Измерение вибрации, воздействующей на здания и сооружения

Оценка опасности влияния вибрационных процессов на построенные здания и сооружения

Эксплуатируемые здания подвергаются воздействию вибрации от различных источников, вызванных деятельностью человека, например от транспорта, строительных работ, крупных машин и технологических установок.

Такая вибрация может повредить здания - нанести урон конструкциям зданий, уменьшить их ресурс или привести к незначительным повреждениям, из-за чего потребуется косметический ремонт. Если есть основания предполагать, что на здания может воздействовать опасная вибрация, то проводят инструментальные исследования.

В настоящее время подходы к методикам оценки и численным критериям опасности для зданий техногенной вибрации в разных странах значительно отличаются.

Среди зарубежных документов, регламентирующих подобные измерения, можно выделить:

-Национальный стандарт Германии DIN 4150-3:1999 "Structural vibration - Part 3: Effects of vibration on structures" (Вибрация сооружений. Часть 3. Воздействие вибрации на сооружения);

- Национальный стандарт Великобритании BS 7835-2:1993 "Evaluation and measurement for vibration in buildings - Part 2: Guide to damage levels from groundborne vibration" (Измерение и оценка вибрации в зданиях. Часть 2. Руководство по установлению уровней передаваемой через грунт вибрации, приводящей к повреждению зданий);

- Национальный стандарт Норвегии NS 8141:2001 "Vibration and shock - Measurement of vibration velocity and calculation of guideline limit values in order to avoid damage of constructions" (Вибрация и удар. Измерение скорости и расчет предельных значений, рекомендуемых с целью предотвращения повреждения сооружений).

В России на данный момент нет документов, содержащих обязательные нормативы (предельные численные критерии оценки опасности вибрации). Однако с 1 октября 2008 года действует стандарт ГОСТ Р 52892-2007 "Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию". Этот документ включает в себя методику оценки опасности воздействия техногенной вибрации, методические указания по проведению измерений и сводку численных критериев оценки вибрации зданий из зарубежных стандартов. 

Измерения вибрации по ГОСТ Р 52892-2007

Для оценки опасности воздействия вибрации на здания и сооружения по ГОСТ Р 52892-2007 измеряют пиковую виброскорость по трём направлениям на фундаменте или на грунте рядом с фундаментом и определяют частоту доминирующей составляющей вибрационного процесса.

Рассмотрим последовательно особенности этих измерений.

Точка измерений

В отличие от измерений при санитарно-гигиенической или экологической оценке, вибрация на перекрытиях зданий не представляет основной интерес при оценке опасности вибрационных воздействий на здание в целом. Для корректной оценки необходимо измерить вибрацию несущих конструкций - фундаментов, несущих стен. В некоторых случаях измеряют вибрацию на грунте в непосредственной близости от фундамента здания.

Для измерений на фундаментах и несущих конструкциях необходимо предусмотреть подходящий способ крепления вибропреобразователя; обычно это клевое крепление. Для продления срока службы вибропреобразователи, как правило, устанавливают на посадочную площадку, которую уже клеят к вибрирующей поверхности.

Для измерений на грунте датчик устанавливают либо на массивную жесткую пластину (например на плиту дорожного покрытия) или на стальной стержень, который забивается глубоко в грунт.

Требования к установке акселерометров, плюсы и минусы разных видов креплений датчиков рассмотрены  в стандарте ГОСТ ИСО 5348‑2002.

Измеряемая вибрационная характеристика

В соответствии с ГОСТ Р 52892-2007 нормируемой характеристикой вибрации является пиковое значение скорости.

Пик - это наибольшее мгновенное значение. Не следует путать пиковые значения скорости и максимальные. Под максимальным значениям, как правило, понимают наибольшее из текущих усреднённых за временной промежуток (например за 5 или 10 секунд) значений.

Для корректной оценки пиковой виброскорости необходимо использовать одну из следующих схем:

  • подходящий датчик скорости подключается его к виброметру, имеющему детектор пиковых значений,
  • датчик ускорения подключается к устройству записи временной формы сигнала, которая затем обрабатывается специальным программным обеспечением. 

Пиковое значение скорости вибрации нельзя корректно получить, измеряя только усреднённые значения ускорения вибрации. При этом большинство приборов, использующихся в санитарии и экологии, в базовых комплектациях способны измерять только усреднённые значения ускорения вибрации.

