Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к эксплуатации и строительству зданий и сооружений и может быть использовано для определения их физического состояния. Каждому зданию или сооружению присущ индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик колебаний, как следствие свойств подстилающего грунта и фундамента объекта, вида и качества соединений отдельных блоков, частей и элементов объекта, изменение которых отображается соответствующими изменениями параметров динамических характеристик о колебаний объекта в целом, его отдельных блоков, частей и элементов. Измерение колебаний осуществляют трехкомпонентными вибродатчиками в частотном диапазоне 0,5 - 100 Гц, обеспечивающих регистрацию величин колебаний по координатам Х, Y и Z одновременно. Колебания измеряют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится обследуемый объект, определяют частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции, спектры величин смешений, скоростей и ускорений точек объекта с координатами X, У, Z, декременты затухания (поглощения), передаточные функции грунт - фундамент объекта. На основании этих диагностических признаков устанавливают наличие изменений свойств подстилающего грунта и дефектов в конструкции объекта, возникающих в процессе эксплуатации, а также определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации, возможность ремонта, реконструкции или необходимость сноса обследованного здания или сооружения. 4 ил., 1 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2140625
Класс(ы) патента: G01M7/00
Номер заявки: 98102539/03
Дата подачи заявки: 17.02.1998
Дата публикации: 27.10.1999
Заявитель(и): Селезнев Виктор Сергеевич; Еманов Александр Федорович; Барышев Валерий Георгиевич; Кузьменко Александр Павлович
Автор(ы): Селезнев В.С.; Еманов А.Ф.; Барышев В.Г.; Кузьменко А.П.
Патентообладатель(и): Селезнев Виктор Сергеевич; Еманов Александр Федорович; Барышев Валерий Георгиевич; Кузьменко Александр Павлович
Описание изобретения: Изобретение относится к области эксплуатации и строительства знаний и сооружений и может быть использовано для определения их физического состояния.
Предлагаемый способ неразрушающего инструментального инженерно-сейсмологического обследования зданий и сооружений с использованием сейсмических методов, аппаратуры и оборудования позволяет осуществить с высокой точностью измерения и регистрацию пространственных микроколебаний зданий и сооружений, возникающих под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения (микросейсм), в условиях которого постоянно находится обследуемое здание или сооружение и определить комплекс параметров динамических характеристик пространственных микроколебаний здания или сооружения, отображающих их физическое состояние как в целом, так и отдельных блоков и элементов.
Проведение систематических обследований зданий и сооружений с момента ввода их в эксплуатацию позволяет получить инструментальные данные и определить, в зависимости от продолжительности и условий эксплуатации, уровень их физического состояния, степень износа, возможность и целесообразность реконструкции или необходимость сноса.
Известен способ динамического испытания зданий (1) с использованием зарядов взрывчатых веществ, с соответствующими отрицательными факторами, в связи с использованием последних.
В другом известном способе определения выбраций здания (2) уровни вибраций одновременно регистрируют на грунте вблизи здания, а также в его нижней и других частях, что позволяет определить коэффициенты передачи вибраций от грунта к нижней части здания и далее по его частям с учетом техногенного фона. Способ используется для определения возможности установки прецизионного оборудования и прогноза уровня вибраций во вновь строящихся однотипных зданиях.
Существенным недостатком этого способа является одномерное измерение величины вибраций, что не дает необходимого представления о динамическом напряженном состоянии обследуемого объекта.
Наиболее близким аналогом заявляемого изображения являются экспериментальные методы изучения колебаний сооружений, в том числе испытания сооружений и конструкций специальными нагрузками [3].
Изучение вибраций сооружений производится с целью:
определения допустимости этих вибраций;
определения диагностических характеристик сооружения для прогнозирования его поведения при возможном изменении динамических нагрузок вследствие реконструкции, смены оборудования и т.п.;
исследования и уточнения истинного характера физико-механических процессов в сооружении для разработки и улучшения методов расчета и конструирования сооружений с учетом динамических явлений [3].
Для определения динамических характеристик (собственных частот, декрементов колебаний) сооружения или его какого-либо элемента прибегают к возбуждению следующих видов колебаний:
- гармонических колебаний, частота которых меняется в достаточно широком диапазоне; в результате испытаний получают амплитудно- и фазочастотные характеристики конструкции для каждой исследуемой формы колебаний;
- собственных колебаний, возбуждаемых ударом или начальным смещением конструкции; динамические характеристики конструкции определяют в этом случае известными методами по полученной записи собственных колебаний;
- колебаний в переходном режиме при пуске (остановке) находящегося в сооружении оборудования или специального возбудителя гармонических колебаний; результаты испытаний позволяют приближенно определить значения собственных частот [3].
Обязательными условиями этих испытаний являются применение специального воздействия для возбуждения вынужденных или свободных колебаний объекта и исключение влияния на качество регистрационных записей помех микросейсмического фона.
В то время как, колебания здания или сооружения под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого они постоянно находятся, в предлагаемом способе используют вместо специального источника для определения их индивидуального комплекса параметров динамических характеристик.
При этом указание об использовании полученных динамических характеристик собственных колебаний испытуемого объекта для оценки его физического состояния в целях испытаний отсутствует, тогда как в предлагаемом способе численные значения параметров динамических характеристик колебаний здания или сооружения используют в качестве диагностических признаков их физического состояния.
Техническим результатом изобретения является получение численных значений физических параметров, отображающих реальное физическое состояние здания или сооружения, а также изменение этого состояния во времени в процессе эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в способе определения физического состояния зданий и сооружений, согласно изобретению, осуществляют измерения их пространственных колебаний под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения (микросейсм), в условиях которого постоянно находится обследуемый объект, посредством трехкомпонентных вибродатчиков, обеспечивающих одновременную регистрацию величин колебаний по координатам X, Y и Z.
На основании полученных данных определяют присущий каждому зданию или сооружению индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик колебаний, как следствие свойств подстилающего грунта (основания) и фундамента здания или сооружения, масс и упругих характеристик конструкции здания или сооружения, вида и качества соединений отдельных блоков, частей и элементов здания или сооружения.
Изменение в процессе эксплуатации указанных свойств отображается, соответственно, изменениями численных параметров динамических характеристик пространственных колебаний здания или сооружения в целом или их отдельных блоков, частей и элементов.
В итоге определяют частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции, спектры величин смещений, скоростей смещений и ускорений точек объекта с координатами X, Y, Z, декременты затухания (поглощения), передаточные функции грунт - фундамент объекта, фундамент объекта - этажи и части объекта по высоте, компоненты динамических деформаций и напряжений, возникающих в конструкции объекта.
На основании полученной численной информации устанавливают наличие изменения свойств подстилающего грунта и ослабления упругих связей в конструкции объекта, возникщих в процессе эксплуатации, определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации, и возможность ремонта, необходимость реконструкции или сноса обследованного здания или сооружения.
Суть способа заключается в следующем.
Основой способа инженерно-сейсмологического обследования является два физических явления:
- каждому зданию или сооружению присущ индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик пространственных колебаний, отображающий свойства подстилающего грунта (основания), фундамента, строительных материалов и конструктивные особенности объекта, а также их изменения во времени и нарушение целостности строительной конструкции объекта в процессе эксплуатации;
- микросейсмический фон естественного и техногенного происхождения, под постоянным воздействием которого находятся здания и сооружения, вынужденные совершать пространственные микроколебания на частотах форм собственных колебаний.
Микросейсмический фон естественного и техногенного происхождения представляет собою волновое поле, энергетические параметры микроколебаний и характер воздействия которого могут изменяться в широких пределах от белого и "окрашенного" шума до присутствия в его сплошном спектре частот от 0 до 100 Гц узкополосного полигармонического и нерегулярного импульсного воздействия.
Собственно белый шум характеризуется сплошным спектром частот и постоянными амплитудами смещений в диапазоне частот от 0 до 10 Гц и постоянными амплитудами ускорений в диапазоне частот от 10 до 100 Гц. При этом величины амплитуд в зависимости от района времени суток составляет в первом случае порядка 0,1-1,0 мкм, а во втором - порядка 0,1-3,0 мм/с2.
Воздействие волнового поля микросейсмического фона возбуждает вынужденные пространственные микроколебания здания или сооружения в целом, а в случае нарушения целостности строительной конструкции объекта, его отдельных частей и элементов на частотах форм собственных колебаний, поскольку источник энергии типа белого шума обеспечивает их микроколебания в полосах собственных резонансных частот.
В результате объект в целом и каждый ослабленный элемент объекта осуществляют вынужденные пространственные микроколебания на частотах собственных форм, что позволяет определить в точках измерений численные значения параметров динамических характеристик микроколебаний объекта и ослабленных элементов, отображающие его текущее физическое состояние.
Критериями оценки физического состояния зданий и сооружений, их отдельных блоков, узлов и элементов являются изменения во времени и пространстве численных значений параметров динамических характеристик колебаний объекта:
- частот и форм собственных колебаний;
- величин амплитуды смещений, скоростей смещений и ускорений в точках измерения;
- параметров затухания;
- передаточных функций грунт - фундамент, фундамент - этажи;
- компонент динамических деформаций, напряжений и др.
Старение здания или сооружения сопровождается снижением прочностных свойств строительных материалов и конструкции в целом, что отображается в виде изменения параметров динамических характеристик. Последние определяют при детальном инженерно-сейсмологическом обследовании объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого объект постоянно находится, путем регистрации в нескольких десятках, сотнях или тысячах точек измерений пространственных микроколебаний его конструкции на частотах собственных форм в диапазоне от 0,5 до 100 Гц с амплитудами от долей до десятка микрон.
Локальные дефекты, вызывающие изменение величин коэффициентов поглощения и упруго-инерционных параметров, изменяют соответственно численные значения частот и деформируют расчетную или первоначально полученную конфигурацию форм собственных колебаний строительной конструкции. При этом характер и степень деформации определяют взаимодействие строительной конструкции и дефекта, что позволяет, с учетом особенностей конструкции, выделить аномальные зоны поглощения - зоны частичного разрушения и зоны нарушения свойств упругих связей.
Сопоставление полученных при обследовании объекта значений параметров динамических характеристик с первоначальными или предыдущими значениями (при повторных обследованиях) позволяет оценить степень изменения физического состояния здания или сооружения.
Способ осуществляют следующим образом.
С помощью трехкомпонентных вибродатчиков и регистрирующей аппаратуры осуществляют измерения и запись в частотном диапазоне от 0,5 до 100 Гц пространственных микроколебаний грунта (основания) и здания или сооружения, возникающих под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения.
Верхний уровень частотного диапазона установлен на основании требований санитарных норм для жилых помещений и возможных частот собственных колебаний отдельных элементов зданий и сооружений.
Измерения пространственных микроколебаний по трем компонентам X, Y и Z производят по схеме наблюдений, которую определяют цель и детальность обследования объекта.
Схему наблюдений реализуют по сетке с определенным шагом в трех взаимоперпендикулярных плоскостях, проходящих по ширине (X-компонента), длине (Y-компонента) и высоте (Z-компонента) объекта, что позволяет достоверно описать его пространственные колебания.
Измерения микроколебаний проводят трехкомпонентными вибродатчиками во всех точках сетки и соответствующей многоканальной аппаратурой, когда регистрация производится одновременно, либо группой трехкомпонентных вибродатчиков последовательно.
В последнем случае устанавливают на грунте вблизи объекта или внутри него аналогичный трехкомпонентный вибродатчик - контрольную (опорную) точку, положение которого остается неизменным в процессе измерений.
При каждой расстановке по схеме наблюдений группы вибродатчиков их сигналы и сигнал вибродатчика в опорной точке регистрируют одновременно.
Регистрационные записи в опорной точке позволяют по известному способу [2] привести регистрационные записи группы вибродатчиков к единому уровню сигнала в опорной точке, что аналогично одновременной регистрации амплитуд колебаний во всех точках измерений на объекте.
Поскольку измерения микроколебаний объекта осуществляют под воздействием микросейсмического фона, регистрационную запись производят в течение нескольких (до десятков) минут, что позволяет накопить и выделить полезный сигнал.
Далее на основании регистрационных записей U(t, Xi, Yi, Zi) вычисляют спектры амплитуд и фаз (последние в случае одновременной записи) A(ω,xi,yi,zi) и ϕ(ω,xi,yi,zi). В качестве примера спектры амплитуд микроколебаний здания представлены на фиг. 2.
Спектры амплитуд и фаз позволяют путем фильтрации ("вырезания") частот, соответствующих формам собственных микроколебаний объекта, получить численные значения амплитуд A(ωj,xi,yi,zi) и фаз (при одновременной записи) ϕ(ωj,xi,yi,zi) смещения, скорости смещения и ускорения для каждой точки измерений на частоте формы собственных колебаний.
