Блог Шаблон

---

Электронный журнал

Предотвращение аварий зданий и сооружений

Технология диагностики и мониторинга состояния строительных конструкций на основе исследования микросейсмических колебаний

Техническое состояние зданий и сооружений полностью зависит от целого ряда таких факторов, как производственная среда эксплуатации, природно-климатические воздействия. Немаловажным фактором является поддержание здания (сооружения) в работоспособном состоянии, для обеспечения необходимо выполнение целого комплекса мероприятий, в том числе своевременное обнаружение дефектов строительных конструкций для принятия мер по устранению как самого дефекта, так и причин возникновения данного дефекта.

Большинство зданий обследуется так называемым классическим методом, который предусматривает определение прочностных характеристик конструкций, фиксирование имеющихся дефектов и повреждений, замеры отклонений от номинальных (проектных значений). Для оценки общего состояния несущей способности здания или сооружения полученных данных порой недостаточно. Требуется детальная обработка полученных данных с построением математической модели здания с учётом всех фактических параметров конструкций. Работа весьма трудоемкая и соответственно весьма дорогостоящая, да и полученный результат не будет соответствовать фактическому состоянию обследуемого объекта, потому что практически невозможно выявить все дефекты и учесть это в расчетах.

Кроме традиционного классического метода обследования конструкций, существует метод диагностики зданий и сооружений с применением методов микросейсмических воздействий.

В инженерной сейсмологии для оценки реакции зданий и сооружений на сейсмические волны широко применяются модели линейных систем с одной или несколькими степенями свободы [1, 2]. При этом каждой степени свободы в модели линейной системы соответствуют свои резонансная частота и затухание. Жесткие инженерные сооружения, как правило, имеют одну частоту собственных колебаний, доминирующую над другими [2], и обычно здание описывают двумя цифрами: частотой собственных колебаний и затуханием. Именно эти параметры используются для грубой оценки реакции зданий и сооружений на сейсмические волны и их сейсмостойкости.

Совершенно ясно, что описание инженерного сооружения двумя или даже несколькими цифрами далеко не полно характеризует его сейсмостойкость. Получение резонансных частот и затухания в модели линейной системы для здания в целом требует минимум наблюдений и затрат на обработку. Мы не будем отвлекаться на описание широко известных методик экспериментального определения упомянутых характеристик зданий и сооружений. Отметим лишь, что в существующем подходе в описании здания резонансными частотами и затуханием для этих частот заложено предположение, что частотная характеристика между фундаментом и верхним этажом полностью характеризует здание, а это означает, что конструкция имеет равномерные в своем объеме характеристики по прочности и жесткости. Такая методика не предполагает наличие в здании элементов конструкций с разными прочностью и надежностью.

При детальном обследовании должны быть изучены не только частоты собственных колебаний, но и особенности реакции на сейсмические воздействия отдельных элементов зданий с целью выявления слабых мест и дефектов, возникающих при длительной эксплуатации, а также брака при строительстве.

Для детального сейсмического обследования здания требуются детальные наблюдения в его объеме. Идеальным случаем будут являться установка по всем этажам трехкомпонентных сейсмоприемников с шагом в первые единицы метров и запись сейсмических событий такой сетью наблюдений. При наличии таких материалов можно ставить задачи по всестороннему детальному изучению особенностей поведения сооружений при сейсмических воздействиях и выявлению ослабленных элементов конструкций с целью выдачи рекомендаций по их усилению. Провести такого типа наблюдения весьма затруднительно. Требуется калиброванная аппаратура, имеющая несколько сотен сейсмических каналов. Создание такой аппаратуры не реально из-за высокой стоимости.

В качестве источников колебаний, действующих в любой заданный момент, нами рассматривались микросейсмы, которые всегда присутствуют и сейсмические колебания в здании, которые являются реакцией на приходящие воздействия.

