Инструментальный контроль вибраций у зданий и сооружений

Автор: Филиппова К.И.

В процессе эксплуатации здания и сооружения подвергаются воздействию вибрации, вызванной как естественными (ветер, землетрясение и др.), так и техногенными (строительные работы, движение транспорта и др.) причинами. Вибрации в той или иной степени подвержены все твердые тела, и ее воздействие может быть решающим фактором разрушения строительной конструкции при превышении допустимого уровня и времени воздействия.

Последствия вибрации:

• разрушение каменной и кирпичной кладки;
• отслаивание бетона от арматуры в железобетонных конструкциях;
• нарушение стыков соединений несущих конструкции и перекрытий;
• негативное влияние на здоровье людей.

Для снижения уровня вибрации в конструкциях зданий предусматриваются различные архитектурно-конструкционные решения, а промышленное оборудование в обязательном порядке оборудуется виброзащитой, амортизаторами, виброизоляторами. Но в некоторых случаях полностью компенсировать вибрационные воздействия невозможно, например, при нахождении здания в зоне влияния железнодорожного транспорта и т.д. Следует отметить, что предельные уровни вибрации установлены в ГОСТ Р 52892-2007 «Вибрация и удар. Вибрация зданий».

Следовательно, необходимо проводить постоянный контроль за вибрацией и своевременно отслеживать проявления её негативных последствий. Такие меры позволят предупредить возникновение аварийных ситуаций. Особое внимание контролю вибрации зданий уделяется, если предполагается, что ее воздействие может привести к повреждению и разрушению конструкции, например, железнодорожные или автомобильные мосты. В этом случае воздействие вибрации на конкретный объект исследуется на всех этапах его проектирования, строительства и эксплуатации.

Рассмотрим более подробно этот вопрос. 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.

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 строений 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. 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.

Специалисты Государственного бюджетного учреждения города Москвы «Центр экспертиз, исследований и испытаний в строительстве» (далее ГБУ «ЦЭИИС») постоянно производят контроль уровней вибрации ограждающих конструкций зданий от источников вибрации на строительной площадке в соответствии с методикой МИ ПКФ-17-051 «Методика измерений пиковой виброскорости для оценки воздействия вибрации на конструкцию зданий по ГОСТ Р 52892-2007». Эта методика была разработана ООО «ПКФ Цифровые приборы» специально для ГБУ «ЦЭИИС» с учетом специфики проводимых исследований.

Диапазон измерений пиковых значений скорости вибрации по данной методике в диапазоне частот 6,3-630 Гц составляет: Экофизика-110Ас датчиками AP2082M-100 – 40 мкм/с – 56 мм/с, Экофизика-110А с датчиками AP2099‑100 - 7 мкм/с – 56 мм/с. При изменении способа подключения датчиков диапазон измерений может быть расширен до 25 мкм/с – 180 мм/с и 7 мкм/с ­– 180 мм/с соответственно. Расширенная относительная неопределённость измерений пикового значения скорости не превышает 20%.

Измерение пикового значения скорости вибрации грунтов и строительных конструкций осуществляется методом измерения и регистрации временной формы сигнала ускорения с последующей обработкой.

Большая часть времени при проведении оценки соответствия измеренных значений скорости вибрации приходится на непосредственную обработку сигнала с помощью специализированного программного обеспечения Signal+3G RTA. Обработка записанных сигналов включает децимацию, наложение фильтра верхних частот (ФВЧ) и интегрирующего фильтра.

Рис. 1 – окно программы Signal+RTA после открытия записи временной формы сигнала

Рис. 2 – Окно программы Signal+RTA с установленными настройками

После установки соответствующих настроек производят пошаговый анализ записи с отслеживанием значений «peak-to-peak» для каждой измерительной оси. При анализе отслеживают наибольшие абсолютные значения. Итогом анализа является участок с наибольшим значением из всех трех рассматриваемых измерительных осей. Во время анализа фиксируют временной промежуток, в котором отмечено найденное наибольшее значение.

Для оценки частоты доминирующей составляющей переходных вибрационных процессов (движение транспорта, удары, взрывы и т.п.) строят спектр сигнала виброскорости, полученного при обработке, для представительного вибрационного события. Частоту доминирующей составляющей (выражена в Гц) снимают напротив того максимума, который входит в диапазоны используемой методики измерений (6.3 – 630 Гц).

