Fault Rupture

مقدمه

در طی چند دهه گذشته، مهندسین زلزله تحقیقات بسیاری بر روی پاسخ دینامیکی سازه‌ها و سیستم‌های خاک-سازه که تحت تأثیر ارتعاشات لرزه‌ای قوی زمین می‌گیرند، انجام داده‌اند. این نوسانات دینامیکی گذرا، ناشی از امواج تولیدشده از ساختار گسل می‌باشد که در اثر گسلش ایجاد می‌شوند (Ambraseys  و Jackson سال 1984 میلادی). در مقابل تحقیقات بسیاری که مهندسین زلزله انجام داده‌اند، متأسفانه جامعه مهندسی توجه کمتری به نتایج مستقیم فرآیندهای گسلش کرده‌اند. دلیل این مسئله آن است که امواج لرزه‌ای، مسافت‌های طولانی را طی می‌کنند و نواحی بزرگی را تحت تأثیر قرار می‌دهند، درحالی‌که چین‌ها و جابجایی‌های گسل تنها زمانی مهم است که گسلش در سطح زمین و یا در امتداد گسل رخ دهد.

ادبیات فنی بسیاری در مورد پدیده گسترش و انتشار گسلش در نهشته‌های خاکی وجود دارد. به‌عنوان مثال مطالعات میدانی در این زمینه مربوط به زلزله Nevada که در سال 1954 میلادی با بزرگای Ms برابر 1/7 رخ‌داده، انجام‌شده است (Slemmons سال 1957 میلادی و  Oakeshottسال 1973 میلادی). در این مطالعه میدانی که یکی از اولین مطالعات در خصوص گسل نرمال هست، موارد ذیل مورد بررسی قرارگرفته است:

مشاهدات و مطالعات میدانی مشابه ای نیز بعد از زلزله Montana در سال 1959 میلادی با بزرگای Ms برابر با 1/7 (Brune و Allen سال 1967 میلادی، Witkind و همکاران سال 1962میلادی، Steinbrugge و Cloud سال 1962 میلادی، Hadley  سال 1964 میلادی و  Witkind سال 1964 میلادی) و زلزله Idaho در آمریکا در سال 1983 میلادی با بزرگای Ms برابر با 3/7 وجود دارد ( Taylor و همکاران سال 1985 میلادی، Barrientos و همکاران سال 1985 میلادی، Stein و Barrientos سال 1985 میلادی، Crone و همکاران سال 1987 میلادی، Doser و Smith سال 1988 میلادی).

احتمالاً زلزله Mikawa ژاپن با بزرگای Ms برابر 1/7 که در سال 1945 میلادی رخ‌داده است، یکی از اولین زلزله‌هایی بوده که برای مطالعه گسلش مورداستفاده قرارگرفته است (Department of Water Resources سال 1974 میلادی) . در این رخداد، گسل موردنظر از نوع فشاری بوده است و واضح است که گسل فشاری به‌طورمعمول بر روی فرودیواره خم  و به‌تدریج صاف می‌شود. مشاهدات مشابه ای نیز بعد از زلزله White Wolf در کالیفرنیا در سال 1952 میلادی با Ms برابر 7/7 (Oakeshott سال 1973 میلادی)، زلزله Montague Island در آلاسکا در سال 1967 میلادی با Ms برابر 4/8 (Plafker سال 1967 میلادی و Bonilla سال 1970 میلادی) ، زلزله San Fernando در سال 1976 میلادی با Ms برابر 7/6 (Yerkes سال 1973 میلادی) ، زلزله El-Asnam در الجزیره در سال 1980 میلادی با Ms برابر 7 (Ambraseys  و Jackson  سال 1984 میلادی) و زلزله Spitak در ارمنستان در سال 1988 میلادی با Ms برابر 8/6 صورت گرفته است (Yegian و همکاران سال 1994 میلادی).

بااین‌حال، تاکنون مشاهدات اندکی در مورد اندرکنش فونداسیون و سازه با گسلش سطحی وجود دارد. یکی از اولین نمونه‌ها، زیرزمین ساختمان بانک مرکزی نیکاراگوئه بوده است (Niccum و همکاران سال 1976 میلادی). این ساختمان، از نوع بتن مسلح با 15 طبقه بود که در اثر زلزله Managua نیکاراگوئه در سال 1972میلادی با بزرگای سطحی 3/6 به‌شدت آسیب‌دیده است. در همان زمان، گاوصندوق بانک در زیرزمین این ساختمان تعبیه‌شده بود که گسیختگی ناشی گسل امتدادلغز از این گاوصندوق عبور کرده بود. نکته قابل‌توجه این است که گاوصندوق موردنظر در اثر گسلش آسیبی ندیده بود و فقط ترک‌های جزئی بر روی آن مشاهده‌شده است. مهم‌تر از همه، به نظر می‌رسد که سازه صلب این زیرزمین (دیوارهای با ضخامت 45 سانتیمتر) باعث انحراف گسلش سطحی شده است. Duncan و Lefebvre در سال 1973 میلادی آزمایش‌های مقیاس کوچک و تحلیل‌های اجزا محدود را به‌منظور بررسی اندرکنش بین گسل‌های امتدادلغز و سازه‌های صلب مدفون انجام دادند. آن‌ها نتیجه گرفتند که اگر این سازه‌ها به‌درستی طراح شوند ممکن است باعث انحراف گسیختگی گسل‌ها شوند، بدون آنکه آسیبی وارد شود. البته این موضوع در صورتی است که طراحی به‌درستی انجام شود.

