Д.т.н.
Савин Сергей Николаевич Санкт-Петербургский Государственный Архитектурно-строительный
университет
Ситников
Иван Васильевич – 23Государственный морской
проектный институт - филиал ОАО «31 Государственный
проектный институт специального строительства»
Методы обследования строительных конструкций зданий и сооружений с использованием их динамических характеристик и сейсмоакустических волн
В настоящее время происходит
активное развитие методов контроля прочности материалов строительных
конструкций и измерительной и испытательной базы специализирующихся в данном
направлении организаций.
Наиболее перспективным направлением
исследований, на наш взгляд, является развитие неразрушающих методов
испытаний, в частности, с использованием упругих волн различного диапазона
частот, возбуждаемых в строительных конструкциях.
Метод волны удара с использованием поверхностных волн основан на связи скорости распространения упругих волн, обычно звукового и инфразвукового диапазона частот, с физико-механическими характеристиками материалов конструкций и их размерами.
Существенным фактором, определяющим особенности применения метода, является сильная зависимость скорости поверхностных волн от соотношения длины волны и толщины конструкции. Дисперсионная кривая (зависимость скорости волны от ее длины) может использоваться для определения скорости Релеевской волны в материале (путем ее экстраполяции в область коротких длин волн), которая по соответствующим формулам пересчитывается в модуль сдвига, а при известном коэффициенте Пуассона – в скорость продольной волны и, соответственно, в модуль упругости. Кроме того, форма дисперсионной кривой позволяет оценить толщину конструкции и выявить наличие продольно ориентированных дефектов (пустоты, наличие менее жесткой прослойки и т.д.).
Измерение параметров волновых процессов производится с помощью датчиков, устанавливаемых на поверхности конструкции (стены, простенки, колонны, перекрытия) с постоянным шагом, а возбуждение поверхностных изгибных волн осуществляется ударом по конструкциям тампером (возбудитель колебаний, выполненный в виде деревянного бруска длиной 1,5 м и сечением около 100 см2). Ориентировочная схема испытаний приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема измерения поверхностных волн
Обработка результатов измерений выполняется следующим образом. Исходные реализации волновых процессов, полученные при прямом и обратном направлениях распространения волны (при ударах в ПУ1 и ПУ2, см. рис. 1) разделяются при обработке на монохроматические пучки с помощью группы полосовых фильтров, полосы пропускания которых расположены на частотной оси с шагом 0,5 октавы и шириной полосы пропускания 0,5 октавы. Для выделенных пучков монохроматических волн определяют время распространения волны последовательно до всех точек измерения. Время определяют по максимумам колебаний в волне или по их вступлениям, при этом берут несколько отсчетов для каждого пучка монохроматической волны.
По каждому отсчету времени распространения монохроматического пучка волны определяют фазовую скорость распространения волны V и длину волны l:
V=L/tп , м/с,
l=T´V , м,
где L – длина отрезка между точками измерения, на котором определяется скорость, м;
tп – время пробега этого отрезка поверхностной волной, с.
T – период колебаний в пучке монохроматической волны, с.
Полученный таким образом массив данных в плоскости «фазовая скорость волны – длина волны» фильтруют до получения плавной дисперсионной кривой.
Анализ дисперсионных кривых выполняется путем их сравнения с дисперсионными кривыми для однородной плиты исследуемого материала конструкций.
На рис. 2-3 приведены примеры дисперсионных кривых поверхностных
волн в несущих конструкциях Великокняжеской усыпальницы Петропавловской
крепости в Санкт-Петербурге (исходные результаты отсчетов скорости и длины
волны и дисперсионные кривые, полученные в результате их фильтрации). Там же
приведены расчетные дисперсионные кривые для однородных плит с различными
акустическими характеристиками материалов конструкций различной толщины. Для
этих кривых в легендах указаны последовательно толщина плиты, скорость
Релеевской волны в материале и коэффициент Пуассона.
Рис. 2. Пример дисперсионных кривых поверхностных волн
в зоне отслоения штукатурки
Рис. 3. Пример дисперсионных кривых поверхностных волн
в однородной плите
В случае незначительного изменения акустических характеристик кирпичной кладки по толщине конструкции дисперсионная кривая поверхностных волн близка к расчетной дисперсионной кривой однородной плиты толщиной, равной толщине конструкции (см. рис. 3). Скорость Релеевской волны в кладке принимают равной скорости Релеевской волны по расчетной дисперсионной кривой, наиболее близкой к экспериментальной. Неоднородности характеристик материала конструкции по их толщине приводят к искажению дисперсионных кривых.
Метод волны удара с использованием поверхностных волн применяется, прежде всего, для обследования конструкций с односторонним доступом, на которых применение других методов невозможно, а также толстостенных конструкций для исследования их однородности по толщине, а также в случаях, когда повреждение покрытий (штукатурка, стяжки и т.д.) не допустимо или нежелательно. Для конструкций с переменными по толщине характеристиками экспериментальные дисперсионные кривые сравниваются расчетными, полученными в модели многослойной конструкции.
Метод волны удара с использованием продольных волн применяется для оценки акустических характеристик материалов конструкций при наличии доступа по крайней мере к двум их поверхностям. В одной точке конструкции с помощью ударника, на котором установлен датчик ускорения (обычно пьезоакселерометр), возбуждают волны в материале конструкции. В другой точке (или нескольких точках), расположенной на противоположной стороне конструкции, регистрируют эти волны.
Скорость продольной волны определяется по формуле:
V=L/tп , м/с,
где L – расстояние между точкой удара и точкой измерения, м;
tп – время пробега продольной волной этого расстояния, с.
Время пробега волны определяется как разность моментов вступления ударного импульса на датчике ударника и первого вступления волны в точке измерения. При необходимости в измеренное время пробега волны вносится поправка, зависящая от схемы измерения.
При обработке результатов сквозного зондирования определяют средние скорости по каждому лучу, среднюю скорость по всем лучам в области испытаний и отклонения скоростей по каждому лучу от средней по всем лучам в области испытаний.
Если величины отклонений невелики – этим ограничиваются, если нет – продолжают анализ с использованием томографии.
При комплексном обследовании при расчете скоростного разреза обследуемой конструкции в томографическую модель закладывают акустические характеристики поверхностных слоев конструкции, полученные методом поверхностной волны, а характеристики внутренних слоев определяют по временам пробега волны при сквозном зондировании.
Методика оценки состояния конструкции здания по его динамическим характеристикам состоит из 3х этапов:
· экспериментальное определение динамических характеристик здания;
· разработка математической модели здания и ее адаптация по фактическим динамическим характеристикам;
· отслеживание изменений динамических характеристик здания (мониторинг) и их анализ с помощью разработанной математической модели.
Определение динамических характеристик осуществляется методом свободных колебаний. Колебания возбуждаются ударом в узлы жесткости здания или конструкции. Удар можно наносить любым способом, например используя мешок с песком весом до 50 кг. При этом при регистрации отклика на удар определяются: формы и виды свободных колебаний и соответствующие им частоты (периоды), декременты, эпюры (графики амплитуд колебаний различных точек конструкции) или диаграммы колебаний. Очевидно, что динамические характеристики крайне чувствительны к объемно-напряженному состоянию конструкций, изменение которого сразу сказывается на значениях частот и форм собственных колебаний сооружения в целом и его отдельных частей.
Основные достоинства такого способа возбуждения колебаний следующие:
· возможность многократного повторения возбуждения конструкции без всяких повреждений с последующим усреднением результатов измерения с целью подавления помех;
· возможность возбуждения свободных колебаний даже массивных объектов;
· возможность возбуждения различных видов и форм свободных колебаний;
· лёгкость транспортировки оборудования и приведения его в состояние готовности к использованию;
· высокая оперативность применения.
Как показывает опыт обследований, для возбуждения какой-либо формы
колебаний конструкции нагрузку необходимо прикладывать в точках, в которых
амплитуда возбуждаемых колебаний велика, а амплитуда других, близких по частоте
форм колебаний, мала.
Таким образом, при испытаниях выполняются следующие операции:
· расстановка датчиков на конструкциях здания в соответствии со схемой измерения;
· возбуждение колебаний с помощью импульсной нагрузки и их регистрация в компьютере, при этом количество воздействий в каждой точке удара выбирается в зависимости от соотношения амплитуд возбуждаемых колебаний и микросейсмических колебаний, инициируемых другими источниками;
· обработка результатов измерения, включающая:
- усреднение колебаний по всем воздействиям в каждой точке удара;
- составление комбинированных реализаций, имитирующих одновременное воздействие в разных точках удара в различных сочетаниях;
- спектральный анализ колебаний;
- выделение представляющих интерес форм свободных колебаний конструкции по резонансным пикам в спектре Фурье усредненных колебаний;
· определение по выделенным колебаниям частот свободных колебаний конструкции и построение их эпюр и диаграмм.
После определения частот свободных колебаний здания в дальнейшем возможно определение соотношений амплитуд колебаний в различных точках здания выполнить с помощью кросс-спектров его микросейсмических колебаний. Для этого регистрируются колебания здания под действием естественных фоновых источников (ветер, микросейсмы, транспорт и т.д.), затем определяются кросс-спектры этих колебаний (в качестве опорных выбираются точки измерения с максимальной амплитудой колебаний) и определяются относительные амплитуды колебаний в различных точках на частотах соответствующих форм свободных колебаний.
Разработка математической модели здания осуществляется в любом программном комплексе («SCAD», «ANSIS» и т.п.) на основе обмерных чертежей с учетом результатов определения жесткостных и прочностных характеристик конструкций, полученных в результате обследования методами волны удара с использованием поверхностных и продольных волн. Адаптация модели осуществляется по фактическим динамическим характеристикам здания – частотам различных форм свободных колебаний и амплитудам колебаний в различных точках измерения путем сравнения с результатами «модального анализа» построенной модели.
Мониторинг динамических характеристик здания осуществляется с целью оценки их сезонных изменений и общей тенденции изменения жесткостных характеристик здания, как в целом, так и отдельных узлов опирания здания на грунт (колонн и стен). Для этого через определенные периоды времени проводятся измерения динамических характеристик здания и с помощью разработанной математической модели оценивается изменение жесткостных характеристик различных узлов и элементов здания.
Метод свободных колебаний является наиболее интегральным методом контроля состояния сооружений, позволяющим по изменению частот свободных колебаний обнаруживать изменение жесткостных характеристик конструкций, а по изменению формы эпюры этих колебаний – локализовывать положение конструкций с пониженными жесткостными характеристиками.
Информационно-измерительный комплекс, который позволяет реализовывать предложенные методы диагностики, является универсальным и состоит
из элементов аппаратуры и оснастки. Блок-схема измерительного комплекса
приведена на рис. 4. Технические характеристики применяемой аппаратуры приведены
в таблице 1.
Для возбуждения поверхностных волн в качестве ударника применяется деревянный брус, а для возбуждения продольных волн (при сквозном прозвучивании) – молоток весом 100 г, а при больших базах прозвучивания – до 4 кг.
