Ανάλυση και Προσομοίωση Εγγραφών Κίνησης Σεισμού Εδάφους
Σεισμοί συμβαίνουν καθημερινά, παντού από τότε που υπάρχει η γη. Ο κύριος λόγος για τους σεισμούς είναι τα κύρια τεκτονικά όρια των κινήσεων της συγκλίνουσας ή αποκλίνουσας πλάκας. Λόγω των ρευμάτων μεταφοράς στον μανδύα, οι πλάκες κινούνται μεταξύ τους στη λιθόσφαιρα όπως πλέουν στη θάλασσα. Ένας μεγάλος αριθμός σεισμών (περίπου 90%) και ηφαιστειακών εκρήξεων συμβαίνουν σε μια ζώνη που ονομάζεται «ΔΑΚΤΥΛΙΔΙ της ΦΩΤΙΑΣ» στον Ειρηνικό Ωκεανό.
Υπάρχουν σειρές από ωκεάνιες τάφρες και ηφαιστειακές ζώνες λόγω των κινήσεων των πλακών. Μια άλλη από τις πιο σεισμικά ενεργές περιοχές (5-6% του συνολικού αριθμού των σεισμών) είναι η ζώνη των Αλπίδων, η οποία κυμαίνεται από τη Μεσόγειο στα δυτικά έως τα Ιμαλάια στα ανατολικά). Η Τουρκία και το Ιράν βρίσκονται στο δυτικό τμήμα της ζώνης των Άλπεων, ενώ η βόρεια Ινδία βρίσκεται στο ανατολικό τμήμα της.
Οι σεισμοί καταγράφονται σε όλο τον κόσμο από σεισμόμετρα που είναι ηλεκτρονικά συστήματα με διάταξη εκκρεμούς μάζας και καταγράφουν την κίνηση του εδάφους σε δύο οριζόντιες (ΒΑ, ΑΔ) και μία κατακόρυφη (Ζ) κατεύθυνση. Το αρχείο ενός σεισμομέτρου ονομάζεται «σεισμογράφημα», το οποίο είναι ένα είδος υπογραφής της γης. Είναι επίσης η κίνηση του εδάφους της γης σαν ένα ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) της καρδιάς. Για να μειώσουμε την επίδραση των σεισμών στις ανθρωπογενείς κατασκευές και τη ζωή, καθώς και για να προστατευτούμε από τη φυσική καταστροφή, πρέπει να κατανοήσουμε λεπτομερή χαρακτηριστικά των σεισμογραμμάτων. Είναι δύσκολο να καταλάβουμε τις λεπτομέρειες του σεισμικού μηχανισμού από τις υπογραφές του… Είναι ένας μακρύς και λοφώδης δρόμος για τους επιστήμονες της γης…
Στις αρχές του 1900, οι σεισμολόγοι άρχισαν να καταγράφουν σεισμούς. Εν τω μεταξύ, οι σεισμολόγοι βελτίωσαν τις μεθόδους χρησιμοποιώντας μαθηματικά και φυσική για να εξάγουν τις δομές της γης από την ανάλυση των κινήσεων του εδάφους (σεισμογράμματα). Μετά από πολύ δρόμο, η προσομοίωση της σεισμικής κίνησης του εδάφους ξεκίνησε στα τέλη του 19ου αιώνα. Ο στόχος των μελετών προσομοίωσης σεισμού είναι να οριστεί ο χαρακτήρας της κίνησης του εδάφους κοντά στην πραγματική, ώστε να μειωθούν τα μέτρα μετριασμού της ζημιάς πριν, κατά τη διάρκεια και μετά από έναν σεισμό.