زلزله‌های Kocaeli، Düzce-Bolu و Chi-Chi که در سال 1999 میلادی در ترکیه و تایوان رخ‌داده‌اند، موردتوجه مهندسین زلزله بوده است. در این حوادث، تعداد زیادی از انواع مختلف سازه، تغییرمکان های تکتونیکی بین 2 تا 8 متر را تجربه کردند. با اینکه بسیاری از این سازه‌ها تخریب‌شده‌اند و یا به‌شدت آسیب دیدند ولی در مواردی نیز عملکرد رضایت بخشی وجود داشته است (Youd و همکاران سال 2000 میلادی، Erdik سال 2001 میلادی، Bray سال 2001 میلادی، Ural سال 2001 میلادی، Ulusay و همکاران سال 2002 میلادی، Pamuk و همکاران سال 2005 میلادی). به‌عبارت‌دیگر می‌توان سازه‌هایی را طراحی کرد که در مقابل تغییرمکان های تکتونیکی بزرگ، مقاومت کافی را دارا باشند (Duncan و Lefebvre سال 1973 میلادی، Niccum و همکاران سال 1976 میلادی، Youd سال 1989 میلادی، Berrill سال 1983 میلادی).

سه زلزله رخ‌داده در سال 1999 میلادی

زلزله‌های Kocaeli، Duzce-Bolu و Chi-Chi باعث ایجاد گسلش های قابل‌توجهی در سطح زمین و عبور از سازه‌های متعدد شدند بطوریکه تاریخچه‌های موردی بسیار متنوعی از اندرکنش گسل - فونداسیون - سازه فراهم کردند. دو زلزله اول در اثر گسل امتدادلغز همراه با گسل نرمال ایجاد شدند درحالی‌که زلزله آخر در اثر گسل معکوس از نوع راندگی ایجادشده است. بنابراین این سه زلزله نماینده‌ای از مکانیسم‌های ممکن گسلش می‌باشند.

زلزله Kocaeli با بزرگای گشتاوری 4/7 در ترکیه، گسلش سطحی به طول 110 کیلومتر ایجاد کرد (Tutkun و Pavlides سال 2001 میلادی، Pavlides و همکاران سال‌های 2002، 2003 و 2006 میلادی). این گسلش ناشی از فعالیت دوباره 125 کیلومتر از گسل شمال آناتولی بوده است (Barka سال 1999 میلادی، Papadimitriou و همکاران سال 2001 میلادی). این زلزله باعث مرگ بیش از 20000 نفر (Sahin و Tari سال 2000 میلادی) و آسیب شدید و یا واژگونی 100000 سازه گردید (Ural سال 2001 میلادی). شهرهای Izmit، Adapazari و Golcuk آسیب‌های جدی دیدند. این آسیب‌ها از شدت VIII تا X مرکالی متغیر بوده است.

خم‌شدگی در طول گسل بین 2 تا 3 متر بود (Yagi و Kikuchi سال 1999 میلادی) ولی در بعضی نواحی حداکثر 5 متر بوده است. ناحیه گسلش در سطح زمین تقریباً عرضی در حدود 5 تا 25 متر داشت (Awata و همکاران سال 2003 میلادی). همان‌طور که انتظار می‌رفت گسیختگی گسل از انواع مختلف سازه با درجه خرابی‌های متغیر (از ریزش سازه تا بدون آسیب به سازه) عبور کرد (Youd و همکاران سال 2000 میلادی، Erdik سال 2001 میلادی، Ulusay و همکاران سال 2002 میلادی، Pamuk و همکاران سال 2005 میلادی).

از غرب به شرق چهار حوضه کششی جدا از هم در Karamursel، Golcuk، دریاچه Sapanca و دریاچه Eften ایجاد شد. با توجه به خط گسل اصلی و امتداد آن، گسل نرمال در امتداد لبه‌های این حوضه‌ها مشاهده شد. همان‌طور که در شکل 1 به‌صورت شماتیک نشان داده شده است، تغییرمکان تفاضلی بخشی از Golcuk نسبت به Sapanca باعث توسعه 4 کیلومتری گسل نرمال شرق شهر Golcuk بوده است. دومی نیز با حداکثر تغییرمکان رو به پایین عمودی 4/2 متر از Denizevler عبور کرده است. چندین ساختمان نیز با درجه خسارت تا عدم آسیب، از گسل نرمال عبور کرده‌اند (Anastasopoulos و Gazetas سال 2007 میلادی). جزئیات بیشتر در رابطه با هندسه این گسیختگی‌ها در مقالات علمی دیگر موجود است (Tutkun و  Pavlidesسال 2001 میلادی، Pavlides و همکاران سال‌های 2002، 2003 و 2006 میلادی).

شکل 1: (a گسلش های سطحی زلزله Kocaeli ترکیه با  Mwبرابر با 4/7 در 17 اوت سال 1999 میلادی و زلزله Duzce ترکیه با Mw برابر با 1/7 در 12 نوامبر سال 1999 میلادی در دو ناحیه موردنظر ( ناحیه  Denizeveler در شرق Golcuk و پل دره‌ای Duzce-Bolu). (b مکانیسم step-over مسئول گسیختگی گسل نرمالی است که از Denizeveler عبور کرده است (براساس Youd و همکاران سال 2000 میلادی).

