для измерения колебаний были намечены 10 точек, расположенных по всему зданию таким образом, чтобы наиболее полно охватить колебательную картину здания. также были выбраны две точки для горизонтальных импульсных воздействий в противоположных направлениях и одна точка для сброса груза.
Эксперименты проводились сериями, включающими запись колебаний в наиболее важных точках для каждого воздействия. Заключительной частью экспериментов первого этапа стала обработка и анализ полученных данных. Полученные записи обрабатывались путем визуализации их для визуального анализа характера колебаний, строились энергетические спектры этих записей. в качестве примеров записей колебаний от горизонтального импульсного воздействия можно привести одновременные записи колебаний в т. 2 и 4 и их энергетические спектры (рис. 2).
Рис. 2. Запись т. 2 и 4 по У от импульсного воздействия в т. 1 по У и энергетические спектры этих записей (верхняя запись и верхний спектр для т. 2). Заметные пики зафиксированы на частотах 1,25; 3,15; 7,2 Гц. Преобладающий пик для обеих точек на частоте 12,8 Гц
94
КБИ 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 5
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство
ВЕСТНИК
МГСУ
Расчетная часть определения динамических характеристик бассейна была выполнена в центре математического моделирования МГСУ под руководством доктора технических наук, профессора А.М. Белостоцкого. Она включала в себя построение конечно-элементных моделей здания. Для этого были использованы рабочие чертежи объекта. На их основании были построены пространственные оболочечно-стерж-невые конечно-элементные модели частично возведенного здания (ж/б конструкции) на динамическом неоднородном винклеровском основании в программном комплексе SCAD. Ось X моделей направлена вдоль наиболее протяженной стороны здания, ось Y — поперек, Z — вертикально вверх.
Железобетонные плиты фундамента, перекрытий и несущие стены моделируются плоскими треугольными и четырехугольными в плане оболочечными КЭ постоянной толщины, реализующими гипотезы Кирхгофа — Лява. Колонны и балки аппроксимируются пространственными стержневыми кЭ, работающими на растяжение-сжатие, изгиб, сдвиг и кручение.
разработанные расчетные модели адекватно отражают геометрико-жесткост-ные, инерционные свойства и нагрузочные характеристики строительных конструкций и основания здания. Об этом, в частности, свидетельствует и вычислительная размерность построенных SCAD-моделей — до 146388 узлов (878328 степеней свободы) и 150565 конечных элементов.
С учетом специфики динамической реакции системы при слабых колебаниях, характерных для выполненных натурных испытаний, построено 4 модели:
№ 1 — на абсолютно жестком основании;
№ 2 — с учетом упругого динамического винклеровского основания (рис. 3);
№ 3 — на абсолютно жестком основании с учетом кирпичной стены вдоль оси Е (учитывалась только жесткость стены);
№ 4 — с учетом упругого динамического винклеровского основания с учетом кирпичной стены вдоль оси Е.
С использованием разработанных моделей получены результаты, показавшие ожидаемо характерный спектр собственных частот и форм колебаний для конструкций схожего типа, которые позволяют говорить о соответствии построенных КЭ-моделей проектному варианту здания.
Рис. 3. Изометрия КЭ-моделей здания: а — без учета кирпичной стенки; б — с учетом
В полученных расчетных данных проявляется плотный спектр собственных частот (до 500 в диапазоне до 20 Гц), соответствующий следующим основным типам форм колебаний:
1) движение здания в горизонтальной плоскости как «жесткого тела» на упругом динамическом основании (3 формы — поступательные по Xи У, закрутка вокруг 2) в диапазоне 2...3 Гц — для моделей 2 и 4;
ВЕСТНИК 5/2012
2) общесистемные «изгибные» и «крутильные» колебания здания на «жестком» основании;
3) локальные формы колебаний наиболее гибкой подсистемы «крестообразная колонна — большепролетный клюв балки», по выявленным собственным частотам 4.. .6 Гц инвариантные к использованной модели;
4) изгибные вертикальные колебания перекрытий;
5) «пакет» более высокочастотных локальных, близких к кратным форм колебаний балки на невысоких опорах;
6) смешанные формы колебаний.
Выводы. 1. Сравнительный анализ экспериментальных частот колебаний здания с собственными частотами-формами, полученными в расчетах на разных вариантах математических моделей, показал хорошее согласование по локальным формам колебаний, особенно по изгибным формам колебаний «кольцевой» балки, на которой и производились основные измерения в натурных экспериментах; частоты в экспериментах и расчетах от 4,5 до 19,8 Гц.
