بخشی از مقاله
کاربرد GPS در کنترل سازه ها و زيرساخت هاي شهري
چکيده
سيستم تعيين موقعيت جهاني (GPS)١ در حال حاضر به جزء نوآوري که در علوم ژئوماتيک به وجود آورد،کابرد وسيعي در بسياري از علوم پيدا کرده است .از پراهميت ترين اين کابردها ميتوان در پروژه هاي عمراني از قبيل سد ها،جاده ها،تونلها،برج ها و بررسي وضعيت پوسته زمين که اين سازه ها وابسته به آن هستند نام برد.GPS ميتواند حرکات و تغيير شکل سازه ها رابا دقت بالا تشخيص داده و نتايج داده ها را به سرعت براي آناليز در اختيار کارشناسان قرار دهد تا از بسياري از رخدادهاي ناگوار از قبيل شکستگي سد ها ،زلزله و امثالهم و پيامدهاي ناشي از آن جلوگيري کند.
واژگان کليدي: GPS،کرنش سنج ،استرين ،بيضي خطا،تغيير شکل ،پايداري،سازه.
١- مقدمه :
با پيشرفت جوامع امروزي و حرکت سريع تکنولوژي مدرن بستري بسيار مناسب براي ساخت سازه هاي بزرگ ايجاد گرديده
است .حال آنکه عوامل مختلفي بر روي اين سازه ها تاثيرگذار ميباشند که به جرات ميتوان گفت مهمترين عامل همان پوسته زمين است که سازه در روي آن قرار ميگيرد.عوامل مختلف ديگري نيزمانند باد،وزن سازه وغيره روي سازه ميتوانند تاثير گذار باشند که براي امنيت سازه بسيار مهم مي باشند.بعد از ساخت اين سازه ها شايد مهمترين مرحله کنترل و بررسي جابجايي آنها ميباشد.اين نکته نيز قابل ذکر است که دقت اندازه گيري و محاسبات در اين کار بسيار مهم ميباشد واين امر به عوامل زيادي همچون ابزار اندازه گيري مناسب وابسته است دقت در انتخاب ابزار مناسب اندازه گيري نقش قابل ملاحضه اي در کيفيت برداشت ها ايفا ميکند.از جديدترين اين ابزار که کمک شاياني به اين مورد کرده است GPS ميباشد زيرا از لحاظ هزينه ،اپراتور،شرايط جوي وبسياري از عوامل ديگر ميتواند بهترين گزينه در اين امر باشد. دلايل اصلي کارآمد بودن نقشه برداري به وسيله GPS به اين شرح مي باشد: شرايط جوي ،دقت قابل تنظيم از ١ سانتيمتر تا ١ ميليمترکه باعث مي شود استفاده از GPS در موارد مختلف امکان پذير باشد،موقعيت سه بعدي با ساختار يکنواخت با مبناي جهاني ،استفاده مداوم داده ها با سرعت بالا تا ٢٠ هرتز،علميات اتوماتيک و بدون دخالت حواس بشري ،روش هاي سينماتيکي مناسب براي جمع آوري داده ها.[١]
نکته جالب در اين سيستم توانايي استفاده از، بعضي از خطاهاي اين سيستم براي بررسي تغيير شکل سطوح مختلف ميباشد مانند خطاي چند مسيري که نسبت به سطوح اطراف دستگاه بسيار حساس ميباشد.[٥]
تجربه نشان داده است که با استفاده از دستگاه GPS در سازه ها، مي توان به نتايج مفيدي براي پايداري و دوام سازه ها دست يافت .
مهم ترين کاربردها در قسمت سازه ها عبارتند از:
- کنترل جابه جايي ساختمان ها و برج هاي بلند
- بررسي جابجايي پاشنه ي سدها در درازمدت
- بررسي اثر نيروي باد بر سازه هاي بلند
- نظارت بر وضعيت پل ها جهت اندازه گيري شکست ، جابه جايي و تغيير شکل
GPS همچنين در راه سازي ،محيط زيست ،ترافيک و حمل و نقل ،زمين شناسي وشهرسازي کاربرد فراواني دارد.
در ادامه چندي از عوامل تاثيرگذار در حرکت سازه و حرکت پوسته زمين و اندازه گيري آن ها را با GPS مورد بررسي قرار ميدهيم .
٢- بررسي اثر نيروي باد بر ساختمان هاي بلند
ساختمان هاي بلند که از پيچيده ترين و گران قيمت ترين پروژه ها در سراسر دنيا مي باشند ، به طور اساسي تحت اثر بار باد هستند و تاثيرات باد روي آن ها ، در سه شاخه ي : اصلي ، زمينه و تشديد تقسيم بندي مي گردد. با وجود پيشرفت محاسبات در مدل هاي کامپيوتري و تست هاي تونل بادي ، هنوز عدم قطعيت هايي در پيش بيني اثر باد روي ساختمان هاي بلند به چشم مي خورد بنابراين ، روشي ارايه شده است که پديده ي باد را به وسيله ي طيف سنج موجي و کرنش سنج GPS توصيف مي کند.