Рис. 3 – Окно программы Signal+RTA с отображением спектра сигнала виброскорости

По полученным данным рассчитывают величину пиковой скорости вибрации по формуле:

где: Vпик– рассчитанное значение пиковой скорости вибрации (мм/с);

Vpeak-to-peak– значение, определенное в результате обработки сигнала (мм/с).

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.

Для частотно-зависимых критериев влияние большинства факторов выражается в виде зависимости предельного пикового значения скорости от частоты доминирующей составляющей. При этом тип конструкции зданий обычно является неучтенным фактором, требующим специального рассмотрения. Для этого строят несколько кривых зависимости предельного пикового значения скорости от частоты, доминирующей составляющей - каждую для конкретного типа и состояния конструкции.

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.

Далее в статье приведены критерии оценки вибрации зданий, установленные национальными стандартами и другими нормативными документами зарубежных стран, применяемые для оценки опасности воздействия вибрации зданий в России по ГОСТ Р 52892 «Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию».

1)Частотно-зависимые критерии оценки по DIN 4150-3:1999 Национальный стандарт Германии "Structural vibration - Part 3: Effects of vibration on structures" (Вибрация сооружений. Часть 3. Воздействие вибрации на сооружения)

Предельные значения (рис. 4) 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 категориям 1 или 2, имеющие высокую социальную важность (например, охраняемых памятников архитектуры).

Рис. 4 - Предельные значения скорости, измеренной на фундаменте здания
1 - здания категории 1; 2 - здания категории 2; 3 - здания категории 3

2) Частотно-зависимые критерии оценки по BS 7385-2:1993 Национальный стандарт Великобритании «Evaluation and measurement for vibration in buildings - Part 2: Guide to damage levels from ground borne vibration» (Измерение и оценка вибрации в зданиях. Часть 2. Руководство по установлению уровней передаваемой через грунт вибрации, приводящей к повреждению зданий).

Предельные значения (рис. 5) установлены в отношении кратковременной вибрации для пиковых значений скорости на фундаменте здания для двух категорий зданий:

• зданий делового назначения и производственных зданий, имеющих каркасные или армированные конструкции (категория 1);
• жилых зданий и зданий делового назначения, имеющих облегченную конструкцию, конструкцию без армирования или с облегченным каркасом (категория 2);

Рис. 5 - Предельные значения скорости, измеренной на фундаменте здания
1 - здания категории 1; 2 - здания категории 2

Предполагают, что умеренные повреждения могут произойти при превышении предельных значений, указанных на рис. 5, в два раза, а тяжелые - в четыре раза. В случае продолжительной вибрации, способной вызвать резонансы конструкции (особенно на низких частотах), предельные значения, указанные на рис. 5, рекомендуется уменьшить в два раза.

В 2022 году в соавторстве с сотрудниками отдела Санитарно-экологического и радиационного контроля ГБУ «ЦЭИИС» Ипполитовым Д.Е. и Филипповой К.И.,

ООО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ЭЛЕКТРОНДИЗАЙН" создала усовершенствованную версию методики измерений вибрации, которая позволяет обойтись без обработки записанного сигнала и при этом достоверно судить о наличии превышения допустимых уровней вибрации непосредственно после проведения измерений. Методика была названа авторами «Методика измерений среднеквадратичных и пиковых значений и уровней виброскорости и виброускорения в строительстве. МИ ПКФ-22-077. ФР.1.36.2022.43817».

Диапазон измерений пиковых значений скорости вибрации по данной методике в диапазоне частот 0,8 - 400 Гц составляет: экофизика-110А с датчиками AP2082M-100 от 71 мкм/с – 366 мм/с и экофизика-110А с датчиками AP2099‑100 – от 32 мкм/с до 366 мм/с. При изменении способа подключения датчиков диапазон измерений может быть расширен до значений от 71 мкм/с до 796 мм/с и от 32 мкм/с ­до 796 мм/с соответственно. 

В соответствии с данной методикой необходимо максимально полно зафиксировать информацию об источнике вибрационного воздействия, в том числе режим работы, рабочие характеристики, массы подвижных и неподвижных частей машин. Необходимо также уточнить характеристики грунта и пути распространения вибрации. 

