بخشی از مقاله
چکیده:
یکی از مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک لرزهای تحلیل پاسخ زمین در هنگام وقوع زمین لرزه است. در این تحلیل، انتشارموج در فاصله سنگ بستر تا سطح خاک ملاک عمل است. از طرفی تحلیل پاسخ زمین به شدت تحت تأثیر عدم قطعیت در مقدار خصوصیات خاک و پارامترهای مدلسازی میباشد. در این تحقیق از روش مجموعههای فازی جهت تحلیل تصادفی پاسخ زمین و بزرگنمایی حرکت زمین در طی رخداد زلزله استفاده شده است.
پارامترهای سرعت موج برشی در خاک، میرایی خاک و ارتفاع نهشته خاکی تصادفی درنظر گرفته شدهاند و سنگ بستر صلب فرض شدهاست. مقایسه خروجی مدل با روش تصادفی احتمالاتی موید عملکرد خوب روش اتخاذ شده می باشد.
مقدمه:
یکی از مهمترین مباحث در ژئوتکنیک لرزه ای و همچنین لرزه شناسی، محاسبه پاسخ لرزه ای زمین - 1سایت - است. تحلیل پاسخ سایت برای پیش بینی حرکات سطح زمین جهت توسعه ی طیف های طراحی، محاسبه ی تنش ها و کرنش های دینامیکی جهت تخمین خطر روانگرایی و تعیین نیرو های القا شده توسط زلزله که می تواند منجر به ناپایداری خاک و سازه های نگهبان آن گردد، انجام می شود.
تحلیل پاسخ زمین جهت تعیین پاسخ نهشته های خاکی2 بر حرکت سنگ بستر زیر آن صورت می گیرد. بر خلاف این واقعیت که موج زلزله ده ها کیلومتر را در سنگ و کمتر از 100 متر را در خاک طی می کند، خاک نقش بسزایی را در تعیین حرکت در سطح زمین بازی می کند
کاملاً واضح است که بزرگنمایی3 حرکت لرزهای زمین، قویاً تحت تأثیر خصوصیات لایه های خاک قرار گرفته بر روی سنگ بستر است. از سال 1920، لرزه شناسان و متعاقاًب مهندسان ژئوتکنیک لرزه ای، به طور موازی مشغول تحقیق بر روی مطالعه ی اثرات خاک و توسعه ی روش های محاسباتی برای پیش بینی تأثیر شرایط خاک بر حرکت نیرومند زمین4 هستند.
لذا روشهای متعددی برای این کار پیشنهاد شده است که غالباً بر مبنای بعد آنالیز تقسیم بندی می شوند و می توان اظهار داشت بیشتر روش های دو بعدی و سه بعدی، به طور مستقیم تعمیم روشهای یک بعدی5 هستند.
تعیین میزان بزرگنمایی لرزهای لایههای خاک، نیاز به یک مدل ساده شده از آن لایهها دارد. در این مدل بایستی شرایط لایه های خاک و بخشی از پارامترهای موثر بکار گرفته شوند. با این شرایط یک آنالیز معین1 از تحلیل پاسخ زمین بدست خواهد آمد که قادر به لحاظ اثرات نامعینی ذاتی پارامتر های ژئوتکنیکی نمی باشد. این ساده سازی ها همواره مقداری خطا را وارد مدلسازی می نماید. پر واضح است که تعیین پارامتر های خاک با توجه به رفتار ناهمگن2 و ناهمسانگرد3 خاک به سادگی امکانپذیر نیست و در واقع تخمینی از واقعیت ملاک مدلسازیها قرار خواهد گرفت.
لذا جهت انجام یک آنالیز واقعبینانه بایستی نامعینی4 های وارد شده در مسئله را به خوبی مورد بررسی قرار داد. نامعینی ها می تواند ناشی از دقت مدل بکار گرفته شده ، خطای انسانی در اندازه گیری ها و یا عدم یکسانی در پارامترهای خاک باشد.
روش های متعددی برای رفتار با این نامعینی ها وجود دارد. اتفاقی بودن5، معمول ترین راه توصیف نامعینی هاست. شناخته شدهترین روش برای رفتار با متغیرهای تصادفی، تئوری احتمالات6 است از طرفی بررسی های احتمالاتی تنها وقتی میتواند به طور مؤثر مورد استفاده قرارگیرد که متغیر ها در محیط واقعی رفتار تصادفی داشته باشند و اطلاعات دقیقی از تغییرات متغیرهای ورودی مدل در دست باشد.
