ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ КАРКАСНОГО ЗДАНИЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ШУМА В Г. УЛАН-БАТОРЕ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Оригинальная статья / Original article УДК 699.841

DOI: https://d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2020-2-198-205

Оценка динамической реакции каркасного здания

под воздействием микросейсмического шума в г. Улан-Баторе

© А.Д. Базаров1, Б. Лундэнбазар2, А.К. Комаров3, И.А. Иванов1

1Геологический институт СО РАН, БурФ Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН», г. Улан-Удэ, Россия

2Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ, Россия 3Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия

Резюме: При длительной эксплуатации зданий и сооружений в конструкционных элементах накапливаются повреждения, что может привести к нарушениям прочностных связей, особенно при сейсмических воздействиях. Поэтому для зданий и сооружений, расположенных в районах с высокой сейсмической активностью, рекомендуется проводить периодический мониторинг технического состояния. С учетом зависимости динамических характеристик от интегральных прочностных свойств конструкций мониторинг целесообразно проводить на основе исследования динамических характеристик строительных конструкций. Исследования проводились с помощью «микродинамического метода», основанного на определении передаточных функций между колебаниями в узловых точках конструкции и микросейсмическим шумом в основании здания. Действительные механические свойства несущих конструкций учитывают пространственную работу здания в целом при действии нагрузок. Землетрясения приводят к колебательным воздействиям при любой конструктивной схеме здания или сооружения. Колебания, в том числе и грунтов основания, характеризуются крайней нестабильностью. Учету подлежит и направление развития механического воздействия при землетрясении. В работе представлены результаты исследований динамической реакции 8-этажного каркасного здания на микросейсмическое воздействие. Определены исходные собственные частоты и формы колебаний, декременты затухания, на основе которых в режиме мониторинга будет отслеживаться изменение технического состояния по истечении определенного периода эксплуатации здания.

Ключевые слова: микродинамический метод, частоты и формы колебаний, каркасные здания, микросейсмический шум

Благодарности: Исследование выполнено в рамках государственного задания ГИН СО РАН проект IX. 136.1.2. «Исследование факторов, определяющих закономерности развития сейсмического процесса и сейсмическую опасность Прибайкалья» № гос. рег. АААА-А16-116121550016-3.

Информация о статье: Дата поступления 02 марта 2020 г.; дата принятия к печати 06 апреля 2020 г.; дата онлайн-размещения 30 июня 2020 г.

Для цитирования: Базаров А.Д., Лундэнбазар Б., Комаров А.К., Иванов И.А. Оценка динамической реакции каркасного здания под воздействием микросейсмического шума в г. Улан-Баторе. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020;10(2):198—205. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-2-198-205

Dynamic response assessment of a frame building affected by microseismic noise in the city of Ulan Bator

Artem D. Bazarov, Bilegjargal Lundenbazar, Andrey K. Komarov, Igor A. Ivanov

Geological Institute SB RAS, Ulan-Ude, Russia

East Siberia State University of Technology and Management, Ulan-Ude, Russia Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia

Abstract: During the long-term operation of buildings, damage is accumulated in structural elements leading to violations of strength bonds, especially during seismic impacts. Therefore, for buildings and structures located in areas having high seismic activity, periodic monitoring of the technical condition of buildings is recommended. Given the dependence of dynamic characteristics on the integral strength

Том 10 № 2 2020

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 198-205 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _pp. 198-205

ISSN 2227-2917 190 (print)

190 ISSN 2500-154X (online)

Базаров А.Д., Лундэнбазар Б., Комаров А.К., Иванов И.А. Оценка динамической реакции каркасного здания Bazarov AD, Lundenbazar B, Komarov AK, Ivanov IA. Dynamic response assessment of a frame building affected

properties of structures, monitoring should be based on a study of the dynamic characteristics of building structures. The present studies were carried out using a microdynamic method based on a determination of the transfer functions between vibrations at the nodal points of the structure and microseismic noise measured at the building base. The actual mechanical properties of the supporting structures take into account the spatial work of the building as a whole under the action of loads. Affecting any design, earthquakes are acknowledged to result in vibration effects leading to structural instability including base soils. The direction of mechanical impact development during an earthquake must also be taken into account. The paper presents the results of dynamic response studies into microseismic effects affecting an 8-storey frame building. The initial natural frequencies and modes of vibration are determined along with the damping constants to form a basis for the monitoring of the changes in the technical condition of the building following a given period of operation.

