ISO 4866:2010
(Main)Mechanical vibration and shock — Vibration of fixed structures — Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on structures
Mechanical vibration and shock — Vibration of fixed structures — Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on structures
ISO 4866:2010 establishes principles for carrying out vibration measurement and processing data with regard to evaluating vibration effects on structures. It does not cover the source of excitation except when the source dictates dynamic range, frequency or other relevant parameters. The evaluation of the effects of structural vibration is primarily obtained from the response of the structure, using appropriate analytical methods by which the frequency, duration and amplitude can be defined. ISO 4866:2010 only deals with the measurement of structural vibration and excludes the measurement of airborne sound pressure and other pressure fluctuations, although response to such excitations is taken into consideration. ISO 4866:2010 applies to all structures built above or below ground. Such structures are used or maintained and include buildings, structures of archaeological and historical value (cultural heritage), bridges and tunnels, gas and liquid installations including pipelines, earth structures (e.g. dykes and embankments), and fixed marine installations (e.g. quays and wharfs). ISO 4866:2010 does not apply to some special structures, including nuclear plants and dams. The response of structures depends upon the excitation. ISO 4866:2010 examines the methods of measurement as affected by the source of excitation, i.e. frequency, duration, and amplitude as induced by any source (e.g. earthquake, hurricane, explosion, wind loading, airborne noise, sonic boom, internal machinery, traffic, and construction activities).
Vibrations et chocs mécaniques — Vibrations des structures fixes — Lignes directrices pour le mesurage des vibrations et l'évaluation de leurs effets sur les structures
L'ISO 4866:2010 établit des principes pour l'exécution des mesurages des vibrations et du traitement des données en vue de l'évaluation des effets des vibrations sur les structures. Elle ne traite pas de la source d'excitation sauf lorsque celle-ci impose un effort dynamique, une fréquence ou d'autres paramètres pertinents. L'évaluation des effets des vibrations des structures provient essentiellement de la réponse de la structure, à l'aide de méthodes analytiques appropriées permettant de définir la fréquence, la durée et l'amplitude des vibrations. L'ISO 4866:2010 ne traite que du mesurage des vibrations des structures et exclut celui du bruit aérien et d'autres variations de pression, bien que la réponse à de telles excitations soit prise en considération. L'ISO 4866:2010 s'applique à toutes les structures construites au-dessus ou au-dessous du sol. Cela comprend toutes les structures pouvant être utilisées ou entretenues, telles que les bâtiments, structures ayant une valeur archéologique et historique (patrimoine culturel), les ponts et les tunnels, les installations pour le gaz et les liquides, dont les pipelines, les structures à terre (par exemple les digues et les berges) et les installations maritimes fixes (par exemple les quais et les embarcadères). L'ISO 4866:2010 ne s'applique pas à certaines structures spéciales, dont les centrales nucléaires et les barrages. La réponse des structures dépend de l'excitation. L'ISO 4866:2010 examine les méthodes de mesure affectées par la source d'excitation, c'est-à-dire la fréquence, la durée et l'amplitude induites par une source quelconque (par exemple les tremblements de terre, les ouragans, les explosions, la force du vent, le bruit aérien, les bangs soniques, les machines qui se trouvent à l'intérieur, le trafic et les activités de construction).
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 4866
Second edition
2010-03-15
Mechanical vibration and shock —
Vibration of fixed structures —
Guidelines for the measurement of
vibrations and evaluation of their effects
on structures
Vibrations et chocs mécaniques — Vibrations des structures fixes —
Lignes directrices pour le mesurage des vibrations et l'évaluation de
leurs effets sur les structures
Reference number
©
ISO 2010
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Source-related factors to be considered .2
5 Structure-related factors to be considered.3
6 Quantities to be measured .4
7 Frequency range and vibration amplitude.5
8 Instrumentation .5
9 Position and mounting of transducers .7
10 Data collection, analysis and assessment.10
11 Methods of measurement and reporting.12
12 Evaluation of vibration responses.14
Annex A (informative) Values of structural response .16
Annex B (informative) Classification of buildings.18
Annex C (informative) Random data .23
Annex D (informative) Predicting natural frequencies and damping of buildings.24
Annex E (informative) Vibrational interaction of the foundation of a structure and the soil .30
Bibliography.36
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 4866 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition
monitoring, Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied
to machines, vehicles and structures.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 4866:1990), of which it constitutes a technical
revision. It also incorporates the Amendments ISO 4866:1990/Amd.1:1994 and ISO 4866:1990/Amd.2:1996.
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Introduction
The necessity for structures to sustain vibration is increasingly recognized, and requires consideration both in
the design for structural integrity, serviceability and environmental acceptability, and in the preservation of
historic structures.
Measurement of vibration in a structure is carried out for a variety of purposes:
a) problem recognition, where it is reported that a structure is vibrating at such a level as to cause concern
to occupants and equipment, possibly making it necessary to establish whether the levels warrant
concern for structural integrity;
b) control monitoring, where maximum permitted vibration levels have been established by an agency and
those vibrations have to be measured and reported;
c) documentation, where dynamic loading has been recognized in design, and measurements are made to
verify the predictions of response and provide new design parameters (These may use ambient or
imposed loading. Strong motion seismographs, for example, may be installed to indicate whether the
responses to earthquake warrant changes on operating procedure in a structure.);
d) diagnosis, where it has been established that vibration levels require further investigation, measurements
are made in order to provide information for mitigation procedures (another diagnostic procedure is to use
structural response to ambient or imposed loading to establish structural condition, e.g. after a severe
loading, such as an earthquake).
Such diverse purposes call for a variety of measuring systems, ranging from simple to sophisticated, deployed
in different types of investigations.
Technical guidance is needed by many interested parties on the most appropriate ways of measuring,
characterizing and evaluating those vibrations that affect structures. This applies to both existing structures,
which may be subjected to different types of excitation, and new structures erected in an environment where
sources of excitation may be significant.
The effects of vibration may also be determined analytically.
Although the material in this International Standard may be used to evaluate the relative severity of structural
vibration, it is not to be regarded as suggesting acceptable or non-acceptable levels. Nor does it consider
economic and social aspects, which are dealt with as appropriate by national regulatory bodies.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 4866:2010(E)
Mechanical vibration and shock — Vibration of fixed
structures — Guidelines for the measurement of vibrations and
evaluation of their effects on structures
1 Scope
This International Standard establishes principles for carrying out vibration measurement and processing data
with regard to evaluating vibration effects on structures. It does not cover the source of excitation except when
the source dictates dynamic range, frequency or other relevant parameters. The evaluation of the effects of
structural vibration is primarily obtained from the response of the structure, using appropriate analytical
methods by which the frequency, duration and amplitude can be defined. This International Standard only
deals with the measurement of structural vibration and excludes the measurement of airborne sound pressure
and other pressure fluctuations, although response to such excitations is taken into consideration.
This International Standard applies to all structures built above or below ground. Such structures are used or
maintained and include buildings, structures of archaeological and historical value (cultural heritage), bridges
and tunnels, gas and liquid installations including pipelines, earth structures (e.g. dykes and embankments),
and fixed marine installations (e.g. quays and wharfs).
This International Standard does not apply to some special structures, including nuclear plants and dams.
The response of structures depends upon the excitation. This International Standard examines the methods of
measurement as affected by the source of excitation, i.e. frequency, duration, and amplitude as induced by
any source (e.g. earthquake, hurricane, explosion, wind loading, airborne noise, sonic boom, internal
machinery, traffic, and construction activities).
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 2041, Mechanical vibration, shock and condition monitoring — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purpose of this document, the terms and definitions given in ISO 2041 and the following apply.
3.1
vibration source
simple or multiple solid, liquid or gaseous body causing vibration in its environment
[8]
[ISO 14964:2000 , 3.10]
3.2
vibration event
modification of existing ambient vibrations due to single or multiple sources
3.3
vibration receiver
all structures or elements of structures responding to vibration energy emitted by an internal or external
source
[8]
[ISO 14964:2000 , 3.11]
3.4
work cycle
description and duration of a production operation used to manufacture a product or to fulfil an operation
[8]
NOTE Adapted from ISO 14964:2000 , 3.2.
3.5
measuring interval
〈mechanical vibration and shock〉 minimum measurement duration that accurately represents the response of
a structure excited by a known vibration
3.6
observation interval
time during which continuous or non-continuous measurements to characterize the vibration activities take
place
3.7
reference interval
〈mechanical vibration and shock〉 time period considered to include the vibration emission of interest as
defined by regulation and contract
3.8
transducer sensitivity
ratio of transducer output to transducer input
3.9
measuring dynamic range
ratio, expressed in decibels, of the maximum measured amplitude to the minimum measurable amplitude of
the instrument while measuring
3.10
operational dynamic range of measurement
ratio, expressed in decibels, of the contractual, regulatory or estimated maximum amplitude to the minimum
measurable amplitude of the instrumentation system
3.11
dynamic range of measuring system
ratio, expressed in decibels, of the maximum amplitude to the minimum amplitude measured by a measuring
instrument
4 Source-related factors to be considered
4.1 General
The source, which is the origin of the vibration event, shall be identified and described accurately to consider
its characteristics when a measurement programme has to be established or when the results have to be
compared to regulatory or contractual limits.
For this description, three classifications are necessary: one related to the duration of exposure; another
related to the variation of amplitude with time; and a third comprising the category of the vibration signals.
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4.2 Classification of events according to their duration
4.2.1 Permanent
The source emission is permanent or quasi-permanent during the selected reference interval.
4.2.2 Intermittent
A succession of events, each of relatively short duration, is separated by irregular intervals during which the
vibration amplitude is equivalent to the background level.
4.2.3 Single occurrence
Sources generating vibration events, which are of short duration (a few seconds) and which can occur only
once. Single occurrences do not exceed five per day.
4.3 Classification of events according to the variation of their amplitude with time
4.3.1 Stable
The variation of the amplitude with time does not exceed 10 %.
4.3.2 Cyclic
Repeated events with the same magnitude occur.
4.3.3 Other events
“Other” events cannot be classified as stable or cyclic.
4.4 Classification according to the category of signals emitted by the source
Source signal categories include:
a) stationary (e.g. generators);
b) non-stationary (e.g. trains);
c) transient or impulsive vibrations with separated (e.g. blasting) or repeated impulses (e.g. forging
hammers).
5 Structure-related factors to be considered
5.1 General
The reaction of structures and structural components to dynamic excitation depends upon their response
characteristics (e.g. natural frequencies, mode shapes, and modal damping) and the spectral content of the
excitation. Cumulative effects, especially at high response levels, and the extent of exposure where fatigue
damage is possible should be considered.
5.2 Type and condition of structures
In order to describe and categorize the visible effects of vibration, a classification of the structures dealt with in
this International Standard is needed. For the purposes of this International Standard, a classification of
buildings is set out in Annex B.
[5]
NOTE For a classification of tunnels, see ISO 10815 .
5.3 Natural frequencies and damping
The fundamental natural frequency of a structure or of a part of the structure influences its response and shall
be known to allow the several methods of analysis to be applied. This may be achieved by spectral analysis of
low-level response to ambient excitation or by the use of artificial excitation, e.g. exciters.
Experimental studies have indicated the range of fundamental shear frequencies of low-rise structures, 3 m to
12 m high, to be from 15 Hz to 4 Hz (see Reference [26]). The damping content is generally amplitude
dependent. The natural frequency and damping content of stationary structures is dealt with in Annex D.
5.4 Structure dimensions
Ground-borne vibration may have wavelengths of less than 1 m to several hundred metres. The response to
excitations from shorter wavelengths is complex and the foundations may act as a filter. Smaller domestic
structures generally have base dimensions that are smaller than the long wavelength which is typical for
ground condition. Longer structures such as dams are more affected by larger wavelength excitations.
5.5 Influence of ground conditions
It is now common in engineering studies to take into account the influence of the soil.
An evaluation of soil-structure interaction is sometimes justified for man-made vibration; such an evaluation
requires that the shear wave velocity or dynamic modulus of rigidity in an appropriate volume of ground
material be determined (see Annex E). Empirical, numerical and analytical procedures may be obtained from
the literature (e.g. Reference [28]).
Foundations on poor soils and fills may be subject to settlement or loss of bearing capacity due to ground
vibration. The risk of such effects is a function of the particle size and shape of the soil, its uniformity of
grading, compaction (which may be monitored by precise levelling), degree of saturation, internal stress state,
as well as the peak multiaxial motion amplitude and duration of the ground vibration. Loose, cohesionless,
saturated sands are especially vulnerable and, in extreme circumstances, may undergo liquefaction. This
phenomenon shall be taken into consideration in evaluating vibrations and explaining their effects (see
References [28], [29] and Annex B). For larger structures, fault line and associated differential ground
conditions should be separately assessed.
The evaluation of vibration effects on a structure shall include:
a) direct effects which result from the real-time response of a structure to induced vibrations;
b) indirect effects which can be initiated by other factors and accelerated by vibration (construction activities,
ground settlement, existing damage, water levels).
NOTE A construction activities example is an inadequately propped or braced basement excavation. This can lead to
ground movement and thereby damage to the building, which is a mechanism that can be exacerbated by vibration.
6 Quantities to be measured
The characterization of both the nature of the vibration input and the response may be effected by a variety of
displacement, velocity or acceleration transducers. Velocities and accelerations are kinematic quantities that
are commonly measured. From knowledge of the appropriate transfer function of the sensing system, each
quantity can be derived from another by integration or differentiation. It is recommended that the appropriate
transducer be used to measure the required quantity directly, thus avoiding the processes of integration or
differentiation. As long as the requirements on data collection, processing and presentation are met, any
quantity may be measured. Experience suggests that there are preferred quantities for different situations.
CAUTION — Integration at lower frequencies calls for care and confidence in the amplitude-phase
response of the transducer and measurement setup (see Clause 8) and care should be exercised
when using the phase information from the velocity transducer at the lower frequencies.
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Both the amplitude and phase responses of the system are critical when measuring peak quantities. In such
cases, the linear performance of the entire measurement and analysis system should be validated. The signal
of interest shall sufficiently exceed the electrical noise of the measuring system used, typically by a factor of
10. During measurement, the signal of interest should exceed the ambient vibration, but this is not always
under the control of the investigator. If feasible, arrange for ambient vibration to be reduced where relevant
(e.g. switch off mechanical plant unrelated to the source of interest).
7 Frequency range and vibration amplitude
The frequency range of interest depends upon the spectral content of the excitation and upon the mechanical
response of the structure. For simplicity, this International Standard deals with frequencies ranging from
0,1 Hz to 500 Hz which cover a wide variety of structures subject to natural (winds and earthquakes) and
man-made (construction, blasting, and traffic) sources of excitation. Internal machinery may require
measurements over a wider frequency range.
Most structural damage from man-made sources occurs in the frequency range from 1 Hz to 150 Hz. Natural
sources, such as earthquakes and wind excitation, usually contain damage-level energy at lower frequencies,
in the range from 0,1 Hz to 30 Hz.
Vibration levels of interest, for analysis and characterization of structural responses, range from a few to
several hundred millimetres per second depending on the frequency (Tables A.1 and A.2 show ranges of
structural response for various sources and typical values and conditions of measurement).
8 Instrumentation
8.1 General requirements
Vibrations are measured for the purpose of evaluating, diagnosing or monitoring a structure. A single
instrumentation system is not expected to meet all frequency and dynamic range requirements for the wide
range of applications for which this International Standard can be used.
The measuring system includes:
a) transducers (see 8.2);
b) signal-conditioning equipment;
c) data recording system.
The frequency response characteristics, amplitude, and phase shall be specified for the complete
measurement system once it is connected as intended for use.
The accuracy of the measured vibration depends partly upon the characteristics of the equipment which shall
be established by regular calibration on dates specified by the manufacturer or by regulation. Each device
shall be accompanied by its calibration certificate.
At minimum, the vibration shall be characterized by a continuous measurement of the vibration amplitude,
recorded over a sufficiently long time, and taken with sufficient accuracy to extract its spectral content.
8.2 Choice of transducers
The choice of transducers is important for the correct evaluation of vibratory motion. In general, transducers
are divided into two groups: a) the so-called velocity transducer (geophone), widely used in structural vibration
measurement, is typically of electromagnetic nature operating at frequencies above its natural frequency;
and b) the piezoelectric accelerometer usually operates below its natural frequency. Other electromagnetic
transducers whose useful range is below their natural frequency, such as strong-motion seismographs, are
also available.
When measuring signals of low frequencies and small amplitudes, the piezo-accelerometer output is so low
that the integration result is affected by the integrator noise. In this case, use other (capacitative) types of
accelerometers. It is better to use an appropriate transducer to measure the required quantity directly and
avoid the process of integration or differentiation.
8.3 Signal-to-noise ratio
Generally, the signal-to-noise ratio should be not less than 5 dB. Background noise is defined as the sum of
all the signals not due to the phenomenon under investigation.
8.4 Instrumentation classes
8.4.1 General
Data collection systems which are adequate for establishing even a single parameter index (e.g. peak particle
velocity) may not be adequate for defining a more complex periodic motion over a specified frequency range.
For the applications dealt with in this International Standard, two main classes of measurement are
considered:
a) class 1 for engineering analysis;
b) class 2 for field monitoring.
Instrumentation with particular parameters can be used for special applications and considered as subclasses
of class 2.
8.4.2 Instrumentation class 1 for engineering analysis
The optimal parameters are:
a) the storage capability of the instrument shall be at least 30 s per channel, at a minimum rate of
1 000 digital time samples/s — in certain cases, when the frequency of interest approaches the upper end
of 500 Hz, the minimum sampling rate shall be 2 500 samples/s;
b) the sampling shall carried out at a frequency of at least five times the highest frequency to be analysed;
c) for digital acquisition, the recording system shall comprise an analogue anti-aliasing filter having a
minimum attenuation factor of 100 (40 dB) at half the sampling frequency;
d) the digital data collection system shall include an indication device for observing the sampled time data as
well as the processed data to help verify proper system operation;
e) the frequency span of the entire digital data collection system shall extend from at least 1 Hz to 150 Hz
(3 dB points) or wider as necessary to properly measure the frequency content of the vibration signal
being encountered;
f) the dynamic range of the measuring equipment shall be at least 72 dB;
g) the minimum measurable amplitude of the recording system shall be at least 10 µm/s;
h) the amplification ranges shall be such that the dynamic range of measurement (higher/lower amplitude) is
more than 40 dB;
i) the frequency response deviation of the measuring equipment in the range from 2 Hz to 80 Hz shall not
exceed 8 % (0,7 dB) of the amplitude determined at the reference frequency.
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8.4.3 Instrumentation class 2 for field monitoring
This category of instrumentation is used for vibration control after definition of major parameters by
engineering analysis or to monitor known vibration phenomena. The frequency and amplitude characteristics
are determined by the results obtained by the engineering analysis and, if necessary, by contractual or
regulatory obligations. The optimal parameters are:
a) the dynamic range of the measuring equipment shall be at least 66 dB;
b) the operational dynamic range of the measurement shall be at least 20 dB;
c) the frequency response deviation of the measuring equipment in the range from 2 Hz to 80 Hz shall not
exceed 8 % (0,7 dB) of the amplitude determined at the reference frequency;
d) the monitoring equipment shall record and report vibration events that exceed the designated threshold
amplitude — the following recorded information shall be reported immediately after detection of an event:
1) the maximum amplitude value,
2) date and time of the starting event.
8.4.4 Instrumentation for special applications
For some special applications, alternative optimal required parameters can be used for class 2 only:
a) lowering the sampling rate when monitoring tall buildings and bridges;
b) reducing the length of each recording segment when monitoring brief events such as blasting;
c) increasing the sampling rate and amplitude range when monitoring vibration waves propagating in
concrete structures and hard rock.
9 Position and mounting of transducers
9.1 Position, number and orientation of transducers
9.1.1 General
The choice of number and position of transducers shall consider:
a) any contractual or regulatory obligations;
b) the object of measurement;
c) the type of structure monitored, its state, its geometry, its dynamic response;
d) the foundation system and soil-foundation interaction;
e) the distance between the source and the measuring points;
f) the energy and vibratory mode generated by the source.
9.1.2 Position of transducers
Transducer placement in a structure depends on the vibration response of concern. Assessment of the
vibrations being input to a structure from ground-borne sources is best undertaken using measurements on or
near the foundation. The soil-foundation transfer function can be evaluated by adding measuring points on the
ground.
Determination of structural racking or of shear deformation of the structure as a whole requires measurements
directly on the load-bearing members. This usually means several components of measurement on foundation,
substructure and superstructure corners, although other arrangements are possible.
Sometimes, specific motions are of concern (floor, wall, bridge, ceiling) with maximum amplitudes at mid-span
locations. Although sometimes very severe, these mid-span vibrations are usually unrelated to structural
integrity (see Reference [31]).
Where measurements related to equipment are to be made, the measurement should consider the incoming
vibration. The point of measurement should be placed on the structure at the entrance point of vibration and
on the frame of the equipment. In this case, the equipment should, if possible, be switched off for the
measurement.
Vibration measurements made on or below the ground surface may be affected by the variation of the surface
wave amplitude with depth. Structure foundations may then be exposed to a motion which is different from the
one observed on the ground surface depending on the wavelengths, foundation depths, and geotechnical
conditions (see E.4).
9.1.3 Number of transducers
The proper characterization of the vibration of a structure requires a number of measurement positions which
depend upon the size and complexity of the structure.
Where the purpose is to monitor imposed vibration, the preferred position is at the foundation. When
measurements on the foundation itself are not possible, it is normal to make the measurements at a low point
on the main load-bearing external wall of the ground floor. The number of transducers depends upon the
dimension of the structure.
Measurements of the vibration response due to sources at great distances (traffic, pile-driving and blasting)
show that the vibration may be amplified within the structure in proportion to its height and depth (see
Annex E). Therefore, it is necessary to carry out simultaneous measurements at several points within the
structure.
Where a structure is taller than 12 m, additional measurement points should be used every 12 m or at the
highest floor of the structure.
Where a structure is more than 10 m long, measuring points should be added at appropriate intermediate
positions and at critical points on the structure (at least three: two at extremities and one at the centre).
Simultaneous measurements on the foundation and the ground outside allows a transfer function to be
established.
Additional measurement points on floors are required to evaluate human response.
NOTE For investigations using an analytical approach, the point of evaluation depends upon the modes of
deformation considered. For economic reasons, most practical cases are limited to the identification of the fundamental
modes and the measurement of the maximum responses in the whole structure, together with observations on structural
elements such as floors and walls.
9.1.4 Orientation of components
Where ground-transmitted vibration measurements are to be made, it is usual to orient the horizontal sensors
along the direction defined as the line joining the source and the sensor. When studying structural response to
ground vibration, it is more realistic to orient these horizontal sensors along the major and minor axes of the
structure.
8 © ISO 2010 – All rights reserved
For wind-induced vibration, vertical motion components are often ignored and the vibration transducers should
be oriented to sense horizontal and rotational motions.
9.2 Mounting of transducers
9.2.1 General
The aim should be to reproduce faithfully the motion of the element or substrate without introducing additional
response.
9.2.2 Coupling to structural elements
[3]
The mounting of vibration transducers to vibrating elements or substrate should comply with ISO 5348 .
As the mass of the transducer and monitoring unit (if any) of up to10 % of that of the structure element on
which it is mounted leads to significant change of its modal behaviour, the mass of the measuring equipment
shall not be greater than 1 % of that of the structure.
The transducer mounting can be secured to the frame of the structure by expansion bolts. Gypsum joints are
preferred when taking measurements on lightweight concrete elements.
Measurements on floors having compliant coverings tend to give distorted results and should be avoided.
Where it is not possible to relocate the transducers, comparative measurements with different mass and
coupling conditions for the mounting block should be made to evaluate the effect of the compliant coverings,
[16]
or special adaptors should be used (see DIN 45669-2 ).
Brackets shall be avoided. It is better to fix three uniaxial transducers to three faces of a metal cube rigidly
mounted by means of studs or quick-setting, high-modulus resin. In special circumstances, it is acceptable to
glue the transducer or attach it using magnetic attraction. For measurements on indoor horizontal surfaces,
double-sided adhesive tape may be used on all hard surfaces for accelerations below 1 m/s , although
mechanical fixtures are preferred.
9.2.3 Coupling to the ground
Where transducers have to be mounted in the ground, in order to minimize coupling distortion, they should be
buried to a depth at least three times the main dimension of the transducer/mounting unit (see
[16]
DIN 45669-2 ). Alternatively, they can be fixed to a rigid plate with a mass ratio,
m
ρr
of not more than 2, where
m is the mass of the transducer and plate;
r is the equivalent radius of the plate;
ρ is the bulk density, in kilograms per cubic metre, of the soil.
The rigid plate may, for example, be a well-bedded paving slab. For most soils and rock, the bulk density, ρ,
3 3
ranges from 1 500 kg/m to 2 600 kg/m .
Soil conditions permitting, the transducer may be fixed to a stiff steel rod (having a diameter of not less than
10 mm), driven through a loose surface layer. This rod should not project more than a few millimetres above
ground surface. Care should be taken to ensure close contact between the transducer and the ground. In
cases where acceleration greater than 2 m/s is expected, ensure that the ground mounting is firm to prevent
slippage. In many cases, this coupling method is not reliable for measurement in the horizontal direction.
10 Data collection, analysis and assessment
10.1 General
The aim is to acquire sufficient information to enable the selected method of analysis to be carried out with a
sufficient degree of confidence. The amount of information required to characterize vibration properly
increases from simple periodic to non-stationary random and transient motion.
10.2 Description of data
Any data resulting from the observation of a physical process can broadly be described as deterministic or
random. Deterministic data can be described by an explicit mathematical function, while random data are only
evaluated through statistical functions.
Figure 1 illustrates categories of the types of data that may be encountered. Descriptions of the categories are
given in ISO 2041.
a) Deterministic data
b) Random data
Figure 1 — Types of data
10 © ISO 2010 – All rights reserved
10.3 Measurement duration
The measurement duration depends on the category of the vibration event and the reference, observation and
measurement time intervals. Observation and measurement intervals are given in Table 1.
Table 1 — Observation and measurement time intervals
Observation Measurement Examples
Event type Vibration source Event category
time interval time interval of source
stable 1 h 30 s electric generator
three cycles not
cyclic three cycles forging hammer
adjacent
Permanent known or unknown
determined by
amplitude-
other one selected day heavy car traffic
dependent
triggering
one complete
at least three cycle or maximum
cyclic piling
complete cycles amplitude by
triggering
according to its
unique stable one event or 30 s refrigerating group
working mode
determined by
according to its amplitude- crushing mill,
Intermittent
other
working mode dependent compactor
triggering
each type of
source shall be
treated according
multiple one selected day event duration train traffic
to the criteria
defined for a
unique source
Isolated or single unique one event one event blasting
EXAMPLE For intermittent sources, like piling, the reference interval is a typical day representing the source action
and the observation interval is at least three complete work cycles (a cycle being the complete driving of a pile); the
measurement intervals are determined by amplitude-dependent triggering, see Figure 2.
Key
t time
1 reference interval
2 observation interval
3 measurement intervals
Figure 2 — Measurement intervals
11 Methods of measurement and reporting
11.1 General
The method of evaluation 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 available. An investigator should, therefore, have an appropriate method of assessing the
severity of vibration of a structure or a component with regard to the probability of damage. In such an
assessment, the following factors shall be taken into account:
a) natural frequencies of the basic structure and its components (walls, floors, windows);
b) damping characteristics of the basic structure and its components;
c) type of construction, its condition and material properties;
d) characteristics of excitation;
e) deflected form;
f) non-linearity in amplitude response.
Two methods of measurement are defined, the first concerns engineering analysis and the second concerns
field monitoring in the conditions fixed by the engineering analysis method or contractual and regulatory
obligations.
12 © ISO 2010 – All rights reserved
11.2 Engineering analysis
When complex structures of vital importance are subjected to vibration magnitudes whose consequences are
taken into serious consideration, the structural behaviour should be assessed in a more detailed way.
Instrumentation of class 1 should be mounted at a number of locations to ensure that specific values for that
structure are not exceeded.
If the ground-to-foundation transfer function is of concern, simultaneous recording outside and on the
foundation should be made. The recording on the foundation is made at a point in the basement or other key
element of the structure.
The number of measurement points and their locations shall be defined and modified according to the
characteristics of the structure and the observations made during the monitoring process.
The natural frequencies of structures should be determined, if possible.
In the case of vibration which can be reproduced for a sufficient amount of time, the same transducers can be
used for the various points, keeping a reference point at the foundation level near the source.
For structures of vital importance, response analysis should be carried out as well as an estimate of structure
loading. A full engineering analysis requires a system which would enable the frequency to be estimated
within ± 0,5 % and damping within ± 20 % due to the complexity in determination.
11.3 Field quality monitoring
A field quality monitoring system should consist of a limited number of the monitoring locations already used in
the engineering analysis. The dominant vibration parameters are already established.
The survey is to assess the vibration severity in comparison with the values stipulated in codes and
regulations or established during the engineering analysis.
11.4 Reporting of control activities
The report style should be consistent with the type of investigation, but the report should include at least the
following:
a) general information:
1) description of the source,
2) type and condition of the structure, in accordance with Annex B,
3) purpose of the measurement,
4) reference to the standard being used and type of investigation,
5) ground conditions;
b) measurements:
1) position of transducer and manner of coupling,
2) type and manufacturer of transducer, signal-conditioning and recording equipment,
3) calibration methods and dates for the instrumentation system,
4) frequency range and linearity,
5) assessment of the sources of error,
6) for monitoring or survey investigation, it may be sufficient to make continuous registration of peak
particle velocity values,
7) for further investigation, time history records should be made available;
c) structure inspection:
1) inspection of structures before exposure to vibration, with graphical and/or photographic reporting of
cracks and other damage, including dilapidation survey,
2) inspection of the same structures after exposure to vibration,
3) evaluation of observed damage;
d) reference to other relevant International Standards.
12 Evaluation of vibration responses
12.1 Evaluation for prediction
An existing structure may be exposed to a new source of vibration, external or internal, and some assessment
of the expected vibration response is needed. Given sufficient information about the characteristics of the
input and the properties of the structure, numerical analyses, using any of the well-known techniques of
response spectra, Fourier spectrum or time-step integration (see Reference [35]), can be used. Alternatively,
a characteristic index, such as the kinematic quantities displacement, velocity or acceleration (see 12.3), can
be related to the expected performance using empirical data appropriate to the type of structure (see
Reference [28]).
Vibrations are conveniently represented in the frequency domain by response spectra, widely used in
engineering. In most cases, the response characteristics of the structure are ill defined although dynamic test
procedures are now available (see Reference [27]).
12.2 Evaluation of the vibration in existing structures
The evaluation of vibration in existing structures may be carried out at different levels of sophistication
consistent with the investigative procedures. Indications of vibration severity may be in terms of stresses or
kinematic quantities. In some cases, the direct observation of crack opening or structure damage provide
[15]
information on the response and may indicate progressive deterioration (see DIN 4150-3 and
Reference [35]).
12.3 Kinematic quantities as indices of vibration severity in structures
For several decades, studies have been carried out to relate the vibration severity in terms of a quantity, such
as peak displacement, velocity or acceleration, related to visible effects on structures. Where measurements
are made on a component, a kinematic quantity, such as peak velocity, can be expressed as a stress and, in
turn, related in structural terms to the allowable value of the stress. When the kinematic quantity refers to
rigid-body structural response, measured at some chosen position, the response frequency and damping of
the structure as well as
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 4866
Deuxième édition
2010-03-15
Vibrations et chocs mécaniques —
Vibrations des structures fixes — Lignes
directrices pour le mesurage des
vibrations et l'évaluation de leurs effets
sur les structures
Mechanical vibration and shock — Vibration of fixed structures —
Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their
effects on structures
Numéro de référence
©
ISO 2010
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .1
4 Facteurs relatifs à la source à considérer .3
5 Facteurs relatifs à la structure à considérer .4
6 Grandeurs à mesurer .5
7 Gamme de fréquences et amplitude de vibration .5
8 Instrumentation .6
9 Emplacement et fixation des transducteurs.8
10 Acquisition de données, analyse et évaluation.11
11 Méthodes de mesure et d'établissement du rapport .13
12 Évaluation des réponses aux vibrations.15
Annexe A (informative) Valeurs de la réponse structurelle.18
Annexe B (informative) Classification des bâtiments .20
Annexe C (informative) Données aléatoires.25
Annexe D (informative) Prévision des fréquences propres et de l'amortissement des bâtiments .26
Annexe E (informative) Interaction des vibrations entre les fondations d'une structure et le sol.32
Bibliographie.38
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 4866 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques, et leur
surveillance, sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les
machines, les véhicules et les structures.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 4866:1990) dont elle constitue une
révision technique. Elle incorpore également les Amendements ISO 4866:1990/Amd.1:1994 et
ISO 4866:1990/Amd.2:1996.
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Introduction
La nécessité pour les structures de supporter les vibrations est de plus en plus reconnue, et exige d'être prise
en considération à la fois pour la conception en vue de l'intégrité des structures, du comportement en service
et de l'acceptabilité de l'environnement, et pour la préservation des structures historiques.
