Disclosure to Promote the Right To Information

Whereas the Parliament of India has set out to provide a practical regime of right to information for citizens to secure access to information under the control of public authorities, in order to promote transparency and accountability in the working of every public authority, and whereas the attached publication of the Bureau of Indian Standards is of particular interest to the public, particularly disadvantaged communities and those engaged in the pursuit of education and knowledge, the attached public safety standard is made available to promote the timely dissemination of this information in an accurate manner to the public.

इंटरनेट मानक

“!ान $ एक न' भारत का +नम-ण”Satyanarayan Gangaram Pitroda

“Invent a New India Using Knowledge”

“प0रा1 को छोड न' 5 तरफ”Jawaharlal Nehru

“Step Out From the Old to the New”

“जान1 का अ+धकार, जी1 का अ+धकार”Mazdoor Kisan Shakti Sangathan

“The Right to Information, The Right to Live”

“!ान एक ऐसा खजाना > जो कभी च0राया नहB जा सकता है”Bhartṛhari—Nītiśatakam

“Knowledge is such a treasure which cannot be stolen”

“Invent a New India Using Knowledge”

है”ह”ह

IS 14884 (2000): Mechanical Vibration and Shock - Vibrationof Buildings - Guidelines for the Measurement of Vibrationsand Evaluation of Their Effects on Buildings [MED 28:Mechanical Engineering]

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990 (Reaffirmed 2010)

Indian  Standard MECHANICAL VIBRATION AND SHOCK — VIBRATION OF BUILDINGS — GUIDELINES FOR THE MEASUREMENT OF VIBRATIONS AND EVALUATION OF THEIR  EFFECTS 

ON BUILDINGS 

ICS  17.160 

© BIS  2000 

BUREAU OF INDIAN STANDARDS MANAK BHAVAN,  9 BAHADUR SHAH ZAFAR  MARG 

NEW DELHI  110002 

October  2000  Price Group 10

Mechanical Vibration  and  Shock  Sectional Committee,  ME 28 

NATIONAL FOREWORD 

This  Indian  Standard  which  is  identical  with  ISO  4866  : 1990 'Mechanical  vibration  and  shock — Vibration  of  buildings — Guidelines  for the measurement of vibrations and  evaluation of their effects on  buildings'  issued  by  the  International Organization  for  Standardization  (ISO)  was  adopted  by the Bureau of  Indian  Standards on the recommendations of  the Mechanical Vibration and  Shock Sectional Committee and  approval of the Mechanical  Engineering Division Council. 

The  text  of  ISO standard has been  approved  as  suitable  for publication  as  Indian  Standard without deviations.  In  the  adopted  standard,  certain  conventions  are,  however,  not  identical  to  those  used  in Indian  Standards.  Attention  is  especially  drawn to the following: 

a)  Wherever the words 'International Standard' appear referring  to this  standard,  they should be  read as  'Indian  Standard'. 

b)  Comma (,)  has been used as a decimal marker while  in  Indian  Standards,  the current practice  is to  use  a  full  point  (.)  as  the  decimal  marker. 

Amendment  1  to the above  International Standard  has  been  printed at the end. 

In this adopted standard,  reference appears to certain  International  Standards for which  Indian Standards also  exist. The  corresponding  Indian  Standards which  are  to  be  substituted  in  their  place  are  listed below along with their degree of  equivalence for the editions  indicated: 

International Standard  Corresponding  Indian  Standard  Degree  of Equivalence 

ISO  2041  :  1990  IS  11717  : 2000 Vocabulary on vibration  Identical and  shock  (first  revision) 

ISO 2631 ­2  :  1989  IS  13276  (Part 2)  :  1992 Evaluation of  do human exposure to whole body vibrations: Part  2 Continuous  and  shock  induced vibrations in buildings (1­80 Hz) 

ISO 5348  :  1987  IS  14883  : 2000 Mechanical vibration and  do shock: Mechanical mounting of accelerometers 

The  concerned technical committee has  reviewed the provisions  of the  following  International Standards referred  in  this  adopted  standard  and  has  decided  that  they are  acceptable  for  use  in  conjunction with  this  standard: 

International  Title Standard 

ISO 4356 :  1977  Bases  for  the  design  of  structures  ­  Deformations  of  buildings  at  the serviceability  limit  states 

IEC 68­2­27 : 1987  Environmental  testing  ­  Part  2  : Tests  ­ Test  Ea  and Guidance  :  Shock 

For  the  purpose  of  deciding whether  a  particular  requirement  of  this  standard  is  complied  with,  the final  value,  observed  or calculated,  expressing  the  result of a test or analysis,  shall  be  rounded  off in  accordance  with  IS  2  :  1960  'Rules  for  rounding  off  numerical  values  (revised)'.  The  number  of significant  places  retained  in  the  rounded off value  should be  the  same as  that  of the specified  value in this standard. 

Amend No. 2 to IS 14884 : 2000

AMENDMENT NO. 2 AUGUST 2007 TO

IS 14884 : 2000/ISO 4866 : 1990 MECHANICAL VIBRATION AND SHOCK — VIBRATION OF BUILDINGS — GUIDELINES FOR THE MEASUREMENTS OF

VIBRATIONS AND EVALUATION OF THEIR EFFECTS ON BUILDINGS

[Page  17,  Annex  D  (see  also  Amendment No. 1)] —  Insert  the  following  Annex  as Annex E and renumber the existing Annex E as Annex F: 

Price Group 4 1

Amend No. 2 to IS 14884 : 2000

Annex E (informative) 

Vibrational interaction between the foundation of a structure and the soil

E.1 General

When  vibration  measurements  cannot  be  made  on  the  foundation  of  a  structure  or  inside  a  building,  ISO  4866 allows  that  measurements  be  made  on  the  ground  surface  outside.  It  may  also  be  necessary  to  predict  the response  of  a  building  not  yet  constructed.  In  both  cases  there  is  a  need  to  understand  the  dynamic  interaction between  a  building  and  the  ground. 

In  the  first  case,  the  most  suitable  position  outside  the  building  for  measurement  and  the  relationship  between  the signal  at  that  position  and  that  on  the  building  foundation  need  to  be  established. 

In  the  second  case,  the  response  of  the  foundation  of  the  building  may  be  expected  to  follow  closely  the  motion  of the  ground  in  contact  with  the  foundation  unless  interaction  is  significant.  This  annex  seeks  to  indicate  the  nature of  such  an  interaction  and  suggests  procedures which  allow  it  to  be  taken  into  account. 

Figure E.1  illustrates  the  notation which will  be  used  in  this  annex  in  terms  of  the  peak  amplitude,  u,  of  a  travelling wave  passing  across  a  foundation  (u  can  be  the  displacement,  velocity  or  acceleration  amplitude  of  the  sinusoidal wave).  Free­field  amplitude  is  denoted  by  uo,  amplitude  in  the  base  of  the  foundation  by  up,  amplitude  at  an arbitrary  position  in  the  structure  by  ust,  and  on  the  soil  surface  near  an  existing  building  by  u^.  Far  from  the structure,  uN  =  u0.  Soil­structure  interaction  analysis  is  concerned  generally  with  the  relationship  between  free­field motion  and  structure  motion,  that  is  ust/u0  and,  in  particular,  uF/u0  =  r0.  The  important  ratio  uf/u^  =  rN  is  given  by the  more  sophisticated  procedures  which  also  address  the  problem  of  soil  response  involving  the  variation  of vibration  amplitude  with  depth. 

2

Amend No. 2 to IS 14884 : 2000

Symbols:

µ  is  the  displacement,  velocity  or  acceleration  amplitude  of  the  sinusoidal  wave; 

µ0  is  the  free­field  amplitude; µN  is  the  amplitude  on  the  soil  surface  near an  existing  building; 

µF  is  the  amplitude  in  the  base  of  the  foundation; 

µst  is  the  amplitude at  an  arbitrary  position  in  the  structure. 

r0 = µF/µ0 rN = µF/µN 

Figure E.1 — Notat ions , illustrated at a horizontally propagating w a v e

3

Amend No. 2 to IS 14884 : 2000

E.2 Theoretical considerations

Soil­structure  interaction  influences  the  dynamic  response  of  all  structures  to  some  degree.  Only  a  rigid  building bonded  to  rigid  ground  would  respond  in  the  same  way  as  the  ground.  In  reality,  the  ground  does  not  have  an infinite  rigidity  and  may  provide  a  mechanism  for  the  radiation  and  dissipation  of  energy.  Hence  it  can  be  thought  of as  acting  as  a  spring  and  dashpot  system  or  a  series  of  such  systems  just  below  the  foundation. 

The  degree  to which  soil­structure  interaction  is  a  significant  aspect  of  structural  response  depends on  the  dynamic parameters  of  the  structure  and  of  the  ground,  in  particular  on  the  natural  frequencies  of  the  structure  and  the shear  stiffness  of  the  ground.  When  considering  relatively  stiff  low­rise  buildings  (low  rise =  6 m  to  7 m  high),  the problem may  be  examined  as  the  vertical  response  of  a  rigid mass  on  a  spring  and  a  dashpot  adjusted  to match  the analytical  solution  with  the  ground  as  semi­infinite  isotropic  and  homogeneous  elastic  halfspace.  Such  simple concepts  suggest  that  the  maximum  amplification  to  be  expected  in  the  vertical  direction  is  not  likely  to  exceed  2. Rocking  and  sliding  modes  can  also  be  explored  in  a  similar  manner  and  suggest  that  somewhat  higher magnifications  can  be  theoretically  achieved  in  most  cases.  However,  vertical  amplification  is  surely  limited because  energy  captured  by  the  structure  from  the  passing  wave  is  reradiated  into  the  ground  thus  damping  the amplitude  response. 

Full  consideration  of  soil­structure  interaction  should  take  account  of  the  layering  of  the  soil,  the  variation  of  shear stiffness  with  depth,  the  effects  of  building  load  on  soil  stiffness,  the  effect  of  shear  strains  on  soil  stiffness,  the geometry  of  the  foundation,  and  foundation  embedment,  as  well  as  the  frequency  content  of  the  excitation. 

Dynamic  soil­structure  interaction  is  one  of  the  central  problems  in  earthquake  engineering,  and  over  the  last  two decades  methods  of  analysis  have  been  highly  developed,  mainly  for  the  nuclear  industry,  giving  rise  to  a  vast literature  (see  references  [39]  to  [45]).  Refined  analysis  has  also  been  used  for  wind  and  man­made  loading  and some  simplified  rules  have  been  derived  (see  references [46] and  [47]).' 

These  advanced  analytical  methods  can  be  grouped  into  two  classes: 

a)  the  direct  method,  whereby  the  soil  and  structure  are  treated  together;  the  ground  may  be  represented  by finite  elements,  lumped  parameters  or  both  (hybrid  models); 

b)  the  substructure  method,  whereby  the  response  of  the  ground  and  structure  are  calculated  as  separate systems  with  a  separation  between  ground  and  structure  to  which  springs  and  dashpots  or  stiffness  functions are  applied. 

Another  approach  is  the  response  spectrum,  widely  used  in  earthquake  engineering  and  other  shock  loading (see  reference  [48]).  It  can  be  adapted  to  take  some  account  of  soil­structure  interaction  by  reducing  the  natural frequency  assessed  for  a  structure  on  soils  of  low  stiffness.  The  effects  of  soil  response  can  be  allowed  for, in  part,  by  using  design  response  spectra  which  vary  according  to  the  shear modulus depth  profile  of  the  soil. 

Generally,  the  closer  the  frequency  of  the  excitation  is  to  the  natural  frequency  of  a  building  or  building  element  the greater  will  be  the  response.  Earthquakes,  with  low  frequencies  of  0,5  Hz  to  8 Hz,  will  tend  to  excite  the  lower natural  frequencies  of  buildings;  man­made  excitation  is  generally  at  higher  frequencies  and  tends  to  excite  the structural  elements  of  a  building.  Furthermore,  the  range  of  vertical  frequencies  of  building  elements  (6 Hz  to 40  Hz)  lies  in  the  range  of  man­made  excitation,  leading  to  the  relatively  large  bending  responses which  have  been observed  in  ceilings  (see  reference  [49]). 

E.3 Relationship between vibration at the ground surface and at the foundation

There  are  difficulties  associated  with  measurements  on  the  ground  near  the  building,  for  example: 

—  the  measuring  point  is  usually  remote  from  the positions  of  interest within  the  structure; 

—  there are more uncertainties  in  coupling  the  transducer  to  the  ground than  in  fixing  it  to a  building part; 

—  the  soil  near a  building  is  often  disturbed; 

—  vibration  amplitudes  near  a  building  may  change  with  distance  from  the  building  as  a  proportion  of  the wavelength. 

4 

Around No. 2 to IS 14884 : 2000

The  direct  methods  for  analysis  of  soil­structure  interaction  are  expensive  and  need  detailed  knowledge  of  soil properties,  however,  they  can  give  some  guidance  on  the  following  factors  influencing  rN. 

a)  The  amplitude  of  vibration  may  be  affected  by  reflection  at  the  front  of  the  foundation  (with  respect  to  the travelling  wave)  and  decreased  at  the  rear  side  by  dissipation  and  front  side  reflection.  Theses  effects  depend on  the  foundation  size,  depth  and  excitation wavelength. 

b)  Where  the  propagation  behaves  like  a  surface  Rayleigh  wave  (which  is  usual  for  distant  sources),  the amplitudes  decrease with  depth  (see,  for  example,  figure  E.2),  so  deeper  foundations  pick  up  less  motion. 

c)  Strong  earthquake  motions  are  usually  modelled  as  vertically  propagating  horizontally  polarized  shear  waves with  amplitudes  increasing  as  the  waves  pass  upwards  from  high  rigidity.  So  again,  deeper  foundations  may pick  up  smaller  vibration. 