Как отмечалось многими исследователями [1, 2], колебания зданий и инженерных сооружений достаточно хорошо описываются моделью линейной системы. Это выражается в наличии на частотной характеристике исследуемого объекта резонансов (частот собственных колебаний). Именно на этих частотах происходит усиление приходящих колебаний от низа к верху, и внешние сейсмические воздействия, имеющие в себе эти частоты, наиболее опасны для таких сооружений.

Под воздействием микросейсм любое инженерное сооружение постоянно находится в колебательном процессе. Для детального обследования здания с использованием микросейсм идеально реализовать плотную систему одновременной регистрации колебаний (рис. 1), но это не представляется возможным. Рассмотрим иную систему наблюдений и ее возможности. Одновременная регистрация колебаний здания под воздействием микросейсм ведется в опорной точке и i-й точке (группе точек), затем i-я точка (группа точек) меняет свое положение и вновь проводится регистрация сейсмических колебаний одновременно с опорной точкой (рис. 2). Такими наблюдениями можно детально покрыть исследуемый объект с малоканальной аппаратурой. Задача состоит в том, как преобразовать разновременные наблюдения в разных точках здания в одновременную запись стоячих волн на всей системе наблюдения.

Рис. 1. Необходимая полная система наблюдений

Рис. 2. Система одновременной регистрации в опорной точке 0 и некотором количестве i-х точек

В основу алгоритма получения из разновременных наблюдений в здании с одной опорной точкой данных одновременной регистрации одного и того же колебательного процесса в разных точках заложим следующие предположения о модели процесса колебаний в инженерном сооружении:

1. При воздействии микросейсмических колебаний на здание (инженерное сооружение) отличия формирующихся в нем стоячих волн, зарегистрированных в двух произвольных точках, описываются линейной системой, характеристика которой не зависит от времени.
2. При воздействии микросейсмических колебаний на здания отличия бегущих волн, зарегистрированных в двух произвольных точках, не могут быть описаны линейной системой, характеристика которой не зависит от времени.
3. Линейные связи в изменениях стоячих волн, зарегистрированных в двух точках, существуют для каждой пары одноименных компонент регистрируемых колебаний.

Эти предположения позволяют составить модель связи колебаний, регистрируемых в двух разных точках инженерного сооружения (здания) (рис. 3). Модели регистрируемых колебаний в опорной точке и i-й, можно записать в следующем виде:

где h0i(t) - импульсная характеристика линейной системы, описывающей связь между колебаниями точек 0 и i на обследуемом объекте; W(t) – колебания в точках 0 и i, не имеющие линейной связи друг с другом.

(1)

Рис.3. Модель линейной связи волновых полей в двух точках объекта

В таком представлении колебания разных точек объекта имеют две составляющие: первую – связанную с общим процессом реакции объекта на сейсмические воздействия и имеющую линейные связи с колебаниями от точки к точке; вторую – колебания в точках, не имеющие линейной связи с общими колебаниями. Ко второй составляющей относятся сейсмические колебания от локальных источников внутри здания и нелинейные эффекты распространения колебаний.

Для выбранной модели процесса колебаний с независимыми компонентами в здании появляется возможность получить одновременные записи стоячих волн из разновременных, последовательных наблюдений с опорной точкой. Процедура обработки в таком случае сводится к следующим операциям.

1. Нахождение частотных характеристик линейных систем (спектральный эквивалент ), микросейсмических колебаний в этих точках, описывающих изменение колебаний от опорной точки 0 к i-й по данным одновременной регистрации.
2. Запись или формирование независимой реализации процесса колебаний опорной точки при сейсмическом воздействии на исследуемый объект.
3. Пересчет стоячих волн из опорной точки с использованием (назовем их переходными характеристиками) во все точки обследуемого объекта.

Ключевым вопросом рассматриваемой схемы обработки является задача определения с необходимой точностью по материалам разновременной регистрации микросейсмических колебаний с опорной точкой. В соответствии с выбранной моделью, имея трехкомпонентные записи, можно вести обработку по каждой компоненте независимо друг от друга. Рассматривая модель сигналов, регистрируемых в двух точках здания на одинаковых компонентах (рис. 1), можно видеть, что задача определения сводится к определению характеристики линейной системы по сигналам на ее входе и выходе, зарегистрированных на фоне шумов. Будем искать характеристику в виде оптимального фильтра Винера [3], преобразующего сигнал в запись стоячей волны в точке i.

(2)

Данная формула позволяет вести расчет характеристики фильтра с погрешностью, которая зависит от параметров зарегистрированной реализации естественных колебаний обследуемого объекта. Такими параметрами являются: шаг дискретизации регистрируемых колебаний по времени ; длина единичного блока Т, на которые разбита запись естественных колебаний; количество блоков в записи n. Выбор первых двух параметров не вызывает затруднений. Шаг дискретизации увязывается с частотным диапазоном, в котором изучается реакция объекта на сейсмическое воздействие. Длина единичного блока связана с необходимым разрешением спектрального анализа . Для обследования объектов, имеющих целый ряд степеней свободы при описании линейной моделью и, соответственно, целый ряд резонансных областей в частотной характеристике, требуется разрешение, увязанное с шириной этих резонансных областей и расстояниями по частоте между ними. Сложнее вопрос о количестве блоков. Расчет по формуле (2) – лишь некоторая оценка характеристики фильтра, погрешность которой зависит от количества блоков n и соотношения энергии шумов и полезных сигналов в модели (1), т.е. фактически от того, в какой степени изменение колебаний от точки к точке описывается линейной системой.

Для оценки количества блоков, необходимых для обеспечения заданной погрешности фильтра, прежде всего, требуется изучение работоспособности выбранной модели изменений колебаний в объекте от точки к точке. Для изучения этого вопроса применим спектр когерентности. Расчет , как и характеристики фильтра, требует усреднения. Разделим реализацию одновременно записанных шумов в двух точках здания на блоки, о необходимой длине которых говорилось выше, и осуществим усреднение по ним. Формула для расчета спектра когерентности примет вид

(3)

Полученное выражение является приближенной оценкой спектра когерентности, погрешность которой зависит от числа блоков n. Относительная погрешность расчета спектра когерентности рассчитывается по формуле

(4)

В соответствии с (4), чем выше значение , тем меньше погрешность. Увеличение n всегда обеспечивает уменьшение погрешности оценки спектра когерентности, а это означает, что при любом значении , увеличивая число блоков или общую (длину) записи в двух точках, можно достичь заданной погрешности оценки значения спектра когерентности по формуле (4).

Высокие значения спектров когерентности на частотах нормальных мод инженерных сооружений дают основание применять модель (1) и использовать формулу (2) для построения фильтров, пересчитывающих стоячие волны из опорной точки в i-ю, для получения картины одновременных записей стоячих волн во всех точках.

Приближенное выражение для расчета ошибки амплитудной характеристики имеет вид

(5)

В соответствии с (5) с увеличением числа блоков для вычислений характеристики фильтра, пересчитывающего колебания из опорной точки обследуемого объекта в i-ю, можно добиться любой заданной погрешности построения фильтра. При малом количестве блоков, даже небольшое увеличение их числа, обеспечивает существенное уменьшение погрешности. При больших величинах n уменьшение погрешности с увеличением числа блоков замедляется. Высокая точность пересчета колебаний быстро достигается при больших значениях . Для случаев с малыми значениями когерентности требуется большое число блоков в одновременной записи.

Количество блоков определяет длину реализации, записанную в каждой точке обследуемого объекта, и существенно влияет на производительность работ. Оптимальная производительность достигается последовательной регистрацией колебаний в точках объекта при длине реализации 5-20 минут и существенно снижается при длинах реализаций, измеряемых часами. При высокой когерентности колебаний 0.8-0.99, наблюдаемой на инженерных сооружениях на частотах нормальных мод, удается достигнуть погрешности порядка 5% и менее для пересчета стоячих волн и производительности обследования зданий за несколько дней. Низкие значения спектра когерентности вне частот нормальных мод приводят к сильной регуляризации фильтра Винера. Фильтр запирается на этих частотах и обеспечивает подавление бегущих волн в пересчитанных записях.

Изучение спектра когерентности колебаний опорной и i-й точек с учетом его погрешности в обследовании инженерных сооружений играет ведущую роль в обосновании выбранной модели изменений колебаний от точки к точке.

Полное описание вывода формул пересчета стоячих волн в зданиях и других инженерных сооружениях приведено в [4].

Сложности, связанные с практической реализацией этого метода (сопоставление результатов, полученных в результате динамических воздействий, с реальным состоянием конструкций) тормозят широкое внедрение методики.

Чтобы исправить такое положение дел, Алтае-Саянским филиалом Геофизической службы СО РАН совместно с АНО СЦТДЭ «ДИАСИБ» были предприняты попытки сопоставить результаты, полученные при исследовании микросейсмических колебаний от естественных и искусственных источников, с результатами комплексного технического обследования здания, проведенного классическими методами. Работы выполняются в три этапа:

1. классическое обследование;
2. микросейсмодиагностирование конструкций;
3. повторное точечное обследование конструкций по результатам микросейсмодиагностирования.

Полученные результаты обследования конструкций при помощи методики микросейсмодиагностирования позволяют выявить наиболее «прослабленные» места в конструкции здания, в которых проводится точечное (адресное) обследование классическим методом. В качестве примера приведен один из выполненных результатов обследования. На конкретном примере можно с большой долей уверенности говорить о целесообразности применения методики микросейсмодиагностирования строительных конструкций совместно с классическим методом обследования.

Полученные результаты совмещённого обследования позволяют получить наиболее полную картину состояния здания, что в значительной мере облегчает разработку проектов восстановления несущей способности как отдельных конструкций, так и для здания в целом.

Кроме того, учитывая степень повреждения конструкций большинства обследуемых зданий, экономическую и социальную значимость обследуемых объектов, а также отсутствие возможности быстрого проведения восстановительных работ, было предложено в процессе эксплуатации проведение постоянного мониторинга состояния здания при помощи вышеуказанной методики. Полученные результаты исследований микросейсмических колебаний от естественных и искусственных источников позволили откорректировать используемые датчики под конкретные параметры (границы измерений) конкретного здания. Наличие постоянного мониторинга позволяет отслеживать малейшие изменения в состоянии конструкций с целью принятия своевременных мер по локализации возникшего (развивающегося) дефекта.

Рис. 4. КХЗ, корпус 202, карты амплитуд и фаз собственных форм
поперечных колебаний (продольный разрез здания):
а) 1,56 Гц, максимум 12,0; б) 4,1 Гц, максимум 3,7.
Знаками «+» и «-» показано направление колебаний

Рис. 5. КХЗ, корпус 202:
а) собственные частоты колебаний плит перекрытия крыши
здания и колонн по южной стороне;
б) изменение частоты первой формы поперечных колебаний
по продольному сечению здания

Библиографический список

1. Федеральный закон от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов. (с изменениями от 7 августа 2000 г., 10 января 2003 г., 22 августа 2004 г.)
2. СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений». М., 2004.
3. Павлов О.В., Дреннов А.Ф., Дреннова Н.Н. и др. Анализ колебаний грунтов при землетрясениях. Новосибирск: Наука, 1983, 96с.
4. Потапов В.А. Инженерно-сейсмологический анализ объёмных и поверхностных волн. Новосибирск: Наука, 1992, 133с.
5. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М. Мир, 1971, 408с.
6. Пересчёт стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях / А.Ф. Еманов, В.С. Селезнёв, А.А. Бах, С.А. Гриценко, И.А. Данилов, А.П. Кузьменко, В.С. Сабуров, Г.И. Татьков // Геология и геофизика. №2, 2002, с. 192-207.

<<Назад