Измерение вибрации сооружений

ГОСТ Р 53964-2010 является руководством по проведению измерений вибрации сооружений и содержит указания по выбору измерительного оборудования, по установке датчиков на различные поверхности, по выбору точек измерения. В ГОСТе Р 53964-2010 также рассматриваются факторы, влияющие на измеряемую величину, приводятся меры по уменьшению влияния помех, рассматривается неопределенность, обусловленная установкой датчика на различные виды поверхности.

Выбор оборудования

Согласно ГОСТ Р 53964-2010 для оценки воздействия вибрации должно применяться измерительное оборудование, которое обеспечивает измерение пикового значения скорости вибрации — при оценке воздействия вибрации на конструкцию сооружения

При оценке воздействия вибрации на конструкцию сооружения подойдет комплект оборудования из сейсмостанции ZET048 и сейсмоприемников ВС 1313. Сейсмоприемники могут быть выбраны с выходом по скорости ВС 1313-V. При использовании сейсмоприемников с выходом по ускорению расчет пикового значения скорости вибрации может осуществляться программной «Виброметр», входящей в комплект поставки сейсмостанции ZET048. Программы анализа сигналов из состава ZETLab Seismo позволяют решать конкретные задачи, не прибегая к изнурительным расчетам. Например, программа «Модальный анализ» предназначена для анализа параметров конструкций зданий при ударном воздействии. Позволяет определять амплитуду, частоту, период и логарифмический декремент затухания основного тона собственных колебаний вдоль большой, малой и вертикальной осей. При испытаниях отображаются формы сигналов и ударные спектры, а также рассчитанные параметры. В программе проводится усреднение откликов (свободных колебаний) исследуемого сооружения на ударные воздействия для повышения отношения сигнал/шум.

Установка датчика

Датчики вибрации, например, сейсмоприемники ВС1313, устанавливают таким образом, чтобы по оси Z измерялась вибрация в вертикальном направлении, а по осям X и Y — в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях, совпадающими с направлениями главных осей здания, причем направление оси X должно быть наиболее близким к направлению вибрации.

Датчик вибрации устанавливают на поверхность объекта измерений непосредственно или с помощью приспособления. При установке датчика вибрации необходимо учитывать следующее:

1. Способ крепления датчика не должен существенно влиять на результаты измерений в диапазоне частот анализа. Общие требования к установке — по ГОСТ ИСО 5348.
2. Между датчиком вибрации, устройством крепления и вибрирующей поверхностью должна существовать жесткая механическая связь. Поэтому предпочтительно устанавливать датчик на жесткую поверхность. 3. 3. Установочный резонанс датчика вибрации должен находиться вне пределов диапазона частот измерений для всех направлений измерений.

Методы крепления датчиков вибрации на горизонтальных поверхностях сооружений по ГОСТ Р 53964-2010 приведены в таблице ниже:

Тип установочной поверхности	Примеры	Способ крепления	Ограничение на верхнюю границу диапазона частот измерений в горизонтальном направлении
Жесткая не критичная к способу установки датчика	Каменная кладка, пол без покрытия	Тонкая пластинка с резьбовым отверстием, закрепленная отвердевающим клеем, цементом или болтами	—
		Устройство крепления с закругленными ножками	40 Гц
Жесткая критичная к способу установки датчика	Кафель, паркет, сплошной лакированный пол	Тонкая двухсторонняя клеевая лента или устройство крепления с закругленными ножками	40 Гц
		Воск	80 Гц
Тонкое упругое покрытие	Иглопробивной материал, жесткий ПВХ	Устройство крепления с острыми ножками из отпущенной стали	40 Гц
Толстое упругое покрытие	Велюр на мягком ПВХ	Устройство крепления с острыми ножками из отпущенной стали	40 Гц

Примечание: сведения из данной таблицы можно использовать по аналогии и при установке датчиков на стене зданий

На рисунках ниже представлены габаритные чертежи устройств крепления с острыми/закругленными ножками для трехкомпонентных сейсмоприемников ВС 1313, имеющих на основании 4 отверстия для крепления.

Установка на жесткую поверхность

Измерения в вертикальном направлении
Установка на жесткую поверхность (фундамент/стена здания, дорожное покрытие, жесткий пол, оконный/дверной проем) без закрепления обеспечивает измерения в вертикальном направлении в диапазоне до 100 Гц при ускорении не превышающем 3 м/с2. При ускорении более 3 м/с2 или верхней частоте анализа более 100 Гц требуется закрепление датчика на поверхности болтами, с помощью клея, цемента и т.п. В некоторых случаях достаточно закрепить датчик воском.

Измерения в горизонтальном направлении
При установке на жесткую поверхность без закрепления точность измерений в горизонтальном направлении обеспечивается в диапазоне частот до 40 Гц при ускорении не более 3 м/с2. При частотах больших 40 Гц и ускорениях больших 3 м/с2 для предотвращения перемещений датчика по поверхности требуется его закрепление на поверхности болтами, цементом, клеем, воском и т.д.

Установка на податливую поверхность

Измерения в вертикальном направлении
При установке датчика вибрации непосредственно на податливую поверхность (ковер, напольное покрытие) точность измерений обеспечивается на частотах не более 20 Гц. При установке датчика вибрации на податливую поверхность с помощью приспособления для быстрого крепления с острыми ножками частота анализа увеличивается до 100 Гц, ускорение при этом не должно превышать 3 м/с2 по всем направлениям. Специальные способы при этом не требуются, однако масса датчика вместе с приспособлением должна составлять около 2,5 кг.
Измерения в горизонтальном направлении
При установке датчика на податливую поверхность с помощью приспособления для быстрого крепления с острыми ножками обеспечивается точность измерений в диапазоне с верхней граничной частотой 40 Гц.

Установка на грунт

Результаты измерения вибрации на/в грунте позволяют лишь приблизительно оценить вибрацию фундамента здания, но могут применяться для количественной оценки источника вибрации, например, для определения уровня сейсмических воздействий по шкале MSK-64 или шкале Рихтера. Способ установки датчика выбирается в зависимости от требуемой точности измерений и возможностей реализации того или иного способа.

Датчик на стержне
Датчик устанавливают на стержне, который забивают в грунт так, чтобы была обеспечена его жесткая связь с грунтом. Стержень не должен искривляться при забивании. К преимуществам данного метода относятся небольшие затраты и простота реализации. Недостатки: данный метод позволяет получить информацию только о колебаниях на поверхности грунта; имеет плохую воспроизводимость, особенно при измерениях в горизонтальном направлении; результаты зависят от геометрии стержня; требует большой осторожности при забивании стержня и удаления рыхлого грунта.

Закапывание в грунт
Используется при проведении испытаний в течение длительного периода времени. Датчик закапывается в грунт, после чего грунт уплотняется. Преимущества: хорошие результаты при измерении горизонтальной составляющей вибрации на заданной глубине. Недостатки: высокая вероятность значительной инструментальной погрешности для измерений вертикальной составляющей, сложность реализации (может потребоваться разрешение на проведение земляных работ), предъявляет высокие требования к влагостойкости и механической прочности датчика.

Датчик в скважине
Датчик устанавливается в открытую скважину. В случае несвязанной рыхлой породы место установки датчика должно находиться выше уровня грунтовых вод. При проектировании зданий для оценки потенциального воздействия вибрации на здание измерения проводят на грунте на глубине 1,5 м, поскольку вертикальная составляющая вибрации на этой глубине наиболее близка к той, что будет наблюдаться в данном месте на фундаменте зданий. Дно скважины уплотняют и вставляют в нее насадную трубу, внутри которой находится датчик вибрации на приспособлении с тремя выступами и веревка для извлечения датчика из скважины (см. рисунок справа). Перед измерениями трубу удаляют. Преимущества: хорошие результаты при измерении горизонтальной составляющей, проще в реализации чем метод закапывания в грунт. Недостатки: недостоверные результаты для вертикальной составляющей на глубинах до 1 м; может потребоваться разрешение на выполнение земляных работ; измерения возможны только на дне скважины; при использовании геофона требуется большой диаметр скважины (до 0,2 м); плохие возможности контроля положения датчика на дне скважины.

Датчик на пластине на поверхности грунта
Датчик устанавливают на пластине, и при небольшом весе, закрепляют. Пластину с датчиком устанавливают на песчаную подушку и скрепляют цементным раствором. Габариты и массу пластины выбирают таким образом, чтобы она вместе с датчиком не искажала распространяющиеся сейсмические волны. Также пластина с датчиком, установленные на грунт не должны иметь резонансов в диапазоне анализируемых частот. Преимущества: метод обеспечивает хорошую воспроизводимость и не требует больших затрат на оборудование. Недостатки метода: позволяет получить информацию только о колебаниях на поверхности грунта; требует большой тщательности при установке и цементировании пластины; требует осторожности при удалении рыхлого грунта.

Точки измерений

При измерений вибрации сооружений важно не только правильно установить датчики, но и выбрать наиболее информативные точки измерений. При воздействии на сооружение сейсмической волны во время землетрясений, вибраций от проезжающего вблизи ж/д состава, колебаний в результате ветровой нагрузки разные части здания испытывают разную нагрузку. Кроме того, отдельные элементы конструкции имеют свои узлы и пучности колебаний для каждой частоты. Поэтому для анализа поведения конструкции в целом при испытаниях требуется проводить измерения в нескольких точках в трех направлениях одновременно.

При оценке воздействия вибрации на здание датчики устанавливают на фундаменте здания, на несущей части здания в верхних этажах, на перекрытиях, на стенах. При проектировании зданий для оценки потенциального воздействия вибрации на здание измерения проводят на грунте, на фундаменте соседних зданий.

Точки измерения на фундаменте

Для измерения вибрации фундамента здания датчик вибрации устанавливают на фундаменте или на сплошной несущей каменной стене, например, на откосе проема подвального окна, наружных железобетонных ступенях. При этом высота установки датчика над грунтом не должна превышать 0,5 м. Не следует измерять вибрацию на пустотелых элементах конструкции или на элементах, не обладающих жесткой связью с фундаментом.

Точки измерения на этаже здания

Измерение вибраций частей здания, например, стен и межэтажных перекрытий, следует проводить в точках, где она максимальна:

• в вертикальном направлении — посередине перекрытия
• у перекрытий с мощными балками — между балками
• поперечную горизонтальную составляющую вибрации стен — в точке пересечения диагоналей стенды
• горизонтальную вибрацию на верхних этажах — вблизи сплошных несущих стен или в дверных/оконных проемах.

Точки измерения на грунте

Для получения расчетных оценок вибрацию измеряют на поверхности или в толще грунта вблизи источника вибрации и на пути ее распространения. Для оценки мощности источника вибрации датчик устанавливается вблизи источника на определенном расстоянии (например, в 5 м от ж/д путей) и на достаточном расстоянии от массивных тел, могущих исказить результаты измерений. Рекомендуется, чтобы расстояние от точки измерений до массивного тела более чем в 1,5 раза превышало его максимальный габаритный размер. Если массивное тело или слой грунта со значительно отличающимися динамическими характеристиками находятся на пути распространения вибрации в точке измерений, то возможные эффекты дифракции и отражения сейсмических волн в грунте могут привести к понижению вибрации в этой точке. И наоборот, в точку измерений может прийти сейсмическая волна, отразившаяся от находящихся в стороне фундаментов зданий или канализационных колодцев, что приведет к повышению вибрации в этой точке.

Устройство для установки датчика в скважине