ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАТУРНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ ЗДАНИЙ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена важность учета при обследовании зданий в сейсмических районах фактических динамических характеристик объекта. Показано, что натурные динамические испытания позволяют получить сведения о реальной работе здания, уточнить расчетную модель и повысить достоверность оценки его технического состояния и сейсмостойкости.

Ключевые слова: сейсмостойкость, период колебаний, обследование зданий, динамические характеристики.

При проектировании и оценке зданий, расположенных в сейсмически опасных районах, недостаточно опираться только на проектные данные, поскольку расчетная модель не всегда полностью отражает фактическое состояние конструкций и реальные условия работы здания. На практике здание работает с учетом своей фактической жесткости, массы, состояния узлов, основания и особенностей эксплуатации. При оценке безопасности конструкций важно учитывать результаты технического обследования, мониторинга и поверочных расчетов, которые позволяют уточнить представление о работе здания в течение жизненного цикла [1; 6].

Одним из способов получения этих данный являются натурные динамические испытания, позволяющие определить реальные динамические характеристики здания и сопоставить их с расчетными значениями. Под натурными динамическими испытаниями обычно понимаются инструментальные измерения колебаний реального здания непосредственно на существующем объекте. Согласно ГОСТ 34081-2017, при определении параметров основного тона собственных колебаний, регистрируются процессы колебаний здания по трем взаимно перпендикулярным осям. Обычно, используются обычные слабые воздействия окружающей и городской среды; при необходимости допускается и дополнительное динамическое воздействие [2]. Такой подход ценен тем, что данные получаются по реальному зданию в его фактическом состоянии.

Основными результатами таких испытаний являются период собственных колебаний и скорость затухания колебаний. По измеренному периоду определяется и соответствующая собственная частота. В практическом обследовании эти параметры показывают скорость колебаний здания и их затухания. При измерениях по нескольким точкам возможно проанализировать распределение резонансных характеристик по этажам и направлениям. Это помогает заметить неравномерную работу конструктивной системы и его уязвимые зоны. По данным исследования Курдановой А.А., Воскресенского М.Н. и других, аномальные значения динамических характеристик в отдельных точках могут быть связаны со скрытыми дефектами или локальными повреждениям [3].

Динамические характеристики удобно рассматривать в виде системы «здание–фундамент–грунт». Изменение жесткости несущих элементов, состояния основания или распределения нагрузок влияет на период и частоту колебаний. Для сейсмических районов это особенно важно, так как согласно СП 14.13330.2018, коэффициент динамичности связан с расчетным периодом собственных колебаний здания [4]. Ошибки в принятии периода могут привести к ошибочной оценке сейсмической нагрузки и, как следствие, к неправильной оценке работы здания при землетрясении.

Одной из главных причин, по которым только расчетных данных может быть недостаточно, является различие между расчетной моделью и реальной моделью здания. Исследования показывают, что на спектр собственных частот влияют не только основные несущие элементы, но также и второстепенные конструкции, например, заполнение помещений или перегородки, а также податливость основания. Кроме того, заметное влияние оказывает фактическая эксплуатационная нагрузка.

В работе Р.Р. Галиуллина, В.С. Изотова и Д.М. Нуриевой показано, что при учете основания и ограждающих элементов расчет заметно лучше совпадает с реальной моделью здания, а существенное снижение жесткости каркаса может привести к заметному снижению собственных частот [5]. А.В. Улыбин в своей работе обращает внимание на то, что сравнение с усредненными значениями может быть ошибочным: надежнее сопоставлять результаты измерений с моделью конкретного здания и уточнять эту модель по фактическим данным [6].

При обследовании зданий в сейсмических районах результаты натурных динамических испытаний могут использоваться в нескольких направлениях. Они позволяют уточнить поверочную расчетную модель и тем самым приблизить расчет к реальной работе объекта. Согласно СП 442.1325800.2019, класс сейсмостойкости эксплуатируемых зданий устанавливается с использованием результатов обследования технического состояния и поверочных расчетов [7]. Следовательно, фактические динамические характеристики становятся важной частью исходной информации для такой оценки. При оценке здания после сейсмического воздействия такие данные полезны для оперативного решения вопроса о необходимости более глубокого обследования. Согласно СП 330.1325800.2017, инженерно-сейсмометрические станции могут фиксировать изменение периода и декремента после сильного землетрясения и помогать определить необходимость обследования технического состояния [8].

При всех преимуществах натурные динамические испытания нельзя считать самодостаточным. Они могут хорошо показать, что изменилось в работе здания, но не всегда, без анализа, объясняют, по каким причинам это произошло и где находится причина. На результат влияют не только локальные повреждения в конструкциях, но также и состояние грунта, сезон, температура и так далее. В работе Корепанова В.В. и Цветкова Р.В. показано, что собственные частоты здания на свайном фундаменте могут меняться сезонно в связи с промерзанием грунтов [11]. Остальные работы в области обследования зданий сейсмическим методом также показывают, что отдельные методические параметры, в том числе длительность наблюдений, требуют специального подхода. Одноразовые короткие измерения же могут дать спорный и ложный вывод [12]. Поэтому следует применять натурные динамические испытания совместно с визуальными и инструментальными обследованиями конструкций, анализом грунтовых условий и проверкой материалов с поверочными расчетами [1].

Заключение

Таким образом, натурные динамические испытания при обследовании зданий в сейсмически опасных районах являются обоснованным и полезным дополнительным инструментом. Их ценность состоит в том, что они позволяют получить фактические динамические характеристики реального объекта, уточнить расчетную модель и сделать оценку технического состояния и сейсмостойкости более достоверной. Данный метод не заменяет другие виды обследования и должен применяться в составе комплексной инженерной оценки.

Список литературы:

1. ГОСТ 31937–2024. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
2. ГОСТ 34081–2017. Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний.
3. Курданова А.А., Воскресенский М.Н., Косоротова Е.А., Парыгин Г.И. Мониторинг технического состояния зданий сейсмическим методом // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. – 2024. – Т. 20. № 5. – С. 479-490.
4. СП 14.13330.2018. Строительство в сейсмических районах.
5. Галиуллин Р.Р., Изотов В.С., Нуриева Д.М. Численные исследования динамических характеристик зданий с железобетонным каркасом // Известия КазГАСУ. – 2011. – № 2 (16). – С. 81-85.
6. Улыбин А.В. Измерение периодов и декрементов колебаний многоэтажных зданий // Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения: материалы VIII Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург: СПбПУ, 2017. – С. 192-202.
7. СП 442.1325800.2019. Здания и сооружения. Оценка класса сейсмостойкости.
8. СП 330.1325800.2017. Здания и сооружения в сейсмических районах. Правила проектирования инженерно-сейсмометрических станций.
9. СП 322.1325800.2017. Здания и сооружения в сейсмических районах. Правила обследования последствий землетрясения.
10. Бержинская Л.П., Бержинский Ю.А. Методы паспортизации зданий в сейсмических районах // Вопросы инженерной сейсмологии. – 2009. – Т. 36. № 2. – С. 57-69.
11. Корепанов В.В., Цветков Р.В. Сезонные изменения собственных частот колебаний здания на свайном фундаменте // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2014. – № 2. – С. 153-167.
12. Воскресенский М.Н., Курданова А.А. Оптимальная длительность наблюдений при обследовании зданий сейсмическим методом // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. – 2024. – Т. 20. № 2. – С. 182-194.