سه ماه بعد، در تاریخ 12 نوامبر همان سال، زمین‌لرزه‌ای در Bolu در شرق ترکیه رخ داد. زلزله Duzce-Bolu دارای بزرگای گشتاوری 2/7 بود. مرکز این زلزله در فاصله حدود 110 کیلومتری شرق Kocaeli قرار داشت (شکل 1). این زلزله باعث گسلش سطحی گسل امتدادلغز به طول 40 کیلومتر شد. شهرهای Duzce، Bolu و Kaynasli آسیب‌های جدی در اثر این زلزله دیدند و بیش از 7000 ساختمان به‌شدت آسیب دیدند و در حدود 1350 ساختمان واژگون شدند (Ulusay و همکاران سال 2002 میلادی). میانگین و ماکزیمم خم‌شدگی جانبی در این زلزله همانند زلزله Kocaeli، به ترتیب 3 و 5 متر بوده است. خم‌شدگی نرمال عمودی بین 1/0 تا 5/1 متر در بعضی نواحی مشاهده شد. عرض ناحیه گسیختگی در سطح زمین به‌طورمعمول بین 1 تا 50 متر با ویژگی‌های مشابه زلزله Kocaeli بود.

با این‌حال، در مقایسه با زلزله Kocaeli، گسلش سطحی زلزله 12 نوامبر از سازه‌های زیادی عبور نکرد. یک استثنای مهم، پل دره‌ای اروپایی به طول 3/2 کیلومتر در نزدیکی Kaynasli هست که در محلی قرار داشت که گسلش سطحی باعث آسیب قابل‌توجه پل شد. در شرق پل، یک بخش 300 متری و یک بخش 100 متری از تونل‌های دوقلو Bolu در اثر زلزله Duzce ریزش کرد (Dalgic سال 2002 میلادی، Amberg و Russo سال 2001 میلادی). اگرچه این ریزش عمدتاً ناشی از حرکت لرزه‌ای قوی زمین بوده است ولی گسلش ناشی از تغییر شکل نیز نقش به سزایی داشته است (Giannakou و همکاران سال 2005 میلادی).

پنج هفته بعد از زلزله Kocaeli یک زلزله بزرگ در مرکز غربی تایوان (شکل 2) رخ داد. بزرگای پس‌لرزه‌های این زلزله تا Ms برابر 8/6 بود. زلزله Chi-Chi باعث مرگ 2400 نفر و واژگونی چندین هزار ساختمان شد. گسل Chelungpu مسئول این زلزله شدید بود و موقعیت این گسل به‌صورت شمالی- جنوبی است. در اثر این زلزله گسلش سطحی به طول بیش از 100 کیلومتر ایجاد شد. همان‌طور که در شکل 2 نشان داده شده است، خم‌شدگی عمودی در حدود چند متر در جنوب و در شمال حدود 10 متر هست. بسیاری از تغییر شکل‌های تکتونیکی در ناحیه گسیختگی بر روی فرادیواره متمرکز است که عرض آن از چندین متر تا حدود 100 متر متغیر است. انواع زیادی از مکانیسم انتشار گسیختگی مشاهده شد. از شمال به جنوب، گسلش سطحی از چندین ناحیه روستایی عبور کرد (شکل 2) و تعداد زیادی از سازه‌ها را تحت تأثیر قرارداد. سد Shih-Kang نیز تحت تأثیر این زلزله شکسته شد.

شکل 2: گسیختگی‌های گسل سطحی در اثر زلزله Chi-Chi تایوان با Mw برابر 6/7 در سال 1999 میلادی به کمک خم‌شدگی عمودی گسل اندازه‌گیری شد (مطابق با مطالعات Chen و همکاران در سال 2001 میلادی) و مناطق موردنظر عبارتند از: Shihkang Hsiang، شهر Fung-Yan، پارک Chung-Cheng، Wu-Fung Hsiang و شهر Min-Chien

گسلش سطحی در کوه Etna:

کوه Etna در سیسیل ایتالیا و در ناحیه آتشفشانی با جمعیت کم قرارگرفته است. دامنه شرقی آتشفشان به سمت دریا است (Neri و همکاران سال 1991 میلادی، Lo Giudice و Rasa سال 1992 میلادی، McGuire و همکاران سال 1996 میلادی). گسل‌هایی که لرزه‌خیزی منطقه تحت کنترل آن‌ها هست، ساختارهایی سطحی با مقیاس کوچک هستند که باعث تغییر مکان شیب رو به پایین قسمت شرقی آتشفشان می‌شوند (Azzaro و همکاران سال 1998 میلادی) و ازاین‌رو نرخ لغزش بالایی دارند(Stewart و همکاران سال 1993 میلادی). زلزله‌هایی که معمولاً رخ می‌دهند دارای بزرگاهای متوسط هستند. در میان بزرگترین بزرگاهای مشاهده‌شده در چندین دهه گذشته، در سال 1952 میلادی زلزله‌ای با Md برابر 9/4 بر روی گسل Santa Tecla رخ‌داده است که در شکل 3 قابل‌ مشاهده است (Azzaro سال 1999 میلادی). بااین‌حال، با توجه به ویژگی‌های خاص این گسل‌های فعال لرزه‌خیز، زلزله‌های موردبحث در عمق کانونی کم (کمتر از 2 کیلومتر) رخ‌داده‌اند و باعث آسیب‌های قابل‌توجهی شده‌اند (Lo Giudice و Rasa سال 1992 میلادی، Azzaro سال 1999 میلادی).

