Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основы динамики инженерных сооружений . 11
1.1 Общие сведения о динамике инженерных сооружений 11
1.2 Амплитудно-частотная характеристика динамических систем . 19
1.3 Идентификация частотных характеристик динамических систем. 22
Глава. 2 Разработка аппаратно-программного комплекса Иркут 28
2.1 Сейсмические вибродатчики. 28
2.2 Анализ микросейсмических данных 31
2.3 Аппаратно-программный комплекс для регистрации динамических характеристики инженерных сооружений 33
2.3.1 Первичные преобразователи 36
2.3.2 Аналоговая часть 37
2.3.3 Цифровая часть 40
2.4 Программа регистрации данных Gnom. 42
2.5 Программа обработки вибросейсмических данных BuildMod 44
2.6 Метрологические мероприятия. 49
2.7 Сравнение характеристик с сейсмостанциями других производителей. 50
Глава 3 Динамические характеристики системы “инженерное сооружение – грунтовое основание ”. 55
3.1 Собственные частоты и формы инженерных сооружений. 55
3.2 Влияние демпфирования на динамические характеристики инженерных сооружений 58
3.3 Скорость распространения сдвиговых сейсмических волн в инженерных сооружениях
3.4 Влияние податливого основания на собственные частоты системы “сооружение – грунтовое основание”. 78
Глава 4 Мониторинг динамических характеристик инженерных сооружений 95
4.1 Постоянный мониторинг динамических характеристик системы «сооружение-грунт» на примере зданий Геологического института. 96
4.2 Периодический мониторинг динамических характеристик сооружений на примере обследования Физкультурно-спортивного комплекса. 107
4.2.1 Физкультурно-спортивный комплекс 107
4.2.2 Численный расчет конструкций секторов №2 и №5. 111
4.2.3 Результаты микродинамического обследования покрытия сектора №5 112
Заключение 116
Список литературы 118
- Амплитудно-частотная характеристика динамических систем
- Аппаратно-программный комплекс для регистрации динамических характеристики инженерных сооружений
- Скорость распространения сдвиговых сейсмических волн в инженерных сооружениях
- Периодический мониторинг динамических характеристик сооружений на примере обследования Физкультурно-спортивного комплекса.
Амплитудно-частотная характеристика динамических систем
Исследование микросейсмических шумов промышленных городов, на примере г. Ангарска показало, что общий уровень не превышает 2-5 мкм/с2 в диапазоне частот 0-5 Гц, но при этом выделяются узкие спектральные максимумы соответствующие работе промышленного оборудования. В г. Ангарске выделяется монохромный сигнал с частотой 2.06 Гц, который стабильно регистрируется по всей площади города.
Параллельно с микродинамическим обследованием инженерных сооружений широко применяются вибрационные методы диагностики[33,70]. Регистрация колебаний сооружений под действием мощных вибрационных установок, взрывов и землетрясений. В данном случает согласно СНиП II-7-81
Из анализа полученной информации и нормативных требований, для диагностики и мониторинга динамических характеристик инженерных сооружений необходим аппаратно-программный комплекс фиксирующий колебания инженерных сооружений в широком динамическом диапазоне от 0,1 мкм/с2 до 10 м/с2 и в частотном диапазоне 0.5-30 Гц
Аппаратно-программный комплекс для регистрации динамических характеристики инженерных сооружений.
Аппаратно-программный комплекс представляет собой современный электронный прибор, обеспечивает цифровую регистрацию вибрационных сигналов с учетом частотного диапазона используемых датчиков и задач исследования (рисунок 2.8).
