-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
Erfindung sieht ein verbessertes Verfahren zur Messung seismischer
Wellen vor.
-
Viele
Opfer und enorme wirtschaftliche Verluste wegen Zerstörung von
Gebäuden
und Industrieanlagen werden durch Naturkatastrophen wie Erdbeben,
Erdrutsche, die durch geologische Instabilität hervorgerufen werden, und
Steinschlag verursacht, der durch Bergbau und große Ausschachtungsarbeiten
bedingt ist.
-
Gegenwärtig kann
die Seismologie Erdbeben nicht zuverlässig vorhersagen. Geräte wie beispielsweise
Seismometer und Beschleunigungsmesser, die derzeit zur Überwachung
solcher Ereignisse eingesetzt werden, wurden hauptsächlich im
Hinblick auf die Messung von nur einem technischen Parameter entwickelt,
nämlich
der Beschleunigung. Dieser dient Ingenieuren zur Berechnung der
auf erdbebensichere Gebäude
wirkenden Last, wobei die geschätzte
Masse des Gebäudes
verwendet wird. Darüber
hinaus zeichnen die gegenwärtigen
Seismometer die Spitzenwerte von Beschleunigung, Verschiebung, Geschwindigkeit
und Anstiegszeit nicht mit hoher Genauigkeit auf, die durch starke
Bewegungen in dem kritischen Gebiet nahe starken Erdbeben verursacht
werden (P. C. Jenkins, „Engineering
Seismology", in „Earthquakes:
Observation, Theory and Interpretation"; Herausgeber: H. Kanamori, und E. Boschi,
North Holland, 1983).
-
Der
Mangel an genauen Messungen der Parameter seismischer Wellen (die
die Spitzenwerte von Beschleunigung, Verschiebung und Geschwindigkeit
umfassen) erschwert die beständige
Konstruktion von Gebäuden
und Industrieanlagen, die gegen starke Erdbeben in dem Gebiet nahe
dem Epizentrum sicher sind; diese Tatsache zeigte sich durch den
Einsturz bedeutender Bauten bei starken Erdbeben in der letzten
Zeit. Für
eine beständigere
Konstruktion von Gebäuden
wäre es
von Vorteil, wenn man die auf die Gebäude wirkenden seismischen Wellen
direkt messen könnte.
Dies ergibt sich daraus, dass wirkende Last genauer berechnet werden kann,
wenn man die Größe der Fundamente
kennt.
-
Es
ist bekannt, dass keine zuverlässige
wissenschaftliche Vorhersagefähigkeit
für Erdbeben existiert.
Dies zeigte sich auf tragische Weise durch die fehlende Vorbereitung
von Behörden
und Einwohnern bei den letzten großen Erdbeben (Friaul, Mexiko-Stadt
1985, Region 1995, Northridge 1994, Kobe 1995, Umbrien 1997, Türkei 1999),
was einer der Gründe
für die
große
Anzahl von Opfern ist.
-
Einige
empirische Versuche zur Vorhersage von Erdbeben, die auf der Änderung
des elektrischen Stroms im Erdreich einige Tage vor dem Erdbeben basierten,
wurden in Griechenland durchgeführt;
und in Japan erfolgten einige Versuche, die auf der Änderung
des Chlorid- und Schwefelgehalts in Mineralwasser beruhten, doch
größtenteils
nicht erfolgreich waren.
-
Erdbeben
werden normalerweise durch die Freisetzung von Energie aus dem Bruch
bzw. der Verschiebung großer
Massen geologischen Materials hervorgerufen; die Freisetzung seismischer
Energie erfolgt durch Ausbreitung seismischer Wellen. Es ist bekannt,
dass großen
Brüchen
kleinere Brüche vorhergehen,
die eine schwächere
Energiefreisetzung und seismische Wellen kleiner Amplitude hervorrufen.
Sie sind die Vorläufer
von großen
Erdbeben, und zur Vorhersage von Erdbeben müssen sie aus den üblichen
kontinuierlichen Kleinstbeben der Erde herausgelesen werden.
