ВИДЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРАКТИКЕ КАПИТАЛЬНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Источники возбуждения колебаний испытываемых объектов подразделяются на естественные и искусственные. К первым следует отнести землетрясения и микро- сейсмы от природных факторов, ко вторым — все остальные. Наибольшую информацию можно получить, используя колебания зданий и сооружений, вызванные землетрясениями. Однако землетрясения происходят в соответствии с законом случайных событий и для использования их в качестве источника колебаний необходим постоянный мониторинг, что представляет с практической точки зрения определенные сложности. Однако измерения колебаний зданий, вызванных реальными землетрясениями, широко известны и используются учеными разных стран.

Натурные измерения колебаний зданий при возбуждении с помощью взрывов проводились С. В. Медведевым, Д. Хадсоном, Дж. Олфордом и Г. Хаузнером, Б. К. Карапетяном. Большое количество испытаний с использованием сейсмовзрывных стендов проведено в разное время в НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ под руководством В. С. Беляева (рис. 23).

Следует отметить, что спектральный состав колебаний грунта, вызванный слабыми по сравнению с естественными сейсмическими воздействиями взрывами, характеризуется преобладанием более высоких частотных составляющих, что затрудняло регистрацию собственных колебаний сооружений на низких частотах, особенно для высотных и каркасных зданий.

В отличие от обычного взрывного возбуждения, использование сейсмовзрывных стендов позволяет добиться

Рис. 23

Испытания фрагментов зданий на сейсмовзрывном стенде ВСС-300

внешнего воздействия, эквивалентного природному — от землетрясения. Это достигается использованием специальной технологии, основанной на многократном камуф- летном подрыве сравнительно небольших зарядов в грунте вокруг и под основанием стенда и целенаправленной трансформации возбуждаемых взрывами импульсных колебаний с помощью набора регулируемых упругих и диссипативных элементов, установленных между основанием и испытательной платформой. Таким образом, при проведении испытаний удается получить динамические характеристики испытываемого объекта в широком диапазоне частот. Однако ограниченная грузоподъемность стендового оборудования не позволяет испытывать объекты целиком, а годится только для испытания оборудования и их отдельных фрагментов. Кроме того, испытания такого рода сопряжены со значительными материальными затратами и могут проводиться только на специальных площадках, поэтому они призваны решать свой круг задач на узком классе испытываемых моделей и объектов.

Наиболее простым и распространенным способом определения частот и форм свободных колебаний зданий и сооружений является способ регистрации отклика здания на микросейсмические движения грунта. При этом предполагается, что частотный спектр микросейсм достаточно широк и перекрывает спектр собственных частот колебаний сооружений. Поэтому спектр реакции сооружения будет максимальным на частотах, соответствующих его собственным колебаниям по основным формам.

В нашей стране в определенный момент получила развитие методика определения динамических характеристик зданий и сооружений, предложенная С. В. Медведевым и названная МИКС (многоканальное измерение колебаний сооружений). Эта методика использовала многоканальную высокочувствительную аппаратуру со столообразной амплитудно-частотной характеристикой. Однако анализ публикаций показывает, что на тот момент не было разработано четких алгоритмов интерпретации получаемых результатов, а данные о спектре собственных частот носили весьма приблизительный характер, поэтому метод не мог быть широко востребован для получения динамических характеристик.

В настоящее время усилиями Госстроя Бурятии при участии Н. Баранникова этот метод возрожден на более высоком уровне. Регистрация и обработка отклика здания на микросейсмические воздействия производится с использованием специально разработанной компьютеризованной 16-канальной сейсмостанции. Частотная характеристика здания определяется как отношение совместного спектра колебаний на фундаменте и в выбранной точке здания к автоспектру колебаний фундамента. Измерения проводятся трехкомпонентными датчиками, расставленными в здании в соответствии со специальными методиками. На рисунке 24 представлены результаты таких испытаний в виде изолиний пиковых значений амплитуд колебаний, полученных при компьютерной обработке.