کرنش سنج GPS قادر به رديابي حرکت هاي ديناميکي ٥ ميليمتر به بالا با بسامد ١٠ هرتز مي باشد اين دستگاه را در فاصله ي حدود ١.٥ متري از ساختمان موردنظر ، روي زمين نصب مي کنند. مطابق شکل (١)، اين دستگاه شامل يک صفحه ي لرزان است که آنتن مربوطه روي آن نصب مي شود. پس از کنترل صفحه ي لرزان براي اينکه ثابت بماند ، چرخش کلاهک آنتن ثبت شده و به صورت جابه جايي فيزيکي بر صفحه ي لرزان اعمال مي شود. از طرفي صفحه ي لرزان به پايه ي مجهز به کرنش سنج GPS متصل است حرکات صفحه ي لرزان به وسيله ي دستگاه GPS محلي با امتداد شمال - جنوب مقايسه مي شود
٣- تشخيص جابه جايي و تغيير شکل سازه پل ها
با توجه به شرايط دشوار بازديدهاي محلي از تغيير شکل پل ها ، لوازم مورد استفاده براي اندازه گيري بايد سبک ، قابل حمل ، قابل اطيمنان و با نصب آسان باشند تا نتايج به دست آمده از آنها را بتوان به آساني تعبير نمود.
در سال هاي اخير تلاش هايي براي استفاده از دريافت هاي GPS از فرستنده هاي دوفرکانسه و شتاب سنج هاي سه بعدي در رديابي ديناميک سازه ها از ساختمان هاي بلند گرفته تا پل ها ، صورت گرفته است تا بدين طريق استفاده از شتاب سنج ها کاهش يابد. زيرا شتاب سنج ها قادر به اندازهگيري حرکات آهسته ي سازه ها با فرکانس کمتر از ٠.٢ هرتز نيستند در هر صورت استفاده از شتاب سنج براي حرکات ديناميکي سريع سازه مفيد است چرا که گيرنده هاي دو فرکانسه GPS ، تنها قادرند فرکانس هاي ٢٠ هرتز به بالا را ثبت کند.
در حالت عادي مي توان ترکيبي از گيرنده هاي GPS ، شتاب سنج سه بعدي را به کار برد. به علت پيچيدگي زياد دستگاه ، تکنيک ثبت اطلاعات به طور تمام اتوماتيک ، در اين زمينه حاصل نشده است و دستگاه پس پردازش جداگانه اطلاعات به دست آمده را از گيرنده هاي GPS و شتاب سنج دريافت مي کند. در مورد ثبت تغيير شکل هاي يک پل ، يک محور ثابت ميان محور دستگاه ثبت و محور اصلي پل تنظيم مي شود اگر محور ثابت به درستي تنظيم نشود ، تحرکات ديناميکي سازه بيش از مقدار حقيقي نشان داده مي شود و تطابق مقادير به دست آمده از آزمايش با داده هاي ثبت شده امکان پذير نيست .فاصله ي دستگاه GPS گيرنده و دستگاه سنسور نصب شده برروي پل مي تواند تا ٢٠ کيلومتر باشد ، به عبارت ديگر ، مشاهدات دستگاه GPS مي تواند داده هاي حاصل از مشاهدات فيزيکي با وسايلي هم چون شتاب سنج و کرنش سنج را به فضاي سه بعدي ببرد و هم چنين روند عمليات را اتوماتيک سازد. با برداشت مداوم نتايج حاصل از حرکات ديناميکي پل ، مي توان حرکات و تغيير شکل هاي خطرناک پل را پيش بيني و گزارش کرد و يا تغيير شکل هاي دراز مدت پل را تعيين نمود.[١]
٣-١- نمونه موردي:
پل ويل فورد در کشور انگلستان بر روي رودخانه ترنت ١ واقع شده است اشاره نمود.اين پل داراي ٦٨ متر طول و ٤ متر عرض است .از اين پل علاوه بر عبور افراد پياده ، جهت انتقال خطوط لوله آب و گاز نيز استفاده ميگردد.اين پل توسط سيستم GPS مورد بررسي قرار گرفته که نتايج آن در بسياري از مقالات معتبر به عنوان نمونه اي از کابرد GPS آورده شده است .[٤]
٤- رديابي پايدار زمين در تونل ها
تونل هاي آزاد راه براي اجرا در مناطق خارج از شهر طراحي مي شوند بنابراين بسيار مهم است که رفتار زمين بالاي تونل براي حفظ امنيت آن کنترل شود. استفاده از روش و وسايل موجود ، مانند محدوده سنج ها وانحراف سنج هاي الکترونيکي که براي رديابي رفتار زمين استفاده مي شوند ، تا حدي گران قيمت هستند و به نيروي انساني زيادي احتياج دارند. بنابراين از روش جديد براي رديابي جابه جايي به وسيله ي سيستم تعيين موقعيت GPS استفاده مي شود که اين روش براي رديابي پايداري دامنه اقتباس شده است .