-
Die
derzeitigen Seismometer haben wegen der Umgebungsbedingungen (beispielsweise
Wind, Änderung
von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit der Umgebung) und Erderschütterungen
anderen Ursprungs ein zu niedriges Signal-Rausch-Verhältnis, um
zuverlässige
Aufzeichnungen von Vorläufern
bereitzustellen. Demzufolge ist der Zusammenhang zwischen den Eigenschaften
seismischer Wellen und den verschiedenen Phasen des Reißens von
geologischen Massen auf Basis der Aufzeichnungen gegenwärtiger Seismometer
zu ungenau, um Erdbeben vorhersagen zu können.
-
Die
schädliche
Wirkung starker Erdbeben auf Ingenieurbauten ist auf einige zehn
Kilometer Entfernung von den verursachenden Bodenverwerfungen beschränkt (P.
C. Jennings, „Engineering Seismology"). Die Bewegung ist
außerhalb
dieses Gebiets zwar noch wahrnehmbar, geht normalerweise aber nur
mit Schäden
einher, die keine Gebäude betreffen.
Eine Folge dieser Situation ist die, dass Details von Aufzeichnungen
seismographischer Geräte
in der Ingenieurseismologie normalerweise nicht von großer Bedeutung
sind.
-
Ein
Grund besteht darin, dass Seismographen im nahen Gebiet den Messbereich überschreiten;
sie befinden sich nur bei zu schwacher Bewegung im Messbereich und
sind normalerweise zu weit verteilt, um wichtige Informationen über starke
Beben liefern zu können.
Ein zweiter Grund ergibt sich daraus, dass die natürlichen
Frequenzen der Messumformer der meisten Seismographen so niedrig
sind, dass die Messung der hochfrequenten Bodenbeschleunigung in
dem starken Erdbeben nahen Gebiet anhand der Aufzeichnungen ein
schwieriger und ungenauer Vorgang ist. Es liegen demnach wenig Kenntnisse über Amplitude,
Dauer, Frequenzgehalt und Ausmaß von
starken Erschütterungen
vor.
-
Darüber hinaus
besteht ein Mangel an Aufzeichnungen in dem dem Erdbeben sehr nahen
Gebiet (z. B. Δ < 20 km), wo die
Geschwindigkeit in der Erde für
eine Dauer von unter einer Sekunde Werte von 10 m/s erreichen kann,
was die Gebäudestrukturen
einer sehr starken Verschiebung aussetzt.
-
Der
Hochfrequenzanteil von seismographischen Aufzeichnungen ist für den Fortschritt
in der Erdbebentechnik und bei der Vorhersage von starken Erdbeben
von Bedeutung, weil starke Bewegungen entscheidend vom Detail der
mechanischen Gegebenheiten eines Verwertungsbruchs abhängen. Die Messung
der kurzen Anstiegszeit anhand von Hochfrequenz-Akzelerogrammen
ist wegen des Rauschens und der hohen Variabilität äußerst ungenau.
-
Ferner
wird zur Überwachung
von seismischen Wellen im Erdreich, die durch Erdrutsche, Vulkanismus,
Steinschlag durch Bergbau und die Instabilität großer Ingenieurbauten (z. B.
Dämme)
verursacht werden, eine Vorrichtung benötigt, die die Wellenparameter
wie Anstiegszeit, Druck, Verschiebung und Geschwindigkeit in der
Erde sowohl bei Wellen kleiner Amplitude als auch bei Wellen mit
Spitzenamplitude aufzeichnen kann. Man erwartet, dass in diesen
Fällen
die Effizienz der Vorhersage von Katastrophen schneller gesteigert
wird als bei Erdbeben, da der Zusammenhang zwischen den gemessenen
Wellenparametern und dem Zustand des Wellenursprungs in weitaus
zuverlässigerer
Weise erbracht und verifiziert werden kann.
