بخشی از مقاله
کلید واژهها: طیف طراحی شتاب، طیف استاندارد، شتابنگاشت، طیف طرح میانگین، طیف طرح فوق میانگین.
چکیده
در این پژوهش به تعیین طیف طراحی شتاب افقی زمین برای خاک نوع II براساس زلزله های ایران پرداخته شده است. عوامل فراوانی از جمله شرایط خاک محل، بزرگی و مدت دوام زلزله، فاصله تا محل وقوع و ویژگی های چشمه زلزله همگی بر طیف پاسخ زلزله اثر می-گذارند. از آنجاکه همه موارد فوق در زلزله ها و شرایط ساختگاه مختلف، متفاوت است، نمی توان به طیف پاسخ یک زلزله تنها بعنوان مبنای کار طراحی سازه اکتفا کرد و منطقی به نظر می رسد برای هدف های طراحی از میانگین طیف های پاسخ زلزله های مختلف استفاده کرد. بطور کلی طیف طراحی باید نماینده تعدادی از زلزله های رخ داده در گذشته در منطقه مورد کاربرد باشد. از آنجا که در سال های اخیر تعداد ایستگاه های شتابنگاری توسط مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافته و به دنبال آن تعداد شتابنگاشت های آن زیاد شده است، اکنون می توان با دقت مناسب برای هرنوع خاک به طور مجزا طیف طرح تهیه کرد. لذا در این پژوهش تعداد 164 نگاشت ثبت شده در ایستگاه های با خاک نوع II، که همگی دارای بزرگای بیش از 4/5 و فاصله رومرکز کمتر از 50 کیلومتر، بوده اند، از سازمان تحقیقات و مسکن انتخاب شده و پس از انجام تصحیحات فرکانسی لازم، طیف طراحی شتاب افقی برای آنها محاسبه شده است. پس از انجام میانگین گیری، و مقایسه آن با طیف بازتاب استاندارد آیین نامه 2800 میزان بالادست بودن طیف استاندارد 2800 در پریودهای بزرگتر از 0/2 نمایان شد. در پایان طیف مناسب میانگین - تراز - %50 و فوق میانگین - تراز - %84 پیشنهاد شده است.
مقدمه
زمین لرزه، بازتاب یک رویداد زمینشناختی است که در روی زمین به گونه تکان - شتاب، سرعت وجابجایی زمین - دریافت میشود. برای طراحی سازههای مقاوم در برابر زلزله، شناخت جنبش نیرومند زمین که انتظار میرود در طول عمر مفید سازه رخ دهد از اهمیت ویژهای برخوردار است. بهترین راه برای شناخت ویژگیهای جنبش نیرومند زمین، بدست آوردن نمودار حرکت زمین از جمله شتاب نیرومند زمین در هنگام رویداد زمینلرزههای متوسط تا بزرگ میباشد. - مالکی، - 1383 عامل های فراوانی از جمله شرایط خاک محل، بزرگی و مدت دوام زلزله، فاصله تا محل وقوع و ویژگیهای چشمه زلزله همگی بر طیف پاسخ زلزله اثر میگذارند. چون همه موارد فوق در زلزله ها و شرایط ساختگاه مختلف، متفاوت است، نمیتوان به طیف پاسخ یک زلزله تنها بعنوان مبنای کار طراحی سازه اکتفا کرد زیرا اولا رکوردهای انتخابی نمی توانند بیانگر رفتار و نحوه عملکرد زلزله هایی باشند که در آینده ممکن است به وقوع بپیوندند،
ثانیا تغییرات شدید طیف پاسخ به خصوص در محدوده پریودهای کم در زلزله های مختلف، امکان انتخاب مقدار مشخصی برای پاسخ سازه را از طراح، سلب می کند و با تغییرات اندک پریود ممکن است پاسخ سازه به میزان قابل ملاحظه ای دستخوش تغییرات شود. منطقی به نظر میرسد برای هدفهای طراحی از میانگین طیفهای پاسخ زلزلههای مختلف استفاده کرد، که البته که شکلی هموار دارد، منطقی به نظر می رسد. بطور کلی طیف باید نماینده تعدادی از زلزله های رخ داده در گذشته در منطقه مورد کاربرد باشد. برای در نظر گرفتن شرایط ساختگاه لازم است طیف طرح از شتابنگاشتهای ثبت شده در ایستگاه هایی با شرایط خاک مشابه با شرایط خاک محل احداث سازه بدست آمده باشد. - تابشپور و ابراهیمیان، - 1388 در این مقاله به اصلاح و بررسی شتابنگاشتهای زلزلههای ایران برای خاک نوع II، بررسی شیوههای تعیین طیف بازتاب زلزله، تعیین طیف طراحی الاستیک برای خاک نوع II و مقایسهی آن با طیف طراحی آئیننامه 2800 ویرایش سوم، پرداخته شده است.
