Способ определения истинных значений собственных частот колебаний зданий

 

Изобретение относится к строительству и предназначено для инструментального обследования здания для определения его физического состояния. Заявлен способ определения истинных значений собственных частот колебаний здания. В зависимости от объемной конфигурации здания, например по высоте, выбирают точки измерений. Затем в выбранных точках измерений устанавливают сейсмометры и микробарограф. Регистрируют одновременно сейсмические колебания и пульсации атмосферного давления в течение заданного интервала времени. Точки, в которых производят регистрацию, выбирают в произвольном порядке. Длительность периода “t” регистрации выбирают таким образом, чтобы она заведомо превышала характерный период пульсаций атмосферного давления “Т_атм” и была сопоставима с фазой растяжения или сжатия лунносолнечных приливов. После чего фиксируют отклик (реакцию) здания на атмосферные пульсации путем регистрации в выбранных точках атмосферного давления. Определяют амплитуды резонансных частот путем составления для каждой точки временных ходов амплитуд и пульсаций атмосферного давления, рассчитывают коэффициенты корреляции этих временных ходов, исключая при этом значения частот колебаний резонансного типа, для которых не коррелируются временные ходы амплитуд колебаний и пульсаций атмосферного давления и определяют истинные значения резонансных собственных частот колебания здания. Технический результат: повышение точности определения истинных значений собственных частот колебаний здания. 5 ил.

Изобретение относится к строительству и предназначено для инструментального обследования здания для определения его физического состояния в процессе строительства, эксплуатации, определения конструктивной целостности в результате аварий и землетрясений.

Известен из патента Российской Федерации №2141635, кл. ⁶ G 01 M 7/00, 1999 г. способ динамических испытаний зданий, включающий возбуждение колебаний здания на собственных частотах воздействием на него ударных импульсов малой амплитуды в заданных интервалах времени, измерение колебаний - откликов с помощью датчиков, суммирование их по амплитуде и определение динамических характеристик здания по измеренным параметрам суммарных колебаний.

Собственная частота колебания здания определяется по короткому интервалу времени, что ограничивает точность определения значений собственной частоты колебания здания, а необходимость использования ударных воздействий ограничивает область применений известного способа, а за счет наличия отражений при ударных точечных воздействиях осложняется анализ записей и уменьшается точность определения параметров.

Наиболее близким по своей технической сути решением к предложенному способу является известный из патента Российской Федерации №2140625, кл.⁶ G 01 M 7/00, 1998 г. способ определения истинных значений собственных частот колебаний здания, включающий выбор точек измерений в зависимости от его объемной конфигурации здания, установку сейсмометров в выбранных точках, сейсмическую регистрацию колебаний по координатам X, Y и Z микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится здание, и определяют частоты и амплитуды собственных колебаний здания.

Недостатками этого известного способа являются недостаточная точность определения истинных значений собственных частот колебаний здания, трудоемкость его осуществления, а также пригодность применения для ограниченного типа зданий.

Задачами предлагаемого изобретения является повышение точности определения значений собственных частот колебаний здания, расширение области применения при снижении трудоемкости его осуществления.

Указанные задачи достигаются тем, что в способе определения истинных значений собственных частот колебаний здания, включающем выбор точек измерений в зависимости от его объемной конфигурации здания, установку сейсмометров в выбранных точках, сейсмическую регистрацию колебаний по координатам X, Y и Z микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится здание, и определяют частоты и амплитуды собственных колебаний здания, одновременно с сейсмической регистрацией колебаний осуществляют регистрацию атмосферного давления, причем длительность “t” регистрации колебаний в каждой из выбранных точек составляет 1-12 часов, точки назначают в произвольном порядке, а значения частот “f” регистрируемых в точках сейсмических колебаний составляет не менее 0,2 Гц, затем производят обработку сейсмограмм и барометрических записей пульсаций атмосферного давления, выделяя при этом как один из компонентов микросейсм отклик здания на пульсации атмосферного давления, для чего производят расчет спектров сейсмограмм в скользящем временном окне, выделяя в каждом из спектров сейсмограмм устойчиво присутствующие в интервале регистрации максимумы и определяют соответствующие им значения частот и амплитуд колебания здания в каждом из временных окон, после чего составляют временной ход амплитуд для каждой из частот колебаний и осуществляют сглаживание барометрических записей пульсаций атмосферного давления скользящим средним во временном окне, имеющим длительность, соответствующую длительности окна спектрального анализа, и сравнивают полученный для каждой из резонансных частот колебаний временной ход амплитуд колебаний с временным ходом пульсаций атмосферного давления, рассчитывая при этом коэффициенты корреляции временных ходов пульсаций атмосферного давления и амплитуд выделенных резонансных частот колебаний, исключая при этом значения резонансных частот колебаний, для которых не коррелируется временной ход амплитуд колебаний и временной ход пульсаций атмосферного давления.