-
Eine
Vorrichtung zur Messung seismischer Wellen ist beispielsweise aus
dem Patent
JP 09 243607 bekannt,
das eine Vorrichtung offenbart, die Schallwellen misst, die bei
seismischer Aktivität durch
Bewegung von Bodenpartikeln relativ zueinander und relativ zur Vorrichtung
erzeugt werden. Die Schallwellen werden entlang eines Bundes von
Metallstäben
zu einem Detektor an einem Ende der Vorrichtung geleitet, wobei
die Metallstäbe
im Boden vergraben und von Erdreich umgeben sind. Diese Funktionsweise ändert zwangsläufig einige
Parameter der erfassten Wellen. Die Vorrichtung kann demnach keine
ausreichend genaue quantitative Messung von Parametern seismischer
Wellen bereitstellen, sondern erkennt lediglich indirekt die Existenz
seismischer Aktivität.
-
US 3,894,428 offenbart ein
Mittel zur Messung von quasi-statischen Spannungen in Fels, wobei
der Fels insbesondere eine Bergbauvertiefung umgibt. Dieses Mittel
umfasst längliche
Stäbe,
die in im Fels vorgesehenen Bohrlöchern angeordnet sind. Die
Stäbe sind
mit Klebstoff starr in die Bohrlöcher eingebettet;
jeder Stab ist ferner mit mehreren Dehnungsmessstreifen versehen,
die in regelmäßigen Abständen rings
um den Rand des Stabs angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist
dazu geeignet, die Festigkeit der Felsstruktur zu überwachen,
in der sie angebracht ist. Obwohl die an jedem Stab vorgesehenen
Dehnungsmessstreifen einfallende seismische Wellen erfassen können, ist
die Vorrichtung hauptsächlich
wegen der Wellenreflexion in den Bohrlöchern nicht für die genaue
Messung der Parameter seismischer Wellen geeignet.
-
Es
ist ein Ziel der Erfindung, ein neues Überwachungsverfahren bereitzustellen,
das die genaue Messung aller Parameter seismischer Wellen erlaubt,
die besser mit dem Ursprung des Katastrophenereignisses (Vorgang
des Bruchs von Verwerfungen) in Zusammenhang gebracht werden können, um Fortschritte
bei der Vorhersage solcher Katastrophenereignisse zu ermöglichen.
-
Erfindungsgemäß ist ein
Verfahren vorgesehen, das für
die Messung seismischer Wellen in einer Umgebung geeignet ist, in
der ein Gerät
angeordnet ist, wobei das Gerät
einen Wellenleiter umfasst, durch den sich eine seismische Welle
im Wesentlichen ohne Streuung ausbreiten kann, wobei der Wellenleiter
einen Stab mit zwei Enden umfasst, wobei der Stab mit Mitteln zur
Messung seiner Verformung versehen ist. Gemäß einem wichtigen Aspekt der
Erfindung ist eine Aussparung in der Umgebung angeordnet und ist
der Stab des Wellenleiters so in der Aussparung positioniert, dass
er an seinen beiden Enden mit der Umgebung verbunden ist; ferner
werden das Stabmaterial, die Geometrie der Aussparung und die Geometrie
des Stabs so ausgewählt,
dass die mechanische Impedanz des Wellenleiters im Wesentlichen
die gleiche ist wie die mechanische Impedanz der Umgebung, in der
das Gerät
angeordnet ist.
-
In
Folge der ohne Streuung erfolgenden Ausbreitung der seismischen
Welle durch den Wellenleiter ergibt sich keine Änderung bei der Form und Amplitude
der Welle, was eine Messung ihrer Eigenschaften entlang der Länge des
Wellenleiters ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß ist ferner
die Verwendung eines erfindungsgemäßen Geräts zur Messung einer seismischen
Welle vorgesehen.
-
Der
Wellenleiter ist ein Stab, der in einer Aussparung in der Umgebung
angebracht ist. Die mechanische Impedanz des Wellenleiters ist im
Wesentlichen die gleiche wie die der Umgebung, in der das erfindungsgemäße Gerät angeordnet
ist.