Keywords: microdynamic method, frequencies and forms of vibrations, frame buildings, microseismic noise

Acknowledgements: The Study was performed in the framework of the state assignment of GIN SB RAS project IX. 136.1.2. "Study of factors that determine the regularities of the development of the seismic process and the seismic hazard of Baikal region" № state reg. AAAA-A16-116121550016-3.

Information about the article: Received March 02, 2020; accepted for publication April 06, 2020; available online June 30, 2020.

For citation: Bazarov AD, Lundenbazar B, Komarov AK, Ivanov IA. Dynamic response assessment of a frame buildingaffected by microseismic noise in the city of Ulan Bator. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020;10(2):198-205. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-2-198-205

Введение

Город Улан-Батор характеризуется наличием объектов различных конструктивных схем, возведенных преимущественно в последние 50-60 лет. Большинство из них проектировалось с учетом сейсмостойкости 7 и 8 баллов [1, 2].

В целях обеспечения технической безопасности эксплуатируемых зданий и сооружений требуется периодический контроль и оценка технического состояния на этапе строительства и в период эксплуатации.

Для массового обследования объектов строительства наиболее предпочтительными являются методы, основанные на анализе динамических характеристик зданий и сооружений под воздействием микросейсмического шума.

Работы [3, 4] по исследованию сейсмической реакции строительных конструкций под воздействием микросейсмического шума (микродинамический метод) показали широкие возможности метода для локализации скрытых дефектов и определения амплитудно-частотных характеристик системы «здание - грунтовое основание».

Такие натурные работы также важны и необходимы для калибровки численных моделей, на основе которых вычисляется фактическая сейсмостойкость зданий и сооруже-

ний [5].

В статье представлены результаты экспериментальных исследований динамической реакции 8-этажного каркасного здания на микросейсмическое воздействие, построенного на площадке с 7-балльной сейсмической опасностью.

Работа проводилась для определения исходных динамических характеристик объекта строительства с целью дальнейшего мониторинга технического состояния согласно нормативным документам1 и оценки фактического уровня сейсмостойкости здания на основе сравнения текущих динамических характеристик с исходным состоянием, как было показано в работе [6].

Описание здания

8-этажный жилой каркасный дом (рис. 1) имеет размеры в плане 110,5*18,0 м. Обследуемая блок-секция в продольном направлении имеет 4 оси; шаг осей 6,0*3=18,0 м, в поперечном направлении - 20 осей; шаг поперечных стен принят равным 6,3, 5,7 и 6,0 м. В подвале здания размещена автостоянка.

Несущими элементами здания являются: каркас, продольные и поперечные стены, обеспечивающие пространственную жесткость здания. Элементы каркаса и диафрагмы выполнены из железобетона. Диа-

1СП 47.13330.2016 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Введ. 01.07.2017. М.: Стандартинформ, 2017.

Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917

с. 198-205 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 199 Vol. 10 No. 2 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2600-164X 199 _pp. 198-206_(online)_

фрагмы жесткости расположены несимметрично относительно центра тяжести здания. Заполнение каркаса и внутренний слой наружных стен - из пенобетонных блоков толщиной 360 мм, утепленных снаружи слоем полистерола толщиной 100 мм.

На первом этаже облицовочный слой выполнен из кирпичной кладки толщиной 120 мм.

На типовых этажах утеплитель из полистерола защищен облицовочными плитами толщиной 20 мм. Сечение колонн принято в

подвале и на 1-2-м этажах - 600*600 мм; на 3-6-м этажах - 500*500 мм; на верхних этажах - 400*400 мм.

Здание имеет совмещенную кровлю с минимальными уклонами. Перекрытие выполнено из монолитных железобетонных плит толщиной 150 мм. Здание оборудовано лифтами и мусоропроводами.

Лестницы выполнены из монолитных железобетонных конструкций. Высота подвала составляет 3,8 м, первого этажа - 3,3 м, типовых этажей - 2,85 м.

Рис. 1. Блок-секции каркасного 8-этажного жилого дома № 403. Микрорайон «Баянгоол» Fig. 1. Block sections of frame 8-storey building № 403. Microdistrict «Bayangol»

Методика инженерно-сейсмометрического исследования

Основа метода - теория колебаний механических систем при случайном воздействии.

