Определение динамических характеристик здания при помощи вибрационного воздействия генератора Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

РАЗДЕЛ 4.

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, МЕХАНИКА И СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ

УДК 550.311:551.24

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗДАНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА

Солошенко А.В.

Национальная Академия природоохранного и курортного строительства

Экспериментальным путем определены динамические характеристики здания

генераторным методом

динамическая паспортизация, амплитудно-частотная характеристика,

генератор колебаний

Введение

Самый большой ущерб мировой экономике в 2011 году нанесло землетрясение в Японии. Минувший год стал самым дорогим в истории по размеру ущерба, нанесенного стихийными бедствиями, отметил генеральный секретарь ООН Пан Ги Мун. На ликвидацию последствий природных катастроф в 2011 году было потрачено около 380 млрд. долларов, из которых 230 млрд. долларов потребовалось на устранение последствий двух крупных землетрясений, произошедших в Японии и Новой Зеландии. Это на 150 млрд. долларов больше, чем в 2005 году, которому ранее принадлежал рекорд.

Помимо огромных материальных затрат землетрясения унесли 16 тысяч человеческих жизней.

На фоне неудач с прогнозом времени землетрясений проблема надежной сейсмостойкости сооружений выходит на первый план в борьбе с этой катастрофой. Высокая сейсмическая активность в пределах Украины наблюдается в Крыму и в Западной ее части. За историю нашего полуострова землетрясения не раз наносили тяжелый урон людям, проживавшим в его пределах. Эти факты зафиксированы в каталогах сильных землетрясений прошлого. С их использованием были разработаны современные карты сейсмического районирования.

Периодическое проведение "стресс-тестов", не допускающих остаточных деформаций, способно дать сигнал для своевременного вмешательства, направленного на усиление ослабленных узлов и конструкций в период эксплуатации зданий. Это должно дать качественную оценку устойчивости зданий старого фонда и, с учетом сейсмической опасности, определить необходимость их модернизации или ликвидации при невозможности (или экономической бессмысленности) укрепительных мероприятий. Эти меры особенно важны для зданий и сооружений повышенной ответственности (промышленные здания, мосты, водонапорные башни, акведуки и т.д.). Едиными государственными строительными нормами в Украине ДБН (ДБН В.1.1-12:2006), предусмотрены задачи динамической паспортизации (ДП) зданий (раздел. 1.3.3 [1]).

Каждое сейсмическое событие отличается от предыдущих по своим физическим параметрам и новому положению в слабо изученной неоднородной среде [2]. Поэтому в качестве стандарта разрабатываются способы изучения реакций объекта на искусственное воздействие.

Успешное применение ДП позволит своевременно и четко вмешиваться в "жизнь" конструкций сооружения в динамике, объективно находить локальные напряженности в материале и изучать нарушения однородности конструкции [3]. Поэтому необходимо выбрать оптимальный способ возбуждения сооружения, детально изучить динамические характеристики грунта и конструкций зданий. Необходимо также оптимизировать обработку данных и приведения результатов к действующим системам единиц. Экспериментально решенные задачи также необходимо подтверждать аналитическими

расчетами для моделей реальных конструкций. Комплексное решение этих задач способно уменьшить человеческие потери и экономические затраты, связанные с ликвидацией последствий землетрясений.

Цель и постановка задачи исследований

Современные методы технической диагностики имеют различное методическое оформление в зависимости от способа возбуждения колебаний и их динамического уровня. Это метод записи микросейсмических колебаний природного или техногенного происхождения; метод импульсного воздействия на здание; метод испытаний зданий с помощью удара или мгновенного сброса нагрузки [4]; способ воздействия на сооружение мгновенным импульсом ускорения основания; способ разрыва калиброванных стальных стержней; генераторный метод; метод стоячих волн [5].

При выборе способа возбуждения конструкции исходят из особенности формы обследуемых зданий и сооружений, экономичности применения, быстроты и удобства использования.

Ниже предлагается описание генераторного метода. Видимыми преимуществами его применения является возможность возбуждения большинства зданий и сооружений с регистрацией датчиками их отклика и последующим построением амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). К недостаткам можно отнести необходимость электросети, ограниченный частотный диапазон электродинамической системы, габариты.