انتخاب ایستگاههای شتابنگاری و شتابنگاشتها
از بانک اطلاعاتی مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، ایستگاههایی که سرعت موج برشی آنها بیانگر خاک نوع II میباشد - بین 375 تا 750 متر بر ثانیه - ، انتخاب شدند. مجموعهی جمعآوری شده شامل زلزلههای رکورد شده تا پایان سال 2012 و همگی دارای مشخصهی بزرگای 4.5 میباشند. جهت حصول دقت بیشتر در تهیهی طیف طراحی از بین زلزلههایی که تا این مرحله انتخاب شده بودند، آن دسته از رکوردها که فاصلهی محل وقوع زلزله تا محل ثبت آنها کمتر از 50 کیلومتر بود گزینش شدند. علت این گزینش آن است که با فاصله گرفتن از مرکز زلزله، امواج لرزه با عبور از لایههای مختلف خاک در مسیر حرکت، دست خوش تغییر در محتوای فرکانسی شده، که دیگر نماینده خوبی برای نوع زمین محل ثبت نمیباشند. - - Ambraseys and Douglas, 2003 در پایان این مرحله تعداد 125 رکورد باقی ماند که با احتساب 2 مؤلفهی افقی برای هر رکورد، 250 مؤلفهی افقی زلزله حاصل گردید. از بین این تعداد مؤلفه، در نهایت با حذف مؤلفهای ناقص و یا با خطاهای زیاد که عمدتاً مربوط به رکوردهای قدیمی حاصل از دستگاههای SMA-1 میباشند، تعداد 164 مؤلفهی رکورد باقی ماند. توزیع بزرگای زمینلرزه نسبت به فاصله رومرکز مربوط به دادههای گزینش شده به صورت شکل - - 1 میباشد.
تصحیح و پردازش دادههای شتابنگاری
دادههای خام حاصل از دستگاههای ثبت حرکات زمین ممکن است دارای خطاهایی باشند که بایستی منابع ایجاد خطا و میزان آن با دقت ارزیابی شده و تصحیحات لازم بر روی آنها صورت گیرد تا دادههای تصحیحشده حاصل را بتوان در تحلیل سازهها به کار برد. خطاهای وارد شده در شتابنگاشتها، به طور کلی به دو دسته خطاهای ناشی از عملکرد دستگاه ثبت و خطاهای ناشی از ظهور و عددی کردن رکوردها تقسیم می-شود - - Converse, 1992 که هر دسته خطا به دلایل مختلفی اتفاق میافتد.
