|
بررسی ارتعاشات مانا و نامانا در ایستگاه حسن
آباد متروی تهران
(این مقاله در
پژوهشنامه پژوهشگاه به چاپ رسیده است)
محمد رضا قائمقامیان
استادیار پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و
مهندسی زلزله
مهدی وجودی
دانشجوی فوق لیسانس مهندسی زلزله پژوهشگاه
بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله
چکیده:
در این بررسی اثر ارتعاشات حاصل از حرکت قطار در تونل مترو با استفاده از
اندازه گیریهای خرد لرزه سنجی و ارتعاشات عبور قطار در ایستگاه حسن آباد
متروی تهران مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور امواج مورد نظر در
ایستگاه حسن آباد در سطوح ارتفاعی مختلف مورد اندازه گیری قرار گرفته است.
سپس امواج ثبت شده با استفاده از آنالیز طیفی در حوزه فرکانس مورد تحلیل
قرار گرفته و فرکانس غالب ارتعاش آن تعیین شده است. بعلاوه اثر ساختگاه بر
مشخصات طیفی حرکت قطار نیز مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته که بدین منظور
تابع نظری اثر ساختگاه با استفاده از مشخصات ژئوتکنیکی خاک محل تعیین و با
تابع تحلیلی مقایسه شده است. نتایج این مقایسه بیانگر تاثیر ساختگاه بر
مشخصات ارتعاشی حرکت قطار در محدوده فرکانس 15 هرتز میباشد.
واژه های کلیدی:
ارتعاشات قطار، امواج خرد لرزه، تحلیل طیفی، نسبت طیفی H/V، اثر ساختگاه،
متروی تهران
مقدمه:
افزایش سفرهای درون شهری و در نتیجه ترافیک و آلودگی ناشی از آن در کلان
شهر تهران باعث گردیده تا مترو به عنوان راه حلی برای چنین معضلاتی طراحی و
اجرا گردد. با این حال حرکت قطار در زیر خیابانها و ساختمانهای قدیمی در
جنوب شهر تهران خالی از اشکال نبوده و ارتعاش حاصل از حرکت قطار در پاره ای
از موارد باعث ایجاد مسائل زیست محیطی و روانی برای ساکنان شده است و
ساختمانهای این منطقه را که اغلب فرسوده بوده و گاهی دارای ارزش تاریخی نیز
می باشند با مشکلات سازه ای مواجه نماید. ارتعاشات تولید شده قادر است
اثرات نگران کننده ای بر روی سازه ها و تاسیسات موجود و همچنین زندگی
اجتماعی انسانها داشته باشد. این اثرات نامطلوب علاوه بر مختل کردن آسایش
جوامع بشری، در دراز مدت سبب بروز خستگی در مصالح زمین و سازه، احتمال بروز
روانگرایی و نشستهای نامتقارن، تشدید پارامترهای لرزه ای زمین و همچنین
کاهش ظرفیت باربری زمین میگردد. [1 و 2]
به منظور بررسی این معضل و نیز آگاهی از نحوه انتقال ارتعاشات فرکانس بالای
قطارهای زیر زمینی، ارتعاشات قطار و ارتعاشات خردلرزه ای به صورت همزمان در
داخل تونل مترو (در کنار ریل) و نیز در سطح خیابان ثبت گردید. در ادامه با
استفاده از تحلیل طیفی، پارامترهای دینامیکی سیستم در حین عبور قطار مورد
بررسی قرار گرفت. همچنین به منظور تعیین عوامل موثر در تغییر مشخصات
ارتعاشی عبور قطار، اثر ساختگاه بر ارتعاشات نیز بصورت نظری و تحلیلی مورد
مطالعه و بررسی قرار گرفته است.
نحوه اندازه گیری ارتعاشات
قطار و خرد لرزه ها
به منظور بررسی مشخصات ارتعاشی سیستم از امواج حاصل از عبور قطار و خرد
لرزه ها (Microtremors) استفاده شده است. پدیده های طبیعی چون باد و برخورد
امواج دریا به ساحل از یک طرف و فعالیتهای اجتماعی چون ترافیک و فعالیت
کارخانه ها از طرف دیگر باعث بوجود آمدن نوسانهای کم دامنه ای (در حد 1 تا
5 میکرون) در زمین می گردند، که خردلرزه یا میکروترمور نامیده می شوند.
