background image

X L V I I I   K O N F E R E N C J A  N AU K O W A 

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 
 
 
Zbigniew LIPSKI

1

  

 
 
 

CZASOWO-WIDMOWA CHARAKTERYSTYKA 

PARASEJSMICZNYCH WYMUSZEŃ  KINEMATYCZNYCH 

 
 

1.  Wprowadzenie 

 
W  analizie  sygnałó w  powszechnie  wykorzystywane  są  amplitudowe  i  fazowe  charakterystyki 
widmowe  i  gę stości  widmowe  mocy.  Ogó lnie  rzecz  ujmując  pozwalają  one  na  rozpoznawanie 
własności  widmowych  sygnałó w,  natomiast  w  dynamice  budowli  są  przydatne  do  np.  ogó lnej 
oceny  korelacji  pomię dzy  widmem  obciążenia  dynamicz-nego  a  widmem  własnym  obciążanego 
obiektu.  Można  dzię ki  niej  wskazać   na  możli-wość   powstania  rezonansó w,  stałych  lub 
przejściowych, sprawdzić  zakres możliwego przestrojenia obiektu lub zmiany obciążenia. Ró wnież 
w przypadku, gdy obciążenie dynamiczne ma charakter wymuszenia kinematycznego przydatne są 
jego charakterys-tyki widmowe. Dotyczy to np. wymuszeń typu parasejsmicznego, któ re związane 
jest  ze  wstrząsami  gó rniczymi.  Mogą  nimi  być   akcelerogramy  rejestrowane  w  stacjach 
pomiarowych  zlokalizowanych  na  powierzchni  gruntu,  któ re  stosuje  się   jako  wymu-szenia 
kinematyczne obiektó w poddawanych analizie np. numerycznej w celu określenia ich odpowiedzi 
dynamicznej na to wymuszenie. 

Akcelerogramy  związane  ze  wstrząsami  gó rniczymi  wykazują  silną  niestacjo-narność  

rozkładu  prawdopodobieństwa  w  trakcie  ich  trwania,  a  co  za  tym  idzie  także  charakterystyk 
widmowych.  Klasyczne  podejście  wymaga zastosowania w trakcie ich analizy redukcji efektu 
niestacjonarności  za  pomocą  okienkowej  transformaty  Fouriera  (kró tkoczasowej).  Otrzymuje 
się   wtedy  ewolucyjne  charakterystyki  widmowe.  Zastoso-wanie  kró tkoczasowych  transformat 
Fouriera prowadzi jednak do bardzo znacznej utraty rozdzielczości charakterystyki w dziedzinie 
czę stotliwości.  Wynika  to  z  ograniczenia  czasu  trwania  segmentó w,  na  któ re  dzielony  jest 
pierwotny sygnał w trakcie analizy. Otrzymane charakterystyki widmowe mogą być  w związku 
z  tym  zupełnie  „nieczytelne”  i  nie  dają  oczekiwanych  informacji  np.  w  postaci  pasm 
dominujących  co  do  amplitudy  składowych  sygnału.  Bardziej  wiarygodną  analizę   widmową 
akcelerogramó w  związanych  ze  wstrząsami  gó rniczymi  może  zapewnić   zastosowanie 
transformaty falkowej. 

W niniejszym referacie przedstawiono pró bę  zastosowania transformaty falkowej do analizy 

własności widmowych akcelerogramó w od wstrząsó w gó rniczych. Transformaty te z natury swojej 

                                                           

1

  Dr inż., Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach 

background image

 

 

