هندسة الزلازل الجيوتقنية (الحركة الأرضية القوية)

المقدمة

إن الأرض بعيدة كل البعد عن الهدوء، فهي تهتز بشكل مستمر تقريبًا لفترات تتراوح من المللي ثانية إلى أيام وسعات تتراوح من النانومتر إلى الأمتار. والغالبية العظمى من هذه الاهتزازات ضعيفة للغاية بحيث لا يمكن الشعور بها أو حتى اكتشافها بدون معدات قياس متخصصة. ويشكل هذا النشاط الزلزالي الدقيق أهمية أكبر لعلماء الزلازل مقارنة بالمهندسين. ويهتم مهندسو الزلازل في المقام الأول بالحركة الأرضية القوية (أي الحركة ذات القوة الكافية للتأثير على الناس وبيئتهم). ويتطلب تقييم تأثيرات الزلازل في موقع معين طرقًا موضوعية وكمية لوصف الحركة الأرضية القوية. ويمكن أن تكون الحركات الأرضية الناتجة عن الزلازل معقدة للغاية. ففي نقطة معينة، يمكن وصفها بالكامل بثلاثة مكونات للإزاحة وثلاثة مكونات للدوران. وفي الممارسة العملية، يتم إهمال المكونات الدورانية عادةً؛ ويتم قياس ثلاثة مكونات متعامدة للحركة الانتقالية بشكل شائع. وتحتوي سجلات الحركة الأرضية النموذجية، مثل سجلات التسارع والزمن الموضحة في الشكل 3.1، على قدر هائل من المعلومات. للتعبير عن كل هذه المعلومات بدقة (أي لإعادة إنتاج كل من السجلات الزمنية الثلاثة بدقة)، يجب وصف كل التواء وانعطاف في كل رسم بياني. على سبيل المثال، تم تحديد الحركات الموضحة في الشكل 3.1 من 2000 قيمة تسارع تم قياسها بزيادات زمنية قدرها 0.02 ثانية. هذه الكمية الكبيرة من المعلومات تجعل الوصف الدقيق لحركة الأرض مرهقًا إلى حد ما. لحسن الحظ، ليس من الضروري إعادة إنتاج كل سجل زمني بدقة لوصف حركة الأرض بشكل مناسب للأغراض الهندسية. ومع ذلك، من الضروري أن نكون قادرين على وصف خصائص حركة الأرض ذات الأهمية الهندسية وتحديد عدد من معلمات حركة الأرض التي تعكس هذه الخصائص. لأغراض الهندسة، هناك ثلاث خصائص لحركة الزلزال ذات أهمية أساسية: (1) السعة، (2) محتوى التردد، و(3) مدة الحركة. تم اقتراح عدد من معلمات حركة الأرض المختلفة، كل منها يوفر معلومات حول واحدة أو أكثر من هذه الخصائص. في الممارسة العملية، من الضروري عادةً استخدام أكثر من معلمة من هذه المعلمات لتوصيف حركة أرضية معينة بشكل كافٍ. يصف هذا الجزء الأدوات والتقنيات المستخدمة لقياس حركة الأرض القوية، والإجراءات التي يتم بها تصحيح الحركات المقاسة. ثم يقدم مجموعة متنوعة من المعلمات التي يمكن استخدامها لتوصيف سعة ومحتوى التردد ومدة الحركات الأرضية القوية. كما يتم تقديم العلاقات التي يمكن استخدامها للتنبؤ بهذه المعلمات. ويختتم بوصف موجز للتغير المكاني لحركات الأرض.

قياس الحركة القوية

يتطلب تحديد وتقييم معلمات الحركة الأرضية الوصول إلى قياسات الحركات الأرضية القوية في الزلازل الفعلية. يعد القياس الدقيق والكمي للحركة الأرضية القوية أمرًا بالغ الأهمية لكل من تطبيقات علم الزلازل وهندسة الزلازل. وكما ذكرت لجنة أبحاث هندسة الزلازل التابعة للمجلس الوطني للبحوث. “يوفر تسجيل الحركة الأرضية القوية البيانات الأساسية للهندسة الزلزالية. وبدون معرفة الاهتزازات الأرضية الناتجة عن الزلازل، فمن غير الممكن تقييم المخاطر بشكل عقلاني أو تطوير أساليب مناسبة للتصميم الزلزالي”.

أجهزة قياس الزلازل

على الرغم من أن الأوصاف المكتوبة للزلازل ترجع إلى عام 780 قبل الميلاد، إلا أن أول قياسات دقيقة للحركات الأرضية المدمرة تم إجراؤها أثناء زلزال لونج بيتش، كاليفورنيا عام 1933 (Hudson، 1984). لقد تقدم قياس حركة الأرض بشكل كبير منذ ذلك الحين، وكان أسرع تقدم في العشرين عامًا الماضية أو نحو ذلك. تتوفر أدوات مختلفة لقياس حركة الأرض. تُستخدم أجهزة قياس الزلازل لقياس حركة الأرض الضعيفة نسبيًا؛ وتُسمى السجلات التي تنتجها مخططات الزلازل. تُقاس حركات الأرض القوية عادةً بواسطة أجهزة قياس التسارع ويتم التعبير عنها في شكل مخططات تسارع. يمكن توضيح أبسط نوع من أجهزة قياس الزلازل بنظام الكتلة – الزنبرك كما هو موضح في الشكل 3.2. يتم توصيل أسطوانة دوارة بغلاف جهاز قياس الزلازل بقلم متصل بكتلة. يتم توصيل الكتلة بالغلاف بواسطة زنبرك ومثبط متوازيين، ويتم توصيل الغلاف بالأرض. نظرًا لأن الزنبرك والمثبط ليسا صلبين، فلن تكون حركة الكتلة مطابقة لحركة الأرض أثناء الزلزال. يمكن الإشارة إلى الحركة النسبية للكتلة والأرض من خلال الأثر الذي يتركه القلم على الأسطوانة الدوارة. قد تحتوي محطة قياس الزلازل النموذجية على ثلاثة أجهزة قياس زلازل موجهة لتسجيل الحركة في الاتجاه الرأسي واتجاهين أفقيين. يمكن تصميم أجهزة قياس الزلازل لقياس خصائص مختلفة لحركة الأرض. لفهم كيفية القيام بذلك، من الضروري مراعاة الاستجابة الديناميكية لجهاز قياس الزلازل البسيط مثل الجهاز الموضح في الشكل 3.2. جهاز قياس الزلازل هذا هو مذبذب SDOF الذي تعطى استجابته للاهتزاز بواسطة معادلة الحركة

mü + cú + ku = -mü_g

حيث u هو إزاحة أثر جهاز قياس الزلازل (الإزاحة النسبية بين جهاز قياس الزلازل والأرض) وu_g هي إزاحة الأرض. إذا كانت إزاحة الأرض توافقية بسيطة عند تردد دائري Ѡ_g، فإن نسبة استجابة الإزاحة (نسبة سعة إزاحة الأثر إلى سعة إزاحة الأرض) ستكون

|u|/|u_g| = β²/((1-β²)²+(2ξβ)²)^1/2

حيث β=(Ѡ_g/Ѡ₀) هي نسبة الضبط، Ѡ₀=(k/m)^1/2 هو التردد الدائري الطبيعي غير المخمد، وξ= c/2(km)^1/2 هي نسبة التخميد. يوضح الشكل 3.3 a كيف تختلف نسبة استجابة الإزاحة مع التردد والتخميد. بالنسبة لترددات حركة الأرض التي تزيد كثيرًا عن التردد الطبيعي لجهاز قياس الزلازل (أي القيم الكبيرة لـ β)، فإن سعة الأثر تساوي سعة حركة الأرض. يعتمد أدنى تردد تنطبق عليه هذه المساواة (ضمن نطاق معين من الدقة) على نسبة التخميد. نظرًا لأن استجابة التردد مسطحة ويتم الحفاظ على زوايا الطور عند نسب تخميد تبلغ 60%، فإن أجهزة قياس الزلازل ذات الإزاحة SDOF عادةً ما يتم تصميمها بنسب تخميد في هذا النطاق (Richart et al، 1970). وبالمثل، فإن نسبة استجابة التسارع (نسبة سعة إزاحة الأثر إلى سعة تسارع الأرض) تعطى بواسطة

|u|/|ü_g| = 1/ Ѡ₀² ((1-β²)²+(2ξβ)²)^1/2

يظهر الشكل 3.3 b تباين نسبة استجابة التسارع مع التردد والتخميد. تتناسب سعة الأثر مع سعة تسارع الأرض للترددات التي تقل كثيرًا عن التردد الطبيعي لجهاز قياس الزلازل (أي القيم المنخفضة β). سيقيس جهاز قياس الزلازل الذي يحتوي على تخميد بنسبة 60% التسارع بدقة عند ترددات تصل إلى حوالي 55% من تردده الطبيعي. تحتوي معظم أجهزة قياس الزلازل من هذا النوع على ترددات طبيعية تبلغ حوالي 25 هرتز مع نسب تخميد تقترب من 60%، مع استجابة مسطحة مرغوبة (نسبة استجابة تسارع ثابتة) عند ترددات تصل إلى حوالي 13 هرتز. توضح الفقرات السابقة كيف يمكن لنفس النظام الفيزيائي أن يعمل كجهاز قياس زلازل للإزاحة وجهاز قياس تسارع. فهو يقيس الإزاحات عند ترددات أعلى بكثير من تردده الطبيعي والتسارع عند ترددات أقل بكثير منه. استخدم ريختر جهاز قياس الزلازل وود أندرسون، الذي استخدمه لتطوير أول مقياس لشدة الزلازل، كتلة صغيرة معلقة بشكل غير مركزي على سلك التواء رفيع من التنغستن. سمحت المرآة المرفقة بالسلك بالتسجيل البصري بتكبير حركة الأرض بنحو 3000. تم توفير التخميد كهرومغناطيسيًا بنسبة 80% من القيمة الحرجة؛ كانت الفترة الطبيعية المخمدة حوالي 0.8 ثانية.

الشكل(3.1)

الشكل(3.2)

الشكل(3.3)

في أغلب أجهزة قياس الزلازل الحديثة، يستشعر محول إلكتروني يشار إليه غالبًا باسم seismometer الحركة وينتج إشارة كهربائية تناظرية (مستمرة) يتم تسجيلها للمعالجة اللاحقة. معظم أجهزة قياس التسارع المستخدمة حاليًا هي محولات تسارع، وهي محولات إلكترونية تنتج جهد خرج متناسب مع التسارع. يتوفر عدد من الأنواع المختلفة من مقاييس التسارع. تستخدم مقاييس التسارع المؤازرة كتلة معلقة يتم توصيل محول إزاحة بها. عندما يتم تسريع الغلاف. تُستخدم الإشارة الناتجة عن الإزاحة النسبية بين الغلاف والكتلة لتوليد قوة استعادة تدفع الكتلة للخلف نحو موضع توازنها. تتناسب قوة الاستعادة مع التسارع ويمكن قياسها إلكترونيًا. يمكن أن توفر مقاييس التسارع المؤازرة دقة جيدة جدًا على مدى الترددات الأكثر أهمية في هندسة الزلازل. تستخدم مقاييس التسارع الكهرضغطية كتلة متصلة بمادة كهرضغطية (عادةً الكوارتز أو التورمالين أو السيراميك الكهروضوئي) لاستشعار التسارع. تعمل المادة الكهرضغطية كزنبرك في الرسم التخطيطي في الشكل 3.2؛ التخميد مهمل عمومًا. عند التسارع، تعمل القوة القصورية للكتلة على إجهاد المادة الكهرضغطية، مما يؤدي إلى تكوين شحنة كهربائية على أسطحها. الجهد الناتج يتناسب (إذا لم يتغير الثابت العازل مع الشحنة) مع التسارع. نظرًا لأن المواد الكهرضغطية صلبة جدًا، فإن تردداتها الطبيعية عالية جدًا، لذا فهي مفيدة بشكل خاص للقياسات عالية التردد. ومع ذلك، يمكن أن تتأثر استجابتها عند الترددات المنخفضة بشدة بخصائص نظام معالجة الإشارة. تُستخدم عادةً مقاييس التسارع ثلاثية المحاور، حيث يتم قياس ثلاثة مكونات متعامدة للتسارع بقاعدة زمنية مشتركة. من المكونات الثلاثة، يمكن حساب التسارع في أي اتجاه. تستخدم بعض أجهزة قياس الزلازل محولات السرعة أو الجيوفونات بالإضافة إلى أجهزة قياس التسارع أو كبديل لها. وتتم حماية أجهزة قياس الزلازل وأجهزة قياس التسارع والمعدات المساعدة بغطاء للأجهزة (الشكل 3.4). ومن المكونات المهمة لجهاز قياس الزلازل أو جهاز قياس التسارع وجود ساعة دقيقة، وخاصة عندما يتم قياس أكثر من مكون واحد من مكونات الحركة أو عندما تتم مقارنة حركة الأرض في موقع ما بتلك الموجودة في موقع آخر. وتحافظ معظم الأجهزة الحديثة على دقة الوقت من خلال المزامنة على أساس يومي مع إشارات الوقت الراديوية التي يتم إرسالها بواسطة خدمة الوقت القياسية أو عن طريق تسجيل مثل هذه الإشارات مع بيانات حركة الأرض. ويُستخدم التوقيت العالمي المنسق (المعادل العلمي لتوقيت غرينتش) كأساس زمني عالمي شائع. ويعتبر منظار الزلازل (Hudson، 1958) أداة غير مكلفة نسبيًا لقياس حركة الأرض. أجهزة قياس الزلازل هي عبارة عن بندولات مخروطية الشكل (الشكل 3.5 a) حيث يقوم قلم معدني متصل بكتلة معلقة بنقش سجل لحركة الأرض على لوح زجاجي مدخن، مما ينتج سجلاً ثنائي الأبعاد من النوع الموضح في الشكل 3.5 b. وجد Scott (1972) أن التذبذبات الصغيرة للأثر كانت مرتبطة بالأداة وليس بالزلزال ويمكن استخدامها لتوفير مقياس زمني لأثر جهاز قياس الزلازل. يسمح المقياس الزمني بحساب مخططات التسارع من أثر جهاز قياس الزلازل.

الشكل(3.4)

الشكل(3.5)

اكتساب البيانات والرقمنة

حولت أدوات حركة الأرض المبكرة حركة الأرض إلى حركة آلية فيزيائية. تسببت الآلية، ربما في شكل قلم أو قلم أو مرآة عاكسة، في تسجيل الحركة في شكل تناظري على ورق أو فيلم فوتوغرافي متصل بأسطوانة دوارة. سجلت أجهزة الجيل اللاحق الحركات إلكترونيًا في شكل تناظري على شريط مغناطيسي. وبدلاً من التسجيل المستمر، تظل هذه الأجهزة خاملة حتى يتم تشغيلها عند تجاوز حد تسارع صغير في بداية حركة الزلزال. ونتيجة لذلك، لم يتم تسجيل أي اهتزازات ربما سبقت التشغيل، وبالتالي إدخال خطأ أساسي في سجل التسارع. لاستخدام حركات الأرض المسجلة للحسابات الهندسية، يجب رقمنة سجلات حركة الأرض التناظرية. في الأصل، تم إجراء الرقمنة يدويًا باستخدام الورق والقلم الرصاص ومقياس هندسي. كانت أجهزة التحويل الرقمي شبه الآلية، التي يحرك بها المستخدم عدسة ذات خطوط متقاطعة عبر مخطط تسارع مثبت على طاولة التحويل الرقمي، تُستخدم بشكل شائع في أواخر السبعينيات. وقد تضمنت هذه الأشكال من التحويل الرقمي عملاً شاقاً ودقيقاً؛ وكانت دقة المشغل وتعبه من الاعتبارات المهمة (Hudson، 1979). والآن أصبح التحويل الرقمي الآلي بالكامل القائم على الكمبيوتر، والذي يتم عادة بمعدلات أخذ عينات تبلغ 200 عينة أو أكثر في الثانية، أمراً شائعاً. وفي السنوات الأخيرة، أصبحت أجهزة قياس الزلازل الرقمية أكثر استخداماً. ورغم أنها تستخدم محولات تناظرية، فإن الأجهزة الرقمية تحول الإشارة التناظرية إلى شكل رقمي. وهي تسجل حركات الأرض بشكل مستمر بمعدلات تتراوح بين 200 و1000 عينة في الثانية بدقة تتراوح بين 12 و16 بت، ولا تحفظ البيانات المسجلة إلا إذا تم تجاوز تسارع التشغيل. نظرًا لأن الأنظمة الرقمية أكثر تعقيدًا وأكثر تكلفة وأكثر صعوبة في الصيانة في الميدان، فإنها لم تحل بعد محل الأنظمة التناظرية.

معالجة الحركة القوية

قد تتضمن البيانات الخام التي تم الحصول عليها من أداة الحركة القوية أخطاء من عدة مصادر محتملة، ويجب تقييم كل منها بعناية وتصحيحها لإنتاج سجل دقيق للحركة الأرضية الفعلية. غالبًا ما تتضمن البيانات الخام ضوضاء خلفية من مصادر مختلفة. يمكن اكتشاف الزلازل الدقيقة من أمواج المحيط بواسطة أدوات حساسة. قد يكون سبب الضوضاء الأخرى حركة المرور ونشاط البناء والرياح (التي تنتقل إلى الأرض عن طريق اهتزاز الأشجار والمباني وما إلى ذلك) وحتى تغيرات الضغط الجوي. من الواضح أن هذا النطاق من المصادر يمكن أن ينتج ضوضاء غير زلزالية في كل من الترددات المنخفضة والعالية. لعزل الحركة التي ينتجها الزلزال بالفعل، يجب إزالة الضوضاء الخلفية أو على الأقل قمعها. تتمتع جميع أجهزة قياس التسارع بخصائص استجابة ديناميكية خاصة بها، أو استجابة الجهاز، والتي يمكن أن تؤثر على الحركات التي تقيسها. وبالتالي، يجب تصحيح استجابة الجهاز في معالجة الحركة القوية. يتم إجراء تصحيحات استجابة الجهاز عادةً عن طريق نمذجة الجهاز نفسه كنظام SDOF واستخدام نموذج SDOF لفصل استجابة الجهاز عن الحركة الأرضية الفعلية. بالنسبة لمعظم أجهزة قياس التسارع الحديثة ذات الاستجابة الترددية المسطحة حتى حوالي 12 إلى 13 هرتز، فإن تصحيح الجهاز مهم فقط للترددات التي تزيد عن النطاق المعتاد للاهتمام الهندسي. ومع ذلك، توجد بعض أجهزة قياس التسارع في المباني (عادةً في الطابق الأرضي أو في الطابق السفلي) أو بالقرب من دعائم السدود أو الجسور. يمكن أن تتأثر الحركات التي تسجلها عند الترددات ذات الأهمية باستجابة الهيكل الذي توجد فيه أو بالقرب منه. وحتى الحركات المسجلة بواسطة أدوات الحركة القوية الموجودة في المجال الحر (بعيدًا عن تأثير الهياكل الكبيرة) قد تتأثر باستجابة أدواتها (Bycroft، 1978؛ Crouse et al.، 1984)، على الرغم من أن هذه التأثيرات مهمة عادةً فقط عند الترددات العالية نسبيًا (Crouse and Hushmand، 1989) للأجهزة النموذجية. هناك حاجة إلى تصحيح آخر لتقليل تأثيرات الأخطاء في قياس حركة الأرض، مثل تلك المرتبطة بتشغيل أجهزة قياس الزلازل التناظرية. إذا لم يبدأ تشغيل جهاز قياس الزلازل حتى يتم الوصول إلى مستوى تشغيل معين للحركة، فإن مخطط التسارع بأكمله يكون خاطئًا بمستوى الحركة في وقت التشغيل. على سبيل المثال، سيؤدي دمج تاريخ وقت التسارع غير المصحح إلى خطأ خطي في السرعة وخطأ تربيعي في الإزاحة. إن خطأ التسارع الذي لا يتجاوز 0.001g في بداية مخطط تسارع مدته 30 ثانية من شأنه أن يتنبأ بشكل خاطئ بإزاحة دائمة تبلغ 441 سم في نهاية الحركة. إن تصحيح مثل هذه الأخطاء، والذي يطلق عليه تصحيح خط الأساس، كان يتم في الأصل عن طريق طرح أفضل قطع مكافئ من مخطط التسارع قبل التكامل مع السرعة والإزاحة، ولكن يتم الآن تنفيذه باستخدام مرشحات التمرير العالي وتقنيات معالجة البيانات الحديثة (Joyner and Boore, 1988). على سبيل المثال، تم ترشيح الحركات الموضحة في الشكل 3.1 لإزالة الترددات الأقل من 0.08 هرتز والترددات الأعلى من 23 هرتز. يتوفر برنامج كمبيوتر لمعالجة سجلات الحركة الأرضية القوية (Converse, 1992) من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS).

مجموعات أجهزة الحركة القوية

تنتج الزلازل الكبيرة حركات أرضية ذات خصائص مختلفة عند نقاط مختلفة على سطح الأرض. إن التباين المكاني لحركة الأرض، سواء على المستوى العالمي أو الإقليمي أو المحلي، يشكل أهمية كبيرة في كل من علم الزلازل وهندسة الزلازل. وقد أثبتت مجموعات وشبكات أدوات الحركة القوية فائدتها في تحديد التباين المكاني لحركة الأرض القوية. لقد تحسن فهم العمليات الزلزالية والتكتونية بشكل كبير مع إنشاء شبكة أجهزة قياس الزلازل القياسية العالمية (WWSSN) في عام 1961. وقد تم تطوير شبكة WWSSN في الأصل، إلى حد كبير، لمراقبة الامتثال لحظر اختبار الأسلحة النووية. قبل ذلك الوقت، تم الحصول على بيانات الزلازل العالمية من مجموعة واسعة من أنواع مختلفة جدًا من الأدوات التي تديرها العديد من المنظمات المختلفة. جعلت الاختلافات في الأدوات وإجراءات التشغيل مقارنة النتائج صعبة. تستخدم محطات WWSSN أدوات موحدة؛ تحتوي كل محطة على جهازين على الأقل من أجهزة قياس الزلازل التناظرية المكونة من ثلاثة مكونات لمراقبة الحركات قصيرة وطويلة المدى. ومع ذلك، فإن قدرات أجهزة WWSSN محدودة بالمعايير الحديثة (Aki and Richards، 1980)، ويتم استبدالها بأدوات رقمية مثل تلك الموجودة في شبكة قياس الزلازل الرقمية العالمية (GDSN) والشبكة العالمية لتصوير الزلازل (GSN). تشرف مؤسسات البحوث المدمجة لعلم الزلازل (IRIS)، وهي اتحاد من مؤسسات البحوث الأمريكية والأجنبية، على تشغيل الشبكة العالمية لرصد الزلازل ومجموعة من الأدوات المحمولة التي يمكن نشرها لمراقبة الهزات الارتدادية بعد الزلازل الكبيرة. تعمل مجموعات إقليمية من أجهزة قياس الزلازل الآن في معظم البلدان النشطة زلزاليًا. في الولايات المتحدة، على سبيل المثال، تقوم هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية بتشغيل مجموعات إقليمية في أجزاء مختلفة من البلاد. في برنامج أجهزة قياس الحركة القوية في كاليفورنيا (CSMIP)، تقوم شعبة المناجم والجيولوجيا في كاليفورنيا بتشغيل مجموعة واسعة من أجهزة قياس الزلازل في الحقل (الشكل 3.6) بالإضافة إلى أجهزة قياس الزلازل في المباني والجسور.

الشكل(3.6)

مجموعات محلية وكثيفة:

في حين أن المجموعات الإقليمية والعالمية المتباعدة على نطاق واسع مفيدة لدراسة آليات الزلازل والتوزيع المكاني للعديد من معلمات الزلازل المهمة، فإن هندسة الزلازل الجيوتقنية غالبًا ما تتطلب معلومات التوزيع المكاني على نطاق أصغر وتحت سطح الأرض. في السنوات الأخيرة تم تركيب عدد من المصفوفات المحلية والكثيفة، بعضها مزود بأجهزة قياس في باطن الأرض، في مواقع مختلفة حول العالم. وكانت اليابان نشطة للغاية في تركيب مصفوفات أجهزة قياس الحركة القوية المحلية. على سبيل المثال، تتضمن مصفوفة مقياس التسارع الكثيف ثلاثي الأبعاد في تشيبا (Katayama and Sato، 1982)، 44 مقياس تسارع ثلاثي المكونات، 15 منها على سطح الأرض والباقي على أعماق تصل إلى 40 مترًا. في تايوان، تتكون مصفوفة مقياس التسارع الكثيف SMART-1 بالقرب من لوتونج (الشكل 3.7) من مقياس تسارع مركزي محاط بثلاث حلقات من 12 مقياس تسارع يبلغ نصف قطر كل منها 200 متر و1 كم و2 كم. وبعد بضع سنوات من تركيب مجموعة SMART-1، تم إنشاء نماذج بمقياس 1/4 و1/12 (Tang، 1987). وتم تجهيز الهياكل بالأجهزة لتسجيل استجابتها أثناء الزلازل، وتم تركيب أجهزة إضافية لحركة الأرض على السطح وفي باطن الأرض حتى أعماق 47 مترًا بجوار نموذج المقياس 1/4. وفي الولايات المتحدة، كانت مجموعة El Centro Array واحدة من أهم المجموعات المحلية، وهي مجموعة بطول 45 كم من 13 محطة تعبر صدع إمبريال وبراولي في جنوب كاليفورنيا (الشكل 3.8). كما تحتوي على مجموعة El Centro Differential Array، وهي مجموعة كثيفة تتكون من ستة مقاييس تسارع ثلاثية المكونات على طول خط بطول 305 أمتار. بعد فترة وجيزة من التثبيت، سجلت المصفوفات زلزال إمبريال فالي عام 1979 (M_s = 6.91)، والذي حدث على بعد 5.6 كم فقط وأنتج معلومات مفيدة للغاية عن حركات الأرض في المجال القريب. بالقرب من أنزا، كاليفورنيا، تم تركيب مجموعة من عشر محطات مكونة من ثلاثة مكونات على طول امتداد 30 كم من صدع سان جاسينتو لدراسة خصائص الزلازل المختلفة (Berger et al، 1984). يتم نقل البيانات عن طريق VHF الرقمي إلى محطة قمة جبلية قريبة ثم إلى محطة أخرى في لا جولا، كاليفورنيا. هذه ليست سوى عدد قليل من العديد من المصفوفات ذات الحركة القوية التي تم تركيبها في البلدان النشطة زلزاليًا في جميع أنحاء العالم. جاء الانتشار السريع لمصفوفات قياس الزلازل المحلية والإقليمية والعالمية في السنوات الأخيرة جنبًا إلى جنب مع التقدم التكنولوجي في الحصول على البيانات. التخزين. والاتصالات. القدرة على الحصول على وتخزين كميات كبيرة من البيانات الزلزالية الرقمية بسرعات عالية، واسترداد البيانات من مواقع بعيدة عن طريق القياس عن بعد، كانت وستظل كذلك. لجعل هذه البيانات أكثر وفرة.

الشكل(3.7)

الشكل(3.8)

سجلات الحركة القوية

يمكن الآن الحصول على سجلات الحركة القوية بسهولة من عدد من المصادر. على سبيل المثال، نشرت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية قرصًا مضغوطًا (Seekins et al, 1992) يحتوي على سجلات الحركة القوية غير المصححة من الزلازل التي حدثت في أمريكا الشمالية بين عامي 1933 و1986؛ وقد تم تضمين أكثر من 4000 سجل. ويمكن الوصول إلى عدد من قواعد بيانات الحركة القوية عبر الإنترنت، مع تنزيل السجلات الفردية من خلال ftp (بروتوكول نقل الملفات) المجهولة. تم الحصول على سجلات جيلروي الموضحة في الشكل 3.1 من قاعدة البيانات التي يحتفظ بها مرصد لامونت دوهيرتي للأرض في جامعة كولومبيا بالاشتراك مع المركز الوطني لأبحاث هندسة الزلازل في جامعة ولاية نيويورك في بافالو. يظهر مثال للمعلومات المقدمة مع مثل هذه السجلات في الشكل 3.9. يوجد موقع مفيد على شبكة الويب العالمية به روابط إلى العديد من مصادر معلومات حركة الأرض والزلازل في جامعة واشنطن (http://www.geophys.washington.eddseismosul3frzg. html). يمكن العثور على مجموعة متنوعة من معلومات هندسة الزلازل الجيوتقنية على موقع ويب تابع لجامعة جنوب كاليفورنيا (http://rccg0l.use.eddeqdatdzome. html).

الشكل(3.9)

معلمات حركة الأرض

تعتبر معلمات حركة الأرض ضرورية لوصف الخصائص المهمة لحركة الأرض القوية في شكل كمي مضغوط. تم اقتراح العديد من المعلمات لتوصيف سعة ومحتوى التردد ومدة حركات الأرض القوية؛ يصف بعضها خاصية واحدة فقط من هذه الخصائص، بينما قد تعكس معلمات أخرى اثنتين أو ثلاث. نظرًا لتعقيد حركات الأرض الزلزالية، يُعتبر تحديد معلمة واحدة تصف بدقة جميع خصائص حركة الأرض المهمة أمرًا مستحيلًا (Jennings، 1985؛Joyner and Boore ، 1988).

