بخشی از مقاله
اثر ساختگاه و فاصله بر شکل تاريخچه زماني حرکت زمين و پاسخ سازه
چکيده
يکي از مطالب مهم در زمينه مهندسي زلزله ، آشنايي با شکل تاريخچـه زمـاني رکـورد شـتاب و خـصوصيات آن مي باشد. اين امر به انتخاب رکورد مناسب براي تحليل ديناميکي سازه کمک مي نمايد. در ايـن مقالـه مطـالبي در مورد لرزه شناسي مهندسي و امواج لرزه اي ايجاد شده بر اثر شکست گسلها با نگرش کـاربرد در مهندسـي زلزلـه ارائــه مــي گــردد. همچنــين در زمينــه تفــاوت بــين زلزلــه حــوزه نزديــک بــا حــوزه دور، مطــالبي ارائــه شده است .
کلمات کليدي : لرزه شناسي ، موج ، تاريخچه حرکت زمين ، ساختگاه ، فاصله
۱- مقدمه
هر چند ماهيت زلزله داراي پيچيدگي بسيار مي باشد، اما قوانين زيادي نيز بر جنبه هاي مختلف اين پديـده طبيعـي حاکم مي باشد. شناخت اين قوانين به منظور رويارويي مناسب با اين پديده طبيعي ، داراي اهميت زيادي مي باشد.
انواع امواج ايجاد شده ، انتشار آنها تا محل سازه ، شکل تاريخچه رکورد شتاب ، اثر ساختگاه بر آن ، تـأثير فاصـله محل زلزله تا محل سازه ، همگي جزء مسائل اساسي در اين زمينه مي باشد. در اين مقاله به اختصار و به طور کيفي به اين مسائل پرداخته و نکات مهمي که بايد مورد توجه طراحان سازه قرار گيرد، ارائه شده است .
۲- انتشار امواج
هنگام انتشار امواج لرزه اي در درون زمين ، انکسار رخ مي دهد. انکسار عبارت است از انحـراف يـا خمـش مـسير پرتو يک موج زلزله ناشي از عبور آن از يک مصالح به مصالح ديگر که داراي خواص ارتجاعي مختلف هـستند (شکل ۱). به علت خصوصيات متفاوت لايه هاي مختلف زمين و غير همگن بودن مصالح تـشکيل دهنـده ، انتـشار امواج لرزه اي در درون زمين مطابق (شکل ۲) همراه با انکسار و انعکاس امواج مي باشد. در شکل (۳) بـه صـورت مناسبي نحوه اثر امواج انتشار يافته و انعکاسي بر حسب فاصله محل ثبت تا محل وقوع زلزلـه مـشاهده مـي گـردد.
توجه شود که امواج برشي از محيط سيال عبـور نمـي نماينـد. از روي لـرزه نگاشـت هـاي ثبـت شـده در فواصـل مختلف مي توان چنين مطالعاتي را دقيق تر انجام داد. البته بايد توجه نمود که بر حسب خصوصيات فيزيکي رويه زمين انعکاس و انکسارهاي متنوعي مطابق شکل (۴) رخ مي دهد.
در شکل (۵) نمودار فاصله زماني رسيدن امواج P و S برحسب فاصله تا رو مرکـز زلزلـه نـشان داده شـده اسـت همچنان که ملاحظه مي شود فاصله بين موج مشخص P تا شروع موج S بستگي به فاصله محل ثبت تا رو مرکـز زلزله دارد.
در شکل (۶) جزئيات بيشتري از تأثير فاصله بر شکل شتاب نگاشت و رسيدن امواج P و S و نيـز امـواج سـطحي مشاهده مي شود. در شکل (۷) گراف مربوطه به فاصله ۳۰ درجه از شکل (۶) نشان داده شده آنچنان که ملاحظه مي شود مي توان فاصله زماني بين رسيدن امواج P و S و نيز امواج سطحي را از يکديگر تفکيک نمود.
پس از تعيين فاصله زماني بين رسيدن امواج Pو Sبا توجه به سرعت اين امواج مي توان فاصله بين محل زلزله تـا محل ثبت رکورد را تعيين نمود. بدين ترتيب با معلوم بـودن سـه رکـورد در سـه نقطـه متفـاوت مطـابق شـکل (۸) مي توان محل وقوع زلزله را تعيين نمود.
۳- اثر زلزله بر سازه
در شکلهاي (۹) و (۱۰) نمايش دو و سه بعدي سه مؤلفه مهم يعني منبع زلزله ، مسير منبع تا سايت و محـل سـايت نشان داده شده است . امواج P و S و همچنين امواج سطحي لاو و رايلي در مسير بين منبع تا سايت منتشر شده و پس از تغيير و تحولاتي به محل مي رسند.بر حسب عمق کانوني و فا صله بين محل وقوع زلزله تا سـا يـت مـورد نظر و نيز با توجه به مشخصات فيز يکي مسير موج و با در نظر گرفتن خصو صيات جزئي تر محل احداث سـازه ، مي توان وا کنش انواع سازه را به تحر يک زلزله مورد بررسي قرار داد.