Разработанный АПК предназначен для работы в условиях высоких электромагнитных помех и сложных климатических условиях. Основное назначение АПК является - сбор вибрационной информации, хранение и передача полученных данных на сервер хранения и обработки. Одноплатный компьютер ОС XLinux
В качестве первичных датчиков, для преобразования виброускорения в электрический сигнал были выбраны трехкомпонентные сейсмоприемники А1632 производства «ООО Геоакустика» г. Москва. По своим техническим характеристикам сейсмоприемники А1632 наилучшим образом подходят для измерения низкочастотных вибраций; колебаний зданий, мостов и других инженерных сооружений. Ориентация в пространстве свободная, корпус имеет водонепроницаемое исполнение, компактные размеры позволяют устанавливать датчики на конструктивных элементах. В сейсмоприемниках серии А16ХХ, в качестве чувствительного элемента, используется пакет ненагруженных биморфных дисков с центральным закреплением. Диапазон измеряемых частот 0,4-400 Гц, перекрывает весь частотный диапазон колебаний инженерных сооружений (таблица 1.1). Коэффициент преобразования равен 1 В/(м/с2) соответственно максимально измеряемое ускорения - 12 м/с2 позволяет измерять амплитуду ускорения 9-ти бального землетрясения. Минимальное измеряемое виброускорение согласно рисунку 2.10 на частоте 1 Гц составляет 0.1 мкм/с2.
Основной задачей аналоговой части комплекса является усиление слабого полезного сигнала до максимально возможного уровня, ослабление импульсных и синфазных помех.
Уровень микросейсм согласно проведенным исследованиям микросейсмических шумов в различных городах, регистрируемых при определении динамических характеристик инженерных сооружений низкий, соответствует значению порядка 1-10 мкм/с2, зашумлен различными промышленными и случайными высокочастотными шумами.
Высокоамплитудные импульсные помехи и наводки с частотами выше 10 Гц, могут сильно исказить полученные данные. В связи, с чем для качественно и достоверной записи микросейсмических колебаний инженерных сооружений электрический сигнал, полученный с датчиков, сначала должен быть усилен до оптимального уровня дифференциальным усилителем, усиливающий полезный дифференциальный сигнал и ослабляющий наведенные синфазные помехи, затем отфильтрован для ослабления высокочастотных помех и наводок. Для данной задачи наиболее подходящим является использование аналогового фильтр 4-го порядка.
В качестве предварительного усилителя выбран операционный усилитель PGA204 с программным переключением коэффициента усиления. Основная задача усилителя – максимальное усиление дифференциального сигнала поступающего с сейсмоприемника и ослабление синфазных наведенных сигналов и помех. Для данного усилителя можно выставлять коэффициенты усиления (1,10,100,1000), в зависимости от амплитуды микросейсмического шума.
Для ослабления высокочастотных помех применен аналоговый фильтр Баттерворта 4-го порядка, построенный на базе активного фильтра UAF42. В зависимости от объекта и задач исследования можно использовать следующие частотные диапазоны работы 18, 30, 150, 450 Гц. Полоса частот 0-18 Гц применяется для определения основных динамических характеристик инженерных сооружений, регистрации сейсмического воздействия.
Полоса частот 0-30 Гц используется при вибрационном испытании конструкций на виброплатформе согласно ГОСТУ 30546.2-98[112]. Частотный диапазон 0-150 Гц необходим при исследовании динамических характеристик отдельных элементов инженерных сооружений - балок, консолей, металлических связей ферм и т.д. Диапазон 0-450 Гц используется в задачах по определению жесткостных характеристик грунтового основания сейсмическими методами, на основе взаимосвязи модуля упругости и скоростей продольных и поперечных волн.
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой, использован аналого-цифровой преобразователь на базе чипа ADS8505. Данная микросхема позволяет оцифровывать аналоговый сигнал напряжением ±10 В с разрешением 16 бит и скоростью преобразования до 250 кГц. Обмен данными осуществляется через параллельный интерфейс.
Аппаратно-программный комплекс для регистрации динамических характеристики инженерных сооружений
Выходные данные анализа могут быть предоставлены в файлах ASCII, JPEG, BMP, AVI форматах. Программа работает в Windows 2000/ХР и LINUX, имеют логический интерфейс пользователя с поддержкой OLE и справку помощи, что обеспечивает быстрый и легкий старт. «BuildMod» содержит инструменты для быстрой и эффективной обработки сигналов, инструменты построения 2D-отображения спектральной плотности и корреляционных функций, 3D проверку геометрии и режим формирования анимационных роликов. Все графики и таблицы могут легко экспортироваться в другие программы Windows, таких как World и Excel. Это позволяет делать отчетную документацию с минимальным количеством проделанной работы. 2.6 Метрологические мероприятия.