2 پژوهشگاه بینالمللی زلزلهشناسی و مهندسی زلزله
تصحیح دادههای اولیه به دو دسته تقسیم میشود:
دسته اول شامل تصحیح خط مبناست که همان رفع انحرافات از مقدار واقعی در پریودهای بلند است و در نگاشت سرعت، و با شدت بیشتر در نگاشتهای جابجایی نمود پیدا میکند. دسته دوم شامل تصحیح محتوای فرکانسی دادههاست به این صورت که ابتدا بازه فرکانسهای نویزهای موجود در دادهها که ناشی از عوامل مختلف است شناسایی شده سپس حذف میشوند، به این فرایند فیلتر کردن گفته میشود. - موسوی بفروئی، - 1386
آشنایی با فیلتر به عنوان مهمترین ابزار حذف خطای شتابنگاشتها
خطاهای فرکانس بالا و فرکانس پایین در دادههای شتابنگاشت، با استفاده از تکنیک فیلتر کردن، حذف میگردند. تعیین بالاترین فرکانس FH و پایینترین فرکانس FL - بلندترین پریود - در پردازش داده های شتابنگاشت از اهمیت بالایی بر خوردار است. این دو مقدار در حقیقت مشخص کننده محدودهی فرکانسی عملیات پردازش میباشند. سعی ما بر آن است تا دادههای حاصل از یک رکورد، در این محدودهی فرکانسی که دارای دقت قابل قبولی میباشد، قرار گرفته؛ و دادههای خارج از این محدوده، که ممکن است خطاهای بزرگی را به همراه داشته باشد، حذف گردند. انتخاب نادرست این دو مقدار باعث حذف امواج فیزیکی واقعی زلزله از شتابنگاشت طی عملیات پردازش میشود؛ و یا اینکه خطاهای فرکانس بالا و فرکانس پایین را به طور کامل از شتابنگاشت حذف نمینماید که در هر دو صورت، از ارزش محتوایی شتابنگاشت کاسته شده، و شتابنگاشت حاصل نمایشگر حرکت واقعی زمین نخواهد بود. - - Douglas and Boor, 2011
در این مطالعه به منظور انتخاب محدوده مناسب FH از مطالعات قدرتی امیری و همکاران - - 1383، استفاده شده است که مقدار آن را برای دستگاههای SMA-1، 20 هرتز و برای دستگاههای SSA-2، 30 هرتز پیشنهاد شده است. و به منظور تعیین مقدار FL از روش نسبت سیگنال به نویز استفاده شده است. نسبت سیگنال به نویز 2-3 برای یافتن فرکانس پایین مناسب ارزیابی شده است. اما در این تحقیق نسبت 3 برای این منظور در نظر گرفته شده است. روش کار چنین بوده است که با استفاده از یک نرمافزار نوشته شده در محیط فرترن، ابتدا 1FFT سیگنال و پس از آن نویز محاسبه شده و پس از تقسیم بر جذر زمانهایشان، بر یکدیگر تقسیم میگردند. پس از انجام تصحیحات بر رکوردها با استفاده از برنامه تصحیح خط مبنا انجام شده و طیف حاصل از هر رکورد استخراج شد.
همپایه کردن طیفهای پاسخ
میرایی 5% برای تعیین ویژگیهای جنبش لرزهای و مقایسهی طیف پاسخ زمینلرزههای مختلف، رایجترین مقدار میرایی است و این میرایی در طراحی سازههای مهندسی کاربرد دارد؛ که دلیل اصلی آن وجود شکلهای طیفی تعمیم یافته برای این میرایی میباشد. در طیف بازتاب ارائه شده در آییننامهی 2800 ایران نیز از میرایی 5% استفاده شده است. از این رو در این مقاله برای تهیهی طیف بازتاب رکوردها از میان شتابنگاشتهای تصحیح شده، از رقم میرایی 5% استفاده شده است.
برای مقایسه ی اثر شتابنگاشتهایی که از زلزلههای مختلف به دست آمدهاند و همچنین برای ترکیب نتایج آنها، لازم است که آنها را نرمال - همپایه - کنیم. رایجترین روش برای همپایه کردن شتابنگاشتها استفاده از شتاب اوج زمین است. در این پژوهش کلیه شتابنگاشتها به 1g مقیاس شدهاند.
تعیین طیف بازتاب به روش آماری
پس از نرمال کردن دادههای شتابنگاشت تصحیح شده، در این مرحله با استفاده از روابط آماری که در ذیل به آنها اشاره خواهد شد، طیف بازتاب نهایی به سه شکل ارائه خواهد شد. به طور معمول با این عمل میبایست اعوجاجها و شکستگیها حذف، و یک طیف نرم و هموار شده، حاصل گردد. این موضوع در نمودارهای شکل - 2 - و - 3 - قابل مشاهده است. اشکال طیفی ارائه شده به سه حالت زیر میباشد:
1. طیف بازتاب میانگین که معادل طیف بازتاب با تراز اطمینان 50% یا S50 خواهد بود و برابر با میانگین حسابی کل طیفهای نرمال شده میباشد و از رابطه - 1 - به دست میآید:
