Способ динамических испытаний зданий и сооружений и устройство для его осуществления

 

Изобретение предназначено для определения динамических характеристик и сейсмостойкости действующих зданий и промышленных сооружений и для оценки качества строительных работ на возводимых объектах непосредственно на строительных площадках. Возбуждают колебания испытуемого объекта на собственных частотах воздействием последовательности ударных импульсов малой мощности. Установленными на объекте датчиками измеряют колебания и задают интервалы времени между ударными импульсами. Измеренные колебания суммируют по амплитуде, а динамические характеристики испытуемого объекта определяют по измеренным параметрам суммарных колебаний. Устройство содержит по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, установленный на объекте, ударное устройство, регистратор, последовательно соединенные блок формирования электрического синхроимпульса, фиксирующего момент ударного импульса, и блок управления запоминающим устройством. Регистратор электрического сигнала выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала и цифрового запоминающего устройства. Выход блока управления запоминающим устройством соединен со вторым входом цифрового запоминающего устройства. Технический результат: упрощение, сокращение времени и расширение области использования способа динамических испытаний зданий и сооружений. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к испытанию строительных сооружений, в частности к исследованию динамической прочности и колебаний их конструкций, и может быть использовано при определении сейсмостойкости действующих зданий и промышленных сооружений, а также для оценки качества строительных работ на возводимых объектах непосредственно на строительных площадках.

Известен способ динамических испытаний крупномасштабных конструкций (RU N 2104508, кл. G 01 М 7/02, 10.02.98), по которому возбуждают колебания испытуемой конструкции на собственной частоте воздействием на него последовательности ударных импульсов с помощью вибродатчиков, устанавливаемых на испытуемой конструкции, измеряют параметры ее колебаний и по ним судят о динамических характеристиках конструкции.

Для увеличения амплитуды свободных колебаний конструкции возбуждение ее колебаний по данному способу осуществляют с помощью силовозбудителя, формирующего импульсный сверхзвуковой управляемый газовый поток в пучности расчетной формы собственных колебаний, что приводит к усложнению силовозбудителя, увеличению его габаритов и требует больших временных затрат. Такой способ не позволяет проводить оперативное обследование зданий и сооружений, требует от персонала наличия специальных навыков управления силовозбудителем и соблюдения особых мер безопасности при обращении с ним.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ динамических испытаний зданий и сооружений (RU N 2011174, кл. G 01 М 7/00, 15.04.94), по которому возбуждают колебания испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов, с помощью устанавливаемых на объекте датчиков регистрируют его отклики, по измеренным параметрам колебаний задают интервалы времени между импульсами и судят о динамических характеристиках объекта.

Возбуждение колебаний испытуемого объекта по данному способу осуществляют с помощью подрыва зарядов ВВ импульсных силовозбудителей весьма сложной конструкции и значительных габаритов. Такой способ не позволяет проводить оперативное обследование зданий и сооружений, требует от персонала специальной квалификации и соблюдения особых мер безопасности при обращении с ВВ.

Известно устройство для осуществления способа динамических испытаний зданий и сооружений (Назин В. В. "Новейшие сейсмостойкие конструкции и железобетонные механизмы сейсмоизоляции зданий и сооружений".-М.: Стройиздат, 1993, с. 95-96, рис. 23), содержащее устройство возбуждения колебаний испытуемого объекта и установленный на объекте по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала.

Однако возбуждение колебаний испытуемого объекта в известном устройстве осуществляется посредством весьма громоздкого гидродомкрата, оснащенного специальной системой мгновенного освобождения от горизонтального усилия, что усложняет процесс испытаний и не позволяет проводить оперативное обследование зданий и сооружений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для осуществления способа динамических испытаний зданий и сооружений ("Обследование и испытание сооружений": Учеб. для вузов/ О. В. Лужин и др.; Под ред. О. В. Лужина. - М.: Стройиздат, 1987, с. 181-182, рис. 8.4). Как и настоящее изобретение оно содержит ударное устройство возбуждения колебаний испытуемого объекта и установленный на объекте по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала.

Однако известное устройство при испытаниях многоэтажных зданий и крупных сооружений позволяет получить приемлемую точность определения динамических характеристик объекта лишь при достаточно большой мощности ударного устройства, что усложняет процесс испытаний и не позволяет проводить оперативное обследование зданий и сооружений. В случае же применения ударного устройства малой мощности погрешность определения динамических характеристик объекта может оказаться недопустимо большой из-за низкой помехоустойчивости, вызванной наложением на слабые свободные колебания, возбужденные ударным устройством, микросейсмических помех (например, от движущегося вблизи испытуемого объекта транспорта, от ветровых воздействий, от работающего на объекте оборудования).