Технический эффект от использовании заявленного способа, заключается в повышении точности определения собственных частот колебаний зданий, достигается за счет того, что выделяют реакцию здания на атмосферные ветровые пульсации, для чего ведут в выбранной точке регистрацию пульсаций атмосферного давления одновременно с сейсмической и в процессе обработки результатов измерений отделяют значения резонансных собственных частот колебаний здания от прочих вынужденных колебаний резонансного типа, составляя временной ход амплитуд резонансных колебаний и временной ход пульсаций атмосферного давления. При этом по сравнению с прототипом не требуется многоканальной расстановки датчиков по зданию, что существенно упрощает обследование здания и снижает по сравнению с прототипом трудоемкость его осуществления. Расширение области применения по сравнению с прототипом достигается путем расширения полосы частот сейсмической регистрации.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В зависимости от объемной конфигурации здания, например по высоте, выбирают точки измерений, в которых устанавливают сейсмометры и микробарограф. Регистрируют одновременно сейсмические колебания и пульсации атмосферного давления в течение заданного интервала времени. Точки, в которых производят регистрацию, выбирают в произвольном порядке. Длительность периода “t” регистрации составляет от 1 часа до 12 часов, ее выбирают таким образом, чтобы она заведомо превышала характерный период пульсаций атмосферного давления “Т_атм”, то есть при Т_атм=1 мин, t=1-2 часа и была сопоставима с фазой растяжения или сжатия лунно-солнечных приливов. Такой выбор интервала времени регистрации повышает точность определения параметров собственных колебаний и позволяет учесть воздействие лунно-солнечных приливов.

Для сейсмических измерений используют частотный диапазон, начиная от 0,2 Гц и выше, что позволяет обследовать по данному способу и современные высотные здания, имеющие собственные частоты в этом диапазоне.

Сейсмическую регистрацию микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого находится здание, производят по координатам X, Y и Z.

Затем производят обработку сейсмограмм и барометрических записей пульсаций атмосферного давления, при этом в качестве одного из компонентов микросейсм выделяют отклик здания на пульсации атмосферного давления, для чего производят расчет спектров сейсмограмм в скользящем временном окне, выделяют резонансные частоты колебаний и определяют их амплитуды.

Резонансные частоты f_i (j=1,...N) выделяют путем расчета спектров, применяя быстрое преобразование Фурье для каждого положения временного окна, скользящего по оси времени, с последующим сравнением спектров определяя частоты постоянно присутствующих максимумов. Длину окна анализа по времени τ подбирают исходя из положения соседних резонансных пиков на частотной оси:

τ=1/(0,5*min{f _j+1-j_j, f_j-j_i-1}), j=1,...N-1,

где j - порядковый номер резонансной частоты.

Для каждой из резонансных частот f_i определяют значения амплитуд для каждого положения временного окна на временной оси. Из полученных значений для каждой из резонансных частот колебаний составляют кривую временного хода амплитуд колебаний на соответствующей частоте.

Барометрические записи пульсаций атмосферного давления сглаживают скользящим средним во временном окне “□t”, длительность которого равна длительности окна спектрального анализа □t=□, получая тем самым временной ход пульсаций атмосферного давления.

Затем сопоставляют временной ход амплитуд для каждой из резонансных частот с временным ходом пульсаций атмосферного давления, рассчитывая при этом коэффициенты корреляции временных ходов пульсаций атмосферного давления и амплитуд выделенных резонансных частот колебаний. За истинные значения собственных частот колебания здания принимают те значения резонансных частот, для которых временной ход амплитуд колебаний коррелируется с временным ходом пульсаций атмосферного давления.

Конкретные примеры осуществления изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 показаны примеры спектров сейсмических записей, полученных в единичном временном окне; на фиг.2 - закономерности изменения по высоте амплитуд колебаний здания на частотах 0,58 Гц и 0,98 Гц; на фиг.3 приведен участок временных ходов амплитуд резонансных колебаний на частотах 0,58 Гц и 0,98 Гц в сравнении с сглаженным временным ходом пульсаций атмосферного давления; на фиг 4 приведены спектры сейсмических записей горизонтальных компонент вдоль Х и поперек Y плана здания, отметка 93,9 м, 30 этаж и на фиг.5 приведены участки временных ходов амплитуд резонансных колебаний на частотах 0,59 Гц и 0,78 Гц в сравнении со сглаженным временным ходом пульсаций атмосферного давления.

Пример 1. Обследовано здание, представляющее собой круглое в плане сооружение высотой около 100 м (далее объект Б). Рядом находится объект А (пешеходный мост), развязанный с объектом Б конструктивно. Регистрация сейсмических сигналов велась в диапазоне частот 0,2-20 Гц сейсмометрами СМ-3 и С5С, в точке трехкомпонентная расстановка; вертикальный сейсмометр и два горизонтальных, ориентированных вдоль (X) поперек (Y) линии, соединяющей объекты А и Б (вдоль и поперек горизонтальной оси моста). В качестве датчика вариаций атмосферного давления использовался микробарограф МРХ4115АР Motorola, Ink. Регистрация сейсмических колебаний и пульсаций атмосферного давления велась одновременно. Предварительно на здании Б были выбраны точки наблюдения: на уровне грунта, в середине отметка 60 м и в верхней части отметка 100 м здания (этажи: 3, 16 и 28 соответственно).

Регистрация в каждой точке велась в течение 3 часов, что позволило с отбраковкой участков записи с явными помехами реализовать заданную точность определения амплитуды пиков 10%, т.е. сравнимую с точностью генераторной калибровки сейсмометров. При частоте оцифровки записей 100 Гц расчет спектров велся по 512 точкам с суммированием по 19 перекрывающимся наполовину интервалам, т.е. окно спектрального анализа составило 51,2 с. В задачу не входило выявить вариации собственной частоты здания, потому не подбиралось время наблюдений, соответствующее одноименной фазе лунно-солнечного прилива.

На фиг.1 приведены типичные примеры спектров сейсмических записей, полученных в единичном временном окне. Представлены спектры для горизонтальных компонент в направлениях вдоль (X) и поперек (Y) линии А-Б, для разных отметок по высоте здания Б (уровне грунта, 60 м и 100 м). Кроме того, приведен спектр для объекта А, который был получен после обследования специально для подтверждения полученных на объекте Б результатов. Анализ спектров для объекта Б показывает, что в низкочастотной области присутствуют два максимума на частотах 0,58 Гц и 0,98 Гц, амплитуда которых растет с высотой. Для прочих максимумов на частотах амплитуда с высотой не увеличивается, т.е. они не являются основным тоном (первой формой) собственных колебания здания.

На фиг.2 показаны закономерности изменения по высоте амплитуды колебаний на резонансных частотах 0,58 Гц и 0,98 Гц. По закону нарастания с высотой оба эти значения частоты можно принять за значения собственных колебаний первой формы.

Исключить одно из значений частот можно, сопоставляя временные ходы амплитуд для каждой из этих частот и временной ход пульсаций атмосферного давления. Сглаживание кривой пульсаций атмосферного давления проведено во временном окне 51,2 с., скользящем средним с перекрытием наполовину.

На фиг.3 приведен участок этих временных ходов. Подобие временного хода пульсаций атмосферного давления и временного хода амплитуды колебаний на резонансной частоте 0,58 Гц видно даже визуально (с точностью до противофазы). Расчет коэффициента корреляции К дает значение К=-0,7. Для временных ходов пульсаций атмосферного давления и амплитуды колебаний на частоте 0,98 Гц К=0,3, т.е. процессы не коррелируются.

На основании сопоставления временных ходов пульсаций атмосферного давления и амплитуд колебаний на анализируемых резонансных частотах значение 0,98 Гц исключено, и величина 0,58 Гц принята за истинное значение основного тона собственных колебаний здания Б.

Природу максимума на частоте 0,98 Гц проясняет спектр для объекта А - там максимум 0,98 Гц является доминирующим, присутствует и максимум 3,92 Гц (0,98 Гц × 4). Таким образом, колебание с частотой 0,98 Гц на здании Б является не собственным, а вынужденным.

Пример 2. Производилось обследование строящегося высотного здания, имеющего форму, близкую к прямоугольной. Состояние объекта - возведено 40 этажей, отсутствует остекление, перегородки, лифтовые и вентиляционные шахты и прочие жесткие элементы.

Регистрация осуществлялась так же, как в примере 1, разница состояла в ориентации горизонтальных сейсмометров - в данном случае они направлены вдоль (X) и поперек (Y) оси здания. Расчеты велись по той же схеме.

На фиг.4 приведены спектры сейсмических записей горизонтальных компонент вдоль и поперек оси плана здания, отметка 93,9 м, 30 этаж. В спектрах присутствуют максимумы на частотах 0,59 Гц и 0,78 Гц, причем на компоненте колебаний Y выделяется один максимум на частоте 0,59 Гц, а на компоненте Y - двойной максимум на частотах 0,59 и 0,78 Гц.

На фиг.5 приведены кривые временного хода амплитуд колебаний на частотах 0,59 и 0,78 Гц в сравнении со сглаженной кривой временного хода пульсаций атмосферного давления. Видно, что для обеих частот присутствует корреляция кривых амплитуд с временным ходом пульсаций атмосферного давления, коэффициенты корреляции К=-0,8 и К=-0,6 соответственно для частот 0,59 Гц и 0,78 Гц. Таким образом, ни одна из частот не исключена и обе частоты являются истинными значениями собственных частот колебания здания, относящиеся к разным типам колебаний - вдоль и поперек корпуса здания, имеющего план, близкий к вытянутому прямоугольнику.

Таким образом, использование заявленного способа позволяет повысить надежность определения истинных значений собственных частот колебания здания за счет исключения значений частот вынужденных колебаний, упростить схему наблюдений, расширить область применения, а также получить дополнительную информацию о реальных величинах добавочных деформаций и ускорений вследствие действия динамической ветровой нагрузки.

Формула изобретения

Способ определения истинных значений собственных частот колебаний здания, включающий выбор точек измерений в зависимости от объемной конфигурации здания, установку сейсмометров в выбранных точках, сейсмическую регистрацию колебаний по координатам X, Y и Z микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится здание, и определение частоты и амплитуды собственных колебаний здания, отличающийся тем, что одновременно с сейсмической регистрацией колебаний осуществляют регистрацию атмосферного давления, причем длительность t регистрации колебаний в каждой из выбранных точек составляет 1-12 ч, точки назначают в произвольном порядке, а значения частот f регистрируемых в точках сейсмических колебаний составляет не менее 0,2 Гц, затем производят обработку сейсмограмм и барометрических записей пульсаций атмосферного давления, выделяя при этом как один из компонентов микросейсм отклик здания на пульсации атмосферного давления, для чего производят расчет спектров сейсмограмм в скользящем временном окне, выделяя в каждом из спектров сейсмограмм устойчиво присутствующие в интервале регистрации максимумы и определяют соответствующие им значения частот и амплитуд колебания здания в каждом из временных окон, после чего составляют временной ход амплитуд для каждой из частот колебаний и осуществляют сглаживание барометрических записей пульсаций атмосферного давления скользящим средним во временном окне, имеющим длительность, соответствующую длительности окна спектрального анализа, и сравнивают полученный для каждой из резонансных частот колебаний временной ход амплитуд колебаний с временным ходом пульсаций атмосферного давления, рассчитывая при этом коэффициенты корреляции временных ходов пульсаций атмосферного давления и амплитуд выделенных резонансных частот колебаний, исключая при этом значения резонансных частот колебаний, для которых не коррелируются временной ход амплитуд колебаний и временной ход пульсаций атмосферного давления.

РИСУНКИ