Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цель работы и постановка научной задачи 12
1.1. Методы технической диагностики зданий и сооружений применительно к оценке их технического состояния 12
1.2. Анализ практических методов определения степени физического износа и сейсмостойкости сооружений 18
1.3. Краткий обзор методов расчета зданий на сейсмическое воздействие. 29
1.4. Цель работы и постановка научной задачи 32
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Основные предпосылки и расчетные соотношения экспресс - оценки физического износа и остаточного ресурса зданий и сооружений 35
2.1. Теоретические исследования по созданию экспресс-оценки физического износа и сейсмостойкости сооружений 36
2.1.1. Эмпирические данные определения динамических характеристик зданий 36
2.1.2. Определение основных динамических характеристик расчетными методами с учетом влияния деформации опоры 41
2.1.3. Определение показателя износа и сейсмостойкости по частотным характеристикам 45
2.1.4. Приведенные параметры сложных композитных сечений 51
2.2. Особенности расчетно-экспериментальных методов оценки физического износа и сейсмостойкости гибких сооружений 58
2.2.1. Определение параметров нагрузки 64
2.2.2. Использование модели случайных воздействий 69
2.2.3. Упрощение с использованием модели белого шума 73
2.3. Методика экспериментального определения динамических параметров зданий и сооружений 75
2.3.1. Методика проведения эксперимента 75
2.3.2. Схемы возбуждения и измерения колебаний 77
2.3.3. Требования, предъявляемые к записи информации 80
2.3.4. Экспериментальное оборудование и параметры измерительной аппаратуры 81
Выводы по главе 2 85
Глава 3. Программные средства оценки физического износа сооружений 86
3.1. Программы FRONTIER и LIMIT 86
3.2. Программа CHIMNEY 94
3.3. Программа DPORT 97
3.4. Программа CUTTING 101
3.5. Программа PLAN 102
Выводы по главе 3 103
Глава 4. Экспериментальные исследования по экспресс-оценке физического износа и сейсмостойкости зданий и сооружений 104
4.1. Анализ экспериментальных данных по определению физического износа сооружений 104
4.2. Исследование влияния ветровых нагрузок на частотные характеристики высотных сооружений 111
4.3. Экспериментальные методы в применении к определению бездефектности заглубленных сооружений на примере расчета плавающей сваи 116
Выводы по главе 4 123
Заключение 126
Библиографический список литературы 128
Приложение 140
- Анализ практических методов определения степени физического износа и сейсмостойкости сооружений
- Определение показателя износа и сейсмостойкости по частотным характеристикам
- Экспериментальное оборудование и параметры измерительной аппаратуры
- Исследование влияния ветровых нагрузок на частотные характеристики высотных сооружений
Введение к работе
Обеспечение безопасности населения и территорий при природных и техногенных авариях и катастрофах является одной из приоритетных задач для общества и государства.
Рост количества аварий, катастроф и стихийных бедствий, наблюдаемый в последние годы, как в России, так и во всем мире, сказывается на состоянии безопасности государства и его населения. «Увеличение количества и расширение масштабов чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, влекущих значительные материальные и людские потери, — подчеркивается в Концепции национальной безопасности Российской Федерации, — делает крайне актуальной проблему обеспечения национальной безопасности в природно- техногенной и экологической сферах» [1].
В решении задач защиты населения и территорий от последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий приоритетным направлением является предупреждение чрезвычайных ситуаций, как комплекс мероприятий, проводимых заблаговременно и направленных на максимально возможное уменьшение риска возникновения чрезвычайных ситуаций, а также сохранения здоровья людей, снижения размеров ущерба окружающей природной среде и материальных потерь в случае их возникновения [2]. Ведущую роль в этом играют установление степени опасности возможных ЧС и их всесторонняя оценка.
Снижение объемов капитального строительства, наблюдаемое в последнее десятилетие, несоблюдение при этом технологической дисциплины, а также правил эксплуатации зданий и сооружений, является причинами увеличения числа эксплуатируемых зданий и сооружений, имеющих значительный физический износ и находящихся в аварийном состоянии. Это может привести внезапному обрушению зданий и сооружений. Число аварийных зданий может многократно возрасти в случае воздействия различных природных явлений (землетрясения, ураганы, наводнения, оползни) и техногенных аварий (взрывы, пожары, гидродинамические аварии).
К числу наиболее опасных природных явлений относят землетрясения, которые по числу жертв от природных катастроф занимают одно из первых мест в России. Одним из основных последствий землетрясений является разрушение зданий и сооружений, падение обломков которых вызывает травмирование и гибель людей. Попадание людей в завалы, образующиеся в результате массовых разрушений зданий и сооружений при землетрясениях, и несвоевременное оказание им помощи также может привести к многочисленным жертвам.
