ВЛИЯНИЕ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 1 (20)

Обзорная статья УДК 699.84

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура; 30.19 Механика деформируемого твердого тела

ВАК: 2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения; 2.1.5. Строительные материалы и изделия;

2.1.9. Строительная механика; 1.1.8. Механика деформируемого твёрдого тела

doi:10.51608/26867818_2023_1_111

Аннотация. В статье приводится анализ различных подходов по ограничению вибродинамических воздействий на строительные конструкции зданий и сооружений. В большинстве исследований в качестве критерия влияния вибраций используют максимальную величину скорости колебаний фундамента при внешних воздействиях, которые распространяются в грунтовой среде. За последние 20 лет автором накоплен значительный массив опытных данных по воздействию вибраций на конструкции зданий и сооружений в различных грунтовых условиях. Измеренные величины скоростей колебаний сравнивались с предельными параметрами колебаний по действующим нормам ряда стран. По результатам этого анализа был выделен нормативный документ, совпадающий с данными измерений по характеру последствий воздействия вибраций.

Это нормативный документ, используемый в Великобритании. Определено безопасное расстояние при вибрационном погружении свай и шпунтовых металлических балок в грунт. Оно составляет 21 м. Выделены основные факторы, определяющие повреждение конструкций. К ним относятся инженерно-геологические условия грунта в основании фундаментов, подвергающихся воздействию, степень повреждения здания, тип и конструкция здания или сооружения, частота колебаний, продолжительность действия вибрации, расстояние до источника колебаний, вид источника колебаний, материал сооружения и тип фундамента.

На основании анализа факторов, определяющих повреждение конструкций, определены параметры здания или сооружения, менее чувствительных к вибродинамическим воздействиям и обладающего высокой эксплуатационной надежностью. Это здания и сооружения с железобетонным или стальным каркасом, размещенных на фундаментах из свай-стоек и расположенных на маловлажных крупных песках или полутвердых и твердых суглинках и глинах.

Ключевые слова: воздействия; вибрации; разрушение; строительство; скорость колебаний; эксперимент; нормирование; безопасность объектов строительства

Для цитирования: Повколас К.Э. Влияние вибродинамических воздействий на здания и сооружения // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 111-115. Сок10.51608/26867818_2023_1_111.

Original article

Annotation. The article provides an analysis of various approaches to limiting vibrodynamic effects on the building structures. In most studies, as a criterion for the influence of vibrations, the maximum value of the foundation vibration velocity is used under external influences that propagate in the soil environment. Over the past 20 years, the author has accumulated a significant set of experimental data on the impact of vibrations on the structures in various soil conditions. The measured values of the oscillation velocities were compared with the limiting oscillation parameters according to the current standards of a number of countries. Based on the results of this analysis, a normative document was identified that coincided with the measurement data in terms of the nature of the consequences of vibration exposure. This is the normative document used in the UK. The safe distance is determined during vibration driving of piles and sheet piling metal beams into the ground. It is 21 m. The main factors that determine

ВЛИЯНИЕ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

© Автор 2023

SPIN: 1722-5529

Author! D: 971084

ORCID: 0000-0003-4852-7891

ResearcherlD: D-3742-2018

ПОВКОЛАС Константин Эдуардович

кандидат технических наук, доцент,

докторант кафедры «Гидротехническое и энергетическое строительство, водный транспорт и гидравлика» Белорусский национальный технический университет (Республика Беларусь, Минск, e-mail: [email protected])

INFLUENCE OF VIBRODYNAMIC EFFECTS ON BUILDINGS AND STRUCTURES

© The Author(s) 2023

POVKOLAS Konstantin E.