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение способа динамических испытаний зданий и сооружений, является упрощение, сокращение времени и расширение области применения динамических испытаний зданий и сооружений за счет допускаемого уменьшения амплитуды ударных импульсов при сохранении требуемой точности определения динамических характеристик испытуемого объекта.

Уменьшение амплитуды ударных импульсов позволяет осуществлять возбуждение колебаний испытуемого объекта с помощью ударного устройства простой конструкции и малых габаритов, например посредством нанесения удара по испытуемому объекту подвешенным грузом массой от 30 до 50 кг. В качестве груза может использоваться емкость из легкодеформируемого материала (резина, прорезиненная ткань, брезент и др.), содержащая сыпучий наполнитель (например, песок). Удар подвешенным грузом является наиболее простым и доступным способом возбуждения колебаний. При этом можно легко изменять спектральный состав и длительность ударного импульса (путем применения различных амортизирующих прокладок), точку приложения нагрузки. Это делает возможным проведение массовых оперативных обследований зданий и сооружений в процессе их эксплуатации в районах плотной городской застройки, не требует от персонала высокой квалификации и соблюдения особых мер безопасности при обращении с ударным устройством.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе динамических испытаний зданий и сооружений, включающем возбуждение колебаний испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов, измерение колебаний-откликов с помощью установленных на объекте датчиков и задание интервалов времени между ударными импульсами, воздействие осуществляют ударными импульсами малой амплитуды, измеренные в интервалах времени между ударными импульсами колебания суммируют по амплитуде, а динамические характеристики испытуемого объекта определяют по измеренным параметрам суммарных колебаний.

Техническим результатом изобретения - устройства для осуществления рассмотренного способа является упрощение конструкции устройства за счет допустимого применения ударного устройства малой мощности при обеспечении высокой точности определения динамических характеристик испытуемого объекта.

Это позволяет использовать устройство для осуществления рассмотренного способа при проведении оперативного обследования многоэтажных зданий и крупных сооружений в условиях их эксплуатации, в частности при наличии микросейсмических помех.

Сущность изобретения, касающаяся устройства для осуществления рассмотренного способа, состоит в том, что устройство, содержащее ударное устройство возбуждения колебаний испытуемого объекта и установленный на объекте по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала, дополнительно содержит последовательно соединенные блок формирования электрического синхроимпульса, фиксирующего момент воздействия ударного импульса на испытуемый объект от ударного устройства, и блок управления запоминающим устройством, при этом регистратор электрического сигнала выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала и цифрового запоминающего устройства, причем выход блока управления запоминающим устройством соединен со вторым входом цифрового запоминающего устройства.

В частном случае выполнения устройства для осуществления способа динамических испытаний зданий и сооружений блок формирования электрического синхроимпульса соединен с ударным устройством.

В другом частном случае выполнения устройства блок формирования электрического синхроимпульса выполнен в виде дополнительного блока преобразования вибрации в электрический сигнал, установленного на испытуемом объекте вблизи от места воздействия ударного устройства.

Указанные частные случаи выполнения заявляемого в изобретении устройства равнозначны по достигаемому техническому результату, но целесообразность применения того или иного из них зависит от удобства их конкретной реализации.

На фиг. 1 изображен пример синхронных записей колебаний-откликов испытуемого объекта при воздействии на него последовательностью семи ударных импульсов. Знаками от "x1" до "x5" на фиг. 1 обозначены записи откликов от пяти датчиков, установленных на разных этажах здания; в верхней части фиг. 1 отмечены порядковыми номерами и показаны пунктирными линиями моменты воздействия ударных импульсов.

На фиг. 2 в качестве исходного образца для сравнения с записями суммарных колебаний (суммарного отклика), изображенными на фиг. 3, показаны синхронные записи четвертого отклика испытуемого объекта при воздействии на него четвертым ударным импульсом, отмеченным на фиг. 1. Как и на фиг. 1, знаками от "x1 " до "x5" на фиг. 2 обозначены записи отклика от пяти датчиков, установленных на разных этажах здания.