-
Die
wesentliche Übereinstimmung
der mechanischen Impedanz von Wellenleiter und Umgebung wird vorzugsweise
dadurch erreicht, dass man das Stabmaterial und die Geometrie von
Aussparung und Stab folgendermaßen
auswählt: ρ1C1A1 = ρ2C2A2, wobei:
ρ1 und ρ2 die
Dichte der Umgebung bzw. des Stabs sind;
A1 und
A2 die Querschnittsfläche der Aussparung bzw. des
Stabs sind;
C1 und C2 die
Geschwindigkeit der elastischen Welle in der Umgebung bzw. im Stab
sind.
-
In
Folge der wesentlichen Übereinstimmung der
mechanischen Impedanz von Wellenleiter und Umgebung wird eine Verbesserung
bei dem ungestörten
Eintritt und der Ausbreitung der seismischen Welle im Wellenleiter
bewirkt.
-
Der
im Wellenleiter verwendete Stab ist vorzugsweise metallisch (z.
B. Aluminium). Der Durchmesser und die Länge von Stab und Aussparung hängen generell
von den physikalischen Eigenschaften der Umgebung ab, in der der
Wellenleiter angeordnet ist. Die Abmessungen des Stabs betragen vorzugsweise
100 bis 150 mm Durchmesser und 500 bis 750 mm Länge.
-
Störquellen,
die aus bekannten Richtungen kommen, werden vorzugsweise unterdrückt, indem die
Achse des Stabs so ausgerichtet wird, dass die Wirkung der Rauschquellen
minimiert wird.
-
Der
Stab ist optional hohl, beispielsweise in Form einer Röhre, um
eine bessere Impedanzübereinstimmung
zu erzielen.
-
Eine
geeignete Umgebung, in der das Gerät angeordnet werden könnte, ist
beispielsweise das Erdreich oder eine Aussparung in einer Baustruktur wie
Dammfundamenten, einem Brückenpfeiler,
Gebäudefundamenten
usw.
-
Das
Mittel zur Messung der Verformung ist vorzugsweise elektronisch.
Es hat vorzugsweise eine ausreichend geringe Masse, damit es im
Wesentlichen frei von Trägheitseffekten
ist. Der Vorteil davon besteht darin, dass ein solches Mittel zur
Messung der Verformung der impulsartigen Wirkung seismischer Wellen
bis zu Frequenzen von über
100 KHz folgen kann. Darüber
hinaus kann ein solches Mittel zur Messung der Verformung eine Zeit
steilen Anstiegs seismischer Wellen in der Größenordnung von 10 Mikrosekunden
messen. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber den Konstruktionsteilen
herkömmlicher
Seismometer dar, die wegen ihrer großen Masse (die viele Kilogramm
beträgt)
den impulsartigen Spitzenwerten seismischer Wellen nicht mit Präzision folgen
können
und durch Trägheitseffekte beeinträchtigt werden,
die die Frequenzen der Phänomene
auf wenige Hertz begrenzen, die aufgezeich net werden können. Das
Mittel zur Messung der Verformung ist am meisten bevorzugt ein hochempfindlicher
Halbleiter-Dehnungsmessstreifen.
-
Der
Wellenleiter ist vorzugsweise mit mindestens zwei Mitteln zur Messung
der Verformung versehen, wobei eines zur Messung der Verformung in
einer Richtung vorgesehen ist, die im Wesentlichen parallel zu einer
Hauptachse des Wellenleiters liegt, und das andere zur Messung der
Verformung in einer Richtung vorgesehen ist, die in einem Winkel von
ungefähr
45° zu einer
Hauptachse des Wellenleiters liegt. Der Vorteil einer solchen Anordnung
besteht darin, dass, wenn der Wellenleiter richtig eingebaut ist,
man unterscheiden kann, ob der Druck und die Verschiebung an der
Berührungsfläche zwischen dem
Gerät und
der Umgebung, in der das Gerät
angeordnet ist, durch eine längs
verlaufende seismische Welle oder durch eine quer verlaufende seismische
Scherwelle ausgeübt
werden.