گسل Pernicana (شکل 3) در دامنه شمال شرقی آتشفشان قرار دارد و یکی از ساختارهای تکتونیکی اصلی در منطقه هست و به‌طور کامل مورد بررسی قرارگرفته است. طول این گسل 11 کیلومتر است و به‌صورت شرقی- غربی قرارگرفته است (Azzaro و همکاران سال 1998 میلادی). این گسل با نرخ لغزش بالایی شناخته‌شده است و نرخ لغزش آن 2 سانتیمتر در سال تخمین زده‌شده است (Rasa و همکاران سال 1996 میلادی). بعد از یک زلزله کوچک با بزرگای Md برابر 3/3 (دسامبر سال 1985 میلادی) خم‌شدگی زمین در حدود 10 سانتیمتر بوده است (Luongo و همکاران سال 1986 میلادی). به‌طور حیرت‌انگیزی این زلزله کوچک باعث واژگونی ساختمان یک هتل شد. لغزش سطحی در طول این گسل به‌طور عمده در بخش‌های غربی و مرکزی هست ولی خزش در بخش شرقی روی می‌دهد. به همین دلیل، کوه Etna را می‌توان به‌عنوان یک آزمایشگاه طبیعی برای مطالعه اثرات گسلش سطحی بر روی سازه‌ها حتی در غیاب زلزله‌های بزرگ در نظر گرفت. یک دید کلی از اثرات گسلش بر روی سازه‌ها، پل‌ها، تونل‌ها و راه‌ها در مطالعات Azzaro و همکاران در سال 1998 میلادی یافت می‌شود.

شکل 3: نقشه ساختاری ساده از کوه Etna به همراه آثار گسل سطحی. گسل‌های موردنظر در ناحیه مطالعاتی با خطوط قرمز مشخص‌شده‌اند. گسل Pernicana در بالای شکل قابل‌مشاهده است.

تاریخچه‌های موردی از اندرکنش گسل و فونداسیون

به‌منظور دست‌یابی به دید عمیق‌تر از عملکرد سازه‌های تحت تأثیر تغییر شکل گسل، تعدادی از تاریخچه‌های موردی را گردآوری کردیم. هدف ما ارائه مستندات کامل و دقیق از این تاریخچه‌های موردی نبود. هدف ما ترجیحاً طبقه‌بندی تاریخچه‌های موردی گوناگون از ساختگاه های مختلف بود. چهار ساختگاه زلزله عبارتند از : Kocaeli، Duzce، Taiwan و کوه Etna . این چهار ساختگاه ایده آل هستند زیرا :

1-تمام مکانیسم‌های گسلش (کششی، فشاری و امتدادلغز) نشان داده شده است.

2-در هر چهار ساختگاه، خم‌شدگی گسل موردبررسی قرارگرفته است.

3-انواع روش‌های ساخت‌وساز (ترکیه، تایوان و ایتالیا) موردبررسی قرارگرفته است.

مجموعه‌ای از این تاریخچه‌های موردی به کمک مقاله Anastasopoulos و همکاران سال 2007 میلادی به‌صورت عددی تجزیه‌وتحلیل می‌شوند.

تاریخچه‌های موردی در سه دسته گروه‌بندی می‌شوند :

1-سازه‌های واقع بر فونداسیون صلب

2-سازه‌های واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر

3-سازه‌های واقع بر فونداسیون گسسته

درنهایت سازه‌هایی که بر روی سیستم فونداسیونی مشابه قرارگرفته‌اند، صرف‌نظر از نوع گسلش، عملکرد مشابه ای داشته‌اند. به‌طور طبیعی این نتیجه‌گیری به‌صورت کیفی است و جنبه‌های کمی این مسئله قدری مشکل‌تر است و نیازمند دانش دقیقی از خصوصیات سازه و خاک هست.

سازه‌های واقع بر فونداسیون صلب و پیوسته

از بین چندین سازه که تحت تأثیر گسلش سطحی گسل Pernicana (کوه Etna) قرارگرفته‌اند، ساختمان یک طبقه واقع در Roccacampana که در بخش شرقی گسل قرار دارد، به‌عنوان تاریخچه موردی اندرکنش گسل و فونداسیون انتخاب می‌شود. همان‌طور که در شکل 4 قابل‌مشاهده است این ساختمان ترکیبی از مصالح بتن مسلح و مصالح بنایی هست و این ساختمان بر روی فونداسیون صلب و پیوسته واقع است. در طول زلزله‌های متوالی از سال‌های 1981 تا 1988میلادی، اثر سطحی گسل امتدادلغز Pernicana که عمدتاً به‌صورت مورب بود در زیر سازه مشاهده شد. اما بیشترین میزان تغییر شکل، در اثر خزش در طول چندین سال بوده است. نکته قابل‌توجه این است که گسلش آسیب ساختاری جدی به این سازه وارد نکرد. درواقع پیوستگی و سختی فونداسیون (شکل 5) باعث انحراف گسلش سطحی و عدم آسیب به سازه شده است ولی پیوستگی و سختی فونداسیون باعث پیچش صلب حول محور عمودی شده است. آسیب‌های شدید غیر سازه‌ای به شکل ترک‌خوردگی بر روی دیوارهای پارتیشن مشاهده شد.

شکل 4: کوه Etna و گسل امتدادلغز Pernicana: ساختمان یک طبقه واقع بر فونداسیون صلب. پیوستگی و سختی فونداسیون باعث انحراف گسلش سطحی و عدم آسیب به سازه شده است ولی پیوستگی و سختی فونداسیون باعث پیچش جسم صلب حول محور عمودی شده است.