Полученные данные позволяют построить соответствующие карты распределения амплитуд смещений и карты фаз (при одновременной записи) в плоскостях наблюдений на частотах форм собственных колебаний, которые отображают физическое состояние объекта в целом и его отдельных элементов (фиг. 3).
Близкие к теоретическим конфигурациям карт распределения величин амплитуд смещений и карт фаз форм собственных колебаний свидетельствуют об удовлетворительном физическом состоянии здания или сооружения.
Отклонения или искажения конфигурации указанных карт возникают как следствие изменения физического состояния объекта, в том числе снижения его пространственной жесткости в целом или отдельных блоков и элементов из-за ослабления упругих связей или нарушения целостности конструкции.
Регистрационные записи U (t, xi, yi, zi) в каждой точке измерений позволяют вычислить параметры динамических характеристик микроколебаний объекта, которые в совокупности в виде ряда численных величин отображают физическое состояние здания или сооружения на момент обследования:
- частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции;
- величины смещений, скоростей смещений и ускорений в каждой точке измерений на объекте с координатами X, Y, Z;
- логарифмические декременты затухания (поглощения);
- передаточные функции грунт - фундамент объекта, фундамент объекта - этажи и части объекта по высоте;
- компоненты динамических деформаций и напряжений, возникающих в объекте и др.
Полученные параметры динамических характеристик микроколебаний отображают исходное состояние и качество строительства объекта, либо фактическое физическое состояние эксплуатируемого объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции.
Одним из известных способов по спектрам амплитуд A(ω,xi,yi,zi) определяют по соответствующим компонентам логарифмический декремент затухания (параметр затухания) в каждой точке измерений на частотах форм собственных поперечных, продольных и вертикальных колебаний.
По полученным данным строят карты распределения декремента затухания в плоскостях наблюдений и определяют его среднее значение по соответствующим компонентам для объекта в целом.
Далее определяют значения частот форм собственных колебаний в каждой точке измерений и средние частоты форм собственных колебаний для объекта в целом по соответствующим компонентам.
Строят графики отклонения частот форм собственных колебаний относительно среднего значения частоты для каждой плоскости наблюдения.
Построенные карты и графики параметров динамических характеристик и их средние значения отображают фактическое физическое состояние обследованного объекта.
При этом средние значения частот, декрементов затухания, количество и конфигурации форм собственных колебаний характеризуют физическое состояние обследованного здания или сооружения интегрально (в целом).
Исходные регистрационные записи U (t, xi, yi, zi) позволяют вычислить и другие параметры динамических характеристик микроколебаний обследованного объекта, отображающие его физическое состояние.
Оценивают физическое состояние обследуемого объекта на основании вычисленных для каждой точкиизмерений значений параметров динамических характеристик путем сопоставления полученных инструментальных данных:
- с расчетными или нормативными;
- с параметрами динамических характеристик эталонного однотипного объекта;
- с полученными ранее параметрами динамических характеристик объекта.
Второй из указанных методов используют в машиностроении при диагностике физического состояния машин [4]. Подобный подход перспективен при оценке физического состояния типовых зданий и сооружений на основании комплекса параметров динамических характеристик их колебаний.
Кроме того, по известным физическим закономерностям сочетания и соотношения между значениями параметров динамических характеристик - амплитуд смещений, декрементов затухания и изменения частот форм собственных колебаний - выделяют места ослабления упругих связей конструкции объекта.
Сочетание повышенного значения амплитуды формы собственных колебаний с одновременным снижением их частоты свидетельствует об ослаблении упругих связей элементов конструкции (в частности, наличии трещины), является диагностическим признаком, относящимся к последнему (четвертому) методу.
Возникшие в процессе эксплуатации изменения свойств грунта на который опирается обследуемый объект, свойств фундамента или конструкции объекта соответственно отображаются на параметрах динамических характеристик микроколебаний объекта.
Характер дефектов в выявленных аномально колеблющихся блоках, частях и элементах объекта устанавливают принятыми в ремонтно-эксплуатационной и строительной практике методами.
В отдельных случаях, при обследовании находящихся в эксплуатации или длительном бездействии объектов может быть предпринято, сдвинутое на целесообразный срок по времени, повторное обследование с целью определения динамики развития установленных дефектов и выявления вновь возникших.
Детальное обследование, например, нескольких типовых панельных жилых зданий перед их сносом позволит получить достоверную информацию о корреляции установленных динамических параметров микроколебаний и обнаруженных при этом аномалий с общим физическим состоянием строительных конструкций и фактически выявленными при разборке дефектами как отдельных блоков и элементов объектов, так и их соединений.
Таким образом, определение предлагаемым способом параметров динамических характеристик микроколебаний зданий и сооружений, отличающийся тем, что измерения вибраций осуществляют на объекте под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения трехкомпонентными вибродатчиками, позволяет:
- устанавливать изменения несущей способности грунта под объектом и дефекты в конструкции зданий и сооружений, возникающие в процессе эксплуатации;
- оценивать безопасность дальнейшей эксплуатации, возможность ремонта, необходимость реконструкции или сноса здания или сооружения;
- использовать полученную информацию о работоспособности зданий и сооружений, эксплуатирующихся в различных условиях, для корректировки технических норм проектирования, эксплуатации, ремонта и реконструкции зданий и сооружений и получить соответствующий экономический эффект.
Пример 1. Методика способа неразрушающего инструментального инженерно-сейсмологического обследования физического состояния зданий и сооружений путем определения параметров динамических характеристик микроколебаний объекта была отработана при проведении обследования введенного в 1991 - 96 годах в эксплуатацию лабораторно-технологического корпуса (ЛТК) института физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии наук в городе Новосибирске.
К началу работ по обследованию в 1993 году осуществлялось строительство западной пристройки к ЛТК, а ко времени проведения последнего этапа обследования в 1997 году, была сдана в эксплуатацию и восточная пристройка (1996 год).
Собственно ЛТК представляет собой пятиэтажное лабораторное здание, опирающееся на подвально-цокольный этаж и завершенное техническим этажом. В этих двух этажах размещены системы и службы инженерно-технического обеспечения функционирования корпуса.
Конструктивно здание и пристройки выполнены с железобетонным каркасом, ленточными фундаментами из бетонных блоков и кирпичными стенами. Каркас ЛТК состоит из колонн (сетка 6х6 м), ригелей, плит перекрытия и диафрагм жесткости. Общая длина корпуса - 60 м, ширина - 13,5 - 16,5 м, высота здания около 24 м.
Западная пристройка имеет сетку колонн 6х3х6 м и примыкание стен к ЛТК путем заделки в штрабы. Общая длина пристройки - 40 м, ширина - 16,5 м.
Восточная пристройка имеет сетку колонн 6х3х6 м, аналогичное примыкание стен к ЛТК, длину 25 м и "Г"-образную форму в плане.
На первом этапе обследование проводили под воздействием монохроматического волнового поля частотой 2.083 Гц, создаваемого работающим поршневым компрессором высокого давления 3Г-100/200, расположенным на расстоянии примерно 300 метров под углом в 35 градусов к продольной оси ЛТК.
Измерения проводили на грунте близ корпуса и по продольной оси здания (компонента Y) на полу посередине коридоров шести его этажей, начиная с подвально-цокольного, в десяти точках каждого этажа. Компонента X была принята направленной перпендикулярно продольной оси здания (Y-компонента), компонента Z-вертикально снизу вверх.
По полученным данным была построена карта изолиний величин амплитуд смещений колебаний здания по X, Y, Z-компонентам в вертикальной плоскости, проходящей по продольной оси здания в направлении оси Y (фиг. 1).
Представленная карта изолиний свидетельствует, что под воздействием монохроматического волнового поля здания колеблется в поперечном направлении (компонента X) с максимальным смещением порядка 24 мкм на пятом этаже ЛТК на стороне примыкания западной пристойки. Величины смещений поперечных колебаний западного торца здания ЛТК возрастают от подвально-цокольного до пятого этажа в восемь раз. Это происходит из-за раскачивания здания в поперечном направлении, поскольку частота монохроматического поля близка к частотам собственных поперечных колебаний здания (2.12 - 2.4 Гц).
На втором этапе обследования проводили измерения пространственных микроколебаний здания ЛТК с пристройками под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения. Измерения проводили по продольной оси шести этажей здания с шагом 3 м, с привязкой к сетке колонн.