Использование методик, позволяющих оперативно, при дефиците времени, определить состояние большого числа зданий и сооружений, позволит своевременно принять меры по защите населения в зоне стихийного бедствия или военного конфликта и снизить возможный ущерб. Прогнозирование и оценка социальных последствий чрезвычайных ситуаций является одной из основных задач защиты населения и территорий [3].
Поскольку основной причиной гибели людей и материального ущерба при землетрясениях является разрушение зданий и сооружений, точность прогноза возможных последствий зависит от достоверности информации о характере застройки в населенных пунктах. Кроме того, характеристика застройки населенных пунктов сейсмоопасных регионов необходима для построения карт сейсмического риска, определения соответствия застройки современным нормам по сейсмостойкости и планирования мероприятий по усилению зданий и сооружений, имеющих дефицит сейсмостойкости. Характеристика существующей застройки может быть получена или дополнена по результатам обследования технического состояния зданий и сооружений, составляющих застройку, для чего необходима объективная количественная оценка степени физического износа и реальной сейсмостойкости.
Техническое обследование зданий и сооружений - процесс трудоемкий, связанный со значительными временными и финансовыми затратами, а достоверность результатов обследований зачастую определяется квалификацией исполнителей, что особенно относится к начальному этапу, когда обычно используют визуальные методы сбора информации. Достоверность информации повышается, если производится отбор и испытания проб материалов (арматуры, кирпичной кладки, бетона, грунта и т.д.) и применяются инструментальные методы исследования, ультразвуковая, акустико-эмиссионная, рентгеновская аппаратура, статические или динамические методы испытаний элементов сооружения и т.д. Проведение этой процедуры требует либо значительных трудозатрат для обследования всех элементов или узлов конструкций, либо осуществляется выборочно, на отдельных узлах или элементах, что не позволяет получить полную картину о работе сооружения.
Для сейсмически опасных районов результаты обследования служат в качестве исходных данных для оценки сейсмостойкости сооружений. Нормативными документами [76] предусмотрена возможность расчета сейсмостойкости особо ответственных сооружений с использованием зарегистрированных ранее или синтезированных акселерограмм землетрясения, нормированных на определенную сейсмичность.
Сложность таких расчетов заключается как в дефиците сейсмической информации, так и в установлении жесткостных параметров сечений строительных конструкций, составляющих несущий каркас здания - обычно композитной структуры, сложной формы с недостаточной информацией о дефектах структуры конструкции, которые в значительной степени определяют техническое состояние и остаточный ресурс здания.
Применяют различные численные методы расчетной оценки состояния сложных объектов, основанные на использовании методов конечных или граничных элементов с применением программных средств, которые позволяют достаточно точно учесть специфику конкретного здания или сооружения, ослабление конструкции в различных сечениях [9, 21, 22, 28, 29].
Однако существующие методы требуют больших временных "затрат, сложны в использовании и показывают хорошую сходимость результатов только при наличии полной исходной информации.
Зачастую, например, при проведении аварийно-спасательных работ в зонах разрушительных землетрясений, оценку состояния сооружений приходится проводить в короткие сроки, обусловленные необходимостью оценки их аварийности, возможности дальнейшей эксплуатации в условиях полного или частичного отсутствия исчерпывающих исходных данных. Это приводит к необходимости применения оперативных методов, ориентированных, в частности, на мобильные компьютерные средства, базирующиеся на минимуме исходных данных, но, тем не менее, обладающих приемлемой точностью.
На основании анализа состояния вопроса и с учетом актуальности проблемы сформулирована задача и цель диссертации:
Цель диссертационной работы - создание расчетно-экспериментальных методов экспресс-оценки физического износа и остаточного ресурса зданий и сооружений, базирующихся на экспериментальных частотных данных объектов для предупреждения чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийными обрушениями зданий и сооружений, а также определения соответствия существующей застройки современным нормам и планирования мероприятий по усилению зданий и сооружений, имеющих дефицит несущей способности.
Научная задача. Разработать расчетно-экспериментальные методы экспресс-оценки физического износа и остаточного ресурса зданий и сооружений, основанные на использовании расчетных методов динамики сооружений и экспериментальных динамических характеристик строительных объектов.
Научное значение работы состоит в том, что в ней, с учетом синтеза расчетных и экспериментальных методов, с применением оригинальной диагностической аппаратуры и на основе предложенного критерия обеспечивается оперативная количественная оценка физического износа зданий и сооружений с использованием минимального объема исходной информации. В том числе - для сейсмоопасных регионов - остаточный ресурс по сейсмостойкости.