На фиг. 3 изображены синхронные записи суммарного отклика испытуемого объекта при воздействии на него семью ударными импульсами, отмеченными на фиг. 1. Знаками от "x1s" до "x5s" на фиг. 3 обозначены записи суммарного отклика от пяти датчиков, установленных на разных этажах здания.

На фиг. 4 изображена схема частного случая выполнения устройства для осуществления способа динамических испытаний зданий и сооружений.

На фиг. 5 изображена схема другого частного случая выполнения устройства для осуществления способа динамических испытаний зданий и сооружений.

Возможность осуществления изобретения рассмотрим на примере осуществления способа динамических испытаний зданий и сооружений при испытании многоэтажного здания, подверженного влиянию микросейсмических помех, вызванных движением вблизи него достаточно интенсивного потока транспортных средств.

На одном или нескольких этажах испытуемого объекта устанавливают датчики, с помощью которых измеряют колебания-отклики на импульсные воздействия. С помощью подвешенного на стене здания (или удерживаемого в руках) груза возбуждают колебания испытуемого объекта на собственных частотах, нанося по нему ударные импульсы. Интервалы времени между импульсами выбирают в пределах, например, от 1,5 до 5 с таким образом, чтобы колебания от предыдущего ударного импульса практически полностью затухли. Отклики, измеряемые в указанных интервалах времени, суммируют по амплитуде, например, с помощью описываемого ниже устройства для осуществления рассматриваемого способа. Количество ударных импульсов выбирают таким, чтобы в суммарном отклике полезные затухающие колебания, синхронно накапливаясь, существенно превысили по амплитуде микросейсмические колебания, влияние которых за счет их случайного характера при суммировании сводится к минимуму. Измеряя параметры суммарных колебаний, судят о динамических характеристиках объекта (например, периодах собственных колебаний здания первого, второго и третьего тонов, логарифмических декрементах затухания, распределениях амплитуд колебаний по высоте и фронту здания - эпюрах колебаний).

Представленные на фиг. 1 в качестве примера синхронные записи откликов испытуемого двенадцатиэтажного здания получены при нанесении последовательности ударов по несущей стене двенадцатого этажа мешком массой 40 кг, выполненным из искусственной кожи и заполненным песком.

Возможность сведения к минимуму искажающего влияния микросейсмических помех за счет их случайного характера при синхронном суммировании откликов и тем самым возможность обеспечения высокой точности измерений (при весьма малой мощности ударного устройства) проиллюстрирована фигурами 2 и 3. Если визуально сравнить взятые в качестве исходного образца для сравнения записи четвертого отклика здания на фиг. 2 с записями суммарного отклика, изображенными на фиг. 3, полученного путем синхронного амплитудного суммирования откликов от семи ударных импульсов, то легко видеть, что, например, "хвост" суммарных колебаний (на интервале от 2,1 до 2,8 с в записях на фиг. 3), полученных от каждого датчика, в значительной мере оказался "очищенным" от микросейсмических помех.

Таким образом достигается положительный эффект от применения данного способа, заключающийся в существенном упрощении, сокращении времени и расширении области применения динамических испытаний зданий и сооружений за счет допускаемого уменьшения амплитуды ударных импульсов при сохранении требуемой точности определения динамических характеристик испытуемого объекта.

Устройство для осуществления рассмотренного способа динамических испытаний зданий и сооружений (см. фиг. 4 и 5) содержит ударное устройство 2, блок 4 формирования электрического синхроимпульса, последовательно соединенный с блоком 6 управления запоминающим устройством, установленный на испытуемом объекте 1 по крайней мере один блок 3 преобразования вибрации в электрический сигнал, который последовательно соединен с регистратором электрического сигнала, выполненным в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя 5 электрического сигнала и цифрового запоминающего устройства 7, причем выход блока 6 управления запоминающим устройством соединен со вторым входом цифрового запоминающего устройства 7.

В частном случае выполнения устройства для осуществления рассмотренного способа динамических испытаний зданий и сооружений блок 4 формирования электрического синхроимпульса соединен с ударным устройством 2 (см. фиг. 4). На практике блок 4 формирования электрического синхроимпульса может быть выполнен в виде контактного электрического датчика, состоящего из двух проводящих пластин, одна из которых закреплена на ударном устройстве 2, а другая - на испытуемом объекте 1 в месте нанесения удара при возбуждении колебаний.