Such  complexities  preclude  a  definitive  set  of  rules  relating  rN  and  r0  to  the  category  of  structure  and  character  of excitation,  but  both  measurements  (see  reference  [50])  and  theoretical  studies  indicate  that  in  most  situations  of man­made  excitations  the  value  of  rN  is  likely  to  be  unity  or  less.  This  has  been  supported  by  results  of  a questionnaire1)  which  has  indicated  that  for  vertical  motion without  regard  to  frequency,  rN  was  in  the  range  0,3  to 0,6.  The  maximum  magnification  recorded  was  in  the  horizontal  response  and  amounted  to  a  13  %  increase. Histograms  of  the  replies  to  the  questionnaire  are  given  in  figures  E.3  and  E.4. 

This  general  reduction  of  vertical  vibration  on  the  foundation  as  compared  with  that  on  the  soil  surface  near  a building  may  not  hold  in  cases where  there  is  a  marked  rocking  response  to  continuous vibration. 

As  for  preferred  positions  of  measurement  near  a  building,  it  is  suggested  that  these  positions  should  be  less  than 2  m  or  1/10  of  the  dominant  wavelength  away  from  the  building. 

1)  The questionnaire contained various ground conditions as well as various types of vibration excitation. 

5 

Amend No. 2 to IS 14884 : 2000

??? is the Rayleigh wavelength. 

Figure E.2 — Variation of vibrational amplitude µZ with depth z of a Rayleigh wave

Amend No. 2 to IS 14884 : 2000

Figure E.3 — Frequency  distribution  of  rN  (vertical  direction  of vibration) 

Figure E.4 — Frequency distribution of rN (horizontal direction of vibration)

7

Amend No. 2 to IS 14884 : 2000

Page  18 

Add  references [39] to [50] to  annex  F. 

[39]  NEWMARK,  M.  and  ROSENBLUTH,  E.  Fundamentals  of earthquake  engineering.  Prentice  Hall,  1973. 

[40]  RICHARD,  F.E.,  HALL,  J.R.  and WOODS.  R.D.  Vibrations of soils and foundations.  Englewood  Cliffs,  NJ,  1970. 

[41]  WOLF,  J.P.  Dynamic  soil structure  interaction.  Prentice  Hall,  1985. 

[42]  CLOUGH,  R.W.  and  PENZIEN,  J.  Dynamics  of structures.  McGraw Hill  Corp.,  New York,  1975. 

[43]  WARBURTON,  G.B.,  RICHARDSON,  I.D.  and  WEBSTER,  J.J.  Forced  vibrations  of  two  masses  on  an  elastic halfspace.  Transactions  ASMS,  March  1971. 

[44]  HOLZLOHNER,  U.  Dynamically  loaded buildings on  the soil.  Proc. XICSMFE,  Vol.  3,  Stockholm,  1981. 

[45]  ROESSET,  J.M.  and  GONZALES,  J.J.  Dynamic  interaction  between  adjacent  structures.  Proc.  DMSR,  Karlsruhe 1977, Vol.  1,  Balkema,  Rotterdam,  1978. 

[46]  ELLIS,  B.R.  Dynamic soil structure  interaction  in  tall buildings.  Ph.D.  Thesis,  University of  London,  1984. 

[47]  AUERSCH,  L.  Durch  Bodenerschutterungen  angeregte  Gebaudeschwingungen  —  Ergebnisse  von Modellrechnungen.  BAM  Research  Report  108,  Wirtschaftsverlag  NW,  Bremerhaven,  1984. 

[48]  FOSTER,  G.A.  Structural  response  and  human  response  to  blasting  vibration  effects —  is  there  a  connection? Vibra­tech  report,  1985. 

[49]  AUERSCH,  L.,  HEBENER,  H.  and  RUCKER,  W.  Erschütterungen  infolge  Schienenverkehr:  Theoretische  und meβtechnische  Untersuchungen  zur  Emission,  zur  Ausbreitung  durch  den  Boden  und  zur  Ubertragung  im Gebäude.  STUVA  Report  No.  19  (series  Verminderung  des  Verkehrslärms  in  Städten  und  Gemeinden, Teilprogramm  Schienennahverkehr),  1986. 

[50]  SISKIND,  D.E.  and  STAGG,  M.S.  Blast  vibration  measurements  near  and  on  structure  foundations.  Report  of Investigations  R1 8969,  US  Bureau  of  Mines,  1985. 

(MED 28) 

Reprography Unit BIS, New Delhi, India 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

AMENDMENT 1 

Page 17 

Add  the  following  annex  as  annex  D  and  change  the  present  annex  D  to  annex  E. 

Page 18 

Add  references  [24]  to  [38]  to  annex  E. 

19

IS  14884  : 2000 ISO  4866  :  1990 

Annex D (informative) 

Predicting  natural  frequencies  and  damping  of buildings 

Introduction 

ISO  4866:1990  specifies  methods  of  measuring building  response  including  fundamental  natural frequencies.  When  direct  measurements  cannot  be made  or  are  limited  in  usefulness  by  high  damping, sub­component  resonances  or  other  practical  prob­lems,  it  becomes  necessary  to  estimate  natural  fre­quency  and  damping  values. 

This  annex  offers  guidance  on  the  ways  in  which  the fundamental  natural  frequency  and  associated  damp­ing  value  may  be  assessed.  It  draws  attention  to  the uncertainties  involved  which  should  be  taken  into account  wherever  an  estimation  of  fundamental natural  frequencies  of  a  building  is  used  in  measuring or  evaluation  procedures. 

D.1  Predicting  natural  frequencies of tall buildings  using  empirical  methods 

There  are  many  empirical  formulae  for  predicting  the frequency  f,  or  period  T,  of  the  fundamental translation  mode;  of  these  the  simplest  is  f  =  10/N  Hz (i.e.  T  =  0.1 N  s).  where  N  is  the  number  of  storeys. Various  other  formulae  are  given  in  the  codes  of different  countries  and  these  can  be  grouped  into three  categories: 

T = k1 H 

where 

H  is  the  height,  in metres; 

T  is  the  period,  in  seconds; 

k1  ranges  from  0,14  sm­1  to  0,03  sm­1 

(references  [24]  to  [271]). 

...D.1 

T =  k2H√ D  . . .  D.2 

where 

D  is  the width  parallel  to  the  force,  in metres; 

k2  ranges  from  0,087  sm­3/2  to  0,109  sm­3/2 

(references [25] and  [28]). 

T =  k3 H  √ D  func(H,D,I)  . . .  D.3 

(see,  for  example,  reference  [29]). 

NOTE 1  k1  has the units sm­1; k2 has the units sm­3/2. 

A  later  study  [301,  considering  a  sample  of  163  rec­tangular­plan  buildings,  recommended  f  =  46/H  Hz∙m (i.e.  T  =  0,022//  sm­1)  for  the  fundamental  translation mode,  f  =  58/H  Hz∙m  for  the  orthogonal  fundamental translation  mode  and  f  =  72/H  Hz.m  for  the  fun­damental  torsional  mode  (sample  size  of  63  buildings). 

NOTE 2  These formulae for f are  empirical.  They may also be  considered  as  numerical  value  equations yielding  values of  f  in  hertz  when  values  of  H  in  metres  are  inserted,  for instance f = 46/H. 

Figure  D.1  shows  the  resulting  fit  of  the  curve f  =  46/H  Hz∙m  to  the  data  and  it  can  be  appreciated that  large  errors  are  likely  to  be  encountered.  It  can  be seen  that  errors  of  ±  50  %  are  not  uncommon,  and this  is  typical  of  the  accuracy  which  can  be  expected using  empirical  formulae.  Based  on  measured  data,  it appears  that  the  mode  shapes  of  the  fundamental modes  of  tall  buildings  can  be  reasonably  approxi­mated  by  straight  lines. 

20 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1900

D.2 Predicting natural frequencies of tall buildings using computer-based methods

properties  of  buildings.  Predictions  of  fundamental frequencies  should  therefore  be  treated  with  caution. 

It  has  long  been  realised  that  comparatively  large errors  are  likely  to  occur  using  the  simple  empirical formulae,  but  it  has  also  been  generally  accepted  that a  satisfactory  estimate  of  frequency  can  be  obtained using  one  of  the  standard  computer­based  methods. However,  buildings  are  complicated  structures  and  it is  not  a  simple  task  to  create  an  accurate mathematical  model;  consequently  it  must  be accepted  that  these  models  will  only  provide approximate  predictions.  In  a  study  [30]  examining published  evidence,  the  correlation  between computed  frequencies  and  measured  frequencies was  actually  considerably  worse  than  the  correlation between  the  frequencies  predicted  using  f  =  46/H Hz∙m  and  the  measured  values.  This  discrepancy  can be  attributed  to  inadequacies  in  modelling  the  real 

Special  methods  have  been  developed  for  analysis  of core  buildings  [31],  shear  buildings  [32]  and  sway frame  and  frame  buildings  [33], but with  any  method  it is  important  to  check  whether  the  method  has  been calibrated  using  a  range  of  reliable  experimental  data and  to  understand  what  errors  are  likely  to  be encountered.  If  the  method  has  not  been  proven,  then accuracies  greater  than  those  obtained  for  empirical predictors  should  not  be  assumed.  Only  the fundamental  frequencies  have  been  discussed,  but the  predicted  frequencies  of  higher  frequency  modes will  suffer  from  similar  or  (more  probably)  greater errors.  This  means  that,  except  for  special  cases where  the  mathematical  model  has  been  tuned  to experimental  results,  predictions  involving  many calculated  modes  must  be  regarded  as  unreliable. 

Figure D.1 — Plot of height versus fundamental frequency for 163 rectangular-plan buildings using logarithmic scales

21

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

D.3 Predicting damping values of tall buildings

The  damping  (or  rate  of  energy  dissipation)  in  any  one mode  limits  the  motion  in  that  mode,  and consequently  to  estimate  the  building  response  to  a given  load  it  is  necessary  to  estimate  or  measure  the amount  of  damping.  No  proven  methods  of  predicting damping  exist  and  the  measured  data  show  that damping  values  between  0,5  %  and  2,1  %  critical  can occur  (see  figure  D.2).  Higher  values  may  also  be encountered  in  buildings  where  soil/structure  inter­

action  is  significant.  Simple  steel  frames  are  likely  to have  much  lower  damping.  Methods  of  predicting damping  have  been  developed  (see  refs.  [34]  and  [35]) but,  again,  the  expected  accuracy  is  not  quoted. 

Figure  D.2  shows  a  plot  of  damping  versus  building height  for  a  selected  sample  of  buildings  [36].  It  can be  seen  that  large  differences  in  damping  can  be obtained  for  orthogonal  translation  modes  of  the same  building.  Damping  is  partly  a  function  of  the construction  procedures  and  workmanship  involved and  cannot  be  predicted  accurately.  Consequently, large  errors  in  estimation  must  be  anticipated. 

Domping ratio, % critical 

Figure D.2 — Building height versus damping ratio for the fundamental translation modes of 10 buildings where soil/structure interaction was negligible (from decay measurement)

22 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

D.4 Natural frequencies and damping values in low-rise buildings

The  characteristics  of  96  low­rise  buildings  are presented  in  references  [37]  and  [38].  The  buildings were  located  in  the  USA  and  are  described  as  1,  1½ and  2  storey  buildings  with  basements,  partial basements  or  crawl  spaces.  The  data  show  that  the average  measured  frequency  decreases  with  building height. 

Figure  D.3  shows  a  histogram  relating  the  number  of buildings  to  their  measured  frequencies.  It  is important  to  note  the  range  of  frequencies  which  is encountered  and  thus  the  error  involved  in  using  an empirical  prediction.  There  is  no  obvious  tendency  for the  frequencies  to  vary with  the  age  or  location  of  the houses,  and  there  is  no  correlation  of  the  frequencies with  plan  dimensions. 

Figure  D.4  shows  a  histogram  relating  the  number  of buildings  to  their  damping  ratios.  This  indicates generally  higher  damping  ratios  than  for  taller buildings  and  shows  the  range  of  damping  values which  may  be  encountered.  No  obvious  relationship between  damping  and  building  geometry  exists. 

D.5 Non-linear behaviour The  previous  clauses  discuss  the  natural  frequency and  the  damping  of  each  mode  and  this  might  give the  impression  that  these  quantities  are  invariant. However,  they  do  vary  with  amplitude  of  motion  and for  earthquake  analyses  this  might  be  important (albeit  difficult  to  quantify).  In  general,  wind  loading induces  small  amplitude  motion  (in  comparison  with large  earthquakes)  and  the  changes  in  natural frequency  and  damping  over  the  range  of  amplitudes normally  encountered  is  small.  In  one  building  which was  subjected  to  forces  equivalent  to  a  range  of winds  from  light  to  hurricane  force,  changes  of  3  %  in frequency  and  30  %  in  damping were  recorded  [36].  It can  be  appreciated  that  these  changes  are  perhaps not  significant  and  can  be  ignored  for  design purposes. 

D.6 Final comment The  general  conclusion  which  can  be  reached  from this  annex  is  that  theoretical  predictions  are  likely  to involve  considerable  inaccuracies.  Consequently, theoretical  analyses  should  consider  these  possible inaccuracies  by  carrying  out  parametric  variation  and, for  important  structures,  the  design  calculations should  be  verified  using  experimental  measurements when  the  structure  is  complete. 

23 

Figure D.3 — Frequencies measured in 96 low-rise buildings

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

Figure D.4 — Damping ratios measured in 96 low-rise buildings

24

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

Bibliography

[24]  KAWECKI,  J.  Empirical  formulae  used  for calculating  the  natural  periods  of  vibrations  of buildings.  Czasopismo  Techniczne, Z 7-B  (129), 1969. 

[25]  STEFFENS,  R.J.  Structural  vibration  and  damage. Building  Research  Establishment  Report,  UK, 1974. 

[26]  BARKADZE,  E.I.  Problems  of  determining  the results  of  instrumental  measurements  of  natural periods  of  buildings.  Soobs  AN  Groz, 39  (6), 1962. 

[27]  NAKA,  T.  Structural  design  of  tall  buildings  in Japan.  ASCE­IABSE  Joint  Committee  Report: Planning  and  design  of  tall  buildings,  Proc.  3rd Regional  Conference,  Tokyo,  Sept.  1971. 

[28]  ANDERSON,  A.W.  et  al.  Lateral  forces  of  earth­quake  and  wind.  Proc.  ASCE, 77  (Separate) No.  66,  1951. 