شکل ۵- نمودار فاصله زماني رسيدن امواج P و S برحسب فاصله تا رو مرکز زلزله
۴- اثر ساختگاه و فاصله
يکي از مسائل مهم در مورد رکورد تحريک کننده سازه ، تأثير ساختگاه بر رکورد منتقل شـده از سـنگ بـستر بـه سطح زمين مي باشد. مطابق شکل (۱۱) پس از رسيدن امواج به محل سنگ بستر سايت مورد نظر، رکورد زلزله با توجه به خصو صيات لايه بندي خاک محل سايت دچار تغييرات اساسي شده وسـپس در تـراز زمـين و در محـل پي سازه به آن اعمال مي گردد. توجه گردد که عبارت سنگ بستر داراي دو مفهوم متفاوت در نگرش مهندسـي و لرزه اي مي باشد. اين دو تعريف در شکل (۱۲) نشان داده شده است . مطابق شکل (۱۳) معمولا خاک زير سـازه تا عمق مربوط به رسيدن به سنگ بستر به صورت خاک نسبتاً نرم در مقايسه با سنگ بستر مي باشد.
شکل ۸- تعيين محل وقوع زلزله با استفاده از شتاب نگاشت هاي سه محل
بدين ترتيب مطابق شکل (۱۳) رکورد سنگ بستر پس از طي مسافت مربوطه به سطح زمين مي رسـد و در نتيجـه رکورد سطح زمين تابعي از تاثيرات لايه خاک نرم زير سازه مي باشد. به عنوان يک مثال از اثر فاصـله بـر ميـزان تحريک ورودي به سازه مي توان به شکل (۱۴) مراجعه نمود. در ايـن شـکل بـه خـوبي تـاثير فاصـله از محـدوده گسل به سمت دور دست مشاهده مي شود همچنانکه ديده مـي شـود در محـدوده ناحيـه گـسل رکوردهـا داراي بيشينه شتاب زيادي مي باشند به محض آنکه از محدوده ناحيـه گـسل فاصـله گرفتـه و از آن خـارج مـي شـويم ، مقدار رکوردها کاهش قابل ملاحظه اي يافته و همچنين با افزايش فاصله از محل گسل ، مقدار رکورد تقليـل مـي يابد. اين شکل مربوط به زلزله سال ۱۹۷۷ در ايتاليا مي باشد. رابطه کاهيدگي يک معادله رياضي است که رابطـه بين پارامتر حرکت زمين ، بزرگاي زلزله و فاصله منبع تا محل را بيان مي کند. ايـن معـادلات معمـولا بـا توجـه بـه تحليل هاي انجام گرفته بر روي رکوردهاي زلزله ها، استخراج مي شوند. معمولاً خـاک نـرم اثـر تـشديد کننـدگي دارد در شکل (۱۵) نمودار روشني از نحوه تاثير ميزان مسافت بين محل وقوع زلزله تا سنگ بـستر سـاختگاه ونيـز تاثير خاک نرم محل ساختگاه بر روي طيف پاسخ مشاهده مي شـود. پـس از طـي مـسافت معمـولاً ميـزان شـدت امواج لرزه اي تقليل يافته و در نتيجه طيف پاسخ کاهش مي يابد سپس در انتقال طيـف پاسـخ مربـوط بـه سـنگ بستر به سطح زمين در حقيقت محدوده پريود مؤثر که داراي پاسخ بيـشتري مـي باشـد افـزايش يافتـه و بـه پريـود خاک نزديک مي شود. همچنين به علت اثر تشديد کنندگي خاک نرم معمولاً بيشينه طيف پاسخ در سطح زمـين از روي مقدار متناظر در روي سطح بستر، بيشتر مي باشد.
تأثير ساختگاه (Site efect) بر خرابي هاي سازه اي در طي زلزله هاي متعددي مشاهده شده است . در مورد سازه هاي داراي اهميت ، بايد بر اساس مطالعات ژئوتکنيکي ، پارامترهاي لازم به منظور لحاظ کردن اين اثر تعيين گردد. در صورتي که ساختگاه داراي خاک نرم و سازه داراي پريود بلند باشد، تأثير ساختگاه بسيار قابل ملاحظه خواهد بود. يکي از نکات مهم در مورد اثر ساختگاه اين است که پاسخ سازه هاي داراي پريود بلند تحت تحريک هاي ميدان دور نيز قابل ملاحظه خواهدبود. گاهي ممکن است يک زلزله در ميدان دور و در يک ساختگاه نرم براي يک سازه داراي پريود بلند، حتي خرابي بيشتري در مقايسه با يک زلزله نزديک گسل ايجاد نمايد.
در شکل (۱۶) به طور خلاصه اثر مسافت بر طيف پاسخ شتاب نشان داده شده است . مطابق شکل در مسافت هاي کوتاه سازه هاي با پريود کم تأثير زيادي از زلزله مي پذيرند در عوض در صورت زيـاد بـودن فاصـله بـين محـل گسل تا ساختگاه ، سازه هاي با پريود بلند تأثير قابل ملاحظه اي مي پذيرند. همچنين مقـدار طيـف پاسـخ بـر روي خاک نرم در پريود هاي بالا بيشتر از مقدار طيف بر روي خاک سخت مي باشد.
۵- مسير انتشار امواج
در شکل (۱۷) انواع مختلف موج بر روي يک شتاب نگاشت نشان داده شده است همچنان که ملاحظه مي شـود ابتدا امواج p وسپس امواج S به محل ثبت مي رسند پس از آن انواع سطحي موج (لاو و رايلي ) ثبت مـي شـوند همچنان که از شکل بر مي آيد امواج رايلي داراي دامنه بيشتري مـي باشـند. بـا دقـت در شـتاب نگاشـت ميتـوان فاصله زماني بين رسيدن امواج P و S را تعيين نمود همچنين با توجه به مقايسه دامنه ها مـي تـوان محـدوده شـروع امواج سطحي را تعيين کرد.
شکل ۱۰- نمايش سه بعدي سه مؤلفه منبع زلزله ، مسير منبع تا سايت و محل سايت
