بخشی از مقاله
خلاصه
سیستم موقعیتیابی جهانی - GPS - که ابتدا فقط کاربردهاي نظامی داشت، امروزه در بسیاري از علوم کاربردهاي فراوانی یافته است. علاوهبر ایجاد تحول در علوم نقشهبرداري و تعیین موقعیت هر نقطه از زمین، دستگاههاي GPS اکنون به یکی از مهمترین ابزارهاي مهندسی عمران براي بررسی تغییرات روي سازهها و پیشبینی خطرات احتمالی در طول عمر آنها تبدیل شدهاند.
کرنشسنجهاي GPS میتوانند اثرات بار باد بر ساختمانها و برجهاي بلند را ثبت کنند که نتایج مفیدي از تحلیل آنها بهدست آمده است. تغییر شکلهاي پوستهي زمین باعث ایجاد پدیدههایی از جمله زلزله، سونامی، رانش زمین، نشست و تغییر مکانهاي کوچک، اما اثرگذار در درازمدت روي سازهها بهویژه سدها، پلها، تونلها و دیگر سازههاي حساس و حیاتی میشود. با استفاده از GPS فعالیتهاي منطقهاي پوستهي زمین مورد بررسی قرار گرفته است و بهوسیلهي اطلاعات بهدست آمده میتوان تخریب و دیگر اثرات منفی محیطی روي سازهها را پیشبینی و تا حدي کنترل کرد.
1. مقدمه
روشهاي نقشهبرداري مرسوم که براي ردیابی تغییر شکلهاي استاتیکی سازهها استفاده میشوند، داراي ایرادهایی ذاتی در دستگاههاي خودکار نقشهبرداري، دوربینهاي تئودولیت و ترازیابی یا فتوگرامتري زمین میباشند، که موارد استفاده از این سیستمها را محدود کرده است. هزینهي خرید، نصب و نگهداري و تنظیم مکرر، از ایرادهاي موجود در این دستگاهها میباشند.
بهعلاوه براي دریافت مفاهیم مهندسی، احتیاج به تفسیر و ترجمهي دادههاي حاصل از این دستگاهها میباشد، که در برخی موارد بسیار پیچیده است. گذشته از این، روشهاي نقشهبرداري معمول نیاز به گسترهي دید خاصی دارند و مانند GPS بهطور خودکار، مداوم، با سرعت بالا و تکنیک ارتباط وسیع قابل استفاده نیستند. همچنین روند محاسبات روي دادههاي حاصل از GPS، پیچیدگی روشهاي سنتی را ندارد. این دلایل بهخوبی نشاندهندهي فواید استفاده از GPS است. دلایل اصلی کارآمد بودن نقشهبرداري بهوسیلهي GPS به شرح زیر میباشد:
شرایط جوي؛
دقت قابلتنظیم از 1cm تا 1mm که باعث میشود استفاده از GPS در موارد مختلف امکانپذیر باشد؛
موقعیت سهبعدي با ساختار یکنواخت با مبناي جهانی 1 - WGS84 - ؛
استفاده مداوم دادهها با سرعت بالا تا 20 Hz؛
عملیات اتوماتیک و بدون دخالت حواس بشري؛
روشهاي سینماتیکی مناسب براي جمعآوري دادهها. GPS کاربردهاي بسیار وسیعی در مهندسی عمران دارد. در این مقاله سعی شده تا بعضی از آنها را بهطور خلاصه مورد بررسی قرار دهیم.
کاربردهاي GPS در مهندسی عمران را بهطورکلی میتوان به چند دستهي زیر تقسیمبندي کرد:
سازهها؛
راهسازي؛
محیط زیست؛
ترافیک و حملونقل؛
علوم زمینشناسی؛
شهرسازي. 1 سازهها
تجربه نشان داده است که با استفاده از دستگاه GPS در سازهها، میتوان به نتایج مفیدي براي پایداري و دوام سازهها دست یافت. مهمترین کاربردها در قسمت سازه عبارتند از:
کنترل جابهجایی ساختمانها و برجهاي بلند؛
بررسی جابهجایی پاشنهي سدها در درازمدت؛
بررسی اثر نیروي باد بر سازههاي بلند؛
نظارت بر وضعیت پلها جهت اندازهگیري شکست، جابهجایی و تغییرشکل.
2 راهسازي
ساخت بزرگراهها و جادهها؛
تشخیص نقاط خطرناك جادهها؛
کنترل ماهوارههاي سنجش از راه دور؛
طراحی و اجراي تونلهاي یکطرفه و دوطرفه؛
مدیریت و حفظ جادهها؛
نقشهکشی، نقشهبرداري و مساحتسنجی.
3 محیط زیست
نمایش زمینی اکوسیستمها؛
نمایش آلودگی آبهاي زیرزمینی؛
جلوگیري از آلودگی آبهاي زمین و تشخیص مسیر حرکت آلایندهها در آبهاي زیرزمینی؛
حفاظت محیط زیست؛
مدیریت رودخانهها و جلوگیري از حوادث طبیعی؛
توانایی کنترل سیلابها.