[29]  Recommendations  Association  Française  du Génie  Parasismique  ­  90.  Presse  des  Ponts  et Chaussées,  Paris. 

[30]  ELLIS,  B.R.  An  assessment  of  the  accuracy  of predicting  the  fundamental  natural  frequencies  of buildings  and  the  implications  concerning  the dynamic  analysis  of  structures.  Proc.  Inst.  Civ. Eng., 69,  Sept.  1980. 

[31]  ESDU  81036,  Undamped  natural  frequencies  of core buildings.  ESDU,  London,  Nov.  1981. 

[32]  ESDU  79005,  Undamped  natural  vibration  of shear buildings.  ESDU,  London,  May  1979. 

[33]  ESDU  82019,  Undamped  natural  vibrations  of sway  frame  buildings  and  frame  structures. ESDU,  London,  Aug.  1982. 

[34]  ESDU  83009,  Damping  of  structures  —  Part  1: Tall buildings.  ESDU,  London,  May  1983. 

[35]  JEARY,  A.P.  Damping  in  tall  buildings  —  A mechanism  and  a  predictor.  Earthquake Engineering  and  Structural  Design,  14,  1986. 

[36]  ELLIS,  B.R.  Dynamic  soil­structure  interaction  in tall buildings.  Ph.D.  Thesis,  University  of  London, 1984. 

[37]  MEDEARIS,  K.  The  development  of  rational damage  criteria  for  low­rise  structure  subjected to  blasting  vibrations.  Report  to  National  Crushed Stone Association, Washington  DC,  Aug.  1976. 

[38]  SISKIND,  D.E.  et  al.  Structural  response  and damage  produced  by  ground  vibration  from surface  mine  blasting.  US  Dept.  of  Interior, Bureau of Mines,  Rl  8507,  1980. 

25 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

Indian  Standard MECHANICAL VIBRATION AND  SHOCK — VIBRATION OF BUILDINGS — GUIDELINES FOR THE MEASUREMENT OF VIBRATIONS AND  EVALUATION OF THEIR  EFFECTS 

ON  BUILDINGS 

1 Scope

This  In te rna t iona l  S t a nd a r d  e s t a b l i s h e s  the  bas i c p r inc ip les  for  ca r ry ing  out  vibrat ion  m e a s u r em e n t and  p r o c e s s i n g  da t a ,  with  r e g a r d  to  eva lua t ing  vi­bra t ion  effects  on  bui ld ings .  It  d o e s  not  cove r  the s o u r c e  of  exci ta t ion  excep t  insofar  as  the  s o u r c e d i c t a t e s  dynam i c  r a ng e ,  f requency  o r  o t h e r  p a r am ­e t e r s .  The  eva lua t ion  of  the  effects  of  building  vi­bra t ion  is  pr imari ly  d i r e c t ed  a t  s t ruc tu ra l  r e s p o n s e , and  i nc ludes  a pp r op r i a t e  analy t ica l  m e t h o d s  wh e r e the  f requency ,  dura t ion  and  amp l i t ude  can  be  de ­fined  This  In te rna t iona l  S t a nd a r d  only  d e a l s  with  the m e a s u r em e n t  of  s t ruc tu ra l  v ibrat ion  and  e x c l ud e s the  m e a s u r e m e n t  o f  a i r bo rne  s ound  p r e s s u r e  and o t h e r  p r e s s u r e  f luctuat ions  a l though  r e s p o n s e  t o such  exc i t a t ions  i s  t aken  into  con s i de r a t i on . 

A  building,  for  the  p u r p o s e s  of  this  In te rna t ional S t a nda r d ,  i s  def ined  as  any  a bove ­ g r ound  s t ruc tu re , which  man  frequent ly  inhab i t s  This  e x c l ud e s  from cons i de r a t i on  cer ta in  i t ems  of  plant ,  for  e x amp l e c o l umn s ,  s t a ck s ,  h e ad f r ame ,  c on t a i nmen t s ,  even t hough  they  may  r e ce i ve  in termi t ten t  visits  from  op ­e ra t ing  staff. 

The  s t ruc tura l  r e s p o n s e  of  bui ld ings  d e p e n d s  upon the  exci ta t ion;  to  this  end  this  In te rna t iona l  S t a nd a r d e x am i n e s  t he  m e t h o d s  o f  m e a s u r em e n t s  a s  affected by  the  s o u r c e ,  i.e.  f requency ,  dura t ion ,  and  ampl i ­t u d e s  a s  i nduced  by  any  s ou r c e ,  s uch  a s  e a r t h ­q u a k e s ,  e xp l o s i on s ,  wind  effects,  son ic  b o oms , in terna l  mach i n e r y ,  traffic,  cons t ruc t i on  act ivi t ies and  o t h e r s . 

NOTE  1  There  are  differences  between  ear thquakes  and man­made  vibrations  which  affect  recording  conditions. Earthquake­fault­rupture  sources  are  large  in  size  and much  deeper  than  most  man­made  sources.  They  can cause  damage  at  great  distances,  have  much  greater  en­ergy  flux  and  duration  and  a  different  pattern  of  wave propagation.  Consequently,  for  the  same  parameter  value (for  example  peak  particle  velocity),  the  effects  on buildings  are  different. 

2 Normative references

The  following  s t a n d a r d s  conta in  p rov i s ions  which, th rough  r e f e r ence  in  this  text,  cons t i tu te  p rov is ions of  this  In te rna t ional  S t anda rd .  At  the  t ime  of  publi­ca t ion,  the  ed i t ions  ind ica ted  w e r e  valid.  All  s tan­d a r d s  a r e  sub jec t  to  revis ion ,  and  pa r l i e s  to a g r e em e n t s  b a s e d  on  this  In te rna t ional  S t anda rd a r e  e n c o u r a g e d  to  i nves t iga t e  t he  possibil i ty  of  ap ­plying  the  mos t  r e cen t  ed i t ions  of  the  s t a n d a r d s  in­d ica ted  below.  Memb e r s  of  IEC  and  ISO  mainta in r eg i s t e r s  of  cur ren t ly  valid  In terna t iona l  S t a n d a r d s 

ISO  2041  1975,  Vibration  and  shock  —  Vocabulary 

ISO  2631­2:1989,  Evaluation  of  human  exposure  to whole­body  vibration  —  Part  2  Continuous  and shock­induced  vibrations  in  buildings  (1  to  80  Hz). 

ISO  4356  1977,  Bases  for  the  design  of  structures  — Deformations  of  buildings  at  the  serviceability  limit states 

ISO  5348:1987,  Mechanical  vibration  and  shock  — Mechanical  mounting  of  accelerometers. 

IEC  68­2­27:1987,  Environmental  testing Tests  —  Test  Ea  and  Guidance:  Shock. 

– Part  2 

3 Source-related factors to be considered

3.1 Characteristics of vibration responses in buildings

The  t ype s  of  vibrat ion  can  be  classif ied  as 

a)  de t e rmin i s t i c , 

b)  r a ndom , 

and  further  subd iv ided  as  g iven  in  8.2 

1 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990 

For  each  type  of  vibration,  a  minimum  amount  of  in­formation  is  needed  so  that  adequate  definition  of the  type  of  vibration  can  be  drawn  up  (see ISO  2041).  [1] 

3.2  Dura t i on 

The  dura t ion  of  the  d yn am i c  exci t ing  force  is  an  im­por tant  p a r ame t e r .  For  t he  p u r p o s e s  of  this  In terna­tional  S t anda rd ,  t he  r e s p o n s e  can  b e  r e g a r d e d  a s con t inuous  o r  t r ans i en t ,  and  t he  type  o f  r e s p o n s e will  be  d ic ta ted  by  t he  r e l a t i onsh ip  b e twe en  the  t ime con s t an t s  a s s o c i a t e d  with  t h e  s t ruc tu ra l  r e s p o n s e and  the  forcing  function. 

The  t ime  cons t an t  of  a  r e s o n a n c e  r e s p o n s e  for  r e s ­o n an c e ,  r,  in  s e c o n d s ,  τr,  is  g iven  by 

whe r e 

ξ r  r e p r e s e n t s  the  inf luence  of  the  d amp i ng and  d e p e n d s  on  the  kind  of  exci ta t ion  (lin­e a r  o r  non­ l inear ) ; 

f r  is  the  r e s o n a n c e  f requency . 

Two  c a s e s  can  t hus  be  defined  (without  r e g a r d  to whe t h e r  or  not  the  exci ta t ion  is  de t e rmin i s t i c  or r andom) : 

—  Continuous 

If  the  forcing  function  imp inge s  on  the  s t ruc tu r e con t inuous ly  for  mo r e  than  5τr ,  then  the  vibrat ion i s  r e g a r d ed  as  con t i nuous . 

—  Transient 

If  the  forcing  function  ex is t s  for  a  t ime  which  is l e s s  than  5τ r ,  then  the  r e s p o n s e  i s  r e g a r d e d  as t r ans i en t . 

S ince  forcing  functions  which  occu r  natural ly  a r e  of­ten  not  well  b e h a v e d  i t  may  be  that  r e s p o n s e s  do not  fall  eas i ly  into  a  s ing le  ca t ego ry .  For  e x amp l e b las t ing  even  with  s e v e r a l  in te rva l s  would  be  con­s i de r ed  t r ans i en t . 

3.3  Frequency  and  range  of  vibration  Intensity 

The  frequency  range  of  vibrations  of  interest  de­pends  upon  the  distribution  of  spectral  content  over the  frequency  range  of  the  excitation  and  upon  the mechanical  response  of  the  building.  This  pinpoints the  spectral  content  as  a  most  important  property of  vibration  input.  For  simplicity's  sake,  this  Interna­tional  Standard  deals  with  frequencies  ranging  from 0,1  Hz  to  500  Hz;  it  covers  the  response  of  buildings of  a  wide  variety  and  building  elements  to  excitation 

from  natural  (wind  and  earthquake)  and  to  man­made  (construction,  blasting,  traffic)  causes .  Internal machinery  may  require  higher  frequencies  to  be  re­corded. 

Most  building  damage  from  man­made  sources  oc­curs  in  the  frequency  range  from  1  Hz  to  150  Hz. Natural  sources,  such  as  earthquakes,  usually  con­tain  energy  at  lower  frequencies  in  the  range  from 0,1  Hz  to  30  Hz  at  damaging  intensities.  Wind excitation  tends  to  have  significant  energy  in  the frequency  range  from  0,1  Hz  to  2  Hz. 

Vibration  levels  of  interest  range  from  a  few  to  se­veral  hundred  millimetres  per  second  depending  on frequency. 

4  Building­related  factors  to  be considered 

The  reaction  of  buildings  and  building  components to  dynamic  excitation  depends  upon  response  char­acteristics  (for  example  natural  frequencies,  mode shapes  and  modal  damping)  as  well  as  the  spectral content  of  the  excitation.  Cumulative  effects  should be  considered,  especially  at  high  response  level  and long  exposure  times  where  fatigue  damage  is  a possibility. 

4.1  Type  and  condition  of  buildings 

In  order  to  describe  properly  and  categorize  the visible  effects  of  vibration  and  the  results  of  Instru­mental  measurements,  a  classification  of  buildings as  defined  in  clause  1  is  needed.  For  the  purposes of  this  International  Standard,  a  classification  of buildings  is  set  out  in  annex  A. 

4.2  Natural  frequencies  and  damping 

The  fundamental  natural  frequencies  of  a  building or  of  parts  of  the  building  influence  its  response  and need  to  be  known  to  allow  the  several  methods  of evaluating  vibration  to  be  applied.  This  may  be achieved  by  spectral  analysis  of  low­level  response to  ambient  excitation  or  by  the  use  of  exciters.  [2] 

Where  a  full  response  analysis  is  not  undertaken and  an  assessment  of  potential  vibration  severity  is needed,  empirical  expressions  relating  the  height of  a  building  to  the  fundamental  period  can  be  used. (3),  [4] ,  [5] 

Experimental  studies[6]  have  indicated  the  range  of fundamental  shear  frequency  of  low­rise  buildings 3  m  to  12  m  high  to  be  from  4  Hz  to  15  Hz.  Damping behaviour  is  generally  amplitude­dependent.  The natural  frequency  and  damping  behaviour  of  sta­tionary  structures  will  be  dealt  with  in  a  future  ad­dendum  to  this  International  Standard. 

2 

IS 14884 : 2 0 0 0 ISO 4 8 6 6 : 1990

4 .3 B u i l d i n g b a s e d i m e n s i o n s

Ground ­bo r n e  v ib ra t ions  may  h a v e  wav e l e n g t h s  o f a  few  m e t r e s  to  s e v e r a l  h u n d r e d s  of  me t r e s .  The r e s p o n s e  exc i ta t ion  from  sho r t e r  wav e l e ng t h s  i s c omp l ex  and  the  founda t ions  may  act  as  a  filter. Sma l l e r  d ome s t i c  bui ld ings  would  gene ra l l y  h ave b a s e  d imen s i o n s  sma l l e r  t han  the  cha r ac t e r i s t i c wav e l e n g t h s  of  all  but  the  h ighes t ­ f r equency  s o u r c e s (for  e x amp l e  p rec i s ion  b las t ing  in  rock). 

4.4 I n f l u e n c e of so i l

It  is  now  c ommon  in  e a r t h q u a k e  eng i nee r i ng  s t ud i e s to  t ake  into  a ccoun t  the  inf luence  of  the  soil.  [ 3 ] 

An  eva lua t ion  of  such  in terac t ion  effects  is  s om e ­t imes  justified  for  m a n ­m a d e  v ibra t ions ;  such  an eva lua t ion  d em a n d s  that  the  s h e a r  wave  velocity  o r dynami c  rigidity  modu l u s  in  an  app rop r i a t e  vo l ume of  g round  mate r i a l  be  d e t e rm i n ed .  Empir ica l ,  nu­mer ica l  and  analyt ical  p r o c e d u r e s  may  be  ob t a i n ed from  s eve r a l  s o u r c e s .  [ 7 ] 

Founda t i ons  on  poor  soi ls  and  fill  may  suffer  from s e t t l emen t  or  loss  of  bea r i ng  capac i ty  d u e  to  g round vibrat ion.  The  risk  of  s uch  effects  is  a  function  of  t he par t ic le  s i ze  of  the  soil,  its  uniformity,  compac t ion1 ) , d e g r e e  of  s a tu ra t ion ,  in ternal  s t r e s s  s t a t e ,  as  well as  the  p eak  mult iaxial  a c ce l e r a t i on  and  dura t ion  of t he  g round  vibrat ion.  Loose ,  c o h e s i o n l e s s ,  s a t u r a t e d s a n d s  a r e  e spec i a l l y  vu l ne r ab l e  and  in  e x t r eme  cir­c um s t a n c e s  may  u n d e r g o  l iquefaction.  This  phe ­n omen o n  n e e d s  to  be  t aken  into  cons i de r a t i on  in eva lua t ing  v ib ra t ions  and  expla in ing  their  effects [8 ] ,  [ 9 ]  ( S e e  a l so  a nn ex  A  ) 

5 Quantity to be measured

The  cha r a c t e r i z a t i on  of  both  the  n a t u r e  of  vibrat ion input  and  the  r e s p o n s e  may  be  effected  by  a  var ie ty of  d i s p l a c emen t ,  velocity  or  a c ce l e r a t i on  t r a n s ­d u c e r s .  T h e s e  can  furnish  a  r eco rd  as  a  function  of t ime .  It  is  the  u sua l  p rac t i ce  to  s e n s e  a  k inemat ic quant i ty ,  s u ch  as  velocity  o r  a c ce l e r a t i on .  From knowledge  of  the  a pp r op r i a t e  t r ans fe r  function  of  the s e n s i n g  s y s t em ,  e a c h  quant i ty  can  be  de r ived  from ano t h e r  by  in tegra t ion  or  differentiation.  In tegra t ion a t  lower  f r equenc i e s  cal ls  for  c a r e  and  conf idence in  amp l i t u d e ­ p h a s e  r e s p o n s e  of  t he  t r a n s d u c e r  and i n s t rumen t  cha in  ( s e e  c l a u s e  6).  As  long  as  t he  re ­qu i r emen t  on  d a t a  col lect ion ,  t r e a tmen t  and  p r e s ­en ta t ion  ( s e e  c l a u s e  6 )  c an  be  met ,  t he  s e n s o r  may r e s p ond  t o  any  c h o s e n  quant i ty .  Expe r i enc e  sug ­g e s t s  tha t  t h e r e  a r e  p re fe r r ed  m e a s u r i n g  quan t i t i e s for  different  s i tua t ions  ( s e e  t a b l e  1). 

1 )  Soil  c omp a c t i o n  m a y  be  mon i t o r e d  by  p r e c i s e  l eve l l ing 

6 Measuring Instrumentation

6.1 G e n e r a l r e q u i r e m e n t s

Vibration  is  m e a s u r e d  with  a  view  to  us ing  the  da ta in  s om e  eva lua to ry  or  d i agnos t i c  p r o c e du r e  or  to moni tor ing  a  vibrat ion  with  s om e  e s t a b l i s h ed  t a rge t level  in  mind.  For  eva lua t ion ,  the  min imum  per­f o rmance  shal l  be  sufficient  to  mee t  the  r equ i re ­men t s  laid  down  in  c l a u s e  3  and  c l a u s e  7  with r e g a r d  to  the  eva lua to ry  p r o c e d u r e s  d e s c r i b ed  in c l a u s e  9. 

It  is  not  e x p e c t e d  tha t  a  s ing le  i n s t rumen ta t i on  sy s ­tem  would  me e t  all  t he  r e q u i r emen t s  of  f requency and  dynamic  r a n g e  for  the  wide  r a ng e  of  s t r u c t u r e s and  inputs  for  which  this  In terna t ional  S t a nda r d  is app l i cab le . 

The  me a s u r i n g  s y s t em  inc ludes  the  following in s t rumen ta t i on : 

—  t r a n s d u c e r s  ( s e e  6.2); 

—  s igna l ­condi t ion ing  equ i pmen t , 

—  da ta  r eco rd ing  s y s t em . 

The  f requency  r e s p o n s e  cha r a c t e r i s t i c s  (ampl i tude and  ph a s e )  n e ed  to  be  specif ied  for  the  comp l e t e me a s u r i n g  s y s t em  when  c onne c t e d  t og e t h e r  in  the m a n n e r  t o  be  u s ed . 

The  d e g r e e  to  which  m e a s u r e d  motion  n e e d s  to  ap ­p roach  t rue  motion  will  d e p e n d  upon  the  c h a r a c t e r of  the  inves t iga t ion  and  the  eva lua t ion  me thod  u sed . 

The  min imum  r equ i r emen t  for  9.2.2  and  9.2.3  is  that the  vibrat ion  shal l  be  c h a r a c t e r i z e d  by  a  con t i nuous m e a s u r em e n t  of  the  p e ak  par t ic le  velocity  va l ue s . 

The  min imum  r equ i r emen t  for  9.2.4  is  that  the  t ime history  of  the  vibrat ion  shal l  be  r e co rded  ove r  suffi­c ient  dura t ion  and  with  sufficient  a c cu r a c y  to  e s t a b ­lish  its  spec t r a l  c ha r a c t e r i s t i c s .  Analog  or  digital m e t h o d s  a r e  ava i l ab l e  subject  t o  the  s t ipula t ions laid  down  in  this  c l a u s e . 

6.2 C h o i c e o f t r a n s d u c e r s

The  cho i ce  of  t r a n s d u c e r s  is  impor tan t  for  the  cor­rect  eva lua t ion  of  v ibra tory  motion.  In  g ene r a l , t r a n s d u c e r s  may  be  divided  into  two  g r oup s  prod­ucing  a  l inear  ou tput  e i the r  a bov e  or  be low  the  na­tural  r e s o n a n c e  of  t he  s e n s i ng  me c h a n i sm .  The so­ca l led  "velocity  p ick­up"  or  " g e o p h o n e "  widely u s ed  in  s t ruc tu ra l  vibrat ion  m e a s u r em e n t  is  typical of  an  e l e c t r omagne t i c  s e n s o r  ope r a t i ng  at  a  fre­q u en cy  a bov e  its  na tu ra l  r e s o n a n c e ,  w h e r e a s  a p iezo­e lec t r i c  a c c e l e r ome t e r  usua l ly  o p e r a t e s  be low 

3 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

Table 1 — Typical range of structural r e s p o n s e for various s o u r c e s

Vibration forcing function

Traffic road ,  rail,  g r o u n d ­ b o r n e 

Blas t ing  v ib r a t i on g r o u n d ­ b o r n e 

Pile  dr iv ing g r o u n d ­ b o r n e 

Mach i n e r y  o u t s i d e g r o u n d ­ b o r n e 

Acous t i c traffic,  m a c h i n e r y  o u t s i d e 

Air  ove r  p r e s s u r e 

Mach ine ry  i n s i d e 

Human  ac t iv i t i e s a)  impac t b)  d i r ec t 

E a r t h q u a k e s 

Wind 

Acous t i c  Ins ide 

Frequency range

Hz 

1  to  80 

1  to  300 

1  to  100 

1  to  300 

10  to  250 

1  to  40 

1  to  1  000 

0,1  to  100 0,1  to  12 

0,1  to  30 

0,1  to  10 

5  to  500 

Ampl i tude range

µm 

1  to  200 

100  to  2  500 

10  to  50 

10  to  1  000 

1  to  1  100 

1  to  100 

100  to  500 100  to  5 000 

10  to  105 

10  to  105 

Particle ve loc i ty

range

mm / s 

0,2  to  50 

0,2  to  500 

0,2  to  50 

0.2  to  50 

0,2  to  30 

0,2  to  30 

0,2  to  20 0,2  to  5 

0,2  to  400 

Particle acce lerat ion

range

m / s 2 

0,02  to  1 

0,02  to  50 

0,02  to  2 

0,02  to  1 

0,02  to  1 

0,02  to  1 

0,02  to  5 0,02  to  0,2 

0,02  to  20 

Time charac-terist ic

C/T 

T 

T 

C/T 

C 

T 

C/T 

T 

T 

T 

Measuring quant i t ies

pv th 

pv th 

pv th 

p v t h / a t h 

p v t h / a t h 

pv th 

p v t h / a t h 

p v t h / a t h 

pv t h / a t h 

ath 

Key 

C  =  c o n t i n u o u s  (  simplified  c a t e g o r i e s ,  s e e  3  1  and  3  2 ) T  =  t r a n s i e n t 

pv th  =  pa r t i c l e  ve loc i ty  t ime  h i s t o ry a th  =  a c c e l e r a t i o n  t ime  h i s t o ry 

NOTES 

1  The  r a n g e s  q u o t e d  a r e  e x t r e m e s  but  i n d i c a t e  t h e  v a l u e s  which  m a y  b e  e x p e r i e n c e d  and  which  m a y  h a v e  t o  b e m e a s u r e d  ( s e e  a l s o  n o t e  3).  Ex t r eme  r a n g e s  o f  amp l i t u d e  o f  d i s p l a c eme n t  and  f r e quency  h a v e  not  b e e n  u s e d  t o  d e r i v e p a r t i c l e  ve loc i ty  a nd  a c c e l e r a t i o n . 

2  Th e  f r e quency  r a n g e  q u o t e d  r e f e r s  to  t h e  r e s p o n s e  o f  bu i ld ings  and  bui ld ing  e l em e n t s  to  t h e  pa r t i cu l a r  t y p e  o f exc i t a t ion .  It  is  i nd i c a t i v e  only 

3  Vibra t ion  v a l u e s  within  t h e  r a n g e s  g i v en  m a y  c a u s e  c o n c e r n .  T h e r e  a r e  no  s t a n d a r d s  which  c o v e r  all  v a r i e t i e s  o f bui lding,  cond i t i on  a n d  d u r a t i o n  o f  e x p o s u r e ,  but  m a n y  na t i ona l  c o d e s  a s s o c i a t e  t h e  t h r e s h o l d  o f  v i s ib le  e f fec ts  with  p e a k pa r t i c l e  v e l o c i t i e s  at  t h e  f ounda t i on  of  a  bu i ld ing  of  m o r e  t h an  a  few  m i l l ime t r e s  p e r  s e c o nd .  A  s ignif icant  p robab i l i t y o f  s o m e  d a m a g e  i s  l inked  t o  p e a k  p a r t i c l e  v e l o c i t i e s  o f  s e v e r a l  h u n d r e d  m i l l ime t r e s  p e r  s e c o n d .  Vibra t ion  l e v e l s  be low t he  t h r e s ho l d  o f  h um a n  p e r c e p t i o n  ( s e e  ISO  2631­2)  m a y  be  o f  c o n c e r n  in  d e l i c a t e  and  indus t r i a l  p r o c e s s e s . 

the  resonance.  There  are  electromagnetic  sensors which  operate  below  their  natural  frequency,  such as  are  widely  used  strong­motion  seismographs. 

In  practice,  care  should  be  exercised  in  using  the phase  information  from  the  "velocity  pick­up"  type of  transducer  at  the  lower  frequencies.  If  both  am­

plitude  and  phase  response  are  critical,  linear  per­formance  of  the  whole  measuring  chain  should  be ensured.  A  low­frequency  cut­off  ten  times  the  low­est  required  measured  frequency  is  often  recom­mended  as  a  good  compromise  and,  in  general,  the measured  signal  should  be  5  dB  above  the  back­ground  noise. 

4 

IS 14884 : 2 0 0 0 ISO 4 8 6 6 : 1990

Velocity  p ick­ups  g e n e r a t e  a  re la t ively  high  s igna l t h u s  simplifying  t h e  i n s t r umen t  cha in .  If  par t i c le  ve ­locity  i s  n e e d e d ,  t h e  p l ezo ­e l ec t r i c  a c c e l e r ome t e r ou tpu t  n e e d s  i n t eg ra t i ng ,  and  with  t r a n s i e n t s  t h e  r e ­s p o n s e  o f  t h e  who l e  cha in  shou ld  be  verified. 

6.3 S i g n a l - t o - n o i s e r a t i o

The  s igna l ­ t o ­no i s e  ra t io  shou ld  gene r a l l y  be  not l e s s  t han  5  dB.  If  t he  s igna l ­ to ­no i s e  rat io  is  b e twe en 10  dB  and  5  dB,  t h e  m e a s u r e d  va lue  shou ld  be  cor­r e c t ed  (i.e.  d imin i shed )  and  the  co r rec t ion  me t hod r epo r t ed .  Ba ckg round  no i s e  i s  def ined  as  the  s um of  all  t h e  s i gna l s  not  d u e  to  t he  p h e n om e n o n  und e r inves t iga t ion . 

7 P o s i t i o n a n d f i x i n g o f t r a n s d u c e r s

7.1 P o s i t i o n s

7.1.1 General

The  p r op e r  cha r a c t e r i z a t i o n  of  t he  vibrat ion  of  a building  r e qu i r e s  a  n umb e r  of  pos i t i ons  of  m e a s ­u r emen t  which  d e p e n d  upon  the  s i ze  and  complex i ty of  the  building. 

Whe r e  t he  p u r p o s e  i s  to  mon i to r  with  r e g a r d  to  im­po s e d  vibrat ion,  t he  p re fe r r ed  posi t ion  is  a t  t he foundat ion ,  a  typical  locat ion  be ing  at  a  point  low  on the  main  l o ad ­bea r i ng  ex t e rna l  wall  a t  g round  floor level  wh en  m e a s u r em e n t s  on  the  founda t ions p r ope r  a r e  not  po s s i b l e 

M e a s u r em e n t s  of  vibrat ion  r e s p o n s e  g e n e r a t e d  by traffic,  pile­driving  and  b las t ing ,  e spec i a l l y  at  a  g r e a t d i s t a n c e ,  s how  that  the  vibrat ion  may  be  amplif ied within  the  building  and  in  p ropor t ion  to  the  he ight of  the  bui lding.  It  may ,  the re fo re ,  be  n e c e s s a r y  to ca r ry  out  s imu l t a n e o u s  m e a s u r em e n t s  a t  s e v e r a l po in t s  within  the  bui lding.  S imu l t a n e ou s  m e a s u r e ­men t s  on  t he  foundat ion  and  the  g round  ou t s i d e  will s e r v e  to  e s t ab l i s h  a  t r ans fe r  function 

Whe r e  a  bui lding  is  h ighe r  than  4  floors  (≈  12  m), s u b s e q u e n t  m e a s u r i n g  po in ts  shou ld  be  a d d e d  ev­ery  4  floors  and  at  t h e  h ighes t  floor  of  the  building. 

Whe r e  a  building  is  mo r e  than  10  m  long,  m e a s u r i n g pos i t ions  shou ld  be  ins ta l led  a t  hor izonta l  in te rva l s of  a pp rox ima t e l y  10  m. 

Addit ional  m e a s u r i n g  poin ts  may  h av e  t o  be  m a d e in  r e s p o n s e  to  r e q u e s t s  by  o c c u p a n t s  and  as  a  con­s e q u e n c e  of  initial  o b s e r v a t i o n s . 

For  i nves t i ga t ions  of  t h e  ana ly t ica l  type ,  pos i t ioning will  d e p e n d  upon  t he  m o d e s  of  de fo rma t ion  to  be c on s i d e r e d .  Most  p rac t ica l  c a s e s  a r e  e conomica l l y l imited  to  identification  of  f undamen t a l  m o d e s  and 

m e a s u r em e n t  of  max imum  r e s p o n s e s  in  t h e  who l e s t r u c t u r e  t o g e t h e r  with  o b s e r v a t i o n s  on  e l eme n t s s uch  a s  floors,  wal l s  and  w indows . 

7.1.2 Measurement in a building

T r a n s d u c e r  p l a c emen t  in  a  building  d e p e n d s  on  the vibrat ion  r e s p o n s e  of  c onc e r n .  As  d e s c r i b e d  in 7.1.1,  a s s e s s m e n t  of  the  vibrat ion  be ing  input  to  a building  from  g r ound ­ bo r ne  s o u r c e s  is  bes t  d o n e  by m e a s u r em e n t s  on  o r  n e a r  the  foundat ion.  De te rmi ­nat ion  of  s t ruc tura l  racking  or  of  s h e a r  de fo rmat ion of  t he  building  as  a  who le  r equ i r e s  m e a s u r em e n t s direct ly  on  the  l oad ­bea r i ng  m em b e r s  which  afford t he  s t r u c t u r e s '  st iffness.  This  usual ly  m e a n s  t h r e e c ompo n e n t s  of  m e a s u r em e n t  in  c o r n e r s ,  a l though o t h e r  a r r a n g em e n t s  a r e  pos s ib l e . 

S ome t im e s ,  floor  or  wall  mo t ions  a r e  of  conce rn , with  max imum  amp l i t u d e s  a t  m id ­ span  loca t ions . Al though  s om e t im e s  very  s e v e r e ,  t h e s e  v ib ra t ions a r e  usua l ly  un re l a t ed  to  s t ruc tu ra l  integrity.  [ 1 1 ] 

Inves t iga t ions  a s s o c i a t e d  with  s o u r c e s  within  a building  usual ly  involve  a  t r i a l ­ and­e r ro r  exp lo ra to ry p h a s e 

In  c a s e s  wh e r e  m e a s u r em e n t s  r e l a t ed  to  e qu i pmen t a r e  t o  be  m a d e ,  s uch  a s  when  moni tor ing  compu t ­e r s ,  r e l ays  and  o t h e r  ins ta l l a t ions  s ens i t i v e  to  vi­bra t ion,  the  m e a s u r em e n t  shou ld  reflect  the incoming  vibra t ion.  The  point  of  m e a s u r em e n t shou ld  be  p l aced  on  or  a t  t he  foundat ion  or  on  the f rame  of  t h e  e q u i pmen t  In  this  c a s e ,  the  e qu i pmen t shou ld  if  po s s i b l e  be  swi t ched  off  for  t he  m e a s u r e ­men t . 

In  c a s e s  wh e r e  m e a s u r em e n t s  r e l a t ed  to  g round­t r an smi t t ed  vibrat ion  a r e  t o  be  m a d e ,  such  a s  wh e r e g round  vibrat ion  s o u r c e s  a r e  be ing  s tud ied ,  i t  is u sua l  to  o r i en t a t e  the  s e n s o r s  with  r e s p e c t  to  radia l d i rec t ion  def ined  as  the  line  joining  the  s o u r c e  and the  s e n s o r .  When  s tudying  s t ruc tura l  r e s p o n s e  t o g round  vibrat ion,  i t  is  mo r e  rea l i s t i c  to  o r i en t a t e  with r e s p e c t  to  t he  major  and  minor  a x e s  of  the  s t r uc tu r e . It  is  often  not  po s s i b l e  to  mak e  m e a s u r em e n t s  at  the foundat ion  p r ope r  so  i n s t r umen t s  h ave  to  be  cou­pled  to  t he  g round . 

Vibration  m e a s u r em e n t s  m a d e  on  o r  be low  the g round  su r f ace  may  be  affected  by  the  var ia t ion  of the  amp l i t ude  of  a  su r f ace  w av e  with  the  dep th Building  founda t ions  may  then  be  e x p o s e d  to  a  mo­tion  which  is  different  from  the  o n e  o b s e r v e d  on  the g round  su r f ace  d e p e n d i n g  on  the  wave l eng t h ,  foun­da t ion  d e p t h s  and  g eo t e chn i c a l  cond i t ions . 

For  w ind ­ induced  vibra t ion,  ver t ical  c ompo n e n t s  a r e often  d i s p e n s e d  with  and  tes t  i n s t rumen t  d ispos i t ion shou ld  be  m a d e  with  ro ta t iona l  and  t r ans l a t iona l m o d e s  in  mind. 

5 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

7.2 Fix ing of t r a n s d u c e r s

7.2.1 Coupling to structural e l e m e n t s

The  moun t ing  of  v ibra t ion  t r a n s d u c e r s  to  v ibra t ing e l emen t s  or  s u b s t r a t e  shou ld  comply  with  ISO  5348 with  r e g a rd  to  a c c e l e r ome t e r s .  The  a im  shou ld  be to  r e p r o du c e  faithfully  t h e  mot ion  of  t h e  e l emen t  or s u b s t r a t e  without  in t roduc ing  addi t ional  r e s p o n s e . C a r e  shou ld  be  t aken  with  triaxial  a s s emb l i e s  to avoid  rocking  or  bend ing . 

The  m a s s  of  t h e  t r a n s d u c e r  and  moni tor ing  unit  (if any)  shal l  not  be  g r e a t e r  than  10  %  of  t h e  building e l emen t  to  which  it  is  fixed.  Mount ing  shal l  be  as  stiff and  a s  light  a s  po s s i b l e . 

B racke t s  shou ld  be  avo ided .  It  is  be t t e r  to  fix  t h r e e uniaxial  t r a n s d u c e r s  to  t h r e e  faces  of  a  me ta l  c u b e rigidly  moun t ed  by  m e a n s  of  s t ud s  or  quick­se t t ing , high  modu l u s  res in .  The  t r a n s d u c e r  moun t ing  can be  s e c u r e d  to  the  f rame  of  t he  building  by  e xp an s i on bolts.  Gypsum  joints  a r e  p re fe r red  when  me a s u r i n g on  l ightweight  c o n c r e t e  e l emen t s . 

In  spec ia l  c i r c ums t a n c e s ,  it  is  a c c e p t a b l e  to  g lue  the t r a n s du c e r  or  a t t ach  i t  us ing  magne t i c  a t t rac t ion .  For m e a s u r em e n t s  i ndoors  on  hor izonta l  s u r f a ce s , doub le ­ s ided  a dh e s i v e  t a p e  may  be  u s ed  on  all  ha rd su r f ace s  for  a c c e l e r a t i o n s  be low  1  m / s 2 ,  a l though mechan i c a l  fixings  a r e  p re fe r red . 

M e a s u r em e n t s  on  floors  having  compl i an t  c ove r i ng s t end  to  give  d is tor ted  r e su l t s  and  shou ld  be  avo ided . Whe re  i t  is  not  po s s i b l e  to  r e l oca t e  the  t r a n s d u c e r s , c ompa r a t i v e  m e a s u r em e n t s  with  different  m a s s  and coupl ing  condi t ions  for  the  mount ing  block  shou ld be  m a d e  to  eva lua t e  the  effect  of  the  compl i an t cove r ings 

7.2.2 Coupling to the ground

Soil  cond i t ions  permit t ing ,  the  t r a n s d u c e r  may  be fixed  to  a  stiff  s t ee l  rod  (having  a  d i ame t e r  of  not l e s s  t han  10  mm) ,  dr iven  th rough  a  l oose  su r f ace layer.  This  rod  should  not  project  mo r e  than  a  few mi l l imet res  a b ov e  g round  su r face .  C a r e  should  be t aken  t o  e n s u r e  c l o s e  con tac t  b e twe en  t h e t r a n s d u c e r  and  the  g round .  In  c a s e s  w h e r e  a c ce l e r ­ation  g r e a t e r  than  2  m / s 2  is  e xpe c t e d ,  a  firm  g round mount ing  i s  n e e d e d  to  p r even t  s l i ppage .  Whe r e t r a n s d u c e r s  h ave  to  be  moun t e d  in  the  g round  in o r d e r  to  min imize  coupl ing  dis tor t ion,  they  shou ld be  bur ied . 

Whe r e  t r a n s d u c e r s  h a v e  to  be  moun t e d  in  t h e g round ,  in  o r d e r  to  min imize  coupl ing  dis tor t ion, they  should  be  bur ied  to  a  dep th  a t  l eas t  t h r e e  t ime s the  main  d imens ion  of  t he  t r a n s du c e r /moun t i n g  unit. Alternat ively,  they  c an  be  fixed  to  a  rigid  su r f a ce p la te  with  a  m a s s  ra t io  (m/pr 3 )  not  mo r e  t h an  2, 

w h e r e  m  i s  t h e  m a s s  o f  t h e  t r a n s d u c e r  and  p la t e  and r  is  t he  equ iva l en t  r ad i u s  of  t h e  p la te .  The  rigid  sur­face  p la te  may ,  for  e x amp l e ,  be  a  we l l ­ bedded  pav­ing  s l ab .  For  mos t  so i l s ,  t h e  m a s s  dens i ty ,  p ,  r a n g e s from  1  500  kg/m3  to  2 600  kg /m3 . 

8 Data collection, reduction and analysis

8.1 General

The  aim  of  m e a s u r em e n t  is  to  a cqu i r e  sufficient  in­formation  to  e n a b l e  the  s e l e c t e d  me thod  of  evalu­at ion  ( s e e  c l a u s e  9)  to  be  ca r r i ed  out  with  a sufficient  d e g r e e  of  conf idence . 

The  amoun t  of  information  r equ i r ed  to  c h a r a c t e r i z e vibrat ion  p roper ly  i n c r e a s e s  as  t he  complexi ty  of  the vibrat ion  i n c r e a s e s  from  s imp le  per iod ic  to  non­s t a t iona ry  r a ndom  and  t r ans i en t  mot ion. 

Data  col lect ion  s y s t em s  which  a r e  a d e q u a t e  for  de ­fining  a  per iodic  motion  ove r  a  specif ied  f requency r a n g e  may  not  be  a d e q u a t e  for  e s t ab l i sh ing  even  a s ing le  p a r am e t e r  index  (for  e x amp l e  p e ak  part ic le velocity)  for  a  mo r e  comp lex  motion. 

8.2 D e s c r i p t i o n o f d a t a

Any  da ta  resu l t ing  from  the  obse rva t i on  of  a  physical p r o c e s s  can  broadly  be  d e s c r i b ed  a s  de t e rmin i s t i c o r  r a n dom .  Dete rmin is t i c  da t a  a r e  t h o s e  that  c an  be d e s c r i b ed  by  an  explicit  ma t h ema t i c a l  function. 

Figure  1  i l lus t ra tes  c a t e go r i e s  of  t he  t ype s  of  da ta tha t  may  be  e n coun t e r e d .  A  desc r ip t ion  of  e a ch  cat­ego ry  is  given  in  ISO  2041. 

8.3 D a t a a n a l y s i s p r o c e d u r e s

Having  dec ided  into  which  of  t h e  main  c a t e go r i e s  il­lus t ra ted  in  figure  1  the  da t a  fall,  the  type  of  ana ly s i s will  normal ly  be  appa r en t .  If  the  d a t a  is  c a t ego r i z ed as  de te rmin i s t i c ,  t hen  a  s imp le  ana ly s i s  (r .m.s . , peak ­ to ­peak ,  m e a n  s qua r e )  will  often  suffice. 

If  the  spec ia l  c a s e  of  non­pe r iod ic  de t e rmin i s t i c da ta ,  p e ak  amp l i t ude  shou ld  be  d e t e rm in ed  without p recondi t ion ing  (a l though  a  d.c.  c omponen t  may  be c omp e n s a t e d  by  ana ly s i s  of  a  sec t ion  of  the  record prior  to  c ap t u r e  of  the  s ignal) .  Detai ls  a r e  given  in [ 10 ]  and  [ 12 ] .  A  dynamic  r a n g e  of  40  dB  is  a d e ­qu a t e  for  mos t  p u r p o s e s ,  but  50  dB  is  p re fe r red . 

R andom  da ta  should  be  t e s t ed  for  s ta t ionar i ty ( s e e  [13]) . 

I f  t he  da t a  a r e  d e em e d  to  be  s t a t ionary ,  t h e  p roce ­d u r e s  out l ined  in  a n n e x  C  a r e  a pp r op r i a t e  and  a r e d e s c r i b ed  in  mo r e  detai l  in  [ 1 0 ] ,  [ 1 2 ] ,  [ 1 3 ]  and [14]. 

6

IS 1 4 8 8 4 : 2 0 0 0 ISO 4 8 6 6 : 1990

b)  Random  data 

Figure 1 — Categories of the types of data

7

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

9 Method of data evaluation

9.1 General

Evaluation  of  measurements  should  reflect  both  the purpose  of  those  measurements  and  the  type  of  In­vestigation. 