شکل 5: کوه Etna و ساختمان یک طبقه شکل 4- جزئیات سیستم فونداسیون این ساختمان

شباهت‌ها با بانک مرکزی نیکاراگوئه قابل‌توجه است با توجه به این‌که سیستم فونداسیون دو سازه باهم فرق دارند (Duncan و Lefebvre سال 1973 میلادی). برای روشن شدن عملکرد این سازه، یک شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی از سیستم سازه و خاک انجام شد. همان‌طور که در شکل 6 قابل‌مشاهده است، مدل اجزا محدود این سازه در پلان 80m × 80m و در ارتفاع 25 متر و متشکل از 5120 عضو مکعبی هست. تجزیه‌وتحلیل در دو مرحله انجام شد. در مرحله اول، تنش‌های ژئواستاتیک اعمال شد و سپس تغییرمکان گسل به المان‌های خاک به‌صورت شبه استاتیکی اعمال شد. این تجزیه‌وتحلیل نسبتاً ساده بود و نتایج آن به‌صورت زیر هست :

درنتیجه مشاهدات میدانی و آزمایشگاهی یکسان بود.

شکل 6: کوه Etna- گسل امتدادلغز Pernicana- تجزیه‌وتحلیل المان محدود سه‌بعدی ساختمان یک طبقه (a مش بندی سه‌بعدی (b کانتور جابه‌جایی افقی

با توجه به صلبیت فونداسیون، گسیختگی گسل به کمک چرخش جسم صلب منحرف‌شده است. می‌توان تطبیق نتایج حاصل از تجزیه‌وتحلیل را با مشاهدات میدانی مشاهده کرد. همان‌طور که گفته شد، در اثر زلزله Chi-Chi در سال 1999 میلادی در تایوان سازه‌های زیادی تحت تأثیر گسل فشاری Chelungpu قرار گرفتند. از میان چندین ناحیه روستایی، این گسل از شهر Fung-Yan (شکل 2) عبور کرد. اگرچه چندین ساختمان به‌طورجدی آسیب  دیدند ولی موارد استثنایی نیز وجود داشته است. یکی از این موارد ساختمان چهار طبقه بتن مسلح بوده است (شکل7). این سازه بدون آسیب ساختاری اساسی باقی‌مانده است. همانند ساختمان یک طبقه Roccacampana که با توجه به صلب بودن و پیوستگی سیستم فونداسیون آسیب جدی ندیده است.

شکل 7: گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، پارک Chung-Cheng، شهر Fung-Yan: ساختمان چهار طبقه واقع بر فونداسیون پیوسته و صلب. ساختمان 4 متر حرکت رو به بالا بدون آسیب ساختاری اساسی داشته است. چرخش جسم صلب در حدود 10 درجه بوده است.

تجزیه‌ و تحلیل اجزا محدود در حالت دوبعدی انجام شد. همان‌طور که در شکل 8 قابل‌مشاهده است مدل تجربی ساختمان چهار طبقه دچار پیچش 2/9 درجه شده است. حداکثر لنگر خمشی برابر 458 کیلو نیوتن بر متر بوده است. تغییرمکان عمودی از سطح زمین (dy) نشان می‌دهد که ساختمان به‌صورت یک جسم صلب می‌چرخد. در شکل 8 ناحیه AB ثابت است و مشاهدات آزمایشگاهی با مشاهدات میدانی یکسان هستند.

شکل 8: گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، پارک Chung-Cheng، شهر Fung-Yan، تجزیه‌وتحلیل اجزا محدود ساختمان چهار طبقه شکل 6 در حالت دوبعدی (a مش بندی تغییر شکل و کرنش پلاستیک (b تغییر مکان عمودی (dy) در سطح زمین سازه دچار چرخش جسم صلب می‌شود. نتایج بدست آمده از تجزیه‌وتحلیل در شرایط کیفی با مشاهدات میدانی سازگار دیده می‌شود.

شکل 9 ساختمان چهار طبقه‌ای را نشان می‌دهد که فونداسیون آن صلب و پیوسته است. این ساختمان    تغییرمکان رو به پایینی برابر 3/2 متر و بدون آسیب قابل‌مشاهده‌ای داشته است. این ساختمان به‌طور قابل‌توجهی باعث انحراف گسلش سطحی شده است.

شکل 9: گسل نرمال (کششی) شرق Golcuk، Kocaeli، زلزله سال 1999 میلادی ترکیه، Denizevler : ساختمان چهار طبقه به همراه یک طبقه زیرزمین، واقع بر فونداسیون صلب و پیوسته. این ساختمان تغییرمکان رو به پایینی برابر 3/2 متر و بدون آسیب قابل‌مشاهده‌ای داشته است. این ساختمان به‌طور قابل‌توجهی باعث انحراف گسلش سطحی شده است.

برای بررسی این ساختمان نیز از مدل اجزا محدود استفاده‌شده است. همان‌طور که در شکل 10 قابل‌مشاهده است مسیر گسلش به‌وضوح به سمت فرودیواره منحرف‌شده است و به سمت سطح زمین متمایل است. این ساختمان نیز به‌صورت یک جسم صلب چرخیده است و لنگر خمشی حداکثر آن برابر 86 کیلو نیوتن بر متر است. در دو مورد گذشته، فونداسیون صلب و پیوسته مسئول یک پاسخ مطلوب بوده است. مشاهدات آزمایشگاهی با مشاهدات میدانی سازگار بوده است به‌جز پیچش سازه که در واقعیت کمتر از مشاهدات آزمایشگاهی بوده است.