Αναλύσεις και προσομοίωση κινήσεων εδάφους για εφαρμογές μηχανικής
Τα τελευταία 20 χρόνια, η διαθεσιμότητα υψηλής ποιότητας αρχείων επίγειας κίνησης για τους σεισμούς αυξήθηκε σε όλο τον κόσμο. Ως εκ τούτου, οι μελέτες σεισμικού κινδύνου έχουν καταστεί σημαντικές για εφαρμογές σεισμικής μηχανικής. Το πιο σημαντικό κλειδί για την αξιολόγηση και τον μετριασμό των καταστροφών από σεισμούς είναι η πρόβλεψη της κίνησης του εδάφους όσο το δυνατόν πιο κοντά στην πραγματικότητα. Είναι το πρώτο βήμα για τη μείωση των θυμάτων και την κατάρρευση κτιρίων πριν από έναν σεισμό για εκτίμηση ζημιών. Η πρόβλεψη κίνησης εδάφους έχει γενικά δύο διαδικασίες όπως φαίνεται στο σχήμα 1.
Αρχικά, προσομοιώστε την κίνηση του εδάφους σε σεισμικό ή μηχανικό βράχο. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούμε πληροφορίες πηγής και δομή ταχύτητας φλοιού. Αυτά ονομάζονται εφέ πηγής και διαδρομής. Μετά τον προσδιορισμό της κυματομορφής σε σεισμικό/μηχανολογικό υπόβαθρο, μπορούμε να υπολογίσουμε την κίνηση της επιφάνειας πολλαπλασιάζοντας την κίνηση του πετρώματος με τον παράγοντα ενίσχυσης θέσης σε κάθε συχνότητα στον τομέα συχνότητας για την αξιολόγηση της επίδρασης του εδάφους στα ιζήματα. Τέλος, η επιφανειακή κίνηση στο πεδίο του χρόνου προκύπτει με την εφαρμογή του αντίστροφου μετασχηματισμού Fourier.
Το πλάτος της κίνησης του εδάφους ελέγχεται από τρία κύρια αποτελέσματα:εφέ πηγής, διαδρομής και τοποθεσίας. Μεταξύ αυτών, οι επιδράσεις της τοποθεσίας έπαιξαν μερικές φορές πρωταρχικό ρόλο στη ζημιά σε κτίρια λόγω των τοπικών γεωλογικών και εδαφικών συνθηκών. Τα σημαντικά χαρακτηριστικά των κινήσεων του εδάφους, ιδιαίτερα το πλάτος, το περιεχόμενο συχνότητας και η διάρκεια μπορούν να επηρεαστούν από τις τοπικές συνθήκες της τοποθεσίας. Μεγάλες ζημιές λόγω των τοπικών συνθηκών σημειώνονται αρκετοί μεγάλοι σεισμοί όπως το 1985 Michoacan (Μεξικό), 1995 Kobe (Ιαπωνία), 1999 Kocaeli και Duzce (Τουρκία), 2014 Iquique (Χιλή) και Nagano (Ιαπωνία), 2015 Gorkha (Νεπάλ) , 2016 Κουμαμότο (Ιαπωνία). Η επικύρωση των επιπτώσεων της τοποθεσίας είναι αναπόφευκτη για την εκτίμηση της κίνησης του εδάφους από σεισμό και του μετριασμού της καταστροφής.
Ένα από τα σημαντικά σημεία για τις τοπικές μελέτες σεισμικού κινδύνου είναι ο ορισμός της δομής 1D ταχύτητας από την επιφάνεια έως το σεισμικό ή μηχανικό βράχο. Αυτό είναι απαραίτητο για να γνωρίζουμε τις αποκρίσεις της τοποθεσίας για να εκτιμήσουμε τον αντίκτυπο των κινήσεων του εδάφους των κτιρίων. Η τοπική γεωλογία τροποποιεί σημαντικά τους χαρακτήρες της κίνησης του εδάφους και ελέγχει την ακανόνιστη κατανομή των ζημιών που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια μεγάλων σεισμών. Επομένως, τα ρηχά στρώματα χαμηλής ταχύτητας είναι υπεύθυνα για τη μεταβολή της ενίσχυσης της κίνησης του εδάφους σε μια περιοχή. Η ετερογένεια των δομών του εδάφους, οι διαφορές σύνθετης αντίστασης ταχύτητας μεταξύ των στρωμάτων, τα φαινόμενα συντονισμού, η ακανόνιστη τοπογραφία των στρωμάτων κάτω από μια λεκάνη, η επίδραση της τοπογραφίας της επιφάνειας, η μη γραμμική συμπεριφορά του εδάφους, η γεωμετρία του ρήγματος και η πλευρική διακύμανση της ταχύτητας του κύματος S (Vs) προκαλούν διακυμάνσεις ενίσχυσης της κίνησης του εδάφους σεισμού.
