Експериментальна перевірка розрахункової вібраційної моделі Великої лаврської дзвіниці Києво-Печерського заповідника

Abstract

Розглянуто дослідні роботи з вивчення сейсмостійкості Великої лаврської дзвіниці Києво-Печерського заповідника, дослідження її реакції на зовнішні сейсмічні впливи різного походження. Наведено результати спектрального аналізу записів сейсмічних коливань. Визначено власні частоти коливань дзвіниці. Проведено аналіз експериментальних даних сейсмічних спостережень і виконано порівняння з теоретичною моделлю коливань дзвіниці. Сейсмічні коливання виміряно за допомогою акселерометра ZET 048C і велосиметра GURALP CMG-40T на чотирьох рівнях дзвіниці та на відстані 10 м від неї. Точки спостережень розташовано у прорізах зовнішніх несівних стін для виключення фонових впливів від коливань другорядних елементів конструкції дзвіниці. Отримано трикомпонентні записи реакції дзвіниці на зовнішній мікросейсмічний шум. Визначено амплітуди спостережених коливань і проведено спектральний аналіз швидкості та прискорення їх поширення. Результати натурних спостережень збіглися в інженерному діапазоні частот із значеннями параметрів коливань, розрахованих для математичної моделі дзвіниці. Встановлено, що за збільшення висоти встановлення пунктів спостережень над земною поверхнею значення усереднених амплітуд прискорення не підвищуються, а усереднених амплітуд швидкості зростають за експоненційним законом. Розроблено методику періодичного дослідження технічного стану дзвіниці шляхом перевірки стабільності частотного складу і амплітуд коливань, зареєстрованих у визначених точках дзвіниці. Методика не потребує проведення довготривалих технічних обстежень споруди.

Рассмотрены результаты исследовательских работ по изучению сейсмостойкости Большой лаврской колокольни, исследована ее реакция на внешние сейсмические воздействия разного происхождения. Приведены результаты спектрального анализа наблюденных записей сейсмических колебаний. Определены собственные частоты колебаний колокольни. Проведен анализ экспериментальных данных сейсмических наблюдений и выполнено сравнение с теоретической моделью колебаний колокольни. Большая лаврская колокольня является историческим памятником архитектуры национального значения. Она построена в 1731—1744 гг. и представляет собой кирпичную восьмигранную в плане четырехъярусную башню высотой 96,87 м, завершающуюся большим куполом и малым куполом с крестом. Измерение сейсмических колебаний проводилось с помощью акселерометра ZET 048C и велосиметра GURALP CMG-40T на четырех уровнях колокольни и на расстоянии 10 м от нее. Точки наблюдений располагались в проемах наружных несущих стен для исключения фоновых воздействий от колебаний второстепенных элементов конструкции колокольни. В результате получены трехкомпонентные записи реакции колокольни на внешний микросейсмический шум. Определены амплитуды наблюденных колебаний и выполнен спектральный анализ их скорости и ускорения. Результаты натурных наблюдений совпали в инженерном диапазоне частот со значениями параметров колебаний, рассчитанных для математической модели колокольни. Установлено, что усредненные амплитуды ускорения не увеличиваются с высотой точек наблюдений над земной поверхностью. Усредненные амплитуды скорости изменяются с высотой установки точек наблюдения по экспоненциальному закону. Разработана методика периодического исследования технического состояния колокольни путем проверки стабильности собственных ее частот и амплитуд зарегистрированных колебаний в определенных точках колокольни. Методика не требует проведения длительных технических обследований сооружения.

The purpose of the article is to investigate seismic resistance of the Great Lavra Bell Tower; to study its seismic response to external influences of various origins; to present the results of the spectral analysis of seismic oscillations records; determine to the bell towers own frequencies of vibrations; to analyse the experimental data obtained in the seismic studies; and to compare the results with the theoretical model of vibrations of the bell tower. The Great Lavra Bell Tower is a historic monument of national importance. Built in 1731—1744, it is a four-tower brick octagonal of 96,87 m high domed with a cross and crown. Design/methodology/approach. Measurements of seismic waves were carried out using the accelerometer ZET 048C and velosimeter GURALP CMG-40T on four levels of the bell tower and 10 meters from it. Observation points were located outside the openings in the bearing walls to eliminate background effects from fluctuations of secondary structural elements of the bell tower. Based on the results of calculations and the values of the first three forms of natural oscillations of the facilities, the sample rate of the instrument digital recordings was taken as 100 Hz. Findings. We have obtained three-component seismic recordings of the belfry’s response to the influence of microseismic external noise. We have determined observable oscillation amplitudes and carried out a spectral analysis of speed and acceleration. The results of the field observations agreed in the engineering frequency range of vibrations with the calculated values of the parameters for the mathematical model of the bell tower. We have identified three main peaks that match the value of the natural frequencies of the building and have maximum signal levels at different heights of the building. We have found that the average values of acceleration amplitudes do not increase with increasing altitude of the observation points above the earth’s surface. Practical value/implications. The value of the average velocity amplitudes increases exponentially with increasing altitude of the observation points. The observations agree with theoretical calculations in the engineering frequency range. We have developed a method for periodic examination of the technical condition of the bell tower by checking the stability of the frequency and amplitude of the oscillations registered in certain points of the bell tower. The method does not require long-term technical inspections of the building. Currently Ukraine lacks experience, as well as regulatory and methodological documentation on the use of vibration diagnostics to examine building structures and facilities for their vulnerability to seismic effects. Working out of relevant regulations is urgently needed due to the increased number of unique building structures of complexity category 4—5 with effectclass SS3.