Медиа:Вибрация

XIV Региональная научная и инженерная выставка
молодых исследователей «Будущее Севера. Юниор»
Секция: естественные науки и современный мир (физика)
Исследование взаимосвязи виброустойчивости
строений и глобального потепления
Автор: Юрзинов Александр
МОУ лицей № 2, 10 В класс
Руководитель: к.п.н.,Челтыбашев А.А.
МГГУ, руководитель СИБ
Зеленкевич С.В.
МОУ лицей № 2, учитель физики
Мурманск
2011 год
Содержание
Введение ......................................................................................................................................... 3
Глава 1 Методы оценки глубины промерзания и уровня вибрации в строениях .................. 5
1.1 Методика оценки глубины промерзания грунта .................................................................. 5
1.2 Технология оценки вибростойкости зданий. ........................................................................ 7
1.3 Оценка уровня вибрационного воздействия ......................................................................... 9
Глава 2 Анализ уровня вибрационного воздействия на здания по улице Шмидта .............. 11
2.1Обоснование выбора района мониторинга .......................................................................... 11
2.2 Анализ результатов мониторинга вибрационного воздействия с учетом глубины
промерзания почвы......................................................................................................................13
Вывод ............................................................................................................................................ 13
Литература ................................................................................................................................... 14
2
Введение
Глобальное мировое потепление не обошло стороной и Мурманск. В последние
годы наблюдается аномально высокая температура в зимний период. При этом в два
последних года она сопровождалась обильными снегопадами, что способствовало
повышению уровня подземных вод. Данное обстоятельство в корне меняет все подходы к
проектированию строений в г. Мурманск, т.к. все проекты делаются на основе устаревших
данных по глубине промерзания грунта и уровню подземных вод, без учета изменений
вызванных глобальным изменением климата.
В настоящее время транспортные потоки в г. Мурманск возросли. Интенсивное
движение автомобильного транспорта создает вибрацию, которая передается строениям,
расположенным вдоль дорог. При длительном воздействии вибрация способствует
ускоренному разрушению конструкций.
Данная проблема актуальна для Мурманска, т.к. основная масса строений
расположена вдоль основных магистралей, при этом при проектировании зданий не
учитывалось вибрационное воздействие.
Дополнительным фактором, усиливающим
данное воздействие, является климат. При проектировании большинства строений
учитывались гораздо более суровые климатические условия. Однако теплые зимы
последних лет изменили степень промерзания грунта, что также негативно сказывается на
устойчивости зданий.
На основании этого нами была сформулирована проблема: какова нынешняя
устойчивость грунтов в г. Мурманск.
Исходя из проблемы, сформулирована цель: изучить глубину промерзания грунта
и определить изменение степени вибрационного воздействия на грунт в новых
климатических условиях.
Исходя из цели, мы поставили следующие задачи:
1. Провести анализ источников, по данной тематике.
2. Провести мониторинг глубины промерзания грунта в районе ул. Шмидта
г. Мурманск.
3. Провести измерение интенсивности вибрационного воздействия на грунт по
результатам мониторинга.
4. Систематизировать и интерпретировать полученные данные.
5. Выявить наиболее опасные районы.
3
Объект исследования: изменение подхода к проектированию строений в городе
Мурманск.
Предмет
исследования:
взаимосвязь
между
изменением
глубины
промерзания грунта и вибрационной устойчивостью строений г. Мурманска.
Рабочее предположение: Изменение климата приводит к изменению глубины
промерзания, что может привести усилению интенсивности вибрационного воздействия.
4
Глава 1 Методы оценки глубины промерзания и уровня вибрации в
строениях
1.1 Методика оценки глубины промерзания грунта
Глубина сезонного промерзания грунта в природных условиях, определяемая
расстоянием по вертикали от поверхности площадки до границы слоя грунта в
твердомерзлом состоянии, при уровне грунтовых вод, расположенном ниже глубины
сезонного промерзания, измеряется мерзлотомером Ратомского (МР) в целях:

обоснования значений нормативной глубины сезонного промерзания;

