Технология оценки сейсмостойкости существующих зданий на основе вибродинамических испытаний

Обеспечение сейсмической безопасности существующих зданий – одна из наиболее актуальных задач строительной отрасли, особенно в регионах с повышенной сейсмической активностью. Значительная часть зданий эксплуатируется длительное время и подвержена процессам физического износа, что приводит к снижению их не- сущей способности и сопротивляемости динамическим воздействиям [1, 2]. Также в современных объектах строительства возрастают требования к их надёжности, долговечности и безопасной. Традиционные методы визуального и инструментального обследования не всегда позволяют получить объективную оценку реального технического состояния несущих конструкций и их спо-

собности воспринимать сейсмические нагрузки. В этих условиях использование неразрушающих видов экспертизы приобретает особую важность, позволяя проводить комплексное диагностирование зданий без разрушения и нарушения их эксплуатационных характеристик [3]. Такие виды контроля обеспечивают своевременное выявление дефектов, оценку технического состояния конструкций и прогноз их дальнейшей эксплуатации, что способствует снижению затрат на капитальный ремонт и профилактику аварийных ситуаций. Применение технологий неразрушающего контроля не только повышает точность и объективность получаемых данных, но и способствует формированию системы мониторинга за состоянием строительных объектов, что критически важно для обеспечения их долгосрочной надежности и сохранности в условиях современного рынка и требований нормативной базы [4]. Неразрушающие виды контроля позволяют проводить как всестороннюю, так и выборочную проверку объектов, что обеспечивает получение подробной информации об их фактическом состоянии [5–7].

Материалы и методы исследования

Одним из наиболее эффективных подходов является технология вибродинамических испытаний, позволяющая оценить изменения жесткост-ных и диссипативных характеристик конструктивной системы здания в целом. Применение современного аппаратно-программного комплекса «Стрела-П» делает данный метод высокоточным и оперативным инструментом диагностики, что подтверждается результатами натурных испытаний, проведенных на реальных объектах.

Исследование проводилось с использованием сертифицированного аппаратно-программного мобильного диагностического комплекса «Стрела-П», предназначенного для экспериментального определения динамических характеристик строительных конструкций. Комплекс имеет следующие технические характеристики:

– рабочий частотный диапазон: 0,1–200 Гц;

• – динамический диапазон измеряемого ускорения: от ±0,15 до ±10 м/с²;

• – минимальное измеряемое ускорение: 10 мкм/с²;

• – эффективный уровень собственных шумов: не более 20 мкм/с².

В состав комплекса входят: пять трехкоординатных акселерометрических датчиков, базовый модуль аналого-цифрового преобразования, переносной компьютер и специализированное программное обеспечение CentBox для сбора и обработки данных [8].

Методика испытаний соответствовала требованиям ГОСТ 31937–2024 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» и ГОСТ 34081–2017 «Здания и со- оружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний».

Возбуждение колебаний осуществлялось импульсным способом с применением груза массой 20 кг, с периодичностью воздействия 10 с. Измерения проводились в двух взаимно перпендикулярных направлениях с установкой датчиков на различных отметках высоты здания. Один датчик использовался как опорный, остальные последовательно перемещались по запланированным точкам измерений.

Обработка данных включала спектральный анализ методом БПФ с частотным разрешением 0,008 Гц и построение эпюр форм колебаний. Продолжительность каждой записи составляла 120 с при частоте дискретизации 800 Гц, что обеспечивало необходимую точность измерений.

Результаты исследования

Проведенные вибродинамические испытания многоквартирного жилого дома в г. Белореченске [9] позволили получить следующие результаты. Экспериментально определены собственные частоты и логарифмические декременты колебаний для четырех подъездов здания.

Установлено, что значения собственных частот варьируются от 3,263 Гц до 4,333 Гц в зависимости от направления колебаний и номера подъезда. Наибольшие значения частот зафиксированы в 5-м подъезде в поперечном направлении (4,333 Гц), наименьшие – в 1-м подъезде в поперечном направлении (3,263 Гц).

Логарифмические декременты колебаний изменялись в диапазоне от 0,013 до 0,059, что свидетельствует о различных диссипативных свойствах конструктивной системы в разных частях здания. Наибольшее демпфирование наблюдалось в 4-м подъезде в продольном направлении (δ = = 0,059), наименьшее – в 1-м подъезде в поперечном направлении (δ = 0,013).