4 ترافیک و حملونقل
استفاده در سیستم حمل و نقل هوشمند ITS براي کاهش ترافیک؛
مدیریت سیستمهاي حملونقل زمینی، هوایی و دریایی.
5 زمینشناسی
پیشبینی زلزله و سونامی؛
اثر زلزله بر ساختمانهاي بلند و کنترل جابهجایی آنها؛
بررسی تغییر شکل پوستهي زمین.
6 شهرسازي
مکانیابی مناسب جهت طراحی شهرسازي؛
مکانیابی فضاي سبز شهري؛
مکانیابی مناسب جهت اجراي سازههاي خاص.
اکنون به بیان مختصري از مهمترین کاربردهاي هر قسمت میپردازیم.
2. بررسی اثر القاي باد بر ساختمان هاي بلند
ساختمانهاي بلند که از پیچیدهترین و گرانقیمتترین پروژهها در سراسر دنیا میباشند، بهطور اساسی تحت اثر بار باد هستند و تأثیرات باد روي آنها، در سه شاخهي: اصلی، زمینه و تشدید تقسیمبندي میگردد. با وجود پیشرفت محاسبات در مدلهاي کامپیوتري و تستهاي تونل بادي، هنوز عدم قطعیتهایی در پیشبینی اثر باد روي ساختمانهاي بلند بهچشم میخورد. بنابراین، روشی ارایه شده است که پدیدهي باد را بهوسیلهي طیفسنج موجی وکرنشسنج GPS توصیف میکند. بررسیهاي اخیر اثرات دو جانبهي باد را در آزمایش صحرایی نشان میدهد. در هر صورت حتی زمانیکه کرنشسنج GPS در دسترس نباشد، میتوان از اثر دوجانبهي باد در مقایسه با پدیدهي تشدید، صرفنظر نمود.
کرنشسنج GPS، قادر به ردیابی حرکتهاي دینامیکی 5mm به بالا با بسامد 10 Hz میباشد. این دستگاه را در فاصلهي حدود 1/5 m از ساختمان مورد نظر، روي زمین نصب میکنند. مطابق شکل - 1 - ، این دستگاه شامل یک صفحهي لرزان است که آنتن مربوطه روي آن نصب میشود. پس از کنترل صفحهي لرزان براي اینکه ثابت بماند، چرخش کلاهک آنتن ثبت شده و بهصورت جابهجایی فیزیکی بر صفحهي لرزان اعمال میشود. از طرفی صفحهي لرزان به پایهي مجهز به کرنشسنج GPS متصل است. حرکات صفحهي لرزان بهوسیلهي دستگاه GPS محلی با امتداد شمال- جنوب مقایسه میشود.
3. تشخیص جابهجایی پلها
باتوجه به شرایط دشوار بازدیدهاي محلی از تغییرشکل پلها، لوازم مورد استفاده براي اندازهگیري باید سبک، قابل حمل، قابل اطمینان و با نصب آسان باشند تا نتایج بهدست آمده از آنها را بتوان بهآسانی تعبیر نمود. با توجه به محدودیتهاي ذکر شده و ایرادهاي روشهاي مرسوم نقشهبرداري، استفاده از روشهاي سنتی براي ردیابی تغییرشکلهاي دینامیکی سازهها امکانپذیر نیست. درعوض در بازدید از پلها از شتابسنجها، شیبسنجها و کرنشسنجها براي اندازهگیري تغییرشکل و میزان جابهجایی استفاده میشود.
در سالهاي اخیر تلاشهایی براي استفاده از دریافتهاي GPS از فرستندههاي دوگانه و شتابسنجهاي سهبعدي در ردیابی دینامیک سازهها از ساختمانهاي بلند گرفته تا پلها، صورت گرفته است تا بدین طریق استفاده از شتابسنجها کاهش یابد. زیرا شتابسنجها قادر به اندازهگیري حرکات آهستهي سازهها با فرکانس کمتر از 0/2 Hz نیستند. در هر صورت، استفاده از شتابسنج براي حرکات دینامیکی سریع سازه مفید است. چراکه گیرندههاي دوگانهي GPS، تنها قادرند فرکانسهاي 20Hz به پایین را ثبت کنند.
یک سیستم ردیابی ایدهآل براي ثبت حرکات دینامیکی سازه شامل موارد زیر میباشد : گیرندههاي GPS ، شتابسنج، ترانسفورماتور جابهجایی، کرنشسنج، دستگاه هواشناسی و یا حتی گیرندهي زمینی. در حالت عادي میتوان ترکیبی از گیرندهي GPS و شتابسنج سهبعدي را بهکار برد. به علت پیچیدگی زیاد دستگاه، تکنیک ثبت اطلاعات بهطور تمام اتوماتیک، در این زمینه حاصل نشده است و دستگاه Post-Processing، جداگانه اطلاعات بهدست آمده را از گیرندههاي GPS و شتابسنج دریافت میکند.