126 

 

przystosowane  są do analizy sygnałó w niestacjonarnych i umożliwiają prezentację  ich własności 
widmowych ewoluujących w czasie. Na przykład w [1] przestawiono możliwość  analizy obiektu 
dwuwymiarowego  –  zdję cia  z  zastosowaniem  tej  transformacji  w  celu  kompresji  ilości  danych 
niezbę dnych do jego odtworzenia. W [2] analizę  falkową wykorzystywano do badania sygnałó w 
bę dących  rejestracjami  drgań  podłoża  gruntowego  pod  pokładami  torowiska  kolejowego 
wywołanych przejazdem pociągu ekspresowego z prę dkością 110 km/h. W [3] analizowano wpływ 
nieliniowych  własności  modelu  dynamicznego  układu  nośnego  samolotu  badanego  w  tunelu 
aerodynamicznym.  Oceny związku pomię dzy charakterystykami mechanicznymi układu nośnego 
skrzydła  a  oddziaływaniem  ośrodka  dokonano  z  wykorzystaniem  map  wspó łczynnikó w 
przekształcenia falkowego , w któ rym zastosowano falkę  Morleta. 

 

2.  Podstawy teoretyczne 

 

Wykonanie  rozwinię cia  Fouriera  sygnału  rzeczywistego  oznacza  jego  rozkład  na  składowe 
harmoniczne  (czę stotliwościowe).  Dotyczy  to  sygnałó w  ciągłych  lub  dyskretnych  w  czasie. 
Te  rozwinię cia  mogą  być   podane  w  postaci  całki  wzglę dem  czę stotliwości  lub  w  postaci 
sumy  (szeregu)  składowych,  któ re  podają  jak  gdyby  „udziały”  poszczegó lnych 
harmonicznych  o  określonych  czę stotliwościach  w  sygnale  oryginalnym  [1].  Ciągłe 
przekształcenia Fouriera wyrażone jest za pomocą wzoru:  

 

                  

ò

ò

¥

¥

-

¥

¥

-

-

=

=

.

)

(

)

(

    

,

)

(

2

1

)

(

dt

e

t

f

F

d

e

F

t

f

t

i

t

i

w

w

w

w

w

p

                           (1) 

 

Wspó łczynnik Fouriera F(

w

) wyraża korelację  funkcji (sygnału) z falą sinusoidalną e

i

w

t

Dziedzina funkcji bazowych e

i

w

t

 obejmuje całą oś rzeczywistą, wię c F(

w

) zależy od wartości 

f(t)  dla  wszystkich  t

Î

R (oś liczb rzeczywistych). Wynika z tego,  że w zasadzie za pomocą 

przekształcenia  Fouriera  można  analizować   własności  sygnałó w  odnoszące  się   do  całej  osi 
rzeczywistej. Można wię c stwierdzić , że w zagadnieniach dynamiki konstrukcji transformacja 
ta  umożliwia  ścisłą  analizę   w  odniesieniu  do  bardzo  długich  sygnałó w  związanych  z 
dynamicznymi  stanami  ustalonymi.  Natomiast  analiza  własności  lokalnych  w  dziedzinie 
czasu (stany nieustalone) z wykorzystaniem przekształcenia Fouriera jest obarczona błę dami. 
Przekształcenie to charakteryzuje się  wię c [1] nieskończenie ostrą lokalizacją czę stotliwości, 
ale  nie  daje  żadnej  lokalizacji  czasowej.  Stąd  potrzeba  dekompozycji  sygnału  wzglę dem 
zbioru funkcji dobrze zlokalizowanych w dziedzinie czasu i czę stotliwości.  

W związku z ogó lnymi ograniczeniami dotyczącymi rozdzielczości w dziedzinie czasu i 

czę stotliwości  analiza  akcelerogramó w  opisujących  drgania  powierzchni  ziemi  wywołanych 
przez  wstrząsy  gó rnicze  wymaga  zastosowania  innego  narzę dzia  niż  transformata  Fouriera. 
Dotyczy  to  także  charakterystyk  bazujących na tej transformacie. Dlatego podję to niniejszą 
pró bę  wykorzystania transformaty falkowej w odniesieniu do zagadnienia parasejsmicznego.  

Ciągłe  przekształcenie  falkowe  określone  jest  [1]  dla  funkcji  f(t)

Î

L

2

(R

(przestrzeń  Hilberta)  i  dopuszczalnej  falki  podstawowej 

y

(t)  znormalizowanej  tak,  że 

ma jednostkową energię , za pomocą wzoru 

 

                                     

ò

¥

¥

-

*

=

.

