Επιταχυνσιογράφημα Γραφική παράσταση εδαφικής

Transcript

1 Εδαφικές κινήσεις στην Τεχνική Σεισμολογία Κεφ.18,19 Θ.Σώκος Εργαστήριο Σεισμολογίας Τή Τμήμα Γεωλογίας

2 Επιταχυνσιογράφοι και Επιταχυνσιογραφήματα Κεφ c celeration [g] A c Time [sec] Επιταχυνσιογράφημα Γραφική παράσταση εδαφικής επιτάχυνσης με το χρόνο

3 Σεισμόμετρο σαν αρμονικός ταλαντωτής y=u+x Αν το έδαφος μετακινείται κατά x, η μάζα κατά u, τότε συνολικά η μάζα έχει κινηθεί κατά y=u+x Οι δυνάμεις που επιδρούν είναι: δύναμη του ελατηρίου f k =-ku δύναμη απόσβεσης F c =-cv =-cdu/dt ανάλογη της ταχύτητας της κίνησης k- σταθερά ελατηρίου c συντελεστής απόσβεσης Άρα από F=ma και τη δυναμική, έχουμε: Αντικαθιστώντας την y=u+x m F d dt 2 2 d y m dt = 2 u 2 du = ku c dt du + c + ku = m dt d dt Η επιτάχυνση ισοδυναμεί με την επίδραση δύναμης 2 x 2

4 Σεισμόμετρο σαν αρμονικός ταλαντωτής m 2 d u 2 dt + c du dt + ku = m 2 d x 2 dt 2 d u 2 dt + c m du dt + ku m = 2 d x 2 dt Αντικαθιστώντας με: ω 2 ο2 =k/m και 2ε=c/m, έχουμε: 2 2 d u du 2 2 d x + 2ε + ω d u du 2 2 οu = 2 + 2ζω + u 2 ο ω dt dt dt ο dt dt ω ο είναι η κυκλική ιδιοσυχνότητα του σεισμομέτρου και ε μια παράμετρος απόσβεσης. = 2 d x 2 dt Πιο συχνά χρησιμοποιείται o παράγοντας απόσβεσης (damping Πιο συχνά χρησιμοποιείται o παράγοντας απόσβεσης (damping constant) ο οποίος ορίζεται σαν ζ=ε/ω ο άρα, c=2ζmω ο

5 Καμπύλες Απόκρισης Καθώς η συχνότητα της εδαφικής κίνησης πλησιάζει την ιδιοσυχνότητα του σεισμομέτρου μ τα πλάτη γίνονται μέγιστα μγ (συντονισμός). Επομένως τα σεισμόμετρα ενισχύουν τις συχνότητες που είναι κοντά στην ιδιοσυχνότητά τους. Για τιμές του παράγοντα απόσβεσης κοντά στο 07έχουμε 0.7 γραμμική απόκριση του σεισμομέτρου Για συχνότητες κίνησης πολύ μικρότερες της ιδιοσυχνότητας του οργάνου τότε η καταγραφή είναι με πολύ μικρή ενίσχυση. (Επιταχυνσιογράφοι).

6 Εδαφικές κινήσεις στη Σεισμολογία

7 Επιταχυνσιογράφοι Τύποι: Ηλεκτρονικός : μετατροπέας επιτάχυνσης σε ηλεκτρικό σήμα Μηχανικός: μάζα σε ταλάντωση σε συνδυασμό με μετατροπέα μετατόπισης Πιεζοηλεκτρικός: Μάζα σε συνδυασμό με πιεζοηλεκτρικό υλικό Αρχή λειτουργίας::μια επιτάχυνση a θα μετατοπίσει της μάζα κατά ma/k ή εάν μετρήσουμε μια μετατόπιση x, ξέρουμε ότι η μάζα έχει επιταχυνθεί θί κατά kx/m. Συνήθως οι επιταχυνσιογράφοι τοποθετούνται σε τρεις κάθετες συνιστώσες ώστε να καταγράφουν την πλήρη εδαφική κίνηση σε κάθε στιγμή. Αρκετές φορές τοποθετούνται μαζί με σεισμόμετρα τα οποία καταγράφουν την εδαφική ταχύτητας. Οι επιταχυνσιογράφοι όμως δεν έχουν συνεχή καταγραφή.

8 Επιταχυνσιογράφος Σεισμογράφος Υψηλές ιδιοσυχνότητες

9 Επιταχυνσιογράφοι Fresman J., 1930

10 Επιταχυνσιογράφοι

11 Επιταχυνσιογράφοι

12 Επιταχυνσιογράφοι file: xa.cor earthquake code: 559 station code: 1331 waveform code: 6142 total number of channels: 3 orientation ti of transducer: 200 instrument type: SMA-1 sensitivity: natural frequency: 25.8Hz damping: full scale amplitude: resolution of A/D converter: -9 fc of anti-alias filter: -99 poles of anti-alias filter: -9 instrument operator: Ministry of Environment and Public Works, Institute of Engineering Seismology & Earthquake Engineering, Thessaloniki Foinikas, Greece time of first sample: :15:-9.999UTC 999UTC sampling period: s number of samples: 3951 record length: s units: m/s*s, m/s & s reference: Margaris, B.(2001): Written communication Institute of Engineering Seismology and Earthquake Engineering, Ministry of Environment and Public Works, Thessaloniki comments & processing history: %- processed by: Imperial College, London, %- instrument correction not applied %- 8th order elliptical bandpass-filter ( Hz) 25.00Hz) %- acceleration time histories filtered %- linear baseline of acceleration and velocity time histories corrected -> corrected acceleration time histories E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-01

13 Επιταχυνσιογράφοι A800 SMA-1 QDR

14 Το δίκτυο επιταχυνσιογράφων του ΙΤΣΑΚ

15 Το δίκτυο επιταχυνσιογράφων του ΓΙ-ΕΑΑ

16 Καταγραφές

17 Ειδικά δίκτυα

18 Ειδικά δίκτυα

19 Ειδικά δίκτυα

20 Καταγραφές Πληροφορίες και δεδομένα gr/introduction.htm ti i t

21 Δίκτυο επιταχυνσιογράφων Σχεδιασμένο ώστε να καταγράφει ισχυρές εδαφικές κινήσεις υψηλών συχνοτήτων, μεγάλου πλάτους κοντά στην σεισμική εστία Η καταγραφή γίνεται από επιταχυνσιογράφους οι οποίοι καταγράφουν την εδαφική επιτάχυνση Η καταγραφή ξεκινά με την άφιξη φξη των P κυμάτων Οι σύγχρονοι επιταχυνσιογράφοι είναι αρκετά πιο ευαίσθητοι

22

23 Επεξεργασία

24 Τι μπορούμε να παρατηρήσουμε εύκολα από ένα επιταχυνσιογράφημα 1. Τη μέγιστη επιτάχυνση 2. Τη διάρκεια της ισχυρής εδαφικής κίνησης 3. Την κύρια συχνότητα και το συχνοτικό περιεχόμενο 4. Την υποκεντρική απόσταση

25 Καταγραφές ισχυρής εδαφικής κίνησης Τυπική καταγραφή

26 Επεξεργασία Διόρθωση για την επίδραση του οργάνου Διόρθωση Base line Ολοκλήρωση για τον υπολογισμό ογισμό της εδαφικής ταχύτητας Διπλή ολοκλήρωση για τον υπολογισμό της εδαφικής μετατόπισης Υπολογισμός φάσματος γ μ ς φ μ ς Fourier, απόκρισης.

27 Παράμετροι της ισχυρής εδαφικής κίνησης Η εδαφική κίνηση που προκαλείται από ένα σεισμό μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας το πλάτος, το συχνοτικό περιεχόμενο και τη διάρκεια. Πλάτος: Οι πιο κοινές μετρήσεις του πλάτους είναι PGA: Peak ground acceleration (Horizontal- PHA & Vertical- PVA) EPA: Effective peak acceleration «Ενεργός επιτάχυνση» PGV: Peak ground velocity ( PHV & PVV) EPV: Effective peak velocity PGD: Peak ground displacement Συχνοτικό περιεχόμενο: Το συχνοτικό περιεχόμενο περιγράφεται χρησιμοποιώντας το Φάσμα Fourier το Φάσμα Ισχύος και το Φάσμα Απόκρισης Διάρκεια: Η διάρκεια της εδαφικής κίνησης εξαρτάται από το μέγεθος του σεισμού αλλά μπορεί να επηρεαστεί από διάφορους παράγοντες

28 Παράμετροι Πλάτους Από την καταγραφή της εδαφικής επιτάχυνσης υπολογίζουμε γζ την ταχύτητα και μετατόπιση τα μέγιστα μγ πλάτη υπολογίζονται στην συνέχεια από τις καταγραφές

29 Παράμετροι Πλάτους PGA: (peak ground acceleration) η μέγιστη απόλυτη τιμή της επιτάχυνσης σε κάθε συνιστώσα Οι εδαφικές κινήσεις με μεγάλη PGA συνήθως προκαλούν περισσότερες καταστροφές από ότι αυτές με μικρότερη PGA. η PGA είναι μια πολύ χρήσιμη παράμετρος αλλά πρέπει να συμπληρώνεται και από άλλες πληροφορίες για να χαρακτηρίζει πλήρως την εδαφική κίνηση

30 Παράμετροι ρ Πλάτους

31 Παράμετροι Πλάτους Sustained Maximum Acceleration (Επικρατούσα): Η απόλυτη τιμή της επιτάχυνσης που επικρατεί για 3-5 κύκλους στο επιταχυνσιογράφημα Effective acceleration (ενεργός επιτάχυνση) Είναι μικρότερη από την PGA και σχετίζεται με την απόκριση των κατασκευών καθώς και με τις ζημιές που προκαλούνται από ένα σεισμό.

32 Ενεργειακές παράμετροι Μέση ενεργός επιτάχυνση Ένταση Arias Διάρκεια

33 Μέση ενεργός επιτάχυνση a rms = 1 T d T d 0 [ ( )] a t 2 dt όπου a(t) είναι η επιτάχυνση και T d είναι η διάρκεια + Εξαρτάται από την ενέργεια της καταγραφής + Υπολογίζεται γζ σχετικά εύκολα + Περιέχει την διάρκεια της καταγραφής - Εξαρτάται από τον τρόπο υπολογισμού της διάρκειας - Δεν μας δίνει πληροφορίες για τις συχνότητες που περιέχονται στην καταγραφή

34 Ένταση Arias ΑΙ (Arias 1970) AI 0 = π [ a ( t ) ] dt 2 g 2 AI Ένταση Arias είναι επίσης ένα μέτρο της συνολικής ενέργειας, αλλά ανεξάρτητο από την διάρκεια.

35 Παράμετροι συχνότητας Φάσμα Fourier. Η συνάρτηση που περιγράφεται από x ( t ) = c c sin( ω t + φ ) 0 n 0 n n n= 1 όπου c n και φ n είναι το πλάτος και η φάση

36 Φάσματα Fourier

37 Παράμετροι συχνότητας Το διάγραμμα πλάτους κατά Fourier Δείχνει τη μεταβολή του πλάτους με την συχνότητα Εκφράζει το συχνοτικό περιεχόμενο της εδαφικής κίνησης ης Το διάγραμμα φάσης κατά Fourier Καθορίζει το χρόνο στον οποίο υπάρχουν τα μέγιστα Επηρεάζεται από την μεταβολή της εδαφικής κίνησης με το χρόνο

38 Παράμετροι συχνότητας Δύο συχνότητες έχουν σημασία, Fc και Fmax ude (log) Fourie er Amplit f c f max Frequency (log) Hf ί ό άλ β ή ίζ H f c είναι αντιστρόφως ανάλογη της κυβικής ρίζας της σεισμικής ροπής

39 Παράμετροι συχνότητας Φάσμα απόκρισης

40 Διάρκεια Η διάρκεια είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας γιατί καθορίζει τις ζημιές από έναν σεισμό. Η διάρκεια αυξάνεται με το μγ μέγεθος του σεισμού Σχετική διάρκεια: Είναι ο χρόνος μεταξύ του 5% και 95% της συνολικής ενέργειας

41 Διάρκεια Bracketed duration Ο χρόνος μεταξύ της πρώτης και τελευταίας υπέρβασης του 0.05 g.

42 Παράδειγμα Έντασης Arias - Husid plot

43 Διάρκεια Η διάρκεια εξαρτάται από Το είδος της διάρηξης Το μέσο διάδοσης Τα γεωλογικά χαρακτηριστικά της θέσης

44 Διάρκεια logd=0.432m-1.83

45 Διάρκεια

46 Ισχυρές Εδαφικές Κινήσεις Η εκτίμηση των επιπτώσεων των σεισμών «απαιτεί» την μελέτη των εδαφικών καταγραφών Η Τεχνική Σεισμολογία μελετά σεισμικές καταγραφές οι οποίες είναι αρκετά ισχυρές ώστε να προκαλέσουν ζημιές στο δομημένο περιβάλλον. Οι πλέον ισχυρές καταγραφές από μία σεισμική δόνηση (έως σήμερα) έχουν μέγιστη εδαφική επιτάχυνση από 1 μέχρι 3g (αν και αρκετά σπάνιες)

47

48 Ισχυρές Εδαφικές Κινήσεις Είναι δύσκολο να οριστεί ηελάχιστη εδαφική κίνηση που μπορεί να θεωρείται ισχυρή μπορούμε να βάλουμε όμως ένα όριο στα 10cm/sec 2 (~0.01g) επιτάχυνση που αντιστοιχεί στην ευαισθησία των επιταχυνσιογράφων της προηγούμενης γενιάς Οι σύγχρονοι επιταχυνσιογράφοι μπορούν να καταγράψουν κινήσεις με πλάτος 0.1cm/sec 2 ήκαι ακόμη μικρότερες ενώ ο άνθρωπος μπορεί να αισθανθεί κινήσεις με πλάτος μγ μεγαλύτερο από 1cm/sec 2 Οι ζημιές σε κτίρια χωρίς αντισεισμικό σχεδιασμό εμφανίζονται από 100 cm/sec 2 και πάνω Συνεπώςμεγέθη μικρότερα του 5 δεν έχουν ιδιαίτερη σημασία για την μελέτη των ισχυρών εδαφικών κινήσεων

49 Παράγοντες που επηρεάζουν την εδαφική κίνηση σε μια θέση 1. Το σεισμικό μέγεθος 2. Η απόσταση από την εστία 3. Τα χαρακτηριστικά της εστίας 4. Το εστιακό βάθος 5. Το μέσο διάδοσης Απόσταση Στόχος 6. Οι τοπικές γεωλογικές συνθήκες Σεισμική Πηγή Τοπική Γεωλογία

50 Εξάρτηση από το μέγεθος και την απόσταση Σχέσεις «νόμοι» απόσβεσης Είναι εμπειρικές σχέσεις που συνδέουν τη μέγιστη τιμή, κάποιας εδαφικής παραμέτρου, με το μέγεθος του σεισμού και την απόσταση εστίας θέσης. Συνήθως είναι της μορφής Logy=b1+b2M+b3log(R+b4)+

51 Εξάρτηση από το μέγεθος και την απόσταση Kobe 1995

52 Εξάρτηση από το μέγεθος και την απόσταση

53 Εξάρτηση από το μέγεθος και την απόσταση

54 Εξάρτηση από το μέγεθος και την απόσταση (κοντά στο ρήγμα!)

55 Εξάρτηση από το μέγεθος και την απόσταση (κοντά στο ρήγμα!)

56 Εξάρτηση από τη σεισμική εστία Μηχανισμός γένεσης

57 Εξάρτηση από τη σεισμική εστία Ρήγμα μετασχηματισμού (strike- slip) Ανάστροφο ρήγμα Κανονικό ρήγμα

58 Εξάρτηση από τη σεισμική εστία Φορά και ταχύτητα διάρρηξης

59 Εξάρτηση από τη σεισμική εστία Φορά και ταχύτητα διάρρηξης