2. Важным назначением этого эксперимента была также калибровка вибромашины. Эксперименты показали, что вибромашину для этого объекта необходимо будет использовать на всем ее рабочем диапазоне частот от 2 до 15 Гц.
Библиографический список
1. Шаблинский Г.Э., Исайкин А.С. Ретроспективная оценка особо ответственных сооружений на основе натурных динамических исследований // Промышленное и гражданское строительство. 1997. № 8.
2. Шаблинский Г.Э., Зубков Д.А. Натурные динамические исследования строительных конструкций. М. : Изд-во АСВ, 2009.
Поступила в редакцию в апреле 2012 г.
Об авторах: Румянцев Антон Андреевич — младший научный сотрудник ИНТЦ «ПрИз», ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, rumiantsev.anton@gmail.com;
Сергеевцев Евгений Юрьевич — аспирант, Мытищинский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), Московская область, г Мытищи, Олимпийский проспект, д. 50, +7 (495) 583-73-81, sergeevcev@ gmail.com.
Для цитирования: Румянцев А.А., Сергеевцев Е.Ю. Натурные исследования динамических характеристик частично возведенного здания универсального бассейна в г. Анапе // Вестник МГСУ 2012. № 5. С. 93—97.
A.A. Rumyantsev, E.Yu. Sergeevtsev
FIELD TESTING OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE BUILDING OF A UNIVERSAL POOL UNDER CONSTRUCTION IN ANAPA
The authors describe the methodology and results of dynamic field testing of the building of a universal pool under construction, as well as its eigenfrequencies, identified through the employment of a computer model.
The subject of the research represents the building of a universal pool under construction in Anapa. The general goal of this research is to identify the seismic stability of the building structure. An unbalance-type vibration machine was used in the course of the testing procedure. The machine was designed and manufactured at Moscow State University of Civil Engineering.
Identification of natural vibrations of building structures and verification of the identity of the computer model and the natural behaviour of the structure were to be completed to assess the required modes of operation of the vibration machine. Identification of full-scale dynamic characteristics was performed through the employment of the impulse method of vibration excitation.
96
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 5
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство
ВЕсТниК
МГСУ
Comparative analysis of experimental vibration frequencies and eigenfrequencies identified in the course of calculations based on different mathematical models demonstrates their similarity in terms of local shapes of vibrations, namely, in terms of buckling vibrations of an "annular" beam employed for the purpose of measurements taken in the course of the testing procedure. Frequency values identified in the course of testing and calculations vary from 4.5 to 19.8 Hz.
Calibration of the vibration machine represents another objective of the experiment. The experiment has demonstrated that the whole operating range of frequencies (2 to 15Hz) is to be employed in the course of testing procedures described above.
Key words: dynamic characteristics, dynamic field research, mode, shapes, vibration, microvibrations, vertical vibrations, horizontal vibrations, spectral density, dynamic monitoring, vibration meter, analog-digital converter, computer modeling, finite element model.
References
1. Shablinskiy G.E., Isaykin A.S. Retrospektivnaya otsenka osobo otvetstvennykh sooruzheniy na osnove naturnykh dinamicheskikh issledovaniy [Retrospective Assessment of Structures of Major Importance on the basis of Dynamic Field Tests]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Construction], 1997, no. 8.
2. Shablinskiy G.E., Zubkov D.A., Naturnye dinamicheskie issledovaniya stroitel'nykh konstruktsiy [Full-scale Dynamic Testing of Structures]. Moscow, ASV Publ., 2009.
About the authors: Rumyantsev Anton Andreevich — junior researcher, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; rumiantsev.anton@gmail.com;
Sergeevtsev Evgeniy Yur'evich — postgraduate student, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), Mytishchi Branch, 50 Olimpiyskiy prospect, Moscow Region, Russian Federation; sergeevcev@gmail.com.
For citation: Rumyantsev A.A., Sergeevtsev E.Yu. Naturnye issledovaniya dinamicheskikh kharakteristik chastichno vozvedennogo zdaniya universal'nogo basseyna v g. Anapa [Field Testing of Dynamic Characteristics of the Building of a Universal Pool under Construction in Anapa]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 93—97 .
