ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ФУНДАМЕНТОВ РАДИОТЕЛЕСКОПОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ВИБРОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Оригинальная статья / Original article УДК 624.0

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2917-2020-3-420-427

Исследования динамики фундаментов радиотелескопов с использованием лазерного виброизмерительного оборудования

© В.И. Соболев1, Т.Н. Черниговская2

1Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия 2Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, Россия

Резюме: Цель работы - описание технологии определения динамических параметров фундаментных конструкций радиотелескопов бесконтактным способом на основе применения лазерного виброизмерительного оборудования и основных результатов анализа динамических процессов. Исследования проведены в виде микродинамических испытаний конструкций фундаментов с определением периодов собственных колебаний по низшим колебательным формам. Проведены замеры собственных колебаний фундаментов радиотелескопов при ударных воздействиях с последующим спектральным отображением колебательных процессов. Испытания проводились при помощи дальномерного лазерного виброметра RSV-150, включенного в реестр виброизмерительного оборудования России. Спектральные отображения получены при помощи преобразований Фурье, реализованных в авторских программных комплексах разработчиков оборудования. Описаны особенности динамики фундаментов радиотелескопов, формализованные в виде спектральных отображений исходных записей колебательных процессов. Приведено описание методики микродинамических испытаний при помощи виброизмерителя, а также описание принципов его работы, последовательность числовой обработки записей динамических процессов, реализованной на персональном компьютере с использованием частотных отображений собственных колебаний конструкций. Полученные в результате замеров величины частот собственных колебаний позволяют утверждать о сохранении жесткости и целостности свай фундаментов. Ярко выраженные уединенные пики частот собственных колебаний позволяют говорить о форме собственных колебаний конструкций как одномассовых систем с отсутствием деформа-тивных форм колебаний в теле фундамента.

Ключевые слова: микродинамика, собственные колебания, лазерный виброметр, собственные колебания, импульсное воздействие, частотное отображение, эффект Доплера, погрешность измерений

Информация о статье: Дата поступления 31 июля 2020 г.; дата принятия к печати 28 августа 2020 г.; дата онлайн-размещения 30 сентября 2020 г.

Для цитирования: Соболев В.И., Черниговская Т.Н. Исследования динамики фундаментов радиотелескопов с использованием лазерного виброизмерительного оборудования. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020. Т. 10. № 3. С. 420-427. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-3-420-427

Research into the dynamics of radio telescope foundations using laser vibration measuring equipment

Vladimir I. Sobolev, Tatiana N. Chernigovskaya

Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk Russia Irkutsk State Transport University, Irkutsk, Russia

Abstract: This study presents a technology for determining the dynamic parameters of the foundation structures of radio telescopes by a non-contact method based on the use of laser vibration measuring equipment. The main results of a dynamic process analysis are described. The research was carried out in the form of microdynamic tests of foundation structures with the determination of natural oscillation periods based on lower vibrational forms. Measurements of natural vibrations of radio telescope foundations under applied shock were performed, followed by spectral mapping of vibrational process-

Том 10 № 3 2020

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 420-427 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 3 2020 _pp. 420-427

ISSN 2227-2917 420

420 ISSN 2500-154X

es. The tests were carried out using a tachometric laser vibrometer RSV-150 included in the register of vibration measuring equipment in Russia. Spectral mappings were obtained using Fourier transforms implemented in software packages of the hardware developers. The dynamic features of radio telescope foundations are formalized in the form of spectral maps of the initial records of vibrational processes. The method of microdynamic tests using a vibration meter is presented, along with the principles of its operation and the sequence of numerical processing of records of dynamic processes implemented on a personal computer using frequency displays of natural vibrations of structures. The values of natural vibration frequencies obtained as a result of measurements confirmed the rigidity and integrity of foundation piles. Pronounced solitary peaks of natural vibration frequencies point to the form of natural vibrations of structures as single-mass systems with the absence of deformational forms of vibrations in the foundation body.