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Doctoral Candidate

Belarusian National Technical University

(Republic of Belarus, Minsk, e-mail: [email protected])

Технические науки. Строительство и архитектура ■

the damage to structures are identified. These include the engineering and geological conditions of the soil at the base of the affected foundations, the degree of damage to the building, the type and design of the building or structure, the vibration frequency, the duration of the vibration, the distance to the vibration source, the type of vibration source, the material of the structure and the type of foundation. Based on the analysis of the factors that determine damage to structures, the parameters of a building or structure that are less sensitive to vibrodynamic effects and have high operational reliability are determined. These are buildings and structures with a reinforced concrete or steel frame, placed on pile-rack foundations and located on low-moisture coarse sands or semi-solid and hard loams and clays.

Keywords: impacts; vibrations; destruction; construction; vibration speed; experiment; regulation, safety of structures

For citation: Povkolas K.E. Influence of vibrodynamic effects on buildings and structures // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Рр. 111-115. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_1_111.

Введение

Развитие инфраструктуры городов, рост и модернизация промышленности приводит к увеличению вибрационной нагрузки на здания и сооружения, ускоряя процессы их физического износа. В ряде случаев, влияние вибродинамических воздействий может иметь более серьезные последствия в виде нарушения эксплуатационной пригодности строительных конструкций. В этой связи вопрос прогнозирования уровня вибраций и оценка его допустимости становится все более актуальным. Наибольшую опасность представляют такие процессы как забивка свай, вибропогружение и виброизвлечение шпунта, промышленные взрывы, работа кузнечных молотов и копров. Их негативное воздействие может проявляться внезапно - в течение долей секунд. Не меньшую опасность представляют длительно действующие источники с вибрациями меньшей интенсивности, такие как рельсовый транспорт, машины и механизмы с динамическими нагрузками, турбогенераторы тепловых электростанций. Их влияние менее заметно и выражается в виде длительного развития дополнительных осадок оснований фундаментов, вследствие виброползучести грунтов и усталостного разрушения материала конструкций в связи с постепенным накоплением дефектов. Кроме того, актуальной является и оценка степени физиологического воздействия вибраций на людей, а также механического воздействия на высокоточное оборудование.

Снижение стоимости строительства является приоритетным направлением развития строительной науки и техники. Модернизация и реконструкция промышленного производства предполагает размещение производственных мощностей и технологических линий в новых или существующих производственных помещениях и промышленной застройке. Возведение новых зданий и сооружений значительно увеличивает стоимость модернизации, снижая экономический эффект и срок окупаемости нового производства. Между тем, в Республике Беларусь имеется большое количество зданий и сооружений с остановленным производством на ремонт на содержание которых тратятся значительные средства. Зачастую, использование существующей про-

мышленной застройки ограничивается недостаточной несущей способностью и долговечностью строительных конструкций, которые не рассчитаны на восприятие интенсивных динамических воздействий от нового производства. В этой связи, возникает необходимость эффективного, надежного и экономичного усиления и виброизоляции существующих конструкций. Отсутствуют комплексные методы расчета колебаний строительных конструкций здания или сооружения, при воздействии одного или нескольких источников вибрации, расположенных в пределах объема здания (сооружения) и (или) вне него. Данный факт ограничивает возможности проектных организаций и приводит к применению завышенных коэффициентов безопасности, что увеличивает стоимость затрат как при новом строительстве, так и при реконструкции существующих зданий и сооружений.

В качестве основного критерия оценки влияния вибраций в большинстве стран принята пиковая величина скорости вертикальных колебаний фундамента или поверхности прилегающего к нему грунта. Наибольший вклад в вопросы влияния вибраций на здания и сооружения от различного технологического оборудования и транспорта в Беларуси сделан проф. Кудрявцевым И. А. [1]. В работе [2] рассматриваются механизмы влияния работы фундаментов под промышленные установки на прилегающие здания и сооружения. Влияние транспортной вибрации оценивается в работе [3]. К основным факторам, определяющим повреждение строительных конструкций зданий и сооружений, относятся частота колебаний и длительность воздействия, категория грунтовых условий, имеющиеся дефекты и повреждения, конструктивная схема строения и его функциональное назначение, характер источника вибрации и расстояние от него до строения. В данной работе преследовались следующие цели:

- выявление документа, наиболее соответствующим экспериментальным данным по оценке вибраций строительных конструкций, измеренным автором на объектах в РБ;

- определение факторов, влияющих на эксплуатационную надежность зданий и сооружений при вибрациях различной интенсивности;

ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 1 (20)

- оценка необходимости реализации мероприятий по усилению оснований и фундаментов или виброизоляции.