شکل 10: گسل نرمال (کششی) شرق Golcuk، Kocaeli، زلزله سال 1999 میلادی ترکیه، Denizevler ، تجزیه‌وتحلیل اجزا محدود ساختمان پنج طبقه شکل 9 در حالت دوبعدی.  (a مش بندی تغییر شکل و کرنش پلاستیک (b تغییر مکان عمودی در سطح زمین

با توجه به صلبیت و پیوستگی فونداسیون، مسیر گسلش به سمت فرودیواره منحرف می‌شود. سازه فقط دچار چرخش جسم صلب محدودی بدون تنش قابل‌توجهی می‌شود. مشاهدات آزمایشگاهی با مشاهدات میدانی سازگار است. شکل 11 یک نمونه از زلزله سال 1999 میلادی Chi-Chi در تایوان را نشان می‌دهد. در این شکل تیر فشارقوی برق در شهر Min-Chien قابل‌مشاهده است. گسل فشاری Chelungpu از این تیر فشارقوی برق عبور کرده است و باعث شده است که این تیر 4 متر به سمت بالا حرکت کند. نکته قابل‌توجه این است که فونداسیون صلب باعث شد که تیر فشارقوی برق دچار آسیب ساختاری قابل‌مشاهده‌ای نشود. بااین‌حال چرخش جسم صلب در حدود 18 درجه است. در موارد قبلی، همچنین استدلال شده است که صلبیت سقف نیز ممکن است نقش اساسی ایفا کند. بااین‌حال در این مورد، سقف سازه کاملاً انعطاف‌پذیر است و دلیل بقای سازه، فونداسیون آن هست.

شکل 11 : گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، شهر Min-Chien : تیر فشارقوی برق واقع بر فونداسیون صلب و پیوسته. این تیر 4 متر حرکت رو به بالا بدون آسیب ساختاری قابل‌مشاهده داشته است. بااین‌حال چرخش جسم صلب در حدود 18 درجه است.

سازه‌های واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر

در بخش قبلی، عملکرد رضایت‌بخش سازه‌های واقع بر فونداسیون صلب و پیوسته از طریق تاریخچه‌های موردی متنوع در ساختگاه های گوناگون زلزله بیان شد. در این بخش به بررسی سازه‌های واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر می‌پردازیم. شکل 12 مثالی از زلزله Chi-Chi در سال 1999 میلادی است. در این شکل یک ساختمان چهار طبقه بتن مسلح در شهر Fung-Yan قابل‌مشاهده است. از گوشه ساختمان گسل فشاری Chelungpu عبور کرده است. گوشه ساختمان 6 متر حرکت رو به بالا داشته است. همچنین این ساختمان در برابر تغییر شکل، مقاومتی نداشته است و آسیب‌های ساختاری جدی را متحمل شده است. واضح است که فونداسیون انعطاف‌پذیر تغییرمکان ها را به چرخش جسم صلب تبدیل نمی‌کند و ساختمان حول محور افقی خود نمی‌چرخد و دچار پیچش کمی می‌شود.

شکل 12: گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، شهر Fung-Yan : ساختمان چهار طبقه واقع بر فونداسیون نسبتاً انعطاف‌پذیر. ساختمان 6 متر حرکت رو به بالا با آسیب ساختاری اساسی داشته است. چرخش جسم صلب بین 4 تا 7 درجه بوده است.

مثال دیگری از این زلزله در شکل 13 قابل‌مشاهده است. در این شکل ساختمان پنج طبقه دانشکده فنی و تجارت Tze-Min در Wu-Fung Hsiang وجود دارد. گسل Chelungpu از این ساختمان بتن مسلح عبور کرده است و باعث شده است که ساختمان 3 متر به سمت بالا حرکت کند. به علت فونداسیون نسبتاً انعطاف‌پذیر این ساختمان، آسیب‌های ساختاری سنگینی به سازه واردشده است. همان‌طور که قابل‌مشاهده است چرخش جسم صلبی وجود ندارد و درواقع تغییر شکل زمین به سازه تحمیل‌شده است. در مقایسه با مورد قبلی (شکل 12)، یک تفاوت قابل‌توجه این است که گسل به‌صورت عمود از بعد بزرگ‌تر ساختمان عبور کرده است. تفاوت موجود در هندسه عبوری گسل، کاملاً حیاتی است. در این حالت فونداسیون سازه، انعطاف‌پذیرتر رفتار می‌کند.

شکل 13: گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، Wu-Fung Hsiang، دانشکده فنی و تجارت Tze-Min : ساختمان پنج طبقه واقع بر فونداسیون نسبتاً انعطاف‌پذیر. ساختمان حدود 3 متر حرکت رو به بالا با آسیب ساختاری قابل‌توجهی داشته است.

 شکل 14 ساختمان سه‌طبقه‌ای را در شهر Fung-Yan نشان می‌دهد. گسل Chelungpu به‌طور عمود از بعد بزرگ‌تر ساختمان عبور کرده است. ساختمان 4 متر حرکت رو به بالا داشته است. طبقه اول این ساختمان تخریب شد و  فونداسیون انعطاف‌پذیر این سازه، مقاومت خمشی قابل‌توجهی از خود ایفا نکرد.

شکل 14: گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، پارک Chung-Cheng، شهر Fung-Yan : ساختمان سه‌طبقه واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر. این ساختمان 4 متر حرکت رو به بالا داشته است و همچنین طبقه اول این ساختمان تا حدی واژگون شده است.