Преимущества метода измерения динамических характеристик зданий и сооружений с использованием микровоздействий очевидны. Здесь и дешевизна, и мобильность, которые связаны с отсутствием необходимости использовать специальные силы и средства для возбуждения колебаний, а кроме того, значительно возросшие современные возможности регистрации и обработки микро-

Рис. 24

Частоты и перемещения при колебаниях в уровне второго этажа здания

(Z-компонента) колебаний позволили существенно повысить динамический диапазон датчиков и регистрирующей аппаратуры.

Однако получаемые при таких испытаниях динамические характеристики ограничиваются одной или двумя первыми формами колебаний, которых далеко не всегда достаточно для решения таких задач, как оценка фактической сейсмостойкости многоэтажных или протяженных в плане зданий, а также каркасных зданий, где крутильные колебания вносят существенный вклад в пространственные колебания всей конструкции. Именно поэтому уже не один десяток лет ученые многих стран пытались разрабатывать методы возбуждения, которые позволили бы соединить преимущества направленного импульса при отсутствии дорогостоящих вибромашин и сейсмостендов.

На рисунке 25 схематично представлены все известные на сегодняшний день основные способы возбуждения колебаний зданий и сооружений, используемые для определения их динамических характеристик.

Рис. 25

Основные способы искусственного возбуждения колебаний здания

Наиболее простой из этих способов — удар подвешенной массой. При этом, как правило, применяются конструкции, где масса груза составляет 500-2000 кг и подвешивается рядом со зданием с помощью специальных креплений в несущих стенах или на кровле. Автору пришлось участвовать при динамических испытаниях строящегося жилого дома в г. Феодосии в 1991 г., когда возбуждение колебания здания осуществлялось ударом по стене массивным бетонным блоком, подвешенным с помощью строительного крана.

Рис. 26

Типовой «бомбосбрасыватель» с электрическим размыканием

Другой эффективный способ раскачать здание использовался в г. Петропавловске-Камчатском, когда за- анкеренный в стену здания трос оттягивался при помощи лебедки, а потом нагрузка мгновенно сбрасывалась с помощью специальных «бомбосбрасывателей» (рис. 26).

Известен метод создания нагрузки, допускающий ее многократное повторение.

Технически он осуществляется путем использования гибкой связи (например, троса или проволоки), которая прикрепляется к какой- нибудь несущей конструкции обычно в верхней части сооружения. Другой конец через калиброванное кольцо соединяется с тяговой системой (машина, лебедка, трактор и т.п.). При создании определенного усилия кольцо разрывается и сооружению сообщается импульс.

Самый оригинальный и наиболее эффективный, на взгляд автора, способ раскачивания высоких зданий гибких конструктивных схем применили в 1960-х гг. американские ученые. Человек на крыше здания начинает раскачиваться, стараясь вызвать резонансные колебания (рис. 25).

Но тем не менее ни один из этих дешевых и оригинальных способов испытаний не получил широкого применения, поскольку позволял уверенно определять только период колебаний по первому тону, а декремент и более высокие формы колебаний определять не удавалось.

Наиболее универсальным способом определения динамических характеристик зданий и сооружений при натурных испытаниях являлось использование вибромашин. Этот способ позволяет определять периоды и пространственные формы колебаний, а также логарифмический декремент колебаний. Кроме того, при использовании мощных вибромашин появляется возможность исследования поведения конструкций на стадии разрушения (рис. 27).

Несмотря на многообразие конструктивных решений, все типы вибрационных машин можно классифицировать по ориентации в пространстве осей вращения вибратора и по схеме электропривода основного двигателя. Вибраторы могут иметь либо горизонтальные, либо вертикальные оси вращения дебалансов. Применяя вибраторы с вертикальной осью, можно при одном и том же креплении к конструкции здания получать возмущающие горизонтальные силы во взаимно перпендикулярных направлениях без перестановки вибромашины. Однако с помощью вибраторов подобного типа довольно трудно получить вынужденные колебания в вертикальной плоскости. В качестве примера машин такого рода можно назвать ВИД-1 и ВИД-12 (ЦНИИСК, Москва) или BGS-A-200 (Япония).

