Измерение вибрации и оценка её воздействия на конструкции зданий и сооружений

Ипполитов Д.Е.
ГБУ ЦЭИИС (подразделение строительного надзора г. Москвы)

В данной статье предлагается рассмотреть вибрацию, как негативный фактор воздействия на конструкцию сооружения, в котором предполагается пребывание людей. Повышенная вибрация является опасной для жизни человека, ведь пренебрежительное отношение к данному физ. фактору может в последствии спровоцировать чрезвычайное происшествие.

Сам по себе человек является источником вибрации, и состояние его здоровья зависит от частоты вибрации как отдельных органов так и тела в целом. Так, например, исследования частот частей человеческого тела с помощью современных приборов спектрального анализа (исследования доктора Роберта Беккера) дают следующие данные:

1. Средняя частота человеческого организма в дневное время 62-68 Гц;
2. Частота частей тела здорового человека в диапазоне 62-78 Гц, если частота падает, значит, иммунная система понесла урон;
3. Основная частота мозга может быть в пределах 80-82 Гц;
4. Диапазон частот мозга 72-90 Гц;
5. Нормальная частота мозга 72 Гц;
6. Частота частей человеческого тела: от шеи вверх лежит в диапазоне 72-78 Гц;
7. Частота частей человеческого тела: от шеи вниз лежит в диапазоне 60-68 Гц;
8. Частота щитовидной железы и паращитовидных желез 62-68 Гц;
9. Частота вилочковой железы 65-68 Гц;
10. Частота сердца 67-70 Гц;
11. Частота легких 58-65 Гц;
12. Частота печени 55-60 Гц;
13. Частота поджелудочной железы 60-80 Гц;
14. Частота костей 43 Гц, при такой частоте кости не имеют своего иммунитета, не смотря на свою твердость. Их защищают мягкие ткани с более высокой собственной частотой;
15. Простуда и грипп начнется у человека, если частота падает до 57-60 Гц;
16. Если частота падает ниже 58 МГц, наступает любая болезнь, в зависимости от ее патогенного источника;
17. Грибковые инфекции разрастаются при падении частоты ниже 55 Гц;
18. Восприимчивость к раку наступает при частоте 42 Гц;
19. Падение частоты до 25 Гц – коллапс, смерть.

Следует принимать особые меры защиты против появления звуковых колебаний со следующими частотами, потому что их совпадение приводит к возникновению резонанса (возбуждение колебаний одного тела колебаниями другого той же частоты, а также ответное звучание одного из двух тел, настроенных в унисон):

• 20-30 Гц (резонанс головы);
• 40-100 Гц (резонанс глаз);
• 0.5-13 Гц (резонанс вестибулярного аппарата);
• 4-6 Гц (резонанс сердца);
• 2-3 Гц (резонанс желудка);
• 2-4 Гц (резонанс кишечника);
• 6-8 Гц (резонанс почек);
• 2-5 Гц (резонанс рук).

Вибрация оказывает ощутимое воздействие на человека в частотном диапазоне 1,6 – 1000 Гц. Действие вибраций на человека различно. Оно зависит от того, вовлечён ли в неё весь организм или его часть, от частоты, силы и продолжительности. Воздействие вибрации может ограничиться ощущением сотрясения (паллестезия) или привести к изменениям в нервной, сердечно-сосудистой, опорно-двигательной системах. 

При хроническом воздействии вибрации на человека в условиях производства возможно развитие профессионального заболевания - Вибрационной болезни. Заболевание характеризуется стойкими патологическими нарушениями в сердечно-сосудистой и нервной системе, а также в опорно-двигательном аппарате и высокой инвалидизацией. В Российской Федерации вибрационная болезнь находится на одном из первых мест среди хронических профессиональных заболеваний.

Долгое время вибрация рассматривалась в основном как вредный фактор - причина поломок, аварий, а также производственных заболеваний. И лишь в начале прошлого столетия берет отсчет период бурного развития вибрационной техники, без которой сейчас немыслим ряд важных производств при добыче и переработке полезных ископаемых, в химической технологии, в металлургии, в промышленности строительных материалов и при строительстве различных сооружений. Впрочем, отдельные примеры использования вибрации известны с очень давних времен, когда она применялась при просеивании сыпучих материалов, при строительных работах и даже в медицинской практике.

Существенная черта вибрации – нелинейный характер: результаты действия двух или нескольких факторов не складываются, а комбинируются, порой достаточно сложным, неожиданным образом (пример: в результате совпадения частоты сердца человека с частотой музыки возникает резонанс, в результате которого сердце испытывает перегрузку).