По полученным данным были построены спектры микроколебаний здания по 252 точкам измерений, которые представлены на фиг. 2, где выделяются частоты форм собственных колебаний здания ЛТК:
- поперечные (X-компонента) - 2.12, 2.42, 2.7, 3.45 Гц;
- продольные (Y-компонента) - 2.65 Гц;
- вертикальные (Z-компонента) - 8 - 10 Гц.
На фиг. 3 представлены карты величин амплитуд смещений для двух первых форм собственных поперечных колебаний здания ЛТК с пристройками в срединной плоскости здания. При этом по вертикальной оси указаны этажи, а по горизонтальной - длина здания в метрах.
При анализе карт фиг. 3 следует учитывать:
- часть здания на протяжении: от 0 до 40 м - западная пристройка, от 40 до 100 м - собственно здание ЛТК, от 100 до 125 м - восточная пристройка;
- прямоугольная сетка показывает в пересечениях точки измерений при обследовании (252 точки).
Первая форма амплитуд смещений поперечных колебаний не симметрична относительно середины длины здания, что обусловлено большей жесткостью и более высокой частотой первой формы собственных колебаний восточной пристройки ("Г"-образное здание в плане).
На второй форме амплитуд смещений поперечных колебаний минимальное значение амплитуды смещения (узел) по той же причине не сдвинуто влево на границу примыкания западной пристройки к собственно зданию ЛТК.
Таким образом, сложная строительная структура, состоящая из здания и двух различной пространственной жесткости пристроек к нему, соответственно отображается на конфигурациях форм собственных колебаний, что и установлено при обследовании.
В каждой точке сетки измерений для установленных форм собственных колебаний определены логарифмические декременты затухания (поглощения), частоты собственных колебаний, величины жесткости и построены соответствующие карты распределения этих параметров по длине и высоте здания.
Логарифмический декремент затухания (поглощения) поперечных колебаний в здании ЛТК с пристройками изменяется в пределах от 0.135 до 0.22, при этом минимальное его значение относится к восточной пристройке.
Известно (5), что поле смещений по трем компонентам определяет динамические деформации и напряжения, возникающие в здании или сооружении. Для определения девяти компонент поля деформаций вычисляют производные от трех компонент смещения по координатам (X, Y, Z) и, соответственно, проводят измерения по сетке не менее чем в двух вертикальных плоскостях, проходящих по продольной оси здания, и в двух плоскостях, перпендикулярных продольной оси здания.
В качестве иллюстрации на фиг. 4 представлены интенсивности деформаций сдвига exy в вертикальной плоскости, проходящей по продольной оси здания ЛТК. Деформации характеризуют изменение поперечной компоненты смещений по продольной оси здания (горизонтальная ось) и по этажам здания (вертикальная ось). Деформации (модуль) были вычислены на частоте первой формы собственных поперечных колебаний здания ЛТК - 2.12 Гц.
На фиг. 4б прослеживаются чередующиеся вертикальные области большей и меньшей интенсивности деформаций сдвига, которые коррелируют с конструктивной структурой каркасного здания (фиг. 4а): интенсивности собственных поперечных колебаний ограждающих стен, сетки колонн и плит перекрытий здания существенно разнятся.
Выводы и рекомендации:
- анализ карт собственных форм и фаз микроколебаний зданий ЛТК и возникающих при этом деформаций сдвига позволяет оценить качество монтажа несущих конструкций и сооружения ограждающих стен как удовлетворительное;
- в процессе эксплуатации зданий особого внимания требуют узлы и участки ограждающих стен в местах примыкания зданий пристроек к собственно зданию ЛТК, где деформации сдвига при микроколебаниях разнятся в 30 - 50 раз;
- при проектировании следует уделять большее внимание конструктивному оформлению узлов сопряжения зданий и оценке их взаимного силового и динамического влияния.
Пример 2. Ниже в таблице представлены осредненные для объекта в целом значения частот и декрементов затухания поперечных и продольных колебаний ряда обследованных авторами зданий.
По результатам инженерно-сейсмологического обследования указанных в таблице зданий (поз. 2-6) даны рекомендации по характеру, объему и последовательности восстановительного ремонта строительной части.
Рекомендовано оценить экономическую целесообразность реконструкции здания поз. 6 по сравнению со строительством нового здания.
