CC BY
54
УДК 553.34
БАСАКИНА Ирина Михайловна, главный специалист Архангельского научного центра Уральского отделения Российской академии наук. Автор 20 научных публикаций
ОПЫТ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДИК
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ АРХИТЕКТУРНЫХ ПАМЯТНИКОВ*
В статье представлен опыт диагностики состояния памятника архитектуры с помощью геофизических методик. Сейсмометрическим способом ветровых колебаний получены основные частотные характеристики сооружения. Показано, что применение арочной конструкции в строительстве данного сооружения позволяет перераспределять ветровые нагрузки. С использованием сейсморазведки получены скоростные характеристики основания фундамента.
Инженерно-сейсмометрический метод, сейсморазведочный метод преломленных волн, мониторинг сооружения, спектр мощности, частота
1. Введение. «Сохранение природы и сохранение культурной среды стоят рядом: это проблема Экологии с большой буквы» - это слова академика Д.С. Лихачева. Сейчас идет возрождение Соловецких островов как историко-архитектурного и духовного центра России и в т.ч. комплекса сооружений различного назначения: культовых, фортификационных и административно-хозяйственных. Такой подход определяется необходимостью рассматривать архитектурный памятник в его историко-культурном контексте с пониманием строительных приемов, применявшихся при его создании, и функциональных связей с окружающей средой - природной или антропогенной [1].
На примере обследования церкви Вознесения на Секирной горе Большого Соловецкого о-ва рассмотрена возможность комплексирования сейсморазведочного и инженерно-сейсмометрического методов для решения следующих задач:
- оценка напряженно-деформированного состояния конструкции и несущей способности для проведения реставрационных работ;
- выбор опорных точек и проведение мониторинга состояния конструктивной целостности сооружения, осуществление мониторинга грунтов, оценка роли комплекса внешних воздействий;
- выявление строительных приемов, использовавшихся при возведении надземной части сооружений и устройстве фундаментов.
© Басакина И.М., 2010
* Автор признателен доктору физико-математических наук Н.К. Капустян за многочисленные консультации, а также сотрудникам Соловецкого музея-заповедника и насельникам Свято-Вознесенского Секирного скита за всестороннюю помощь в исследованиях.
2. Используемые методики и обработка материалов наблюдений. Методика ветровых колебаний основана на регистрации в различных точках здания и на грунте микро-сейсм с последующим выделением из них собственных колебаний, присущих обследуемому сооружению [2]. Выбор точек регистрации определяется задачей и конструктивной схемой здания. В случае церкви Вознесения, компактной в плане, достаточно проведения измерений по высоте (на разных ярусах) и на грунте вне здания. Запись микросейсм в течение примерно 20 мин. производится путем точечных расстановок сейсмометров (велосиметров или акселерометров). Для наблюдений на сооружениях данным методом основными являются горизонтальные компоненты колебаний, которые ориентируются по осям здания.
Метод преломленных волн (МПВ) в модификации малоглубинной сейсморазведки с ударами кувалды используется для картирования свойств верхней части геологической среды в зоне взаимодействия памятника с подстилающими грунтами. При обработке в первых вступлениях выделяются преломленные волны, связанные с сильными преломляющими границами, характеризуемыми различными граничными скоростями. Для регистрации использовали 12-канальную сейсмостанцию GEODE
фирмы Geometricsв (USA), сейсмограммы обрабатывались программой RadExPro.
3. Диагностика архитектурного памятника на примере церкви Вознесения на Секирной горе, Соловецкие о-ва. Покажем результат обследования церкви Вознесения на Секирной горе методом ветровых колебаний и методом преломленных волн.
На рис. 1 показаны спектры мощности исследуемого объекта, полученные велосиметра-ми СМ-3 в линейном и на низких частотах логарифмическом масштабах. Выделяется серия максимумов на отмеченных частотах (1,17; 3,7;
4,49 и 6,8 Гц), а также видно, что амплитуда колебаний соответствующих частот может быть существенно различной. Для того чтобы получить типичное значение амплитуды колебаний, характеризующее точку, эта величина определяется в скользящем временном окне для всего интервала наблюдений. Строится распределение, по которому оценивается медианное значение для каждой частоты, каждой компоненты регистрации и каждой точки наблюдений (рис. 2).
Важным параметром, характеризующим конструктивную целостность сооружения, является картина его перемещений при ветровых воздействиях. Чтобы представить траекторию движения точек сооружения, строились диаграммы-ромбы: по осям откладывались амплитуды
Рис. 1. Спектры мощности, полученные велосиметрами СМ-3 в линейном (слева) и логарифмическом (справа) масштабах на первом ярусе (ц. Вознесения, гора Секирная)
Рис. 2. Определение медианного значения амплитуды сигнала по данным статистического анализа (слева) и представление траектории движения точек сооружения на диаграммах ромба (справа)
колебаний на соответствующих горизонтальных компонентах, последовательно перебирался весь набор частот (рис. 2). Сопоставление форм диаграмм ромбов показывает следующее. На 1 -м ярусе, т.е. практически на земле, на низкой частоте 1,17 Гц амплитуды по осям равны, а значит, движение практически круговое, на чистоте
4,49 Гц - эллипс с ориентацией «север-юг», но близкий к круговому движению, на частоте 3,7 Гц
- эллипс в направлении «восток-запад». Последнее определяется наличием пристройки на первом этаже именно в этом направлении.
