Оптимальная длительность наблюдений при обследовании зданий сейсмическим методом

Полный текст

1. Введение Микросейсмические волны всегда присутствуют на поверхности Земли в каждой ее точке, постоянно вовлекают в колебания как верхние, так и более глубокие части Земной коры [1]. Микросейсмы (микросейсмические колебания) представляют собой относительно слабые колебания Земли, вызванные суммарным воздействием множества сейсмических источников, характеристики которых являются случайными величинами [2]. В настоящее время некоторые иностранные авторы исследуют тему стационарности микросейсмических колебаний [3]. Активное изучение механизма излучения микросейсмических волн началось с середины XX в. [4-7]. На сегодняшний день метод регистрации микросейсм входит в перечень нормативных документов и широко распространен в силу своей доступности [8-13]. Однако этот факт не отменяет того, что другие методы [14-20] могут применяться для обследования строительных конструкций. Напротив, комплексный подход позволяет повысить качество решения задачи. Обследование зданий и сооружений сейсмическим методом, а именно посредством регистрации микросейсмических колебаний предполагает организацию системы точек наблюдения в объеме здания с целью выявления нарушения целостности и работоспособности конструкции [21]. Микросейсмы среднечастотного диапазона 0,5…20 Гц представляют собой достаточно сложный композит из волн различного происхождения [5]. Изучение микросейсм различной природы позволяет решать большое число инженерно-сейсмологических задач, в том числе и те, целью которых является проектирование или обследование существующих зданий и сооружений [7]. Методика обследований зданий и сооружений с использованием микросейсмических колебаний достаточно универсальна, однако некоторые критерии оценки технического состояния объектов нуждаются в дополнительном уточнении, в том числе и длительность регистрации колебаний в точке наблюдений. Установление конкретного диапазона времени наблюдений позволит исследователям и работникам строительной отрасли оптимизировать процесс мониторинга и обеспечить максимальную информативность измерений за минимально возможный временной промежуток. Настоящая статья представляет собой исследование спектрограмм, полученных при проведении сейсмометрического мониторинга здания путем регистрации микросейсмических колебаний. Под спектрограммами понимается изменение спектральных характеристик во времени (на протяжении 24 часов, расчеты проведены за каждый час). Исследование проведено в здании Института геофизики (ИГФ) осенью 2022 г. Информация о здании института. Объект исследования - здание ИГФ Уральского отделения Российской академии наук им. Ю.П. Булашевича. Здание ИГФ располагается в г. Екатеринбурге по адресу ул. Амундсена, 100. Это четырехэтажное кирпичное здание размером 107 на 20 метров, введенное в эксплуатацию в 1981 г. Здание расположено на пересечении ул. Академика Вонсовского и ул. Амундсена, движение транспорта, на которых является регулярным и оживлённым. На рис. 1 представлено расположение Института геофизики, полученное при помощи сервиса «Яндекс. Карты». Рис. 1. Расположение здания ИГФ УрО РАН на карте И с т о ч н и к : https://yandex.ru/maps/-/CDRrzGyk (дата обращения: 23.07.2023 г.) Figure 1. Location of the building of the Institute of Geophysics (Ural Branch of the Russian Academy of Sciences) on the map S o u r c e : https://yandex.ru/maps/-/CDRrzGyk (accessed: 23.07.2023) 2. Метод В сентябре 2022 г. проведено обследование здания ИГФ сейсмическим методом. Выполнена регистрация микросейсмического фона в течение 24 ч в каждой точке наблюдений. Для часовых записей с помощью быстрого преобразования Фурье были рассчитаны амплитудные спектры по трём компонентам зарегистрированного сигнала. На основании системы амплитудных спектров скорости смещения сформированы спектрограммы. Под спектрограммами понимается изменение спектральных характеристик во времени. Результаты обследования позволяют выделить временные интервалы максимального воздействия на здание и определить оптимальную длительность наблюдения. Измерения проведены с помощью мобильного регистратора сейсмических сигналов REFTEK DAS 130-1/6 в комплекте с короткопериодным велосиметром LE-3Dlite Mk III (рис. 2). Каналы регистратора ориентированы по трём взаимно перпендикулярным направлениям, где направления X (север - юг) и Y (запад - восток) - это горизонтальные составляющие, а Z - вертикальная [22]. Время регистрации в точке наблюдения составляет приблизительно 24 часа, частота дискретизации сигнала - 125 Гц, что позволяет обеспечить максимальную частоту сигнала в пределах 62,5 Гц. Дальнейшая обработка велосиграмм и вычисления реализованы раздельно по измерительным осям в ПО MicroSeisTool [24]. Для расчёта спектров применены следующие программные настройки: полосовой фильтр с нижней частотой fmin = 1 Гц, верхней частотой fmax = 20 Гц. Рис. 2. Комплект оборудования в точке регистрации: 1 - велосиметр LE-3Dlite Mk III; 2 - регистратор сейсмических сигналов REFTEK DAS 130-1/6 и аккумулятор TITAN; 3 - пульт управления регистратором И с т о ч н и к : фото М.Н. Воскресенского, А.А. Курдановой Figure 2. A set of equipment at the observation site: 1 - LE-3Dlite Mk III veloсimete; 2 - REFTEK DAS 130-1/6 seismic signal recorder, TITAN battery; 3 - control panel of the recorder S o u r c e: photo by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova Шестнадцать точек наблюдения равномерно расположены на каждом этаже здания, формируя (условно) четыре вертикальных и четыре горизонтальных профиля. Отклонение профилей от нормали к поверхности не превышало 30 см, что позволяло наблюдать изменение характера сейсмического сигнала в течение суток по двум взаимно перпендикулярным направлениям. На рис. 3 представлено схематичное изображение здания относительно автомобильных дорог. Пунктирными линиями на рисунке обозначены места расположения лестничных пролетов и шахты лифта, красные треугольники соответствуют расположению точек наблюдения. В государственных стандартах, регламентирующих порядок действий при мониторинге зданий и сооружений, уделяется внимание горизонтальным компонентам, поэтому в настоящей работе не были рассмотрены значения, соответствующие вертикальной компоненте. На графиках ниже представлены спектрограммы, полученные на основании амплитудно-частотных характеристик в горизонтальной плоскости (Х, Y) в верхней точке здания. Следует отметить, что при регистрации микросейсм ориентация регистратора в горизонтальной плоскости осуществлялась не по сторонам света, а в соответствии с ребрами жесткости конструкции. Направление горизонтальной составляющей Х (рис. 4) было параллельным короткой стороне здания, а направление Y (рис. 5) - длинной. Соответствующие спектрограммы демонстрируют динамику спектральных характеристик здания в одной точке наблюдения в течение суток. Аналогичные операции проведены для каждой точки наблюдений, результирующие графики имеют одинаковый характер распределения спектров, поэтому графические изображения для остальных точек в публикации не приводятся. Рис. 3. Схема здания относительно близлежащих улиц с расположением точек наблюдений И с т о ч н и к: выполнено М.Н. Воскресенским, А.А. Курдановой Figure 3. Diagram of the building relative to nearby streets with the location of the monitoring points S o u r c e: compiled by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova Рис. 4. Спектрограмма на основании системы амплитудных спектров скоростей, полученная для точки на верхнем этаже здания в направлении Х И с т о ч н и к: выполнено М.Н. Воскресенским, А.А. Курдановой Figure 4. Spectrogram based on a system of velocity-amplitude spectra, obtained for the point on the top floor of the building in the direction of Х S o u r c e: compiled by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova Рис. 5. Спектрограмма на основании системы амплитудных спектров скоростей, полученная для точки на верхнем этаже здания в направлении Y И с т о ч н и к: выполнено М.Н. Воскресенским, А.А. Курдановой Figure 5. Spectrogram based on a system of velocity-amplitude spectra, obtained for the point on the top floor of the building in the direction of Y S o u r c e: compiled by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova 3. Результаты и обсуждение На всех графиках отмечается хорошая повторяемость частотных пиков вне зависимости от времени суток, но значительный разбег по амплитуде (до 9 раз). В легенде временные промежутки приведены по местному для Екатеринбурга времени (UTC +5:00). Для Х-компоненты первые явные максимумы спектральных кривых выделяются на частотах 2,9 и 3,6 Гц, для Y-компоненты пики выражены на частотах 2,5 и 4,1 Гц. Очевидно, что основные экстремумы, а соответственно, и частота собственных колебаний здания, находятся в диапазоне до 10 Гц, поэтому дальнейшее рассмотрение результатов исследования предлагается в диапазоне от 1 до 10 Гц. Такое решение позволит обеспечить более наглядное восприятие графических материалов. На графиках черной пунктирной линией отмечен медианный спектр, рассчитанный как среднее арифметическое значений амплитуды за каждый час измерения. Таким образом, опираясь на спектрограммы, можно выделить две группы амплитудно-частотных характеристик. В первую группу можно отнести кривые с условно максимальной амплитудой, то есть те, которые на графике располагаются выше среднего спектра. Во вторую - с условно минимальной, которые располагаются ниже средней отметки. Проанализировав выделенные группы, можно утверждать, что ко второй группе, с максимальными амплитудами, относятся спектры, полученные по записям микросейсмического шума, записанного в рабочее время (с 9:00 до 16:00). Спектры второй группы были рассчитаны для часов, соответствующих ночному, вечернему и утреннему времени. Для обеих горизонтальных компонент время максимальной и минимальной микросейсмической активности одинаково, 11:00 и 4:00 соответственно, поэтому дальнейшие графические изображения приведены для одной X-компоненты, полагая, что Y-составляющая ведет себя аналогичным образом. Ниже приведены максимальная, минимальная и медианная АЧХ (рис. 6). Рис. 6. Амплитудные спектры скорости, с максимальным и минимальным значением амплитуды за сутки, время UTC +5:00 И с т о ч н и к: выполнено М.Н. Воскресенским, А.А. Курдановой Figure 6. Velocity-amplitude spectra, with maximum and minimum amplitude values within 24 hours, UTC +5:00 S o u r c e: compiled by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova Согласно Межгосударственному стандарту ГОСТ 34081-2017[7], колебания здания представляют собой суперпозицию собственных и вынужденных колебаний, вызванных различными внутренними (работой бытовой техники и различных технических систем здания) и внешними (городским транспортом, стройками и т.п.) воздействиями. Следовательно, стоит полагать, что в момент максимального воздействия на здание или сооружение, его отклик как системы также будет максимальным. Поэтому для получения объективных результатов рекомендуется проводить обследование в дневное время с 11:00 до 13:00. В реальных условиях длительная регистрация микросейсмического фона в одной точке наблюдения не является необходимым условием и зачастую не представляется возможным. Следующий этап настоящего исследования - определение оптимальной длительности записи микросейсм [23]. Для этого из часового файла дневной группы, соответствующего максимальному значению амплитуды (11:00), были выделены участки длительностью 1, 2, 3, 5, 7, 10, 15, 30 и 45 минут. Для этих участков аналогичным образом были рассчитаны амплитудные спектры, которые были соотнесены на одном графике с часовыми записями минимальной и максимальной амплитуды, а также с медианным значением исходных АЧХ (рис. 7). По графику видно, что спектр для одноминутной записи значительно отличается от общей картины, имеет выраженный пик в районе 2 Гц, который не выражен на других кривых. Форма спектра для участка записи длинной в 2 минуты также имеет наглядные отличия, что может свидетельствовать о наличии случайной антропогенной помехи в момент регистрации. Начиная с трехминутной записи, форма спектра перестает существенно меняться, и наблюдаются только амплитудные различия. Аналогичный вывод об экспериментальном исследовании формы получаемых спектров приведен и в работе В.А. Давыдова [25]. После увеличения длительности записи до 5 минут форма спектра становится практически идентичной форме часового спектра, однако сохраняется различие по амплитуде. В настоящем исследовании внимание уделяется не только частотной составляющей АЧХ, но и амплитудной, поэтому были выделены минимальные временные промежутки - 10 и 15 минут, которые наиболее схожи с исходной часовой записью по обоим параметрам (рис. 8). АЧХ, полученная по десятиминутной записи, имеет меньшую амплитуду, чем пятнадцатиминутная запись. Из всех исследованных участков записи разной длительности пятнадцатиминутная запись является максимально приближенной к часовой и позволяет оптимально оценить спектральные характеристики в точке наблюдения. Кроме того, уменьшение длительности записи позволяет сократить время, затраченное на обследование зданий без ущерба для полезной информации. Для объективности рассуждений о необходимой и достаточной длительности записи тем же порядком был организован расчёт амплитудных спектров для точки, находящейся на 1 этаже здания (максимально приближенной к грунту). Результат сравнения спектральных характеристик по Х-компоненте представлен на рис. 9. На рис. 10 выделены спектральные кривые, по форме наиболее соответствующие часовой записи. Однако на 15-минутной записи присутствуют некоторые отклонения в виде выступающих или отсутствующих пиков. Таким образом, при проведении обследования, которое включает в себя изучение общего объема здания, минимальную длительность записи на нижних этажах объекта рекомендуется увеличить до 20 минут. Это позволит исключить влияние случайных грунтовых и техногенных колебаний, способных влиять на частоту собственных колебаний объекта. Рис. 7. Амплитудные спектры скорости, рассчитанные для участков записи с разной длительностью, для верхней точки здания И с т о ч н и к : выполнено М.Н. Воскресенским, А.А. Курдановой Figure 7. Velocity-amplitude spectra calculated for recording sections with different durations, obtained for the upper point of the building S o u r c e : compiled by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova Рис. 8. Амплитудные спектры скорости, рассчитанные для участков записи с разной длительностью, имеющие наиболее идентичную форму И с т о ч н и к: выполнено М.Н. Воскресенским, А.А. Курдановой Figure 8. Velocity-amplitude spectra calculated for recording sections with different durations, having the most identical shape S o u r c e: compiled by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova Рис. 9. Амплитудные спектры скорости, рассчитанные для участков записи с разной длительностью, для нижней точки здания И с т о ч н и к: выполнено М.Н. Воскресенским, А.А. Курдановой Figure 9. Velocity-amplitude spectra calculated for recording sections with different durations, obtained for the lower point of the building S o u r c e: compiled by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova Рис. 10. Амплитудные спектры скорости, рассчитанные для участков записи с разной длительностью, имеющие наиболее идентичную форму И с т о ч н и к: выполнено М.Н. Воскресенским, А.А. Курдановой Figure 10. Velocity-amplitude spectra calculated for recording sections with different durations, having the most identical shape S o u r c e: compiled by M.N. Voskresenskiy, A.A. Kurdanova 4. Заключение Результаты исследования описывают несколько выводов: 1. На основании системы амплитудных спектров часовых велосиграмм получены спектрограммы, представляющие собой изменение спектральных характеристик микросейсм в течение 24 часов. При анализе спектрограмм были выделены две условные временные группы спектров: «дневная» и «ночная». Максимальное воздействие на здание приходится на дневные часы, а именно 1100-1300. Очевидно, что в зданиях похожего назначения часы максимальной активности будут аналогичными, поэтому обследование рекомендуется проводить в дневные часы. 2. Анализ «дневных» записей различной длительности (1, 2, 3, 5, 7, 10, 15, 30, 45 и 60 минут) наглядно демонстрирует повторяемость результата. Длительность записи микросейсмического фона 15 минут является достаточной для получения результата при обследовании частоты собственных колебаний объекта. При возникновении необходимости более детального обследования здания, с использованием точек на фундаменте или нижних этажах, длительность записи рекомендуется увеличить 20 минут. 3. В соответствии с нормативно-технической документацией при изучении колебаний строительных объектов рассматривают диапазон от 1 до 32 Гц. Рабочие частоты четырёхэтажного кирпичного здания в горизонтальной плоскости находятся в диапазоне 2,8…4,5 Гц. В текущем исследовании регистрируемый частотный диапазон ограничен 60 Гц, при обработке спектров использовался интервал от 1 до 20 Гц, а для наглядности результатов демонстрируется диапазон от 1 до 10 Гц (см. рис. 6-8). Однако при возникновении необходимости более детального исследования конкретного сооружения в расширенном диапазоне частот (например, до 50 Гц) рекомендуется помимо дневной сьёмки проводить ночную. Это позволит свести к минимуму вклад техногенных помех на общей картине микросейсм. По рис. 6 можно оценить техногенный вклад помех, которые явно отображены на дневных записях и практически отсутствуют на ночных АЧХ.

Об авторах

Михаил Николаевич Воскресенский

Институт геофизики, Уральское отделение Российской академии наук

Email: voskresenskiy.mn@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6222-7265
SPIN-код: 4710-9710

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией сейсмометрии, Институт геофизики

Екатеринбург, Россия

Алёна Алексеевна Курданова

Институт геофизики, Уральское отделение Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.truuuuman@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1582-8113
SPIN-код: 7695-6043

младший научный сотрудник лаборатории сейсмометрии, Институт геофизики

Екатеринбург, Россия

Список литературы