Методология и обсуждение

Автором систематизированы данные по влиянию вибраций на здания и сооружения, принятые в различных странах, включая результаты исследований автора [10], с выделением зон, соответствующих наиболее вероятностному проявлению дефектов конструкций. По результатам анализа данных измерений [10], нормативной литературы [4; 6-7; 9] и различных [1-2; 8] исследований выделены следующие зоны:

- нормальной эксплуатации конструкций;

- возможного появления малозначительных дефектов конструкций;

- проявления значительных дефектов конструкций;

- появления критических дефектов конструкций, с вероятным разрушением конструкций.

Данный подход позволяет прогнозировать риски повреждения конструкций.

Оценку влияния вибрации на строительные конструкции необходимо выполнять для оценки вероятных негативных последствий в виде дефектов, снижающих эксплуатационные качества. Когда нега-

тивное воздействие неизбежно, следует разработать мероприятия по виброизоляции и (или) усилению конструкции или оснований фундаментов. Один из эффективных способов виброизоляции строения путем устройства виброизоляционного барьера в грунте описан в публикации [12].

Все известные подходы к нормированию параметров колебаний конструкций можно разделить на следующие группы.

1. Ограничение по динамическим прогибам покрытий и перекрытий [4];

2. Общее ограничение вибраций конструкций

[5];

3. Ограничение по скорости вертикальных вибраций фундаментов [6; 8; 11];

4. Ограничение по горизонтальным смещениям стен [6];

5. Ограничение по допустимым напряжениям в дисках перекрытий и покрытий [6];

6. Ограничение по развитию деформаций грунтов [1; 7];

7. Ограничение по давлению на основание под фундаментом [7].

Автором выполнен сравнительный анализ данных по нормированию вибраций строительных конструкций [4-8] и собственных экспериментальных данных [10] по оценке воздействия вибраций на

Конструктивная схема и функциональное назначение здания (сооружения) Источник воздействия (расстояние до него от существующего фундамента) Наличие и характер повреждений Пиковое значение скорости вертикальных колебаний фундамента, Vпик (мм/с)

2-х этажное жилое здание из газосиликата Забивка свай (более 27 м) Повреждений не отмечено 2,1

9-ти этажное жилое панельное здание Забивка свай (более 30 м) Повреждений не отмечено 2,5

Спортзал с покрытием из металлических ферм Забивка свай (более 25 м) Повреждений не отмечено 1,06

3-х этажный жилой кирпичный жилой дом Вибропогружение шпунта (13м) Малозначительные повреждения ограждающих и несущих конструкций 29

2-х этажный панельный детский садик Вибропогружение шпунта (более 23 м) Повреждений не отмечено 10

5-ти этажный жилой дом Вибропогружение шпунта (более 21 м) Повреждений не отмечено 13

2-х этажное каркасно-па-нельное здание библиотеки Вибропогружение шпунта (около 7 м) Малозначительные повреждения ограждающих конструкций 60

9-ти этажный панельный дом Вибропогружение шпунта (25 м) Повреждений не отмечено 7,5

Фундамент под турбину на ТЭЦ-3 Работа турбоагрегата ПТ-60 Многочисленные проявления дефектов, нарушающих нормальную эксплуатацию 1,6 - 13,8 по поверхности фундамента

2-х этажное каркасно-па-нельное здание магазина Вибропогружение шпунта (3 м) Значительные повреждения ограждающих конструкций 64

1-этажное каркасно-панель-ное производственное здание Работа вибрационной испытательной платформы внутри здания Повреждений не отмечено 5,49

Результаты измерения вибраций фундаментов существующих зданий и сооружений при вибродинамических воздействиях, передаваемых на них через грунтовую среду [10]

Технические науки. Строительство и архитектура

ф

строительные конструкции. Результаты экспериментальных исследований систематизированы и сведены в таблицу. Измерения скорости колебаний производились при помощи 4-х канального виброанализатора ВИБРАН-3.2 в режиме вибросборщика с последующей обработкой данных при помощи специализированной программы на компьютере. Пьезометрические датчики устанавливались на фундаменты, покрытия и перекрытия зданий и сооружений вблизи источника вибраций, а также на поверхность грунтового основания у фундамента.