Метрологические мероприятия[81,82] являются неотъемлемой частью исследовательского процесса связано с измерением физических параметров сложной цифровой аппаратурой. При регистрации динамических характеристик инженерных сооружений с помощью разработанного аппаратно-программного комплекса обязательны метрологические работы, связанные с измерением сквозных амплитудно-частотных характеристик измерительных каналов и вибродатчиков. Любое отклонения от допустимых значений амплитудно-частотной характеристики вносят непоправимые искажения в полученные данные и следовательно в результат исследовательской работы.
Измерение сквозных амплитудно-частотных характеристик измерительных каналов производится на основе методических рекомендаций нормативных актов[83,84,85]. В соответствии с нормативными требованиями осуществляется периодический контроль коэффициентов усиления измерительных каналов и частот пропускания фильтров низкой частоты. Контроль производится путем подачи на измерительный вход аппаратно-программного комплекса гармонического сигнала от прецизионного генератора низкочастотных сигналов Г3-110. Полученные значения коэффициентов усиления и фазовые характеристик фильтров заносятся в паспорт комплекса и используются при обработке измеренных вибрационных сигналов.
Датчики регистрации А1632 имеют сертификационный паспорт и калибруются изготовителем ежегодно.
При текущей эксплуатации аппаратно-программного комплекса возможны случайные изменения амплитудно-частотных характеристик датчиков и измерительных каналов. Для контроля случайных изменений перед измерением динамических характеристик инженерных сооружений производятся калибровочные записи микросейсмических колебаний, при которых все измерительные датчики ставятся на одну жесткую поверхность с одинаковой ориентацией. По данным таких записей оценивается общее состояние всех датчиков и измерительных каналов.
В настоящее время для определения динамических характеристик инженерных сооружения широко применяется сейсмологическая аппаратура, основное назначение которой регистрация сейсмических событий. Поэтому возникают определенные неудобства при использовании в условиях сильных городских шумов и регистрации слабых микросейсм. Ограниченное число каналов, отсутствие широкого диапазона усиления усилителей, аналоговых фильтров не позволят качественно и достоверно определять динамические характеристики инженерных сооружений.
Для сравнительной характеристики разработанного аппаратно программного комплекса проведем одновременную запись микросейсмических колебаний 3-х этажного кирпичного здания на третьем этаже. Сейсмостанция «Байкал»[80] с сейсмодатчиком «СК-1П», «Ангара»[79] с датчиком «Guralp» GT-400 и АПК с датчиком «А1632». Подобие спектров довольно хорошее, за исключением некоторых моментов. На спектрах сейсмостанций «Ангара» и «Байкал» с различными датчиками присутствует спектральный пик колебания на частоте 16.5 Гц. Это частота колебания асинхронных двигателей вентиляционного оборудования. В спектрах аппаратного комплекса помеха с частотой 16.5 Гц сильно ослаблена аналоговым фильтром. Сильно отличаются спектры для вертикального направления. На сейсмостанциях «Байкал» и «Ангара» спектры подобны, с шумовым спектральным максимумом 16.5 Гц. Внешне спектры напоминают белый шум, т.е. в записанных колебаниях присутствует довольно широкий спектр колебания от 1 до 30 Гц с примерно равными амплитудами. Данный факт свидетельствует об отсутствии полезного сигнала в записанных данных, возможно, не хватает чувствительности или динамического диапазона
Скорость распространения сдвиговых сейсмических волн в инженерных сооружениях
Основной целью мониторинга динамических характеристик системы «сооружение - грунтовое основание» является непрерывное или периодическое измерение динамических параметров, характеризующих техническое состояние инженерного сооружения и грунтового основания. Динамические характеристики отражают состояние сооружения и при сильных воздействиях. Мониторинг динамических характеристик является эффективным инструментом для управления и оценки состоянием жилого фонда и ответственных сооружений. В процессе эксплуатации любого сооружения, возникают естественные или вызванные внешним воздействием изменения в прочностных характеристиках конструкции. При естественном старении здания, происходит медленное изменение характеристик, причем скорость изменения сильно зависит от условий эксплуатации сооружения. В данных условиях мониторинг позволяет, оценит состояние конструкции, и принять своевременные мероприятия по ремонтным работам.