Комплекс методических средств позволяет давать оценку несимметричным объектам композитных структур и рекомендации по повышению сейсмостойкости объектов.
Основными задачами исследования являются: анализ методов оценки физического износа и остаточного ресурса строительных объектов и методов динамики сооружений, применительно к экспресс-оценке; получение основных динамических характеристик строительных конструкций расчетными и экспериментальными методами с учетом анализа влияния различных факторов на точность их определения; на основании соотношения расчетных и экспериментальных частотных характеристик, представляющих информацию о жесткостных свойствах строительных объектов и ответственных за их прочностной ресурс, получения критерия количественной оценки физического износа и остаточного ресурса зданий и сооружений; разработка программного комплекса, позволяющего при использовании минимума исходных данных производить экспресс-оценку физического износа и остаточного ресурса сейсмостойкости зданий и сооружений; определение физического износа и остаточного ресурса эксплуатируемых объектов.
Объект и предмет исследования.
Предмет исследования: экспресс-оценка физического износа и остаточного ресурса зданий и сооружений.
Объектами исследований являются здания и сооружения: находящиеся в эксплуатации; возобновляемые в строительстве после долгой консервации; расположенные в сейсмически опасных районах; частично поврежденные в результате техногенных и природных аварий и катастроф.
Методы исследования - расчетно-экспериментальные. На защиту выносятся: анализ существующих методов оценки физического износа и остаточного ресурса объектов применительно к экспресс-оценке; расчетные соотношения, предпосылки и допущения экспресс-методов оценки физического износа и остаточного ресурса зданий и сооружений; методы получения и обработки экспериментальных данных с целью определения динамических характеристик объектов; методы определения динамических характеристик объектов расчетными соотношениями динамики сооружений с учетом различных факторов, влияющих на их точность определения; комплекс программных средств, базирующихся на экспериментальных параметрах вибраций объектов, для экспресс-оценки их физического износа и остаточного ресурса с использованием минимума исходной информации об объекте; экспериментальные исследования влияния случайных воздействий на выделение собственных колебаний и частот высотных сооружений; расчетно-экспериментальная оценка физического износа и остаточного ресурса реальных объектов.
Научную новизну работы составляют разработанные методы комплексной расчетно-экспериментальной экспресс-оценки определения физического износа и остаточного ресурса эксплуатируемых сооружений с применением минимального набора исходной информации об объекте и учетом реального износа и повреждений в результате воздействия опасных техногенных аварий и природных катастроф.
Достоверность обусловлена тем, что работа основана на использовании классических методов динамики сооружений и на достаточной сходимости результатов, полученных по разработанной методике с детальным контролем состояния ряда объектов традиционными визуально-инструментальными методами.
Практическая ценность работы состоит в оперативной оценке состояния объектов с повреждениями: их физического износа и остаточного ресурса, позволяющей снизить риск аварий и принять меры по усилению конструкций.
Реализация и внедрение разработанных в диссертации методик по экспресс - оценке физического износа и сейсмостойкости более чем на 50 реальных объектах на территории России и 15 - за рубежом на территории Турции, из них более половины - уникальные.
Внедрение результатов. Внедрение методов экспресс-оценки осуществлено в технических экспертизах промышленной безопасности зданий и сооружений для диагностирования ответственных и потенциальных аварийно-опасных объектов на ОАО «Западно-Сибирском металлургическом комбинате», Кузнецком металлургическом комбинате, Нижнетагильском металлургическом комбинате, Астраханском газоперерабатывающем заводе [90-107]. Применение данной методики позволило производить оперативный анализ степени повреждения зданий и нанесенный им ущерб при инженерном анализе последствий разрушительного землетрясения в г.Ескешихир, г.Стамбул (Турция, 1999 год) [111]. С целью выявления эффективности сейсмоусиления по разработанным методам в г.Петропавловске-Камчатском проведена оценка реальной сейсмостойкости жилых и административных зданий (2000г.) [113]. Кроме того, методика применялась при оценке технического состояния зданий и сооружений на территории г.Москвы [108,109,110].
Данные результатов расчетов применены как исходная информация создания геоинформационной системы для ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат».
Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены: международный симпозиум «Человек и катастрофы: проблемы обучения новым технологиям и подготовки населения и специалистов к действиям в чрезвычайных условиях» (Москва, 1999 г.);
IV Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (Сочи, 2001г.);
Всероссийское совещание по качеству строительства в сейсмических районах (Улан-Удэ, 25-29 сентябрь 2001г.);
II Московский Международный салон инноваций и инвестиций; (Москва, 6-9 февраля 2002г.)