معلمات السعة

الطريقة الأكثر شيوعًا لوصف حركة الأرض هي باستخدام سجل زمني. قد يكون معامل الحركة هو التسارع أو السرعة أو الإزاحة، أو قد يتم عرض الثلاثة كما هو موضح في الشكل 3.10. عادةً، يتم قياس كمية واحدة فقط من هذه الكميات مباشرةً مع حساب الكميات الأخرى منها عن طريق التكامل و/أو التفاضل. لاحظ الترددات السائدة المختلفة في سجلات زمن التسارع والسرعة والإزاحة. يُظهر سجل زمن التسارع نسبة كبيرة من الترددات العالية نسبيًا. ينتج التكامل تأثير تنعيم أو ترشيح [في مجال التردد ṽ(Ѡ)= ᾶ(Ѡ)/Ѡ  و ῦ(Ѡ)= ṽ(Ѡ)/Ѡ  حيث ῦ وṽ وᾶ هي الإزاحة والسرعة والتسارع المحولة على التوالي].

الشكل(3.10)

المراجع:

HUDSON, D.E. (1984). “Strong motion accelerograph systems – problems and prospects,” Proceedings, 8th World Conference on Earthquake Engineering, Vol. 2, pp. 39-45.

RICHART, F.E., HALL, J.R., AND WOODS, R.D. (1970). Vibrations of Soils and Foundations, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 401 pp.

HUDSON, D.E. (1958). “The Wilmot survey type strong-motion earthquake recorder,” Earthquake Engineering Laboratory Research Report, California Institute of Technology, Pasadena, California.

SCOTT, R.F. (1972). “The calculation of horizontal accelerations from seismoscope records,” presented at Seismological Society of America conference, Hawaii.

HUDSON, D.E. (1 979). Reading and Interpreting Strong Motion Accelerograph, Earthquake Engineering Research Institute, Berkeley, California, 112 pp.

BYCROFT, G. N. (1978) “The effect of soil-structure interaction on seismometer readings,” Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 68, pp. 823-843.

CROUSE, C. B., LIANG, G. C., AND MARTIN, G. R. (1984). “Experimental study of soil-structure inter- action at an accelerograph station,” Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 74. pp. 1995-2013.

CROUSE, C.B. AND HUSHMAND, B. (1989). Soil-structure interaction at CDMG and USGS accelerograph stations, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 79, No. 1, pp. 1-14.

JOYNER, W. B. AND BOORE, D.M. (1988) “Measurement, characterization, and prediction of strong ground motion,” in Earthquake Engineering and Soil Dynamics II – Recent Advances in Ground-Motion Evaluation, Geotechnical Special Publication 20, ASCE, New York, pp. 43-102.

CONVERSE, A.M. (1992). “BAP: Basic strong-motion accelerogram processing software, Version 1.0” Open-File Report 92-296A, U. S, Geological Survey, U.S. Department of the Interior, Denver, Colorado.

AKI, K. AND RICHARDS, P.G. (1980). Quantitative Seismology: Theory and Methods, Volumes 1 and 2, W.H. Freeman, San Francisco, California.

KATAYAMA, T. AND SATO, N. (1982). “Ground strain measurement by a very densely located seismometer array,” Proceedings, 6th Japan Earthquake Engineering Symposium, pp. 241-248.

TANG, H.T. (1987). “Large scale soil-structure interaction,” Report EPRI NP-5513-SR, Electric Power Research Institute, Palo Alto, California.

BERGER; J. BAKER, L.M., BRUXE, J.N., FLETCHER, J.B., HANKS, T.C. AND VERNON, F.L. (1984). “The Anza array: A high-dynamic-range, broadband, digitally radiotelemetered seismic array,” Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 74, NO. 4, pp 1469-1481.

SEEKINS, L.C., BRADY, A.G., CARPENTER, C., AND BROWN, N. (1992). Digitized strong-motion accelerograph of North and Central American earthquakes 1933-1986, Digital Data Series DDS-7 (CD-ROM), U.S. Geological Survey, Golden, Colorado.

JENNINGS, P.C. (1985). “Ground motion parameters that influence structural damage,” in R.E. Scholl and J.L. King, eds. Strong Ground Motion Simulation and Engineering Applications, EERI Publication 85-02, Earthquake Engineering Research Institute, Berkeley, California.