Согласно указанной теории динамическое (имитирующее сейсмическое) воздействие на здание фиксируется за счет передаточной функции конструктивно-механической системы.

Микросейсмический фон - динамическое воздействие прикладывается в основной точке наблюдения в зоне сопряжения с грунтом основания в центре тяжести здания.

Сигнал регистрируется датчиком в опорном пункте и в пунктах наблюдения, которые располагаются равномерно в наиболее характерных точках здания, приемуществен-но в узлах сопряжения конструкций. Для тео-

ретического и практического обеспечения процесса преобразования сигнала применен фильтр Винера-Колмогорова и, в данном случае, 24-канальная инженерно-сейсмометрическая станция «Иркут» (А.Д. Базаров, ГИН СОРАН) [7].

В период обследования здание конструктивных изменений не претерпело, и результаты обследования можно считать объективными и корректными [8].

При наблюдениях была принята следующая система координат: ось Z - направлена вверх; У - вдоль короткой, поперечной, а Х - вдоль длинной (продольной) оси здания. Один из датчиков использовался в качестве опорного и располагался в уровне 1-го этажа, а три других поочередно устанавливались по всем измерительным уровням.

ISSN 2227-2917 Том 10 № 2 2020 200 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 198-205

200 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _(online)_pp. 198-205

Базаров А.Д., Лундэнбазар Б., Комаров А.К., Иванов И.А. Оценка динамической реакции каркасного здания ... Bazarov AD, Lundenbazar B, Komarov AK, Ivanov IA. Dynamic response assessment of a frame building affected ...

Собственные частоты колебания дома № 403 в микрорайоне «Баянгоол» Own vibration frequencies of house № 403 in microdistrict «Bayangol»

Частота, Гц Направление Коэффициент затухания Коэффициент усиления Описание

3,06 Продольное(Х) 0,1 10 Первая форма

9,25 Продольное(Х) - - Вторая форма

2,8 Поперечное(У) 0,2 11 Первая форма

5,25 Поперечное(У) - - Вторая форма

9,56 Поперечное(У) - - Изгибаемая форма

12

1o

n s

и

■é

m

о »

б 8 Частота, Гц. a

12

1o

ч s

и

■fr

m о

а

I 2,8125

3,1875

5,25

9,5б25 -

«JЫШ IL, ^„Artfifeí г./ fу i', WpY'"\M

1 этаж

2 этаж

3 этаж

4 этаж

5 этаж

6 этаж

7 этаж

8 этаж

1o

12

14

Частота, Гц. b

Рис. 2. Передаточные функции для продольного (a) и поперечного направлений (b) Fig. 2. Transfer functions for the longitudinal (a) and transverse (b) directions

S

б

4

2

o

S

б

4

2

o

o

2

4

Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917

с. 198-205 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 201 Vol. 10 No. 2 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 20 1 pp. 198-205_(online)_

усиление, ед.

a b

Рис. 3. Эпюры форм колебаний в продольном (а) и поперечном (b) направлении Fig. 3. Form of oscillations in the longitudinal (a) and transverse (b) direction

Результаты и их обсуждение

При микросейсмических измерениях один трехкомпонентный акселерометр «А1632» использовался как опорный и располагался в уровне пола подземной автостоянки. Остальные датчики устанавливались на рядовых точках, расположенных по лестничным площадкам с 1-го по 8-й этажи поочередно.

Спектры передаточной функции в точках наблюдений от динамического воздействия фиксируются по продольному и поперечному направлениям на определенных частотах.

По продольному направлению выделяются три максимума на частотах 3,06, 4,5 и 9,25 Гц (рис. 2). По поперечному направлению выделено четыре максимума на частотах 2,81, 4,37, 5,25, 9,56 Гц.

Передача основных тонов с поперечного и продольного направлений на ортодоксальные направления - факт присутствия поворотных компонентов по ряду интенсивных форм собственных колебаний. Это за-

фиксировано при частоте 2,81 Гц в поперечном направлении и при частоте 3,06 Гц в продольном направлении. На 5-8-м этажах здания в спектрах наблюдаются дополнительные тоны на частотах 4,25 и 4,37 Гц, что подтверждает появление неоднородностей несущих конструкций на верхних этажах здания.