Научно-техническое совещание ООО ЦИЭКС;
Научно-техническое совещание ВНИИГОЧС.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем 142 машинописные страницы, включая 38 рис., 14 таблиц, список использованной литературы из 120 наименований, приложение.
Анализ практических методов определения степени физического износа и сейсмостойкости сооружений
Существуют различные методики определения степени повреждения зданий и сооружений, как от воздействия различных техногенных и природных аварий, так и за счет реального износа сооружения.
Частная методика, разработанная по поручению Главного научно- технического управления Госстроя СССР (письмо Госстроя СССР № 5-305 от 10.12.86г.) на основании распоряжения Совета Министров ССР № 2359р от 21 ноября 1986г.) является основной рабочей методикой для организации, проведения паспортизации и обследования жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных строительных объектов в сейсмоопасных районах Камчатской области.
Оценка состояния зданий и сооружений производится на основании формулировки ответов на вопросы паспортной карты. Итогом паспортизации является заполненная паспортная карта с выводом о фактической сейсмостойкости здания и рекомендациями по его дальнейшему использованию. Паспортизацию проводят для объектов, расположенных в сейсмоопасных регионах, для наиболее ответственных зданий, расположенных вне сейсмоопасных регионов и являющихся историческими или архитектурными памятниками, а также при проектировании или реконструкции зданий или при изменении сейсмической обстановки и пр.
Методика предназначена для решения следующих задач: оценка сейсмостойкости строительных объектов и выявления наиболее сейсмоопасных объектов, требующих первоочередного повышения сейсмостойкости (в т.ч. усиления), выселения людей, защиты или выноса ценного оборудования, изменения назначения или уровня эксплуатации и т.п.; определение очередности сноса или сейсмозащиты (усиления) строительных объектов и оценка целесообразного уровня усиления и затем - соответствующего объёма необходимых финансовых, материальных и трудовых затрат для снижения социального и экономического ущерба при последующих сильных землетрясениях; выполнение начального этапа работ по постоянной (от ввода объекта до снятия его с баланса) паспортизации застройки населенных пунктов, находящихся в сейсмически опасных районах. Результаты паспортизации позволяют: 1. Выполнить оценку вероятности и степени повреждения сооружений при возможных землетрясениях; составить прогнозные карты сейсмической уязвимости и вероятной повреждаемости селитебных и промышленных территорий; оценить общий социальный, экономический и экологический ущерб при вероятных землетрясениях в регионе. 2. Создать базу данных для подготовки РСЧС всех уровней к ликвидации последствий землетрясений (обучение населения, разработка мероприятий по жизнеобеспечению, организация аварийно-спасательных и других неотложных работ и т.д.). 3. Оценить эффективность ранее выполненных способов усиления зданий, дать предложения по целесообразным методам сейсмозащиты и усиления сооружений, т.е. подготовить исходные данные для следующего этапа - разработки повышения сейсмостойкости сооружений. 4. Оценить развитие поврежденности и изменения сейсмостойкости сооружений при повторяющихся слабых землетрясениях; прогнозировать сейсмостойкость сооружений на весь срок его службы при дальнейшей эксплуатации. 5. Выявить сейсмически слабые конструктивные элементы и дефекты в сооружениях, недостатки проектирования для оперативного улучшения качества возводимых сейсмостойких объектов. Недостатки методики паспортизации ГОССТРОЙ, применительно к методам экспресс-оценки физического износа и сейсмостойкости зданий и сооружений: методика трудоемка, требует привлечения большого числа специалистов; при определении динамических (частотных) характеристик сооружений используются данные реальных землетрясений, что не всегда приемлемо для районов, где землетрясения происходят редко; методика не мобильна и не приемлема для экспресс-оценки зданий и сооружений; оценка состояния зданий и сооружений производится, в основном, на основании визуального обследования и изучения проектной документации. Данная методика основана на констатации данных внешнего осмотра, а также при возможности - с применением приборов, список которых не регламентирован. В целом данная методика представляет перечень решаемых задач, без конкретных указаний на методы и средства достижения результатов. Методика оценки последствий землетрясений ВНИИГОЧС [88] предназначена для оценки и прогнозирования последствий землетрясений на территории городов и регионов. В качестве последствий землетрясений рассматриваются разрушения жилых, общественных и промышленных зданий, сооружений подземного пространства городов и защитных сооружений, а также коммунально-энергетических сетей на территории населенного пункта. Методика предусматривает решение следующих задач: оценка и прогнозирование разрушений зданий и сооружений на территории населенного пункта; определение характеристик степеней разрушения; оперативное построение изосейст, в том числе на основе сейсмического микрорайонирования;
определение зоны средней балльности и балльности для различных зданий и сооружений.
