Уровни вибрации здания от работы строительного оборудования (автокран) на примере строительной площадки

Введение

Согласно требованиям статьи 7 пункт 1 Федерального закона от 30.12.2009 №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»: в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений не должно возникать угрозы причинения вреда государственному или муниципальному имуществу.

В условиях плотной жилой застройки, одним из важных факторов, влияющих на прилегающую к стройплощадке территорию является вибрационное воздействие. Существует государственный стандарт ГОСТ Р 52892-2007 «Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию», предусматривающий нормирование уровней вибрационного воздействия на конструкции зданий и сооружений, расположенных в непосредственной близости от стройплощадки. 

Предельные значения (рисунок 1) установлены в отношении кратковременной вибрации для пиковых значений скорости на фундаменте здания для трех категорий зданий:

• зданий делового назначения, производственных зданий и сооружений, имеющих аналогичную конструкцию (категория № 1);
• жилых зданий и зданий, имеющих аналогичную конструкцию или назначение (категория № 2);
• сооружений, не относящихся к вышеперечисленным категориям, имеющие высокую социальную важность (категория № 3)

Рис. 1 - Предельные значения виброскорости, измеренной на фундаменте здания. 1 - здания категории 1; 2 - здания категории 2; 3 - здания категории 3.

Описание строительной площадки

Абсолютные отметки поверхности участка строительной площадки составляют 146,5-147,7 м., прилегающая территория покрыта асфальтом. В геолого-литологическом строении участка до глубины бурения 15,0 м сверху вниз принимают участие: современные техногенные отложения: суглинок мягкопластичный, серовато-коричневый, песчанистый, тяжелый, с включением гравия, щебня, битого кирпича до 20% и песок средней крупности средней плотности, темно-серый, неоднородный, с включением строительного мусора (щебень, гравий, битый кирпич) до 20%, малой степени водонасыщения.

На момент проведения измерений на строительной площадке выполнялся комплекс работ по устройству фундаментной плиты. Общий вид на строительную площадку представлен на рисунке 2.

Рис. 2 – Общий вид строительной площадки

Для строительных нужд (спуска-подъема строительных материалов в котлован) использовался автокран г/п 25 т. на базе автомобиля МАЗ. Автокран располагался в западной части строительной площадки с опиранием на 4 выносные опоры, под каждую из которых были подложены доски толщиной 5 сантиметров (рисунок 3).

Рис. 3 – Место опирания выносных опор автокрана

Основным источником, создающим наибольшее динамическое воздействие на конструкцию автокрана, является двигатель внутреннего сгорания. Расположенный на виброизоляторах, он передает колебания на конструкцию кузова. Учитывая зависимость эффективности виброизоляторов от частоты колебаний (рис. 4) можно отметить их малую и даже отрицательную эффективность для низкочастотной области спектра излучения [3].

Рис. 4 – Частотная зависимость эффективности виброизоляции (ВИ) амортизаторов

Частично работа автокрана может происходить в данной области частот или на ее границе, что приводит к появлению повышенных вибраций на раме механизма. В случае рассмотрения рамы автокрана в аппроксимации набора упругих стержней, по которым распространяются колебания, можно ожидать распространения волн нескольких типов: изгибные, продольные, крутильные [4].

В работе [5], установлено, что изгибные волны имеют большую энергию, в связи с чем можно сделать предположение о следующем пути распространения наибольшего количества вибрационной энергии: вынужденные колебания, вызванные перемещением неуравновешенных масс двигателя, передаются через виброизоляторы на раму механизма, что приводит к изгибным колебаниям конструкции, которые посредством жесткого соединения вызывают продольные колебания точечно опертых выносных опор автокрана. 

Решение задачи о точечном источнике силы, действующем на твердое полупространство, описано в [6-7]. Как итог, на поверхности строительной площадки распространяются два вида волн: объемная (распространяется вглубь) и поверхностная (распространяется ближе к поверхности).

Распространяясь, данные волны оказывают влияние на прилегающую территорию. Энергия, воспринимаемая на фундаменте близ расположенных зданий и сооружений, являлась объектом исследования данной статьи.

Описание методики измерений

Измерение уровней вибрационного воздействия от строительных площадок на селитебной территории проводится согласно аттестованной методике измерений [8]. Диапазон измерений значений пиковой виброскорости по используемой методике составляет: 1,6–56 мм/с в диапазоне частот 6,3-100 Гц. Методика основана на принципе измерения виброускорения с последующим интегрированием и обработкой записанного сигнала.

Ближайшим нормируемым объектом (категория № 2 по [2]) является трехэтажное здание ГБОУ «Школа №2054», дошкольное отделение. Кратчайшее расстояние от здания до границы стройплощадки составляло 1,5 м, до ближайшей выносной опоры башенного крана 1,7 м.

Точки измерений выбраны на стороне конструкции, обращенной к источнику вибрации (стройплощадке). Расстояние от автокрана до точки № 1 составляло 1,7 м, до точки № 2 – 5,0 м. Схема расположения точек измерений представлена на рисунке 5. Отметим, измерения проводились в 3-х точках, две из которых выбраны для исследований в формате данной статьи.

Рис. 5 – Схема расположения точек измерений

Крепление вибропреобразователей осуществлялось на фундаменте здания с помощью восковой мастики (рисунок 6). Во всех точках были проведены измерения вибрационного воздействия при работе автокрана по перемещению грузов и измерения фоновых уровней вибрации при остановленных работах на исследуемой строительной площадке.

Рис. 6 – Крепление вибропреобразователя к фасаду зданию

Измерение уровней вибрации на конструкции ближайшего нормируемого здания

Для каждого проведенного измерения производилась запись временной формы сигнала. Обработка временной формы сигнала осуществлялась посредством специализированного программного обеспечения. Обработка записанных сигналов включала в себя децимацию, наложения фильтра верхних частот (ФВЧ) и однократного интегрирующего фильтра. Итогом анализа является участок с наибольшим значением из всех трех рассматриваемых измерительных осей. Результаты измерений пиковой виброскорости с указанием частоты доминирующей составляющей указаны в таблице 4.

Таблица 4 – Результаты измерени

Временная форма обработанного сигнала в точке измерений № 1 представлена на рисунке 7, спектральная на рисунке 8, в точке измерений № 2 – на рисунках 9 и 10 , соответственно.

Рис. 7 – Временная форма сигнала виброскорости в точке измерений № 1Временная форма обработанного сигнала в точке измерений № 1 представлена на рисунке 7, спектральная на рисунке 8, в точке измерений № 2 – на рисунках 9 и 10 , соответственно.

Рис. 8 – Спектр виброскорости по трем измерительным осям в точке измерений № 1

Рис. 9 – Временная форма сигнала виброскорости в точке измерений № 2

Рис. 10 – Спектр виброскорости по трем измерительным осям в точке измерений № 2

Выводы

Приведенная в работе строительная площадка рассмотрена как источник вибрационного воздействия, основным механизмом которой на момент измерений являлся автокран. Рассмотренный путь передачи вибрационной энергии показал, что воздействие на близ расположенное нормируемое здание оказывают объемные и поверхностные волны.

Результаты натурных измерений показали отсутствие превышений виброскорости от работы автокрана на расстоянии 1,7 м. от его выносной опоры, что не оказывает негативного влияния на конструкцию здания. Измеренное затухание пикового значения виброскорости с увеличением расстояния ~3 раза составило 0,11 мм/с. Инструментально подтверждено предположение о низкочастотном характере вибрационного воздействия, создаваемого автокраном: частота доминирующей составляющей, находилась в диапазоне 8-9 Гц.

Сотрудники Отдела санитарно-экологического и радиационного контроля ГБУ «ЦЭИИС» регулярно проводят работы с целью оценки соответствия уровней вибрации ограждающих конструкций зданий и сооружений от источников вибрации на строительной площадке требованиям технических регламентов и проектной документации. За период с января по август 2020 год в рамках государственного строительного надзора было совершено более 90 выездных проверок.

Список литературы

• №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
• ГОСТ Р 52892-2007 «Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию».
• Амортизация судовых дизельных энергетических установок: учебное пособие / М.А. Минасян, А.М. Минасян. – СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2017. – 360 с.
• Распространение и поглощение звуковой вибрации на судах: Никифоров А.С., Будрин С.В. – Л.: Изд-во «Судостроение», 1968. – 216 с.
• Вибровозбудимость конструкции и пути ее уменьшения / В.Ю. Кирпичников, балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2011. – 206 с.
• Miller G.F., Pursey H. The field and radiation impedance of mechanical radiators on the free surface of a semi-infinite isotropic solid // Proc. Roy. Soc. Ser. A. – 1954. – №1155. – P.521-541.
• Miller G.F., Pursey H. On the partition of energy between elastic waves in a semi-infinite solid // Proc. Roy. Soc. Ser. A. – 1955. – №1192. – P.55-69.
• ФР.1.36.2018.29382 «Методика измерений пиковой виброскорости для оценки воздействия вибрации на конструкцию зданий и сооружений по ГОСТ Р 52892-2007».

______________________________________________________

Статью подготовил:

Ведущий инженер-эксперт ОСЭиРК ГБУ «ЦЭИИС»
Светлов В.В.

Статью правил/утвердил:
Начальник отдела ОСЭиРК - заместитель руководителя ОИ ГБУ «ЦЭИИС» Ипполитов Д.Е.