-
Der
Wellenleiter ist vorzugsweise wie folgt mit mindestens vier Mitteln
zur Messung der Verformung versehen:
mindestens zwei parallel
angeordnete Mittel zur Messung der Verformung, um entlang einer
Hauptachse des Wellenleiters die Verformung des Wellenleiters zu
messen, die durch eine längs
verlaufende seismische Welle hervorgerufen wird, die sich in Richtung der
Hauptachse ausbreitet; und
mindestens zwei schräg angeordnete
Mittel zur Messung der Verformung, um in einem Winkel von ungefähr 45° zur Hauptachse
des Wellenleiters die Verformung des Wellenleiters messen, die durch
eine seismische Scherwelle hervorgerufen wird, die sich in Richtung
der Hauptachse ausbreitet.
-
Jedes
Mittel zur Messung der Verformung ist vorzugsweise unabhängig an
einen Verstärker
mit großer
Frequenzbandbreite angeschlossen. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird
vorzugsweise aufgezeichnet, beispielsweise dadurch, dass er durch
Kabel oder Funkverbindung an einen Transientenrekorder angeschlossen
ist.
-
Wenn
zwei oder mehr Mittel zur Messung der Verformung an Verstärker angeschlossen
sind und die gleiche Ausrichtung relativ zur Achse des Wellenleiters
aufweisen, hat ein Verstärker
von einem einen hohen Verstärkungswert,
der für
die Aufzeichnung seismischer Wellen kleiner Amplitude (Vorläufer) geeicht
ist, wohingegen ein Verstärker
eines anderen eine niedrige Verstärkung aufweist, um den hohen Spitzenwert
von Druck, Verschiebung und Partikelgeschwindigkeit von seismischen
Wellen hoher Intensität
aufzuzeichnen.
-
Demnach
haben in dem oben angegebenen Beispiel, in dem vier Mittel zur Messung
der Verformung vorhanden sind, die Verstärker von einem parallel und
einem schräg
angeordneten Mittel zur Messung der Verformung vorzugsweise einen
hohen Verstärkungswert,
der für
die Aufzeichnung seismischer Wellen kleiner Amplitude (Vorläufer) geeicht
ist, wohingegen die Verstärker
des anderen parallel und schräg
angeordneten Mittels zur Messung der Verformung eine niedrige Verstärkung aufweisen,
um die hohen Spitzenwerte von Druck, Verschiebung und Partikelgeschwindigkeit
von seismischen Wellen hoher Intensität aufzuzeichnen.
-
Vorzugsweise
werden Verstärker
mit großer Frequenzbandbreite
(100 KHz) eingesetzt, um die Signale der Mittel zur Messung der
Verformung ohne Frequenzänderung
zu verarbeiten, damit das Umgebungsrauschen bekannter Frequenz schließlich herausgefiltert
werden kann.
-
Wenn
das Mittel zur Messung der Verformung elektronisch ist, ist es vorzugsweise über eine elektronische
Schaltung, die abgeschirmt oder anderweitig für Umgebungseffekte (z. B. Temperaturänderung)
und Kleinstbeben in der Erde (z. B. Biege- und Schwingungseffekte)
unempfindlich ist, an seinen Verstärker und/oder sein Aufzeichnungsgerät angeschlossen.
Dies dient dazu, die Wirkung des Rauschens zu reduzieren und die
Präzision
bei der Aufzeichnung von seismischen Wellen kleiner Amplitude insbesondere
im Vergleich zu den Aufzeichnungen herkömmlicher Seismometer zu verbessern.
-
Alle
Teile des Geräts
(z. B. Stab, Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, Verstärker und
Transientenrekorder) sind kommerzieller Herkunft und normalerweise
in robusten und gegen schwere Umgebungsbedingungen resistenten Bauformen
erhältlich.