A  full  response  analysis  for  predictive  purposes  re­quires  Information  on  structural  details  and  condi­tions  not  usually  readily  obtainable.  An  investigator may,  therefore,  need  to  have  an  appropriate  method of  assess ing  the  severity  of  vibration  of  a  structure or  a  component  with  regard  to  the  probability  of damage.  In  such  an  assessment ,  the  following  fac­tors  need  to  be  taken  into  account: 

a)  resonant  frequencies  of  basic  structure  and component  parts  (walls,  floors,  windows); 

b)  damping  characteristics  of  basic  structure  and component  parts; 

c)  type  of  construction,  its  condition  and  material properties; 

d)  spectral  structural  features; 

e)  characteristics  of  excitation; 

f)  deflected  form; 

g)  non­linearity  in  amplitude  response. 

Although  this  International  Standard  is  primarily concerned  with  the  measurement  and  evaluation  of the  response,  the  chain  of  action,  source,  trans­mission  path  and  transfer­function  have  to  be  borne in  mind  when  evaluation  is  being  made. 

9.2 Types of Investigation

For  many  of  the  parameters  of  interest,  listed  in  9.1 a)  to  g),  the  choice  of  instrumentation,  its  location within  the  building,  the  type  of  recording  device  and the  number  of  data  channels  or  measurement  points desired,  the  duration  of  monitoring  for  the  phenom­ena  and  the  speed  of  data  collection  will  imme­diately  be  decided.  The  outlining  of  instrumentation requirements  in  clause  6  and  annex  C  has  been arranged  in  such  a  way  as  to  facilitate  the  selection of  instrumentation  to  meet  particular  requirements. Beyond  this  it  is  important  to  delineate  the  degree of  sophistication  to  be  applied  to  the  Investigation. Instruments  which  characterize  the  vibration  envi­ronment  by  a  single  quantity,  such  as  those  used  in connection  with  human  response  and  machine  con­dition,  may  be  used  in  a  preliminary  survey  so  long as  the  limited  frequency  responses  are  taken  into account.  For  the  purposes  of  this  International  Stan­dard,  a  preliminary  assessment ,  a  monitoring  pro­

gram,  a  field  survey  and  a  detailed  engineering analysis  are  under  consideration. 

9.2.1 Preliminary assessment

Situations  may  arise  where  an  assessment  has  to be  made  of  vibration  problems  by  desk  study  alone, usually  before  field  measurements .  Empirical  meth­ods  can  be  used  to  estimate  response  provided  that data  on  the  source  parameters  and  building  re­sponse  characteristics,  such  as  fundamental  fre­quency  and  damping,  are  available. 

9.2.2 Exploratory monitoring

Very  limited  measurement  of  vibration  on  a  building or  over  an  area  can  indicate  the  existence  of  a problem  requiring  further  investigation.  High  errors are  not  uncommon  and  this  fact  has  to  be  kept  in mind  (See  also  final  paragraph  in  9.2.3) 

9.2.3 Field survey

A  field  survey  would  consist  of  a  limited  number (see  also  7.1)  of  vibration  measurement  locations  in order  to  a s se s s  the  vibration  severity  often  in  com­parison  with  values  stipulated  in  codes  or  regu­lations. 

In  the  case  of  vibrations  which  can  be  reproduced for  a  sufficient  time,  the  same  transducers  can  be used  for  the  different  points  keeping  a  reference point  at  the  foundation  level  near  source. 

As  regards  exploratory  monitoring  (see  9  2  2)  and field  surveys,  measurements  should  be  of  an  accu­racy  compatible  with  the  uncertainties  implicit  in  the vibration  indices  and  empirical  relationship  used Single  parameter  indices,  such  as  peak  particle  ve­locity  or  peak  acceleration  and  r.m.s  values,  need, generally,  only  to  be  known  to  within  ±  10  %  at  the 68  %  confidence  level 

9.2.4 Engineering analysis

When  complex  structures  of  vital  importance  are being  subjected  to  vibration  excitation  of  a  magni­tude  that  requires  serious  consideration  of  the  con­sequences ,  the  structural  behaviour  needs  to  be assessed  in  a  more  detailed  way. 

Instrumentation  for  monitoring  the  time  history should  be  mounted  at  a  number  of  locations  to  en­sure  that  specific  values  for  that  structure  are  not exceeded. 

If  the  ground­to­foundation  transfer  function  is  of concern,  simultaneous  recording  outside  and  on  the foundation  should  be  carried  out.  The  recording position  on  the  foundation  is  at  a  point  on  the  main wall  at  ground  floor  level  or  the  basement. 

8 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

The  n umb e r  o f  m e a s u r i n g  po in t s  a n d  the i r  locat ion h a v e  t o  be  def ined  and  modif ied  a c co r d i ng  t o  the c h a r a c t e r i s t i c s  o f  t h e  bui lding  and  t he  o b s e r v a t i o n s no t iced  du r ing  moni to r ing . 

The  na tu ra l  f r equenc i e s  of  bu i ld ings  shou ld  be  de ­t e rm ined ,  if  p o s s i b l e . 

In  the  c a s e  of  v ib ra t ions  which  can  be  r e p r o d u c e d for  a  sufficient  t ime ,  the  s a m e  t r a n s d u c e r s  c an  be u s ed  for  t he  different  poin ts  k eep ing  a  r e f e r ence point  a t  t he  foundat ion  level  n e a r  the  s o u r c e . 

For  s t r u c t u r e s  of  vital  impo r t a n c e ,  r e s p o n s e  ana ly s i s shou ld  be  ca r r i ed  out  as  well  as  an  e s t ima t e  of s t r u c t u r e  load ing .  A  full  e ng i n e e r i n g  ana l y s i s  re­qu i r e s  a  s y s t em  which  would  e n a b l e  f r equency  to be  e s t ima t e d  to  ±  1  %  and  d amp i ng  to  ±  10  %. 

9.3 R e p o r t i n g o f c o n t r o l a c t i v i t i e s

The  style  of  r epor t ing  shou ld  be  con s i s t e n t  with  the type  of  inves t iga t ion  ( s e e  9  2),  but  as  a  m in imum  the repor t  shou ld  inc lude  the  following: 

a)  Risk  ana l y s i s 

1)  Descr ip t ion  of  the  s o u r c e 

2)  Type  and  condi t ion  of  bui lding,  in  a c c o r d a n c e with  a n n e x  A. 

3)  P u r p o s e  of  the  m e a s u r em e n t . 

4)  Re f e r e n c e  to  the  s t a n d a r d  be ing  u s ed  and type  of  inves t iga t ion 

b)  M e a s u r em e n t s 

1)  Posi t ion  of  t r a n s d u c e r  and  m a n n e r  of  coupl ­ing 

2)  Type  and  m a k e  of  t r a n s du c e r ,  s igna l  condi ­t ioning  and  r e co rd ing  e q u i pmen t 

3)  Cal ibra t ion  factors  for  the  i n s t r umen t a t i on s y s t em 

4)  F r equency  r a n g e  and  l ineari ty 

5)  A s s e s sm e n t  of  t he  s o u r c e s  of  e r ror . 

6)  —  For  mon i to r ing  or  su rvey  inves t iga t ion  ( s e e 9.2.2  and  9.2.3),  it  is  sufficient  to  m a k e  con­t i nuous  r eg i s t r a t i ons  of  p e a k  par t ic le  velocity v a l u e s . 

—  For  further  inves t iga t ion  ( s e e  9.2.4),  a  per ­ma n e n t  r e co rd  of  t ime  his tory  shou ld  be m a d e  ava i l ab l e . 

c)  Building  inspec t ion 

1)  Inspec t ion  of  bui ld ings  before  v ibra t ion  e xpo ­s u r e ,  with  g raph ica l  r epor t ing  of  c r a ck s  and o t h e r  d a m a g e . 

2)  Inspec t ion  of  the  s am e  bui ld ings  after  t h e  vi­bra t ion  e x p o s u r e . 

3)  Eva lua t ion  of  o b s e r v e d  d am a g e 

d)  Re f e r e n c e  to  o t he r  r e l evan t  In ternat ional  S tan­d a r d s . 

9.4 E v a l u a t i o n for p r e d i c t i o n

An  exis t ing  building  may  be  e x po s e d  to  a  new s ou r c e ,  ex t e rna l  o r  in terna l ,  and  s om e  a s s e s sm e n t of  the  e x p e c t e d  v ibra t ion  r e s p o n s e  is  n e e d ed .  Given sufficient  informat ion  abou t  t he  cha r ac t e r i s t i c s  of  the input  and  the  p r ope r t i e s  of  the  s t ruc tu re ,  numer ica l a n a l y s e s  us ing  o n e  o r  o t h e r  well  known  t e chn i que s of  r e s p o n s e  s p e c t r a ,  Four ie r  r e s p o n s e ,  t ime  s t ep  in­t eg r a t i on [ 1 5 ]  may  be  u s ed  for  impor tan t  bui ldings . Alternat ively,  a  cha r a c t e r i s t i c  index,  such  as  a k inemat i c  quant i ty  ( d i s p l a c emen t ,  velocity,  acce le r ­ation)  ( s e e  9.6),  c an  be  r e l a t ed  to  e xpec t ed  per­f o rmance  us ing  empi r i ca l  da t a  a pp rop r i a t e  to  the type  of  building.  [7] 

A  conven i en t  way  of  e x p r e s s i n g  a  vibrat ion  in  the f requency  doma i n  i s  the  " r e s p o n s e  s p e c t r um" , widely  u s ed  in  eng inee r i ng . [ 7 ]  ( S e e  IEC  68­2­27  )  For the  spec i a l  c a s e  of  z e r o  d amp ing ,  i t  is  c l o s e  to  the Four ier  amp l i t ude  s p e c t r um . 

In  mos t  c a s e s ,  the  r e s p o n s e  c h a r a c t e r i s t i c s  of  the s t ruc tu re  a r e  ill  def ined  a l though  dynam i c  tes t  pro­c e d u r e s  a r e  now  ava i l ab l e .  [ 7 ] 

9.5 E v a l u a t i o n for v i b r a t i o n s t u d y in e x i s t i n g b u i l d i n g s

The  eva lua t i on  of  vibrat ion  s t a t u s  in  exis t ing bui ld ings  may  be  ca r r i ed  out  at  different  leve ls  of soph i s t i ca t ion  cons i s t en t  with  the  inves t iga t ive  pro­c e d u r e s  ou t l ined  in  92  Indica t ions  of  vibrat ion  se ­verity  may  be  in  t e rm s  of  s t r e s s e s  or  k inemat i c quan t i t i e s  In  s om e  c a s e s ,  the  direct  ob s e rva t i on  of c r ack  op en i ng  or  ex t en s i on  affords  va luab l e  infor­mat ion  on  the  r e s p o n s e  and  may  ind ica te  p r og r e s ­s ive de t e r i o r a t i on .  [15],  [16] 

9.6 K i n e m a t i c q u a n t i t i e s a s i n d i c e s o f v i b r a t i o n s e v e r i t y i n s t r u c t u r e s

For  s e v e r a l  d e c a d e s  s t ud i e s  h ave  b e en  ca r r i ed  out to  r e l a t e  the  vibrat ion  sever i ty  in  t e rm s  of  a  quant i ty such  a s  p e a k  d i s p l a c emen t ,  veloci ty,  a c ce l e r a t i on , r e l a t ed  to  vis ible  effects  on  s t r u c t u r e s . 

Whe r e  m e a s u r em e n t s  a r e  m a d e  upon  a  c omponen t , a  k inema t i c  quant i ty ,  s uch  as  p e ak  velocity,  can  be 

9

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

expressed  as  a  s t ress  (see  annex  B)  and,  in  turn, related  In  structural  terms  to  allowable  stress. When the  kinematic  quantity  refers  to  whole­body  struc­tural  response  measured  at  some  chosen  position, the  response  frequency  and  damping  of  the  struc­ture,  and  duration  of  the  input  affect  vibration  se­verity.  The  kinematic  quantity  is  then  an  empirical index  and  shall  be  qualified  by  the  kind  of  building to which  it  refers  (see  3.3). 

Some  account  of  these  factors  is  embodied  in  the use  of  the  peak  spectral  acceleration  or  velocity  as a  damage  index  [6],[11]  applicable  to  low­rise  (one  to three  storeys  high)  and  "whole"  building  response. [16] 

The  dependence  of  severity  rating  on  response  fre­quency  of  both  building  and  frequency  content  of  the excitation  is  also  recognized  in  the  empirical  corre­lations  which  strictly  apply  to  buildings  with  a  limited range  of  fundamental  frequency  in  shear,  and  iden­tify  different  severity  ratings  in  different  frequency bands.  A  broad  guide  to  vibration  levels  of  interest is given  in  table 1. 

9.7 Probabilistic a s p e c t s

There  is  increasing  evidence  that  the  criteria  relat­ing  vibration  to  visible  effects  on  buildings  (cos­metic,  minor  and  major  damage)  should  be approached  in  a  probabilistic  way. 

For  possible  combinations  of  age  and  condition  of  a building,  it  may  not  be  possible  to  establish  an  eco­nomic  absolute  lower  limit. 

This  is  particularly  the  case  where  either  a  peak kinematic  value  (usually  particle  velocity)  of  ground motion  within  a  specified  frequency  band  or  a  peak spectral  velocity  response  spectrum  acceleration  or displacement  is  being  used  as  an  index  of  damage potential  Minimal  risk  for  a  named  effect  is  usually taken  as  a  95  %  probability  of  no  effect. 

The  evaluation  of  the  response  of  a  building  or component  part  may  be  assisted  by  measurements 

2)  See ISO 4358. 

10

of  local  strain  or  relative  displacement  (for  example crack  monitoring),  although  this  would  not  constitute a  measure  of  vibration  status.  It  may,  however,  per­mit  (with  difficulty)  a  direct  evaluation  of  composed dynamic  stress  for  comparison  with  design  criteria. 