Для измерения вибрации строительных конструкций, контрольные точки выбирают согласно п. 5.1.1 и 5.1.2 ГОСТ Р 53964-2010 «Вибрация. Измерения вибрации сооружений. Руководство по проведению измерений (с Поправкой)» и ГОСТ Р 52892-2007 п. 8.1. «Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию». При этом для измерений вибрации свайных фундаментов контрольные точки выбирают согласно ВСН 490-87 «Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки» и СП 24.13330.2021 «СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты».

Крепление датчика должно быть жестким, не допускающим угловых колебаний. Следует избегать установки датчиков на кронштейны и другие вспомогательные приспособления. При одновременном измерении вибрации в трёх взаимно перпендикулярных направлениях тремя однокомпонентными датчиками в одной контрольной точке, датчики устанавливают на металлический куб резьбовым способом. 

При ориентации датчика направления осей выбирают вдоль несущих элементов здания. Ось Z направлена вертикально вверх, оси X и Y – расположены в горизонтальной плоскости. Другой способ - направить одну из горизонтальных осей в сторону источника вибрации.При применении прибора Экофизика-110А (исполнение HF) со специализированным встроенным ПО в приборе выбирают режим измерения «Вибрация зданий ЭФБ-HF». Однако следует учесть, что в этом случае неопределенность измерений виброскорости выше. 

При отсутствии режима «Вибрация зданий ЭФБ-HF», или в случае необходимости выполнения более точного измерения следует проводить запись сигнала с дальнейшей постобработкой в ПО Signal+3G RTA. При проведении измерений в контрольной точке необходимо определить характер процесса – непрерывный, переходный или ударный. Для оценки возможности использования новой методики при проведении государственных работ, сотрудниками отдела Санитарно-экологического и радиационного контроля были проведены несколько параллельных измерений виброскорости. 

При этом одним из приборов проводилась запись сигнала, который в последствии подвергался обработке, описанной выше, а другой прибор реализовывал возможности нового режима измерений «Вибрация зданий ЭФБ-HF», который позволяет провести обработку результатов сразу после проведения измерений с помощью шумомера-виброметра, анализатора спектра.

Рис. 6 – Проведение параллельных измерений вибрационного воздействия

Рис. 7 – Проведение обработки результатов измерения виброскорости с помощью встроенного режима «Вибрация зданий ЭФБ-HF»

Таблица 1 Результаты проведения параллельных измерений скорости вибрации

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что расхождение между двумя методами обработки результатов измерения вибрационного воздействия не превышает 20%, что обеспечивает необходимую точность измерений, а также о том, что режим измерений «Вибрация зданий ЭФБ-HF» введенный в новой методике пригоден для применения при проведении оценки соответствия скорости и ускорения вибрации строительных конструкций (фундамента, стен, перекрытий) и грунтов требованиям технических регламентов и проектной документации.

____________________________________________________________________________________

Список использованных источников

1. ГОСТ Р 52892-2007 «Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию».
2. ФР.1.36.2018.29382 «Методика измерений пиковой виброскорости для оценки воздействия вибрации на конструкцию зданий и сооружений по ГОСТ Р 52892-2007. МИ ПКФ-17-051».
3. Национальный стандарт Германии DIN 4150-3:1999 "Structural vibration - Part 3: Effects of vibration on structures" (Вибрация сооружений. Часть 3. Воздействие вибрации на сооружения).
4. Национальный стандарт Великобритании BS 7835-2:1993 «Evaluation and measurement for vibration in buildings - Part 2: Guide to damage levels from ground borne vibration» (Измерение и оценка вибрации в зданиях. Часть 2. Руководство по установлению уровней передаваемой через грунт вибрации, приводящей к повреждению зданий).
5. ФР.1.36.2022.43817 «Методика измерений среднеквадратичных и пиковых значений и уровней виброскорости и виброускорения в строительстве. МИ ПКФ-22-077».
6. ГОСТ Р 53964-2010 «Вибрация. Измерения вибрации сооружений. Руководство по проведению измерений (с Поправкой)».
7. ВСН 490-87 «Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки».
8. СП 24.13330.2021 «СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты».

Автор статьи: Филиппова К.И.
ведущий инженер-эксперт Отдела санитарно-эпидемиологического и радиационного контроля