)

(

)

(

)

,

(

dt

t

t

f

b

a

Wf

ab

y

                                             (2) 

background image

 

 

127 

 

Natomiast transformata odwrotna ma postać  

 

                               

ò ò

¥

¥

-

¥

¥

-

=

,

)

(

)

,

(

1

)

(

2

a

dadb

t

b

a

Wf

C

t

f

ab

y

y

                                     (3)  

gdzie: 

*

 - funkcja zespoloną, sprzę żoną, 

a, b – parametry funkcji falkowej, 

 

                                          

ò

¥

Y

=

0

2

)

(

w

w

w

y

d

C

,                                               (4)  

 

Y

(

w

) – transformata Fouriera funkcji 

y

(t). 

 

Funkcja falki ma ogó lną postać  [1] 

 

                            

,

 ,

    

,

1

)

(

R

R

Î

Î

÷

ø

ö

ç

è

æ -

=

+

b

a

a

b

t

a

t

ab

y

y

                                 (5) 

 

W szczegó lności można przyjąć  a

0

 = 2 i b

0

 =1. Otrzymuje się  wtedy falki w postaci zwanej 

diadyczną, dla któ rej przekształcenie falkowe ma postać  

 

                               

.

2

2

1

)

(

)

,

2

(

dt

b

t

t

f

b

Wf

m

m

m

ò

¥

¥

-

÷

ø

ö

ç

è

æ -

=

y

                            (6) 

 

Można ją interpretować  [1] w nastę pujący sposó b: falka 

y

(t) przesuwana jest w czasie z 

krokiem 2

m

 , co odbywa się  na poziomie skali m, kolejne potę gi 2

m

 wyznaczają pró bkowanie 

na osi skali. Można przy tym oś skali interpretować  jako oś czę stości (czę stotliwości). Jeśli 
bowiem  widmo  falki  podstawowej  ma  czę stość   środkową 

w

0

  to  czę stość   środkowa  widma 

falki 

y

mn

 ma czę stość  środkową 

w

0

/2

m

 .  

 

3.  Zasady analizy akcelerogramów 

 

W  niniejszej  pracy  wykorzystano  do  analiz  akcelerogramó w  związanych  ze  wstrząsami 
gó rniczymi  środowisko  obliczeniowe  Matlab.  Dostę pny  jest  w  nim  toolbox  przystosowany 
wykorzystania transformaty falkowej sygnałó w. Możliwe są ró żne operacje na sygnałach: 

detekcja nieciągłości i skokó w, 

detekcja składowych długookresowych (trendó w), 

analiza czę stotliwościowo – czasowa gę stości mocy, 

usuwanie (filtracja) szumó w i zakłó ceń, 

dekompozycja i rekonstrukcja sygnałó w jednowymiarowych, 

kompresja  danych  polegająca  na  ograniczeniu  liczby  wspó łczynnikó w  w  rozwinię ciu 
falkowym. 

Dostę pne  są  nastę pujące  typy  falek:  Haara,  Daubechies,  Meyera,  Morleta,  symlet,  coiflet, 

typu  meksykański  kapelusz  i  splinowe  falki  biortogonalne.  Wykazują  one  ró żne  własności. 

background image

 

 

128 

 

Najważniejszymi  z  punktu  widzenia  analizy  akcelerogramó w  są:  symetryczność ,  regularność , 
szybka zbieżność  do zera dla czasu lub czę stotliwości zmierzających do nieskończoności. Istnieją 
dwie  drogi  syntezy  falek:  bezpośrednia  i  pośrednia.  Bezpośrednia  polega  na  przesuwaniu  w 
dziedzinie czasu i skalowaniu ciągłej falki podstawowej. Falkę  podstawową otrzymuje się  z funkcji 
skalującej  spełniającej  pewne  założenia,  za  pomocą  sprzę żonego  filtra  lustrzanego.  Natomiast 
podejście pośrednie realizowane jest za pomocą dyskretnych filtró w o skończonej długości.  