Здания и сооружения представляют собой сложные колебательные системы, обладающие определенными интервалами собственных частот. Экспериментально получено и аналитически показано, что собственные частоты зданий и сооружений лежат в диапазоне 1-35 Гц.

С помощью генераторной установки, используя преобразователь частоты, можно выявлять собственные частоты зданий, лежащие в пределах 5-30 Гц.

Целью исследования является получение АЧХ здания, необходимой для перехода в дальнейшем к энергетическим характеристикам объекта и ответа на главный вопрос: сколько балов может выдержать данный объект или необходимо его усиление для повышения сейсмоустойчивости.

Рассмотрим возможность получения АЧХ здания на примере главного корпуса Национальной Академии природоохранного и курортного строительства (рис. 1). Исследуемое здание является учебным корпусом для 1000 студентов. Объекта состоит из двух главных элементов: четырехэтажного блока, расположенного буквой Г и двухэтажного неправильной формы, замыкающего края Г-образного здания, внутри расположен зимний сад. Под всем зданием находится подвал. Высота этажей четырехэтажного блока и первого этажа двухэтажного - 4.000, высота части второго этажа 8.000, фундамент ленточный, заглубленный на 3,8 м, конструктивная схема - каркасно-каменная. Здание оборудовано для проведения занятий для студентов, работы хозяйственного отдела, столовой и лабораторий. Схема расстановки сейсмоприемников и генераторной установки представлена на рис.2 (схема здания в плане).

Рис. 1. Главный корпус НАПКС

Щ-ИЗ

Рис. 2 Схема расстановки сейсмоприемников и генераторной установки

Методика исследований. результаты и их анализ Для использования генераторного метода в подвале здания на отметке-6.000 был залит бетонный постамент цилиндрической формы, высота подземной части которого составляет 2 м, надземной - 0,5 м. Диаметр цилиндра составляет 0,93 м. На верхней грани цилиндра монтировались металлические винты, на которые была установлена платформа. Ее основание представляет собой равносторонний треугольник со стороной 0,515 м. Жесткое закрепление гайками исключило самопроизвольное движение платформы во время проведения эксперимента.

Рис.3. Общий вид установки Рис.4. Генераторная установка.

1.-преобразователь частоты, 2.-двигатель, З.-эксцентрик, 4.-платформа.

На рис. 4 изображена генераторная установка, представляющая собой платформу 4, на которой смонтирован трехфазный асинхронный двигатель 2 мощностью 1,1 кВт (скорость вращения - 1450 об/мин). К валу двигателя жестко закреплена полумуфта, к

которой посредством штока с металлическим основанием прямоугольной формы прикреплен эксцентрик 3 массой 0,5 кг. Несим-метричная нагрузка при работе двигателя создает вынужденные колебания фундамента. Задание частоты этих колебаний обеспечивается преобразователем частоты (ПЧ) Delta-Electronics модели VFD-E021A, рассчитанным на работу с двигателями, мощности которых не превышают 1,5 кВт. ПЧ подключен при помощи кабеля с одной стороны к каждой фазе двигателя и заземлен, с другой - к электросети 220 В 50 Гц. ПЧ оснащен пультом управления, с помощью которого выставляется нужная частота, задается запуск и остановка двигателя. Диапазон частот, задаваемых преобразователем, составляет 0-30 Гц, цена деления 0,1 Гц.

Регистрация колебаний производилась двумя типами сейсмоприемников: настенными кассетами, представляющими собой корпус в виде металлического цилиндра с установленными в нем четырьмя датчиками СВ-5 (четвертый датчик - контрольный) [6] и «лапы», крепящихся к стене, а также комплект СП СМ3-КВ двух горизонтальных и одного вертикального. Сигнал с датчиков усиливался и цифровался при помощи аналого-цифровых преобразователей L-Card (модель E-154 с разрядностью в 12 бит). Оцифрованный сигнал обрабатывался при помощи ЭВМ, на которой строились спектры колебаний.

Как видно из схемы расстановки аппаратуры (рис.2), наблюдения проводились на втором и четвертом этажах в противоположной стороне от генератора колебаний. Благодаря высокой чувствительности сейсмоприемников удалось достаточно легко идентифицировать импульс, сообщаемый установкой зданию.