-
Vorzugsweise
wird mindestens eine Wand der Aussparung durch einen oder mehrere
Einschnitte verändert,
die es ermöglichen,
dass das Gerät ganz
in eine Richtung verläuft
und – noch
bevorzugter – die Übereinstimmung
der mechanischen Impedanz zwischen der Umgebung und dem Wellenleiter opti miert
wird. Vorzugsweise werden vier Einschnitte als Weiterführung der
beiden Seiten der Wände
der Aussparung parallel zur Wellenleiterachse in die Umgebung eingebracht.
-
Mit
einer geeigneten Anordnung von erfindungsgemäßen Geräten kann man seismische Wellen
in zwei und/oder drei Dimensionen messen. Folglich werden zur Messung
seismischer Wellen in zwei Dimensionen vorzugsweise zwei erfindungsgemäße Geräte verwendet,
die so angeordnet sind, dass sich die Hauptachsen der Wellenleiter
in einem Winkel von ungefähr
90° zueinander
befinden. Zur Messung seismischer Wellen in drei Dimensionen werden
vorzugsweise drei erfindungsgemäße Geräte verwendet,
die so angeordnet sind, dass sich die Hauptachsen ihrer Wellenleiter
in einem Winkel von ungefähr 90° zueinander
befinden.
-
Die
Parameter, die das erfindungsgemäße Gerät in direktem
physikalischem Kontakt mit der Umgebung genau misst, in der es angeordnet
ist, sind Druck, Verschiebung, Partikelgeschwindigkeit und Anstiegszeit,
die durch die seismische Welle auf die Umgebung einwirken, und zwar
für längs- und quer
verlaufende seismische Wellen.
-
Die
größere Anzahl
von genau messbaren Wellenparametern sowie die Zuordnung zu der
Art der seismischen Welle (d. h. längs- oder quer verlaufend)
ermöglichen:
- • generell
einen detaillierteren Zusammenhang mit dem Zustand des Verwerfungsbruchs,
der die Ursache des Erdbebens ist;
- • im
Falle seismischer Wellen kleiner Amplitude (Vorläufer von Erdbeben) einen besseren
Zusammenhang mit dem Zustand des Verwerfungsbruchs, was die Vorhersagefähigkeit
des Katastrophenereignisses auf Basis eines logischen Zusammenhangs
zwischen Ursache und Wirkung erhöht;
- • Ingenieuren
eine Konstruktion von erdbebensicheren Gebäuden, die beständiger als
derzeit ist, wobei die in dem Gebiet nahe dem Epizentrum gemessenen
Spitzenwerte von Beschleunigung, Druck, Verschiebung und Geschwindigkeit
verwendet werden.
-
Es
ist der Druck bzw. die Spannung, der/die durch die seismische Welle
auf das Gerät
an dessen Berührungsfläche mit
der Umgebung einwirkt und die Welle in das Gerät einführt; diese Welle verformt das Gerät elastisch
und diese Verformung ε wird
vorzugsweise von dem Mittel zur Messung der Verformung als Funktion
der Zeit t gemessen.
-
Dadurch,
dass man die bekannte Theorie der uniaxialen elastischen Wellenausbreitung
in dem Mittel zur Messung der Verformung anwendet, kann man dann
alle Parameter der seismischen Welle an der Berührungsfläche zwischen Umgebung und Gerät mit der
gemessenen Verformung ε(t)
(die die Veränderung
der Verformung ε gegenüber der
Zeit t ist) des Wellenleiters berechnen.
-
Der
durch die seismische Welle im Boden wirkende Druck P (bzw. die durch
die seismische Welle im Boden wirkende Spannung T) gegenüber der
Zeit t, der dem auf den Wellenleiter ausgeübten Druck P(t) gleicht, ist
wie folgt gegeben: P(t) = Eε(t)wobei E der Youngsche
Modul des Materials ist, das zur Bildung des Wellenleiters im Gerät verwendet wird.
-
Die
durch die seismische Welle ausgeübte Verschiebung
D der Umgebung gegenüber
der Zeit, die der Verschiebung der Berührungsfläche zwischen Umgebung und Gerät gleicht,
ist wie folgt gegeben:
wobei C
o die
Geschwindigkeit der elastischen Welle im Wellenleiter ist.
