7.3 Средства анализа частотного состава сигнала
Обычно для анализа сигнала с целью определения частот доминирующих составляющих используют его цифровую запись за период измерений. Устройство анализа должно обеспечивать отображение всего временного сигнала за период измерений для определения характера вибрации.
Если вибрация носит ярко выраженный импульсный характер, то из сигнала «вырезают» импульс, где сигнал скорости имеет максимальное значение, и дальнейшему анализу подвергают «вырезанный» участок реализации.
Если в начале и в конце анализируемой записи на интервале [t, t + T] значение сигнала не близко к нулю, то перед проведением анализа в частотной области его умножают на окно Хана hw(τ):
Для анализа частотного состава сигнала скорости используют анализатор, реализующий преобразование Фурье (например, процедуру быстрого преобразования Фурье).
Примечание
1 Окно Хана лучше других обычно используемых на практике временных окон сохраняет соотношение между частотными составляющими сигнала, что особенно важно при определении доминирующих составляющих.
2 Для определения частоты доминирующей составляющей на практике часто используют метод анализа во временной области: определяют максимальный пик сигнала и ближайшие моменты времени пересечения сигналом скорости нулевого уровня по обе стороны от этого пика. На основе полученного временного интервала Δt определяют частоту детерминированной составляющей как величину, обратно пропорциональную 2Δt. С помощью данного метода, как правило, получают завышенные значения частоты доминирующей составляющей по сравнению с методом преобразования Фурье, поэтому его не рекомендуется применять даже для сигналов простой формы.
8 Измерения
8.1 Точки измерений
Существует два основных подхода к выбору места измерений вибрации при оценке ее воздействия на здание: европейский и американский. В США измеряют вибрацию грунта вблизи фундамента здания, а в Европе измерения проводят на самом фундаменте. Это различие имеет исторический, а непринципиальный характер. Для оценки воздействия вибрации на конструкцию здания предпочтительно выбирать точки измерения вибрации непосредственно на конструкции.
Если провести измерения на фундаменте здания невозможно, то точки измерения должны находиться на нижней части (на высоте не более 1 м отуровня грунта) внешней несущей стены здания. Рекомендуется, чтобы точки измерения находились на той стороне конструкции, которая обращена к источнику вибрации.
Колебания, вызванные движением транспорта или строительными работами (взрывами, забивкой свай), могут усиливаться при их распространении вверх по конструкции здания. Поэтому рекомендуется проводить дополнительные измерения на верхнем перекрытии здания. Для высоких зданий (выше 12м) рекомендуется проводить дополнительные измерения с помощью датчиков, устанавливаемых в ряд по вертикали через каждые 12 м, чтобы обеспечить возможность наблюдения за характером изменения вибрации. Вибрацию измеряют на несущих элементах, определяющих жесткость конструкции, обычно вблизи ее углов.
Для протяженных зданий (длиной более 10 м) рекомендуется на каждой стене на одной высоте установить несколько датчиков вибрации, по крайней мере, вблизи углов и посередине стены.
Примечание - Вибрация междуэтажных перекрытий и перегородок может быть значительно выше вибрации несущих элементов, однако она обычно не связана с риском повреждения конструкции здания.
8.2 Установка датчиков вибрации
8.2.1 Установка на конструкцию здания
При использовании в качестве датчиков вибрации акселерометров они должны быть установлены в соответствии с требованиями ГОСТ ИСО 5348-2002.
Крепление датчика должно быть жестким, не допускающим угловых колебаний, поэтому следует избегать установки датчиков на кронштейны и другие вспомогательные приспособления. Если необходимо использовать три датчика для измерений вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях, применяют стальной куб, который закрепляют на конструкции с помощью шпильки или быстроотвердевающей смолы.
Установочный резонанс акселерометра должен находиться на частоте выше 1000 Гц, чтобы не оказывать влияния на результаты измерений.
Отклонение оси чувствительности датчика от заданного направления измерений не должно быть более 5°.