Расчеты цифровой модели системы «сооружение - грунтовые условия» показали сильную зависимость динамических характеристик от жесткости грунтового основания. При резких изменениях категории грунтов происходит перераспределение усилий в конструкции, которые вызывают частичное разрушение несущих элементов. Основной причиной изменения категории грунтов в основании здания является изменение гидрологических условий. Повышение грунтовых вод или постоянная утечка канализационных вод может привести к серьезным повреждениям конструкции здания. Так в здании БНЦ СО РАН в результате протечки канализационных вод в столовой произошла просадка части здания, образовались трещины в кирпичной стене. Из-за своевременно обнаружения и устранения протечки удалось избежать сильных последствий. Для школы № 2 г. Улан-Удэ изменение грунтовых условий привело к сильной просадке и образованию сквозных трещин в несущих стенах здания. Не своевременное обнаружение изменения в динамики здания привело к большим экономическим потерям и закрытию школы.
В дополнение к структурным дефектам связанных с естественным старением сооружения, мониторинг динамических характеристик может быть использован для оценки повреждений вызванных сильными внешними воздействиями, такие как взрыв, землетрясение, ураган. Что способствует своевременному восстановлению инфраструктуры после сильных событий, путем прогнозирования степени разрушения на основе динамических характеристик сооружений и учетом внешнего воздействия.
С использованием динамических характеристик инженерных сооружений можно довольно точно оценить степень повреждения инфраструктуры жилого фонда и гражданского обеспечения. Выявить наиболее слабые и устойчивые сооружения.
Наиболее полную динамическую характеристику сооружений описывает передаточная функция, которая описывает реакцию системы на любое внешнее воздействие в линейной области. Расчеты на цифровой модели при микросейсмическом воздействии показали полное соответствие экспериментальных данных с расчетными характеристиками. Данная функция является индивидуальной характеристикой для каждого сооружения, зависящая только от жесткостных параметров. Таким образом, для мониторинга динамических параметров системы «сооружение - грунтовое основание» наилучшим образом применим метод контроля передаточных функций.
Постоянный мониторинг динамических характеристик системы «сооружение-грунт» на примере зданий Геологического института.
Рассмотрим пример применения АПК для мониторинга динамических характеристик на примере здания Геологического института СО РАН. На здании института установлен разработанный аппаратно-программный комплекс с 4-мя акселерометра А1632 позволяющая фиксировать внешние воздействие в широком динамическом диапазоне, от 0.1 мкм/с2 до 10 м/с2. Один вибродатчик расположен у основания здания и предназначен для регистрации исходного сейсмического воздействия. Остальные три вибродатчика установлены на покрытии сооружения, для регистрации реакции здания на сейсмическое воздействие. Параллельно с регистрации сейсмической информации на здании фиксируются данные метеоусловий с помощью портативной метеостанцией Oregon.
Периодический мониторинг динамических характеристик сооружений на примере обследования Физкультурно-спортивного комплекса.
Одной из основных задач по применению разработанного аппаратно-программного комплекс Иркут является периодический мониторинг динамических характеристик инженерных сооружений. Отслеживание изменений технического состояния строительных объектов во время выполнения строительных работ при реконструкции, восстановлении после чрезвычайных ситуаций или при выполнении ремонтно-восстановительных работах.
В данной главе рассмотрим практические применение разработанного комплекса для контроля технического состояния инженерного сооружения при выполнении строительно-восстановительных работ, оценки эффективности восстановительных мероприятий и определении динамических характеристик для сопоставления их с расчетными данными.