اين سيستم قادر است به طور پيوسته و خودکار ، جابه جايي هاي سه بعد را با دقت ثبت نمايد.چندين سنسور رديابي GPS در دامنه هاي زمين بالاي تونل ، در هر دو امتداد شمالي و جنوبي نصب مي شوند تا رفتار تغيير شکل زمين را رديابي کرده و حد مجازي براي آن تعيين کنند. در زمان ساخت تونل ، جابه جايي هاي سه بعدي زمين به طور واضح مشخص مي شوند و اين ثابت مي کند که سيستم رديابي GPS روشي مناسب براي تعبير پايداري زمين وتشخيص مشاهدات ساختار تونل است .[١]
٥- اندازه گيري زمين لرزه
در سال ٢٠٠٣ زلزله بم با بزرگي ٦.٣ جان بيش از ٢٦.٠٠٠ انسان را گرفت . از اين سال به بعد، شبکه ايستگاه هاي دائمي ايران به منظور مطالعه و پيش بيني حرکات پوسته زمين توسط سازمان نقشه برداري کشور ايجاد و به مرور تکميل گرديده است . داده هاي جمع آوري شده توسط شبکه ايستگاههاي دائمي GPS مي تواند به عنوان يک منبع داده ارزشمند براي مطالعه رفتار پيوسته زمين پيش ، حين و پس از وقوع زلزله به شمار رود.
ذخيره داده ها در ايستگاه هاي دائمي با نرخ زماني ٣٠ ثانيه صورت گرفته و به صورت روزانه پردازش مي شود نتايج اين پردازش ها رفتار پوسته زمين با دوره بلند مدت را بخوبي نمايش مي دهد.اما به منظور مطالعه رفتار لحظه اي پوسته زمين در فاصله زماني پيش ، حين و پس از وقوع زلزله وجود داده هاي با نرخ پايين تر ضروري به نظر مي رسد.
٥-١- روش کار
براي آشکار سازي زلزله از داده هاي ايستگاه هاي دائمي GPS مي توان استفاده نمود. بدين منظور به داده هاي صحيح و دقيق نياز است تا بتوان جابجايي هاي کمي که در زمان وقوع زلزله ايجاد مي گردد تعيين نمود، بدين منظور از مشاهدات فاز حامل استفاده مي شود. اگر چه مشاهدات فاز حامل بسيار دقيق هستند، ولي به شدت تحت تاثير خطاهاي سيستماتيک قرار مي گيرند. بنابراين ، لازم است که اين خطاها شناسايي شده و با مدل ها و روش هاي مناسب آنها را حذف نمود.
انتخاب ايستگاه مرجع يکي از حساس ترين مراحل کشف جابجايي ناشي از زلزله است از طرفي هر چه ايستگاه مرجع به ايستگاهي که زلزله در نزديکي آن انتخاب شده است ، نزديک تر باشد خطاهاي سيستماتيک کاهش خواهد يافت . از طرف ديگر بايد ايستگاه مرجع به اندازه کافي دور انتخاب شود که تحت تاثير زلزله قرار نگرفته و جابجا نشده باشد.
٥-٢- نمونه موردي
بررسي ايستگاه هاي دائمي آمريکا :
در ابتدا براي ارزيابي روش تعيين موقعيت آني زلزله به وقوع پيوسته در نزديکي شهر سن سيمون ١ به بزرگي ٦.٥ و عمق ٧.٦ کيلومتر در سال ٢٠٠٣ مورد مطالعه قرار گرفته است وجود ايستگاه هاي متعدد در اطراف مرکز وقوع زلزله و نرخ ذخيره داده بالا اين ايستگاه را براي مطالعه مناسب ساخته است در شکل (٤) نتايج پردازش ١ ساعت داده ايستگاه هاي دائمي را در فواصل مختلف نشان داده شده است اين نتايج بعد از پالايش داده ها بدست آمده است .
شکل (٤) تاثير زلزله سن سيمون را در سه ايستگاه مختلف در فواصل گوناگون نشان مي دهد پردازش مشاهدات ايستگاه نزديک به مرکز زلزله به رنگ قرمز و مشاهدات ايستگاه دور به رنگ آبي ديده مي شود. براي نمايش بهتر داده حاصل از سه ايستگاه همراه با يک شيفت ٢٠ سانتيمتري رسم گرديده است . همانطور که ديده مي شود جابجايي ناشي از زلزله با افزايش فاصله از مرکز زلزله کاهش مي يابد . همچنين اين زلزله باعث جابجايي دائمي و تغيير مختصات در ايستگاه هاي نزديک به زلزله شده است . براي امکان سنجي استفاده از ايستگاههاي دائمي با نرخ ذخيره داده کمتر، ايستگاههاي دائمي GPS منطقه سن سيمون را بار ديگر با نرخ ذخيره داده ٣٠ ثانيه پردازش نموده ايم . همانطور که در شکل (٥)ديده مي شود. از نتايج جديد نمي توان ميزان دقيق جابجايي لحظه اي را به خوبي داده هاي ايستگاه هاي دائمي با نرخ ثبت داده ١ ثانيه تعيين نمود. به نظر مي رسد که اين نتيجه براي مطالعه جابجايي ايستگاه ها در زمان وقوع زلزله مناسب نيست .[٢]