Вибрационная механика - раздел механики и теории нелинейных колебаний, который интенсивно развивается учеными России, Украины, Германии, Дании и других стран. Она служит, в частности, теоретической основой вибрационной техники и технологии. Возникла в нашей стране эта дисциплина не на пустом месте. Она базируется на фундаментальных исследованиях в области теории нелинейных колебаний и устойчивости движения, в которых отечественная школа физиков, математиков и механиков сыграла (и до сих пор играет) выдающуюся роль. Речь идет о трудах А.М.Ляпунова, Л.И.Мандельштама, Н.Д.Папалекси, А.А.Андропова, А.А.Витта, Н.М.Крылова, Н.Н.Боголюбова, Н.Г.Четаева, И.Г.Малкина, Б.В.Булгакова, А.И.Лурье и многих других, в том числе ныне здравствующих ученых.

Толчком к развитию вибрационной механики послужила работа П.Л.Капицы, опубликованная в 1951 г., в которой ученый смог посредством пары приемов на вибрирующем маятнике (Рис. 1) достичь условия устойчивости верхнего его положения, причем его решение оказалось универсальным для большинства задач. До этого, данное условие устанавливалось долгим опытным путем, и для каждой системы этот путь был индивидуальным. В итоге его работа стала основой для достижения этой устойчивости в более нелинейных и сложных системах. Это привело, во-первых, к решению ряда сложных и важных для приложений задач о действии вибрации на нелинейные системы - в диапазоне от теории механизмов и машин до небесной механики. 

Во-вторых, был математически формализован аппарат метода. Наконец, в-третьих, сформировались концепции, названные автором вибрационной механикой и виброреологией. Было установлено, что они представляют собой частные случаи более общей концепции - механики систем со скрытыми (игнорируемыми) движениями.

Рис. 2. Маятник, точка подвеса которого совершает колебания по закону Asinwt (движение по траектории эллипса). Здесь и далее цветные стрелки показывают направление вибрации. Верхнее положение маятника может стать устойчивым вследствие вибрации его оси (а). Наблюдатель V считает это результатом того, что маятник подпирается в обоих положениях равновесия незримыми пружинами (б). Наличием пружин объясняется тот факт, что маятниковые часы на вибрирующем основании всегда спешат (тогда как песочные часы в этом случае всегда отстают).

Вибрация – это механические колебания тела. 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). Вибрация может стать причиной повреждения конструкции здания, снизив ее эксплуатационную надежность: уменьшить устойчивость, ухудшить несущую способность перекрытий. 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 отдельных 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.

Исследование воздействия вибрации на конструкцию здания проводят в том случае, если есть основания предполагать, что это воздействие может привести к повреждению конструкции. Такое исследование представляет собой многоэтапный процесс, начинающийся на стадии проектирования новых зданий и сооружений в условиях действия существующих источников вибрации или новых систем, которые являются источниками вибрации и могут оказывать существенное воздействие на возведенные здания. На разных этапах проектирования разрабатывают и уточняют расчетные модели, в которых учитывают динамические свойства источника вибрации, пути ее распространения и особенности конструкции здания. Выходом модели является отклик в разных точках конструкции.

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.

При оценке вибрации на несущие конструкции учитывается состояние материала их которых они сделаны, а также свойства грунта, на котором возведено здание.

Согласно классификации из сейсмологии, повреждения зданий могут быть:

• легкие (косметические): тонкие трещины в штукатурке и откалывание небольших кусков штукатурки, появление тонких трещин в растворе, связывающем кирпичную кладку или бетонные блоки;
• умеренные: небольшие трещины в стенах, проходящие через кирпичную кладку или бетонные панели, откалывание довольно больших кусков штукатурки;
• тяжелые: большие глубокие и сквозные трещины в стенах, трещины в каркасе здания.

Важной характеристикой источника вибрации является длительность создаваемого возбуждения. Кратковременные импульсы или последовательность таких импульсов, если они повторяются нерегулярно или с низкой частотой повторения, при которой отклик успевает затухнуть до прихода следующего импульса, не способны эффективно раскачать конструкцию здания на ее резонансных частотах. Обычно частота собственных колебаний небольших сооружений высотой до 12 м находится в диапазоне от 4 до 15 Гц, а частота собственных колебаний элементов конструкции, таких как стены и перекрытия, - в диапазоне от 10 до 30 Гц и выше.

Но если здание в течение длительного времени подвергается воздействию непрерывной вибрации, то в отдельных точках конструкции максимальные значения колебания могут в 2,5 - 10 раз превышать значения колебаний грунта в месте его контакта с фундаментом здания. В соответствии с этим вибрацию классифицируют по длительности воздействия. Вибрацию считают кратковременной, если время действия источника недостаточно для накопления существенных усталостных повреждений конструкции, а также для того, чтобы раскачать конструкцию в резонансном режиме. Все остальные источники создают долговременную вибрацию.