Οι περισσότερες από αυτές τις επιδράσεις δεν μπορούν να προσδιοριστούν εύκολα και απαιτούνται ολοκληρωμένες μελέτες. Από την άλλη πλευρά, είναι σημαντικό να εκτιμηθεί η δομή Vs σε στρώματα κοντά στην επιφάνεια για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών ισχυρής κίνησης κατά τη διάρκεια ενός σεισμού. Το μονοδιάστατο (1D) προφίλ εδάφους μπορεί να ληφθεί με διαφορετικές γεωφυσικές μεθόδους, χρησιμοποιώντας δεδομένα σεισμών ή καταγραφή θορύβου περιβάλλοντος για την ανάκτηση της κατακόρυφης δομής του εδάφους καθώς και την υλοτομία των γεωτρήσεων. Η 1D υπόθεση της δομής του εδάφους είναι ευρέως αποδεκτή και εύκολη στην εφαρμογή. Η εξερεύνηση συστοιχιών μικροτρέμουλων έχει κερδίσει μεγάλη δημοτικότητα στο προφίλ 1D Vs επειδή η εκτίμηση της δομής Vs απαιτεί μόνο μια απλή κυκλική διάταξη με λίγα σεισμόμετρα (Εικόνα 2). Εάν οι μικροτρόμοι καταγράφονται από κάθετους αισθητήρες, συχνά θεωρείται ότι έχουν τα χαρακτηριστικά διασποράς των κυμάτων Rayleigh. Επιπλέον, οι καμπύλες διασποράς ταχύτητας ομάδας επιφανειακών κυμάτων από τις κινήσεις του εδάφους ενός σεισμού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των οριζόντιων δομών ταχύτητας 1D για τα βαθιά ιζήματα και τον φλοιό της γης από το εστιακό στρώμα στο τεχνικό βράχο ή το σεισμικό υπόβαθρο κάτω από μια τοποθεσία. Εάν δεν υπάρχουν λεπτομερείς πληροφορίες τρισδιάστατης ταχύτητας για μια περιοχή, ο προσδιορισμός της κατά προσέγγιση δομής ταχύτητας 1D βοηθά στη δημιουργία πιο αξιόπιστων αποτελεσμάτων προσομοίωσης για μελέτες σεισμικού κινδύνου.
Ένα παράδειγμα:Προσομοίωση του σεισμού Gokceada (Βόρειο Αιγαίο) της 24ης Μαΐου 2014 (Mw 6,9, ΒΔ Τουρκία)
Η Τουρκία βρίσκεται ανάμεσα στις τρεις κύριες τεκτονικές πλάκες:Ευρασία, Αραβία και Αφρική. Το αποτέλεσμα της ευρασιατικής-αραβικής ηπειρωτικής σύγκρουσης στην ανατολή και του επεκτατικού καθεστώτος στο Αιγαίο, η πλάκα της Ανατολίας διαφεύγει προς τα δυτικά μεταξύ των συστημάτων ρήγματος κρούσης ολίσθησης της Βόρειας και της Ανατολικής Ανατολίας παρόμοια με ένα σπόρο καρπουζιού που συμπιέζεται ανάμεσα σε δύο δάχτυλα, όπως φαίνεται στο σχήμα. 3.
Η Ζώνη Ρηγμάτων Βόρειας Ανατολίας (NAFZ) είναι ένα από τα σημαντικά δεξιά πλευρικά ρήγματα κρούσης ολίσθησης στη Γη. Είναι περίπου 1.200 km-μήκους μεταξύ της Ευρασιατικής και της Ανατολίας πλάκας. Ξεκινά από την ανατολική Τουρκία, κόβει τη Θάλασσα του Μαρμαρά κατά προσέγγιση ανατολή-δυτική κατεύθυνση και στη συνέχεια επεκτείνεται στο Αιγαίο Πέλαγος στα δυτικά. (M>7).