В качестве обобщенной характеристики сейсмического воздействия землетрясения на здания и сооружения в данной методике принята интенсивность землетрясения, выраженная в баллах. Степень разрушения зданий и сооружений в этой методике определяется превышением фактической интенсивности землетрясения (в баллах) над расчетной в месте их расположения.
Приведенные в методике обобщенные данные по степеням разрушения зданий получены из различных научно-исследовательских источников, на основании обширной статистики по воздействию землетрясений различной интенсивности на здания и сооружения соответствующих конструктивных решений.
В методике ВНИИГОЧС не учитывается реальное техническое состояние конкретного здания на момент обследования. Не учитываются также возможные внутренние дефекты зданий, возникающие при предшествующих землетрясениях. На основании этого не представляется возможным использовать методику для определения физического износа зданий и сооружений.
Правила оценки физического износа жилых зданий ВСН 57-86(р) [60] предназначены для оценки физического износа зданий и сооружений. Физический износ, согласно правилам оценки выражается отношением стоимости объективно необходимых ремонтных мероприятий, устраняющих повреждение конструкции или здания в целом, к их восстановительной стоимости. Доля восстановительной стоимости отдельных конструкций в общей восстановительной стоимости здания (в %), принимается по укрупненным показателям восстановительной стоимости здания, либо по их сметной стоимости. При невозможности получения данных вышеуказанными методами доля восстановительной стоимости принимается по табличным значениям усредненной доли восстановительной стоимости укрупненных конструктивных элементов здания.
Контроль параметров состояния здания и физического износа по данной методике определяются, констатацией наличия видимых дефектов, как правило, в результате визуального обследования конструкций и изучения проектной документации, в связи с чем, они носят субъективный и описательный характер. Методика не определяет интегральных динамических характеристик зданий и сооружений. Правила предназначены для оценки физического износа жилых зданий и не распространяются на промышленные здания и сооружения. Для расчета физического износа необходимы данные в стоимостном выражении: восстановительная стоимость, стоимость капитального ремонта. Указанные исходные данные в условиях нынешней экономики определить зачастую затруднительно. К тому же визуальный осмотр не позволяет выявить внутренние дефекты, а определение их наличия традиционными методами и способами носят локальный характер и требуют большого количества различных приборов. На основании анализа Правил оценки физического износа жилых зданий ВСН 57-86(р) можно сделать вывод о том, что по данной методике определение физического износа требует значительных трудовых и временных затрат в связи с чем не применима для экспресс-оценки состояния зданий.
Ведомственные строительные нормы. Методика определения аварийности строений. МГСН 301.03-97. [58] Настоящая методика разработана для объективной оценки аварийности зданий. Физический износ зданий всех групп капитальности, согласно этой методике, определяется по Правилам оценки физического износа зданий ВСН 53-86(р). В данной методике установлен условный предельный срок службы зданий в зависимости от их характеристик, конструктивных элементов и группы капитальности. Критерии оценки текущего состояния зданий осуществляются по табл. 1.1.
Результаты обследования оформляются в виде таблицы и сопровождаются пояснительной запиской (выводами). Физический износ здания в целом, определяется как средневзвешенное значение износа всех конструкций.
Если в здании с физическим износом менее 60%, определенным в соответствии с ВСН 53-86(р), один или несколько несущих элементов имеют деформации и дефекты, соответствующие признакам аварийного состояния, здание или часть его относится к категории аварийных.
Определение показателя износа и сейсмостойкости по частотным характеристикам
К категории гибких сооружений относятся высотные сооружения из железобетона и других материалов имеющие, как правило, сложные сечения, представляющие армированные композиты. Такие объекты как дымовые и вентиляционные трубы диаметром до 10 м и высотой до 360 м функционируют в условиях воздействия высоких температур и являются уникальными объектами.
Известно, что остановка производственного процесса для проведения полного обследования подобных сооружений, приводит к огромным экономическим потерям предприятия. В связи с этим представляется необходимость организации метода обследования, позволяющего производить оценку состояния вышеуказанных сооружений без остановки производственного процесса. Сложность мониторинга состояния этих сооружений является причиной использования в этих целях специального оборудования и программных средств.
Высокие сооружения с небольшими размерами в плане относятся к категории гибких сооружений и колебания их зависят, прежде всего, от характеристики жесткости конструкции при изгибе. Другим фактором, существенно влияющим на жесткость высоких гибких сооружений, является податливость грунта под фундаментом.