-
Die
Geschwindigkeit der Erdpartikel ist: V = Coε(t)
-
Die
Anstiegszeit der seismischen Welle wird direkt aus der Aufzeichnung
abgeleitet; ferner werden die Geschwindigkeit und die Beschleunigung
in der Erde aus den Aufzeichnungen der Verschiebung errechnet.
-
Ein
weiterer Vorteil des Geräts
der Erfindung besteht darin, dass es die Parameter von seismischen
Wellen kleiner und hoher Amplitude messen kann, die den Vorläufern des
Erdbebens bzw. den starken Bewegungen in dem Gebiet nahe dem starken
Erdbeben entsprechen.
-
Ein
anderer Vorteil des Geräts
der Erfindung besteht darin, dass es sehr hohe Spitzenwerte messen
kann, weil die Elastizitätsgrenze
des zur Bildung des Wellenleiters verwendeten Materials generell sehr
hoch im Vergleich zur Elastizitätsgrenze
der örtlichen
Materialien der Umgebung ist, so dass die Sättigungserscheinungen herkömmlicher
Seismometer vermieden werden.
-
Ein
weiteres wichtiges Merkmal des Geräts der Erfindung im Vergleich
zu herkömmlichen
für starke
Bewegungen ausgelegten Seismometern und Beschleunigungsmessern besteht
darin, dass in physikalischem Kontakt mit der Umgebung der Spitzenwert
von Druck, Verschiebung, Partikelgeschwindigkeit, Anstiegszeit,
Geschwindigkeit und Beschleunigung einer starken seismischen Welle
direkt messbar ist, die durch ein starkes Erdbeben in dem Gebiet nahe
dem Epizentrum entsteht. Die Spitzenwerte starker seismischer Wellen
können
von herkömmlichen
Seismometern nicht zuverlässig
aufgezeichnet werden, weil die impulsartigen Spitzenwerte durch eine
hohe Frequenz (> 100
Hz) gekennzeichnet sind, wohingegen die Seismometer typische Trägheitsgeräte für Frequenzen
unter 25 Hz sind.
-
Die
Fähigkeit
des Geräts
der Erfindung, mit hoher Präzision
die Parameter seismischer Wellen mit impulsartiger hoher Amplitude
aufzuzeichnen, beruht auf der Tatsache, dass die seismische Welle in
den Wellenleiter eindringen und sich darin ohne Änderung ihrer Form und Amplitude
ausbreiten kann, weil die Kontinuität der akustischen Impedanz
an der Berührungsfläche zwischen
Umgebung und Gerät gegeben
ist und weil der Wellenleiter normalerweise im Wesentlichen elastisch
bleibt; dies ist nicht der Fall bei Seismometern, bei denen die
Verbindung zwischen dem Sensor und der Umgebung, in der der Sensor
angeordnet ist, durch Konstruktionselemente ausgeführt ist,
die nicht mit diesem physikalischen Prinzip übereinstimmen.
-
Bis
jetzt sind die durch starke Erdbeben bedingten Spitzenwerte von
Druck, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Verschiebung noch nicht
mit Genauigkeit gemessen worden; ferner werden die vorhandenen Werte
durch große
Fehler beeinträchtigt.
Dies gilt insbesondere für
die Messung des Drucks. Die direkte Messung der auf Gebäudefundamente
wirkenden Druckwelle bietet eine wesentlich genauere Einschätzung der
Last, die während
eines Erdbebens auf Bauten einwirkt.
-
Die
Gemeinschaft der Erdbebeningenieure sieht sich mit einem Mangel
an genauen Daten konfrontiert, die für einen beständigen Gebäudebau erforderlich
sind, der gegen die Spitzenwerte von Kraft, Beschleunigung, Verschiebung
und Geschwindigkeit sicher ist, die sich in dem Gebiet nahe dem
Epizentrum aus starken Erdbeben ergeben; dieser Mangel an genauen
Spitzenwerten wird durch die Erfindung beseitigt.