Примеры полученных спектров представлены на следующих рисунках:

Рис. 5 Спектр колебаний, записанных четырьмя каналами кассеты, /^„=23,5 Гц (а - четвертый этаж) и/^„=22,5 Гц (б — второй этаж)

«Прокачав» здание на частотах колебаний от 5 до 30 Гц, получили максимумы спектров на каждой частоте. В результате были получены АЧХ локальных участков второго и четвертого этажей корпуса.

АЧХ Здания, Кассе-а 4 этаж

43303

20000 3

.гУи

1

к

Ык

20 22 22.5 23 23,1 24 24,6 26 Частота. Гц

АЧХ здания, СГ.13 КЕ 4 атах

№03 703,03

ср еоз.оз

^ 503,03

| +оз,оз 1 ззо.оз

с

<5 203,03 103,03 0,03

Й"

г». ГУп Л И л п 1 Пп

10 16 23 22 22.5 23 23,6 24 24,5 25 30 Частота, Гц

АЧХ Здания, Кассета 2 этаж

30000

26000

^ 20000

| 16000 X

| 10000 6000 ■3

■■з "5 20 21

22,6 23 23.5 24 24.5 25 Частота, Гц

АЧХ Здания, СМЗ-КБ2 этаж

■2-з,:з

100,03

20,03

|| - - ]- Г ||

Л 11 1г

10 " 5 20 2" 22 22.5 23 23,5 24 24,5 25 33 Частота, Гц

Рис. 6 АЧХ участков четвертого и второго этажей корпуса. Линейчатые спектры колебаний СП: слева - кассета, справа - СМ3-КВ. Датчики ориентированы перпендикулярно друг другу, их спектры изображены на графиках прямоугольными

полосами разного тона.

Из рис. 6 видно, что собственная частота второго этажа составляет 22,5 Гц, собственная частота четвертого этажа 23,5 Гц. Можно отметить, что амплитуда колебания четвертого этажа почти в 4 раза выше, чем у второго. Большая разница амплитуд спектров от кассет и СМ3-КВ связана с тем, что сигнал от кассет усиливался в 1000 раз, сигнал от СМЗ-КВ не усиливался.

во

Время, с

Рис.7. Зависимость ампитуды спектра от продолжительности наблюдений

Обнаружен эффект накопления: амплитуда полезного сигнала нарастала с увеличением продолжительности времени наблюдений (см. рис.7). Различию тонов полос на графике соответствует разная ориентировка каналов

Вышоды

Экспериментально с примене-нием генераторного метода проведено обследование и получены с высокой степенью надежности амплитудные характеристики реального здания. Изучены возможности генераторного метода. Данный способ возбуждения зданий, ввиду небольших затрат, простоты проведения и высокой точности получаемых результатов, будет полезен для динамической паспортизации зданий и сооружений.

1. Список литературы

2. ДБН В.1.1-12: 2006. 84 с. «Строительство в сейсмических районах Украины». ГП «Укрархбудинформ».

3. Бугаевский Г.Н. «Основы сейсмологии и динамической теории сейсмостойкости». Симферополь, 2010. с. 3-4.

4. Бугаевский Г.Н., Волосович О.В., Бугаевский А.Г. «Динамическая паспортизация зданий и сооружений - основа повышения качества строительства объектов». НАПКС Сборник научных трудов, вып. №24-25. с. 10-13.

5. Разработка методики возбуждений колебаний зданий и сооружений для проведения динамической паспортизации./ Ковалев А.А., Агапов В.Н.//- Симферополь: НАПКС, 2011.- Вып. 35.- С. 157-166.

6. Резонансные свойства верхней части разреза./Еманов А.Ф., Красников А.А., Бах А.А., Еманов А.А., Семин А.Ю., Черепанов А.В.//-Новосибирск: Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, 2007.-Вып.41.-С.26-36.

7. Бугаевский Г.Н., Багмут А.В. Настенные трехкомпонентные сейсмометрические комплексы для динамической паспортизации зданий. Сб. научных трудов «Строительство, материаловедение, машиностроение», вып. 65. Днепропетровск, 2012. С. 98-103.