Сравнение собственных опытных данных [10], приведенных в таблице, с прочими исследованиями и нормативными документами по оценке влияния вибраций, позволила выявить норматив, совпадающий с натурными наблюдениями и наиболее достоверно описывающий последствия негативного воздействия вибраций (см. рис. 1). Это - национальный стандарт Великобритании [6]. Кроме того, описание повреждений различной степени в нем соответствует принятым в соответствующих ТНПА РБ. На рис. 1 нанесены в виде маркеров пиковые значения скорости вертикальных колебаний фундаментов зданий и сооружений, приведенные в таблице. Все они укладываются в диапазоны скоростей колебаний, принятых в исходном документе [6].

Из приведенных в таблице данных следует, что при расстояниях от ближайшего фундамента до источника колебаний более 21 м повреждений не наблюдалось. Данное расстояние можно считать безопасным.

Результаты

К основным факторам, определяющим риск повреждения конструкций, можно отнести следующие [10]:

1. Инженерно-геологические условия грунта в основании фундаментов. Этот фактор учтен в строительных нормах Беларуси и Норвегии. Различие в предельных параметрах вибраций составляет 3-7 раз соответственно для наиболее и наименее благоприятных грунтовых условий. Самыми чувствительными к воздействию вибраций являются водо-насыщенные малопрочные мелкие пески и супеси с показателем консистенции 0,9 и более.

2. Степень повреждения конструкций. Учитывается в нормах РБ, Польши и Чехии. Разница в предельных параметрах колебаний для строений без повреждений и имеющих серьезные дефекты варьируется от 2 до 2,5 раз.

3. Конструктивная схема здания или сооружения. Учитывается в нормах РБ, Польши и Чехии,

/, Гц

Рис. Зависимость пикового значения скорости на фундаменте здания ^ик (мм/с) от частоты вынужденных колебаний f (Гц); 1 - здания категории 1 (здания делового назначения

и производственные здания, имеющие каркасные или армированные конструкции); 2 - здания категории 2 (жилые здания и здания делового назначения, имеющих облегченную конструкцию, конструкцию без армирования или с облегченным каркасом)

ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 1 (20)

Германии, Британии и Норвегии. Предельные параметры колебаний для наименее и наиболее чувствительной конструктивной схемы строения варьируются от 3,4 до 6 раз.

4. Частота колебаний. Учитывается в нормах Польши, Чехии, США, Великобритании и Германии. При увеличении частоты от 1 до 100 Гц предельная скорость вертикальных колебаний изменяется в 1,6 - 50 раз. Меньшее воздействие на строение оказывают высокочастотные вибрации с частотой более 38 Гц.

5. Продолжительность действия вибрации. Учитывается в нормах Польши, Чехии, Великобритании и Германии. Различие между влиянием непостоянной и постоянной вибрацией достигает 1,6 - 3,2 раз.

6. Расстояние до источника вибраций. В нормах Норвегии при расстояниях от источника до приемника вибраций более 5 м вводится понижающая поправка, равная 0,5 при расстоянии более 200 м.

7. Вид источника воздействий. Учитывается в нормах РБ и Норвегии. Максимальное влияние оказывают взрывные работы, забивка свай и шпунта, снос сооружений.

8. Материал строения. Учитывается в нормах Норвегии. Отличие в предельных параметрах скорости колебаний для строений из железобетона и из бетонных поризованных блоков и аналогичных материалов, достигает 60%.