Диапазон частот вибрации в разных точках здания зависит от источника возбуждения, свойств грунта, через который воздействие передается на конструкцию, и передаточных характеристик конструкции. При некоторых сочетаниях указанных факторов (например, при взрывах твердой породы, проводимых на небольшом расстоянии от здания, или при работе высокоскоростных машин) верхняя граница диапазона частот может достигать 1000 Гц. Однако в большинстве случаев при оценке риска повреждения конструкции здания вследствие воздействия на него вибрации техногенной природы достаточно проводить анализ в диапазоне частот от 1 до 150 Гц.

Уровни вибрации могут колебаться от единиц до нескольких сотен миллиметров в секунду в зависимости от частоты возбуждения.

Основными факторами повреждения конструкции являются тип фундамента и состояние грунта, особенности конструкции. расстояние до источника. Тип фундамента и состояние грунта определяют динамику системы на границе двух сред (грунт - фундамент здания). Так деформации фундамента, вызываемые сейсмическими волнами, прямо пропорциональны пиковому значению скорости в точке фундамента, но обратно пропорциональны скорости распространения этих волн в грунте. 

Поскольку скорость распространения сейсмических волн возрастает при увеличении жесткости грунта, то одним и тем же деформациям (потенциальным источникам появления трещин) будут соответствовать большие пиковые значения скорости. Таким образом, если конструкция фундамента обеспечивает высокую корреляцию между вибрацией фундамента и грунта, то для зданий, возведенных, например, на скальной породе, допустима вибрация фундамента с большими значениями скорости.

Основным параметром, используемым для оценки вибрации зданий, является пиковое значение скорости, измеряемое в направлении трех взаимно перпендикулярных осей х, у и z - v_peak,x, v_peak,y и v_peak,z соответственно. Ось z направлена вертикально вверх. Направления горизонтальных осей х и у зависят от точки измерений и определяются особенностями геометрии конструкции в данной точке. Например, при установке датчика вибрации на вертикальной поверхности блока фундамента, одну из горизонтальных осей выбирают в направлении нормали к данной поверхности, а при установке датчиков внутри здания направления измерений выбирают, по возможности, вдоль несущих элементов конструкции. Другой способ - направить одну из горизонтальных осей в сторону источника вибрации.

Для оценки вибрации определяют v_peak,max - наибольшее из пиковых значений, полученных для каждого направления измерений:

v_peak,max = max (v_peak,х, v_peak,у, v_peak,z)

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

Измерительная система должна обеспечивать измерение пикового значения скорости в диапазоне частот не менее чем от 1 до 250 Гц и в диапазоне измеряемых значений не менее чем от 1 до 500 мм/с, а также обеспечивать регистрацию времени наблюдения пикового значения.

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.

Расширенная неопределенность измерений пикового значения сигнала при коэффициенте охвата, равном двум, обусловленная отклонением амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик измерительного тракта, разрешением системы по времени, нелинейностью системы в заданном динамическом диапазоне измерений, собственными помехами в измерительной цепи и взаимным влиянием каналов при работе в нормальных условиях окружающей среды, не должна превышать 20 %.

Для измерений вибрации зданий обычно применяют акселерометры или датчики скорости (геофоны). При использовании акселерометров в состав измерительной цепи должно входить устройство интегрирования для получения сигнала скорости. 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.

При применении геофонов следует учитывать, что собственная частота колебаний таких датчиков находится в диапазоне от 6,5 до 9,5 Гц, т.е. попадает в диапазон измерений вибрации. После установки геофона, например, в грунт, собственная частота его колебаний изменяется, но по-прежнему может оставаться в пределах диапазона частот измерений. Поэтому необходимо, чтобы в измерительную цепь входило устройство компенсации (обычно программное) неравномерности частотной характеристики в диапазоне частот измерений.

Обычно для анализа сигнала с целью определения частот, доминирующих составляющих используют его цифровую 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.

Есть два основных подхода к выбору места измерений вибрации при оценке ее воздействия на здание: европейский и американский. В США измеряют вибрацию грунта вблизи фундамента здания, а в Европе измерения проводят на самом фундаменте. Это различие имеет исторический, а не принципиальный характер. Для оценки воздействия вибрации на конструкцию здания предпочтительно выбирать точки измерения вибрации непосредственно на конструкции.

Если провести измерения на фундаменте здания невозможно, то точки измерения должны находиться на нижней части (на высоте не более 1 м от уровня грунта) внешней несущей стены здания. Рекомендуется, чтобы точки измерения находились на той стороне конструкции, которая обращена к источнику вибрации.

Колебания, вызванные движением транспорта или строительными работами (взрывами, забивкой свай), могут усиливаться при их распространении вверх по конструкции здания. Поэтому рекомендуется проводить дополнительные измерения на верхнем перекрытии здания. Для высоких зданий (выше 12 м) рекомендуется проводить дополнительные измерения с помощью датчиков, устанавливаемых в ряд по вертикали через каждые 12 м, чтобы обеспечить возможность наблюдения за характером изменения вибрации. Вибрацию измеряют на несущих элементах, определяющих жесткость конструкции, обычно вблизи ее углов.