Keywords: microdynamics, natural vibrations, laser vibrometer, natural vibrations, pulse action, frequency mapping, Doppler effect, measurement error

Information about the article: Received July 31, 2020; accepted for publication August 28, 2020; available online September 30, 2020.

For citation: Sobolev VI, Chernigovskaya TN. Research into the dynamics of radio telescope founda-tionsusing laser vibration measuring equipment. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020;10(3):420-427. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-3-420-427

Введение

Актуальность данного исследования определена требованиями ГОСТ 31037-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния», в соответствии с которым в зданиях и сооружениях, эксплуатируемых в сейсмически активных районах РФ в течение 2 лет и более, необходимо проводить обследование и мониторинг технического состояния с определением собственных динамических параметров. В сейсмически активных районах такие параметры в виде частот собственных колебаний сооружения являются определяющими величинами при расчете сооружений на сейсмические воздействия1 [1-3]. Неизбежно возникает вопрос о способах экспериментальных обследований, дающих достаточно достоверную информацию о частотных характеристиках обследуемых объектов. Методы измерения вибраций и возможное оборудование, используемое для этих целей, регламентированы стандартами

[4].

Авторский опыт проведения работ такого рода касался преимущественно многоэтажных зданий [5-7], микродинамический анализ которых позволял определять параметры остаточной жесткости, что, в свою очередь, позволяло выполнить оценку степени дефектности зданий и оценить остаточный их ресурс на основе решения обратных за-

дач динамики [8, 9] .

Однако специфика проведенных работ заключалась, прежде всего, в требованиях точности, связанных с необходимостью обеспечения четкости отображения наблюдаемых объектов. Обеспечение требуемых условий определено динамическими характеристиками конструкций и прежде всего параметрами и динамическими свойствами фундаментов [10, 11]

В соответствие с требованиями ГОСТ Р 53964-2010 «Измерение вибраций сооружений», обязывающего регулярное проведение микродинамических испытаний конструкций и фундаментов с определением периодов собственных колебаний по низшим колебательным формам, были проведены замеры собственных колебаний фундаментов радиотелескопов при ударных воздействиях с последующим спектральным отображением колебательных процессов. Испытания проводились при помощи дальномерного лазерного виброметра RSV-150, включенного в реестр виброизмерительгого оборудования России.

Методы

Область применения и описание используемого оборудования

Дальномерный виброметр (Remote Sensing Vibrometer) RSV-150 является универсальным прибором, применяемым для измерения колебаний конструкций, находящихся на большом

1СНиП II-7-81* Нормы проектирования. Строительство в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 2000.

Том 10 № 3 2020 ISSN 2227-2917

с. 420-427 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость

расстоянии. В зависимости от амплитуды колебаний и отражающих свойств поверхности расстояние до объекта исследования может составлять от 5 до 300 м. Используемый для измерения лазер невидим для человеческого глаза. Для выполнения точной настройки имеется дополнительное оборудование.

Виброизмерительная аппаратура позволяет получать отображения колебательных процессов различных поверхностей во временном интервале и получать их спектральное отображение. Колебательные процессы могут быть отображены в виде зависимостей перемещений или скоростей от времени. Для исключения погрешности, вносимой колебаниями излучателя, имеется возможность реализации компенсационных величин, позволяющих исключать эти колебания

из отображения относительных перемещений или скоростей записываемых процессов.

Сенсорная головка содержит модуль оптического детектора с инфракрасным лазерным лучом для измерения вибрации, а также зеленым «привязочным» лазером и видеокамерой для указания объекта исследования. Также она оснащена передней линзой типа LR (long range), обеспечивающей ручную фокусировку лазера и настройку глубины резкости изображения. В состав контроллера входят электронные модули управления сенсорной головкой и ее питания, а также декодер скорости измеряемого сигнала.

Схема соединения измерительных устройств

Пути сигналов схематически показаны на рис. 1.

Рис. 1. Передача сигналов в лазерном виброметре RSV-150 Fig. 1. The transmission of signals in the laser vibrometer RSV-150

Принцип действия оборудования Для получения характеристик механических колебаний или нестационарных перемещений в лазерных виброметрах используется принцип гетеродинного интерферометра, формирующего высокочастотный несущий сигнал на фотодетекторе при помощи ячейки Брэгга. Для выполнения измерения вибрации Луч гелий-неонового лазера направляется на колеблющийся объект и отражается от него. В связи с возникновением эффекта Доплера скорость и перемещение колеблющегося объекта формируют частотную или фазовую модуляцию. Данная модуляция восстанавливается в модуле обработки сигналов при помощи соответствующих демодуляторов (или декодеров). Информация о скорости восстанавливается по частотной модуляции доплеровского сигнала, сигнал перемещения - по одновременно доступной фазовой модуляции.

Обработка сигнала

Декодер скорости, оснащенный модулями цифровой обработки сигналов (технология DSP), имеет восемь диапазонов, обеспечивающих высокоточное измерение с высокой разрешающей способностью вибрации или поперечных перемещений с максимальной скоростью до 1 м/с. Четыре верхних диапазона измерения перекрывают полную полосу частот 0-25 кГц, нижние диапазоны ограничены частотами 5 или 10 кГц.

С применением цифро-аналогового преобразователя значения скоростей преобразуются в аналоговый сигнал напряжения. Декодирование перемещения осуществляется цифровым декодером перемещения. С использование исходных данных, поступающих от декодера скорости, вычисляется поток данных, представляющий собой сигнал перемещения.

Аналогово-цифровой преобразователь формирует по этим данным сигнал напряжения.

ISSN 2227-2917 Том 10 № 3 2020 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 420-427

422 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 3 2020 _(online)_pp. 420-427

Работой устройства можно управлять при помощи меню на дисплее или через компьютерный интерфейс. Для отображения и анализа результатов измерения при помощи ПК используется программное обеспечение Polytec Vibrometer Software (VibSoft). Результаты и их обсуждение Приборные измерения проводились на

фундаментной конструкции, не оснащенной антенным устройством (рис. 2).

В процессе измерений были проведены замеры горизонтальных составляющих собственных колебаний в двух направлениях по осям симметрии прямоугольных в плане фундаментов (рис. 3 и 4).

Рис. 2. Общий вид конструкций и измерительного оборудования Fig. 2. General view of structures and measuring equipment

Рис. 3. Схема замеров в поперечном направлении Fig. 3. The scheme of measurements in the transverse direction

Рис. 4. Схема замеров в продольном направлении Fig. 4. Scheme of measurements in the longitudinal direction

Под продольным направлением понимается направление вдоль оси расположения антенн (рис. 4). Стрелкой изображено направление и точка приложения ударного воздействия. В результате замеров были получены записи колебательных процессов (ускорений) во временной развертке и ча-

стотные характеристики, полученные спектральным отображением прибора и обработанные программным обеспечением Polytec Vibrometer Software. Временные развертки характеризуются выраженными затухающими процессами собственных колебаний на фоне «хаотического шума» (см. рис. 5-11).

Том 10 № 3 2020 ISSN 2227-2917

с. 420-427 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) Vol. 10 No. 3 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 423 pp. 420-427_(online)_

Рис. 5. Записи ускорений конструкции в поперечном направлении, замер 1 Fig. 5. Records of design accelerations in the transverse direction, measurement 1

} « J 1

W F-e^nclHtl »

Рис. 6. Спектр собственных колебаний конструкции в поперечном направлении, замер 1 Fig. 6. Spectrum of natural vibrations of the structure in the transverse direction, measurement 1

Рис. 7. Записи ускорений конструкции в поперечном направлении, замер 2 Fig. 7. Record the accelerations of the structure in the transverse direction, measurement 2

Рис. 8. Спектр собственных колебаний конструкции в поперечном направлении, замер 2 Fig. 8. Spectrum of natural vibrations of the structure in the transverse direction, measurement 2

ISSN 2227-2917 Том 10 № 3 2020 лпл (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 420-427

424 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 3 2020 _(online)_pp. 420-427

