Еманов Александр Федорович – Директор Алтае-Саянского
филиала Геофизической службы СО РАН,
доктор технических наук
Скляров Леонид Анатольевич – Начальник отдела
ЭПВ ЗиС АНО СЦТДЭ «ДИАСИБ», г. Новосибирск
Техническое состояние зданий и сооружений полностью зависит от целого ряда таких факторов, как производственная среда эксплуатации, природно-климатические воздействия. Немаловажным фактором является поддержание здания (сооружения) в работоспособном состоянии, для обеспечения необходимо выполнение целого комплекса мероприятий, в том числе своевременное обнаружение дефектов строительных конструкций для принятия мер по устранению как самого дефекта, так и причин возникновения данного дефекта.
Большинство зданий обследуется так называемым классическим методом, который предусматривает определение прочностных характеристик конструкций, фиксирование имеющихся дефектов и повреждений, замеры отклонений от номинальных (проектных значений). Для оценки общего состояния несущей способности здания или сооружения полученных данных порой недостаточно. Требуется детальная обработка полученных данных с построением математической модели здания с учётом всех фактических параметров конструкций. Работа весьма трудоемкая и соответственно весьма дорогостоящая, да и полученный результат не будет соответствовать фактическому состоянию обследуемого объекта, потому что практически невозможно выявить все дефекты и учесть это в расчетах.
Кроме традиционного классического метода обследования конструкций, существует метод диагностики зданий и сооружений с применением методов микросейсмических воздействий.
В инженерной сейсмологии для оценки реакции зданий и сооружений на сейсмические волны широко применяются модели линейных систем с одной или несколькими степенями свободы [1, 2]. При этом каждой степени свободы в модели линейной системы соответствуют свои резонансная частота и затухание. Жесткие инженерные сооружения, как правило, имеют одну частоту собственных колебаний, доминирующую над другими [2], и обычно здание описывают двумя цифрами: частотой собственных колебаний и затуханием. Именно эти параметры используются для грубой оценки реакции зданий и сооружений на сейсмические волны и их сейсмостойкости.
Совершенно ясно, что описание инженерного сооружения двумя или даже несколькими цифрами далеко не полно характеризует его сейсмостойкость. Получение резонансных частот и затухания в модели линейной системы для здания в целом требует минимум наблюдений и затрат на обработку. Мы не будем отвлекаться на описание широко известных методик экспериментального определения упомянутых характеристик зданий и сооружений. Отметим лишь, что в существующем подходе в описании здания резонансными частотами и затуханием для этих частот заложено предположение, что частотная характеристика между фундаментом и верхним этажом полностью характеризует здание, а это означает, что конструкция имеет равномерные в своем объеме характеристики по прочности и жесткости. Такая методика не предполагает наличие в здании элементов конструкций с разными прочностью и надежностью.
При детальном обследовании должны быть изучены не только частоты собственных колебаний, но и особенности реакции на сейсмические воздействия отдельных элементов зданий с целью выявления слабых мест и дефектов, возникающих при длительной эксплуатации, а также брака при строительстве.
Для детального сейсмического обследования здания требуются детальные наблюдения в его объеме. Идеальным случаем будут являться установка по всем этажам трехкомпонентных сейсмоприемников с шагом в первые единицы метров и запись сейсмических событий такой сетью наблюдений. При наличии таких материалов можно ставить задачи по всестороннему детальному изучению особенностей поведения сооружений при сейсмических воздействиях и выявлению ослабленных элементов конструкций с целью выдачи рекомендаций по их усилению. Провести такого типа наблюдения весьма затруднительно. Требуется калиброванная аппаратура, имеющая несколько сотен сейсмических каналов. Создание такой аппаратуры не реально из-за высокой стоимости.
В качестве источников колебаний, действующих в любой заданный момент, нами рассматривались микросейсмы, которые всегда присутствуют и сейсмические колебания в здании, которые являются реакцией на приходящие воздействия.
Как отмечалось многими исследователями [1, 2], колебания зданий и инженерных сооружений достаточно хорошо описываются моделью линейной системы. Это выражается в наличии на частотной характеристике исследуемого объекта резонансов (частот собственных колебаний). Именно на этих частотах происходит усиление приходящих колебаний от низа к верху, и внешние сейсмические воздействия, имеющие в себе эти частоты, наиболее опасны для таких сооружений.
Под воздействием микросейсм любое инженерное сооружение постоянно находится в колебательном процессе. Для детального обследования здания с использованием микросейсм идеально реализовать плотную систему одновременной регистрации колебаний (рис. 1), но это не представляется возможным. Рассмотрим иную систему наблюдений и ее возможности. Одновременная регистрация колебаний здания под воздействием микросейсм ведется в опорной точке и i-й точке (группе точек), затем i-я точка (группа точек) меняет свое положение и вновь проводится регистрация сейсмических колебаний одновременно с опорной точкой (рис. 2). Такими наблюдениями можно детально покрыть исследуемый объект с малоканальной аппаратурой. Задача состоит в том, как преобразовать разновременные наблюдения в разных точках здания в одновременную запись стоячих волн на всей системе наблюдения.