Рис. 27

Вибромашина для испытаний, закрепленная на крыше здания

Вибраторы с горизонтальными осями вращения позволяют довольно легко вызывать колебания как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Однако для создания горизонтальных колебаний во взаимноперпендикулярных направлениях требуется создавать отдельную систему крепления машины.

Для проведения испытаний создаются передвижные измерительные лаборатории, оснащенные управляющей и регистрирующей аппаратурой. Поскольку в настоящее время натурные вибрационные испытания зданий в России не проводятся уже более 40 лет, остается анализировать аппаратуру и измерительные средства того времени. Так, измерительный комплекс ЦНИИЭП жилища (Москва) включал в себя вибрографы типа ВЭГИК и ВВП с диапазоном рабочих амплитуд от 0,002 до 100 мм и собственной частотой колебаний 0,5 Гц, регистрирующий осциллограф Н-700, оснащенный зеркальными гальванометрами, измерительные кабели и вибрационную машину В-2.

Особое место в процессе подготовки к испытаниям занимает монтаж вибрационной машины. Ее, как правило, устанавливают на специальную металлическую раму, назначение которой — создать максимально жесткую передачу инерционных сил вибраторов на здание. При этом, чтобы не вызвать местного перенапряжения несущих элементов конструкций, концентрированное воздействие вибрационной машины стремятся распределить на возможно большее количество узлов здания.

Возможны, конечно, и другие способы установки вибромашины, но, как показывает опыт, при установке ее в грунте, в специальной железобетонной чаше, расположенной вблизи испытываемого здания, эффект воздействия снижается в десятки раз.

Таким образом, можно отметить, что каждое испытание с использованием вибромашин требует значительных материальных и трудовых затрат и является по своей сути уникальным экспериментом, воспроизведение которого массовым тиражом практически невозможно. Исключения составляют, пожалуй, испытания, проводимые И. Э. Ицковым [16] в Казахстане, где этот процесс доведен до уровня высокой технологичности и традиционно используется для испытания вновь возведенных зданий.

Если рассмотреть типовые, рекомендуемые для виброиспытаний схемы расстановки датчиков на здании, то напрашивается вывод, что главной целью любой расстановки является разложение пространственных колебаний сооружения на несколько простых типов, суперпозиция которых позволит восстановить фактическую пространственную форму колебания. Ниже приведены основные схемы расстановки датчиков, применявшиеся при проведении виброиспытаний зданий (рис. 28).

Так, схема, показанная на рисунке 28а, используется для определения формы деформации вертикальной оси сооружения. Все датчики ориентированы для измерения горизонтальных смещений и устанавливаются вдоль одной

Рис. 28

Основные схемы расстановки датчиков при проведении виброиспытаний вертикальной оси сооружения. Схема, изображенная на рисунке 286, рекомендуется для использования выявления степени влияния на форму деформации сооружения компоненты, связанной с поворотом сооружения в грунте в вертикальной плоскости. Схемы на рисунках 28в, г рекомендуются для измерения формы деформации сооружения в вертикальной плоскости, например прогибов перекрытий или кручения в плане.

Конечно, эти рекомендации принципиально верны, но даже поверхностный анализ показывает, что они базируются на скудном фактическом материале и не учитывают особенностей расстановок, связанных с регистрацией второй и третьей формы в вертикальной плоскости колебаний, когда наиболее важным является размещение датчиков вне зон малой амплитуды, приуроченной к местам перехода эпюры через ноль. А в случае горизонтальной расстановки датчики вообще должны располагаться перпендикулярно продольной оси сооружения, чтобы имелась возможность регистрации крутильных колебаний или колебаний по фронту здания для форм выше первой.