Η περιοχή μελέτης μας βρίσκεται στο δυτικό τμήμα της περιοχής του Μαρμαρά στη βορειοδυτική Τουρκία. Ως εκ τούτου, η περιοχή του Μαρμαρά έχει τη μικρότερη έκταση μεταξύ των επτά γεωγραφικών περιοχών της Τουρκίας (περιοχές Αιγαίου, Μαύρης Θάλασσας, Κεντρικής Ανατολίας, Μεσογείου, Ανατολικής Ανατολίας και Νοτιοανατολικής Ανατολίας), καλύπτει ένα ταχέως αναπτυσσόμενο τμήμα της χώρας και περιλαμβάνει την κύρια οικονομική και βιομηχανική κέντρα, συμπεριλαμβανομένης της Κωνσταντινούπολης που είναι μια από τις πιο πυκνοκατοικημένες πόλεις στον κόσμο. Η περιοχή του Μαρμαρά πλήττεται από καταστροφικούς σεισμούς και επιλέχθηκε ως Υπερτόπος που αποτελούν βασικές περιοχές μελέτης για φυσικούς κινδύνους στον κόσμο. Ιστορικές καταγραφές δείχνουν ότι οι καταστροφικοί σεισμοί έχουν επισκέπτεται συχνά την περιοχή. Τον περασμένο αιώνα, στις 9 Αυγούστου 1912, ο σεισμός Murefte (Mw 7,3) σημειώθηκε στα δυτικά ενώ στις 17 Αυγούστου 1999 το Kocaeli (Mw 7,4) σημειώθηκε στα ανατολικά τμήματα της περιοχής (Εικόνα 3). Ο σεισμός Gokceada (24 Μαΐου 2014, Mw 6,9) επηρέασε επίσης τα δυτικά της περιοχής.
Η ντετερμινιστική αριθμητική μας προσομοίωση αναγέννησε καλά τα τμήματα υψηλής συχνότητας των κυματομορφών στους περισσότερους σταθμούς (Εικόνα 4). Αυτή η μελέτη παρέχει τα δομικά μοντέλα ταχύτητας κύματος S 1D στους σταθμούς ισχυρής κίνησης για τον υπολογισμό αξιόπιστων συνθετικών κινήσεων εδάφους του σεισμού Gokceada του 2014. Αυτά τα υπόγεια μοντέλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την πρόβλεψη ισχυρής κίνησης του εδάφους λόγω μελλοντικού μεγάλου σεισμού κατά μήκος του NAFZ στη Θάλασσα του Μαρμαρά.
Η σημασία της προετοιμασίας μιας σωστής δομής 1D βαθιάς ταχύτητας κάτω από το μηχανικό υπόβαθρο για την προσομοίωση χαμηλών συχνοτήτων τονίζεται από την προσομοίωση κίνησης εδάφους 1D του σεισμού Gokceada του 2014. Τα τοπικά φαινόμενα τοποθεσίας δημιουργήθηκαν ως επί το πλείστον με επιτυχία στα συνθετικά σεισμογράμματα υψηλής συχνότητας (Εικόνα 5). Από την άλλη πλευρά, η 1D προσομοίωση δεν μπορεί να δημιουργήσει επαρκή αποτελέσματα σε ειδικές τοποθεσίες. Τοποθεσίες με παχιά λεκάνη ιζημάτων με χαμηλή σεισμική ταχύτητα κάτω από σταθμούς ενδέχεται να προκαλέσουν αργά και μεγάλα επιφανειακά κύματα, τα οποία δεν μπορούν να δημιουργηθούν στην 1D προσομοίωση, λόγω της δημιουργίας τοπικά παγιδευμένων κυμάτων.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Broadband ground-motion simulation του σεισμού Gokceada (Βόρειο Αιγαίο) της 24ης Μαΐου 2014 (Mw 6,9) στη ΒΔ Τουρκία λαμβάνοντας υπόψη τις τοπικές επιδράσεις στο έδαφος, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Bulletin of Earthquake Engineering. Αυτή η εργασία διευθύνθηκε από τον Ozlem Karagoz από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο (πρώην), το Πανεπιστήμιο Çanakkale Onsekiz Mart (σήμερα).