Анализ представленных данных показывает, что по мере старения здания:
- возрастает величина декремента затухания, то есть количество поглощаемой конструкцией энергии (см. поз. 2-6);
- как правило, понижаются средние частоты форм собственных колебаний (см. однотипные здания поз. 2-6, которые расположены в таблице по мере понижения уровня их физического состояния);
- образуются дополнительные частоты форм собственных колебаний в случае значительного изменения пространственной жесткости конструкции здания вследствие разрушения (трещины) или ошибки в выборе последовательности и мер восстановительного ремонта - восстановление части фундамента и укрепление части стен (см. поз. 4).
Следовательно, физическое состояние здания или сооружения и его изменение по времени характеризует ряд численных значений физических параметров: частот форм собственных колебаний и количество форм, амплитуд собственных колебаний и декрементов затухания.
Таким образом, полученные в результате инженерно-сейсмологического обследования параметры динамических характеристик микроколебаний объекта в виде их численных значений, карт распределения амплитуд форм собственных колебаний, графиков собственных частот и карт распределения декрементов затухания и др., а также их соотношения позволяют в качестве диагностических признаков определить физическое состояние здания или сооружения как в целом, так и отдельных их блоков и элементов.
Перечень графических иллюстраций применения предлагаемого способа.
Фиг. 1 - карта абсолютных амплитуд колебаний здания ЛТК с западной пристройкой на частоте 2.083 Гц (изолинии в мирконах).
Фиг. 2 - спектры микроколебаний здания ЛТК с пристройками.
Фиг. 3 - карта абсолютных амплитуд двух первых форм собственных поперечных колебаний здания ЛТК с пристройками по продольной оси здания (в микронах).
Фиг. 4а - вертикальный разрез здания ЛТК с пристройками по продольной оси здания.
Фиг. 4б - карта сдвиговых деформаций здания ЛТК с пристройками по продольной оси здания на частоте первой формы - 2.12 Гц.
Литература
1. Способ динамических испытаний зданий и сооружений. Патент РФ N 2011174, кл. G 01 M 7/00, 1994.
2. Способ определения вибрации здания. Авторское свидетельство СССР N 1777018, кл. G 01 M 7/00, 1992.
3. М. Ф. Барштейн, В.А. Ильичев, Б.Г. Коренев и др. Динамический расчет зданий и сооружений. Справочник проектировщика. Под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Рабиновича, М., Стройиздат, 1984, стр. 272 - 280.
4. С. А. Добрынин, М.С. Фельдман, Г.И.Фирсов Методы автоматизированного исследования вибраций машин. Справочник, М, Машиностроение, 1987, стр. 197 - 201.
5. Р. Клаф, Дж. Пензиен Динамика сооружений. М. Стройиздат, 1979.
Формула изобретения: Способ определения физического состояния зданий и сооружений, заключающийся в том, что динамические характеристики колебаний зданий и сооружений определяют посредством возбуждения специальным воздействием вынужденных или свободных колебаний объекта, отличающийся тем, что измерения пространственных колебаний осуществляют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится обследуемый объект, посредством трехкомпонентных, перемещаемых по точкам схемы наблюдений, вибродатчиков, обеспечивающих регистрацию величин колебаний по координатам X, Y, Z одновременно, определяют присущий каждому зданию или сооружению индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик собственных пространственных колебаний, как следствие свойств подстилающего грунта и фундамента здания или сооружения, масс и упругих характеристик конструкции здания или сооружения, вида и качества соединений отдельных блоков, частей и элементов здания или сооружения, изменение которых во времени в процессе эксплуатации отображается соответствующими изменениями параметров динамических характеристик колебаний здания или сооружения в целом, их отдельных блоков, частей и элементов, т.е. определяют частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции, спектры величин смещений, скоростей смещений и ускорений точек объекта с координатами X, Y, Z, декременты затухания (поглощения), передаточные функции грунт - фундамент объекта, фундамент объекта - этажи и части объекта по высоте, компоненты динамических деформаций и напряжений, возникающих в конструкции объекта, и устанавливают на основании этих диагностических признаков наличие изменения свойств подстилающего грунта и дефектов в конструкции объекта, возникших в процессе его эксплуатации, а также определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации, возможность ремонта, реконструкции или необходимость сноса объекта.