مطالعه بر روی ماهیت خردلرزه ها سابقه ای طولانی داشته و هنوز هم اتفاق نظر
جامعی پیرامون بعضی از ویژگیهای آن حاصل نشده است ولی بدلیل سادگی، راحتی
در اجرا، نیاز به زمان اندک، هزینه پایین و کمترین آسیب به فعالیتهای دیگر
در تعیین ویژگیهای محلی از جایگاه ویژه ای برخوردار است [3].
در این مطالعه برای ثبت اواج مورد نظر از دستگاه لرزه نگار SSR-1 مجهز به
سه لرزه سنج کوتاه دوره SS-1 ساخت شرکت Kinemetrics استفاده گردیدکه امکان
ثبت ارتعاشات در سه جهت عمود بر هم را ایجاد مینماید. دستگاه SSR-1 امکان
ثبت در فاصله های نمونه برداری از 03/0 تا 1000 نمونه در ثانیه بر اساس
تعداد کانالها را فراهم مینماید. لرزه سنجSS-1 یک سرعت سنج با پریود طبیعی
1 ثانیه و میرایی 7/0 میرایی بحرانی می باشد.
شکل 1 – نقشه شماتیک مسیرهای
متروی تهران و محل نمونه برداری
ثبت خردلرزهها در ایستگاه
حسن آباد متروی تهران به صورت همزمان در سطح زمین و داخل تونل مترو صورت
پذیرفت (شکل 1). عمق مسیر حرکت قطار (ریل) در محدوده ایستگاه حسن آباد 17
متر از سطح زمین میباشد و تقریبا جزو ایستگاههای عمیق در خطوط متروی تهران
است. دو دستگاه لرزهنگار یکی در کف تونل و به فاصله 3 متر از ریل و دیگری
در سطح زمین نصب گردید تا به صورت همزمان لرزشهای زمین را ثبت کنند که به
منظور ایجاد دسترسی همزمان به کف تونل و سطح زمین از شفت قائم تهویه هوا
واقع مابین ایستگاه حسن آباد و ایستگاه مجلس استفاده گردید (شکل 2).
شکل 2 – موقعیت شماتیک دستگاههای لرزه نگاری
ثبت ارتعاشات در سه مولفه
(دو مولفه افقی و یک مولفه قائم) و در فاصله زمانی 01/0 ثانیه به مدت 600
ثانیه انجام گرفته است که این مدت زمان طولانی عبور قطار را نیز شامل بوده
است. ثبت داده ها در روز تعطیل انجام پذیرفته تا نوفه های محیطی به حداقل
مقدار برسند. در شکل 3 نمونه ای از نگاشت ثبت شده برای مولفه های مختلف
نشان داده شده است.
Time (Sec)
شکل 3 : نمونه ی رکورد ثبت شده در ایستگاه حسن آباد
سمت چپ: نگاشت سرعت ثبت شده در کنار ریل
سمت راست : نگاشت سرعت ثبت شده در روی زمین
پردازش و تحلیل طیفی
نگاشتها
روشهای مختلفی برای محاسبه طیف یک نگاشت وجود دارد که از آنجمله میتوان به
روشهای تبدیل فوریه (Fourier Spectrum)، طیف خود همبستگی (Auto Spectrum)،
طیف خود همبستگی مقابل (Cross-spectrum) و طیف خود همبستگی متقابل قطعه ای
(Segmental Cross–Spectrum) اشاره نمود [4]. در این مطالعه از روش تبدیل
فوریه نگاشت مطابق رابطه (1) استفاده شده است.
(1) 
بمنظور بررسی تاثیر عبور قطار در ارتعاشات ایجاد شده در سطح زمین، و مقایسه
آن با وضعیت آرامش (عدم عبور قطار و در حالت عادی)، داده ها در دو محدوده
مورد بررسی قرار گرفتند. محدوده اول که مربوط به زمان آرامش می باشد و
محدوده دوم مربوط به عبور قطار است که بصورت افزایش در دامنه در شکل 3 نیز
قابل تشخیص است. در محاسبات برای هر محدوده تعداد داده ها مساوی و در بازه
زمانی 20 ثانیه ای انتخاب گردید. شکلهای 4 و 5 نمونه ای از پنجره های زمانی
انتخاب شده برای محاسبات را نشان می دهند.
Time (Sec)
شکل 4 – بازه انتخاب شده برای زمان آرامش در فاصله زمانی 60 ثانیه
الی 47/80 ثانیه
Time (Sec)
شکل 5 – بازه انتخاب شده برای زمان عبور قطار در فاصله زمانی 76/479 الی
23/500 ثانیه
همواره با کلیه نگاشتهای ثبت
شده امواجی ناخواسته ثبت می گردند که به آنها نوفه یا نویز گفته می شود.
اثر این امواج ناخواسته بر تابع فرکانسی سیستم فاحش بوده و باید این امواج
ناخواسته فیلتر گشته و صاف شوند. همچنین در نگاشتهای ثبت شده غالبا انحراف
نسبت به خط مبدا وجود دارد که این انحراف موجب می گردد که میانگین نگاشت
ثبت شده دارای مقداری به غیر از صفر گردد. این مساله در هنگام گرفتن طیف
فوریه باعث اعمال یک اوج با دامنه زیاد (از لحاظ تئوریک بی نهایت) در تابع
طیف فوریه می گردد. لذا قبل از محاسبه طیف فوریه نگاشت، باید تصحیح انحراف
از خط مبدا و حذف نوفه بر روی نگاشت اعمال شده و سپس طیف فوریه محاسبه گردد
از طرف دیگر به منظور حذف اثر امواج ناخواسته باید طیف ورودی و خروجی قبل
از محاسبه طیف، توسط یک صاف کننده مانند پنجره رونده (running window) صاف
گردد[5] . رابطه کلی برای صاف کردن طیف بصورت زیر است:
(2)
که در آن W(j) یک پنجره صاف
کننده با 2k+1 نقطه می باشد. قاعده خاصی برای انتخاب پنجره صاف کننده و
تعداد اعمال این پنجره وجود ندارد. ولی نگاشتهای با میزان بالای نویز، نیاز
به اعمال پنجره صاف کننده با طول بیشتر و یا اعمال متوالی پنجره صاف کننده
دارند. این در حالی است که اعمال بیش از حد پنجره های صاف کننده ممکن است
باعث حذف و یا کاهش اوجهای شاخص سیستم در تابع بزرگنمایی گردد. لذا انتخاب
نوع و تعداد اعمال پنجره های زمانی صاف کننده در آنالیزهای نسبت طیفی در
حوزه فرکانس نقش اساسی را ایفا می نماید.
شکل (6) نمونه ای از طیف فوریه صاف شده نگاشتها توسط روش متوسط گیری متحرک
ده نقطه ای در حالت آرامش و عبور قطار را نشان می دهد. ضمنا به منظور صاف
نمودن طیفها از پنجره صاف کننده با تعداد نقاط مختلف استفاده گردیده که
بهترین نتیجه طیف صاف شده با مقایسه ای چشمی برای پنجره صاف کننده ده نقطه
ای حاصل شده است. لذا در تحلیل طیفی در این مقاله از نجره صاف کننده ده
نقطه ای استفاده شده است. همانطور که از شکل (6) مشخص است غالب قطار در عمق
و سطح برای حالت عبور قطار بترتیب مقادیر 36 و 15 هرتز را نشان می دهد.
( الف )
( ب )
Frequency (Hz)
شکل 6 – نمودارهای صاف شده طیف فوریه داده ها با پنج مرحله صاف کردن به روش
متوسط گیری متحرک ده نقطه ای (به دامنه محور قائم توجه شود) الف: بازه
آرامش، ب: عبور قطار
با بررسی نمودارهای طیفی
ارتعاشات ثبت شده در روی زمین و در کنار ریل، مشخص می شود که:
1- ارتعاشاتی که در کنار ریل بر اثر عبور قطار ایجاد می گردند دارای
فرکانسی حدود 30 تا 40 هرتز هستند.
2- بصورت طبیعی در سطح زمین ارتعاشات محلی در فرکانس حدود 10 الی 25 هرتز
موجود هستند.
3- ارتعاشات فرکانس بالای قطار در سطح زمین وجود ندارد و تبدیل به ارتعاشات
با فرکانسهای کمتری می شود.
با توجه به مطالب فوق، در انتقال از محل ایجاد (کنار ریل) تا سطح زمین
امواج دچار تغییرات شده و قسمتی از فرکانس ارتعاشی حذف گردیده است. بمنظور
بررسی نحوه تغییرات ارتعاشات در انتقال از محل ایجاد (محل عبور قطار) تا
سطح زمین (مشخصات سیستم) اثر ساختگاهی بررسی میگردد.
بررسی تئوری اثر ساختگاه در
ایستگاه حسن آباد
اثر ساختگاه می تواند تاثیرات قابل توجهی در افزایش یا کاهش ارتعاشات ورودی
داشته باشد. از سال 1920 زلزله شناسان و مهندسین ژئوتکنیک لرزه ای جهت
تدوین روشهای محاسباتی و عددی به منظور تعیین اثر شرایط خاک محلی بر مشخصات
حرکات توانمند زمین بررسی های مختلفی را به انجام رسانده اند. طی این سالها
روشهای مختلفی برای تحلیل پاسخ زمین بوجود آمده است که از آن جمله می توان
روشهای خطی معادل در حوزه فرکانس، غیر خطی کامل در حوزه زمان را نام برد.
در این قسمت با استفاده از تئوری انتشار امواج در محیط ویسکوالاستیک و با
در نظر گرفتن شرایط مرزی در حدفاصل لایه ها جهت انتشار موج برنامه ای به
منظور تعیین طیف پاسخ ساختگاه تهیه شده است[6] . سپس با استفاده از پروفیل
خاک در محل ایستگاه حسن آباد، اثر ساختگاه در آن محل بصورت تئوریک محاسبه
شده است.
بدین منظور در شکل 7 پروفیل خاک محل نشان داده شده است. این پروفیل در لایه
سطحی شامل یک لایه شن خوب دانه بندی شده تا شن سیلتی با ضخامت 4 متر و سرعت
موج برشی m/s 500 میباشد و در زیر آن یک لایه رسی با ضخامت 1 متر و موج
برشی m/s 350 دیده می شود. لایه سوم که تا عمل 15 متری ادامه می یابد، یک
لایه ماسه سیلتی تا ماسه رسی با سرعت موج برشی معادل m/s650 می باشد. در
زیر آن یک لایه گراول سیلتی تا رسی قرار داد که سرعت موج برشی آن m/s 800
بدست آمده است. آخرین لایه که از عمق 17 متری شروع می شود، یک لایه ماسه
سیلتی متراکم با سرعت موج برشی بیش از m/s900 می باشد [7].
شکل 7 – پروفیل خاک محل
در شکل 8 طیف پاسخ ساختگاه
که با استفاده از داده های پروفیل خاک حسن آباد (شکل 7) و برای میرائی 5
درصد توسط برنامه کامپیوتری فوق محاسبه گردیده، نشان داده شده است. همانطور
که در این شکل مشاهده می گردد، فرکانس غالب در ساختگاه برای مود اول و دوم
بترتیب مقادیر 10 و 27 هرتز را نشان می دهد.
Frequency (Hz)
شکل 8 – تابع بزرگنمایی اثر ساختگاه برای ایستگاه حسن آباد
تعیین اثر ساختگاه
با استفاده از تحلیل طیفی ارتعاشات خردلرزه
اثر خاک محل با
استفاده از داده های ثبت شده نیز قابل بررسی است بدین منظور داده های حاصل
از اندازه گیری خرد لرزه ها جهت تعیین پریود غالب آنها به دو روش عمده ذیل
در حوزه فرکانس قابل تحلیل است:
روش اول، روش نسبت طیفی ایستگاه مرجع نامیده می شود. در این روش نسبت طیفی
ایستگاه مورد نظر به ایستگاه مرجع (در عمق) محاسبه می شود. روش دوم، روش
نسبت طیفی افقی به قائم (H/V) نامیده می شود. این روش توسط ناکامورا در سال
1989 [8] ارائه گردیده است. در این روش فرض می شود مولفه قائم (V) تحت
تاثیر آبرفت نمی باشد و فقط تابع سرشت فرکانسی محیط سنگی است و نسبت H/V
بیانگر نسبت طیف دامنه فوریه مولفه افقی به مولفه قائم خرد لرزه ها در یک
ایستگاه می باشد. در این روش، تخمین پریود غالب محل بر پایه مشاهده نقاط
ماکزیمم در منحنی نسبت طیف دامنه فوریه مولفه های افقی به قائم (نسبت H/V)
استوار است. این روش عموما در پروژه های ریز پهنه بندی مناطق شهری به طور
گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.
در این مطالعه از هر دو روش برای بررسی اثرات ساختگاهی و تعیین مشخصات
سیستم استفاده گردیده است. برای بررسی به روش نسبت طیفی ایستگاه مرجع، با
توجه به ثبت خرد لرزه ها در سطح زمین و نیز در کنار ریل در عمق (محل ایجاد
ارتعاشات قطار)، نسبت طیف فوریه داده های ثبت شده در سطح زمین به طیف فوریه
داده های ثبت شده در عمق محاسبه گردید و در شکل 9 نشان داده شده است.
Frequency (Hz)
شکل 9 – نسبت طیفی داده های ثبت شده در سطح زمین به کف تونل
همچنین نسبت طیفی افقی به قائم (H/V) نیز محاسبه گردید که به منظور محاسبه
این نسبت از مولفه های افقی به صورت جداگانه و همچنین برایند آنها استفاده
شده است. تابع بزرگنمایی حاصل از روش H/V نیز در شکل 10 برای نسبتهای مختلف
مولفه های افقی بر قائم و برایند آنها به مولفه قائم با استفاده از
نگاشتهای سطحی نشان داده شده است.