8.2.2 Установка на грунт
Если позволяет тип грунта, датчик можно закрепить на жестком стальном стержне (диаметром не менее 10 мм), вбитом в поверхностный слой грунта.Стержень не должен выступать над поверхностью земли более чем на несколько миллиметров. Особое внимание следует уделить обеспечению плотного контакта между датчиком и грунтом. В случаях, когда предполагаемое значение ускорения может превышать 2 м/с2, стержень для сохранения своего положения внутри грунта должен опираться на жесткую площадку.
Если датчик устанавливают непосредственно внутри грунта для уменьшения искажений, вызываемых установочными приспособлениями, то глубина его установки должна, по крайней мере, в три раза превышать характерный размер датчика. Допускается устанавливать датчик на жесткую пластину, соответствующую условию
m/ρr3< 2
где m - масса датчика вместе с пластиной;
r - эквивалентный радиус пластины;
ρ - плотность грунта.
Такой пластиной может быть, например, плита дорожного покрытия. Для большинства почв значение ρ находится в пределах 1500 - 2600 кг/м3.
При высокой твердости грунта (например, скальной породы), не позволяющей использовать вышеуказанные методы, датчик устанавливают непосредственно на поверхность грунта с соблюдением требований 8.2.1.
8.3 Продолжительность измерений
Продолжительность измерений зависит от категории источника вибрации. Периоды контроля, наблюдения и измерений должны быть определены согласно таблице 2.
Таблица 2 - Продолжительность измерений
|
Категория источника |
Период контроля |
Период наблюдения |
Период измерений |
|
Постоянное воздействие |
День/неделя/период работы источника |
Два периода между пиковыми значениями |
Один рабочий цикл1) |
|
Периодическое воздействие |
День |
Три рабочих цикла и более |
Один рабочий цикл1) |
|
Единичные воздействия |
День |
Три единичных воздействия |
Каждое воздействие1) |
|
1) Измерения проводят не менее трех раз. Измеренные на каждом периоде пиковые значения не должны отличаться от среднего значения более чем на 10 %. Если это условие не выполняется, дополнительно проводят еще три измерения. |
|||
Пример - Для такого источника периодического воздействия, как копер, период контроля равен одному рабочему дню, а период наблюдения должен включать в себя не менее трех рабочих циклов (см. рисунок 1). Рабочим циклом в данном случае считают полную забивку сваи.
1 - уровень вибрации; 2 - время (в часах); 3 - период измерений; 4 - период наблюдений; 5 - период контроля
Рисунок 1 - Продолжительность измерений
8.4 Контроль правильности проведения измерений
Контроль правильности проведения измерений осуществляют путем периодических проверок работоспособности измерительной системы на месте ееустановки и наблюдением за фоновым шумом.
При проверках на месте установки определяют передаточные характеристики всей измерительной цепи - обычно методом сравнения.
Под фоновым шумом понимают показания средства измерений в отсутствие исследуемой вибрации. Если уровень измеряемой вибрации превышает фоновый шум менее чем на 5 дБ, оценка воздействия вибрации на конструкцию здания может быть осуществлена только после соответствующей коррекции результатов измерений.
9 Оценка результатов измерений
9.1 Общие положения
Измерения вибрации зданий проводят с целью сравнения полученных результатов с заданными предельными значениями (критериями оценки).Основой всех известных и широко применяемых на практике критериев является риск легких (косметических) повреждений конструкции.
Поскольку риск повреждения конструкции зависит не только от пиковых значений вибрации, измеренных в заданных точках, но и от других факторов(см. 5.3), критерии оценки вибрации, по сути, представляют собой коррекцию результатов измерений в соответствии с этими факторами. При этом существующие критерии могут быть разделены по способу коррекции на два вида: частотно-зависимые и комплексные.
В приложении Б рассмотрены критерии оценки, наиболее широко применяемые в международной практике.
Примечание - Независимо от применяемого критерия, все они построены по результатам статистической обработки данных исследований и базируются на предположении, что при превышении указанных предельных значений риск повреждения конструкции будет не более 5 %. Однако в действительности лишь небольшая часть проанализированных данных относилась к ситуациям, где произошло повреждение конструкции. Поэтому приводимые предельные значения можно рассматривать как консервативные.
