Vibration measurements in analysis of historical structures

The research team from the Structural Dynamics Division of Civil Engineering Institute of Wrocław University of Technology performed experimental dynamic studies of a number of historical constructions. The paper presents the most important aspects of contemporary dynamic analyses of historical structures and is a result of the team's decadelong experience with such analyses carried out with the use of the most modern instruments and technologies. The basis of modern dynamic analysis is the use of three elements: in situ dynamic measurements, analysis of the obtained data, and calculation on a FEM model. The interrelations among the three are used to validate and update the FEM model. The methods used in dynamic analyses are very complex and difficult. Aside from them, Polish and German national standards offer simplified methods of evaluating the harmfulness of building vibrations due to ground motions. Three types of analysis methods are presented here: simple dynamic analysis, simplified approaches based on national standards and advanced techniques such as Operational Modal Analysis (OMA). The presented studies and measurements are classified as non-destructive, and are therefore best suited to the analysis of historical structures and monuments. OMA merits special attention, as it yields information on modal frequencies, forms and damping. In comparison to Experimental Modal Analysis (EMA), the greatest advantage of the OMA is that no special excitation of structure vibration is required. In large structures, such excitation is difficult to realize and may lead to local damage, which is especially harmful in historical objects. However, OMA requires more exact and much longer measurements than Experimental Modal Analysis (EMA).

W pracy opisano najbardziej istotne aspekty współczesnych analiz i badań dynamicznych dotyczących specyficznych konstrukcji jakimi są budowle historyczne. Bazowano na doświadczeniach zebranych w tym zakresie przez pracowników Zakładu Dynamiki Budowli Instytutu Inżynierii Lądowej Politechniki Wrocławskiej. Zaprezentowano nowoczesne metody eksperymentalno-teoretycznych badań dynamicznych tego typu obiektów. W pracy przedstawiono proste analizy zarejestrowanych drgań, podejście normowe (na bazie polskich i niemieckich norm) dotyczące oceny drgań przenoszonych na budynki zabytkowe przez grunt, a także zaawansowaną technikę jaką jest Operacyjna Analiza Modalna (OMA). Stosując OMA można określić parametry modalne badanej konstrukcji i na tej podstawie wnioskować o innych jej własnościach i cechach. Główną zaletą OMA jest możliwość wykonania analizy dynamicznej konstrukcji bez specjalnego wymuszania drgań oraz pomiaru tego wymuszenia. W przypadku konstrukcji budowlanych wymuszanie drgań i pomiary sił wzbudzających są na ogół bardzo kłopotliwe w realizacji ze względu na rozmiary i masę budowli. Dodatkowo, stosowanie młotków modalnych bądź wzbudników drgań jest niewskazane w przypadku konstrukcji zabytkowych, ze względu na możliwość uszkodzenia np. cennych tynków lub malowideł ściennych. Ograniczeniem OMA jest konieczność stosowania precyzyjnych i długich pomiarów, a co za tym idzie, konieczność dysponowania odpowiednim sprzętem pomiarowym i oprogramowaniem. Zdaniem autorów, najwłaściwszym sposobem analizy dynamicznej jest harmonijne połączenie trzech elementów: po pierwsze - pomiarów dynamicznych in situ, po drugie - analiz cech dynamicznych modelu eksperymentalnego konstrukcji z wykorzystaniem danych pomiarowych oraz po trzecie - wykonanie niezależnych obliczeń konstrukcji z zastosowaniem jej modelu MES. Wzajemne walidowanie wyników analiz doświadczalnych i teoretycznych oraz otrzymanie jak największej ich zgodności prowadzi ostatecznie do otrzymania wiarygodnych i praktycznie przydatnych wniosków i zaleceń wykonawczych.