Сравнительный анализ с данными предыдущих испытаний, проведенных двумя месяцами ранее, выявил существенное снижение собственных частот в различных подъездах:

• 1-й подъезд: уменьшение на 7,85 % в поперечном направлении;

• 4-й подъезд: уменьшение на 14,02 % в продольном направлении;

• 5-й подъезд: уменьшение на 15,93 % в поперечном направлении;

• 6-й подъезд: уменьшение на 20,78 % в продольном направлении.

Полученные значения снижения частот превышают нормативный порог в 10 %, установленный ГОСТ 31937–2024, что свидетельствует о значительном ухудшении технического состояния конструкций.

Анализ форм колебаний позволил локализовать зоны снижения жесткости в межэтажных перекрытиях на 2–5-х этажах. В 1-м подъезде выявлено ослабление жесткости опирания плит пере- крытия на 5-, 4- и 3-м этажах. В 4-м подъезде нарушения зафиксированы на 5-, 4- и 2-м этажах. В 5-м подъезде повреждения обнаружены на 5-, 4-, 3- и 2-м этажах, а также лестничных площадках. В 6-м подъезде снижение жесткости отмечено на 4-м и 3-м этажах.

Наибольшие нарушения выявлены в 4-м и 6-м подъездах, где снижение частот составило 14,02 и 20,78 % соответственно в продольном направлении. Эпюры распределения относительных амплитуд колебаний показали характерные «переломы» в зонах с ослабленной жесткостью, что подтверждает достоверность полученных результатов.

Схема расстановки датчиков представлена на рис. 1.

На рис. 2 изображены сигналы ускорения колебаний здания (пики ускорения – моменты возбуждения колебаний в здании).

На рис. 3 изображены спектры сигналов с частотным диапазоном от 0 до 200 Гц для анализа и поиска собственной частоты здания в районе до 10 Гц, а также воздействий с более высоким частотным диапазоном (например, работа оборудования (50 Гц и выше)).

Эпюры относительных амплитуд свободных горизонтальных колебаний многоквартирного жилого дома показаны на рис. 4.

По результатам построения эпюр относительных амплитуд свободных горизонтальных колеба- ний многоквартирного жилого дома в продольном (Х – вдоль буквенных осей) и поперечном (Y – вдоль цифровых осей) направлениях основных тонов выявлено снижение жесткости конструкций на 4–5-м этажах здания.

Заключение

Применяемая в работе технология оценки сейсмостойкости существующих зданий на основе метода вибродинамических испытаний с применением комплекса «Стрела-П» доказала свою эффективность на практике. Метод позволяет оперативно и с высокой точностью оценить изменение же-сткостных характеристик конструктивной системы здания, выявить зоны ослабления несущих конструкций и количественно оценить динамику изменения технического состояния [10, 11].

Результаты исследований показали, что обследованное здание имеет значительное снижение собственных частот колебаний, что превышает нормативные значения. Это свидетельствует о существенном ухудшении его сейсмостойких характеристик. Наибольшее снижение жесткости зафиксировано в 6-м подъезде (20,78 %), что требует незамедлительного принятия мер по усилению конструкций.

Полученные данные обосновывают необходимость проведения срочных мероприятий по усилению конструкций и организации системы

Рис. 1. Схема размещения измерительных модулей (датчиков) для определения динамических параметров здания

Рис. 2. Сигналы ускорений горизонтальных колебаний многоквартирного жилого дома, зарегистрированные в серии горизонтальных ударов пластичным грузом по несущим конструкциям вдоль многоквартирного жилого дома по оси Х (датчик 1 (опорный), датчики 2, 3 (перемещаемые)

Рис. 3. Спектры сигналов ускорений горизонтальных колебаний многоквартирного жилого дома, зарегистрированных в серии горизонтальных ударов пластичным грузом по несущим конструкциям вдоль многоквартирного жилого дома по оси Х (датчик 1 (опорный), датчики 2, 3 (перемещаемые)

Рис. 4. Эпюры относительных амплитуд свободных горизонтальных колебаний многоквартирного жилого дома в продольном (Х – вдоль буквенных осей) и поперечном (Y – вдоль цифровых осей) направлениях основных тонов

постоянного мониторинга технического состояния объекта. Регулярное проведение вибродинамиче-ских испытаний позволит отслеживать динамику изменения технического состояния и своевременно принимать решения по проведению ремонтных работ.

Представленная технология может быть рекомендована для широкого применения при об-

следовании строительных объектов с целью оценки их сейсмической уязвимости и обеспечения безопасности эксплуатации. Использование комплекса «Стрела-П» в сочетании с разработанной методикой позволяет существенно повысить достоверность оценок сейсмостойкости существующих зданий и оптимизировать затраты на их содержание и ремонт.