Виброметрические методы мониторинга

В процессе эксплуатации здания подвергаются воздействию вибрации как естественной (связанной с такими явлениями, как ветер или землетрясение), так и техногенной (вызванной деятельностью человека, например строительными работами, движением транспорта) природы. Вибрация может стать причиной повреждения конструкции здания, снизив ее эксплуатационную надежность. Признаками снижения эксплуатационной надежности является появление трещин, оторванных от несущего каркаса элементов и т.п. Поэтому вибрацию сооружений следует постоянно или периодически контролировать, чтобы определить, насколько действующие вибрационные нагрузки опасны как для конструкции в целом, так и для ее частей.

Вибрации естественной и техногенной природы различаются по своему характеру. Как правило, вибрация от естественных источников сосредоточена в области более низких частот, характеризуется высокой мощностью в источнике и распространяется на более далекие расстояния. Такая вибрация может вызвать значительные повреждения зданий, поэтому в местах постоянного или ожидаемого действия источников вибрации естественного происхождения (например, в сейсмоопасных районах) к конструкции зданий предъявляют специальные требования.

Виброметрические методы в составе геотехнического мониторинга применяют для контроля за допустимыми уровнями вибраций сооружений и их оснований в период строительства и после его завершения.

При оценке допустимости вибраций следует исходить из обеспечения:

• эксплуатационной надежности строительных конструкций и оснований;
• допустимости колебаний для людей;
• штатного функционирования виброчувствительного оборудования согласно требованиям технической документации на оборудование и задания на проектирование.

Цели виброметрического мониторинга

Вибрационные наблюдения проводятся для получения фактических данных об уровнях вибраций грунта и конструкций фундаментов сооружений при наличии динамических воздействий техногенного характера:

• от стационарного оборудования, установленного или планируемого к установке внутри или вблизи сооружения;
• автомобильного и железнодорожного транспорта и метрополитена;
• строительного оборудования;
• прочих источников (взрывные работы и т.д.).

В состав работ по виброметрическому мониторингу входят системно организованные инструментальные наблюдения за вибрациями и их контроль, выполняемые в соответствии с программой геотехнического мониторинга.

Механизмы воздействия вибрации

Вибрация оказывает на конструкцию здания механические воздействия, вызывая тем самым изменение ее состояния. Напряжение в каждой точке конструкции напрямую связано с деформациями, возникающими в этой точке, поэтому может быть выражено через параметры вибрации. При этом пиковые значения напряжения связаны с пиковыми значениями скорости. Теоретически по результатам измерений вибрации можно определить механическое напряжение и сравнить его с допустимыми значениями для данного элемента конструкции в зависимости от вида и продолжительности воздействия динамической нагрузки, свойств строительного материала и типа конструкции.

На состояние конструкции помимо пиковых напряжений влияют также накопленные усталостные изменения материала, которые невозможно определить по результатам измерений вибрации. Обычно усталостными эффектами пренебрегают, если динамическое напряжение менее 10% допустимого статического напряжения. Однако в некоторых случаях для оценки влияния динамических нагрузок (вибрации) может потребоваться измерение механических напряжений.

Помимо изменений состояния самой конструкции вибрация вызывает изменения свойств грунта, на котором установлено здание. Одним из таких изменений является локальное уплотнение грунта, которое может привести к повреждению конструкции из-за неравномерной осадки под фундаментом здания. Если вибрация носит долговременный характер, то уплотнение грунта может произойти даже на большом расстоянии от источника вибрации, когда уровень вибрации мал и не способен оказать существенного прямого воздействия на конструкцию здания. Еще более опасным явлением является разжижение грунта и потеря им несущей способности под воздействием вибрации. Особенно это относится к слабосвязанным водонасыщенным почвам.

Контролируемые параметры

При оценке вибраций измеряются параметры вибраций:

• виброперемещения;
• виброскорости;
• виброускорения.

Выбор параметров и точности их измерений, точек и направления измерений, предельных уровней вибраций, периодичности измерений осуществляется при разработке программы мониторинга. В необходимых случаях предусматривается непрерывный режим виброметрических наблюдений с автоматическим оповещением.

Многочисленные исследования показали, что параметром вибрации, в наибольшей степени коррелированным с риском повреждения конструкции здания, является пиковое значение скорости. Данный параметр характеризует энергию сейсмических волн, воздействующих на конструкцию.

В зависимости от типа используемого датчика вибрации измеряемой величиной, помимо скорости, может быть ускорение с последующим выполнением операции интегрирования.

Для анализа и оценки параметров вибраций следует вести измерения вибрационного фона до начала строительства. Полученные результаты используются при разработке виброметрического раздела программы геотехнического мониторинга.

Предельные уровни контролируемых параметров

Предельные уровни вибраций устанавливаются с учетом конструктивной схемы зданий и сооружений, их технического состояния, инженерно-геологических условий площадки строительства на основе нормативных документов.

В особых случаях, в том числе для уникальных зданий и сооружений, зданий исторической застройки, памятников архитектуры, истории и культуры, находящихся в предаварийном или аварийном техническом состоянии, предельные уровни вибраций могут назначаться на основе опытных исследований специализированных организаций.

Средства измерений и анализа

Типичная измерительная система состоит из датчиков вибрации, устройств согласования сигнала, устройств хранения данных, полосового фильтра с плосковершинной частотной характеристикой в заданном диапазоне частот измерений и показывающих устройств. Если для дальнейшего анализа сигнала (во временной и частотной областях) используют устройства записи, эти устройства также входят в состав измерительной цепи.

Для измерений вибрации зданий обычно применяются акселерометры или датчики скорости (геофоны). Поскольку такая характеристика, как пиковое значение скорости, чувствительна к фазовым соотношениям в сигнале, особое внимание необходимо обращать на точность реализации фазово-частотной характеристики измерительной цепи, включающей акселерометр и устройство интегрирования для получения сигнала скорости.

Обычно для анализа сигнала с целью определения частот доминирующих составляющих используется его цифровая запись за период измерений. Устройство анализа должно обеспечивать отображение всего временного сигнала за период измерений для определения характера вибрации.

Если вибрация носит ярко выраженный импульсный характер, то из сигнала "вырезают" импульс, где сигнал скорости имеет максимальное значение, и дальнейшему анализу подвергают "вырезанный" участок реализации.

Связь повреждений конструкций здания с вибрацией

Во время строительства и после его завершения элементы конструкции здания испытывают дополнительные механические напряжения, связанные с воздействиями разного вида. Изменения температуры, влажность, осадка грунта, деятельность людей и работа оборудования внутри здания, ползучесть материала, химические вещества и др. являются факторами дополнительной нагрузки на конструкцию, текущее состояние которой зависит от всей предыстории действовавших в этой конструкции механических напряжений.

Таким образом, даже в отсутствие существенных внешних нагрузок, к числу которых относится вибрация, для каждого здания характерна своя скорость развития повреждений конструкции, обусловленная процессами естественного старения. Поэтому, хотя вибрация способна значительно ускорить естественный рост повреждений, связать повреждения конструкции с воздействием вибрации можно только в том случае, если обследование этой конструкции было проведено непосредственно до и сразу после воздействия. При этом следует принимать во внимание только существенные изменения длины и раскрытия трещин, поскольку незначительные изменения могут быть обусловлены воздействием факторов естественной природы (например, сменой дня и ночи).

Протокол измерений

После завершения измерений, составляется протокол измерений, содержащий следующую информацию:

• наименования организации - заказчика и организации - исполнителя измерений; сведения о договоре, в соответствии с которым были проведены измерения; данные о лице, проводившем измерения; дату и место проведения измерений, погодные условия во время измерений;
• описание источника вибрации (взрывы, забивка свай, работа машин, дорожный трафик и т.д.), указание времени и частоты появления вибрации, ее продолжительности;
• описание сооружения, для которого были проведены измерения (адрес, назначение, тип конструкции с указанием размеров и материалов);
• взаимное расположение источника вибрации и точек измерений с приложением схемы;
• условия окружающей среды (состояние фундамента, геологические условия, уровень подземных вод, погодные условия);
• уровень фоновой вибрации;
• использованные средства измерений и анализа (тип и модель датчика вибрации, способ и характеристики его крепления, устройства согласования сигнала, записи и анализа, метод и средства определения частоты доминирующей составляющей), сведения о поверке средств измерений;
• измеряемые величины;
• результаты измерений в каждой точке измерений;
• оценку результатов измерений (сопоставление с предельными значениями с указанием источника предельных значений).

Нормативные документы

ООО «Центр СМИС «БАЗИС» оказывает услуги по проведению вибрационного мониторинга зданий и сооружений с применением автоматизированных аппаратно-программных комплексов.

Получить бесплатную консультацию по геодезическому мониторингу зданий и сооружений Вы можете по телефону: +7 (495) 975-75-89 или направив заявку по электронной почте: info@basis-smis.ru