 

4.  Analiza falkowa akcelerogramów 

 

Wykorzystując  możliwości  obliczeniowe  pakietu  Matlab  wykonano  analizę   wybranych 
akcelerogramó w zarejestrowanych dla wstrząsó w gó rniczych.  

 

Rys. 1. Wspó łczynniki transformaty falkowej akcelerogramu  

zarejestrowanego 25.02.2000, składowa pozioma 

-2,0 

 

     0 

 

2,0 

                             Skala 

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

Czas [s]

-0,8

-0,4

0

0,4

0,8

P

rz

y

sp

ie

sz

en

ie

 [

m

/s

2

]

60

20

12

9

7

6

5

4

 

 

3

 

2.5

 

 

2

C

st

ot

li

w

o

ść

 [

H

z]

background image

 

 

129 

 

Pochodą  one  ze  stacji  pomiarowych  zlokalizowanych  na  powierzchni  ziemi  w 

Legnicko- Głogowskim Okrę gu Miedziowym. Akcelerogramy te stanowią składowe poziome 
przyspieszenia  wywołanego  przez  9  ró żnych  wstrząsó w  gó rniczych. Mapy wspó łczynnikó w 
transformaty falkowej dla dwó ch wybranych akcelerogramó w przedstawiono na rys. 1 i 2.  

 

Rys. 2. Wspó łczynniki transformaty falkowej akcelerogramu  

zarejestrowanego 18.07.2000, składowa pozioma 

 

Zarejestrowano  je  w  Polkowicach  w  okresie  1998  do  2001  roku  i  związane  są  z 

najintensywniejszymi  wstrząsami  z  tego  okresu.  Były  one  wcześniej  wykorzystywane  jako 

-3,6                    0                   3,3  
                       Skala 

60

20

12

9

7

6

5

4

 

 

3

 

2.5

 

 

2

C

st

o

tl

iw

o

ść

 [

H

z]

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

Czas [s]

-0,8

-0,4

0

0,4

0,8

P

rz

ys

p

ie

sz

en

ie

 [

m

/s

2 ]

background image

 

 

130 

 

wymuszenia  kinematyczne  w  trakcie  szczegó łowej  analizy  numerycznej  [4]  budynkó w 
jednorodzinnych.  

Spośró d dostę pnych funkcji do obliczeń stosowano falki typu symlet rzę du 6, któ re ze 

wzglę du  na  kształt  były  najbardziej  odpowiednie  dla  prowadzonej  analizy.  Okres 
dyskretyzacji  oryginalnego  sygnału  wynosił  0,002  s.  Stosowano  liczbę   poziomó w  w 
granicach 1 do 200 przy skoku co 2, któ re odpowiadają czę stotliwościom od 2 do 360 Hz. Na 
podstawie  wykresu  analizowanego  sygnału  (przyspieszenie)  naniesiono  oś  czasu  jego 
trwania, któ ra jest także osią czasu mapy wspó łczynnikó w transformaty falkowej . Wartości 
wspó łczynnikó w przedstawiono w skali szarości od minimum do maksimum. 

 

5.  Podsumowanie 

 

Celem  przedstawionej  pró by  analizy  akcelerogramó w  traktowanych  jako  wymuszenie 
kinematyczne  z  zastosowaniem  transformacji  falkowej  było  przede  wszystkim  rozpoznanie 
problemó w  z  nią  związanych  oraz  sprawdzenie  przydatności  w  dynamice  budowli. 
Otrzymane wykresy czasowo – widmowe wspó łczynnikó w transformat falkowych pozwalają 
na sformułowanie ogó lnych uwag. 

