ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ ВЫСОТНОГО СООРУЖЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ ВЫСОТНОГО СООРУЖЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Научная статья

Патрикеев А.В.*

Российский университет транспорта (МИИТ), Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (patrikeev-av[at]mail.ru)

Аннотация

Рассматривается возможность экспериментальной оценки эффективности работы механического гасителя колебаний в процессе эксплуатации инженерного сооружения. Современные механические гасители колебаний, как правило, не позволяют оценить эффективность их работы в ходе эксплуатации. Существует риск недостаточной объективности технического заключения, выдаваемого изготовителем гасителя. На конкретном примере представлен общий обзор возможности оценки эффективности механического гасителя колебаний высотного сооружения в рамках независимой научно-технической экспертизы.

Ключевые слова: высотное сооружение, эксплуатация, механический гаситель колебаний, оценка эффективности, энергия колебаний, амплитудный спектр мощности.

EVALUATING THE PERFORMANCE OF THE MECHANICAL DAMPENER OF A HIGH-RISE STRUCTURE IN USE

Research article

Patrikeev A.V.*

Russian University of Transport (MIIT), Moscow, Russia

* Corresponding author (patrikeev-av[at]mail.ru)

Abstract

The article considers the possibility of an experimental evaluation of the mechanical dampener performance of an engineering structure in use. Modern mechanical dampers usually do not allow us to evaluate performance effectiveness in use. There is a risk of lacking objectivity of the engineering opinion issued by the damper manufacturer. A specific example provides a general overview of the possibility of evaluating the effectiveness of a mechanical dampener of a high-rise structure within the framework of an independent scientific and technical expertise.

Keywords: high-rise structure, operation, mechanical dampener, estimating effectiveness, vibration energy, amplitude power spectrum.

Введение

Для инженерных сооружений, подверженных в ходе эксплуатации значительным динамическим воздействиям, например, от ветровой нагрузки, применяются меры по снижению интенсивности динамических процессов [1], [2]. Различают пассивные и активные методы снижения резонансных аэродинамических колебаний. К активным методам относят применение специальных технических устройств, заранее проектируемых для защиты конкретного инженерного соооружения от чрезмерных механических колебаний, на основании результатов предварительных научных исследований. Эти технические устройства являются неотъемлемой частью инженерного сооружения, устанавливаются в процессе монтажа несущих конструкций и вводятся в эксплуатацию одновременно с защищаемым сооружением. Функционирование таких устройств может быть основано на различных физических принципах. Наиболее распространены механические гасители колебаний, представляющие собой механизмы с тяжелыми, массивными частями, содержащие в своем составе упругие и вязкие элементы, а также демпфирующие устройства для обеспечения безопасного преобразования энергии механических колебаний сооружения в тепло [3].

Современные механические гасители колебаний, как правило, не позволяют оценить эффективность их работы в ходе эксплуатации. Механические гасители имеют уникальную конструкцию, поскольку разрабатываются для конкретных уникальных сооружений. Организация – изготовитель механического гасителя колебаний сопровождает монтаж изделия «под ключ», после чего гарантирует паспортные характеристики изделия в пределах некоторого гарантийного срока службы. Если в дальнейшем у эксплуатирующей организации возникнут сомнения в достаточности уровня обеспечения механической безопасности сооружения, оснащенного такими гасителями, то ей придется снова обратиться к организации-изготовителю механического гасителя, с целью проведения дополнительных исследований и выдачи соответствующего заключения. При этом существует реальный риск неодстаточной объективности подобного заключения. В данной работе на конкретном примере представлен общий обзор возможности оценки эффективности механического гасителя колебаний высотного сооружения, например, в рамках независимой научно-технической экспертизы.

Методы и принципы исследования

Механические гасители колебаний проектируются для высотного сооружения в том случае, если в ходе динамического расчета конечно-элементной модели будущего сооружения выявляется склонность его к резонансным колебаниям на некоторых частотах [3]. Если по каким-либо причинам у проектировщиков нет возможности путем конструктивных изменений устранить возможность опасного резонанса, принимается решение на применение механических гасителей. Это приводит к некоторому изменению несущих конструкций сооружения, а также компоновки внутреннего пространства здания. Для уточнения динамических характеристик может потребоваться изготовление динамически подобной модели, испытание её на воздействие ветровой нагрузки в аэродинамической трубе [4]. Конструкция механического гасителя колебаний предполагает, что его основные динамические характеристики (собственная частота колебаний f_гас и логарифмический декремент затухания δ_гас ) соответствуют резонансной частоте f_соор и декременту затухания δ_соор того колебательного процесса сооружения, интенсивность которого необходимо снизить.

Суть совместной работы двух основных компонентов динамической системы – гасителя колебаний и защищаемого сооружения – состоит в обмене энергией между ними, поскольку в ходе взаимодействия происходит «перетекание» энергии колебаний от сооружения к гасителю с последующим тепловым рассеянием. В соответствии с таким энергетическим подходом, эффективность гасителя колебаний на инженерном сооружении Эф есть отношение суммарной энергии колебаний сооружения в частотной области резонанса при отсутствии действия гасителя колебаний Е_о к суммарной энергии колебаний сооружения в той же области при действии гасителя Е_г :

Соотношение энергий колебаний может быть получено из результатов спектрального анализа исходных электронных архивов перемещений характерных точек сооружения под воздействием эксплуатационной ветровой нагрузки. Электронные архивы для условий отсутствия действия гасителя колебаний и при действии гасителя колебаний должны быть зарегистрированы одним и тем же способом, с использованием одного и того же комплекта регистрационного оборудования, при однотипном ветровом воздействии одной и той же интенсивности. Длительность регистрации (время экспозиции) в обоих случаях также должна быть одинакова и соответствовать требованиям метода анализа [5]. Необходимым условием для получения значения эффективности Эф в ходе натурного эксперимента является возможность «выключения» гасителя колебаний из совместной работы с сооружением. Это условие может представлять на практике серьезную техническую проблему. Необходимо также строго соблюдать требования механической безопасности сооружения в ходе планирования и проведения натурного эксперимента с «выключенным» механизмом гасителя колебаний.

Основные результаты

В качестве исходных материалов для данного исследования использованы фрагменты электронных архивов параметров колебаний реального высотного сооружения, оснащенного механическими гасителями колебаний для снижения резонансных явлений под воздействием ветровой нагрузки. Таким сооружением является Главный монумент памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве. Два цифровых архива перемещений одной и той же характерной точки были зарегистрированы при однотипных ветровых нагрузках одной и той же интенсивности [6]. В одном из двух случаев механический гаситель колебаний первого тона изгиба (основного колебательного процесса у данного сооружения) [7] был на время эксперимента специально приведен в полностью неподвижное состояние. Для обеспечения механической безопасности сооружения время экспозиции было принято минимально допустимым (11 минут) при объеме выборки = 4096 строк [8]. Это позволило реализовать для спектрального анализа алгоритм БПФ и использовать функцию экспоненциального сглаживания. Точность определения резонансных частот и их декрементов затухания при этом несколько снижена, но для определения соотношения энергий колебаний это несущественно.

Для окрестностей каждого пика спектральной плотности определим интервал частот

в котором содержится наибольшая часть энергии (мощности) сигнала [9].

Используем критерий заданного уровня, зададим граничный уровень интервала F_гр = 0,1 F_max , где F_max – абсолютный максимум амплитудного спектра. Поскольку исходный архив контролируемого параметра представляет собой дискретную функцию S(t) с величиной дискрета Δt, то после преобразования Фурье мы также получим дискретный спектр F(ω) с величиной дискрета Δ ω. Линейная частота f = ω/2π .

График спектра представляет собой изображение функции F(f) спектральной плотности мощности, которая описывает распределение мощности сигнала в зависимости от частоты, то есть мощность, приходящуюся на единичный интервал частоты. Функция имеет размерность [Вт/Гц] = [Вт*с]. Мощность резонансных механических колебаний, регистрируемых в точке контроля, упрощенно запишем, как

где   – соответственно, средняя частота нижнего и верхнего дискретов диапазона шириной Δf окрестностей пика функции спектральной плотности [10]. Значение постоянного коэффициента пропорциональности K обсуждать не будем, поскольку нас интересует соотношение энергий, и в ходе последующих вычислений эти коэффициенты сократятся.