Frequency (Hz)
شکل 10 – نسبت طیفی مولفه های افقی به مولفه قائم: الف: مولفه افقی
شمالی-حنوبی، ب: مولفه افقی شرقی-غربی، ج: برایند مولفه های افقی
همچنین در اشکال 9 و 10 تابع تئوریک محاسبه شده نیز به منظور مقایسه نشان
داده شده است. توابع تحلیل محاسبه شده بیانگر دو فرکانس غالب در مقادیر 8 و
15 هرتز می باشد. حال آنکه تابع تئوریک مقدار 10 هرتز را بعنوان فرکانس
غالب نشان می دهد. مقایسه این دو تابع بیانگر ناهمگونی و ناهمسانی شدید خاک
در ایستگاه مورد نظر است که باعث می گردد نقطه ماگزیمم در فرکانس غالب تابع
تئوریک ساختگاه خود به دو نقطه ماگزیمم ( 8 و 15 هرتز) در اطراف این فرکانس
تبدیل شوند (شکل 10) [9]. همچنین مقایسه این اشکال با شکل 6 نیز بیانگر این
مطلب است که اثر ساختگاه در فرکانس 15 هرتز توسط ارتعاشات حاصل از عبور
قطار در سطح و خصوصا در جهت شرقی-غربی تقویت شده است.
نتیجه گیری
در این مقاله اثر ارتعاشات حاصل از حرکت قطار در تونل مترو مورد بررسی قرار
گرفته است. بدین منظور امواج حاصل از عبور قطار و خرد لرزه ها در ایستگاه
حسن آباد در سطوح ارتعاشی مختلف اندازه گیری شده است. سپس با استفاده از
آنالیز طیفی فرکانسهای غالب ارتعاش قطار مورد شناسائی قرار گرفته است.
همچنین با استفاده از روشهای نسبت طیفی مولفه های افقی سطح به عمق و مولفه
افقی به مولفه قائم اثر ساختگاه در هنگام عبور قطار تعیین گردیده است.
افزون بر این مقایسه پاسخ تئوریک ساختگاه با پاسخ حاصل از ارتعاش
خردلرزه ها بیانگر ناهمگونی و ناهمسانی خاک در ایستگاه حسن آباد می باشد که
این امر باعث شده تا فرکانس تئوریک خاک در مود اول (10 هرتز) خود به دو
فرکانس 5/7 و 15 هرتز تبدیل شود که فرکانس 15 هرتز در هنگام عبور قطار توسط
اثر ساختگاه در سطح تقویت شده است.
منابع و مراجع:
1. G. Gazetas, N. Gerolymos, J. Anastasopoulos, The behavior of three
Athens metro underground structures in the Parnitha (Athens) earthquake,
SDEE/ICEGE, USA, 2004
2. L. Pyl, G. Degrande, D. Clouteau, G. Lombaert, Validation of a
numerical model for road traffic induced vibrations in buildings,
SDEE/ICEGE, USA, 2004.
3. Field, E. H., Jacob, K. H. & Hough, S.E. 1992. Earthquake Site
Response estimation: a weak motion case study. Bull. Seis. Soc. Am. Vol.
88 No. 6: 2283-2307
4. M.R. Ghayamghamian, H.Kawakami, Segmental cross-spectrum in
microtremor spectral ratio analysis, Structural Safety and Reliability,
Kyoto, Japan, 1997.
5. Safak E. Problems with using spectral ratios to estimate site
amplification. In: Proc of 1st Int. Conf. on Seis. Zonation 1991,
277-283
6. Ghayamghamian, M. R. 1997. Nonlinear and linear response of the site
with evaluation of actual dynamic soil properties using vertical array
accelerograms and microtermors. Ph.D. dissertation.
7. ب. حیدر، پیش بینی و تحلیل پاسخ دینامیکی زمین به ارتعاشات حاصل از حرکت
قطارهای شهری (مترو) در تهران، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت
مدرس
8. Nakamura. Y (1989), "A method for dynamic characteristics estimation
of subsurface using microtremor on ground surface." QR of RTRI. No 30,
pp.25-33
9. M.R. Ghayamghamian, M.Motosaka, “The effects of torsion and motion
coupling in site response estimation”, Earthquake Engineering and
structural dynamics, 2003.
10. سایت مترو تهران http://www.tehranmetro.com
|