Экология/№6. Экологический мониторинг

д. ф.-м. н., профессор Бугаевский Г.Н., асп. Багмут А.В.

НАПКС, Симферополь, АРК, Украина

Аппаратура для сейсмического обследования зданий, сооружений, экологически опасных объектов

Последствия землетрясений, происходящих по всему земному шару, подтверждают необходимость обеспечения сейсмической устойчивости зданий и сооружений, как гражданского назначения, так и промышленных и экологически опасных объектов.

Современные методы проектирования сейсмостойких зданий и сооружений реализуются на базе программных комплексов основанных на понятиях конечных элементов и моделировании сейсмического воздействия как сил инерции. При этом сейсмическое движение грунта определяется, в основном, на базе понятий макросейсмической интенсивности и ее статистической связи с ускорением грунта. Для убедительного применения такой связи, она должна иметь инструментальную основу. Считается, что дать такую основу должны инженерно-сейсмометрические станции (ИСС) [1], однако даже специальная литература [2, 3] избегает рассмотрения этого вопроса.

Для инженерно-сейсмометрических наблюдений длительное время не существовало специальной аппаратуры, а техническая и организационная идея не выдерживала никакой критики. Результаты наблюдений ИСС не соответствовали требованиям качества и стандартизации. Они не могли быть применены к зданиям даже в пределах одного населенного пункта (того, где эти наблюдения были сделаны).

Трудности интерпретации записей для технических, динамических целей в определенной степени связаны с различием физических принципов сейсмоприемников (СП) для регистрации горизонтальных и вертикальных движений.

Кроме того, традиционная запись откликов сооружений с помощью приборов, установленных на горизонтальных перекрытиях, создавала проблемы выполнения динамической паспортизации зданий с малым числом перекрытий (залов заседаний в административных зданиях с большим числом участников, залов театров, кинотеатров, промышленных, экологически опасных объектов и т.п.). Покрытие полов линолеумом, паркетом или другими материалами создает проблемы для сейсмометрических наблюдений на полу. Возникла необходимость получения калиброванной динамической информации на стенах.

Решение проблемы идентичности сейсмических каналов регистрации стало возможным благодаря применению электродинамических сейсмоприемников и специального способа их установки. СП размещаются в специальную съемную кассету (рис. 1), которая содержит симметричную трехкомпонентную установку и контрольный вертикальный сейсмоприемник, разнесенные друг относительно друга вдоль вертикали. Ось симметрии трех составляющих направлена вдоль продольной оси кассеты, а оси координат – с одинаковым наклоном к ней (рис. 2). По сумме сигналов трех наклонных СП можно определить суммарный вектор, т.е. направление движений в пришедшей волне. Четвертый, вертикальный СП служит для постоянного контроля работы трехкомпонентной установки. Сумма выходных сигналов, умноженная на синус угла компоненты с вертикалью всегда должна быть равна сигналу, снимаемому с вертикального, преобразователя. Таким образом, если регистрировать сумму сигналов, и сигнал от вертикального преобразователя, то в любой момент времени (по сейсмограмме) можно проконтролировать правильность отображения сейсмической волны или результат ее преобразования.

Преимущество использования именно электродинамических сейсмоприемников [4] и такого способа их расстановки, заключается в том, что, три компоненты СП расположены под одним и тем же углом к вертикали, и при этом сами составляют ортогональную систему физически идентичных каналов записи трех компонент сейсмических колебаний. Использование цифровых способов регистрации дает возможность пересчитывать записи компонент к любой другой ортогональной системе [5,6]. Применение новой схемы позволяет перейти к наблюдениям на стенах, что особенно важно для динамической паспортизации помещений с большими залами.

С целью непрерывного изучения колебаний в нескольких точках, предусмотрена возможность одновременного подключения к регистратору нескольких кассет с сейсмоприемниками, т. е. применена многоканальная система сбора информации.

Для калибровки СП и каналов регистрации используется ряд специальных методик и устройств, в том числе калибровка и идентификация на специальном калибровочном стенде [6,7].

В реальных условиях проведена запись реакции локальной области второго этажа корпуса №3 НАПКС на воздействие генераторного источника колебаний, установленного в подвальной части здания. Использованы наблюдения двух комплектов одинаковых СП: один в обычной установке на полу и второй – на стене (рис. 3), на расстоянии 3 м от первого. Из спектров записей для двух одинаково направленных каналов этих комплектов составлены монтажи, спектров, отвечающих частотам: 15, 20, 23, 25 и 26Гц, представленные на рис. 6. Как видно из графиков: спектры, полученные на стене, хорошо согласуются по частотам, значениям и распределению их максимумов со спектрами, полученными на перекрытии. Поэтому закономерно их совместное использование при анализе распределения динамических параметров, т.е. семейства частотных характеристик в объеме сооружения в целом.

Выводы

Разработана трехкомпонентная инженерно-сейсмометрическая аппаратура для наблюдений в зданиях и сооружениях на горизонтальных и вертикальных конструктивных элементах, что имеет большое значение для гражданских и промышленных объектов, в которых затруднены напольные измерения.

Сейсмоприемники составляют ортогональную систему, состоящую из одинаковых по физическому принципу каналов, что позволяет добиться высокой идентичности записи компонент сигнала, а наличие вертикального СП – контролировать правильность отображения волны.

Экспериментальные наблюдения подтверждают эти выводы и должны быть продолжены для уточнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Немчинов Ю.И., Марьенков Н.Г., ХавкинА.К. и др. Будівництво у сейсмічних районах України. ДБН В.1.1-12:2006 . Мін. буд., арх.. та житл.-ком. госп. Украині, Київ, 2006. 84 с.

2. Сейсмическое микрорайонирование. Ред. О.В. Павлов, В.А. Рогожина. М., "Наука", 1984. 237 с.

3. Оценка влияния грунтовых условий на сейсмическую опасность. Ред. О.В. Павлов. М., "Наука",1988. 224 с.

4. Слуцковский А.И. Сейсморазведочная аппаратура. – М.: Недра, 1970.

5. Багмут А.В. «Применение цифровой идентифицированной системы для регистрации отклика стен сооружений на механическое воздействие». «Сборник научных трудов НАПКС», выпуск 19, Симферополь, 2007.

6. Багмут А.В. «Контроль метрологических характеристик трехкомпонентной системы регистрации сейсмической информации». Сборник материалов международной научной конференции «уроки и следствия сильных землетрясений» к 80-летию разрушительных землетрясений в Крыму. Ялта 2007, с. 60.

7. Бугаевский Г.Н., Белов В.П. Однокомпонентный стенд для испытаний сейсмометрической аппаратуры. В сб.: Инженерно-сейсмометрическая служба страны (сбор, обработка и использование инфомации. Тез. докл. школы-семинара (Махачкала,14-18 октября 1987г.) Махачкала, Изд. МСССС при През. АН СССР, 1987, с.33-34.