Измерение частоты доминирующей составляющей

Для наиболее полной оценки опасности вибрационного воздействия на здания необходимо знать частоту доминирующей составляющей исследуемой вибрации.

Для продолжительных вибрационных событий, например вибрации от товарных железнодорожных составов, эту задачу можно решить выделением характерных частот в третьоктавном спектре ускорения или скорости.

Для импульсных вибрационных воздействий, например когда вибрация создаётся забивкой свай, частоту доминирующей составляющей получают применяя преобразование Фурье к выборке, формирующей временную форму сигнала скорости вибрации. В программных пакетах для этого обычно используется БПФ (быстрое преобразование Фурье).

Требования к приборам для измерений по ГОСТ Р 52892-2007

Ряд вопросов, не рассмотренных подробно в ГОСТ Р 52892‑2007, конкретизируют следующие стандарты:

  • ГОСТ Р 53964‑2010. «Измерения вибрации сооружений. Руководство по проведению измерений». Стандарт даёт рекомендации по измерениям согласно ГОСТ Р 52892‑2007 и содержит требования к применяемым средствам измерений. 
  • ГОСТ Р 53963.1‑2010. «Измерения вибрации сооружений. Требования к средствам измерений». Стандарт содержит требования к СИ, применяемых при измерениях по ГОСТ Р 52892‑2007

Средства измерений, применяемые при измерениях по ГОСТ Р 52892‑2007, состоят из:

  1. адаптеров для установки датчика вибрации на вибрирующую поверхность;
  2. датчика вибрации, т.е. акселерометра (датчик ускорения) или датчика скорости вибрации;
  3. измерительно-индикаторный блока;
  4. устройства записи и хранения информации (в современных цифровых приборах эту функцию может исполнять измерительно-индикаторный блок)
  5. средства анализа частотного состава сигнала (в современных приборах эту функцию реализует измерительно-индикаторный блок либо специализированное программное обеспечение на компьютере);
  6. ПО для компьютера.

Особое внимание при построении измерительной системы следует обратить на тип датчика вибрации. Несмотря на то, что измеряемым параметром является пиковая виброскорость, датчики скорости (велосиметры), в отличие от акселерометров, зачастую, не являются оптимальным выбором. Это связано с неподходящими динамическими и частотными диапазонами большинства существующих на рынке датчиков скорости. Кроме того для корректного измерения пиковой скорости датчик вибрации должен иметь не только соответствующую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) во всём частотном диапазоне, но и фазово-частотную характеристику (ФЧХ). Многие датчики скорости (в отличие от акселерометров) имеют нелинейную ФЧХ в требуемом диапазоне частот.

Сводка требований к средствам измерения вибрации по ГОСТ Р 52892‑2007:

Частотный диапазон измерений

0.5 Гц – 630 Гц

Верхняя граница дмапазона измерений

от 500 мм/с

Нижняя граница диапазона измерений

<1 мм/с
Функциональные возможности возможность записи и хранения временной реализации вибросигнала
возможность частотного анализа
портативность
универсальность (возможность применения для смежных видов измерений)
Метрологическое и методическое обеспечение

Для приложений, подпадающих под сферу государственного регулирования обеспечения единства измерений,  средство измерения должно быть утверждённого типа (внесено в госреестр СИ РФ) и иметь действующее свидетельство о поверке, измерения должны проводиться по аттестованной методике.

Для прочих измерений прибор должен быть откалиброван.

 

Рекомендуемый комплект оборудования

Для задач строительной виброметрии, в том числе для измерений по ГОСТ Р 52892-2007, рекомендуется следующая измерительная система на базе прибора Экофизика-110В:

  1. Экофизика-110В, комплект "Белый Инженер-110В";
  2. Дополнительное встроенное программное обеспечение ("прошивка" ) Набор "Инженерная виброметрия ЭФБ-110В";
  3. Один или три однокомпонентных малошумящих датчики типа AP2099;
  4. Дополнительный датчик ДН-4-Э для измерения сильных вибраций.
  5. Принадлежности для установки датчиков на строительные конструкции:
    • платформа 004ОП - для установки на ровные массивные твёрдые поверхности (перекрытия зданий, бетонные плиты, горизонтальные поверхности несущих конструкций и т.п.) ;
    • установочные магниты АМ-01-ОКТ - для установки на горизонтальные и вертикальные магнитные поверхности ;
    • промежуточные монтажные площадки ММ-01-ОКТ - для клеевого крепления датчиком- ;
    • мастика AW-01 - для ориентировочных оперативных замеров. 
  6. Адаптер 005ГР для установки датчиков вибрации на грунт -;
  7. Пакет программ Signal+3G RTA;
  8. Вибрационный калибратор (КВ-160 или AT01m).
  9. Аттестованные методики измерений, список которых может меняться в зависимости сферы применения прибора.