После специальной обработки микросейсмических записей в программном комплексе «BuildMod» [9] микросейсмических записей выявлены следующие формы собственных колебаний здания (таблица, рис. 2 и 3).

Продольное направление (вдоль оси X) Первая поступательная форма колебаний на частоте 3,06 Гц (рис. 3, а). Усредненный логарифмический декремент затухания равен 0,1. Вторая форма колебания зафиксирована на частоте 9,25 Гц.

Поперечное направление (вдоль оси Y)

Первая поступательная форма колебаний зарегистрирована на частоте 2,81 Гц (рис. 3, Ь). Усредненный логарифмический декремент затухания равен 0,2. Вторая по-

ISSN 2227-2917 Том 10 № 2 2020 202 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 198-205

202 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _(online)_pp. 198-205

Базаров А.Д., Лундэнбазар Б., Комаров А.К., Иванов И.А. Оценка динамической реакции каркасного здания Bazarov AD, Lundenbazar B, Komarov AK, Ivanov IA. Dynamic response assessment of a frame building affected

ступательная форма колебаний на частоте 5,25 Гц. Первая изгибная форма колебания на частоте 12,56 Гц.

Вертикальное направление (вдоль оси Z)

Колебания вдоль вертикальной оси не выявлены.

Заключение

В работе представлены результаты исследований динамической реакции

8-этажного каркасного здания на микросейсмическое воздействие.

Определены исходные собственные частоты и формы колебаний, декременты затухания, на основе которых в режиме мониторинга будет отслеживаться изменение технического состояния по истечению определенного периода эксплуатации здания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бержинская Л.П., Саландаева О.И., Базаров А.Д., Киселев Д.В., Дэмбэрэл С. Оценка сейсмической надежности современной застройки г. Улаанбаатора // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2014. № 1. С. 49-54.

2. Джурик В.И., Ключевский А.В., Серебренников С.П., Демьянович В.М., Батсайхан Ц., Баяраа Г. Сейсмичность и районирование сейсмической опасности территории Монголии / Под ред. Ф.И. Иванова. Иркутск: Изд-во ИЗК СО РАН, 2009. 420 с.

3. Еманов А.Ф., Селезнёв В.С., Бах А.А., Гриценко С.А., Данилов И.А., Кузьменко А.П., Сабуров В.С., и др. Пересчёт стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях // Геология и геофизика. 2002. Т. 43. № 2. С. 192-207.

4. Татьков Г.И., Базаров А.Д., Бержинский Ю.А. Оценка информативности микродинамических измерений при натурных испытаниях безригельного каркаса серии 1.120с. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2010. № 1. С. 21-27

5. Бержинский Ю., Киселев Д. Расчетная и экспериментальная оценки динамических ха-

рактеристик здания с безригельным каркасом с использованием ВК SCAD Office // CADmaster. 2009. № 5. C. 116-120.

6. Татьков Г.И., Баранников В.Г., Сабуров В.С., Тубанов Ц.А. Оценка сейсмической уязвимости зданий повторными измерениями модальных форм собственных колебаний // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2005. № 6. С. 27-31.

7. BuildMod - программа для анализа динамических характеристик инженерных сооружений: свид-во об официальной регистрации программы для ЭВМ 2014619571, РФ / А.Д. Базаров. Правообладатель ГИН СО РАН; заявл. № 2014614214; дата поступления: 05.05.2014; дата регистрации: 18.09.2014.

8. Базаров А.Д., Суржиков А.П. Разработка аппаратно-программного комплекса для контроля динамических характеристик инженерных сооружений // Контроль. Диагностика. 2014. № 11. С. 57-61.

https://doi.org/10.14489/td.2014.011.pp.057-061

9. Сабуров В.С., Кузьменко А.П. Обследование зданий повышенной этажности. Инженерно-сейсмометрический метод. Lambert Academic Publ., 2013. 184 с.

REFERENCES

1. Berzhinskaia LP, Salandaeva OI, Bazarov AD, Kiselev DV, Demberel S. Seismic Reliability of Modern Housing in Ulaanbaatar City. Seismostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzhenii = Earthquake engineering. Constructions safety. 2014;1:49-54. (In Russ.).