Основной сложностью при расчете высоких гибких сооружений является то, что единых и в то же время достаточно точных и обоснованных формул, определяющих периоды и формы их свободных колебаний, не существует, поскольку в практике встречаются самые разнообразные изменения жесткости и массы по высоте подобных сооружений.
Существуют формулы, позволяющие определять частоты и формы собственных свободных колебаний гибких сооружений, имеющих постоянное по высоте сечение объектов с учетом податливости основания. Определять свободные колебания стержней с переменным сечением намного сложнее, и конечные решения получены только для отдельных случаев, в частности, для конуса. [46]. Недостаток этой методики заключается в том, что в ней учитывалось лишь неравномерность распределения погонной массы при постоянной усредненной жесткости изотропного сечения
Методика расчета высотных сооружений, предлагаемая в данной работе, может быть распространена на протяженные сооружения большой высоты композитной структуры с учетом неизотропности при наличии в них осевой симметрии. Методика учитывает влияние на частотные параметры расчетной схемы податливости упругого основания и ветрового воздействия.
Оценка физического износа конструкций труб основана на сопоставлении замеренных в эксперименте частотных характеристик объекта с расчетными данными. Расчетные параметры определяются с учетом неравномерности распределения конструктивных параметров по высоте многослойной трубы и податливости грунтового основания, учитываемых согласно [61]. Исходными данными являются экспериментальные значения первых трех частот собственных колебаний объекта, получаемые на основе спектрального анализа акселерограмм колебаний сооружения.
Расчетной схеме соответствует конструкция, представляющая полый многослойный вертикальный усеченный конус, опирающийся на основание с упругой заделкой. Методика позволяет производить расчет при произвольном числе слоев. Их параметры фиксируются геометрическими данными сечений (радиусами в нижнем и верхнем горизонтальных сечениях) и характеристиками материала конструкций (значениями модуля упругости и плотности). При расчете учитывается наличие многослойной арматуры с переменным шагом и коэффициентом армирования.
Приведенные параметры сечений определяются согласно п.2.1.4 как для композита. Оценка физического износа определяется на основе сопоставления расчетных и экспериментальных частот собственных колебаний по первым трем тонам согласно методике описанной в п.2.1.3. Расчетные частоты собственных колебаний й)ь Гц, дымовых и вентиляционных труб высотой Н определяются [61] по формуле
Экспериментальное оборудование и параметры измерительной аппаратуры
Простейшая схема измерений представляет вертикальный и горизонтальный створы, при этом точки измерения могут быть "прорежены" (через одну точку измерения в каждом створе).
Более детальные схемы измерения могут включать, например, один полный вертикальный створ и один или два "прореженных", а также полный или "прореженный" горизонтальный створ. При "прореживании" вертикального створа рекомендуется в нижней части здания оставлять все точки измерения.
Измерения по нескольким вертикальным створам обычно выполняются при обследовании зданий сложных конструктивных схем (например, с переменной жесткостью конструкций по длине здания) или аварийных зданий для выявления неоднородности жесткостных характеристик различных частей здания. Обследование по полной схеме следует проводить, когда фактические динамические характеристики здания используются для разработки математической модели. При достаточно полном исследовании фактических динамических характеристик их учет при разработке математической модели позволяет выявлять отличие фактических жесткостей элементов конструкции здания и узлов их сопряжения от проектных.
Выбор точек приложения нагрузки зависит от наличия в данном месте достаточно жестких выступающих частей здания. Количество точек измерения и точек приложения нагрузки зависит от количества анализируемых форм колебаний, требуемой детальности построения эпюр, поврежденности конструкции и проч. В более сложных конструкциях схемы возбуждения и измерения их колебаний разрабатываются индивидуально в зависимости от решаемых задач и принятой математической модели конструкции.
Для измерения 1 и 2 тонов изгибных по высоте здания колебаний и горизонтальных изгибных по фронту здания достаточно провести измерения при приложении нагрузки в точках на крыше или в верхней части здания. Для выделения 3-го тона изгибных по высоте здания колебаний обычно необходимо также проведение измерений при приложении нагрузки в тех же точках в плане, но на высоте около 0,25 общей высоты здания.
При измерении вертикальных изгибных по фронту здания колебаний возможна установка вертикальных датчиков на крыше или в верхней части здания.
Для возбуждения крутильных колебаний здания нагрузку необходимо прикладывать в верхней части здания на его торцах в противоположных направлениях, создавая крутильный момент, а изгибных по фронту - на торцах в одном направлении, перпендикулярном длинной стороне здания, и в центре - в противоположном.
При ограниченном количестве акселерометров, имеющихся в распоряжении исполнителя работ, возможна их поочередная перестановка в различные точки измерения. При этом в различных расстановках акселерометров должна быть, по крайней мере, одна общая точка измерения, используемая для нормирования амплитуд колебаний при построении эпюр по нескольким расстановкам датчиков.
Нормирование осуществляется таким образом, чтобы при всех стыкуемых в одной эпюре расстановках, относительная амплитуда колебаний в общей для них точке была одна и та же. Общая точка расстановок выбирается таким образом, чтобы амплитуда колебаний всех анализируемых при этих расстановках форм в этой точке была максимальна или достаточно велика. Если это невозможно, выбирают две (или более) общие точки для нормирования на разных формах колебаний.
Если проводится измерение внешнего воздействия, вызывающего колебания, нормирование амплитуд колебаний возможно путем их приведения к единичному импульсу (все измеренные реализации в каждой расстановке делятся на коэффициент, равный произведению массы груза на площадь импульса ускорения этого груза, т.е. его скорость. 2.3.3. Требования, предъявляемые к записи информации
Запись акселерограмм осуществлялась с помощью трехкомпонентных высокочувствительных радио датчиков вибрации. Запись производилась в виде дискретного числового ряда с заданным шагом квантования. Для объективности дальнейшего анализа запись колебаний должна удовлетворять определенным требованиям малоискаженной фиксации процесса, содержащего в своем спектре основную и нескольких преобладающих частот. Диапазон частот неискажаемой регистрации процессов определялся характеристиками датчиками вибрации и составлял от 0,1 до 50 Гц. Для уменьшения искажений фиксации процесса обеспечивались параметры дискретной записи - протяженности и шага квантования. Протяженность записи, т.е. длительность регистрируемой осциллограммы Тосц, определяет частоту сон, которая называется частотным интервалом. Шаг квантования т числового ряда определяет частоту сов, называемую частотой среза Найквиста. Для обеспечения объективности записи в границах реального частотного диапазона (нижней сон и верхней сов частот) с допустимыми погрешностями спектра Лн и Лв величины Тосц и т определяются по условиям Числовой ряд с полученными параметрами должен содержать N=T0C4/T+ 1 значений (квантов), и в общем случае число квантов в записи зависит от выбора точности, а именно находится в обратной зависимости от произведения точностей Лн -Д.. Диапазон частот, которые предположительно должны содержаться в спектрах вибрации объектов можно установить по формулам 2.1-2.10, 2.12-2.20. В зависимости от типа здания или сооружения. Например, при Тн = 3,4 с; сов = 12 Гц, и с учетом погрешности 5%, получаем Числовой ряд с полученными параметрами должен содержать N = 10,8/(6,63-10 ) = 16290 квантов. Если сбавить точность до 10%, то (поскольку в этом случае Тосц 5,41 с; т 1,33-10"4 с) числовой ряд будет содержать N = 4068 квантов. Зарегистрированные вибрации сооружения как функции времени преобразуются в частотную область. Для реализации метода БПФ числовой ряд должен состоять из /V/ = 2к+1, где к - целое число, согласно следующей таблице:
Испытания проводились с помощью беспроводного мобильного диагностического комплекса оценки технического состояния зданий, сооружений и других строительных конструкций «Струна-Р» в соответствии с «Методикой оценки устойчивости и сейсмостойкости зданий и сооружений способом динамических испытаний мобильным диагностическим комплексом», утвержденной ЦНИИСК Минстроя РФ 16 декабря 1996 года. Мобильный диагностический комплекс «Струна-Р» предназначен для неразрушающего контроля зданий, сооружений и других строительных конструкций и определения их реальной сейсмостойкости. В состав комплекса входят: автомобиль ГАЗ-2700500 (фургон); портативная ЭВМ типа "Pentium"; трехкомпонентные высокочувствительные датчики вибрации (до 10 штук); аналогово-цифровой преобразователь на 32 канала; пакет программ для обработки сигналов и расчета динамических характеристик и сейсмостойкости.
Портативный программно-аппаратный комплекс является высокочувствительной многоканальной аппаратурой.
Высокочувствительные сейсмовибрационные датчики-акселерометры с диапазоном неискаженной регистрации процессов от 0,1 Гц до 50 Гц позволяют исследовать как протяженные высотные объекты, имеющие большие периоды собственных колебаний, так и сооружения с жесткой конструктивной схемой.
Датчики соединяются с компьютером посредством радиосвязи на дальности до 1 км. Для получения наиболее полной информации датчики устанавливаются на сооружении с учетом его расчетной схемы. В беспроводном мобильном диагностическом комплексе можно выделить следующие узлы: оконечные узлы; центральный узел.