Примечание. Позиции 1,2,3, 5 и 7 входят в типовой комплект Строитель-110В.

Метрологические и технические характеристики измерительной системы

Число измерительных каналов От 1 до 3 (в зависмости от комплектации)
Частотный диапазон измерений ускорения вибрации и СКЗ скорости вибрации 0,8 - 20000 Гц (реальный диапазон зависит от способа установки акселерометра)
Частотный диапазон измерений пикового значения скорости вибрации (с учётом постобработки в ПО Signal+3G RTA) 6,3 - 750 Гц
Динамический диапазон измерений ускорения вибрации в 1/3-октавных полосах частот в диапазоне 1 - 1250 Гц

С AP2099: 130 мкм/с2 - 160 м/с2

C ДН-4-Э: 1,6 мм/с2 - 1260 м/с2

Динамический диапазон измерений ускорения вибрации (на частотах от 6,3 Гц до 1250 Гц)

С AP2099: 1,6 мм/с2 - 160 м/с2

C ДН-4-Э: 5,6 мм/с2 - 1260 м/с2

Динамический диапазон измерений скорости вибрации (на частотах от 6,3 Гц до 1250 Гц )

С AP2099: 13 мкм/с - 1 мм/с

C ДН-4-Э: 45 мкм/с - 8 мм/с

Динамический диапазон измерений скорости вибрации в 1/3-октавных полосах частот в диапазоне 2 - 31,5 Гц

С AP2099: 0,8-400 мм/с

Динамический диапазон измерений пикового значения скорости вибрации (6,3 - 750 Гц)

С AP2099: 25 мкм/с - 2 мм/с 

C ДН-4-Э: 100 мкм/с - 16 мм/с

Для вибрации на частотах ниже 100 Гц верхняя граница - диапазона измерений увеличивается в 6 раз.

Встроенная память энергонезависимая, 4 Гб, хватает для непрерывной записи результатов измерений 
Возможности частотного анализа
  • Третьоктавный анализ спектра (режимы «Общая вибрация ЭФБ-110В», «Локальная вибрация ЭФБ-110В», «1/3-октавный анализатор»)
  • Узкополосный БПФ анализ спектра средствами встроенного ПО прибора («БПФ-Анализатор XYZ»)
  • Расширенный узкополосный БПФ анализ с гибкими настрйоками средствами ПО SIgnal+3G RTA
Функциональные возможности
  • пересчёт СКЗ ускорения в СКЗ скорости средствами встроенного в прибор ПО (в режиме 1/3-октавный анализатор) 
  • возможность встроить измерительную систему в станцию мониторинга;
  • наличие канала телемтрии для дистанционного управления прибором;
  • возможность дооснащения цифровыми датчиками для измерений шума, ЭМП, параметров световой среды.
Питание прибора

съёмные аккумуляторы обеспечивают непрерывное питание в течение 4 часов.

В составе станции мониторинга вибрации возможна организация непрерывного питания от внешнего источника

Масса прибора (вместе с датчиками вибрации) не более 700 грамм

Примечание. Указанный комплект оборудования не обеспечивает измерение во всех диапазонах, требуемых ГОСТ Р 53963.1‑2010, но позволяет измерить как наличие, так и отсутствие превышений рекомендуемых ГОСТ Р 52892-2007 максимальных значений пиковой скорости. Частотный диапазон, в котором обеспечивается измерение рекомендуемой измерительной системой, перекрывает все типовые частоты от техногенных источников, таких как:

  • рельсовый транспорт (типовые частоты - 16-63 Гц),
  • автотранспорт (типовые частоты - 10-20 Гц),
  • работа оборудования (типовые частоты - 25, 50 Гц),
  • строительные работы (типовые частоты - от 10-12 Гц и выше).