9.2 Частотно-зависимые критерии оценки
Для частотно-зависимых критериев влияние большинства факторов выражается в виде зависимости предельного пикового значения скорости от частоты доминирующей составляющей. При этом тип конструкции здания (5.3.3) обычно является неучтенным фактором, требующим специального рассмотрения. Для этого строят несколько кривых зависимости предельного пикового значения скорости от частоты доминирующей составляющей - каждую для конкретного типа и состояния конструкции.
Примечание - Частота доминирующей составляющей обычно находится в диапазоне от 5 до 100 Гц, поэтому при построении критерия ограничиваются указанным диапазоном частот.
Поскольку сведение нескольких факторов к одному (частоте доминирующей составляющей) неизбежно приводит к потере информации, установленные предельные значения следует рассматривать как заданные для «наихудших» условий, т.е. в конкретных ситуациях предельное значение может быть увеличено (см. 5.3.2).
9.3 Комплексные критерии оценки
При применении комплексных критериев оценки проводят коррекцию предельного значения по каждому из влияющих факторов, указанных в 5.3.
10 Протокол измерений
Протокол измерений должен содержать следующую информацию:
- наименования организации - заказчика и организации - исполнителя измерений; сведения о договоре, в соответствии с которым были проведены измерения; данные о лице, проводившем измерения; дату и место проведения измерений, погодные условия во время измерений;
- описание источника вибрации (взрывы, забивка свай, работа машин, дорожный трафик и т.д.), указание времени и частоты появления вибрации, ее продолжительности;
- описание сооружения, для которого были проведены измерения (адрес, назначение, тип конструкции с указанием размеров и материалов);
- взаимное расположение источника вибрации и точек измерений с приложением схемы;
- условия окружающей среды (состояние фундамента, геологические условия, уровень подземных вод, погодные условия);
- уровень фоновой вибрации;
- использованные средства измерений и анализа (тип и модель датчика вибрации, способ и характеристики его крепления, устройства согласования сигнала, записи и анализа, метод и средства определения частоты доминирующей составляющей), сведения о поверке средств измерений;
- измеряемые величины;
- результаты измерений в каждой точке измерений;
- оценку результатов измерений (сопоставление с предельными значениями с указанием источника предельных значений).
Приложение А (рекомендуемое)
Оценка механических напряжений в конструкции по пиковым значениям скорости
Вибрацию таких элементов зданий, как стены и междуэтажные перекрытия, можно оценить по создаваемым ею механическим напряжениям.
Механические напряжения в балках и пластинах, возникающие при их колебаниях на частоте, близкой к резонансной, могут быть рассчитаны по результатам измерений скорости и частоты при условии, что эти измерения выполнены в точках, где значение скорости максимальное. В этом случае знание условий закрепления и жесткости элемента для оценки возникающих в нем напряжений не является обязательным.
Для балок и бетонных плит, армированных в одном направлении, прямоугольного сечения равномерной жесткости, нагруженных некоторой массой применяют следующее соотношение между максимальным значением изгибного напряжения σmах и максимальным значением скорости vmax, которое не зависит от длины, ширины и высоты балки:
где vmax - максимальное значение скорости по всей длине балки;
Edуn - динамический модуль упругости материала балки;
ρ - плотность материала балки;
- коэффициент нагрузки при нагружении балки помимо своей собственной массы Gbеат еще и равномерно распределенной нагрузкойGotherloads(Gtot= Gbeam+ Gotherloads);
kn - безразмерный модальный коэффициент, имеющий значение в диапазоне от 1 до 1,33 и зависящий от условий закрепления и номера моды колебаний, влияние которых, однако, незначительно. Для бетонных плит с перекрестной арматурой полученное значение напряжения можно рассматривать как оценку сверху.
Приложение Б (справочное)
Оценка вибрации зданий
Б.1 Общие положения
В настоящем приложении приведены наиболее часто используемые в международной практике критерии оценки вибрации зданий, установленные национальными стандартами и другими нормативными документами зарубежных стран.
