Архитектон: известия вузов. №2 (38) Июнь, 2012

Город как экосистема

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕГИСТРАТОРА СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ «РЕГИСТР»

УДК: 550.34
Шифр научной специальности: 26.3+85.11

Аннотация

Проблема диагностики состояния зданий и сооружений всегда была актуальна, поскольку связана и с безопасностью людей, и с охраной окружающей природы. Строительная наука и геофизика, в частности сейсмометрия, подходят к ее решению по разному. Строителей интересует, главным образом, статическое состояние изучаемого объекта, преимущественно свойства материалов, работа отдельных узлов конструкций. Сейсмометрия нацелена на анализ динамики сооружений. Сейсмические методы получили развитие в направлении изучения реакции сооружений на сильные воздействия, например, разработки В. С. Селезнева, А. Ф. Еманова [2].

В лаборатории сейсмометрии Института геофизики УрО РАН разработан комплекс, позволяющий проводить сейсмодинамические исследования строительных объектов. При этом изучается реакция не столько на сильные упругие воздействия, сколько на относительно слабые, присутствующие практически постоянно микросейсмические колебания в условиях городских застроек и промышленных объектов. Составляющими комплекса являются аппаратурная часть, методический блок, программный модуль, включающий получение конечного результата. Очевидно, что перечисленные элементы играют важную роль и не могут существовать друг без друга в рамках отмеченного комплекса, который позволяет решать следующие задачи:
1. В диапазоне до 64 Гц определение частоты (периода) собственных колебаний объекта исследований в компонентах X, Y, Z на основе спектрального анализа сейсмической информации.
2. Определение амплитуд смещений объекта исследований для трех компонент – X, Y, Z, в точке измерения, вдоль профиля и по площади. Расчет полного вектора смещений в точке измерения.
3. Расчет логарифмического декремента затухания для каждой из компонент X, Y, Z и для каждой точки измерения на объекте.

Решение перечисленных выше задач может быть осуществлено достаточно оперативно, в том числе, непосредственно на объекте исследований. Напомним, что источником возбуждения при измерениях является микросейсмический шум естественного и техногенного происхождения, ветровые воздействия и т. п.

Рассмотрим отмеченные выше составляющие комплекса сейсмодинамических исследований строительных объектов.

Аппаратурная часть

Основой аппаратурной части комплекса является 3-канальный регистратор сейсмических сигналов «Регистр» [3, 4], укомплектованный 3-компонентным велосиметром электродинамического типа. Регистратор «Регистр» – это компактный, полностью автономный измерительный прибор, который может в течение нескольких часов осуществлять запись трех каналов сейсмической информации с временной привязкой. Внешний вид прибора показан на рисунке 1, а его основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Рис.1. Внешний вид регистратора сейсмических сигналов «Регистр-3М» в комплекте.

Таблица 1
Основные технические характеристики регистратора

При проведении полевых измерений на объекте количество используемых регистраторов не регламентируется, а выбирается исходя из возможностей исследователя, сложности геометрии и размеров объекта. В принципе, если нет временных ограничений, даже чрезвычайно сложную строительную конструкцию можно обследовать всего одним прибором.

Методический блок

Методический блок комплекса сейсмодинамических исследований включает, во-первых, предварительную оценку сооружения с целью наиболее адекватного выбора точек размещения регистраторов. Приоритетными, как правило, являются точки, расположенные в верхней части объекта (крыша или чердачное помещение), его средней части и в основании. Во-вторых, следует оптимизировать такие параметры как время непрерывной записи в каждой точке наблюдения, частотный диапазон регистрации, коэффициент усиления. Эти параметры устанавливаются на основании выборки коротких (1-2 минуты) пробных записей в нескольких точках объекта исследований. Из опыта работ в данной области, можно сказать, что времени регистрации 15-20 минут в одной точке измерения обычно достаточно для правильного определения сейсмодинамических характеристик объекта исследований.

В качестве примера на рисунке 2 показана выбранная система наблюдений в одном из складских помещений г. Первоуральск.

Рис. 2. Пример системы наблюдений на объекте (размещение регистраторов по профилям в здании складского помещения, г. Первоуральск).

Как видно, при исследованиях использовались 4 комплекта регистраторов «Регистр», которые размещались вдоль профильной линии 2 – на крыше здания, по профилю 1 – на эстакаде, проходящей вдоль одной из стен внутри цеха и, наконец, по площадному профилю 3 – в основании здания. Заметим, что в каждой точке сейсмические датчики всегда устанавливались идентично, а именно, компонента X – вдоль длинной стороны здания, компонента Y – вдоль короткой, Z выставляется автоматически.

Еще одним элементом методического блока можно назвать пользовательский интерфейс компьютерной программы управления и обмена данными, внешний вид которого показан на рисунке 3. Назначение его в установке выбранных параметров записи (длительность, частотный диапазон, коэффициент усиления, контроль реального времени, контроль флэш-диска) и передаче сейсмических данных из флэш-диска регистратора в память компьютера.

Рис. 3. Пользовательский интерфейс компьютерной программы управления и обмена данными регистратора «Регистр-3М»

 Программный модуль

Заключительная составляющая комплекса – это программный модуль «Reg3M.exe», обладающий следующими основными возможностями:

• чтение данных из регистраторa через USB-порт и сохранение сейсмограмм во внутреннем формате – этикетка с рабочими параметрами и блок сейсмических трасс;
• масштабирование сейсмических трасс по горизонтали и вертикали;
• расчет смещений;
• фильтрация сейсмограмм и отдельных трасс;
• расчет спектров для сейсмограмм и отдельных трасс;
• определение частоты (периода) основного тона по амплитудно-частотным спектрам сейсмограмм;
• расчет логарифмического декремента затухания для частоты основного тона.

Поскольку при расчете декремента затухания используются практически все процедуры, перечисленные выше, рассмотрим его вычисление на конкретном примере – обследовании башни разделения воздуха станции технических газов Первоуральского новотрубного завода (далее по тексту «башня»). Высота башни порядка 50 м, в сечении прямоугольник 9×5 м. При полевых наблюдениях вдоль башни (по высоте) были размещены 4 регистратора, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Размещение регистраторов №№ 0, 10-12 вдоль башни по профилю 4.

Измерения проводились в частотном диапазоне 0…32 Гц в течение 15 минут. На рисунке 5 приведен фрагмент записи, полученной на регистраторе № 12.

Рис. 5. Фрагмент сейсмограммы с регистратора №12.

На фоне интенсивных колебаний с периодом 0,8 сек наблюдаются незначительные высокочастотные флуктуации объекта. При этом, даже в Z компоненте видны значительные низкочастотные колебания. Качественно оценив полученный сейсмический материал, переходим к количественному спектральному анализу, также входящему в состав программы Reg3M.exe. В основе алгоритма спектрального анализа лежит нерекурсивная цифровая фильтрация (НЦФ) [5], представить которую можно в виде свертки массива последовательности цифровых отсчетов {Ф_n} с функцией фильтра {С_к}:

где С_к – коэффициенты фильтра, Ф_n-к – входные цифровые данные, Y_n – выходные цифровые данные. Для сглаживания характеристики фильтра в программной реализации НЦФ было использовано весовое окно Кайзера [4] с модифицированной функцией Бесселя нулевого порядка.

На рисунке 6 показан амплитудно-частотный спектр, рассчитанный с использованием 1280-точечного фильтра для частотного диапазона 0 – 32 Гц, с шагом 0,01 Гц.

Рис. 6. Амплитудно - частотный спектр сейсмограммы, записанной регистратором № 12.

Полученная информация об основном тоне колебаний изучаемого объекта дает основания для расчета чрезвычайно важного динамического параметра – декремента затухания.

Как известно, любая колебательная система с потерями при ее возбуждении совершает затухающие колебательные движения, описываемые по формуле:

где Y(t) – величина перемещения колеблющегося тела;
А₀ – начальная амплитуда колебаний;
f – частота колебаний;
– коэффициент затухания, физический смысл которого в том, что это величина, обратная времени, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в «е» раз.

Однако коэффициент затухания не дает полного представления об интенсивности затухания, поэтому для характеристики интенсивности затухания ввели понятие логарифмического декремента затухания:

где А_n и A _n+1 – амплитудные значения функции Y(t) для двух ее последовательных экстремумов при затухании. Из (2) и (3) получаем связь коэффициента затухания и логарифмического декремента:

Коэффициент затухания также связан с амплитудно-частотной характеристикой системы (АЧХ) формулой [1]:

где – полоса пропускания колебательной системы на уровне 0,707 (-3 дБ) от максимума. Из соотношений (4) и (5) можно получить значение логарифмического декремента через АЧХ системы:

Таким образом, используя преобразование Фурье (1) и соотношение (6), удается в условиях интенсивных промышленных помех рассчитать спектры колебательной системы, вычленить f₀ – наиболее вероятную частоту собственных колебаний и найти логарифмический декремент затухания для каждого значения f₀.

Описанные выше теоретические положения полностью реализованы в программной части комплекса и входят в состав программы Reg3M.exe v. 8.0.1.1.

В результате расчетов декремента затухания, проведенных с использованием спектрограммы (рис.6), были получены следующие значения d:
для X компоненты f₀ = 1,38 Гц; d = 0,0705
для Y компоненты f₀ = 1,22 Гц; d = 0,0504
для Z компоненты f₀ = 1,22 Гц; d = 0,1302

Напоминаем, что данные значения приводятся в качестве примера и относятся только к одной точке измерения на объекте.

Заключение

Таким образом, разработанный в лаборатории сейсмометрии ИГф УрО РАН комплекс сейсмодинамических исследований позволяет осуществлять оперативную оценку состояния строящихся или эксплуатируемых объектов, в частности, в соответствии с ГОСТ Р 53778 – 2010, введенным в действие Приказом №37-ст Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии 25 марта 2010 г.

Этот же комплекс с успехом может использоваться для многолетних мониторинговых наблюдений за объектом, также в соответствии с упомянутым выше ГОСТом.

Библиография

1. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи / Г.И. Атабеков. – М.: Энергия, 1978. – 592 с.

2. Еманов А.Ф., Селезнев В.С. Инженерно-сейсмологические исследования зданий и крупных промышленных сооружений с использованием мощных вибрационных источников / А.Ф. Еманов, В.С. Селезнев // Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками. – Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, 2004. – С. 270-296.

3. Сенин Л.Н., Сенина Т.Е. Регистратор сейсмических сигналов «Регистр» / Л.Н. Сенин, Т.Е. Сенина // Приборы и техника эксперимента.– М.: Наука, 2005. – № 6. – С. 141-142.

4. Уткин В.И., Сенин Л.Н., Сенина Т.Е. Полевая аппаратура и способ сейсмического мониторинга. Патент RU 2265867. Зарегистрирован 14.06.2005 г.

5. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. / пер. с англ. Лисина В.Н. под ред. Потапова О.А. – М.: Недра, 1987. – 221 с.

Ссылка для цитирования статьи

Сенин Л.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕГИСТРАТОРА СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ «РЕГИСТР»[Электронный ресурс] / Л.Н. Сенин, Т.Е. Сенина, Г.И. Парыгин, М.Н. Воскресенский //Архитектон: известия вузов. – 2012. – №2(38). – URL: http://archvuz.ru/2012_2/10 

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная