نیروی زلزله و ماهیت آن و عوامل موثر و تاثیر خاک
نیروی زلزله و ماهیت آن و عوامل موثر و تاثیر خاک
زمین لرزه لرزش ناگهانی سطح زمین به واسطه آزاد شدن انرژی (در قالب امواج لرزهای) ناشی از جابجایی صفحه های زمین ساختی (تکتونیکی) در امتداد گسل ها می باشد. پوسته زمین از قطعاتی تشکیل شده است که به آن ورقه یا صفحه می گویند. این ورقه ها در واقع بخش هایی از سنگ کره (لیتوسفر) هستند که بر روی سستکره حالت نیمه شناور دارند. جابجایی ورقه ها بر روی سستکره به دلایل مختلف در طول زمان سبب جدا شدن قاره ها از همدیگر شده است.
با توجه به جهت اعمال نیرو، صفحه ها می توانند به سمت هم حرکت کنند و یا در جهت مخالف یکدیگر جابجا شوند و یا اینکه در کنار یکدیگر بلغزند. در مناطقی که ورقه های پوسته با یکدیگر برخورد می کنند امکان قفل شدگی آنها وجود دارد. همچنین در برخی از گسل ها که در بخش بالایی پوسته همواره به صورت قفل شده با حرکات دوره ای عمل می کنند، این مساله سبب می شود که انرژی در محل قفل شدگی بین ورقه ها تجمع پیدا نماید. وقتی میزان انرژی جمع شده بیشتر از مقاومت توده سنگ شود، شکستگی در محل قفل شدگی ایجاد می گردد و انرژی ذخیره شده به شکل امواج لرزه ای منتشر می گردد و سبب زمین لرزه می شود.
در ۵۰۰ سال اخير، ميليونها نفر در سراسر دنيا در اثر زلزله كشته شدهاند، از آن جمله ميتوان از زلزلة تانگشان چين در ۱۹۷۶ نام برد كه بيش از ۲۴۰۰۰۰ نفر كشته بر جاي گذاشت. در سراسر جهان، زلزله خرابي هاي ساختاري و مالي بسياري ايجاد نموده است. اقدامات احتياطي مانند آموزش و برنامه ريزي براي مقابله با زلزله و نيز مقاوم سازي و انعطاف پذيركردن ساختمان ها ميتواند خسارات مالي و جاني ناشي از زلزله را كاهش دهد.
كانون و مركز زلزله
نقطه اي در درون زمين و در طول پارگي و از هم گسيختگي يك گسل كه زلزله از آن منشأ ميگيرد را كانون زلزله و نقطه اي كه مستقيم در بالاي كانون و در سطح زمين وجود دارد را مركز زلزله ميگويند. امواج زلزله از كانون بطور شعاعي به اطراف گسترش مي يابد و در نهايت در طول پارگي گسل شكل ميگيرد. اگر كانون نزديك سطح باشد( عمق بين ۰ تا ۷۰ كيلومتر) زلزلة با كانون سطحي ايجاد ميشود. اگر اين عمق متوسط باشد و يا در زير پوسته باشد (عمق بين ۷۰ تا ۷۰۰ كيلومتر) يك زلزله با كانون عميق ايجاد مي شود. زلزله هاي با كانون سطحي، زلزله هاي بزرگتر و مخربتري هستند، زيرا به سطح زمين كه داراي صخره هاي محكم تري است، نزديكترند و بنابراين نيروي كششي بيشتري ايجاد مي كنند.
امواج زلزله
حركت ناگهاني صخره ها در طول يك گسل ايجاد ارتعاش مي كند كه انرژي را از زمين به شكل موج منتقل مي كند. امواجي كه از زير سطح زمين به صخره ها منتقل ميشود را امواج بدنه ميگويند كه خود بر دو نوع است: اوليه يا P، و ثانويه يا S
زلزله ها حامل امواج سطحي نيز هستند كه از مركز زلزله به سطح زمين بيرون مي آيد. دو نوع امواج سطحي عبارتند از: ريلي، كه بنام پزشك انگليسي لردريلي و امواج لاو، بنام دانشمند انگليسي ناميده شد. امواج سطحي نيز با ايجاد تكان زمين، زيرسازه هاي ساختماني و مانند آن، خرابي سازهاي ايجاد مي كنند.
امواج بدنه، يا امواج P و S، از كانون زلزله و از درون گسل در حال شكاف كه به اطراف گسترش مي يابد، شروع مي شود. امواج P امواج فشاري هستند زيرا مواد سخت و صخره اي را در مسير خود به جلو و عقب و در جهت امواج حركت ميدهند و به تناوب صخره ها را فشرده و منبسط مي نمايند. امواج P سريعترين امواج لرزه اي هستند كه در صخره هاي محكم با سرعت ۶ تا ۷ كيلومتر بر ثانيه طي مسير ميكنند. پس از امواج P امواج S مي آيند، كه بيش از آنكه صخره ها را بفشارند، در طول مسير آنها را ميشكافند يا مي پيچانند. اين امواج با سرعت ۳/۵ كيلومتر بر ثانيه حركت ميكنند و باعث ميشوند مواد صخره اي به بالا و پايين و عمود بر مسير امواج حركت كند، و منجر به متلاشي شدن صخره ها گردد. هر دو نوع موج P و S به درون زمين حركت ميكنند، و درست مانند امواج نور درون شيشه منعكس يا شكسته ميشود. زلزله شناسان با آزمايش اين شكست ميتوانند دريابند كه منشأ زمين لرزه در كجا قرار دارد. در سطح زمين، امواج ريلي در مسير امواج باعث حركت ذرات صخره اي به جلو، بالا، عقب و پايين ميشوند. نوع دوم امواج سطحي يا همان امواج لاو، باعث ميشود كه صخره ها بطور افقي يا در كنار هم و با زاوية عمودي نسبت به مسير امواج، بدون جابجايي عمودي حركت كنند. امواج ريلي و لاو هميشه آهسته تر از امواج P و اغلب آهسته تر از امواج S حركت مي كنند.
علل وقوع زلزله
بیشتر زلزله ها ناشي از لغزش ناگهاني در مسير يك گسل زميني است. لغزش گسل ها، ناشي از حركت صفحات تكتونيك زمين ميباشد. اين مفهوم را نظرية حركت ارتجاعي و يا الاستيك مي گويند. صفحات تكتونيك بسيار آهسته حركت مي كنند، و روي يك لايه ضعيفتر صخره اي شناورند. هنگامي كه صفحات به هم برخورد مي كنند و يا در كنار هم مي لغزند، فشار در درون پوستة صخره اي، ايجاد مي شود. زلزله هنگامي رخ مي دهد كه فشار درون پوسته از مقاومت صخره ها بیشتر میشود.
تكان خوردن و لغزش زمين
امواج زلزله باعث حركت زمين، تكان خوردن ساختمان ها و ويراني نسبي يا كامل سازه هاي ضعيف ميشوند. تكان خوردن زمين باعث مي شود خاك و مصالح ساختماني زير سازه ها سست شود و تغييرات جدي را در خاك هاي با ذرات ريز ايجاد شود.
هنگام يك زلزله، خاك ماسه اي كه از آب اشباع شـده اسـت، تبديل بـه يـك گـل مـايع مـي شـود كـه بـه آن پديـدة مـايع شـدن ميگويند. با ضعيف شدن پي خاكي زير سازه ها و ساختمان ها، اين فرآيند مايع شـدن باعـث تخريـب مـي شـود. تكـانخـوردن سـبب ميشود كـه تـوده هـاي صـخره اي و بـزرگ زمـين بيـرون بزنـد و موجب رانش خطرناك زمين، رانش گل و ريزش صخره ها بـشود كه خود مي تواند باعث تلفات جاني يا خسارات مالي بيشتر گردد.
طراحي سازه
زمين شناسان و مهندسان با استفاده از نقشه هاي ارزيابي خطر ماننـد نقشه هـاي منـاطق خطـر زمـين شناسـي و لـرزه اي درمـي يابنـد كـه گسلها كجـا هـستند و چگونـه بايـد سـاختمان نزديـك آن هـا را بسازند كه ايمـن بمانـد . مهندسـان بـا اسـتفاده از نقـشه هـاي خطـر زمينشناسي ميتواننـد بطـور متوسـط حركـات زمـ ين را در يـك منطقـة مـشخص پـيشبينـي كننـد و از ايـن پـيشبينـي در مراحـل طراحي و مهندسي پـروژه هـاي سـاختماني عظـيم بهـره ببرنـد، بـه علاوه با دردست داشتن نقشه هاي ارزيابي خطر از ساخت و ساز بر روي گسل هاي بزرگ پرهيز مـي كننـد و از مقـاوم سـازي مناسـب ساختمان در برابر زلزله در مناطقي كـه مـستعد تكانـه هـاي شـديد هستند اطمينان حاصـل مـي نماينـد.
امواج زلزله با دور شدن از کانون زلزله و گذشتن از لایههای آبرفتی تحت تاثیر تغییر و تحولاتی قرار میگیرند. عوامل مربوط به فاصله ی نقاط از کانون زلزله تحت عنوان “تاثیر مسیر” و عوامل مربوط به لایههای آبرفتی واقع بر سنگ بستر تحت عنوان “اثر ساختگاه” شناخته میشوند. اثرات ساختگاه به صورت تشدید امواج زلزله و تغییر در خصوصیات امواج لرزه ای مانند دامنه، فرکانس و طول دوام جنبش نیرومند خودنمایی میکنند.
امروزه از زلزله به عنوان یکی از مخرب ترین عوامل طبیعی که باعث تخریب سازههای ساخت بشر میگردد، نام برده میشود. اگر چه در مورد علل اصلی ایجاد زلزله فرضیات مختلفی وجود دارد ولی هنوز قطعیت آنها به اثبات نرسیده است اما با پیشرفت علم و به ویژه علوم مهندسی عمران و مهندسی زلزله با ثبت حرکات لرزه ای زمین در اثر زلزلههای به وجود آمده و خرابیهای ایجاد شده در سازههای مختلف اطلاعات زیادی در مورد چگونگی عملکرد امواج زلزله موجود میباشد.
در ۱۹ سپتامبر سال ۱۹۸۵ زلزله ای با بزرگای ۸.۱ ریشتر در مکزیک به وقوع پیوست که گرچه در مرکز خود (سواحل اقیانوس آرام) خرابی متوسطی ایجاد کرد اما صدمات شدیدی در ۳۵۰ کیلومتری آن در مکزیکو سیتی داشت.
به دنبال وقوع زمین لرزه ۲۱ آبان ماه ۱۳۹۶ در سر پل ذهاب کرمانشاه و اعزام گروههای مختلف کارشناس جهت ارزیابی و بررسی جنبههای مختلف این زلزله مشاهده شد که توزیع خرابیها در این منطقه یکنواخت نبوده و تفاوت چشم گیری در نقاط مختلف شهر حتی با وجود نوع سازهها دارد. دو روند خرابی کاملا متمایز در شهر دیده میشد به طوری که در مناطق شمال بلوار اصلی شهر خرابیها ناچیز و عمده مناطق دیگر با آسیب شدید مواجه شده اند. به عنوان نمونه در انتهای غربی شهر سر پل ذهاب به سمت قصر شیرین در حد فاصل پای دامنه کوه تا کناره رودخانه دو مجموعه ساختمانهای مسکن مهر که یکی در مجاورت دامنه ارتفاعات سنگی و دیگری در مجاورت رودخانه ساخته شده است کاملا رفتارهای متفاوتی از خود نشان داده بودند. مجتمعی که در مجاورت رودخانه قرار داشته است دچار آسیب زیاد در اجزای سازهه ای و آسیب خیلی زیاد در اجزای غیر سازه ای شده بود در حالیکه مجتمع دیگر بدون آسیب سازه ای و آسیب غیر سازه ای کمی دیده بود.
تاثیر ساختگاه در زلزله
متاسفانه در آیین نامههای لرزه ای و ژئوتکنیکی کشور، اشارات مختصری به تاثیرات عظیم اثر ساختگاه بر تغییر رفتار بستر گردیده و صرفا بر اساس متوسطی از مشخصات مکانیکی لایههای آبرفتی، رفتار بستر در قالب ۴ نوع تیپ خاک مختلف گنجانیده شده است.
در هنگام وقوع زلزله، انرژی انباشته شده در ناحیه کانونی به شکل امواج لرزه ای آزاد میشوند. در خلال یک زلزله آبرفتها با ساختارهای متفاوت دارای پاسخهای متفاوت هستند. همچنین طبق تحقیقات به عمل آمده مشخص شده است که برای یک زمین لرزه مشخص در ایستگاههای مختلف پاسخها متفاوت هستند، زیرا که ویژگی ساختگاهها متفاوت است. همچنین برای زمین لرزههای متفاوت یک ساختگاه تقریبا همان نگاشت را نشان میدهد.
خصوصیت زمین شناسی ساختگاه مهم ترین عامل تاثیر گذار بر پاسخهای لرزه ای میباشد، به عنوان مثال هنگامی که ساختار محیط به صورت لایههای افقی باشد، فقط امواج حجمی که در لایههای سطحی به بالا و پایین حرکت میکنند به دام میافتند ولی هنگامی که ساختار دو یا سه بعدی باشد یعنی ناهمگنی جانبی نیز وجود داشته باشد امواج سطحی که در این ناهماهنگی ایجاد میشوند نیز به دام میافتند.
تداخل بین این امواج منجر به پدیده تشدید شده که شکل و فرکانس این الگوها بستگی به خواص هندسی و مکانیکی ساختار مورد نظر دارد.
پارامترهای اصلی که در شناخت ساختگاه موثر میباشند عبارت است از هندسه لایهها (ضخامت و ناپیوستگی لایهها)، شکل توپوگرافی، خصوصیات فیزیکی، دینامیکی و مکانیکی مصالح سنگی و خصوصیت خاکها میباشد.
نتایج پژوهشهای مختلف بیان میدارد که در حالت کلی خاکهای نرم تر زلزله را تشدید می کنند، البته باید به این نکته توجه کرد که در شرایطی که خاک سختی وجود داشته باشد که فرکانس طبیعی آن با فرکانس سنگ بستر یکسان باشد، جمله قبلی صادق نبوده و این خاک سخت تر است که زلزله را تشدی می کند و هم چنین مدت لرزش در سطح زمین به طور معمول بیش تر از مدت لرزش در سنگ بستر میباشد که این زمان با میزان نرمی و ضخامت خاک متناسب است. بررسی زلزلههای مختلف تایید کرده که مدت زمان لرزش نقش عمده ای در میزان خرابی ناشی از روانگرایی دارد و از این نظر میتوان گفت میزان خرابی سازهها در خاک نرم بیش تر از خرابی بر روی خاک سخت میباشد.
طبق نتیجه پژوهشها لایه بندی خاک نزدیک به سطح زمین در تشدید یا تضعیف نیروی زلزله تأثیر بسزایی دارد. همان گونه که مشاهده میشود، با تغییر لایه ی نزدیک به سطح زمین و تغییر از ماسه به رس، منحنی پاسخ حرکت زمین تشدید مییابد که این بدین دلیل است که خاک نرم، میرایی کمتری داشته و باعث تشدید بیشتر در حرکت زلزله میشود.
همچنین با افزایش ضخامت خاک به دو برابر، با فرض درشت دانه بودن خاک نزدیک به سطح زمین، مشاهده گردید که حرکت در سطح زمین تضعیف میشود؛ این مسئله به اینگونه قابل توضیح است که با افزایش ضخامت لایههای میراگر خاک(ماسه و شن)، موج ناشی از زلزله تا رسیدن به سطح زمین کاهش مییابد و شاهد کاهش نسبت تشدید زلزله هستیم.
مقایسه ی دیگر با تغییر شتاب ورودی زلزله انجام گرفت. تغییر شتاب ورودی زلزله، در پاسخ زمین تأثیرگذار است. بدین صورت که با کاهش شتاب ورودی، پاسخ زمین تشدید مییابد؛ چراکه زلزلههای خفیف، تشدید بیشتری نسبت به زلزلههای قوی ایجاد میکنند. برای توجیه این موضوع میتوان عامل میرایی را دخیل دانست، زیرا در زلزلههای خفیف کرنشهای کوچک ایجاد میشود و در کرنشهای کوچک میرایی کمی فعال میشود ولی در زلزلههای بزرگ، کرنشهای بزرگ ایجاد میشود که میرایی زیادی ایجاد میکنند که باعث کاهش حرکت زمین میگردد
و در نهایت نیز به مقایسه ی انواع خاکها در آیین نامه ی ۲۸۰۰، پرداختیم. با کاهش سرعت موج برشی و به عبارت دیگر نرم تر شدن خاک، پاسخها درفرکانسهای پایین، تشدید بیشتری مییابد؛ زیرا در فرکانسهای پایین، کرنشهای کوچک ایجاد میشود و در کرنشهای کوچک میرایی کمی فعال میشود و حرکت زلزله نسبت به حرکت ورودی در سنگ بستر افزایش مییابد.
نحوه اعمال نیروی زلزله بر سازه
نیروی زلزله به روش استاتیکی با استفاده از رابطه زیر به دست میآید:
این نیرو با استفاده از رابطه ای که آیین نامه ارائه کرده است در طبقات توزیع میشود و سازه (ستون، تیر و دال) براساس این نیروها طراحی میشوند.
در روابط فوق:
A: شتاب زلزله بوده و برای مناطق مختلف این مقدار متفاوت هست و به صورت زیر میباشد:
B: ضریب بازتاب که وابسته به نوع خاک، منطقه و زمان تناوب سازه است.
Ru: ضریب رفتار سازه بوده و برای انواع سیستم های سازه ای آیین نامه مقادیری ارائه کرده است.
W : وزن موثر لرزهای، شامل مجموع بارهای مرده و وزن تاسیسات ثابت و وزن دیوارهای تقسیم کننده به اضافه درصدی از بارزنده و بار برف مطابق جدول زیر. (بار زنده باید به صورت تخفیف نیافته در نظر گرفته شود)
I: ضریب اهمیت برای زلزله که به صورت زیر است:
ساختمان های با اهمیت کم (I=0.8): مدت بهره برداری کمتر از 2 سال، انبار کشاورزی و..
ساختمان های با اهمیت متوسط (I=1.0): هتل، مسکونی، اداری، تجاری و…
ساختمان های با اهمیت زیاد (I=1.2): مدارس، مساجد، تجمع بیش از 300 نفر زیر یک سقف و…
ساختمان های با اهمیت خیلی زیاد (I=1.4): بیمارستان، مراکز و تاسیسات آبرسانی، ساختمان های ضروری و…
دیدگاهتان را بنویسید
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.