لذا در بسیاری از موارد، رویکرد احتمالاتی نتایج مناسبی به همراه نخواهد داشت. با این وجود اثرات نامعینی ها در کاربرد های مهندسی نباید نادیده گرفته شود. در دهه های اخیر جایگزین هایی برای رویکر های احتمالاتی توسعه داده شده است که به سه دسته ی عمده تقسیم بندی می شوند: -1تحلیل بازهای- 2 7مدلسازی محدب- 3 8مجموعه های فازی9 که به طور کلی می توان تحلیل بازهای و مدلسازی محدب را زیر مجموعهای از تئوری مجموعههای فازی دانست
تمرکز این تحقیق بر روی تعیین اثرات نامعینی ها بر روی مسئله ی تحلیل پاسخ زمین است. نامعینی های وارد در این مسئله را می توان به دو دسته ی نامعینی های ناشی از مشخصه های زلزله - شامل شدت، محتوای فرکانسی، مدت زمان و ... - ونامعینیهای ناشی از پارامترهای خاک - شامل سرعت موج برشی، میرایی، ارتفاع لایهی خاکی و ... - تقسیم بندی نمود.
در سال 1996، Kramer گزیده ای از روش های معمول که شامل تحلیل های یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی خطی، غیر خطی معادل خطی و غیر خطی می شود - - 7 را بیان کرده است. در ادامه تنها پیشینه ی تحقیقاتی که سعی در وارد کردن عدم قطعیتها در تحلیل پاسخ زمین داشتهاند به اختصار ذکر میشود.
بعضی محققین سعی بر وارد کردن تغییرپذیری مکانی مشخصات خاک داشته اند - 1وAssimaki et al. . - 6 اثرات تغییر پذیری مکانی مشخصات خاک را بر سطح زمین با ارجاع به دو لایهی همگن با خصوصیات آماری بررسی نمودهاتد - . - 3 Faccioli امکان پذیری روند تصادفی در تحلیل یک بعدی با استفاده از مدل خاک رفت و برگشت - - Hysteresis را توسعه داده است
همچنین روش مونت-کارلو توسط تعدادی از محققین برای درک حساسیت مدل به پارامتر های نامعین خاک انجام شده است
از المان محدود تصادفی برای محاسبهی تحلیل یکبعدی سایت با در نظر گرفتن مدول برشی دینامیکی تحت یک فرآیند گوسی متغیر در عمق استفاده کرده اند
یک آنالیز احتمالاتی نسبتاً کامل نیز توسط Rota و همکاران برای برآورد بزرگنمایی سایت نسبت به زلزله انجام شده است
با توجه به سابقه ی تحقیقات گذشته، ارائه ی یک روش مؤثر برای وارد کردن انواع نامعینی ها در تحلیل پاسخ زمین لازم به نظر می رسد. لذا در این تحقیق از تئوری مجموعه های فازی برای وارد کردن اثرات پارامتر های نامعین در یک مدل ساده شدهی تحلیل پاسخ زمین بهره برده میشود.
مواد و روشها:
-1 تحلیل یک بعدی پاسخ زمین
روش انتخاب شده برای تعیین پاسخ سایت در این تحقیق از یک تحلیل انتشار موج در محیط الاستیک خطی نتیجه
گرفته می شود.مبانی این روش به طور کامل از منبع - 7 - اقتباس شده است. تحلیل یک بعدی پاسخ زمین بر این فرض استوار است که تمام لایه ها افقی هستند و پاسخ نهشته ی خاکی تنها به وسیله ی امواج برشی افقی1 که به صورت قائم از سنگ بستر بالا می آیند ایجاد می شود. با انتخاب دو نقطه در سطح زمین و سنگ بستر - بالا و پایین هستند. -
با تکرار آنالیز با در نظر گرفتن میرایی و اتلاف انرژی در خاک و با فرض اینکه خاک رفتار برشی با خصوصیات جامد Kelvin-Voigt داشته باشد، حل معادله ی موج با شرایط اولیه مذکور، تابع انتقال برای حالت حاک دارای میرایی بر روی سنگ بستر صلب به صورت زیر نوشته میشود