Значения собственных частот сооружения определяются геометрией здания, его матери-
алом, а также на низких частотах играет роль связь сооружения с грунтом основания. В данном случае это колебания на частоте 1,17 Гц, для которых на полу 1-го яруса регистрируется ненулевое смещение, что указывает на перемещение совместно с фундаментом, и характерно практически круговое движение (рис. 2).
Покажем чувствительность методики на примере мониторинга состояния здания при выполнении работ, связанных с восстановлением храма, в т.ч. с заменой элементов, определяющих жесткость. На рис. 3 представлены результаты мониторинга храма в виде кривых изменения амплитуды колебаний по компонен-
Рис. 3. Изменение с высотой амплитуд колебаний с учетом фаз церкви Вознесения на Секирной горе на собственной частоте 4,49 Гц на компонентах С-Ю и В-3 при мониторинге в различные годы
там С-Ю и В-З от высоты здания (1, 2, 3 ярусы), построенные с учетом фазовых соотношений. Наблюдения в разные годы выполнялись при различной силе ветра, что определило абсолютные значения амплитуд колебаний. Особенностью размещения здания является преобладание ветров восточного направления, что позволяет качественно сравнивать отношения компонент С-Ю и В-З. Сравнение кривых при мониторинге показывает, что в 2005 и 2007 годах наблюдалось различие между характером нарастания амплитуды с высотой по разным компонентам, что отражает разную эффективную жесткость конструкций по разным осям плана здания. При обследовании здания в 2009 году кривые изменения амплитуды колебаний с высотой по компонентам С-Ю и В-З подобны, что свидетельствует о появлении у здания более близких жесткостных характеристик, это следует ожидать при практически квадратном плане. Все это подтверждает изменение параметров конструкций. Полученные различия отражают процесс реставрации храма, делающий его конструкцию более «цельной».
Другой геофизический метод, применяемый в комплексе с сейсмометрическим методом ветровых колебаний, - малоглубинная сейсморазведка, использовавшаяся для получения строения грунтового основания - положения основных границ раздела слоев и скоростей продольных волн в них, значения которых отражают их вещественный состав. Про-
фили проложены с каждой из доступных сторон плана здания и длинный профиль вдоль дороги, ведущей к храму. Устройство фундамента не исследовалось ранее, но, по полученным результатам, самый верх основания вдоль ПР1 характеризуется более высокими скоростями (830 м/с), чем боковой ПР3 (627 м/с) и нижний ПР4 (549 м/с). По-видимому, строители при выполнении фундамента и устройстве искусственного основания церкви проводили дополнительно укрепление алтарной (восточной) части здания, т.е. со стороны действия основных ветров. Этот результат указывает на возможный факт «предпроектного» обследования местности для выбора конструктивного решения фундамента и проведению мероприятий по укреплению основания. Полученные на профилях скоростные характеристики будут заложены в расчет коэффициента постели при создании расчетной модели конструкции.
4. Выводы. На данном примере представлен опыт по диагностике архитектурного памятника с применением геофизических методик. Надеемся, что результат исследований будет перспективным не только для реставрации, но и для изучения архитектурно-строительного наследия, в т.ч. устройства искусственного основания и применения арочной конструкции как приемов конструктивных решений, позволяющих перераспределять ветровые воздействия для обеспечения целостности сооружения.
Список литературы
1. Пашкин Е.М. Инженерная геология: учеб. пособие. М., 2005.
2. Юдахин Ф.Н., Капустян Н.К., АнтоновскаяГ.Н. Инженерно-сейсмические исследования геологической среды и строительных конструкций с использованием ветровых колебаний зданий. Екатеринбург, 2007.
3. ГурвичИ.И. Сейсморазведка. М., 1975.
Basakina Irina
GEOPHYSICAL TECHNIQUES APPLICATION FOR DIAGNOSIS OF HISTORIC BUILDINGS STRUCTURAL INTEGRITY
The results of historical building diagnosis by means of geophysical techniques are presented in the article. Basic frequency characteristics of the building are measured by the seismometrical method based on wind oscillations. It is shown that the arc type construction of the building allows distributing the wind-induced loads. Basic velocity characteristics of the basement obtained with the help of seismic probing are presented as well.
Контактная информация: e-mail: ibasakina@yandex.ru
Рецензент - КутиновЮ.Г., доктор геолого-минералогических наук Института экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук
