بخشی از مقاله
مقاله ارزیابی اثرات ساختگاهی عوارض سطحی در مطالعات ریزپهنه بندی شهر کرمانشاه
خلاصه
زلزله به عنوان پدیده ای طبیعی زمانی مخاطره آمیز است که جامعه واقع در معرض آن نسبت به آن آسیب پذیر باشد. برای مقابله با مخاطرات زمین لرزه در مقیاس منطقهای نقشه های ریزپهنه بندی لرزهای تدوین میشوند. باتوجه به این نقشهها می توان نقاط پرخطر را شناسایی کرد تا تمهیدات لازم در هنگام طراحی و احداث بنا و همچنین بهسازی سازه های موجود اندیشیده شود. بسیاری از شهرها و مراکز جمعیتی در کشورمان در نواحی زلزله خیز و کوهستانی قرار دارند. بدین ترتیب لایهبندی زمین و عوارض سطحی به عنوان آثار ساختگاهی در انجام مطالعات ریزپهنه بندی لرزه ای باید همواره مورد توجه قرارگیرد. در این تحقیق با توجه به تنوع ساختگاهی و توپوگرافی سطحی شهر کرمانشاه، اثرات ساختگاهی عوارض سطحی مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور لایه های زیرسطحی تا سنگ بستر لرزه ای در مقطع 2 بعدی جهت یافتن پاسخ لرزه ای ساختگاه، مدل سازی شدند و نتایج حاصله از مدل دو بعدی با نتایج مدلسازی یک بعدی مقایسه شده است.
کلمات کلیدی: اثرات ساختگاهی، توپوگرافی، پاسخ لرزه ای
1. مقدمه
از آنجا که شرایط محلی ساختگاه بر ویژگی های حرکت نیرومند زمین اثر قابل ملاحظه ای دارد به منظور ارزیابی این ویژگی ها روش های مختلفی به کار گرفته می شود که یکی از متداولترین آنها استفاده از روش های عددی است که خود شامل روش های خطی، خطی معادل و غیرخطی است. در روش خطی معمولا تاریخچه زمانی حرکت روی بستر سنگی بصورت طیف فوریه در آمده و پس از ضرب در تابع انتقال ، طیف فوریه حرکت سطحی زمین بدست می آید که با استفاده از تبدیل معکوس فوریه می توان تاریخچه زمانی حرکت روی سطح زمین را بدست آورد. در روش خطی معادل مدول برشی و ضریب میرایی برای هر لایه خاک در هر مرحله از تحلیل طبق کرنش برشی ایجاد شده و بر اساس منحنی های تغییرات مدول برشی و ضریب میرایی نسبت به کرنش برشی تصحیح می گردد. این روش، روشی تقریبی برای تخمین رفتار غیر خطی پاسخ لرزه ای زمین است. تحلیل پاسخ غیرخطی واقعی توده خاک از انتگرالگیری مستقیم در حوزه زمان بدست می آید .[1] بر اساس تجربه های بدست آمده از زلزله های پیشین نظیر زلزله 1985 شیلی [2]، زلزله 1994نورٍث ریج [3] و زلزله 1995 یونان 4] و [5، میزان تاثیر شرایط ساختگاه، علاوه بر ضخامت ،هندسه و جنس لایه های زیر سطحی به توپوگرافی ساختگاه نیز وابسته است و در مواردی ضریب تشدید ساختگاه حتی تا 5 نیز گزارش شده است .اکی از یک ساختار گوه شکل متوسط ساده برای نشان دادن اثرات توپوگرافی (شکل (1 استفاده کرد و نشان داد جابجایی راس گوه برابر با 2/v استکه vπ زاویه راس گوه است .[6] فکسیلی از یک ساختار مثلثی (شکل (2 برای نشان دادن اثر تپه و دره قرار گرفته در کنار یکدیگر استفاده کرد،این مدل ساده نشان داد که نسبت بزرگنمایی نوک تپه نسبت به کف دره برابر نسبت V1/V2است .[6]
در شکل. 3 میزان تغییرماکزیمم شتاب افقی 5 زلزله رخ داده در ژاپن که به مقدار ماکزیمم شتاب قله نرمال شدهاند در مقابل ارتفاع نشان داده شده است. طبق این منحنی میزان بزرگنمایی رخ داده در قله نسبت به پایه به طور میانگین برابر2/5است .[7]
شکل.1مدل گوه شکل اکی شکل.2تخمین اثر توپوگرافی تپه -دره
شکل.3 توزیع نسبی ماکزیمم شتاب افقی در امتداد یک تپه در ناحیه ماتسوزاکی ژاپن
همانطور که از مشاهدات تجربی وبزرگنمایی های رخ داده در مدل های تئوری مشخص است اثرات توپوگرافی سطحی نقش مهمی در تقویت ویا تضعیف شدت امواج رسیده به سطح زمین ایفا می کند اما به رغم آشکار شدن این موضوع به دلیل پیچیدگی و عدم شناخت کافی این پدیده اکثر آیین نامه های زلزله تنها اثرات ساختگاهی یک بعدی را مدنظر قرار میدهند8] و .[9 در این تحقیق با استفاده از روش خطی و مدلسازی یک مقطع دوبعدی از توپوگرافی شهر کرمانشاه و مقایسه نتایج حاصله با مدل یک بعدی در چند نقطه از همین مقطع، میزان تاثیر این عوامل سطحی بر پاسخ لرزه ای زمین مورد ارزیابی قرار گرفته است.
2. جنبه های ژئوتکنیکی شهر کرمانشاه:
شهر کرمانشاه در کمربند چینخورده رانده زاگرس قرار دارد.کمربند چینخورده رانده زاگرس از شرقی ترین قسمت ترکیه تا خلیج عمان کشیده شده است.]10[ گسل معکوس اصلی زاگرس، زمین افیولیتی بین کمربند چین خورده رانده رابه دقیق ترین شکل ممکن از پهنه سنندج-سیرجان جدا می سازد که ترکیبی از رسوبات چند فازی دگرگونی تشکیل دهنده حاشیه جنوبی فلات ایران است. شهر کرمانشاه در شمال، بخشی از پهنه سنندج-سیرجان است.]10[ کمربند چینخورده رانده زاگرس در جنوب غربی ایران به پهنای 150 تا250 کیلومتر واقع شده است. راستای کلی این پهنه شمال غرب-جنوب شرق بوده و رسوبات پالئوزوئیک، مزوزوئیک وترشیاری همشیب هستند .]10[ با توجه به مطالعات ژئوتکنیکی انجام گرفته و اطلاعات ژئوتکنیکی جمعآوری شده در گستره شهری، نقشه توزیع خاک های زیر سطحی و نیز اطلاعات مربوط به مقاطع ژئوتکنیکی فراهم گردیده است. سیلت و رس عناصر غالب خاک این شهر هستند .برخی قسمتهای جنوب غربی، شمال شرقی، شمال و شمال غرب شهر توسط شن پوشیده شده است. بنابر این شرایط زمین تحت مطالعه کرمانشاه بر اساس نوع خاک و ضخامت لایه بصورت شکل 4 طبقه بندی شده است :[10]
(1 رسوبات آبرفتی دانه ای درشت دانه (GM-SC) که تنها فوقانیترین قسمت شمال شرقی، جنوب غربی دشت را با ضخامت های 30-5 متر می پوشانند.
(2 رسوبات آبرفتی دانه ای ریز دانه تر (SM,SC) که قسمت های کوچکی از شمال غربی و جنوب شرقی شهر را با ضخامت های 30-5 متر می پوشانند.
(3 رسوبات آبرفتی دانه ای ریزدانه (ML,CL) که قسمت اعظم شهر را با ضخامت متغییر 50-5 متر می پوشانند. (4عمق سنگ بستر لرزه ای در شمال شرق 35-15 متر،در قسمت مرکزی 50-20 متر و جنوب غربی 40-10 متر می باشد.