назначения глубины заложения и выбора типа фундаментов зданий и сооружений,

разработки мероприятий, исключающих возможность появления недопустимых
деформаций оснований и фундаментов.
Переходный
пластично-мерзлый
слой
грунта,
располагаемый
между
твердомерзлым и талым грунтами, в толщину твердомерзлого слоя не включается.
Определение глубины фактического промерзания грунта следует производить на
горизонтально расположенной площадке, очищенной в течение всего периода измерений
от растительности и снега на расстоянии (в радиусе) от мерзлотомера, равном удвоенной
нормативной глубине сезонного промерзания грунта, принимаемой в соответствии с
главой САНПИН II-15-74.
Оборудование
В состав мерзлотомера Ратомского (МР), конструкция которого приведена на
рис. 1, должны входить следующие основные детали:

трубка из некорродирующей стали с прорезями, служащими для заполнения
трубки глинистым грунтом и определения границы слоя в твердомерзлом
состоянии;

деревянный стержень переменной длины (500; 1000; 1500 мм) для регулирования
глубины погружения металлической трубки в зависимости от значений глубины
промерзания грунтов;

обсадная фенопластмассовая (эбонитовая) трубка, предохраняющая стенки
скважины от осыпания и оплывания.
С наружной стороны металлической трубки МР должны быть нанесены деления
через 10 мм, обозначенные цифрами через каждые пять делений, для отсчета глубины
промерзания грунта.
Обсадные трубки должны быть герметичны и иметь с наружной стороны белую
отметку, до которой они погружаются в грунт.
5
Мерзлотомер Ратомского
а - общий вид; б - продольный разрез; в - металлическая трубка;
1 - металлический стержень с кольцом для удержания мерзлотомера в строго
фиксированном положении;
2 - войлочная прокладка;
3 – металлический колпачок для закрытия обсадной трубки;
4 - металлическая обойма стержня;
5 - войлочная обертка, стянутая проволокой;
6 - деревянный стержень;
7 - обсадная фенопластмассовая (эбонитовая) трубка;
8 - трубка из некоррозирующей стали, заполняемая глинистым грунтом;
9 - влажный глинистый грунт – заполнитель металлической трубки;
10 - деревянная пробка;
11 - металлическая насадка;
12 – прорези
Проведение измерений
Наблюдения за глубиной промерзания или проникания в грунт нулевой
температуры следует проводить с начала промерзания до полного оттаивания грунта через
каждые 5 дней после наступления отрицательной температуры воздуха.
6
Проведение измерений по МР
Измерение глубины сезонного промерзания грунта по МР следует проводить в
следующей последовательности:

замерить высоту патрубка обсадной трубки мерзлотомера;

вынуть металлическую трубку, заправленную грунтом;

определить границу слоя грунта в твердомерзлом состоянии путем его прокола
тупой иглой или стальной проволокой диаметром 2 мм;