Рис. 1. Необходимая полная система наблюдений
Рис. 2. Система одновременной регистрации в опорной точке 0 и некотором количестве i-х точек
В основу алгоритма получения из разновременных наблюдений в здании с одной опорной точкой данных одновременной регистрации одного и того же колебательного процесса в разных точках заложим следующие предположения о модели процесса колебаний в инженерном сооружении:
- При воздействии микросейсмических колебаний на здание (инженерное сооружение) отличия формирующихся в нем стоячих волн, зарегистрированных в двух произвольных точках, описываются линейной системой, характеристика которой не зависит от времени.
- При воздействии микросейсмических колебаний на здания отличия бегущих волн, зарегистрированных в двух произвольных точках, не могут быть описаны линейной системой, характеристика которой не зависит от времени.
- Линейные связи в изменениях стоячих волн, зарегистрированных в двух точках, существуют для каждой пары одноименных компонент регистрируемых колебаний.
Эти предположения позволяют составить модель связи колебаний, регистрируемых в двух разных точках инженерного сооружения (здания) (рис. 3). Модели регистрируемых колебаний в опорной точке и i-й, можно записать в следующем виде:
Рис.3. Модель линейной связи волновых полей в двух точках объекта
В таком представлении колебания разных точек объекта имеют две составляющие: первую – связанную с общим процессом реакции объекта на сейсмические воздействия и имеющую линейные связи с колебаниями от точки к точке; вторую – колебания в точках, не имеющие линейной связи с общими колебаниями. Ко второй составляющей относятся сейсмические колебания от локальных источников внутри здания и нелинейные эффекты распространения колебаний.
Для выбранной модели процесса колебаний с независимыми компонентами в здании появляется возможность получить одновременные записи стоячих волн из разновременных, последовательных наблюдений с опорной точкой. Процедура обработки в таком случае сводится к следующим операциям.
- Нахождение частотных характеристик линейных систем h0i (w) (спектральный эквивалент h0i (t), микросейсмических колебаний в этих точках, описывающих изменение колебаний от опорной точки 0 к i-й по данным одновременной регистрации.
- Запись или формирование независимой реализации процесса колебаний опорной точки при сейсмическом воздействии на исследуемый объект.
- Пересчет стоячих волн из опорной точки с использованием h0i (w) (назовем их переходными характеристиками) во все точки обследуемого объекта.
Ключевым вопросом рассматриваемой схемы обработки является задача определения h0i (w) с необходимой точностью по материалам разновременной регистрации микросейсмических колебаний с опорной точкой. В соответствии с выбранной моделью, имея трехкомпонентные записи, можно вести обработку по каждой компоненте независимо друг от друга. Рассматривая модель сигналов, регистрируемых в двух точках здания на одинаковых компонентах (рис. 1), можно видеть, что задача определения h0i (w) сводится к определению характеристики линейной системы по сигналам на ее входе и выходе, зарегистрированных на фоне шумов.
Данная формула позволяет вести расчет характеристики фильтра с погрешностью, которая зависит от параметров зарегистрированной реализации естественных колебаний обследуемого объекта. Такими параметрами являются: шаг дискретизации регистрируемых колебаний по времени Dt; длина единичного блока Т, на которые разбита запись естественных колебаний; количество блоков в записи n. Выбор первых двух параметров не вызывает затруднений. Шаг дискретизации увязывается с частотным диапазоном, в котором изучается реакция объекта на сейсмическое воздействие. Длина единичного блока связана с необходимым разрешением спектрального анализа Df = 1/T. Для обследования объектов, имеющих целый ряд степеней свободы при описании линейной моделью и, соответственно, целый ряд резонансных областей в частотной характеристике, требуется разрешение, увязанное с шириной этих резонансных областей и расстояниями по частоте между ними. Сложнее вопрос о количестве блоков. Расчет по формуле (2) – лишь некоторая оценка характеристики фильтра, погрешность которой зависит от количества блоков n и соотношения энергии шумов и полезных сигналов в модели (1), т.е. фактически от того, в какой степени изменение колебаний от точки к точке описывается линейной системой.
Для оценки количества блоков, необходимых для обеспечения заданной погрешности фильтра, прежде всего, требуется изучение работоспособности выбранной модели изменений колебаний в объекте от точки к точке. Для изучения этого вопроса применим спектр когерентности. Расчет g(w), как и характеристики фильтра, требует усреднения. Разделим реализацию одновременно записанных шумов в двух точках здания на блоки, о необходимой длине которых говорилось выше, и осуществим усреднение по ним. Формула для расчета спектра когерентности примет вид
Высокие значения спектров когерентности на частотах нормальных мод инженерных сооружений дают основание применять модель (1) и использовать формулу (2) для построения фильтров, пересчитывающих стоячие волны из опорной точки в i-ю, для получения картины одновременных записей стоячих волн во всех точках.