 دو مثال از زلزله Kocaeli در سال 1999 میلادی در شکل 15 قابل‌مشاهده است:

1- مسجد واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر

2- ساختمان یک طبقه با مصالح آجر سیمانی سبک واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر

در دو ساختمان گسلش نرمال در گوشه ساختمان‌ها رخ‌داده است. این گسلش باعث تغییرمکان 5/1 متری ساختمان‌ها و واژگونی دو ساختمان شده است. همانند مورد قبلی (زلزله Chi-Chi)، تغییرمکان های تفاضلی بدون تغییر به سقف سازه منتقل شده است. در مقایسه با مورد قبلی، شدت حرکت زمین در اینجا نقش عمده‌ای ایفا نمی‌کند. مناره مسجد نیز ریزش نکرده است.

شکل 15 : گسل نرمال (کششی) شرق Golcuk، Kocaeli، زلزله سال 1999 میلادی ترکیه، Denizevler a) مسجد واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر b) ساختمان یک طبقه با مصالح آجر سیمانی سبک واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر هر دو ساختمان تغییر مکان تفاضلی در حدود 5/1 متر داشته‌اند و تا حدی نیز دچار واژگونی شده‌اند.

در این حالت نیز روش تجزیه‌وتحلیل اجزا محدود انجام گرفت. همان‌طور که در شکل 16 قابل‌مشاهده است مسیر گسلش تحت تأثیر سازه نبوده است. به‌طورکلی نتایج حاصل از این تجزیه‌وتحلیل با مشاهدات سازگار است.

شکل 16: گسل نرمال (کششی) شرق Golcuk، Kocaeli، زلزله سال 1999 میلادی ترکیه، Denizevler، تجزیه‌وتحلیل اجزا محدود مسجد در حالت دوبعدی. (a مش بندی تغییر شکل و کرنش پلاستیک (b تغییر مکان عمودی در سطح زمین به علت گسستگی و انعطاف‌پذیری فونداسیون، روبنای سازه تحت تأثیر تنش زیادی واقع است.

مثال آخر از زلزله Chi-Chi سال 1999 میلادی مربوط به سد Shih-Kang هست. همان‌طور که در شکل 17 قابل‌مشاهده است گسل Chelungpu از شهر Fung-Yan عبور کرده است. این گسل 7 متر حرکت رو به بالا داشته است و گسلش باعث واژگونی کامل یک ساختمان، آسیب‌های قابل‌توجه سه ساختمان دیگر، ریزش بخشی از یک ساختمان یک طبقه، ریزش دو دهانه از پل Bei-Fung و شکست سد بتنی Shih-Kang شده است.

شکل 17: گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، شهر Fung-Yan. از بالا راست تا بالا چپ : گسیختگی گسل که از شهر Fung-Yan عبور کرده باعث واژگونی کامل یک ساختمان، آسیب‌های قابل‌توجه سه ساختمان دیگر، ریزش بخشی از یک ساختمان یک طبقه، ریزش دو دهانه از پل Bei-Fung و شکست سد بتنی Shih-Kang شده است.

همان‌طور که در شکل 18 قابل‌مشاهده است، گسلش از قسمت شمالی سد با حرکت رو به بالا 8 متری عبور کرده است و باعث از بین رفتن سرریزها و دریچه‌های سد شده است. به دلیل طول 700 متری گسلش (Chen-Shan و همکاران سال 2001 میلادی، Sugimura و همکاران سال 2001 میلادی)، به نظر می‌رسد که سد به‌عنوان یک سازه واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر رفتار کرده است و همین امر باعث آسیب‌های سازه‌ای قابل‌توجهی شده است. باوجود تفاوت‌های آشکار با تاریخچه‌های موردی قبلی (روبنای این سد کاملاً با یک ساختمان متفاوت است) رفتار این سازه با موارد قبلی مشابه است.

شکل 18: گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، سد Shih-Kang. گسلش از قسمت شمالی سد با حرکت رو به بالا حدوداً 8 متری عبور کرده است و باعث از بین رفتن سرریزها و دریچه‌های سد شده است. به دلیل طول 700 متری گسلش، سد به‌عنوان یک سازه انعطاف‌پذیر رفتار کرده است.

سازه‌های واقع بر فونداسیون گسسته

یکی از تفاوت‌های اصلی بین ساختمان‌ها و پل‌ها در این است که پل‌ها بر روی فونداسیون گسسته قرار  می‌گیرند و درنتیجه رفتار آن‌ها متفاوت با ساختمان‌ها هست. برای روشن شدن تفاوت‌ها، در این قسمت دو مثال از پاسخ لرزه‌ای پل‌ها در اثر زلزله Chi-Chi و Duzce آورده می‌شود. اولین مثال از زلزله Chi-Chi در سال 1999 میلادی هست که بر روی پل Bei-Fung تأثیر گذاشت. همان‌طور که در شکل 19 قابل‌مشاهده است گسل فشاری Chelungpu از کوله جنوبی پل با حرکت رو به بالا حدوداً 7 متری عبور کرده است. عرشه پل شامل چهار تیر بتنی پیش‌تنیده و یک دال بتن مسلح پیوسته است. به‌علاوه با توسعه آبشار کوچک ولی تأثیرگذار، تغییر شکل بدست آمده از گسلش باعث ریزش دو دهانه از پل شد.