9.8 Fatigue factors

Repeated  stress  reversal  over  many  cycles  carries a  risk  of  increasing  fatigue  failure.  Reference  for steel  members  can  be  made  to  appropriate  design codes.  Such  guidance  is  not  available  for  concrete, masonry  and  other  building  materials.  Reference would  have  to  be  made  to  research.  Long­term, low­level  vibration  amounting  to  1010  load  reversals may  have  to  be  taken  into  account  for  special  struc­tures,  monuments,  etc.  [17] 

9.9 Description of d a m a g e

For  the  purposes  of  this  International  Standard,  the damage  is  classified  into  the  following  categories: 

— Cosmetic

The  formation  of  hairline  cracks2)  [21]  on  drywall surfaces,  or  the  growth  of  existing  cracks  in plaster  or  drywall  surfaces;  in  addition,  the  for­mation  of  hairline  cracks  in  mortar  joints  of brick/concrete  block  construction. 

— Minor

The  formation  of  large  cracks  or  loosening  and falling  of  plaster  or  drywall  surfaces,  or  cracks through  bricks/concrete  blocks. 

— Major

Damage  to  structural  elements  of  the  building, cracks  in  support  columns,  loosening  of  joints, splaying  of  masonry  cracks,  etc. 

NOTE  2  The  description  of damage  has  its  equivalent  in the  intensity  scales  used  by  seismologists. 

IS 1 4 8 8 4 : 2 0 0 0 ISO 4 8 6 6 : 1990

Annex A (informative) 

Classification of buildings

A.1 General

This  a n n e x  p rov ide s  simplified  and  helpful  gu ide ­l ines  for  classifying  bui ld ings  a c co rd ing  to  their p r obab l e  r eac t ion  t o  mechan i c a l  v ib ra t ions  t r an s ­mitted  by  the  g round . 

A  dynamic  s y s t em ,  for  the  p u r p o s e s  of  this  c l a s s i ­fication,  c on s i s t s  of  the soil and strata,  in  which  a r e se t  the foundations  (if  exis t ing) ,  t o g e t h e r  with  the building structure  itself. 

Table  A.2  g ives  14  simplified  c l a s s e s  taking  into cons ide r a t i on  the  following  factors: 

—  type  of  cons t ruc t ion  (as  a s c e r t a i n e d  from tab le  A.1); 

—  foundat ion  ( s e e  c l a u s e  A.5); 

—  soil  ( s e e  c l a u s e  A.6); 

—  political  impo r t a n c e  factor 

The  f requency  r a ng e  is  t aken  from  1  Hz  to  150  Hz ( s e e  a l s o  3.3),  which  c ov e r s  mos t  e v en t s  met  in  in­dust r ia l  p rac t i ce ,  b las t ing ,  piling  and  traffic.  Shock directly  in t roduced  into  the  s t ruc tu re  by  industr ial mach i n e r y  is  not  inc luded  though  its  effects  at  s om e d i s t a n c e  a r e .  Shock  p r oduced  by  blas t ing,  piling  and o the r  s o u r c e s  ou t s i d e  the  strict  conf ines  of  the s t ruc tu re  a r e  not  inc luded  but  the  effects  on  the s t ruc tu re  a r e .  The  bui ld ings  refer red  to  exc lude  very tall  s t r u c t u r e s  with  mo r e  than  10  s t o r ey s . 

A.2 Structures Involved

A.2.1  The  following  s t r u c t u r e s  a r e  inc luded  in  the c lass i f icat ion. 

—  all  bu i ld ings  u s ed  for  living  and  working  ( h ou s e s , offices,  hosp i t a l s ,  s choo l s ,  p r i sons ,  factor ies , etc.) ; 

—  publicly  u s e d  bui ld ings  (town  hal ls ,  c h u r c h e s , t emp l e s ,  m o s q u e s ,  h e av i e r  industr ia l  mill­type bui ld ings ,  etc.); 

—  elder ly ,  old  and  anc i en t  bui ld ings  of  a rch i t ec ­tura l ,  a r cheo l og i c a l  and  his tor ica l  va lue ; 

—  l ighter  indust r ia l  s t r u c t u r e s ,  often  d e s i gn ed  to  the c o d e s  of  building  p rac t i ce . 

A.2 .2  The  following  s t r u c t u r e s  a r e  not  inc luded  in the  c lass i f icat ion: 

—  heav i e r  s t r u c t u r e s  such  as  nuc l e a r  r e a c t o r s  and the i r  ad junc t s  and  o t h e r  heavy  powe r  p lan ts , rolling  mills,  h e av i e r  chemica l  e ng i n e e r i n g s t r u c t u r e s ,  all  t ype s  of  d am s ,  and  con ta in ing s t r u c t u r e s  for  fluids  and  g r anu l a r  ma t e r i a l s ,  for e x amp l e  wa t e r  t owe r s  and  t anks ,  p e t r o l eum s t o r a g e ,  gra in  and  o t h e r  s i los ,  e tc . ; 

—  all  u n d e r g r o und  s t r u c t u r e s ; 

—  all  ma r i n e  s t r u c t u r e s . 

A.3 Definition of c l a s s e s (see table A.2)

The  c l a s s e s  a r e  defined  by  taking  as  a  r e f e r ence  a well  ma in t a i n ed  building  in  good  repa i r .  The  refer­e n c e  building  shal l  not  h ave  any  cons t ruc t iona l  d e ­fects  nor  shal l  i t  h ave  s u s t a i n ed  acc iden t a l  d am a g e from  e a r t h q u a k e s .  If  t he  cons t ruc t ion  d o e s  not  fulfil t h e s e  r e q u i r emen t s ,  i t  shal l  be  a l loca ted  to  a  lower c l a s s . 

The  o r d e r  in  which  the  s t ruc tura l  t ype s  a r e  classif ied d e p e n d s  on  the i r  r e s i s t a n c e  to  v ib ra t ions ,  and  a l so on  the  t o l e r a n c e s  that  can  be  a c c e p t e d  for  the v ibra t ional  effects  on  s t r u c t u r e s ,  given  their  archi­tec tura l ,  a r cheo log i ca l  and  his tor ical  va lue . 

Th r e e  impo r t an t  e l emen t s  e n t e r  into  the  reac t ion  of a  s t r uc tu r e  u nd e r  t he  effects  of  mech an i c a l  vi­b r a t i ons .  The  t h r e e  e l eme n t s  a r e  a s  follows: 

—  the  c a t e go r y  of  t he  s t r uc tu r e  —  tab le  A.1  g ives  a p re l iminary  classif icat ion  of  the  c a t e g o r i e s  of s t r u c t u r e s  b a s e d  on  the  g r oups  def ined  in c l a u s e  A  4 ; 

—  the  foundat ion  ( s e e  c l a u s e  A.5); 

—  the  n a t u r e  of  t he  soil  ( s e e  c l a u s e  A.6). 

11

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

A.4 C a t e g o r i e s of s tructures

A.4.1 Group 1 — Ancient and elderly buildings or traditionally built structures

The  types  of  buildings  considered  in  this  group  can be  divided  into  the  two  following  sub­groups: 

a)  elderly,  old  or  ancient  buildings; 

b)  all  modern  buildings  constructed  in  older,  tradi­tional  style  using  traditional  kinds  of  materials, methods  and  workmanship. 

This  group,  generally,  is  of  heavier  construction  and has  a  very  high  damping  coefficient,  for  instance  due to  soft  mortar  or  piaster.  This  group  also  includes traditionally  resilient  structures  in  earthquake zones.  Buildings  in  this  group  seldom  have  more than  six  storeys. 

A.4.2 Group 2 — Modern buildings and structures

The  types  of  buildings  considered  in  this  group  are all  of  modern  structure  using  relatively  hard  materi­als  tied  together  in  all  directions,  usually  light  in weight  overall,  and  with  little  damping  coefficient. 

This  group  includes  frame  buildings  as  well  as  cal­culated  load­bearing  wall  kinds.  Buildings  vary  from being  single­  to  multi­storey.  All  types  of  cladding are  included.  This  group  also  includes  some  older types  of  buildings  which  are  constructed  using modern  materials,  tying  and  damping. 

A.5 C a t e g o r i e s o f f o u n d a t i o n s

A.5.1 Class A

Class  A  includes  the  following  types  of  foundation: 

—  linked  reinforced  concrete  and  steel  piles; 

—  stiff  reinforced  concrete  raft; 

—  linked  timber  piles; 

—  gravity  retaining  wall. 

A.5.2 Class B

Class  B  includes  the  following  types  of  foundation: 

—  non­tied  reinforced  concrete  piles3); 

—  spread  wall  footing; 

—  timber  piles  and  rafts. 

A.5.3 Class C

Class  C  includes  the  following  types  of  foundation: 

—  light  retaining  walls; 

—  large  stone  footing; 

—  no  foundations —  walls  directly  built  on  soil. 

A.6 T y p e s of so i l

Soils  are  classified  into  the  following  types: 

Type a:  unfissured  rocks  or  fairly  solid  rocks, slightly  fissured  or  cemented  sands; 

Type b:  compact,  horizontal  bedded  soils; 

Type c:  poorly  compacted,  horizontal  bedded soils; 

Type d:  sloping  surfaces  with  potential  slip planes; 

Type e:  open  granular,  sands,  gravels  (non­cohesive),  and  cohesive  saturated  clays; 

Type f:  fill. 

3)  Piles,  structurally connected,  usually  at  level  of pile caps. 

12 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

Table A.1 — Categorization of structures according to group of building

13

Category of structure

Res

ista

nce

to v

ibra

tion

decr

easi

ng

I

1 

2 

3 

4

5

6 

7 

8 

Group  of  building 1 

Heavy  industrial  multi­storey  buildings,  five  to seven  storeys  high,  including  earthquake­resistant forms 

Heavy  structures,  including  bridges,  fortresses, ramparts 

Timber  frame,  heavy,  public  buildings,  including earthquake­resistant  forms 

Timber­frame,  single­  and  two­storey  houses  and buildings  of  associated  uses,  with  infilling  and/or cladding,  including  "log  cabin"  kinds,  including earthquake­resistant  forms 

Fairly  heavy  multi­storey  buildings,  used  for  me­dium  warehousing  or  as  living  accommodation varying  from  five  to  seven  storeys  or  more 

Four­  to  six­storey  houses,  and  buildings  of  asso­ciated  urban  uses,  made  with  blockwork  or brickwork,  load­bearing  walls  of  heavier  con­struction,  Including  "stately  homes"  and  small palace­style  buildings 

Two­storey  houses  and  buildings  of  associated uses,  made  of  blockwork,  brickwork  or  pis­a­terre, with  timber  floors  and  roof 

Stone­  or  brick­built  towers,  including  earthquake­resistant  forms 

Lofty  church,  hall  and  similar  stone­  or  brick­built, arched  or  "articulated"  type  structures,  with  or without  vaulting,  including  arched  smaller churches  and  similar  buildings 

Low  heavily  constructed  "open"  (i.e.  non­cross­braced)  frame  church  and  barn  type  buildings  in­cluding  stables,  garages ,  low  industrial  buildings, town  halls,  temples,  mosques,  and  similar buildings  with  fairly  heavy  timber  roofs  and  floors 

Ruins  and  near­ruins  and  other  buildings,  all  in  a delicate  s tate 

All  class  7  constructions  of  historical  Importance 

(see  c lause  A.4) 2 

Two­  and  three­storey  industrial,  heavy­frame buildings  of  reinforced  concrete  or  structural  steel, clad  with  sheeting  and/or  infilling  panels  of blockwork,  brickwork,  or  precast  units,  and  with steel,  pre­cast  or  In  situ  concrete  floors 

Composite,  structural  steel  and  reinforced  concrete heavy  industrial  buildings 

Five­  to  nine­storey  (and  more)  blocks  of  flats,  of­fices,  hospitals,  light­frame  industrial  buildings  of reinforced  concrete  or  structural  steel,  with  infilling panels  of  blockwork,  brickwork,  or  precast  units,  not designed  to  resist  ear thquakes 

Single­storey  moderately  lightweight,  open­type  in­dustrial  buildings,  braced  by  internal  cross  walls, of  steel  or  aluminium  or  timber,  or  concrete­frame, with  light,  sheet­cladding,  and  light  panel­infilling, including  earthquake­resistant  types 

Two­storey,  domestic  houses  and  buildings  of  as­sociated  uses,  constructed  of  reinforced  blockwork, brickwork  or  precast  units,  and  with  reinforced  floor and  roof  construction,  or  wholly  of  reinforced  con­crete  or  similar,  all  of  earthquake­resistant  types 

Four­  to  ten­storey  domestic  and  similar  buildings, constructed  mainly  of  lightweight  load­bearing blockwork  and  brickwork,  calculated  or  uncalcu­lated,  braced  mostly  by  internal  walls  of  similar material,  and  by  reinforced  concrete,  preformed  or in  situ  floors  at  least  on  every  other  storey 

Two­storey  domestic  houses  and  buildings  of  asso­ciated  uses,  including  offices,  constructed  with  walls of  blockwork,  brickwork,  precast  units,  and  with timber  or  precast  or  in  situ  floors  and  roof  struc­tures 

Single­  and  two­storey  houses  and  buildings  of  as­sociated  uses ,  made  of  lighter  construction,  using lightweight  materials,  pre­fabricated  or  in  situ,  sep­arately  or  mixed 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

Table A.2 — Classification of buildings according to their resistance to vibration and the tolerance that can be accepted for vibrational effects

Class  of building1) 

Level of acceptable vibration 

decreasing 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

10 

11 

12 

13 

14 

Category of structure (see  table A.1) 

1  2  3  4  5  6  7  8 

Categories  of  foundations  (capital  letters)  and  types  of  soil  (lower  case  letter) (  s ee  clause  A.5  and  clause  A.6  ) 

A a 

A b  A a 

­  A b B a 

A c B b 

B e 

A f 

B f 

A a 

A b B a 

B b 

A c 

A f 

B f 

A a 

A b 

A c 

A  d 

A e 

C f 

A a A b 

A c B a B b 

B e 

B d 

B e 

C f 

B a 

B b C  a 

B e C b 

B e C c 

C d 

C e 

C f 

B a 

B  b C  a 

B c C b 

B d C c 

B e C d 

C e 

Cf 

A a 

A b 

B a 

B c C  a 

B d C  b C c 

C d C  e C f 

1)  High  class  number  ­  high  degree  of  protection  required. 