В соответствии с (5) с увеличением числа блоков для вычислений характеристики фильтра, пересчитывающего колебания из опорной точки обследуемого объекта в i-ю, можно добиться любой заданной погрешности построения фильтра. При малом количестве блоков, даже небольшое увеличение их числа, обеспечивает существенное уменьшение погрешности. При больших величинах n уменьшение погрешности с увеличением числа блоков замедляется. Высокая точность пересчета колебаний быстро достигается при больших значениях g(w). Для случаев с малыми значениями когерентности требуется большое число блоков в одновременной записи.
Количество блоков определяет длину реализации, записанную в каждой точке обследуемого объекта, и существенно влияет на производительность работ. Оптимальная производительность достигается последовательной регистрацией колебаний в точках объекта при длине реализации 5-20 минут и существенно снижается при длинах реализаций, измеряемых часами. При высокой когерентности колебаний 0.8-0.99, наблюдаемой на инженерных сооружениях на частотах нормальных мод, удается достигнуть погрешности порядка 5% и менее для пересчета стоячих волн и производительности обследования зданий за несколько дней. Низкие значения спектра когерентности вне частот нормальных мод приводят к сильной регуляризации фильтра Винера. Фильтр запирается на этих частотах и обеспечивает подавление бегущих волн в пересчитанных записях.
Изучение спектра когерентности колебаний опорной и i-й точек с учетом его погрешности в обследовании инженерных сооружений играет ведущую роль в обосновании выбранной модели изменений колебаний от точки к точке.
Полное описание вывода формул пересчета стоячих волн в зданиях и других инженерных сооружениях приведено в [4].
Сложности, связанные с практической реализацией этого метода (сопоставление результатов, полученных в результате динамических воздействий, с реальным состоянием конструкций) тормозят широкое внедрение методики.
Чтобы исправить такое положение дел, Алтае-Саянским филиалом Геофизической службы СО РАН совместно с АНО СЦТДЭ «ДИАСИБ» были предприняты попытки сопоставить результаты, полученные при исследовании микросейсмических колебаний от естественных и искусственных источников, с результатами комплексного технического обследования здания, проведенного классическими методами. Работы выполняются в три этапа:
1) классическое обследование;
2) микросейсмодиагностирование конструкций;
3) повторное точечное обследование конструкций по результатам микросейсмодиагностирования.
Полученные результаты обследования конструкций при помощи методики микросейсмодиагностирования позволяют выявить наиболее «прослабленные» места в конструкции здания, в которых проводится точечное (адресное) обследование классическим методом. В качестве примера приведен один из выполненных результатов обследования. На конкретном примере можно с большой долей уверенности говорить о целесообразности применения методики микросейсмодиагностирования строительных конструкций совместно с классическим методом обследования.
Полученные результаты совмещённого обследования позволяют получить наиболее полную картину состояния здания, что в значительной мере облегчает разработку проектов восстановления несущей способности как отдельных конструкций, так и для здания в целом.
Кроме того, учитывая степень повреждения конструкций большинства обследуемых зданий, экономическую и социальную значимость обследуемых объектов, а также отсутствие возможности быстрого проведения восстановительных работ, было предложено в процессе эксплуатации проведение постоянного мониторинга состояния здания при помощи вышеуказанной методики. Полученные результаты исследований микросейсмических колебаний от естественных и искусственных источников позволили откорректировать используемые датчики под конкретные параметры (границы измерений) конкретного здания. Наличие постоянного мониторинга позволяет отслеживать малейшие изменения в состоянии конструкций с целью принятия своевременных мер по локализации возникшего (развивающегося) дефекта.
Библиографический список
- Федеральный закон от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов. (с изменениями от 7 августа 2000 г., 10 января 2003 г., 22 августа 2004 г.)
- СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений». М., 2004.
- Павлов О.В., Дреннов А.Ф., Дреннова Н.Н. и др. Анализ колебаний грунтов при землетрясениях. Новосибирск: Наука, 1983, 96с.
- Потапов В.А. Инженерно-сейсмологический анализ объёмных и поверхностных волн. Новосибирск: Наука, 1992, 133с.
- Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М. Мир, 1971, 408с.
- Пересчёт стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях / А.Ф. Еманов, В.С. Селезнёв, А.А. Бах, С.А. Гриценко, И.А. Данилов, А.П. Кузьменко, В.С. Сабуров, Г.И. Татьков // Геология и геофизика. №2, 2002, с. 192-207.