Борисов Е.К. Экспериментальная динамика сооружений. Мониторинг транспортной вибрации 2007г
Развитие современных городов не представляется возможным без соответствующего развития транспортных коммуникаций: автомобильных, трамвайных, железнодорожных, систем метрополитенов различной глубины заложения и других, призванных обеспечивать перевозки всех типов. Мощность и сочетание типов транспорта в значительной степени определяются географией и рельефом городов, численностью населения, историей их развития, экономико-социальными тенденциями развития региона и страны.
С физической точки зрения инженерное сооружение является потребителем колебательной энергии, которая подводится к нему в зависимости от природы ее генерации, физико-механических характеристик трасс распространения и характера контакта сооружения с энергонесущей средой.
Любой вид транспорта является источником колебаний, передающихся через грунтовую среду на расположенные вблизи транспортных магистралей сооружения и вызывающих их вибрацию (транспортную вибрацию), которая сказывается как на техническом состоянии зданий, так и на санитарно-гигиенических условиях пребывания в них людей. По характеру передачи колебательной энергии на сооружение транспортная вибрация является кинематическим возмущением исследуемого сооружения (охраняемого). Рост всех видов грузопотоков, увеличение скорости и интенсивности движения транспорта обусловливают необходимость получения качественных и количественных оценок влияния транспортной вибрации на сохранность зданий. Как в отечественной, так и в зарубежной литературе периодически появляются сообщения об отрицательных последствиях транспортной вибрации, однако она, как правило, не учитывается ни при новом строительстве, ни при реконструкциях существующих зданий и сооружений.
То, что транспортная вибрация не приводит в настоящий момент к чрезвычайным ситуациям, в определенной степени объясняет и практическое отсутствие нормативов, регламентирующих ее интенсивность в численных оценках по критериям прочности и надежности охраняемых объектов.
Учитывая общее физическое старение существующих зданий, особенно памятников архитектуры, которые не будут сноситься при модернизации исторически сложившихся центров, вопросы обеспечения надежности сооружений, связанные с транспортной вибрацией, могут в ближайшее время стать вполне актуальными. Особенно убыстряется этот процесс в тех случаях, когда проводимые работы нарушают сложившийся гидрологический режим.
Выдвижение на передний фронт прикладной науки проблем динамики сооружений в значительной степени обусловлено быстрым ростом их энергонасыщенности, внедрением новых конструкционных материалов и нестандартных пространственных решений. Прямое применение традиционных теоретических методов решения задач динамики затрудняется необходимостью иметь численные оценки коэффициентов, которые используются в системах уравнений. Это приводит к тому, что во многих случаях методы классической строительной механики не дают устойчивых решений, пригодных для практического применения.
В подобной ситуации несколько меняется система взаимоотношений между теоретическими и экспериментальными исследованиями: последние начинают проявлять все больший интерес к методам статистической физики. Эта тенденция не является чем-то новым. Еще в 60-х гг. В.В. Болотин и В.В. Екимов - пионеры применения статистических методов в строительной механике - обращали внимание на начало интенсивного развития принципиально нового направления - статистической динамики. До недавнего времени это развитие сдерживалось большими вычислительными трудностями при использовании методов регрессионного и спектрального анализа для обработки и интерпретации экспериментально полученных числовых массивов. С внедрением систем компьютерной математики (СКМ) эта трудность оказалась успешно преодоленной. Исследователи-экспериментаторы получили возможность глубоко и всесторонне анализировать материал полевых наблюдений и выявлять вероятностные взаимосвязи между определяющими параметрами динамических процессов, протекающих даже в сложных статистически слабосвязанных системах. Особенно эффективным оказывается применение спектрального анализа. В результате этого экспериментальные исследования становятся самодостаточными и начинают быть тем, что присуще им по природе - источником достоверной информации для разработки новых теорий, базирующихся на исследовании поведения реальных физических систем, как это было в прошлом со времен Роберта Гука. Транспортная вибрация в ее техническом приложении - одно из перспективных и жизненно важных для жизнеобеспечения населенных пунктов направлений статистической экспериментальной динамики сооружений.
Владивосток - единственный выход России на тихоокеанский театр действий - является уникальным городом: морской порт, расположенный практически в центре, окружен многочисленными рокадными железными дорогами. По городу проходит несколько магистральных железнодорожных путей, имеется разветвленная система трамвайных маршрутов и автомобильных трасс. Для транспортного движения Владивостока характерны высокая интенсивность, традиционная узость улиц и сложный рельеф. Транспортные магистрали, которые можно рассматривать как источники энергетических вибрационных потоков, окружены зданиями постройки начала прошлого века, многие из которых являются памятниками архитектуры с неизвестным на данный момент техническим состоянием. Кроме того, имеются многочисленные мосты, надземные пешеходные переходы, автомобильные развязки и расположенные вблизи транспортных магистралей подпорные стенки высотой 10–15 м.
Все это создает предпосылки для того, чтобы рассматривать транспортную вибрацию как источник возможных чрезвычайных ситуаций, который усугубляется тем, что по карте С (1% риска) ОСР–97 СНиП П–7–81* территория города относится к категории сейсмически активных. Многие участки в результате гористого рельефа, нарушения гидрологического режима, наличия естественно-слабых, мощных насыпных и техногенно измененных грунтов, в ряде случаев водонасыщенных, имеют фактическую сейсмическую интенсивность выше фоновой.
Рассматриваемая проблема имеет следующие основные задачи:
- измерение динамики грунта и вибрации охраняемых сооружений от различного типа трафиков и их сочетаний, получение регрессионных соотношений между характеристиками;
- получение оценок уровня риска превышения динамикой грунта и исследованных охраняемых сооружений нормативно-допустимых значений;
- разработка методики прогнозирования и переноса результатов экспериментальных измерений на сооружения-аналоги.
Созданные к настоящему времени вероятностные расчетные и математические модели грунтов и охраняемых объектов предназначены в основном для анализа их напряженно- деформированного состояния или в статической постановке, или для ограниченных объемов и не приспособлены для оценки преобразования колебательной энергии при переходе ее от грунта к охраняемому сооружению. Поэтому наиболее рациональным является вероятностная оценка поведения охраняемых сооружений, подверженных динамическим воздействиям, с учетом преобразования импульса при переходе его от грунта к фундаменту.
Однако теоретические методы для решения этой проблемы не могут быть использованы непосредственно, поскольку это требует численного задания ряда коэффициентов, описывающих физико-механические свойства зоны контакта охраняемого сооружения с энергонесущей средой. Попытки их определения на масштабных моделях встречают большие трудности в связи с необходимостью выбора и выполнения критериев подобия, а на натурных объектах при взрывных воздействиях от промышленных взрывов - в связи с отсутствием возможности варьировать параметры в необходимом диапазоне. Единственным реальным путем получения необходимой и достоверной информации является выполнение специальных экспериментальных исследований с применением современных методов их обработки и анализа.
В связи с изложенным решение задачи по оценке безопасности охраняемых сооружений, расположенных вблизи транспортных потоков, представляется как научная задача, имеющая важное народно-хозяйственное значение.
Скачать Борисов Е.К. "Экспериментальная динамика сооружений. Мониторинг транспортной вибрации 2007г"