после очередного замера металлическую трубку следует немедленно опустить в
обсадную трубку мерзлотомера.
При промерзании грунта на всю длину металлической трубки МР она
освобождается от мерзлого грунта и заправляется заново талым грунтом. При этом
деревянный стержень заменяется другим соответствующей длины и мерзлотомер вновь
опускается в обсадную трубку ниже замеренной глубины промерзания для продолжения
наблюдений.
1.2 Технология оценки вибростойкости зданий
В современной теории строительства, как правило, принимается тот факт, что
характер колебаний сооружения на контактной поверхности между фундаментными
конструкциями и основанием зависит только от характера внешнего воздействия. Однако,
в действительности, в условиях передачи колебаний от основания к сооружению, характер
колебаний трансформируется в зависимости от динамических свойств сооружения и
основания.
Все вышеизложенное в комплексе в современной литературе мало изучено.
Отсутствие учета данного обстоятельства в строительстве, может привести к тяжелым
результатам.
Современные проблемы строительства зданий, повышенные требования к
надежности возводимых сооружений, вопросы экологии и совершенствование технологий
требуют развития методов расчета сооружения на различного рода динамические, в том
числе и вибрационные нагрузки.
В последнее время получены новые результаты, имеющие принципиальное
значение для определения вибрационного воздействия на сооружение с основанием.
Проявляется взаимосвязь между количественным характеристиками параметров движения
грунта основания и сложными геологическими строением строительной площадки. В
настоящее время имеется много параметров различного поведения зданий, одинаковых по
конструктивному решению и по качеству возведения в одних и тех же условиях.
7
Теорией и практикой строительства признано, что экономически более выгодно
строить здания повышенной этажности (9-16 этажные), в некоторых случаях - высотные
(20-30 этажные). Проектирование и строительство таких зданий - сложная инженерная
задача.
В
развитии
современной
строительной
механики
и
теории
сооружений
применительно к зданиям и сооружениям повышенной этажности наметились две
тенденции.
Первая из них заключается в том, что здания и сооружения довольно сложной
конструктивной схемы рассматриваются как консольная балка или плоская рама.
Вторая тенденция заключается в том, что здания и сооружения рассматриваются
как единые пространственные структуры. Натурные эксперименты показали, что
независимо от этажности, конструктивных особенностей и типа внешнего воздействия,
сооружения «ведут себя» как пространственные системы. Тем не менее, методы расчета,
относящиеся к зданиям и сооружениям в целом как сложным пространственным
системам, до недавнего времени практически не были созданы. Это нередко приводит к
ошибкам в проектировании и выборе наиболее рациональной конструктивной схемы.
Некоторые специалисты, исходя из формального анализа работы зданий на динамические
нагрузки как плоской системы, начали искусственно снижать жесткость системы:
разрезать стены в местах их пересечения, отделять торцевые стены от каркаса здания,
применять сложные разобщающие устройства для навесных панелей, разделять здания на
короткие отсеки простейшей формы. При этом стоимость строительства возросла, а
надежность сооружения упала, ибо независимо от того, какой расчетной моделью
пользовался
проектировщик,
здание,
как
пространственная
структура
всегда
сопротивляется внешним воздействиям всеми резервами.
Указанные же выше конструктивные мероприятия приводят к уменьшению
резервов прочности. Отсутствие учета пространственной работы системы не позволяет
вскрыть в полной мере имеющиеся в ней резервы. Анализ, проведенный в XX веке
окончательно утвердил мнение о том, что вибрационное
воздействие на сооружение
существенно зависит от его динамических характеристик: жесткости, определения масс,
частот собственных колебаний, затухания и т.д. Приведение сложной пространственной
конструкции здания к упрощенной расчетной модели в виде консольного стержня или
плоской рамы с сосредоточенными массами не может с достаточной достоверностью
описать работу здания при вибрационных воздействиях.
Пространственные задачи динамики и вибростойкости сооружений до настоящего
времени в основном развивались по пути совершенствования расчетных моделей и
8
методов
расчета,
основанных
на
динамике
системы
материальных
точек,
а
математические модели, описывающие их движение, на основе теории малых колебаний,
что приводит к принципиальной невозможности описать многообразие нелинейных
эффектов, возникавших при пространственных колебаниях.
1.3 Оценка уровня вибрационного воздействия
Вибрация
есть
движение,
вызванное
колебательной
силой.
У
линейной
механической системы частота вибрации совпадает с частотой возбуждающей силы. Если
в системе одновременно действуют несколько возбуждающих сил с разными частотами,