شکل.4 نقشه توزیع خاک در شهر کرمانشاه
در این تحقیق به منظور بررسی اثر توپوگرافی بر پاسخ لرزه ای ، مقطع M-M´ که تقریبادر امتداد مسیر مونوریل در دست احداث این شهر به طول 14/57کیلومترمی باشد، انتخاب گردید. راستای کلی این مقطع در امتداد شمال شرقی – جنوب غربی شهر است (شکل(5 که از لحاظ ساختار توپوگرافی دره ای عریض است. جنس رسوبات در این مقطع در قسمت جنوب غربی عموما از نوع شن رس دار((GC،در قسمت های شمال غربی از جنس رس با حد روانی پایین((CL در لایه های بالایی و ماسه همراه با رس و لای (SM-SC) در لایه های زیرین است و در قسمت های میانی نیز شامل همین طبقه بندی تا سنگ بستر میشود(شکل 6، مقیاس محور افقی 1:40000و مقیاس محور قائم 1:2000 است) .[10]
شکل .5 امتداد مقطع M-M´ شکل.6 هندسه و جنس خاک در مقطع M-M´
3. مدلسازی عددی مقطع دو بعدی مورد مطالعه:
در این تحقیق برای مدل سازی و انجام تحلیل های مورد نیاز از نرمافزارGeostudio 2004 نسخه6/02 استفاده گردیده است. این نرمافزار، یک نرم-افزار ژئوتکنیکی المان محدود است . دراین تحقیق از برنامهQUAKE/W به منظور آگاهی از اثرات دوبعدی مسئله حاضـر اسـتفاده شـده اسـت. ایـن قسمت از نرمافزار برای تحلیل دینامیکی ساختارهای زمین تحت حرکت زلزله وسایر بارگذاری های ناگهانی مانند حرکات دینامیکی یا شمع کـوبی بـه کار می رود. به منظور لایه بندی خاک برای مدل سازی در نرمافزار Geostudio،از نقشه های لایه بندی سرعت موج برشی خاک منطقه تـا عمـق 46 متری استفاده شده و مطابق آن نیمرخ سرعت موج برشی در18 ایستگاه که به فاصله 857 متر از یکدیگر درامتداد مقطعM-M´ قرار داشته و در مجموع طول14/57کیلومتری مقطع را پوشش می دهد، بدست آمد. سپس محدوده عمـقهـای دارای سـرعت مـوج برشـی تقریبـا نزدیـک بـا نـرخ تغییـرات تـا 100m/s به عنوان یک لایه خاکی با سرعت موج برشی برابر با میانگین سرعت موج برشی در تمام ایستگاههای شامل لایه مذکور در نظر گرفته شـد. بـا طی روند فوق لایه بندی خاک منطقه بر اساس سرعت موج برشی ارائه گردید. مشخصات هر لایه خاکی در جدول 1 ارائه شده است.
به منظور ثبت نتایج در سطح فوقانی مدل دوبعدی 10 گره انتخاب شد که در 3 گره علاوه بر ثبت نتایج تحلیل دوبعدی، مدل یک بعدی مقطع نیز به منظور مقایسه ساخته شد. برای انجام تحلیل دینامیکی ابتدا تحلیل استاتیکی در حالت خطی انجام شده وسپس بار زلزلـه بـا اسـتفاده از مولفـه افقـی زلزله های Coyote و WhittierNarrows با طول رکورد 18 ثانیه که به شتاب ./3g نرمال شده اند بر مدل های یک و دو بعدی به شـکل جداگانـه
اعمال شد. شتاب ./3g با توجه به توصیه آییننامه زلزله ایران مطابق بیشینه شتاب زلزله مبنای طرح برای شهر کرمانشاه انتخاب شده است. تاریخجه زمانی شتاب زلزله های نرمال شده به شتاب مبنای ./3g در شکل های7 و 8 ارائه شده اند.
جدول 1- مشخصات لایه های خاکی
شکل.7 تاریخچه زمانی زلزله )Coyoteنرمال شده به (./3g شکل.8 تاریخچه زمانی )WhittierNarrowsنرمال شده به (./3g
4. نتایج مدل سازی عددی
هندسه مقطع و لایه های خاکی با مشخصات فوق مطابق شکل 9 در نرم افزار Geostudio مد لسازی گردید. همانطوریکه در شکل 9 مشاهده می شود به منظور کاهش اثر امواج برگشتی از مرزها ،هندسه مدل عددی به اندازه 25 درصد طول مقطع در هر سو گسترش داده شده است. جدول2 مختصات افقی گره های ثبت داده را نشان می دهد. پس از انجام تحلیل استاتیکی و دینامیکی نتایج زیر حاصل گردید.
جدول-2 مختصات افقی گره های ثبت داده
شکل های 10 و11 بیشینه شتاب ثبت شده درگره های روی سطح زمین درطی زلزله های Coyote و WhittierNarrows را نشان می دهند. همانطوریکه مشاهده می شود مقداربیشینه شتاب بدست آمده در قسمت میانی دره بیشتر می باشد. همچنین شکل های 12 و 13 بیشینه بزرگنمایی شتاب رخ داده در گره های روی سطح زمین نسبت به شتاب سنگ بستر در دو زلزله مذکور را نمایش میدهند. تغییرات ضریب بزرگنمایی در طول