Для протяженных зданий (длиной более 10 м) рекомендуется на каждой стене на одной высоте установить несколько датчиков вибрации, по крайней мере, вблизи углов и посередине стены.

Вибрация междуэтажных перекрытий и перегородок может быть значительно выше вибрации несущих элементов, однако она обычно не связана с риском повреждения конструкции здания.

При измерении пиковых значениях скорости датчики устанавливают на конструкцию или в грунт. При установке на конструкции крепление датчика должно быть жестким, не допускающим угловых колебаний, поэтому следует избегать установки датчиков на кронштейны и другие вспомогательные приспособления. Если необходимо использовать три датчика для измерений вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях, применяют стальной куб, который закрепляют на конструкции с помощью шпильки или быстроотвердевающей смолы.

Установочный резонанс акселерометра должен находиться на частоте выше 1000 Гц, чтобы не оказывать влияния на результаты измерений. Отклонение оси чувствительности датчика от заданного направления измерений не должно быть более 5°.

При установке в грунт, если позволяет тип грунта, датчик можно закрепить на жестком стальном стержне (диаметром не менее 10 мм), вбитом в поверхностный слой грунта. Стержень не должен выступать над поверхностью земли более чем на несколько миллиметров. Особое внимание следует уделить обеспечению плотного контакта между датчиком и грунтом. В случаях, когда предполагаемое значение ускорения может превышать 2 м/с², стержень для сохранения своего положения внутри грунта должен опираться на жесткую площадку.

Измерения проводят не менее трех раз. Измеренные на каждом периоде пиковые значения не должны отличаться от среднего значения более чем на 10 %. Если это условие не выполняется, дополнительно проводят еще три измерения.

1 - уровень вибрации; 2 - время (в часах); 3 - период измерений; 4 - период наблюдений; 5 - период контроля
Рис. 1 - Продолжительность измерений

Контроль правильности проведения измерений осуществляют путем периодических проверок работоспособности измерительной системы на месте ее установки и наблюдением за фоновым шумом. При проверках на месте установки определяют передаточные характеристики всей измерительной цепи - обычно методом сравнения.

Под фоновым шумом понимают показания средства измерений в отсутствие исследуемой вибрации. Если уровень измеряемой вибрации превышает фоновый шум менее чем на 5 дБ, оценка воздействия вибрации на конструкцию здания может быть осуществлена только после соответствующей коррекции результатов измерений.

Измерения вибрации зданий проводят с целью сравнения полученных результатов с заданными предельными значениями (критериями оценки). Основой всех известных и широко применяемых на практике критериев является риск легких (косметических) повреждений конструкции.

Поскольку риск повреждения конструкции зависит не только от пиковых значений вибрации, измеренных в заданных точках, но и от других факторов, критерии оценки вибрации, по сути, представляют собой коррекцию результатов измерений в соответствии с этими факторами. При этом существующие критерии могут быть разделены по способу коррекции на два вида: частотно-зависимые и комплексные.

Независимо от применяемого критерия, все они построены по результатам статистической обработки данных исследований и базируются на предположении, что при превышении указанных предельных значений риск повреждения конструкции будет не более 5 %. Однако в действительности лишь небольшая часть проанализированных данных относилась к ситуациям, где произошло повреждение конструкции. Поэтому приводимые предельные значения можно рассматривать как консервативные.

Частота доминирующей составляющей обычно находится в диапазоне от 5 до 100 Гц, поэтому при построении критерия ограничиваются указанным диапазоном частот. Поскольку сведение нескольких факторов к одному (частоте доминирующей составляющей) неизбежно приводит к потере информации, установленные предельные значения следует рассматривать как заданные для «наихудших» условий, т.е. в конкретных ситуациях предельное значение может быть увеличено. При применении комплексных критериев оценки проводят коррекцию предельного значения по каждому из влияющих факторов: тип фундамента и состояние грунта, особенности конструкции, расстояние до источника.

Лаборатории ГБУ «ЦЭИИС» проводят комплексные обследования зданий на вибрационные показатели. Данные обследования включают измерения вибрации, воздействующей на фасад здания извне и вибрацию от инженерного оборудования. Для проведения измерений вибрации от инженерного оборудования для лаборатории ГБУ «ЦЭИИС» была разработана методика МИ ПКФ-14-007 «Методика измерения виброускорений в жилых и общественных помещениях», позволяющая оценивать вибрационное воздействие от всех основных источников вибрации в зданиях и сооружениях. 

Комплекс таких обследований позволяет своевременно выявить и предупредить дальнейшее негативное воздействие на человека и конструктив здания.