В другом частном случае выполнения устройства для осуществления рассмотренного способа динамических испытаний зданий и сооружений блок 4 формирования электрического синхроимпульса выполнен в виде дополнительного блока преобразования вибрации в электрический сигнал, установленного на испытуемом объекте 1 вблизи от места воздействия ударного устройства (см. фиг. 5). На практике дополнительный блок может выполняться таким образом, чтобы при нанесении удара ударным устройством 2 по испытуемому объекту 1 на выходе этого блока формировался короткий электрический импульс, передний фронт которого совпадает с моментом воздействия ударного импульса.

Устройство для осуществления рассмотренного способа динамических испытаний зданий и сооружений работает следующим образом.

Ударным устройством 2 наносится удар по выбранному месту испытуемого объекта 1. В момент воздействия ударного импульса блок 4 формирует электрический синхроимпульс (форма которого может совпадать с формой, представленной на верхней регистрограмме на фиг. 1), поступающий на вход блока 6 управления запоминающим устройством. Одновременно блок 3 преобразования вибраций в электрический сигнал воспринимает отклик испытуемого объекта 1 и посылает соответствующий отклику электрический сигнал на аналого-цифровой преобразователь 5 электрического сигнала. С выхода аналого-цифрового преобразователя 5 электрического сигнала на вход цифрового запоминающего устройства 7 поступает цифровой сигнал, соответствующий отклику испытуемого объекта 1. Блок 6 управления запоминающим устройством формирует и посылает команду цифровому запоминающему устройству 7 для записи цифрового сигнала в режиме суммирования. Режим суммирования предусматривает арифметическое суммирование цифровых данных в соответствующих ячейках памяти, начиная с первой ячейки, в которые записываются сигналы, поступающие на вход цифрового запоминающего устройства 7. Запись продолжается до прихода очередной команды цифровому запоминающему устройству 7 от блока 6 управления запоминающим устройством. С этого момента запись возобновляется в те же ячейки цифрового запоминающего устройства 7, но при этом к цифровым значениям, уже содержащимся в них, прибавляются цифровые значения, соответствующие отклику испытуемого объекта 1 на следующий ударный импульс от ударного устройства 2.

Общее количество воздействий на испытуемый объект 1 ударными импульсами зависит от достигнутого в процессе накопления полезных данных отношения "сигнал - помеха", т. е. от достигнутого относительного снижения уровня случайных компонентов помех, присутствующих в откликах. Увеличивая количество возбуждений колебаний испытуемого объекта 1 можно даже при малых амплитудах откликов достичь практически приемлемого отношения "сигнал - помеха" при заданной точности определения динамических характеристик испытуемого объекта 1. Реально на практике оказывается достаточно произвести от 6 до 10 воздействий на испытуемый объект 1 ударными импульсами с помощью груза массой 40 кг.

Таким образом, благодаря возможности применять ударное устройство малой мощности за счет увеличения количества воздействий на испытуемый объект достигается упрощение конструкции устройства для осуществления рассмотренного способа динамических испытаний зданий и сооружений при обеспечении высокой точности определения динамических характеристик испытуемого объекта.

Это позволяет с помощью устройства для осуществления рассмотренного способа проводить массовое оперативное обследование многоэтажных зданий и крупных сооружений в условиях их натурной эксплуатации.

Формула изобретения

1. Способ динамических испытаний зданий и сооружений, включающий возбуждение колебаний испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов, измерение колебаний с помощью установленных на испытуемом объекте датчиков и задание интервалов времени между ударными импульсами, отличающийся тем, что воздействие осуществляют ударными импульсами малой амплитуды, измеренные в интервалах времени между ударными импульсами колебания суммируют по амплитуде, а динамические характеристики испытуемого объекта определяют по измеренным параметрам суммарных колебаний.

2. Устройство для динамических испытаний зданий и сооружений, содержащее ударное устройство возбуждения колебаний испытуемого объекта и установленный на объекте по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные блок формирования электрического синхроимпульса, фиксирующего момент воздействия ударного импульса на испытуемый объект от ударного устройства, и блок управления запоминающим устройством, при этом регистратор электрического сигнала выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала и цифрового запоминающего устройства, а выход блока управления запоминающим устройством соединен со вторым входом цифрового запоминающего устройства.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок формирования электрического синхроимпульса соединен с ударным устройством.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок формирования электрического синхроимпульса выполнен в виде дополнительного блока преобразования вибрации в электрический сигнал, установленного на испытуемом объекте вблизи от места воздействия ударного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5