1 s j

Itl

4

Рис. 9. Записи ускорений конструкции в поперечном направлении, замер 3 Fig. 9. Records of accelerations of the structure in the transverse direction, measuring 3

Рис. 10. Спектр собственных колебаний конструкции в поперечном направлении, замер 3 Fig. 10. Spectrum of natural vibrations of the structure in the transverse direction, measurement 3

Рис. 11. Спектр собственных колебаний конструкции в поперечном направлении, замер 4 Fig. 11. Spectrum of natural vibrations of the structure in the transverse direction, measurement 4

Амплитудные значения помех не превышают 15% от амплитуд собственных колебаний зданий во время удара.

Выводы

Спектральные кривые характеризуются ярко выраженными пиками собственных колебаний по низшим формам. Величины частот собственных колебаний в поперечном направлении равны 9,6 Гц, а в продольном направлении - 17,2 Гц, что соответствует периодам собственных колебаний 0,104 и 0,058 с.

Величины разброса значений низших частот собственных колебаний, полученных в результате многократных замеров колебаний конструкций фундаментов, не превышают 3% экспериментально полученных вели-

чин, что позволяет говорить о высокой степени достоверности полученных результатов.

Интервал достоверности пиковых значений кривых спектральных отображений, соответствующих низшим частотам, полученный в результате вероятностной обработки, также не превышает этой величины.

Полученные в результате замеров величины частот собственных колебаний позволяют утверждать о сохранении жесткости и целостности свай фундаментов.

Ярко выраженные уединенные пики частот собственных колебаний позволяют говорить о форме собственных колебаний конструкций, как одномассовых систем с отсутствием деформа-тивных форм колебаний в теле фундамента.

Том 10 № 3 2020 ISSN 2227-2917

с. 420-427 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) ЛОЧ Vol. 10 No. 3 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 425 pp. 420-427_(online)_

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Синицын А.П. Практические расчеты сооружений на сейсмические нагрузки. М.: Стройиздат, 1967. 276 с.

2. Гаскин В.В., Снитко А.Н., Соболев В.И. Динамика и сейсмостойкость зданий и сооружений. Часть 1: Многоэтажные здания. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1992. 216 с.

3. Айзенберг Я.М. Развитие концепций и норм антисейсмического проектирования. ЦНИИСК, ГНЦ. М.: Строительство, 1997.

4. Пинус Б.И., Моргаев Д.Е. Оценка остаточного ресурса сейсмостойкости зданий серии 1-335 кс в городе Иркутске. Тезисы докладов V Российской Национальной конф. по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с междунар. участием // Центр исследований сейсмостойкости сооружений. М.: ГУП ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 2003. 81 с.

5. Соболев В.И. Расчёт многоэтажных зданий, различных конструктивных систем на горизонтальное сейсмическое воздействие с учётом пространственного деформирования // Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов: Тр. XVIII Международной конференции. СПб.: НИИХ

СПбГУ, 2000. Т. 1. С. 2-17.

6. Соболев В.И., Пинус Б.И., Зеньков Е.В. Комплексная оценка накопления дефектов зданий с использованием лазерных виброизмерителей // Ресурсосберегающие технологии в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. (7 ноября 2018 г., г. Иркутск). Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2018. С. 109-113.

7. Adams R.D., Cawley Р., Stone B.J. А Vibration technique for non-destructively assessing the integrity of structures, 1978. 560 p.

8. Cawley Р., Adams R.D. The location of defects in structures from measurements of natural frequencies, 1979.

9. Berman А. System identification of structural dynamic models - theoretical and practical bounds. 1984. 84-0929, 123-129. 487.

10. Соболев В.И., Черниговская Т.Н. Численное моделирование динамических процессов в сооружениях с дискретнонепрерывным распределением масс // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 8. № 4. С. 170-181. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2018-4-170-181

11. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений. М.: Стройиздат, 1979. 319 с.

REFERENCES

1. Sinitsyn AP. Practical calculations of structures to seismic loads. Moscow: Stroiizdat; 1967. 276 p.

2. Gaskin VV, Snitko AN, Sobolev VI. Dynamics and seismic resistance of buildings and structures. Part 1: Highrise buildings. Irkutsk: Irkutsk State University; 1992. 216 p.

3. Aizenberg YaM. Development of concepts and norms of anti-seismic design, CNIISK, SSC. Moscow: Stroitel'stvo; 1997.

4. Pinus BI, Morgaev DE. Estimation of the residual resource of seismic stability of buildings of the 1-335 ks series in Irkutsk. Abstracts of the V Russian National Conference on Earthquake Engineering and Seismic Zoning with International Participation. Tsentr issledovanii seismostoikosti sooruzhenii = Center for Studies of Seismic Resistance of constructions. Moscow: GUP TsNIISK im. V.A. Kucherenko; 2003. 81 p.

5. Sobolev Vi. Calculation of multi-storey buildings, various structural systems for horizontal seismic impact, taking into account spatial deformation. Matematicheskoe modelirovanie v mekhanike sploshnykh sred na osnove metod-

ov granichnykh i konechnykh elementov: trudy XVIII Mezhdunarodnoi konferentsii = Mathematical modeling in continuum mechanics based on boundary and finite element methods: proceedings XVIII International conference. Saint Petersburg: Institute of chemistry of Saint Petersburg state University; 2000. Vol. 1. p. 2-17.

6. Sobolev VI, Pinus BI, Zenkov EV. Complex assessment of building defects accumulation using laser vibration meters. Resursosberegayushchie tekhnologii v stroitel'stve i zhilishchno-kommunal'nom khozyaistve: materialy Vserossiis-koi nauchno-prakticheskoi konferentsii = Resource-saving technologies in construction and housing and communal services: materials of the all-Russian scientific and practical conference. 7 November 2018, Irkutsk. Irkutsk: Irkutsk National Research Technical University, 2018. p. 109-113.

7. Adams RD, Cawley P, Stone BJ. A Vibration technique for non-destructively assessing the integrity of structures; 1978. 560 p.

8. Cawley P., Adams R.D. The location of defects in structures from measurements of natural frequencies, The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 1979.

ISSN 2227-2917 Том 10 № 3 2020 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 420-427

426 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 3 2020 _(online)_pp. 420-427

https://doi.org/10.1243/03093247V142049

9. Berman A. System identification of structural dynamic models - theoretical and practical bounds. 1984;84-0929:123-129.487.

10. Sobolev VI, Chernigovskaya TN. Numerical modelling of dynamic processes in structures with discrete and continuous mass distribution. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo.

Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2018;8(4):170-181. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2018-4-170-181

11. Klaf R, Penzien Dzh. Dynamics of structures. Moscow: Stroiizdat; 1979. 319 p.

Критерии авторства

Соболев В. И. провел исследование, подготовил статью к публикации и несет ответственность за плагиат. Черниговская Т.Н. выполняла расчетный и компьютерный анализ, оформила работу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Сведения об авторах

Соболев Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор кафедры теоретической механики и сопротивления материалов, Иркутский национальный исследовательский технический университет,

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия,

Se-mail: vladsobol@yandex.ru

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0916-1604

Черниговская Татьяна Николаевна,

старший преподаватель кафедры математики,

Иркутский государственный университет путей сообщения,

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, Россия,

e-mail: tannikch@gmail.com

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1525-4663

Contribution

Sobolev V.I. conducted research, prepared an article for publication and is responsible for plagiarism. Chernigovskaia T.N. performed computational and computer analysis, formatted work.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.

Information about the authors

Vladimir I. Sobolev,

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Strength of Materials and Structural Mechanics,

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia, He-mail: vladsobol@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0916-1604

Tatiana N. Chernigovskaya,

Senior Lecturer of the Department of Mathematics,

Irkutsk State Transport University, 15 Chernyshevskogo St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: tannikch@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1525-4663

Том 10 № 3 2020 ISSN 2227-2917

с. 420-427 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) ЛОТ Vol. 10 No. 3 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 427 pp. 420-427_(online)_