شکل  19: گسل فشاری Chelungpu، زلزله Chi-Chi تایوان در سال 1999 میلادی، شهر Fung-Yan. گسل فشاری از کوله جنوبی پل Bei-Fung با حرکت رو به بالا حدوداً 7 متری عبور کرده است و باعث واژگونی دو دهانه از پل و توسعه آبشار کوچک ولی تأثیرگذار شده است.

 شکل 20 پل دره‌ای Kaynasli در ترکیه را نشان می‌دهد. در طول زلزله Duzce-Bolu در سال 1999 میلادی گسل شمال Anatolian از این پل عبور کرد. این پل متشکل از دو عرشه مجزا هست. طول دهانه‌های پل بین 58 و 59 متر متغیر است. طول این پل 3/2 کیلومتر هست و پایه‌های این پل ارتفاعی بین 10 تا 49 متر دارند. هر عرشه پل متشکل از هفت‌ تیر بتنی پیش‌تنیده هست که در ارتباط با یک دال بتن مسلح در بالا هستند. اتصالات در هر 10 دهانه نصب شده‌اند. همان‌طور که در شکل 20 قابل‌مشاهده است، تغییر شکل ناشی از گسلش باعث تغییرمکان افقی قابل‌توجه و چرخش پایه‌ها شده است.

شکل 20: گسل امتدادلغز شمال Anatolia، Duzce، زلزله سال 1999 میلادی ترکیه، پل دره‌ای Duzce-Bolu : گسلش باعث تغییر مکان افقی قابل‌توجه و چرخش پایه‌های پل شده است. عرشه جداشده لرزه‌ای پل در حدود 2/1 متر تغییر مکان تفاضلی به‌منظور جلوگیری از واژگونی پل داشته است.

نتیجه‌گیری

همان‌طور که بررسی تاریخچه‌های موردی از اندرکنش بین گسل و فونداسیون چهار زلزله مختلف نشان داد، برای دستیابی به نتایج کلی و مهم نیاز است که تاریخچه‌های موردی گوناگون وابسته به ساختگاه های مختلف، از نظر پاسخ سازه‌ای دسته‌بندی شوند. بنابراین به‌طورکلی می‌توان نتایج حاصل از بررسی‌ها را در موارد ذیل خلاصه نمود:

1- سیستم فونداسیون نقش کلیدی در پاسخ سازه‌های تحت تأثیر گسلش ایفا می‌کند. بسته به ‌سختی فونداسیون، روبنای سازه به‌عنوان یک جسم صلب می‌چرخد و تغییر شکل ناشی از گسلش بر روی آن تأثیر می‌گذارد و معمولاً در مقابل آسیب‌های ساختاری جدی و قابل‌توجه مقاوم است.

2-سازه‌های واقع بر دستگاه‌های فونداسیونی صلب و پیوسته، صرف‌نظر از نوع گسلش، عملکرد رضایت بخشی از خود نشان می‌دهند. در این حالت در هنگام وقوع گسلش، سازه‌ها به‌عنوان یک جسم صلب و بدون اعوجاج قابل‌توجهی می‌چرخند. در مواقعی که گسلش از نوع شیب‌لغز(فشاری یا کششی) هست، چرخش حول محور افقی است و در مواقعی که گسلش از نوع امتدادلغز است، چرخش حول محور عمودی (پیچش) است. سازه سنگین واقع بر فونداسیون صلب و پیوسته ممکن است مسیر گسلش را منحرف کند و درنتیجه منجر به تغییرمکان تفاضلی کوچک‌تر شود.

3-سازه‌های واقع بر فونداسیون انعطاف‌پذیر تحت تأثیر تغییر شکل‌های ناشی از گسلش قرار دارند و ازاین‌رو دچار آسیب‌های ساختاری می‌شوند. این‌گونه سازه‌ها در هنگام گسلش شدید، مستعد ریزش جزئی یا کلی هستند. انعطاف‌پذیری فونداسیون تنها مرتبط به‌سختی فونداسیون نیست بلکه طول ساختمان نیز تأثیرگذار است. به‌عنوان مثال یک فونداسیون ممکن است برای یک ساختمان باریک، سختی کافی داشته باشد ولی همان فونداسیون برای یک ساختمان عریض به‌عنوان یک فونداسیون انعطاف‌پذیر رفتار کند. علاوه بر این، همان سازه ممکن است پاسخ کامل متفاوتی با توجه به مسیر گسلش از خود نشان دهد.

4-سازه‌هایی مانند پل‌ها که بر روی تکیه‌گاه‌های گسسته قرار دارند عملاً مجبور به دنبال تغییر شکل زمین هستند. در چنین مواردی، اگر روسازه (عرشه) به‌درستی طراحی نشود خطر اصلی مربوط به تغییرمکان نسبی بین دو تکیه‌گاه مجاور افزایش می‌یابد. اگر نشیمن‌گاه تیرهای عرشه کافی نباشد، یک دهانه یا بیشتر ممکن هست ریزش کنند. با تعبیه نشیمن‌گاه کافی و موانع مناسب در پل‌ها می‌توان از خسارت پل‌ها جلوگیری کرد.

5-نتایج بدست آمده در اینجا تقریباً اعتبار کلی دارند. در این مقاله چهار زلزله در نظر گرفته شد که تمامی مکانیسم‌های گسلش نشان داده شده است و تنوعی از ساختمان‌ها بیان‌شده است.

6-سازه‌های در مجاورت گسل‌های فعال قادر به تحمل چندین متر از تغییرمکان گسل هستند.