Компьтерная автоматизация вибродиагностики

зданий и сооружений на основе аппаратно-программных средств ZETLAB

Введенные в эксплуатацию здания и сооружения претерпевают непрерывный процесс функционального устаревания. Кроме того, в настоящее время существует определенный процент зданий, подверженных воздействию внешних факторов, ускоряющих этот процесс. К факторам, оказывающим негативное воздействие на прочность конструкции, можно отнести воздействие землетрясения, произошедшего в локальной зоне (с эпицентром до 200 км) [1], воздействие пожара, подвижки грунтов в непосредственной близи здания, работу строительной техники в непосредственной близи к фундаменту здания. Кроме того, за последние годы возросли объемы строительства многоэтажных зданий, значительная часть нагрузок действует уже в процессе возведения здания [2], это требует обеспечения необходимого уровня контроля, в частности — проведения вибродиагностики.

Таким образом, возникает задача оценки технического состояния здания и проведения обязательного экономического и технического обоснования необходимости проведения реконструкции или капитального ремонта объекта недвижимости [3]. Целью является оперативное получение качественных показателей целостности конструкции.

О применении методов неразрушающего контроля

Способ достижения поставленной цели, предполагающий совокупность приемов обеспечения контроля надежности и основных рабочих свойств / параметров объекта, а так же отдельных его эле-ментов, не требующих выведения объекта из работы либо его демонтажа, называется неразрушающим контролем и выполняется с применением специализированных технических средств.

Одним из направлений диагностики зданий является вибродиагностика, а именно — определение собственных и резонансных частот с целью обнаружения изменений, а следовательно — дефектов конструкции при воздействии на здание того или иного негативного фактора. Визуально изменений зачастую не заметно, однако более детальный анализ раскрывает возможные внутренние дефекты. Вибродиагностика «близка» к акустическим методам неразрушающего контроля и подразумевает исследование свободных колебаний, резонансных частот, откликов и проводится, как правило, с применением спектрального анализа [4].

Техническая база вибродиагностики

Приборно-измерительные комплексы / аппаратура, применяемые для контроля и обработки вибросигналов отличаются разнообразием конструктивного исполнения и функциональными возможностями [5]. Общим для всех видов аппаратуры подобного класса является наличие измерительных преобразователей (или датчиков), используемых для фиксации параметров вибросигналов, электронных блоков регистрации и обработки вибрационных сигналов, а так же средств коммутации датчиков с элек-тронными блоками, в основе которых лежат электронные вычислительные машины (компьютерные системы).

Виброизмерительная аппаратура может быть представлена в виде: ­

  • многофункциональных приборов — анализаторов спектра вибросигналов,
  • стационарных лабораторных приборов,
  • переносных лабораторных приборов.

Аппаратура может иметь одно- или многоканальное исполнение в зависимости от решаемых с её помощью задач. Приборы ZETLab представляют собой первое направление, а именно они являются многоканальными сборщиками-анализаторами спектра вибросигнала, осуществляя не только сбор информации, но и обработку с применением различных алгоритмов частотного и временного анализа и позволяет вести контроль одновременно в ряде характерных точек контролируемого объекта.

Датчики, применяемые при измерении вибрации

Первичным элементом любой измерительной системы является вибропреобразователь (вибродатчик), который «выполняет роль» преобразователя энергии вибрационных колебаний, получаемых от источника в электрические сигналы. Сигналы от датчиков поступают на сборщик-анализатор, после чего подвергаются цифровой обработке сигналов и далее поступают на пульт оператора, то есть на персональный компьютер. Структурная схема проведения измерений изображена на рисунке 1.

Структурная схема проведения вибрационных измерений на основе сборщика-анализатора ZET017
Рисунок 1 — Структурная схема проведения вибрационных измерений на основе сборщика-анализатора ZET017

В вибродатчиках, используемых ZETLab при вибродиагностике используются пьезокерамические вибропреобразователи — акселерометры. В задачах измерения воздействия сейсмических волн в «локальной зоне», вызывающих вибрацию, рекомендуется использование акселерометров (ГОСТ 53366-2008 [6]). Так же, по ГОСТ Р 52892-2007 [7] для зданий и сооружений рекомендуется применять акселерометры или измерители скорости — геофоны. Но практика показывает, что использование геофонов не всегда удобно, поскольку зачастую собственная частота колебаний таких датчиков может находится в диапазоне 6,5 — 9,5 Гц. Однако комплекс ZETLab позволяет проводить интегрирование снятого сигнала ускорения, тем самым получать сигнал скорости. Таким образом, пьезоэлектрический акселерометр в настоящее время является наиболее распространенным датчиком и эффективен в широком частотном и амплитудном диапазоне, однако необходимо учитывать, что для получения достоверных результатов параметры измеряемой величины должны соответствовать амплитудному спектру и динамическому диапазону датчика.

Существует два основных подхода к выбору места измерений вибрации при оценке её воздействия на здание. В сокращенном виде они описываются следующей последовательностью действий: американский подход сводится к измерению вибрации на грунте в непосредственной близи к зданию; европейский подход заключается в креплении датчиков на самом здании. Более подробно оба подхода описаны в литературе [7]. Однако при оценке параметров колебания самого здания датчики необходимо устанавливать непосредственно на него и руководствоваться документацией [7] и [8].

О природе колебаний зданий и сооружений. Спектральный анализ сигнала и подход к оценке собственных частот колебаний здания

Обратим внимание на важное обстоятельство, которое в последующем будем применять неоднократно: амплитуда колебаний пропорциональна приложенной к телу внешней силе, а частота колебаний не зависит от количества энергии, запасенного телом, но определяется свойствами колеблющегося тела, а именно массой, жесткостью и различными косвенными параметрами, влияющими в основном, на жесткость. То есть время одного колебания оказывается одинаковым при различных начальных значениях ускорения или отклонениях. Сильно мы отклонили тело или слабо, продолжительность одного колебания будет константной [9]. После первоначального воздействия колебания начинают затухать, амплитуда их постепенно уменьшается, но частота остается неизменной. Это свойство колебательной системы очень важно.

Обратим внимание на рисунок 2, изображен частотный спектр, накопленный за 6 часов, в окрестности резонансной частоты 0.86 Гц, колеблющегося здания высотой свыше 50 м. На рисунке отчетливо заметно описанное выше свойство: амплитуда колебаний, до рабочего дня была значительно ниже, после начала рабочего дня, амплитуда возросла, но частота колебаний осталась неизменной.

Полученный на рисунке 2 спектр получается в результате специализированной цифровой обработки сигнала, снятого с применяемого пьезоэлектрического вибродатчика. Как правило, спектр рассчитывается с применением преобразования Фурье [10], в основе которого лежит выражение, описываемое формулой (1):

(1)

где S — спектр сигнала, x — входной сигнал, h — временное окно, используемое для сглаживания краевых эффектов, ω — круговая частота (ω=2πf).

Сонограмма
Рисунок 2. Сонограмма сигнала ускорения с вибродатчика, закрепленного на 21 этаже многоэтажного бизнес-центра. Ось X — частота, Ось Y — время 20000 секунд, Z — яркость, показывает амплитудный уровень колебаний.

Часто в задачах вибродиагностики требуется более детальный анализ сигнала с частотным разрешением вплоть до 0.0001 Гц. В этом случае к расчету спектра сигнала применяется несколько другой подход — вместо преобразования Фурье необходимо использовать преобразование Вигнера-Вилля [11] или его модификации [12, 13, 14]. Классическое преобразование Вигнера-Вилля описывается формулой (2):

(2)

где x(t) — комплексный аналитический сигнал и x*(t) комплексный комплексно-сопряженный аналитический сигнал, соответствующие реальному входному сигналу S(t).

Таким образом, изучив частотный спектр сигнала, полученного с вибродатчиков можно судить о собственных частотах здания и определить высоту тона колебаний. Высота тона определяется частотой колебаний, каждому тону соответствует своя частота.

Следующее на что стоит обратить внимание. Чем больше масса тела, тем больше времени по-требуется приложенной к объекту силе, чтобы ускорить его и заставить тем самым пройти некоторый путь. Время перехода тела из крайнего положения в положение равновесия составляет четверть периода, следовательно, чем больше масса тела, тем больше период колебаний, и тем меньше частота, т.к. зависимость частоты от периода описывается формулой (3):

(3)

где f — частота колебаний. T— период колебаний.

О собственных и вынужденных колебаниях

Собственные колебания возникают после сообщения системе некоторого запаса энергии. В общем случае, параметры собственных колебаний зависят от параметров самой системы — массы и упругости (f=F(k,m)) [9]. В реальных условиях к этому процессу можно приблизиться, передав энергию конструкции ударом пластичного тяжелого тела или при воздействии землетрясения. Однако любая конструкция, любая система существует под воздействием внешних факторов (или внешних сил). На основе этого принципа рассмотримпервый из подходов к оценке собственных частот здания.

Например, наблюдаемые на рисунке 2 и рисунке 3 колебания на частоте 0,86 Гц возникают под воздействием вынужденных воздействий ветра, движения лифтов в здании, работы строительной техни-ки на площадке перед зданием, проезд автомобильного транспорта и прочих факторов.

Резонансные частоты колебаний многоэтажного здания на 0,6 и 0,85 Гц
Рисунок 3. Резонансные частоты колебаний многоэтажного здания на 0,6 и 0,85 Гц

Описанные выше превышения амплитуды сигнала колебания здания над фоновым шумом становятся заметным при графическом отображении зависимости амплитуды колебаний здания от частоты вынуждающей силы (рисунок 3), которая получается после применения частотно-временного анализа нестационарных сигналов на основе преобразования Фурье в скользящем временном окне. На графике 3 заметны резонансные частоты, которые предоставляют информацию о собственных частотах конструкции, следовательно, о тонах.

Преимуществом метода наблюдения за вынужденными колебаниями является их постоянство, поскольку здание всегда находится под воздействием внешних сил: ветер, движение лифта, людей и т.д. При длительном мониторинге со сравнительно большим временем наблюдения возникает стабильная оценка [15] спектра колебаний здания, являющегося в свою очередь откликом суммарных воздействий различного характера, как техногенного, так и природного [1, 16].

По результату преобразования Фурье сигнала с датчиков (рисунок 3) можно судить о резонансных и собственных частотах системы, следовательно, о тоне колебаний. Важно, что в среднем, спектральная плотность шума равномерно распределена по исследуемым частотам, или иначе, на каждой наблюдаемой частоте содержится «одинаковое количество шума». Это значит, что существует ситуация, когда частота вынуждающей силы совпадет с собственной частотой исследуемого объекта и наступит явление резонанса — то есть резкого возрастания амплитуды колебаний.

Другой способ определения резонанса — импульсное воздействие. При импульсном воздействии путем удара тяжелым телом по несущим конструкции наблюдается кратковременное значительное превышение амплитуды колебаний объекта над фоновым шумом и на осциллограмме сигнала возникают затухающие колебания. Пример таковых изображен на рисунке 4.


Рисунок 4. Изменение амплитуды колебаний со временем

Колебания, изображенные на рисунке 4, затухают, поскольку, общем случае, кроме запасенной в системе потенциальной и кинетической энергии существуют силы трения, на преодоление которых энергия тоже тратится. Изображенные колебания отличаются от гармонических (в случае вынужденных колебаний, описанных ранее) тем, что с течением времени их амплитуда снижается. Силу трения можно считать пропорциональной скорости движения. Заметим, что сила трения мало влияет на частоту свободных колебаний. Только при очень большом трении оно начинает влиять на форму колебаний и на их частоту. В большинстве случаев, встречающихся на практике, влиянием трения на частоту можно пренебречь.

Выводы: результат измерений и обучение системы

Вышеописанные методы оценки вибрационных параметров позволяют судить о собственных частотах. Изменение собственных частот по сравнению с «образцовыми», снятыми ранее, свидетельствует о дефектах. Каждый из методов обладает преимуществами и недостатками. Преимуществом первого метода, в основе которого лежит накопление статистики является возможность постоянного мониторинга, а так же отпадает необходимость привлечения дополнительных ресурсов для проведения испытания за счет того, что метод учитывает множество сторонних воздействий на конструкцию: движение лифтов, работу строительной техники неподалеку от здания, движение людей по зданию. Однако метод предоставляет информацию со значительными временными задержками — до нескольких часов, и если требуется оперативный контроль, то следует использовать второй предлагаемый метод — оперативный импульсный. Но при этом нужно произвести значительное импульсное воздействие на конструкцию, что не всегда возможно и требует привлечения дополнительных специалистов.

Результаты работы системы можно предоставлять в автоматизированную систему мониторинга, для этого производится необходимо составить классификатор неисправностей и обучить систему. Обычно, в процессе обучения системы составляют «словарь» признаков, соответствующих отказу того или иного вида [5]. На практике при исследовании зданий и сооружений в качестве первичных признаков используется интеграл Фурье с помощью которого мы получаем спектр непериодического сигнала, после приблизительной оценки резонансных частот требуется обработка сигнала и использованием преобразований Вигнера-Вилля. Заметим, что вибрационные процессы, встречающиеся при суммировании двух или более гармонических сигналов, возбуждаемых различными источниками, называются «почти периодическими» и их можно представлять в виде линейчатого спектра.

Алгоритм анализа вибросигнала обязательно включает в себя несколько этапов: снятие сигнала первичными преобразователями, дискретизацию сигнала, цифровую фильтрацию, вычисление информативных параметров и определение технического состояния объекта.

Для корректного выбора измерительной системы и её обучения требуется действия в соответствии со следующими основополагающими документами:

  • ГОСТ Р 53964-2010. Вибрация. Измерения вибрации сооружений. Руководство по проведению измерений.
  • ГОСТ Р 53963.2-2010. Вибрация. Измерения вибрации сооружений. Испытания средств измерений. ­
  • ГОСТ Р 53963.1-2010. Вибрация. Измерения вибрации сооружений. Требования к средствам измерений.
  • ГОСТ Р 52892-2007. Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка её воздействия на конструкцию.

Автор статьи: Красовский А.А.

В статье была использована следующая литература:
1. Кедров, О.К. Сейсмические методы контроля ядерных испытаний [Текст] / Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Рос. Акад. Наук. Москва, Саранск. −2005. −419 с.
2. Башков, В.С., Оценка функционального (марального) устаревания зданий и сооружений [Текст] / В.С. Башков // Ценообразование и сметное нормирование в строительстве. — 2006. — № 1.
3. Коревицкая, М. Г.. Неразрушающие методы контроля качества бетона при возведении зданий из монолитного железобетона и при обследовании конструкций / М.Г. Коревицкая // Стройпрофиль. −2010. —№ 1(79).
4. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Характеристика видов и методов [Текст]. — М.: Стандартинформ 2009. — 11 с.
5. Бигус Г.А. Техническая диагностика опасных производственных объектов [Текст] / Г.А. Бигус, Ю.Ф. Фадеев. — М.: Наука. −2010 г. −415 с.
6. ГОСТ 53366-2008. Воздействие природных внешних условий на технические. Общая характе-ристика землетрясения [Текст]. — М.: Стандартинформ 2009. — 37 с.
7. ГОСТ 52892-2007. Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка её воз-действия на конструкцию [Текст]. — М.: Стандартинформ 2008. — 20 с.
8. ГОСТ 53964-2010. Вибрация Вибрация зданий. Измерение вибрации и сооружений. Руковод-ство по проведению измерений [Текст]. — М.: Стандартинформ 2011. — 16 с.
9. Греков И. Резонанс. — М.: Госэнергоиздат. — под редакцией академика А.И. Берга. 1952 г. 106 с.
10. Сергиенко, А.Б. Алгоритмы адаптивной фильтрации: особенности реализации в MATLAB [Текст] / А.Б. Сергиенко // Математика в приложениях. −2003. -№ 1. — C.18-28.
11. E. Wigner. On the quantum correction for thermodynamic equilibrium. Physical Review, 40:749–759, June 1932
12. François Auger, Paulo Gonçalvès, Time-Frequency Toolbox For Use with MATLAB / François Auger, Patrick Flandrin, Paulo Gonçalvès, Olivier Lemoine // Technical documentation. -CNRS (France). — Rice University (USA). −1996. 150 p.
13. //www.dsplib.ru/content/hilbert/hilbert.html
14. P. Flandrin and W. Martin. The Wigner Ville Spectrum of Nonstationary Random Signals. «The Wigner Distribution: Theory and Applications in Signal Processing,» edited by Mecklenbrauker, W. and Hlwatsch, F., ELSEVIER Ltd, 1997.
15. Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных [Текст] / Дж. Бендат, А. Пирсол: Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. — 540 с.
16. Табулевич, В.Н. Комплексное исследование микросейсмических колебаний [Текст]/ Новоси-бирск. Наука.-1986.