Физкультурно-спортивный комплекс (ФСК) сдан в эксплуатацию в 2012 в г. Улан-Удэ, является уникальным, большепролетным, ответственным сооружением, рассчитанный на посещение 5 тыс. зрителей.
Основными конструктивными несущими элементами являются колонны высотой от 10 до 25 метром и ферменные конструкции длиной 57 метром. Каркас сектора 2 и 5 представляет пространственную конструкцию, состоящую из плоских рам, соединенных между собой системой вертикальных и горизонтальных связей. Опирание колон на фундамент принято жесткое. Опирание ферм на колону - шарнирное. Категория грунтового основания I.
В процессе сдачи в эксплуатацию объекта визуальным осмотром выявлены многочисленные сборочные дефекты в металлоконструкциях:
Для безопасной эксплуатации спортивного комплекса все обнаруженные дефекты подлежали устранению. Визуальный осмотр не мог ответить на вопрос о текущее техническое состояние несущих металлоконструкций, что будет после исправления дефектов, соответствуют ли реальные характеристики расчетным данным.
Структурная схема спортивного комплекса. Для данного случая наиболее подходящим методом является микродинамический метод диагностики технического состояния. Геологическим институтом СО РАН Согласно требованиям Федерального закона от 30.12.2009 109 №384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» были проведены оценки динамических характеристик физкультурно-спортивного комплекса для мониторинга технического состояния комплекса в ходе выполнения ремонтно-строительных работ. Были обследованы металлоконструкции секторов №№2,5,3 и железобетонные конструкции сектора №4. В работе представлены результаты обследования только сектора №5
Общая характеристика металлического каркаса секторов №2 и №5 Основные секторы №2 и №5 имеют сложную форму в плане с размерами в осях 63.76x89.6м и высотой до низа стропильных конструкций от 10.3 м. до 18.25 м. К передней части секторов под углом подходят подкосы из труб.
Каркас сектора № 5 представляет пространственную конструкцию, состоящую из плоских рам, соединенных между собой системой вертикальных и горизонтальных связей. Пролет рамы составляет 57 м. Опирание колон на фундамент принято жесткое. Опирание ферм на колону – шарнирное.
Жесткость конструкции в направлении пролета обеспечивается за счет жесткости самой рамы, а в поперечном направлении – создается системой горизонтальных связей по покрытию и колонам.
Устойчивость конструкций секторов №2 и №5 обеспечивается подкосами в передней части сектора (ось Р), вертикальными связями по задней стенке (ось Д) и горизонтальными связями по кровле. Для предотвращения возможности прогрессирующего разрушения покрытия, в случае выхода из строя одного из элементов ферм, дополнительно предусмотрена вертикальная ферма в покрытии между осями Л-М. Колонны запроектированы из круглых труб, фермы пролетом 57м и связи - из прямоугольных труб. Непосредственно по верхним поясам ферм укладывается профилированный настил Н114-750-0,8. Материал конструкций -низколегированная и углеродистая сталь. Для несущих пролетных конструкций применена сталь С255 по ГОСТ 27772-88 с обязательной защитой конструкции от коррозии лакокрасочными покрытиями.
Изготовление и монтаж конструкций производить в соответствии с требованиями ГОСТ 23118-99 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия», СП 53-101-98-1 «Изготовление и контроль качества стальных строительных конструкций» и СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции».
Расчеты периодов (частот) собственных колебаний конструкций выполнены в программе SCAD. Конечно элементное моделирование конструкций проведено в соответствии с требованиями СНиП II-23-В1 “Стальные конструкции. Нормы проектирования” и СНиП 2.01.07-85 “Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования” на нагрузки от собственного веса конструкций, веса кровли и временной нагрузки от сантехнических и электрических коробов, ветровой нагрузки для III географического района.
Кроме перечисленных нагрузок учитывались сейсмические воздействия при расчетной сейсмичности 8 баллов. Нагрузка от собственного веса покрытия принималась равной qр=115 кг/м2. От временной нагрузки – q0=70кг/м2.
Расчет металлоконструкций выполнен с помощью программы SCAD, версия 11.1. Вычислены основные, наиболее интенсивные формы колебания.