то результирующая вибрация будет суммой вибраций на каждой частоте. При этих
условиях результирующая временная реализация колебания уже не будет синусоидальной
и может оказаться очень сложной.
Для понимания механизма передачи вибраций важно усвоить понятие линейности
и то, что понимают под линейной или нелинейной системами. Часто пользуются
термином линейный лишь применительно к шкалам амплитуды и частоты. Однако этот
термин применяют также для описания поведения любых систем, имеющих вход и выход.
Системой мы называем здесь любое устройство или конструкцию, которые могут
воспринимать возбуждение в какой-либо форме (вход) и давать на него соответствующий
отклик (выход). В качестве примера можно привести магнитофоны и усилители,
преобразующие электрические сигналы, или механические конструкции, где на входе мы
имеем возбуждающую силу, а на выходе – вибросмещение, скорость и ускорение.
При исследовании вибрации очень важно определить частотный спектр, в котором
происходит
данное
вибросмещения:
воздействие.
линейный
и
Сейчас
существует
логарифмический.
При
два
способа
определения
использовании
линейной
амплитудной шкалы очень легко выявить и оценить наивысшую компоненту в спектре,
зато меньшие компоненты можно совершенно упустить или, в лучшем случае, возникнут
большие трудности при оценке их величины.
Удобной разновидностью логарифмического представления является децибел, или
дБ. По существу, он представляет собой относительную единицу измерения, в которой
используется отношение амплитуды к некоторому опорному уровню. Децибел (дБ)
определяется по следующей формуле:
Lv= 20 lg (U/Uo),
где L= уровень сигнала в дБ;
U - уровень вибрации в обычных единицах ускорения, скорости или смещения;
Uo - опорный уровень, соответствующий 0 дБ.
9
Понятие децибела было впервые введено в практику компанией Bell Telephone
Labs еще в 20-е годы. Первоначально оно применялось для измерений относительных
потерь мощности и отношения сигнал-шум в телефонных сетях. Вскоре децибел стал
использоваться в качестве меры уровня звукового давления. Будем обозначать уровень
виброскорости в дБ как VдБ (от слова Velocity скорость), и определим его следующим
образом:
Lv= 20 lg (V/Vo),
Или
Lv= 20 lg {V/(5х10-8 м/с2)}
Опорный уровень в 10-9 м/с2 достаточен для того, чтобы все измерения вибраций
в децибелах были бы положительными. Указанный стандартизованный опорный уровень
соответствует международной системе СИ, однако он не признается в качестве стандарта
в США и других странах. Например, в ВМС США и многих американских отраслях
промышленности в качестве опорного берется значение 10-8 м/с. Это приводит к тому, что
американские показания для той же виброскорости будут на 20 дБ ниже, чем в СИ. (В
российском стандарте используется опорный уровень виброскорости 5х10-8 м/с, поэтому
российские
показания
Lv
еще
на
14
дБ
ниже
американских).
Таким образом, децибел - это логарифмическая относительная единица амплитуды
колебаний, которая позволяет легко проводить сравнительные измерения. Любое
увеличение уровня на 6 дБ соответствует удвоению амплитуды, независимо от исходного
значения. Аналогично, любое изменение уровня на 20 дБ означает рост амплитуды в
десять раз. То есть при постоянном соотношении амплитуд их уровни в децибелах будут
различаться на постоянное число, независимо от их абсолютных значений. Такое свойство
очень удобно при отслеживании развития вибрации (трендов): рост на б дБ всегда
указывает на удвоение ее величины.
Однако, несмотря на то, что одной из наиболее разрабатываемых тем
теоретической акустики являются вопросы, связанные с измерениями и оценкой
энергетики поля упругих колебаний. Однозначной методики оценки энергетического
воздействия поля упругих колебаний, создаваемых звуковой волной, нет. Поэтому мы
попытались лишь косвенно определить опасность такого воздействия в условиях
глобального потепления.
10
Глава 2 Анализ уровня вибрационного воздействия на здания по улице
Шмидта
2.1 Обоснование выбора района мониторинга
На теоретическом этапе нашего исследования, нами были проанализированы
источники повышенной вибрации, а также факторы, влияющие на глубину промерзания
грунта.
В экспериментальном исследовании при определении методики мониторинга мы
воспользовались ГОСТ 31191.2 - 2004 (ИСО 2631-2:2003) «Вибрация и удар ИЗМЕРЕНИЕ
ОБЩЕЙ ВИБРАЦИИ И ОЦЕНКА ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА Часть 2 Вибрация
внутри зданий»
На основании проанализированных нами теоретических данных и плана застройки
города Мурманска, мы выбрали район, маршрут, точки замеров и время измерений.
В качестве района исследования мы предпочли улицу Шмидта Октябрьского
административного округа города Мурманска, в силу ряда причин. Во-первых, этот район
является одной из основных магистралей в нашем городе, поэтому, если уровень
вибрации будет высок в нем, то можно будет сделать прогноз общего вибрационного
воздействия на здания города. Во-вторых, в этом районе чередуются участки с активным
движением, движением средней активности и малоактивным движением. В-третьих, этот
район спроектирован таким образом, что большинство домов, построенные вдоль главных
дорог и стоят на расстоянии менее 20 м.
Замеры по виброустойчивости проводились на оборудовании -
измеритель
уровня звука АТТ-9000 (АКТАКОМ).
Калибровка в соответствии с ГОСТ 8.257 с применением эталонов т.4145.
Частота от 31,5 Гц до 8 кГц, диапазон от 30 до 130 дБ.
Погрешность
1,5 дБ
85
84
83
82
81
80
79
78
Остановка магазин
OKEY
Перекресток ШмидтаКниповича
Перекресток ШмидтаДзержинского
77
76
11
Замеры были проведены в соответствии с ГОСТ 20444-85:
Данные по глубине промерзания были занесены в таблицу1
Таблица 1
Точка измерений №1 Точка измерений №2 Точка измерений №3
Глубина
промерзания
1,1 м
1,12 м
0,97 м
Полученные данные резко отличаются от справочных данных по номограмме на рис. 1
Рис1
По номограмме глубина промерзания грунта должна быть не менее 180 см.
однако полученные в ходе мониторинга данные позволяют говорить о ее уменьшении.
По полученным результатам мы провели оценку изменения скорости
распространения звуковой волны в изменившихся условиях. Суть проведенного
исследования заключалась в следующем:
Мы взяли две одинаковых коробки с землей и охлаждали их от 5°С до
температуры -20°С с шагом в -5°С. Разместив на поверхности звуковой излучатель мы
воспроизвели записанный шум автомобилей и измерили скорость звука с помощью
микрофона и двухлучевого осциллографа путем оценки отставания одного луча от
другого в миллисекундах. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2.
12
Температура 5°С
3627 м/с
Скорость
звука
0°С
-5°С
-10°С
-15°С
-20°С
3631 м/с
3638 м/с
3647 м/с
3653 м/с
3667 м/с
2.2 Анализ результатов мониторинга вибрационного воздействия с учетом глубины
промерзания почвы
Полученные результаты глубины промерзания почвы подтвердили значительное
несовпадение справочных данных с реальными. Это говорит о необходимости изменения
подходов к проектированию зданий. Необходимо более тщательно подходить к расчетам
на виброустойчивость и использовать более современные данные, чем те, которые
представлены в существующих справочниках. Изменение глубины промерзания грунта
оказывает значительное влияние на степень вибрационного воздействия, т.к. грунт в
разном
состоянии по-разному проводит звук. Это позволяет сделать заключение о
наличии серьезного поля упругих колебаний, обладающего достаточной разрушительной
энергией. Даже косвенный перевод шумового воздействия в амплитуды колебаний
говорит о серьезном выделении энергии (см. 1.3). Расчет энергии поля упругих колебаний
возникающего в земле в результате шумового воздействия является направлением
дальнейшей работы.
Во всех контрольных точках уровень воздействия очень высок. При этом если
рассмотреть здание как балку с заделкой, то амплитуда вибрационного воздействия будет
еще больше. Таким образом, можно сделать вывод, что вибрационное воздействие –
опасный фактор, который способствует ускорению разрушения зданий, стимулируя
появление трещин.
Вывод
Полученные в ходе мониторинга результаты говорят о необходимости анализа на
виброустойчивость
вновь
возводимых
зданий,
т.к.
дополнительным
фактором,
усиливающим вибрационное воздействие является уменьшение глубины промерзания
грунта. Это обусловлено климатическими изменениями, вызванными глобальным
потеплением.
Полученные
нами
результаты
должны
быть
интересны
как
эксплуатационным, так и строительным организациям.
13
Литература
1. Гликман
А.
Г.
Физика
и
практика
спектральной
сейсморазведки
http://www.newgeophys.spb.ru/ru/book/index.shtml
2. ГОСТ 31191.2-2004. Вибрация и удар ИЗМЕРЕНИЕ ОБЩЕЙ ВИБРАЦИИ И ОЦЕНКА
ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА Часть 2Вибрация внутри зданий
3. Губарева Л.И., Мизирева О.М., Чурилова Т.М. Экология человека.- М.: Владос, 2003.
4. МГСН 2.04-97. Допустимые уровни шума, вибрации и требования к звукоизоляции в
жилых и общественных зданиях;
5. Методические рекомендации по оценке необходимого снижения звука у населенных
пунктов и определению требуемой акустической эффективности экранов с учетом
звукопоглощения. Министерство транспорта РФ. Гос. Служба дорожного хозяйства
(Росавтодор). Москва. 2003 г. /утверждены распоряжением Минтранса России № ОС362-р от 21.04. 2003 г.;
6. Пивоваров Ю.П., Королик В.В., Векевич Л.С. Гигиена и основа экологии человека.Ростов-на-Дону: Феникс, 2002.- с.512
7. Поспелов П. И. Борьба с шумом на автомобильных дорогах. Москва. Транспорт. 1981
г.
8. Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании
автомобильных дорог и мостовых переходов. (Согласованы с Министерством охраны
окружающей среды и природных ресурсов РФ 19.06.1995 №03-19/АА). М., 1995 г.;
9. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных
зданий и на территории жилой застройки;
10. Степановских А.С. Общая экология.- М.: Курган, 1996.- с.464
11. Экхольм Э. Окружающая среда и здоровье человека. – М.: Прогресс,
1980.
14