Для решения задач такого рода были разработаны экспериментальные методы многоточечного возбуждения колебаний. При этом объект возбуждается при помощи специальной многоканальной вибрационной установки, включающей в себя целую систему вибраторов, так, чтобы его колебания происходили по форме одного главного тона, представляющего интерес. Анализ результатов испытаний в этом случае не представляет сложности, однако громоздкость установки и сложность проведения самих испытаний не позволили широко внедрить эти методы.

Таким образом, главным недостатком, который свойствен динамическим испытаниям с использованием вибромашин, является их дороговизна, вызванная сложностью испытаний, высокой стоимостью применяемых средств и большой трудоемкостью этих испытаний.

Другой задачей, которая не могла быть решена при динамических испытаниях с применением вибромашин, была задача идентификации нелинейной модели сооружений, сформулированная А. М. Курзановым [17].

Говоря о том, что множество нелинейных моделей конкретного сооружения является функцией истории внешнего воздействия на это сооружение, А. М. Курзанов утверждает, что сведение этого множества к последовательности нелинейных моделей, реализующейся в сооружении под воздействием мощной вибрационной машины, является допущением, лишенным оснований. Это вызвано тем фактом, что мощность большинства вибрационных машин несопоставима с реальным сейсмическим воздействием, а возможности вибрационной машины по резкому изменению интенсивности и частоты кинематических воздействий сильно ограничены. Поэтому имеет смысл использовать комбинированный способ идентификации, например с помощью недорогих испытаний в области упругих деформаций для здания в целом определять интегральные динамические характеристики, а затем на стендах исследовать работу отдельных узлов, вплоть до их разрушения. Далее можно проводить расчет идентифицированной таким образом модели с использованием реального внешнего воздействия в виде местных акселерограмм.

По своей сути А. М. Курзанов сформулировал наиболее актуальное направление развития современных натурных динамических испытаний, поставив на первый план исследования в области идентификации расчетных моделей объектов испытания. При этом он разработал несколько практических способов испытания здания на импульсную нагрузку, исследуя влияние ее на реакцию здания, находящегося в состоянии установившихся колебаний. Такие испытания в 1985 г. были проведены в Иркутске на трехэтажном фрагменте здания, выполненного по конструктивной схеме с неполным внутренним каркасом и несущими панелями. Для импульсного нагружения фрагмента применялась изготовленная на стройплощадке копровая установка с маятником массой 5 т. Высота подвески маятника 4 м. В качестве оси подвески применялась вагонная ось. Импульсивное нагружение осуществлялось ударом маятника по плите ростверка фундамента. Для регистрации отклика применялся измерительный комплекс в составе блока трех датчиков-динамометров

ДЭД-ВУ и электронно-лучевого запоминающего осциллографа С8-13. Опыт проведения испытаний показал, что одним из главных недостатков является разрушение плиты ростверка при сильных ударах маятника и сильный отскок маятника, не позволяющий провести точное определение величины ударного импульса.

В дальнейшем установка для создания импульсной нагрузки была значительно усовершенствована. Был выполнен ударник на гидравлическом приводе, который размещался вблизи фундамента исследуемого сооружения и мог воздействовать на фундамент импульсной нагрузкой различной интенсивности. Однако установка получилась громоздкой и не дала особых преимуществ перед вибромашиной с точки зрения удешевления исследований и повышения мобильности испытательного комплекса.

Поскольку ниша, связанная с вибродинамическими испытаниями зданий к концу 1980-х гг. оказалась свободной, а требования к полноте, качеству и достоверности данных, полученных в результате технической диагностики при обследовании зданий и сооружений, продолжали возрастать, начался процесс поиска дешевых экспериментальных методов динамических испытаний, которые позволили бы определять динамические характеристики без существенных затрат и могли бы быть использованы для широкого круга объектов.

В начале 1990-х гг. в лаборатории ВДИ ЦНИИС под руководством А. Н. Звягинцева была начата разработка такого метода [18]. Она базировалась на созданном в 1980-х гг. экспериментальном образце мобильного комплекса технических средств, ориентированном на диагностику мостов. Этот комплекс состоит из передвижного сейсмовибратора, используемого в качестве возбудителя микроколебаний, и передвижной измерительной лаборатории на базе ЗИЛ-131 с кузовом КУНГ.