На рис. 1 представлены расчетные схемы и результаты обработки двух однотипных архивов колебаний, зафиксированных в одной и той же точке контроля. Различие между ними только одно: слева изображен результат, когда гаситель колебаний «выключен» из работы; справа – гаситель «включен» в работу (обратите внимание, вертикальный масштаб у графиков различный). Принимаем допущение, что масса гасителя колебаний существенно мала по сравнению с массой сооружения, поэтому «включение» или «выключение» гасителя незначительно влияет на резонансную частоту сооружения, и в первом приближении мы можем этим влиянием пренебречь. Штриховкой на рисунке выделены области графиков, учитываемые в расчете мощности механических колебаний.

Для случая, когда гаситель колебаний «выключен», получаем:

E₀= 65,877 – 21,280 = 44,597 [у.е.]

Для случая, когда гаситель колебаний «включен», получаем:

E_r= 33,709 – 7,280 = 26,429 [у.е.]

Эффективность гасителя колебаний

«Включение» гасителя колебаний в данном случае снижает энергию колебаний первого тона изгиба сооружения в 1,678 раза.  

Рис. 1 – Расчетные схемы и результаты обработки архивов колебаний (объяснения в тексте)

 

Заключение

По результатам исследования можно сделать вывод о том, что вполне реально выполнить оценку эффективности механического гасителя колебаний в ходе эксплуатации инженерного сооружения. Такая оценка может быть выполнена способом экспресс-анализа основных динамических характеристик сооружения (собственной частоты колебаний f_соор и логарифмического декремента затухания δ_соор) в рамках независимой научно-технической экспертизы. Необходимым условием для выполнения подобного исследования является неукоснительное обеспечение механической безопасности инженерного сооружения в момент «выключения» механизма гасителя колебаний. Поэтому эксперимент следует тщательно планировать и выполнять в условиях отсутствия экстремальных внешних воздействий.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Шаблинский Г.Э. Мониторинг уникальных высотных зданий и сооружений на динамические воздействия / Г.Э. Шаблинский. – М.: АСВ, 2013. – 336 с.
2. Поддаева О.И. Архитектурно-строительная аэродинамика / О.И Поддаева, А.С. Кубенин, П.С. Чурин. – М: НИИ МГСУ, 2015. – 88 с.
3. Дукарт А.В. Динамические гасители колебаний конструкций / А.В. Дукарт, А.И. Олейник – М.: АСВ, 2015. – 248 с.
4. Шахраманьян А.М. Опыт использования автоматизированных систем мониторинга деформационного состояния несущих конструкций на олимпийских объектах Сочи-2014 / А.М. Шахраманьян, Ю.А. Колотовичев // Вестник МГСУ. 2015. № 12. С. 92-105.
5. Патрикеев А.В. Динамический мониторинг зданий и сооружений как один из критериев обеспечения безопасной эксплуатации / А.В. Патрикеев, Е.К. Салатов, В.П. Спиридонов // Материалы XVIII международного семинара «Технологические проблемы прочности». Подольск, 2011. С. 78-81.
6. Патрикеев А.В. Основы методики динамического мониторинга деформационных характеристик зданий и сооружений / А.В. Патрикеев, Е.К. Салатов // Вестник МГСУ, 2013. № 1. С. 133-138.
7. Ишков А.Н. Оценка значимости периода основного тона собственных колебаний зданий и сооружений, как критерия, определяющего техническое состояние гражданских зданий / А.Н. Ишков, Г.Д. Шмелев, Н.И. Филиппова // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура, ВГТУ, г. Воронеж. 2017. № 3 (2). С. 9-15.
8. Минина О.В. Метод построения спектра шума измерительного сигнала с помощью стандартных функций Microsoft Excel / О.В. Минина, М.Б. Богданов : [Электронный ресурс] : URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metod-postroeniya-spektra-suma-izmeritelnogo-signala-s-pomoschyu-standartnyh-funktsiy-microsoft-excel.pdf. (дата обращения: 19.08.2020)
9. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко– 2-е изд. – СПб.: Питер, 2016. – 751 с.
10. Бирбраер А.Н. Экстремальные воздействия на сооружения / А.Н. Бирбраер, А.Ю. Роледер. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2009. – 594 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Shablinskiy G.E. Monitoring unikal’nikh vysotnykh zdaniy i soougheniy na dinamicheskiye vozdeystvija [Monitoring of unique high-rise buildings and structures on dynamic impacts] / G.E. Shablinskiy. DIA publishing house. 2013, 336 p. [in Russian]
2. Poddaeva O.I. Arkhitekturno-stroitel'naya aerodinamika [Architectural aerodynamics] / O.I. Poddaeva, A.S. Kubenin, P.S. Churin. Research Institute MGSU. 2015, 88 p. [in Russian]
3. Dukart A.V. Dinamicheskiye gasiteli kolebaniy konstruktsiy [Dynamic vibration dampers of structures] / Dukart A.V., Oleinik A.I. DIA publishing house. 2015, 248 p. [in Russian]
4. Shakhraman’jan A.M. Opyt ispol’zovaniya avtomatizirovannykh sistem monitoringa deformatsionnogo sostoyaniya nesushchikh konstruktsiy na olimpiyskikh ob’’yektakh Sochi-2014 [The experience of using automated systems for monitoring the deformation state of load-bearing structures at the Olympic facilities in Sochi-2014] / Shakhraman’jan A.M., Kolotovichev Yu.A. // Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2015, No. 12, pp. 92–105. [in Russian]
5. Patrikeev A.V. Dinamicheskiy monitoring zdaniy i sooruzheniy kak odin iz kriteriyev obespecheniya bezopasnoy ekspluatatsii. Materialy XVII mezhdunarodnogo seminara “Tekhnologicheskiye problemy prochnosti” [Dynamic monitoring of buildings and structures as one of the criteria for ensuring safe operation. Materials of the XVII International Seminar “Technological Problems os Strength”] / Patrikeev A.V., Salatov E.K., Spiridonov V.P.. Podolsk, 2011, Pp. 78-81. [in Russian]
6. Patrikeev A.V. Osnovy metodiki dinamicheskogo monitoringa deformatsionnykh kharakteristik zdaniy i sooruzheniy [Fundamentals of the dynamic monitoring of deformation characteristics of biuldings and structures] / Patrikeev A.V., Salatov E.K. // Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, No. 1, pp. 133–138. [in Russian]
7. Ishkov A.N. Otsenka znachimosti perioda osnovnogo tona sobstvennykh kolebaniy zdaniy i sooruzheniy, kak kriteriya, opredelyayushchego tekhnicheskoye sostoyaniye grazhdanskikh zdaniy. Zhilishchnoye khozyaystvo i kommunal’naya infrastruktura. [Assessment of the significance of the period of the fundamental tone of the the natural vibrations of buildings and structures, as a criterion that determines the technical condition of civil buildings. Housing and communal infrastructure] / Ishkov A.N., Shmelev G.D., Filippova N.I. VGTU – Voronezh:, 2017, No. 3 (2), Pp. 9-15. [in Russian]
8. Minina O.V. Metod postroyeniya spektra shuma izmeritel'nogo signala s pomoshch'yu standartnykh funktsiy Microsoft Excel [A method for constructing a noise spectrum of a measuring signal using standard Microsoft Excel functions] / Minina O.V., Bogdanov M.B. – [Electronic resource] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metod-postroeniya-spektra-suma-izmeritelnogo-signala-s-pomoschyu-standartnyh-funktsiy-microsoft-excel.pdf. (accessed: 19.08.2020) [in Russian]
9. Sergienko A.B. Tsifrovaya obrabotka signalov [Digital Signal Processing] - 2nd ed. / Sergienko A.B. - SPb.; Peter, 2016 - 751 p. [in Russian]
10. Birbraer A.N. Ekstremal’nyye vozdeystviya na sooruzheniya. Publishing house Politkhnicheskogo universiteta [Exstreme impacts on structures. Publishing house of Polytechnic University] / Birbraer A.N.. – SPb:, 2009, 594 p. [in Russian]