14 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990 

Annex  B (informative) 

Estimation  of  peak  stress  from  peak  particle  velocity 

The  s t r e s s e s  in  b e a m s  o r  p l a t e s  v ibra t ing  c l o s e  to r e s o n a n c e  can  be  c a l cu l a t ed  from  m e a s u r em e n t  o f velocity  or  d i s p l a c emen t  and  f requency ,  if  t he m e a s u r em e n t  is  p e r fo rmed  at  t h e  poin ts  of  maxi­mum  vibra t ing  d i s p l a c emen t s .  In  this  c a s e  a  know­l e dge  of  t h e  b ounda r y  cond i t i ons  and  t he  stiffness  is not  n e c e s s a r y  for  e s t ima t i ng  the  s t r e s s e s . 

For  b e a m s  with  full  r e c t a ngu l a r  c r o s s ­ s e c t i on  and con s t an t  st iffness  and  weigh t  load ing ,  the  following r e l a t i onsh ip  app l i e s ,  i n d ep end en t  of  t he  length , he ight  and  width  o f  t h e  b e am ,  b e twe e n  the  l a rge s t b end i ng  s t r e s s  σm a x ,  a nd  t h e  v ibra t ion  veloci ty  vmax. 

w h e r e 

max  ×  ɷ  is  the  maximum  amplitude  of the vibration  velocity  occurring  at  a  point  at 

t he  b e am  length  [wh e r e  ɷ  i s  the  forcing f requency  app rox ima te ly  equa l  to  ɷn (na tura l  f requency  of  the  b e am ) ] ; 

Edyn  i s  t h e  d yn am i c  elas t ic i ty  modu lu s ; 

p  is  t h e  m a s s  dens i ty ; 

i s  t h e  load  coefficient,  w h e r e  the  b e am is  s t r e s s e d  by  o the r  even ly  dis t r ibuted l o ad s  in  addi t ion  to  its  own  weight (G t o t  =  G b e am  +  G o t h e r  l o a d s ) ; 

kn  is  t h e  m o d e  coefficient  ( d imens ion l e s s ) , 1  to  1,33;  the  e i g e nmo d e  coefficient  kn d e p e n d s  on  the  bounda ry  condi t ions and  the  d e g r e e  of  the  mode ,  which  only h a s  a  slight  inf luence. 

For  further  de t a i l s ,  s e e  [ 18 ] . 

15 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990 

Annex  C (informative) 

Random  data 

C.1  General 

Random  data  may  be  encountered  in  practice  (wind loading,  crusher  machinery).  Spectral  analysis techniques  can  be  used  to  estimate  response  char­acteristics.  The  estimate  may  be  more  or  less  pre­cise  depending  on  the  structural  characteristics (frequency  and  damping  of  a  selected  mode)  and  the precision  required  of  the  analysis.[14]  Two  kinds  of error,  bias  and  variance,  are  involved.  [14]  Choice  of recording  duration  depends  on  the  permissible  er­rors  chosen.  If  bias  error  is  to  be  4  %  and  variance error  10  %,  for  example,  the  recording  duration,  Tr, in  seconds,  may  be  calculated  using  the  following common  formula: 

where η 

fn 

is  the  modal  damping  ratio; 

is  the  natural  frequency  of  mode  n,  under consideration,  in  hertz. 

For  instance,  if  η  =  1  %  of  critical  and  fn  =  1  Hz, then  a  recording  duration  of  20 000  s  is  needed  to estimate  to  the  bias  and  variance  errors  selected above.  If  η  is  2  %  of  critical  and  fn  is  10  Hz,  a  re­cording  duration  of  1 000  s  is  needed.  Acceptance of  higher  errors  would  reduce  the  required  record­ing duration. 

These  requirements  are  independent  of  the  type  of equipment  used  for  analysis.  (It  is  common  practice to  use  magnetic  type  recorders)  Structural  damping 

will  be  dealt  with  in  a  future  addendum  to  this  Inter­national  Standard. 

Non­stationary  random  data  presents  special  prob­lems  and  reference  should  be  made  to  appropriate literature;  see  [ 1 4 ] . 

The  analysis  of  random  data  is  conducted  in  one  of two  domains,  frequency  and  time,  and  these  are considered  in  clause  C.2  and  clause  C.3. 

C.2  Frequency  domain 

In  general  vibration  analysis,  the  quantity  most  often used  is  the  Power  Spectral  Density  (PSD).  In  the analysis  of  structural  vibration,  the  amplitude  spec­tral  density  itself  may  be  presented.  Other  types  of analysis  in  this  domain  include  transfer  function, cross  PSD,  coherence  function,  and  quadrate  spec­tral  density.  These  results  are  presented  as  the "physical  quantity"  squared  per  hertz  versus  fre­quency,  respectively  as  dimensionless  numbers  and ratios  of  physical  quantities. 

C.3  Time  domain 

In  the  time  domain  covariance,  autocorrelation, cross­correlation,  and  covariance  analyses  may  be carried  out.  The  autocorrelation  function,  which  is the  inverse  of  the  power  spectrum,  is  the  most commonly  used.  Many  of  the  quantities  in  the  time domain  can  be  used  with  deterministic  data.  How­ever,  the  more  complex  functions  are  often  used with  random  data.  Time­domain  analysis  covers mean,  root­mean­square,  peak  counting,  zero crossing  counting  as  well  as  probability  density, probability  distribution,  skewness  and  Kurtosis. 

16 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

Annex D (informative) 

Bibliography

[ 1 ]  BROCH,  J.T.  Mechanical  Vibration  and  Shock, Brüel  &  Kjær,  Næ rum ,  Denmark ,  1972. 

[ 2 ]  JEARY,  A.P.  Pr ivate  c ommun i c a t i o n  Building Research  Establishment  Note,  1980. 

[ 3 ]  Appl ied  Techno logy  Counci l ,  Tentative  pro­visions  for  the  development  of  seismic  regu­lations  for  buildings  (ATC  Spec ia l  Publ icat ion 3.06;  NBS  Spec ia l  Publ ica t ion  510;  NSF  Publi­ca t ion  78.8,  p.  56;  NSF  Publ ica t ion,  pp.  65­70, NSF  Publ icat ion,  pp.  381­400),  1978. 

[ 4 ]  DIN  4149/1 ,  Bauten  in  deutschen  Erdbeben­g eb i e t e n ;  Lastannahmen,  Bemessung  und Ausfuhrung  übl icher  Hochbauten  (Bui ldings  in G e rma n  e a r t h q u a k e  a r e a s ;  d e s i gn  l oads , a n a l y s i s  and  s t ruc tu ra l  de s i gn ;  unu sua l bui ldings) . 

[ 5 ]  DIN  4150/1 ,  Erschütterungen  im  Bauwesen, Grundsätze,  Vorermittlung  und  Messung  von SchwingungsgröBen  (Vibrat ions  in  building; p r inc ip les ,  p r ede t e rm ina t i o n  and  m e a s u r e ­men t  of  the  amp l i t ude  of  osc i l la t ions) 

[ 6 ]  MEDEARIS,  K.  Development  of  rational  damage criteria  for  low  rise  structures  subject  to  blast­ing  vibrations,  K.M.  Assoc .  Repor t ,  1976. 

[ 7 ]  NEWMARK,  M.  and  ROSENBLUTH,  E.  Fundamen­tals  of  earthquake  engineering,  Eag l ewood Cliffs,  New  J e r s e y  P ren t i ce  Hall,  1973. 

[ 8 ]  SEED ,  H.B.  Soil  l iquefact ion  and  cyclic  mobility eva lua t ion  for  level  g round  dur ing  e a r t h q u a k e . American  Society  of  Civil  Engineers,  GT2,  1979, pp. 201­25. 

[ 9 ]  PYKE,  R ,  SEED,  H.B  and  CHAN,  C.K.  S e t t l emen t o f  s a n d s  unde r  mul t id i rec t iona l  shak ing . American  Society  of  Civil  Engineers,  GT4,  pp. 379­398. 

[ 10 ]  RABIMER,  L.R.  and  GOLD,  B.  Theory  and  Appli­cation  of  Digital  Signal  Processing,  Eag lewood Cliffs,  New  J e r s e y ;  P ren t i ce  Hall,  1974. 

[11 ]  SISKIND,  D.E.,  STAGG,  M.S.,  KOPP ,  J.W.  and DOWDING,  C.H.  S t ruc tu r e  r e s p o n s e  and  d am a g e p r oduc ed  by  g round  vibrat ion  from  sur face m ine  b las t ing;  United  S t a t e s  Bu r e au  of  Mines . Report  of  Investigations  No.  RI.  8507,  1980. 

[ 12 ]  OTNES ,  R.  and  ENOCHSON,  L.  Digital  Time  Series Analysis,  New  York:  John  Wiley  &  Sons ,  1972. 

[ 13 ]  BENDAT,  J.S.  and  PIERSOL,  A.G.  Random  data. Analysis  and  measurement  procedures,  New York:  J ohn  Wiley  &  Son s ,  1971. 

[ 14 ]  OPPENHEIM,  A.V.  and  SCHAFER,  R  W.  Digital Signal  Processing,  Eag lewood  Cliffs,  New J e r s e y :  P ren t i ce  Hall,  1975. 

[ 15 ]  FANG,  H.Y.  and  KROENER,  R.M.  Soi l ­ s t ruc ture in te rac t ion  dur ing  b las t ing.  International  Sym­posium  on  Soil  Structure  Interaction,  University of  Roo rkee ,  India,  1977 

[16 ]  DIN  4150/3,  Erschütterungen  im  Bauwesen; Einwirkungen  auf  bauliche  Anlagen  (Vibrat ions in  building;  effects  on  s t ruc tu re s ) . 

[ 17 ]  CROCKETT,  J.H.A  Piling  v ib ra t ions  and  s t ruc­t u r e s  failure.  Recent  Development  in  the  De­Sign  and  Construction  of  Piles,  Institution  of Civil  Eng i n e e r s  London,  1979. 

[ 18 ]  GASCH,  Eignung  de r  S c hw i n g u n g sme s s u n g  zur Ermit t lung  d e r  d y n am i s c h en  B e a n s p r u c h u n g  in Bau te i l en  Berichte  aus  der  Bauforschung,  58, Wilhelm  Ernst  &  Sohn ,  Berlin,  1968. 

[ 19 ]  DOUGLAS,  B.  Modal  Damping  De t e rm ina t i on s from  R e s o n a n c e  Spec t r a l  S h a p e  Me a s u r e ­men t s .  Journal  of  the  Acoustical  Society  of America,  58,  Suppl .  No.  1,  1975. 

17 

IS 14884 : 2000 ISO 4866 : 1990

[20]  PAOLILLO,  A.  Suitability  of  existing  vibration criteria  for  rail  rapid  transit  system.  Acoustical Society  of  America,  Atlanta,  Georgia,  April  21 to  25,  1960. 

[21]  Building  Research  Establishment  (UK),  Crack­ing  in  buildings.  Digest  No.  5,  1966  (reprinted 1975). 

[22]  ISO  3010:1988,  Bases  for  design  of  structures –  Seismic  actions  on  structures. 

[23]  GUTOWSKI,  T.G.,  WITTIG,  I.E.  and  DYM,  C.L. Some  aspects  of  the  ground  vibration problem.  Noise  Control  Engineering,  10,  No.  3, 1978. 

18

Bureau of Indian Standards

BIS  is  a  statutory  institution  established  under  the  Bureau  of  Indian  Standards  Act,  1986  to  promote harmonious  development  of  the  activities  of  standardization,  marking  and  quality  certification  of goods  and attending to connected matters in the country. 

Copyright

BIS  has  the  copyright  of all  its  publications.  No  part  of  these  publications  may  be  reproduced  in  any  form without  the  prior  permission  in  writing  of  BIS.  This  does  not  preclude  the  free  use,  in  the  course  of implementing  the  standard,  of  necessary  details,  such  as  symbols  and  sizes,  type  or  grade  designations. Enquiries relating to copyright be addressed  to the Director (Publication), BIS. 

Review of Indian Standards

Amendments are  issued  to standards as  the need arises on  the basis of comments.  Standards are also  reviewed periodically;  a standard  along with  amendments  is  reaffirmed when  such  review  indicates  that  no changes are needed;  if the  review  indicates  that changes are  needed,  it  is  taken  up  for  revision.  Users  of Indian  Standards should ascertain  that  they  are  in  possession of the  latest amendments or edition  by  referring  to  the  latest  issue of 'BIS Handbook' and  'Standards Monthly Additions' 

This Indian Standard has been developed  from Doc: No.  ME 28 (0237). 

Amendments Issued Since Publication

Amend No.  Date of Issue  Text  Affected 

BUREAU  OF  INDIAN  STANDARDS Headquarters: Manak Bhavan, 9 Bahadur Shah Zafar Marg, New Delhi  110002  Telegrams: Manaksanstha Telephones: 323 01 31, 323 33 75, 323 94 02 

Regional  Offices: 

Central  :  Manak Bhavan, 9 Bahadur Shah Zafar Marg NEW DELHI  110002 

Eastern  :  1/14 C.I.T. Scheme VII M, V.I.P. Road, Maniktola CALCUTTA  700054 

Northern  :  SCO 335­336, Sector 34­A, CHANDIGARH  160022 

Southern  :  C.I.T. Campus, IV Cross Road, CHENNAI 600113 

Western  :  Manakalaya, E9 MIDC, Marol, Andheri (East) MUMBAI 400093 

Branches  :  AHMADABAD.  BANGALORE.  BHOPAL.  BHUBANESHWAR. COIMBATORE.  FARIDABAD.  GHAZ IABAD .  GUWAHATI. HYDERABAD.  JAIPUR.  KANPUR.  LUCKNOW.  NAGPUR. PATNA.  PUNE.  THIRUVANANTHAPURAM. 

Printed at Simco Printing Press, Delhi, India 

(Common  to  all  offices) 

Telephone 

323  76  17, 323 38 41 

337 84 99, 337 85 61 337 86 26, 337 91 20 

60 38 43 60 20 25 

235 02 16, 235 04 42 235 15 19, 235 23 15 

832 92 95, 832 78 58 832 78 91, 832 78 92