Na  wykresach  wyraźnie  widoczna  jest  ewolucja  w  czasie  własności  widmowych 
akcelerogramó w.  W  wię kszości  przypadkó w  zmiany  własności  w  czasie  nastę pują 
stosunkowo  wolno.  Sporadycznie  pojawiają  się   jednak  gwałtowne  zmiany  widma 
sugerujące pojawienie się  w chwili czasu t

n

 nowego typu fal sejsmicznych. Na wykresach 

widoczne to jest jako tró jkątna smuga rozciągnię ta wzdłuż osi czę stotliwości a skupiona 
na  chwili  t

n

  .  Można  wię c,  w  granicach  rozdzielczości  w  czasie  i  czę stotliwości 

transformaty  falkowej,  ocenić   niestacjonarności  charakterystyk  widmowych 
analizowanego sygnału. 

Wyraźnie czytelne są na wykresach zależności pomię dzy wartością chwilową amplitudy 
przyspieszenia a wartością wspó łczynnikó w transformaty falkowej. 

Mając  na  wzglę dzie  charakterystyczny  wykres  (mapę )  wspó łczynnikó w  transformaty 
falkowej  dla  kró tkoczasowego  sygnału  harmonicznego  można  wyró żnić   w 
akcelerogramach kró tkoczasowe przebiegi harmoniczne. 

Dostosowanie  przedstawionej  analizy  falkowej  akcelerogramó w  do  potrzeb  dynamiki 

budowli  narażonych na obciążenia typu parasejsmicznego wymaga dalszych analiz i badań. 
Najważniejszym z tego punktu widzenia bę dzie określenie związku pomię dzy typem wykresu 
(mapy)  wspó łczynnikó w  transformaty  falkowej  a  odpowiedzią  dynamiczną  obiektu 
budowlanego.  Własności  dynamiczne  obiektu  charakteryzowane  są  przez  czę stotliwości 
drgań  własnych  i  postacie  modalne.  Określenie  przybliżonych  związkó w  pomię dzy  mapą 
wspó łczynnikó w transformat falkowych a charakterystyką dynamiczną budynku pozwoliłoby 
na  ograniczenie  zakresu  obliczeń  numerycznych  obiektu,  w  któ rych  wykorzystane  byłyby 
tylko niezbę dne wymuszenia kinematyczne. 

 

Literatura 

 

[1]  BIAŁ ASIEWICZ J., Falki i aproksymacje. Wyd. Nauk.-Techniczne, Warszawa, 2000. 
[2]  SMUTNY  J.,  PAZDERA  L.,  Analysis  of  signals  using  the  wavelet  transformation. 

Stavebni Obzor, no 7, p. 214-219, Praga, 1998. 

[3]  LIND R., SNYDER K., BRENNER M., Wavelet analysis to characterise non-linearities 

and  predict  limit  cycles  of  an  aeroelastic  system.  Mechanical  Systems  and  Signal 
Processing
, 2001, Vol. 15, no.2, Academic Press, s.337 -356. 

background image

 

 

131 

 

[4]  LIPSKI Z., WAWRZYNEK A., Numerical effort analysis of buildings with paraseismic 

loading  supported  with  measurements.  I  International  Scient.  Seminar  „ New  Trends  in 
Statics  and  Dynamics    of  Buildings
,  Seminar  proceedings,  Bratislava,  2001,  p.  155  – 
160. 

 

 

TIME-SPECTRAL CHARACTERISTICS 

OF PARASEISMIC, KINEMATIC EXCITATION 

 

Summary 

 
This paper presents test analysis of horizontal, ground acceleration of mining tremors, which 
were carried out at seismological station in Legnicko – Głogowski Okrę g Miedziowy. in the 
years  1998  –  2001.  The  analysis  of  nine  accelerograms  was  carried  out  using  the  wavelet 
transformation  instead  traditionally  used  short  –  time  Fourier  transformation.  The  wavelet 
transformations are used in analysis of nonstationary signals because they exactly presented 
spectral characteristics of signals evolved in time. The presented analysis of accelerograms of 
mining  tremors  shows  that  wavelet  transformation  may  be  useful  in  the  investigations  of 
buildings with paraseismic loading.