2. Dzhurik VI, Klyuchevskii AV, Serebrennikov SP, Dem'yanovich VM, Batsaikhan Ts, Bayaraa G. Seismicity and seismic hazard zoning of Mongolian territory. Irkutsk: Institute of the Earth's crust SB RAS; 2009. 420 p. (In Russ.).

3. Emanov AF, Seleznev VS, Bach AA, Grit-senko SA, Danilov IA, Kuzmenko AP, Saburov VS, et al. Recalculation standing waves with detailed engineering and seismological studies. Geologiya i geofizika = Geology and Geophysics. 2002;2:192-207. (In Russ.)

4. Tatkov GI, Bazarov AD, Berzhinsky YuA. Assessment of informativity of microdynamic

measurements during field tests of 1.12c series of jointless frame. Seismostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzhenii = Seismic resistant construction. Safety of buildings. 2010;1:21-27. (In Russ.).

5. Berzhinsky Yu, Kiselev D. Calculation and experimental evaluation of dynamic characteristics of a building with a frigless frame using the SCAD Office VC. CADmaster. 2009;5:116-120. (In Russ.).

6. Tatkov GI, Barannikov VG, Saburov VS, Tubanov TsA. Assessment of seismic vulnerability of buildings by repeated measurements of modal forms of natural vibrations. Seismostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzhenii = Earthquake engineering. Constructions safety. 2005;6:27-31. (In Russ.).

7. Bazarov AD. Build-Mod - a program for analyzing the dynamic characteristics of engineering

Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917

с. 198-205 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 203 Vol. 10 No. 2 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 203 pp. 198-205_(online)_

structures: Certificate of official registration of the computer program 2014619571, Russia. № 20134614214 (In Russ.). 8. Bazarov AD, Surzhikov AP. Development of a hardware-software complex to control the dynamic characteristics of engineering structures. Kontrol'. Diagnostika = Testing. Diagnostics.

2014;11. (In Russ.)

https://doi.org/10.14489/td.2014.011.pp.057-061 9. Saburov VS, Kuzmenko AP. Inspection of high-rise buildings. Engineering seismometric method. LAMBERT Academic Publ., 2013. 184 p. (In Russ.).

Критерии авторства

Базаров А.Д., Лундэнбазар Б., Комаров А.К., Иванов И.А. имеют равные авторские права и несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Сведения об авторах

Базаров Артем Дамбиевич,

кандидат технических наук, Геологический институт СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6а, Россия,

e-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7088-3617

Лундэнбазар Билэгжаргал,

аспирант,

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40B, Россия,

e-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4110-6384

Андрей Константинович Комаров,

кандидат технических наук,

профессор, заведующий кафедрой

строительного производства,

Иркутский национальный исследовательский

технический университет,

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83,

Россия,

Ие-mail: [email protected] 0RCID:https://orcid.org/0000-0002-4514-9939

Contribution

Bazarov A.D., Lundenbazar B., Komarov A.K., Ivanov I.A. have equal author's rights and bear the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.

Information about the authors

Artem D. Bazarov,

Cand. Sci. (Eng.), Geological Institute SB RAS, 6a Sakhyanova St., Ulan-Ude 670047, Russia,

e-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7088-3617

Bilegjargal Lundenbazar,

Postgraduate Student,

East Siberia State University of Technology and Management,

40B Klyuchevskaya St., Ulan-Ude 670000, Russia,

e-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4110-6384

Andrey K. Komarov,

Cand. Sci. (Eng.), Professor,

Head of the Department of Construction

Production,

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia, He-mail: [email protected] 0RCID:https://orcid.org/0000-0002-4514-9939

ISSN 2227-2917 Том 10 № 2 2020 204 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 198-205

204 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _(online)_pp. 198-205

Базаров А.Д., Лундэнбазар Б., Комаров А.К., Иванов И.А. Оценка динамической реакции каркасного здания Bazarov AD, Lundenbazar B, Komarov AK, Ivanov IA. Dynamic response assessment of a frame building affected

Иванов Игорь Алексеевич,

доктор технических наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства,

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40В, е-таИ: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5299-8920

Igor A. Ivanov,

Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor,

East Siberia State University of Technology and

Management,

40B Klyuchevskaya St., Ulan-Ude 670000, Russia,

e-mail: [email protected]

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5299-8920

Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917

с. 198-205 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 205 Vol. 10 No. 2 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 205 pp. 198-205_(online)_