9. Тип фундамента. Учитывается в нормах Норвегии. Отличие в предельных параметрах вибраций для фундаментов в виде свай-стоек и плитных (ленточных и столбчатых) фундаментов, составляет 30%.

На основании сравнительного анализа нормативных документов разных стран и экспериментальных данных, полученных автором, определены параметры строений, наименее чувствительных к вибродинамическим воздействиям. Строение должно быть с железобетонным или стальным каркасом, не иметь дефектов, со свайными фундаментами, расположенными в прочных крупных песках или прочных суглинках глинах.

Выводы

1. Сравнение опытных данных автора, с результатами исследований влияния вибраций на конструкции зданий и сооружений, проведенных в различных странах, позволила выявить стандарт Великобритании, совпадающий с результатами инструментальных измерений вибраций, приведенных в таблице, и наиболее достоверно описывающий последствия их воздействия. Описание повреждений

строительных конструкций различной степени в указанном стандарте соответствует принятым в соответствующих нормах Беларуси.

2. Выявлены основные факторы, определяющие условия повреждения зданий или сооружений при вибродинамических воздействиях, передаваемых через грунтовую среду.

Библиографический список

1. Кудрявцев И. А. Влияние вибрации на нижнее строение рельсового пути, здания и сооружения: Автореф. дис... д-ра. техн. наук: 05.22.06 / И. А. Кудрявцев; БелГУТ. -М, 1995. - 43 л.

2. Берлинов М. В. Основы комплексной оценки динамической работы строительных конструкций при вибрационных воздействиях промышленного оборудования: дис. д-ра. техн. наук: 05.23.01 / М. В. Берлинов. - М, 2005. - 302 л.

3. Экспериментальная динамика сооружений. Мониторинг транспортной вибрации / Е. К. Борисов [и др.]; — Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2007. - 128 с.

4. Инструкция по расчету перекрытий промышленных зданий, воспринимающих динамические нагрузки / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1967. - 57 с.

5. Reiher H. Die emfindlichkeit des menschen gegen erschutterungen / Н. Reiher, F.J. Meister: Forschung auf dem gebiet des ingenieurwesense. - 1931. - Vol. 2. - P. 381-386.

6. Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и ее воздействие на конструкцию: ГОСТ Р 52892 - 2007. - Введ. 27.12.07. - М: Федеральное агенство по техническому регулированию и метрологии: ОАЛ «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем», 2007. - 16 с.

7. Основания и фундаменты зданий и сооружений. Фундаменты при вибродинамических воздействиях. Правила проектирования: ТКП 45-5.01-264-2012. Введ. 28.05.12. - Минск: РУП «Стройтехнорм», 2012. - 114 с.

8. Чернов, Ю.Т. Вибрации строительных конструкций / Ю.Т. Чернов. - М.: Издательство АСВ, 2006. - 288 с.

9. Фундаменты плитные. Правила проектирования: ТКП 45-5.01-67-2007. - Введ. 2.04.07. - Минск: РУП «Стройтехнорм», 2007. - 136 с.

10. Разработка способов повышения эксплуатационной надежности и долговечности конструкций зданий и сооружений при реконструкции и модернизации производства, сопровождающегося интенсивными вибродинамическими воздействиями: отчет о НИР (заключ.) / Белорусский национальный технический университет; рук. темы К.Э. Повколас. - Минск, 2018.-82 с. - № ГР 20160898.

11. Калюжнюк, М.М. Сваебойные работы при реконструкции (Влияние колебаний на здания и сооружения) / М. М. Калюжнюк, В. К. Рудь. - Л: Стройиздат, 1989. - 160 с.

12. Повколас, К.Э. Оценка эффективности применения вертикальных барьеров из газонаполненных цилиндрических баллонов для снижения вибраций в грунтовой среде / К.Э. Повколас // Мелиорация. - 2022. - № 4. - С. 23-29.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 17.01.2023; одобрена после рецензирования 16.02.2023; принята к публикации 20.02.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 17.01.2023; approved after reviewing 16.02.2023; accepted for publication 20.02.2023.