Исследование влияния ветровых нагрузок на частотные характеристики высотных сооружений
Высокочастотная компонента, значения которой, полученные двумя расчетными методами, практически совпали, соответствует основной частоте продольных колебаний. Эта частота для неповрежденной сваи с указанными выше параметрами составляет 260-270 Гц. Вторая частота не проявляется, что позволяет контролировать дефекты только по уходу из спектра частоты 260 Гц.
Поскольку значение первой частоты линейно зависит от длины, то при наличии разрыва в монолите можно ожидать увеличения высокой компоненты в 2 и более раз.
Данная методика показала удовлетворительные результаты в январе 2001т. при оценке технического состояния буронабивных секущихся свай ограждения котлована на площадке строительства детской поликлиники по адресу: г. Москва, ул. Зоологическая, д. 15. Обследование буронабивных секущихся железобетонных свай на данной площадке производилось с целью определения их сплошности по длине, для оценки устойчивости ограждения при последующей отрывке котлована. По предлагаемой методике было обследовано 120 свай.
На основании сравнения частот, полученных расчетными методами по вышеописанной методике и на основании данных, полученных экспериментальными методами, была произведена оценка бездефектности заглубленных свай.
Результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных, соответствовали состоянию свай после отрывки котлована и позволили выявить явные нарушения сплошности свай по глубине, что подтверждено соответствующими фотоматериалами [108].
В главе рассмотрены методы экспериментального определения исходной информации эксплуатируемых сооружений в целях получения данных оценки их износа. Приведенные результаты оценки износа реальных объектов в предложенной экспресс - методике и сравнения с анализом повреждений показывает эффективность и достоверность методики экспресс - оценки износа строительных объектов.
Результаты экспериментальных данных наложены на график, полученный по результатам оценки физического износа реальных сооружений. Из рис.4.2 видно, что 17 экспериментальных значений лежат в пределах верхней (с учетом естественного износа) и нижней (определенной износом с учетом ремонта) границ. Одно значение выходит за пределы зоны, ограниченной указанными кривыми. Следует отметить, что данная дымовая труба эксплуатировалась с отступлением от правил и норм эксплуатации [86]. Марка бетона при вводе в эксплуатацию этой трубы составляла М200 (минимальная марка МЗОО). Как видно из приведенной схемы (рис.4.2), нижняя граница, соответствующая износу с учетом ремонтных или восстановительных работ, почти в точности соответствует данным нормативного документа [87].
Сопоставление результатов оценки физического износа традиционным и динамическим методом показало их удовлетворительную сходимость. Что указывает на приемлемость использования динамического метода в целях экспресс-оценки состояния эксплуатируемых сооружений. По результатам оценки физического износа проведена оценка точности внутренней сходимости. Обработка результатов показала, что во временном диапазоне 810 лет погрешность методики составляет 12%.
Проведенный анализ влияния вынужденных колебаний от ветровой нагрузки на спектральные характеристики конструкций показал, что процесс можно считать стационарным и эргодичным, поскольку разброс значений на различных интервалах времени составляет 5%.
При расчете передаточной функции с учетом спектра Давенпорта выявлено, что влияние ветровой нагрузки на частотные характеристика сооружения находятся в пределах 7%. Отсюда следует, для труб высотой 50200 м основные частоты в основном находятся за пределами основного (низкочастотного) диапазона спектра Давенпорта, т.е. частоты ветровой нагрузки практически не искажают частотных параметров конструкции и для приближенного расчета допустимо не производить корректировку на ветер. Однако, при уточнении расчета, и в случаях, явно находятся в пределах значимых величин спектра ветрового воздействия, рекомендуется производить подобный расчет с целью уменьшения погрешности измерений и получения достоверных данных методика по расчету бездефектности заглубленных свай. Данная методика показала удовлетворительные результаты в январе 2001г. при оценке технического состояния буронабивных секущихся свай ограждения котлована на площадке строительства детской поликлиники по адресу: г. Москва, ул. Зоологическая, д. 15. Обследование буронабивных секущихся железобетонных свай на данной площадке производилось с целью определения их сплошности по длине, для оценки устойчивости ограждения при последующей отрывке котлована. По предлагаемой методике было обследовано 120 свай. По результатам обследования выявлены дефектные сваи, определен процент выявленных нарушений сплошности во всей системе ограждения и сделаны выводы о достаточности восприятия расчетных нагрузок. После отрывки рабочего котлована и детального обследования состояния свай было получено подтверждение нарушения сплошности свай, определенных методикой динамических испытаний.