Первый вариант измерительной системы состоял из магнитографа НО-67 и сейсмометров ВИБ-А со встроенными усилителями, а цифровая обработка сигналов проводилась в стационарных условиях на мини-ЭВМ типа Intertehnique-110.

Эта установка была усовершенствована и приспособлена для проведения диагностики жилых зданий, т.е. для получения их динамических характеристик.

Рис. 29

Испытательный комплекс ЦЫИИС в г. Зарафшан в 1991 г. во время проведения вибрационных нагружений жилого дома

Испытания зданий осуществлялись путем возбуждения колебаний грунта около фундамента с помощью мобильного сейсмовибратора СВ5-150М1 (рис. 29), а регистрация колебаний проводилась на конструкциях здания с помощью датчиков, расставленных в соответствии с традиционными схемами.

Для обработки сигналов применялось быстрое преобразование Фурье и вычислялась передаточная функция

Рис. 30

Графики комплексных передаточных функций для грунтовых условий

г. Зарафшан динамического прогиба относительно усилия вибратора. На рисунке 30 представлены графики таких передаточных функций, полученные при испытаниях в г. Зараф- шан тогда еще Узбекской ССР.

При анализе результатов испытаний были использованы три различных подхода, позволяющих оценивать состояние обследуемого здания.

Первый — вероятностный, основанный на использовании передаточных функций «грунт — грунт», «грунт — фундамент», «фундамент — первый этаж» и т.д., позволил оценить степень надежности конструкций здания с учетом имеющихся дефектов.

Второй — с использованием математической модели здания, которую по признанию автора (А. Н. Звягинцева) так и не удалось адаптировать по полученным в процессе испытаний данным.

Третий — спектральный, связанный с анализом частот и форм собственных колебаний здания, который также не был до конца реализован из-за отсутствия в спектре отклика частот и колебаний по главным формам.

Анализ результатов экспериментальных исследований, проводимых с использованием разработанного в ЦНИИС комплекса, показал как его значительные преимущества, которые позволяют использовать его для диагностики зданий вплоть до настоящего времени, так и существенные недостатки, ограничивающие область применения.

Главный недостаток — невозможность возбуждения колебаний здания в области низких частот. Это связано со слабым сигналом, который подходит к фундаменту здания (об этом уже говорилось выше для случая вибромашин), а поскольку частотный диапазон возбуждаемых вибратором колебаний лежит в области более высоких частот (как правило, не ниже 10 Гц), то колебания здания с собственной частотой не возбуждаются.

Кроме того, следует отметить, что исследования авторского коллектива НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ в актуальном для строительной науки направлении — динамические испытания зданий и сооружений — во многом подтолкнули и стимулировали разработку и создание современных мобильных диагностических комплексов. Это диагностические комплексы ВНИИ ГО и ЧС «Струна» и «Стрела», активно используемые для оценки сейсмостойкости

Рис. 31

Диагностический комплекс «Струна» МЧС России

и диагностики зданий и сооружений, и вибродиагно- стическийкомплекс СДВИК, разработанный совместно со специалистами «НИКЦИМ Точмашприбор» (рис. 31, см. цв. вкл., ил. 12).

Отличительной особенностью динамических испытаний с использованием этих комплексов является регистрация микроколебаний обследуемых объектов (от долей миллиметров до нескольких миллиметров), принципиально давно известная, однако до последнего времени ее применение было ограничено как возможностями регистрирующей аппаратуры и датчиков, так и уровнем программ обработки получаемого сигнала.

С появлением датчиков высокой чувствительности (от 100 мВ/(м/с2)) и цифровой обработки сигнала появилась возможность регистрировать и выделять колебания здания, возникающие от действия приложенной к его конструкциям нагрузки, интенсивность которой сравнима с фоновой от природных микросейсм.

Этот метод в соответствии с ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов» получил название метода свободных колебаний.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >