RU2254426C1

RU2254426C1 - Method for determining change in deflected mode of building structure

Info

Publication number: RU2254426C1
Application number: RU2004128916/03A
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Григорьев (RU); Ю.П. Григорьев; В.В. Гурьев (RU); В.В. Гурьев; А.Н. Дмитриев (RU); А.Н. Дмитриев; В.М. Дорофеев (RU); В.М. Дорофеев
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2005-06-20

Abstract

FIELD: construction, particularly working measures on existing buildings.

SUBSTANCE: method involves separating building structure into zones along structure height, wherein each zone includes 3-5 stories; arranging permanent three-component vibration detectors at the border of each zone; applying dynamic load, for instance inelastic impact in the form of wide-band impulse with frequency range covering natural oscillations range of building structure zone to be detected, to building structure; sequentially determining oscillations in three points, namely in point near dynamic load application and at upper and lower borders of the zone; determining transfer functions for each zone to be inspected as ratio of power distributions of simultaneously recorded signals in two points, namely in point of recording dynamic load response in the form of impulse passing through the zone and in dynamic load application point.

EFFECT: possibility to determine exact building structure part in which deflected mode is changed to inspect the structure and to make a decision on further usage or reconstruction thereof.

Description

Изобретение относится к области строительства и касается способа определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения в процессе их эксплуатации.The invention relates to the field of construction and relates to a method for determining changes in the stress-strain state of structures of a building or structure during their operation.

Известен способ динамического испытания зданий (патент РФ №2011174, G 01 M 7/00, 1994) с использованием зарядов взрывчатых веществ, недостатком которого является применение именно последних.A known method of dynamic testing of buildings (RF patent No. 20111174, G 01 M 7/00, 1994) using explosive charges, the disadvantage of which is the use of the latter.

Известен способ определения вибрации здания (Авторское свидетельство СССР №1777018, G 01 M 7/00, 1992), согласно которому уровни вибраций одновременно регистрируют на грунте вблизи здания, а также в его нижней и других частях, что позволяет определить коэффициенты передачи вибраций от грунта к нижней части здания и далее по его частям с учетом техногенного фона. Способ используется для определения возможности установки прецизионного оборудования и прогноза уровня вибраций во вновь строящихся однотипных зданиях.A known method of determining the vibration of a building (USSR Author's Certificate No. 1777018, G 01 M 7/00, 1992), according to which vibration levels are simultaneously recorded on the ground near the building, as well as in its lower and other parts, which allows you to determine the transmission coefficients of vibrations from the ground to the bottom of the building and further in its parts, taking into account the technogenic background. The method is used to determine the possibility of installing precision equipment and to predict the level of vibration in newly constructed buildings of the same type.

Существенным недостатком этого способа является одномерное измерение величины вибраций, что не дает необходимого представления о динамическом напряженном состоянии обследуемого объекта.A significant drawback of this method is the one-dimensional measurement of the magnitude of the vibrations, which does not provide the necessary idea of the dynamic stress state of the object being examined.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ определения физического состояния зданий и сооружений, заключающийся в том, что измерения пространственных колебаний осуществляют посредством трехкомпонентных перемещаемых по точкам схемы наблюдений вибродатчиков, определяют присущий каждому зданию или сооружению индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик собственных пространственных колебаний и устанавливают на основании этого наличие изменения свойств подстилающего грунта и дефектов в конструкции объекта, возникших в процессе его эксплуатации, а также определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации, возможность ремонта, реконструкции или необходимость сноса объекта (патент РФ №2140625, G 01 M 7/00,1999).Closest to the invention, the technical solution is a method for determining the physical state of buildings and structures, which consists in the fact that spatial vibrations are measured by means of three-component vibration sensors moving at points of the observation scheme, an individual set of parameters of the dynamic characteristics of their own spatial vibrations inherent in each building or structure is installed and set Based on this, the presence of changes in the properties of the underlying soil and defects in Instructions of the facility that arose during its operation, and also determine the physical condition of the facility and evaluate the safety of its further operation, the possibility of repair, reconstruction or the need for demolition of the facility (RF patent No. 2140625, G 01 M 7 / 00.1999).

В известном решении для установления наличия изменений свойств подстилающего грунта и дефектов в здании или сооружении, возникающих в процессе эксплуатации, в основу способа положены два физических явления: каждому объекту присущ индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик пространственных колебаний и микросейсмический фон естественного и техногенного происхождения вызывает собственные колебания объектов. Однако при этом не учитывается, что здания и сооружения представляют собой сложные динамические системы, индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик пространственных колебаний которых зависит от уровня и места приложения динамической нагрузки, вызывающей их колебания, и измерения, полученные при разных уровнях микросейсм (в том числе приложенных в различных местах), и не должны давать одинаковые результаты, даже если состояние объекта не изменилось. Кроме того, регистрация колебаний в разных точках здания или сооружения существенно искажается при повторных неточностях размещения вибродатчиков относительно осей здания или сооружения.In the known solution for determining the presence of changes in the properties of the underlying soil and defects in a building or structure during operation, the method is based on two physical phenomena: each object has an individual set of parameters of the dynamic characteristics of spatial vibrations and the microseismic background of natural and technogenic origin causes its own vibrations objects. However, this does not take into account that buildings and structures are complex dynamic systems, the individual set of parameters of the dynamic characteristics of spatial vibrations of which depends on the level and place of application of the dynamic load that causes them to oscillate, and measurements obtained at different microseism levels (including applied in various places), and should not give the same results, even if the state of the object has not changed. In addition, the registration of vibrations at different points of a building or structure is significantly distorted by repeated inaccuracies in the placement of vibration sensors relative to the axes of the building or structure.

Следует отметить также, что в известном способе под физическим состоянием объекта понимается техническое состояние здания или сооружения, в противном случае оно неинтересно ни при эксплуатации, ни при строительстве объекта (терминология СП 13-102-2003). Техническое же состояние объекта определяется на основании других способов, не использующих приемы известного способа.It should also be noted that in the known method, the physical state of an object is understood to mean the technical condition of a building or structure, otherwise it is not interesting either during operation or during construction of an object (terminology SP 13-102-2003). The technical condition of the object is determined on the basis of other methods that do not use the techniques of the known method.

Кроме того, оценка безопасности дальнейшей эксплуатации объекта основана на определении его технического состояния, а оценка возможности ремонта, реконструкции или необходимости сноса объекта определяется на основании его технического состояния и других экономических факторов.In addition, the assessment of the safety of further operation of the facility is based on the determination of its technical condition, and the assessment of the possibility of repair, reconstruction or the need for demolition of the facility is determined on the basis of its technical condition and other economic factors.

Предлагаемым изобретением решается задача определения конкретной зоны в здании или сооружении, где произошли изменения напряженно-деформированного состояния конструкций, что позволяет в итоге быстро приступить к техническому обследованию конструкций и принятию решения по обеспечению безопасности дальнейшей эксплуатации объекта или по его реконструкции.The proposed invention solves the problem of determining a specific zone in a building or structure where changes in the stress-strain state of structures occurred, which allows you to quickly quickly proceed to a technical examination of structures and make decisions to ensure the safety of further operation of the facility or its reconstruction.

Для достижения указанного технического результата в способе определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения, заключающемся в том, что измерение пространственных колебаний здания или сооружения осуществляют неоднократно в процессе эксплуатации посредством трехкомпонентных вибродатчиков, обеспечивающих регистрацию колебаний по координатам, определяют по этим измерениям передаточные функции частей здания или сооружения и устанавливают на основе сравнения передаточных функций для разных во времени эксплуатации измерений наличие изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения, здание или сооружение разделяют по высоте на зоны от 3 до 5 этажей, при этом трехкомпонентные вибродатчики устанавливают на границе каждой из зон стационарно, причем перед регистрацией колебаний осуществляют динамическую нагрузку, например неупругий удар в виде широкополосного импульса с частотным диапазоном, перекрывающим область собственных колебаний исследуемой зоны здания или сооружения, на границе двух исследуемых зон здания или сооружения, после чего последовательно измеряют колебания в трех точках: вблизи места приложения динамической нагрузки, на противоположных границах нижерасположенной и вышерасположенной зон, а передаточные функции для каждой из исследуемых зон определяют как отношение спектров мощности одновременно зарегистрированных сигналов в двух точках: в месте регистрации отклика на динамическую нагрузку в виде импульса, прошедшего через зону, и в месте приложения динамической нагрузки.To achieve the specified technical result in the method for determining changes in the stress-strain state of structures of a building or structure, which consists in the fact that the measurement of spatial vibrations of a building or structure is carried out repeatedly in the process of operation by means of three-component vibration sensors that record the oscillations in coordinates, the transfer functions are determined from these measurements parts of a building or structure and set based on a comparison of the transfer functions for times At the time of operation of the measurements, the presence of changes in the stress-strain state of the structures of the building or structure, the building or structure is divided in height into zones from 3 to 5 floors, while the three-component vibration sensors are installed stationary at the border of each of the zones, and before registering vibrations, they carry out a dynamic load, for example, an inelastic shock in the form of a broadband pulse with a frequency range that overlaps the region of natural vibrations of the studied zone of a building or structure at the border of two x the studied zones of the building or structure, after which the oscillations are successively measured at three points: near the place of application of the dynamic load, at the opposite borders of the lower and upper zones, and the transfer functions for each of the studied zones are determined as the ratio of the power spectra of simultaneously recorded signals at two points: at the place of registration of the response to the dynamic load in the form of a pulse passing through the zone, and at the place of application of the dynamic load.

Признаки, отличающие предлагаемый способ определения изменения напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения от наиболее близкого к нему известного способа по патенту Российской Федерации.№2140625, заключаются в том, что здание или сооружение разделяют по высоте на зоны от 3 до 5 этажей, при этом трехкомпонентные вибродатчики устанавливают на границе каждой из зон стационарно, причем перед регистрацией колебаний осуществляют динамическую нагрузку, например неупругий удар в виде широкополосного импульса с частотным диапазоном, перекрывающим область собственных колебаний исследуемой зоны здания или сооружения, на границе двух исследуемых зон здания или сооружения, после чего последовательно измеряют колебания в трех точках: вблизи места приложения динамической нагрузки, на противоположных границах нижерасположенной и вышерасположенной зон, а передаточные функции для каждой из исследуемых зон определяют как отношение спектров мощности одновременно зарегистрированных сигналов в двух точках: в месте регистрации отклика на динамическую нагрузку в виде импульса, прошедшего через зону, и в месте приложения динамической нагрузки.Signs that distinguish the proposed method for determining changes in the stress-strain state of structures of a building or structure from the closest known method according to the patent of the Russian Federation. No. 2140625, are that the building or structure is divided in height into zones from 3 to 5 floors, with In this case, three-component vibration sensors are installed stationary at the border of each of the zones, and before recording the vibrations, they carry out a dynamic load, for example, an inelastic shock in the form of a broadband pulse with a distinct range covering the region of natural vibrations of the studied area of the building or structure, at the border of the two studied zones of the building or structure, after which the oscillations are measured successively at three points: near the place of application of the dynamic load, at the opposite borders of the lower and upper zones, and the transfer functions for each from the studied zones is defined as the ratio of power spectra of simultaneously recorded signals at two points: at the place of recording the response to dynamic heating safety relay in a pulse passing through the zone, and in place of the dynamic load application.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Здание или сооружение, включая грунтовое основание, подразделяют по высоте на зоны, охватывающие от 3 до 5 этажей. Такое разделение, с одной стороны, ограничивается частотным диапазоном прилагаемой динамической нагрузки - неупругого удара в виде широкополосного импульса, которую возможно создать для охвата собственных колебаний 3-5 этажей зданий по уровню интенсивности, превышающему уровень динамического шума (микросейсм), а с другой стороны, ограничивается экономической целесообразностью последующего объема обследования технического состояния в случае выявления существенного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций в той или иной зоне здания или сооружения. На границах этих зон стационарно устанавливают трехкомпонентные вибродатчики, которые ориентируют вдоль продольной и поперечной осей здания или сооружения.A building or structure, including a soil base, is divided in height into zones spanning from 3 to 5 floors. This separation, on the one hand, is limited by the frequency range of the applied dynamic load - an inelastic shock in the form of a broadband pulse, which can be created to cover the natural vibrations of 3-5 floors of buildings at an intensity level exceeding the level of dynamic noise (microseism), and on the other hand, limited by the economic feasibility of the subsequent volume of examination of the technical condition in the event of a significant change in the stress-strain state of structures in that and and another area of the building or structure. At the borders of these zones, three-component vibration sensors are stationary installed, which are oriented along the longitudinal and transverse axes of the building or structure.

С помощью вибродатчиков и регистрирующей аппаратуры осуществляют последовательно в частотном диапазоне от 0,5 до 50 Гц (частота квантования 200 Гц) одновременную регистрацию пространственных колебаний в каждых трех последовательных точках расположения вибродатчиков, осуществляя каждый раз динамическую нагрузку вблизи второй точки. По этим данным вначале строят спектры мощности зарегистрированных сигналов в каждой из трех точек, а затем передаточные функции, представляющие собой отношения этих спектров. При этом отношение спектра в вышележащей точке к спектру во второй точке характеризует свойства верхней исследуемой зоны здания или сооружения, через которую прошел заданный импульс, а отношение спектра в нижележащей точке к спектру во второй точке характеризует свойства нижней исследуемой зоны здания или сооружения, через которую прошел заданный импульс. Таким образом, при каждом таком измерении получают две передаточные функции для двух исследуемых зон здания или сооружения. При следующем по очереди измерении в трех точках получают опять две передаточные функции, причем в предыдущем и последующем измерениях получают передаточные функции для одной и той же зоны здания или сооружения, которые, однако, не обязаны совпадать, так как в одном случае сигнал шел снизу вверх, а во втором - сверху вниз.Using vibration sensors and recording equipment, the spatial vibrations are recorded simultaneously in every three consecutive vibration sensor locations in a frequency range from 0.5 to 50 Hz (quantization frequency 200 Hz), each time performing a dynamic load near the second point. Based on these data, the power spectra of the registered signals are first built at each of the three points, and then the transfer functions, which are the ratios of these spectra. In this case, the ratio of the spectrum in the overlying point to the spectrum at the second point characterizes the properties of the upper studied area of the building or structure through which the given pulse passed, and the ratio of the spectrum in the underlying point to the spectrum at the second point characterizes the properties of the lower studied area of the building or structure through given impulse. Thus, with each such measurement, two transfer functions are obtained for the two studied areas of the building or structure. At the next measurement in turn at three points, two transfer functions are obtained again, and in the previous and subsequent measurements, transfer functions are obtained for the same area of the building or structure, which, however, do not have to coincide, since in one case the signal went from bottom to top and in the second - from top to bottom.

Получив комплект передаточных функций для всех выделенных зон здания или сооружения, проводят сравнение передаточных функций для каждой зоны здания или сооружения с соответствующими им передаточными функциями, полученными при измерениях в более ранний период эксплуатации. Произведя такой анализ с учетом плановых перераспределений нагрузок в здании или сооружении (реконструкции, перепланировки, перемещение тяжелого оборудования и др.), выявляют зоны здания или сооружения, для которых изменились передаточные функции, т.е. для которых произошло изменение напряженно-деформированного состояния конструкций и которые требуют проведения обследования технического состояния конструкций. На основании обследования устанавливают категорию технического состояния конструкций, т.е. оценивают безопасность дальнейшей эксплуатации объекта, необходимость восстановительных или усилительных мероприятий, возможность того или иного варианта реконструкции.Having received a set of transfer functions for all allocated zones of a building or structure, the transfer functions for each zone of a building or structure are compared with the corresponding transfer functions obtained during measurements in an earlier period of operation. Having made such an analysis, taking into account the planned redistribution of loads in the building or structure (reconstruction, redevelopment, moving heavy equipment, etc.), the zones of the building or structure for which the transfer functions have changed, i.e. for which there has been a change in the stress-strain state of structures and which require a survey of the technical condition of structures. Based on the survey, the category of the technical condition of the structures is established, i.e. assess the safety of further operation of the facility, the need for restoration or reinforcement measures, the possibility of a particular reconstruction option.

Предлагаемый способ определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения был опробован на зданиях различного конструктивного типа: блочных, панельных, блочно-панельных и каркасно-панельных, попадающих в зону строительства и эксплуатации третьего транспортного кольца. Были проведены измерения в различные периоды строительства и эксплуатации этой транспортной магистрали, вызывающей повышенный уровень как динамических воздействий на окружающие здания и сооружения, так и сдвижений грунтовых массивов. Более пятнадцати зданий контролировались по предложенному способу.The proposed method for determining changes in the stress-strain state of structures of a building or structure was tested on buildings of various constructive types: block, panel, block-panel and frame-panel, falling into the zone of construction and operation of the third transport ring. Measurements were taken at different periods of construction and operation of this transport highway, causing an increased level of both dynamic effects on the surrounding buildings and structures, and displacements of soil masses. More than fifteen buildings were controlled by the proposed method.

Claims

The method for determining changes in the stress-strain state of structures of a building or structure, which consists in the fact that the measurement of spatial vibrations of a building or structure is carried out repeatedly in the process of operation by means of three-component vibration sensors that record the vibrations by coordinates, determine the transfer functions of the parts of the building or structure from these measurements and establish based on a comparison of transfer functions for measurements that are different in time of operation stress-strain state of the structures of a building or structure, characterized in that the building or structure is divided in height into zones from 3 to 5 floors, while three-component vibration sensors are installed at the border of each of the zones stationary, and before recording vibrations, they carry out a dynamic load, for example, inelastic a shock in the form of a broadband pulse with a frequency range that overlaps the region of natural vibrations of the studied area of the building or structure, at the border of the two studied areas of the building or structures, after which the oscillations are successively measured at three points: near the place of application of the dynamic load, at the opposite borders of the lower and upper zones, and the transfer functions for each of the studied zones are defined as the ratio of the power spectra of simultaneously recorded signals at two points: at the place of recording the response to dynamic load in the form of a pulse passing through the zone, and at the place of application of the dynamic load.