Le mesurage des vibrations dans une structure est réalisé afin de répondre à divers objectifs:
a) reconnaissance du problème, lorsqu'il est signalé qu'une structure est soumise à des vibrations
atteignant un niveau pouvant affecter les occupants et les équipements et qu'il peut être nécessaire de
vérifier si ces niveaux concernent ou non l'intégrité de la structure;
b) vérification de contrôle, lorsque les niveaux vibratoires maximaux permis ont été déterminés par un
organisme et que ces vibrations doivent être mesurées et faire l'objet d'un rapport;
c) documentation, lorsque des vibrations dynamiques ont été déterminées lors de la conception et que des
mesurages ont été réalisés pour vérifier les prévisions en matière de réponse et pour fournir de nouveaux
paramètres de conception (Ces derniers peuvent utiliser des vibrations ambiantes ou des vibrations
imposées. Des séismographes de mouvement fort peuvent être mis en place de façon à indiquer si les
réponses à un tremblement de terre justifient des modifications de la procédure de mise en œuvre dans
une structure);
d) diagnostic, lorsqu'il a été établi que les niveaux vibratoires nécessitent une enquête plus appronfondie,
des mesurages sont réalisés afin de fournir des informations en ce qui concerne les procédures
d'atténuation (Une autre méthode de diagnostic consiste à utiliser la réponse des structures à des
vibrations ambiantes ou imposées afin d'établir l'état de la structure, par exemple après une charge
sévère telle qu'un tremblement de terre).
Ces différents objectifs demandent divers systèmes de mesure, du plus simple au plus sophistiqué, mis en
place lors de différents types d'investigation.
De nombreuses parties intéressées ont besoin de lignes directrices techniques relatives aux méthodes les
plus appropriées de mesurage, de caractérisation et d'évaluation des vibrations qui affectent les structures.
Cela s'applique à la fois aux structures existantes qui sont susceptibles d'être soumises à différents types
d'excitation et à des structures neuves érigées dans un environnement où les sources d'excitation peuvent
être importantes.
Les effets des vibrations peuvent également être déterminés de manière analytique.
Bien que les données de la présente Norme internationale puissent être utilisées pour évaluer la sévérité
relative des vibrations des structures, elles ne doivent pas être considérées comme des données proposant
des niveaux acceptables ou non acceptables. Elles ne tiennent pas compte non plus des aspects
économiques et sociaux qui sont traités de façon adéquate par des organismes nationaux de réglementation.
NORME INTERNATIONALE ISO 4866:2010(F)
Vibrations et chocs mécaniques — Vibrations des structures
fixes — Lignes directrices pour le mesurage des vibrations et
l'évaluation de leurs effets sur les structures
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale établit des principes pour l'exécution des mesurages des vibrations et du
traitement des données en vue de l'évaluation des effets des vibrations sur les structures. Elle ne traite pas de
la source d'excitation sauf lorsque celle-ci impose un effort dynamique, une fréquence ou d'autres paramètres
pertinents. L'évaluation des effets des vibrations des structures provient essentiellement de la réponse de la
structure, à l'aide de méthodes analytiques appropriées permettant de définir la fréquence, la durée et
l'amplitude des vibrations. La présente Norme internationale ne traite que du mesurage des vibrations des
structures et exclut celui du bruit aérien et d'autres variations de pression, bien que la réponse à de telles
excitations soit prise en considération.
La présente Norme internationale s'applique à toutes les structures construites au-dessus ou au-dessous du
sol. Cela comprend toutes les structures pouvant être utilisées ou entretenues, telles que les bâtiments,
structures ayant une valeur archéologique et historique (patrimoine culturel), les ponts et les tunnels, les
installations pour le gaz et les liquides, dont les pipelines, les structures à terre (par exemple les digues et les
berges) et les installations maritimes fixes (par exemple les quais et les embarcadères).
La présente Norme internationale ne s'applique pas à certaines structures spéciales, dont les centrales
nucléaires et les barrages.
La réponse des structures dépend de l'excitation. La présente Norme internationale examine les méthodes de
mesure affectées par la source d'excitation, c'est-à-dire la fréquence, la durée et l'amplitude induites par une
source quelconque (par exemple les tremblements de terre, les ouragans, les explosions, la force du vent, le
bruit aérien, les bangs soniques, les machines qui se trouvent à l'intérieur, le trafic et les activités de
construction).
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 2041, Vibrations et chocs mécaniques, et leur surveillance — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 2041 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
source de vibrations
corps simple ou multiple, solide, liquide ou gazeux, émettant des vibrations dans son environnement
[8]
[ISO 14964:2000 , 3.10]
3.2
événement vibratoire
modification des vibrations ambiantes existantes due à une ou plusieurs sources
3.3
récepteur de vibrations
toutes les structures ou tous les éléments de structures réagissant à l'énergie vibratoire émise par une source
intérieure ou extérieure
[8]
[ISO 14964:2000 , 3.11]
3.4
cycle de travail
description et durée d'une opération de production servant à la fabrication d'un produit ou à l'exécution d'une
opération
[8]
NOTE Adapté de l'ISO 14964:2000 , 3.2.
3.5
intervalle de mesure
〈vibration et choc mécanique〉 durée de mesurage minimale représentant de manière précise la réponse d'une
structure excitée par des vibrations connues
3.6
intervalle d'observation
durée pendant laquelle ont lieu des mesurages continus ou non continus visant à caractériser les activités
vibratoires
3.7
intervalle de référence
〈vibration et choc mécanique〉 durée considérée pour inclure l'émission de vibrations digne d'intérêt, définie
par la réglementation et le contrat
3.8
sensibilité du transducteur
rapport entre la sortie du transducteur et l'entrée du transducteur
3.9
dynamique de mesurage
rapport, exprimé en décibels, entre l'amplitude maximale mesurée et l'amplitude mesurable minimale de
l'instrument pendant le mesurage
3.10
dynamique opérationnelle de mesurage
rapport, exprimé en décibels, entre l'amplitude maximale contractuelle, réglementaire ou estimée, et
l'amplitude mesurable minimale de l'instrumentation
3.11
dynamique du système de mesure
rapport, exprimé en décibels, entre l'amplitude maximale et l'amplitude minimale mesurée par l'instrument de
mesure
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4 Facteurs relatifs à la source à considérer
4.1 Généralités
La source, qui correspond à l'origine de l'événement vibratoire, doit être identifiée et décrite de manière
précise afin de considérer ses caractéristiques lorsqu'un programme de mesure doit être mis en place ou
lorsque les résultats doivent être comparés à des limites réglementaires ou contractuelles.
Pour cette description, trois classifications sont nécessaires: une en rapport avec la durée d'exposition; une
autre liée à la variation de l'amplitude en fonction du temps; et une troisième s'intéressant à la catégorie des
signaux de vibrations.
4.2 Classification des événements en fonction de leur durée
4.2.1 Permanents
L'émission de la source est permanente ou quasi permanente pendant l'intervalle de référence sélectionné.
4.2.2 Intermittents
Une succession d'événements, chacun de courte durée, entrecoupés d'intervalles irréguliers pendant lesquels
l'amplitude de vibration est équivalente au niveau ambiant.
4.2.3 Isolés
Sources générant des événements vibratoires de courte durée (quelques secondes) pouvant se produire une
seule fois. Les événements isolés ne dépassent pas cinq par jour.
4.3 Classification des événements en fonction de la variation de leur amplitude avec
le temps
4.3.1 Stables
La variation de l'amplitude avec le temps ne dépasse pas 10 %.
4.3.2 Cycliques
Répétition d'événements de même amplitude.
4.3.3 Autres événements
Autres événements ne pouvant être classifiés comme stables ou cycliques.
4.4 Classification en fonction de la catégorie des signaux émis par la source
Les catégories de sources de signal comprennent les suivants:
a) stationnaires (par exemple les générateurs);
b) non stationnaires (par exemple les trains);
c) vibrations transitoires ou impulsives avec impulsions séparées (par exemple explosion) ou répétées (par
exemple presses mécaniques).
5 Facteurs relatifs à la structure à considérer
5.1 Généralités
La réponse des structures et des éléments de structure à des excitations dynamiques dépend de leurs
caractéristiques de réponse (par exemple fréquences propres, formes de mode et amortissement modal) et
du spectre de l'excitation. Il convient d'examiner les effets cumulés, notamment pour des niveaux de réponse
élevés et pour des durées d'exposition prolongées, lorsque des dommages de fatigue sont susceptibles de se
produire.
5.2 Type et état des structures
Afin de décrire et de catégoriser les effets visibles des vibrations, une classification des structures traitées
dans la présente Norme internationale est nécessaire. Pour les besoins de la présente Norme internationale,
une classification des bâtiments est donnée à l'Annexe B.
[5]
NOTE Pour une classification des tunnels, voir l'ISO 10815 .
5.3 Fréquences propres et amortissement
La fréquence propre fondamentale d'une structure ou d'une partie d'une structure influence sa réponse et doit
être connue pour permettre d'appliquer plusieurs méthodes d'évaluation des vibrations. Pour cela, il est
possible de réaliser une analyse spectrale de la réponse de bas niveau par rapport à l'excitation ambiante ou
de procéder à une excitation artificielle, par exemple par l'utilisation d'excitateurs.
Des études expérimentales ont indiqué la gamme de fréquences fondamentales de cisaillement d'une
structure de faible hauteur, 3 m à 12 m, comme allant de 15 Hz à 4 Hz (voir Référence [26]). L'amortissement
dépend généralement de l'amplitude. La fréquence propre et l'amortissement des structures fixes sont traités
à l'Annexe D.
5.4 Dimensions des structures
Les vibrations solidiennes peuvent avoir des longueurs d'onde comprises entre 1 m et plusieurs centaines de
mètres. La réponse à des excitations de longueurs d'onde plus courtes est complexe et les fondations sont
alors susceptibles d'agir comme un filtre. Les structures d'habitation plus petites ont généralement des
dimensions de base inférieures à la longue longueur d'onde qui est propre à l'état du sol. Les structures plus
longues, telles que les barrages, sont plus affectées par des excitations de longueurs d'onde plus importantes.
5.5 Influence de l'état du sol
Il est maintenant habituel, dans les études techniques, de tenir compte de l'influence du sol.
Une évaluation de l'interaction sol-structure se justifie parfois pour les vibrations artificielles; ce genre
d'évaluation implique la détermination de la vitesse d'onde de cisaillement ou du module dynamique de
rigidité dans un volume approprié de matériau de sol (voir Annexe E). Il est possible d'obtenir des méthodes
empiriques, numériques et analytiques à partir de plusieurs sources de documentation (Référence [28], par
exemple).
Des fondations sur sols médiocres et sur remblais sont susceptibles d'être affectées par un tassement ou une
perte de résistance imputable aux vibrations du sol. Le risque présenté par ce type d'effet est fonction de la
taille des particules et de la forme du sol, de l'uniformité de la granulométrie, de son compactage (qui peut
être surveillé par un nivelage précis), de son degré de saturation, des contraintes internes ainsi que de
l'amplitude de mouvement multiaxiale maximale et de la durée des vibrations du sol. Les sables saturés de
moindre cohésion sont à cet égard particulièrement vulnérables et peuvent être, dans des conditions
extrêmes, sujets à la liquéfaction. Ce phénomène doit être pris en considération dans l'évaluation des
vibrations et dans l'explication de leurs effets (voir Références [28], [29] et l'Annexe B). Pour les structures
4 © ISO 2010 – Tous droits réservés
plus grandes, il convient d'évaluer séparément la ligne de faille et les conditions de sol différentielles
associées.
L'évaluation des effets des vibrations sur une structure doit inclure
a) les effets directs résultant de la réponse temporelle réelle d'une structure aux vibrations induites;
b) les effets indirects pouvant être initiés par d'autres facteurs et accélérés par les vibrations (activités de
construction, tassement du sol, dommages existants, niveaux de l'eau).
NOTE Un exemple d’activités de construction est un terrassement de sous-sol mal renforcé. Cela peut entraîner des
mouvements de terrain et endommager le bâtiment, ce qui constitue un mécanisme pouvant être exacerbé par les
vibrations.
6 Grandeurs à mesurer
La caractérisation de la nature des vibrations et de la réponse vibratoire peut être effectuée à l'aide de divers
capteurs de déplacement, de vitesse ou d'accélération. La vitesse et l'accélération sont des grandeurs
cinématiques couramment mesurées. La connaissance de la fonction de transfert appropriée du système de
détection permet de calculer chaque grandeur à partir d'une autre par intégration ou différenciation. Il est
recommandé d'utiliser le transducteur approprié pour mesurer directement la grandeur requise afin d'éviter le
processus d'intégration ou de différenciation. Tant que les exigences relatives à l'acquisition de données, au
traitement et à la présentation sont satisfaites, n'importe quelle grandeur peut être mesurée. L'expérience
suggère qu'il y a des grandeurs recommandées pour différentes situations.
ATTENTION — L'intégration à des fréquences inférieures appelle à la prudence et invite à se fier à la
réponse en phase de l'amplitude du transducteur et à la configuration du mesurage (voir Article 8); il
convient d'utiliser avec précaution les informations de phase du transducteur de vitesse aux
fréquences inférieures.
Les réponses du système en amplitude et en phase sont critiques lorsqu'il s'agit de mesurer les grandeurs
relatives aux crêtes. Dans de tels cas, il convient de valider la performance linéaire de toute la configuration
de mesurage. Le signal étudié doit dépasser de manière suffisante le bruit électrique du système de mesure
utilisé, généralement selon un facteur de 10. Pendant le mesurage, il convient que le signal étudié dépasse
les vibrations ambiantes, mais cela ne se fait pas toujours sous le contrôle du chercheur. Si possible, faire en
sorte de réduire les vibrations ambiantes lorsque cela est pertinent (par exemple mise hors tension de
l'installation mécanique sans rapport avec la source étudiée).
7 Gamme de fréquences et amplitude de vibration
La gamme de fréquences digne d'intérêt dépend du spectre de l'excitation et de la réponse mécanique de la
structure. À des fins de simplicité, la présente Norme internationale traite des fréquences comprises entre
0,1 Hz et 500 Hz couvrant une grande variété de structures soumises à des sources d'excitation naturelles
(vents et tremblements de terre) et artificielles (construction, explosion, trafic). Les machines se trouvant à
l'intérieur peuvent nécessiter des mesurages sur une plage de fréquences plus étendue.
La plupart des dommages structurels causés par des sources artificielles se produisent dans la gamme des
fréquences comprises entre 1 Hz et 150 Hz. Les sources naturelles, comme les tremblements de terre et
l'excitation due au vent, comportent habituellement de l'énergie au niveau des dommages à des fréquences
inférieures comprises dans la gamme de 0,1 Hz à 30 Hz.
Les niveaux vibratoires dignes d'intérêt pour l'analyse et la caractérisation des réponses structurelles varient
de quelques millimètres par seconde à plusieurs centaines de millimètres par seconde selon la fréquence (les
Tableaux A.1 et A.2 montrent les gammes de réponse structurelle pour différentes sources ainsi que les
valeurs typiques et les conditions de mesure).
8 Instrumentation
8.1 Exigences générales
Les vibrations sont mesurées à des fins d'évaluation, de diagnostic ou de contrôle d'une structure. Il n'est pas
prévu qu'un seul système d'instrumentation satisfasse à toutes les exigences de gamme dynamique et de
fréquences dans la mesure où la vaste série d'applications de la présente Norme internationale peut être
utilisée.
Le système de mesure comprend:
a) des transducteurs (voir 8.2);
b) un équipement de conditionnement des signaux;
c) un système d'enregistrement des données.
Les réponses en fréquence, amplitude et phase doivent être spécifiées pour le système de mesure complet
lorsque ses éléments sont connectés de la façon prévue pour l'utilisation.
La précision des vibrations mesurées dépend en partie des caractéristiques de l'équipement qui doivent être
établies par étalonnage régulier à des dates spécifiées par le fabricant ou par la réglementation. Chaque
dispositif doit être accompagné de son certificat d'étalonnage.
Au minimum, les vibrations doivent être caractérisées par un mesurage continu de l'amplitude de vibration,
enregistrées sur une durée suffisamment longue et prises avec suffisamment de précision pour extraire son
contenu spectral.
8.2 Choix des transducteurs
Le choix des transducteurs est important pour l'évaluation correcte du mouvement vibratoire. En général, les
transducteurs sont divisés en deux groupes: a) le transducteur de vitesse (géophone), largement utilisé dans
le mesurage des vibrations structurelles, est généralement de nature électromagnétique fonctionnant à des
fréquences au-dessus de sa fréquence propre; et b) l'accéléromètre piézoélectrique fonctionne généralement
au-dessous de sa fréquence propre. D'autres transducteurs électromagnétiques, dont la gamme utile est
au-dessous de leur fréquence propre, tels que les sismographes de mouvement fort, sont également
disponibles.
Lors du mesurage de signaux de basses fréquences et de faibles amplitudes, la sortie de l'accéléromètre
piézoélectrique est si faible que le résultat d'intégration est affecté par le bruit de l'intégrateur. Dans ce cas,
utiliser d'autres types d'accéléromètres (capacitifs). Il est préférable d'utiliser un transducteur approprié pour
mesurer directement la grandeur requise et éviter le processus d'intégration ou de différenciation.
8.3 Rapport signal-bruit
En règle générale, il convient que le rapport signal-bruit soit supérieur à 5 dB. Le bruit de fond est défini
comme la somme de tous les signaux qui ne sont pas dus au phénomène à l'étude.
8.4 Classes d'instrumentation
8.4.1 Généralités
Les systèmes d'acquisition des données convenant pour l'établissement d'un seul paramètre simple (par
exemple vitesse de crête) peuvent se révéler inadéquats pour définir un mouvement périodique plus
complexe sur une gamme de fréquences spécifiée.
6 © ISO 2010 – Tous droits réservés
Pour les applications étudiées dans la présente Norme internationale, deux classes de mesure principales
sont considérées:
a) classe 1 pour l'expertise technique;
b) classe 2 pour le contrôle sur le terrain.
Des instrumentations avec des paramètres particuliers peuvent être utilisées pour des applications spéciales
et considérées comme des sous-classes de la classe 2.
8.4.2 Classe d'instrumentation 1 pour l'expertise technique
Les paramètres optimaux sont:
a) la capacité de stockage de l'instrument doit être d'au moins 30 s par voie, à une vitesse minimale de
1 000 échantillons/s; dans certains cas, lorsque la fréquence à l'étude approche de l'extrémité supérieure
de 500 Hz, la vitesse d'échantillonnage minimale doit être de 2 500 échantillons/s;
b) l'échantillonnage doit être effectué à une fréquence d'au moins cinq fois la plus haute fréquence à
analyser;
c) pour l'acquisition numérique, le système d'enregistrement doit comprendre un filtre anti-repliement
analogique ayant une atténuation minimale de 100 (40 dB) à la moitié de la fréquence d'échantillonnage;
d) le système d'acquisition de données numérique doit comprendre un dispositif de visualisation des
données temporelles mesurées ainsi que les données traitées pour contrôler que le système fonctionne
normalement;
e) la plage de fréquences de l'ensemble du système d'acquisition de données doit s'étendre de 1 Hz à
150 Hz (3 points de dB) ou plus, selon les besoins, afin de mesurer correctement la fréquence du signal
vibratoire étudié;
f) la dynamique de l'équipement de mesure doit être d'au moins 72 dB;
g) l'amplitude mesurable minimale du système d'enregistrement doit être d'au moins 10 µm/s;
h) les plages d'amplification doivent être telles que la dynamique de mesurage (amplitude
supérieure/inférieure) soit supérieure à 40 dB;
i) l'écart de réponse en fréquence des appareils de mesurage ne doit pas excéder 8 % (0,7 dB) de
l'amplitude déterminée à la fréquence de référence, dans la gamme comprise entre 2 Hz et 80 Hz.
8.4.3 Classe d'instrumentation 2 pour le contrôle sur le terrain
Cette catégorie d'instrumentation est utilisée pour le contrôle vibratoire après définition des paramètres
principaux par l'expertise technique ou pour la surveillance des phénomènes vibratoires connus. Les résultats
obtenus par l'expertise technique et, si nécessaire, par des obligations contractuelles ou réglementaires
permettent de déterminer les caractéristiques de fréquence et d'amplitude. Les paramètres optimaux sont:
a) la dynamique de l'équipement de mesurage doit être d'au moins 66 dB;
b) la dynamique opérationnelle de mesurage doit être d'au moins 20 dB;
c) l'écart de réponse en fréquence des appareils de mesurage ne doit pas excéder 8 % (0,7 dB) de
l'amplitude déterminée à la fréquence de référence, dans la gamme comprise entre 2 Hz et 80 Hz;
d) l'équipement de contrôle doit enregistrer et stocker les événements vibratoires dépassant l'amplitude
seuil désignée — les informations enregistrées suivantes doivent être consignées immédiatement après
détection d'un événement:
1) la valeur maximale de l'amplitude,
2) la date et l'heure de l'événement de départ.
8.4.4 Instrumentation pour des applications spéciales
Pour certaines applications spéciales, d'autres paramètres requis optimaux peuvent être utilisés pour la
classe 2 uniquement:
a) réduire la vitesse d'échantillonnage lors de la surveillance d'édifices et de ponts de grande hauteur;
b) réduire la longueur de chaque enregistrement lors du contrôle d'événements brefs tels que l'explosion;
c) augmenter la vitesse d'échantillonnage et la plage d'amplitudes lors de la surveillance d'ondes vibratoires
se propageant dans des structures en béton et en roche dure.
9 Emplacement et fixation des transducteurs
9.1 Emplacement, nombre et orientation des transducteurs
9.1.1 Généralités
Le choix du nombre et de l'emplacement des transducteurs doit prendre en compte:
a) d'éventuelles obligations contractuelles ou réglementaires;
b) l'objet de mesurage;
c) le type de structure contrôlé, son état, sa géométrie, sa réponse dynamique;
d) le système de fondation et l'interaction sol-fondation;
e) la distance entre la source et les points de mesurage;
f) l'énergie et le mode vibratoire générés par la source.
9.1.2 Emplacement des transducteurs
L'emplacement d'un transducteur dans une structure dépend de la réponse aux vibrations qui sont
considérées. L'évaluation des vibrations transmises par le sol dans une structure est mieux réalisée par des
mesurages sur/ou à proximité de la fondation. La fonction de transfert sol-fondation peut être évaluée en
ajoutant des points de mesurage sur le sol.
La détermination de l'endommagement ou de la déformation par cisaillement de la structure dans son
ensemble nécessite des mesurages directs sur les parties supportant des charges. Cela signifie
généralement la présence de plusieurs composants de mesure sur la fondation, dans les coins de la sous-
structure ou de la superstructure, bien que d'autres solutions soient possibles.
Parfois, des mouvements spécifiques (du sol, du mur, du pont, du plafond) sont à considérer, avec des
amplitudes maximales, à des emplacements à mi-portée. Bien qu'elles soient parfois très sévères, ces
vibrations sont habituellement sans relation avec l'intégrité de la structure (voir Référence [31]).
8 © ISO 2010 – Tous droits réservés
Il convient que les mesurages éventuels à effectuer sur un équipement tiennent compte des vibrations
entrantes. Il convient qu'un point de mesure soit sur la structure au point d'entrée de la vibration et un autre
sur le cadre de l'équipement. Dans ce cas, il convient, si possible, que l'équipement soit à l'arrêt lors du
mesurage.
Les mesurages de vibrations, réalisés sur ou au-dessous de la surface du sol, peuvent être influencés par la
variation de l'amplitude de l'onde de surface en fonction de la profondeur. Cela signifie que l'onde de surface
expose les fondations de la structure à un mouvement qui est différent de celui observé à la surface du sol qui
dépend de la longueur d'onde, des profondeurs de la fondation et des conditions géotechniques (voir E.4).
9.1.3 Nombre de transducteurs
L'évaluation adéquate des vibrations d'une structure nécessite un certain nombre de points de mesure qui
dépendent des dimensions et de la complexité de la structure.
Lorsque l'objectif consiste à surveiller la vibration imposée, la position recommandée est au niveau de la
fondation. Lorsque les mesurages sur la fondation elle-même ne sont pas possibles, il est normal de les
pratiquer en un point inférieur sur le principal mur porteur extérieur du rez-de-chaussée. Le nombre de
transducteurs dépend de la dimension de la structure.
Les mesures de la réponse vibratoire due aux sources situées à de grandes distances (trafic, battage des
palplanches et tirs à l'explosif) montrent que ces vibrations peuvent être amplifiées à l'intérieur de la structure
proportionnellement à sa hauteur et à sa profondeur (voir Annexe E). Il peut donc se révéler nécessaire de
réaliser des mesurages simultanés en plusieurs points à l'intérieur de la structure.
Lorsque la hauteur d'une structure est supérieure à 12 m, il convient d'utiliser d'autres points de mesure tous
les 12 m ou à l'étage le plus élevé de la structure.
Lorsque la longueur d'une structure est supérieure à 10 m, il convient que des points de mesure soient
ajoutés à des positions intermédiaires appropriées et en des points critiques sur la structure (au moins trois:
deux aux extrémités et un au centre).
Des mesurages simultanés sur la fondation et le sol extérieur permettent l'établissement d'une fonction de
transfert.
D'autres points de mesure sur les planchers sont requis pour évaluer la réponse de l'être humain.
NOTE Pour les recherches utilisant une approche analytique, le point d'évaluation dépend des modes de
déformation considérés. Pour des raisons économiques, la plupart des cas pratiques sont limités à l'identification des
modes fondamentaux et à la mesure des réponses maximales de l'ensemble de la structure, ainsi qu'aux observations sur
les éléments structurels tels que les planchers et les murs.
9.1.4 Orientation des composants
Lorsque des mesurages des vibrations transmises par le sol doivent être réalisés, il est habituel d'orienter les
capteurs horizontaux dans la direction définie par la ligne reliant la source et le capteur. En étudiant la
réponse structurelle par rapport aux vibrations du sol, il est plus réaliste d'orienter ces capteurs horizontaux le
long des axes majeurs et mineurs de la structure.
Pour les vibrations induites par le vent, la composante du mouvement vertical est souvent négligée et il
convient que l'orientation des capteurs de vibrations soit réalisée de manière à détecter les mouvements de
rotation et les mouvements horizontaux.
9.2 Fixation des transducteurs
9.2.1 Généralités
Il convient d'avoir pour objectif la reproduction fidèle du mouvement de l'élément ou du support sans introduire
de réponse supplémentaire.
9.2.2 Couplage à des éléments de la structure
Il convient que la fixation des capteurs de vibrations sur des éléments vibrants ou sur un support soit
[3]
conforme à l'ISO 5348 .
La masse du transducteur et de l'unité d'enregistrement (le cas échéant), qui peut atteindre 10 % de celle de
l'élément structurel sur lequel il est monté, entraînant une modification importante de sa réponse modale, la
masse de l'équipement de mesure ne doit pas dépasser 1 % de celle de la structure.
Les capteurs peuvent être fixés solidement au châssis de la structure à l'aide de boulons de dilatation. Des
joints de plâtre sont préférables lors de l'exécution de mesurages sur des éléments en béton léger.
Les mesurages effectués sur des planchers comportant des revêtements souples peuvent donner des
résultats erronés et il convient de les éviter. Lorsqu'il est impossible de déplacer les capteurs, il convient
d'effectuer des mesurages comparatifs dans des conditions différentes de masse et de couplage du bloc de
fixation afin d'évaluer les effets des revêtements souples, ou il convient d'utiliser des adaptateurs spéciaux
[16]
(voir DIN 45669-2 ).
Il convient d'éviter les supports. Il est préférable de fixer trois capteurs uni-axiaux sur trois faces d'un cube
métallique monté rigidement à l'aide de tenons ou d'une résine adhésive à séchage rapide. Dans des cas
particuliers, il est acceptable de coller le transducteur ou d'utiliser une fixation magnétique. Pour les
mesurages réalisés à l'intérieur sur des surfaces horizontales, il est possible d'utiliser une bande à double
face adhésive sur toutes les surfaces dures en ce qui concerne les accélérations inférieures à 1 m/s , bien
que les fixations mécaniques soient recommandées.
9.2.3 Couplage au sol
Lorsque les capteurs doivent être installés dans le sol afin de minimiser la distorsion du couplage, il convient
de les enterrer à une profondeur au moins égale à trois fois la dimension principale du transducteur/de l'unité
[16]
de montage (voir DIN 45669-2 ). Ils peuvent également être fixés sur une plaque rigide avec un rapport de
masse,
m
ρr
inférieur à 2, où
m est la masse du transducteur et de la plaque;
r est le rayon équivalent de la plaque;
ρ est la masse volumique apparente, en kilogrammes par mètre cube, du sol.
La plaque rigide peut être, par exemple, une dalle bien assise. Pour la plupart des sols, la masse volumique
3 3
apparente, ρ, est comprise entre 1 500 kg/m et 2 600 kg/m .
Lorsque les conditions du sol le permettent, le transducteur peut être fixé sur un support métallique rigide
(d'au moins 10 mm de diamètre) passant à travers une couche de surface molle. Il convient que ce support ne
dépasse pas de plus de quelques millimètres au-dessus de la surface du sol. Il convient de prendre soin
d'assurer un contact étroit entre le transducteur et le sol. Lorsqu'une accélération de plus de 2 m/s est
attendue, un montage fixe au sol est nécessaire pour prévenir tout glissement. Dans de nombreux cas, cette
méthode de couplage n'est pas fiable pour les mesurages horizontaux.
10 © ISO 2010 – Tous droits réservés
10 Acquisition de données, analyse et évaluation
10.1 Généralités
L'objectif est d'obtenir suffisamment d'informations pour permettre d'appliquer la méthode d'analyse choisie
avec un degré de confiance suffisant. La quantité d'informations requise pour caractériser de façon
appropriée les vibrations augmente du mouvement périodique simple au mouvement aléatoire non
stationnaire et au mouvement transitoire.
10.2 Description des données
Toutes les données résultant de l'observation d'un processus physique peuvent grossièrement être décrites
comme des données déterministes ou aléatoires. Les données déterministes peuvent être décrites par une
fonction mathématique explicite, tandis que les données aléatoires sont uniquement évaluées à l'aide de
fonctions statistiques.
La Figure 1 illustre les catégories des types de données susceptibles d'être rencontrées. Les descriptions des
catégories sont données dans l'ISO 2041.
a) Données déterministes
b) Données aléatoires
Figure 1 — Types de données
10.3 Durée du mesurage
La durée de mesurage dépend de la catégorie de l'événement vibratoire et des intervalles de référence,
d'observation et de mesure. Les intervalles d'observation et de mesure sont donnés dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Intervalles d'observation et de mesure
Type Source des Catégorie Intervalle Intervalle Exemples
d'événement vibrations d'événement d'observation de mesure de source
générateur
stable 1 h 30 s
électrique
trois cycles presses
cyclique trois cycles
connue ou
non adjacents mécaniques
Permanent
inconnue
déterminé par un
déclenchement circulation
autre un jour sélectionné
dépendant de routière dense
l'amplitude
un cycle complet
au moins trois cycles ou amplitude battage de
cyclique
complets maximale par palplanches
déclenchement
selon son mode de un événement groupe
unique
stable
fonctionnement ou 30 s frigorifique
déterminé par un
Intermittent
selon son mode de déclenchement concasseur,
autre
fonctionnement dépendant de compacteur
l'amplitude
chaque type de
source sera traité
durée de circulation
multiple selon les critères un jour sélectionné
l'événement ferroviaire
définis pour une
source unique
Isolé ou
unique un événement un événement tir à l'explosif
unique
EXEMPLE Pour les sources intermittentes, comme le battage des palplanches, l'intervalle de référence est un jour
typique représentant l'action source et l'intervalle d'observation représente au moins trois cycles de travail complets (un
cycle correspondant à l'enfoncement complet d'une palplanche); les intervalles de mesure sont déterminés par le
déclenchement dépendant de l'amplitude, voir Figure 2.
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Légende
t temps
1 intervalle de référence
2 intervalle d'observation
3 intervalles de mesure
Figure 2 — Intervalles de mesure
11 Méthodes de mesure et d'établissement du rapport
11.1 Généralités
Il convient que la méthode d'évaluation reflète à la fois la finalité de ces mesures et le type d'investigation.
Une analyse complète des réponses destinée à des prévisions nécessite des informations concernant les
détails et l'état des structures normalement difficiles à obtenir. Il convient donc qu'un chercheur ait une
méthode appropriée pour évaluer la sévérité des vibrations dans une structure ou dans un élément constitutif
en rapport avec la probabilité de dommage. Dans une telle évaluation, les facteurs suivants doivent être pris
en compte:
a) les fréquences propres de la structure de base et de ses éléments constitutifs (murs, planchers,
fenêtres);
b) les caractéristiques d'amortissement de la structure de base et de ses éléments constitutifs;
c) le type de construction, son état et les caractéristiques des matériaux;
d) les caractéristiques d'excitation;
e) la déformation;
f) la non-linéarité de la réponse en amplitude.
Deux méthodes de mesure sont définies: la première concerne l'expertise technique et la seconde le contrôle
sur le terrain dans les conditions fixées par la méthode d'expertise technique ou par les obligations
contractuelles et réglementaires.
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Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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