-
Ein
anderes wichtiges Merkmal der Erfindung im Vergleich zum herkömmlichen
Seismometer besteht darin, dass die Erfindung wegen der extrem hohen
Empfindlichkeit des am Wellenleiter vorgesehenen Mittels zur Messung
der Verformung eine sehr hohe Empfindlichkeit und Präzision bei
Messungen der Parameter von seismischen Wellen kleiner Amplitude
aufweist.
-
Die
Fähigkeit
der Erfindung, Wellenparameter einer seismischen Welle kleiner Amplitude
mit reduziertem Rauschen präzise
aufzuzeichnen, eröffnet Seismologen
neue Möglichkeiten,
die seismische Welle kleiner Amplitude (Vörläufer) mit dem Zustand des Verwertungsbruchs
in Zusammenhang zu stellen, und demzufolge neue Perspektiven bei
der Vorhersage von Erdbeben.
-
Die
neuen Möglichkeiten
bei der Vorhersage von Erdbeben werden durch Laborversuche mit gebrochenen
Steinen unterstützt,
wobei die im Feld gesammelten Aufzeichnungen mit den Laboraufzeichnungen
verglichen werden können,
um die Vorhersagemodelle für
Erdbeben zu validieren.
-
Der
Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen veranschaulicht,
die nicht den gewährten
Schutzbereich einschränken
sollen. Es zeigen:
-
1:
eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Geräts, das im Erdboden eingebaut
ist; und
-
2:
eine schematische Draufsicht des erfindungsgemäßen Geräts, das im Erdboden eingebaut
und an das Aufzeichnungsgerät
angeschlossen ist.
-
1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Gerät 1, das
im Erdboden 2 eingebaut ist. Das Gerät umfasst einen Aluminiumstab 3,
der in einer Aussparung 4 angebracht und an den Stellen 5 mit
dem Erdboden verbunden ist. Mittel zur Messung der Verformung, die
die Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 6a, 6b, 6c und 6d sind,
sind am Stab 3 angebracht. Der Stab 3 und die
Aussparung 4 sind so angeordnet, dass seismische Wellen
ohne Reflexion durch den Stab übertragen
werden. Dies wird durch die Darstellung der seismischen Welle 7 gezeigt,
die in den durch die Pfeile 8 und 9 gekennzeichneten
Richtungen durch den Stab läuft.
-
2 ist
eine detailliertere Ansicht des in 1 dargestellten
Geräts.
Die verwendeten Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in 1.
Die Hauptachse des Stabs ist durch die gestrichelte Linie 12 dargestellt.
Man sieht daraus, dass die Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 6c und 6a in
einem 45°-Winkel
zur Hauptachse 12 am Stab 3 angebracht sind, wohingegen
die Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 6d und 6b so
am Stab 3 angebracht sind, dass sie parallel zur Hauptachse 12 liegen.
Jeder Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 6a, 6b, 6c und 6d ist
an einen unabhängigen
Verstärker 10a, 10b, 10c bzw. 10d angeschlossen.
Die Verstärker 10a und 10b sind
eine große
Frequenzbandbreite verarbeitende Verstärker mit geringer Verstärkung zur
Messung von seismischen Wellen hoher Amplitude insbesondere in dem
Gebiet nahe einem starken Erdbeben. Im Gegensatz dazu sind 10c und 10d eine
große
Frequenzbandbreite verarbeitende Verstärker mit großer Verstärkung zur
Messung von seismischen Wellen kleiner Amplitude (beispielsweise
seismische Vorläuferwellen,
die vor einem Erdbeben entstehen). Jeder Verstärker 10a, 10b, 10c und 10d ist
an einen Eingang am Transientenrekorder 11 angeschlossen. Die
Wände der
Aussparung, die parallel zur Hauptachse des Stabs 3 liegen,
sind durch Einschnitte in den Richtungen 13, 14, 15 und 16 derart
verlängert, dass
das Gerät
nur seismische Wellen messen kann, die sich in Richtung der Hauptachse
des Stabs 3 ausbreiten.
