تحلیل خطر زلزله

Earthquake Hazard Analysis


زلزله ها از جمله مخاطرات طبیعی با ماهیت تصادفی می باشند. لذا اثرات زلزله های آینده را نمی توان دقیقاً مشخص کرد و تنها با روش های احتمالاتی می توان تا حدی این اثرات را پیش بینی نمود. تحلیل خطر زلزله شامل تحقیقات و روش هایی است که به وسیله آنها می توان اثرات زمین لرزه های آینده را در ساختگاه تخمین زد. این اثرات اصولاً شامل پارامترهای حرکتی زمین است. در گذشته به دلیل فقدان ابزارهای اندازه گیری جنبش زمین، از پارامتر شدت زلزله استفاده می شد. بعد از توسعه ابزارهای ثبت اطلاعات جنبش زمین، از حداکثر شتاب زمین (PGA) در مطالعات تحلیل خطر استفاده شد. حداکثر سرعت زمین (PGV) و حداکثر جابجایی زمین (PGD) و همینطور شتاب طیفی (SA) در پریودهای مختلف سازه های، مثال های از پارامترهای سنجش جنبش زمین در سالهای اخیر است. تحلیل خطر زلزله یک جزء ضروری طراحی لرزه ای سازه ها، تحلیل ریسک زلزله، تخمین تلفات و خسارات و محاسبات بیمه ای مربوط به آن محسوب می شود. تحلیل خطر زلزله برای تهیه نقشه های لرزه ای که اطلاعات مهمی را برای طراحی سازه های معمولی ارائه می دهد، ضروری است. طراحی و تخمین امنیت سازه های مهم مانند سدها، نیروگاه های هسته ای و غیره وابسته به تحلیل خطر زلزله ساختگاه آنها می باشد. در واقع تحلیل خطر زلزله تخمین كمي خطرات لرزش زمین در يک محل بخصوص مي باشد. در تحلیل خطر پذيری از پارامترهایي چون فاصله، بزرگا، روابط كاهندگي، شرايط خاک محلي و ... استفاده شده و پارامتر مشخصي از حركت زمین در سايت مورد نظر پیش بیني مي شود. برای تحلیل خطر لرزه ای دو روش تعینی و احتمالاتی وجود دارد که در ادامه به آنها پرداخته می شود:

 روش تحلیل خطر تعیني

در اين روش که به اختصار  DSHAنامیده می شود، همه پارامترها از جمله بزرگای تولید شده در چشمه و فاصله از سايت به طور قطعي انتخاب شده و سپس تحلیل خطر انجام مي گیرد. همانطور كه در شکل 1 زیر نشان داده شده است، تحلیل خطر به روش تعیني از چهار گام اصلي تشکیل مي‌شود:

شکل 1- گام های روش تحلیل خطر تعینی

 

1- شناسائي چشمه های لرزه زا: شناسایی و مشخص نمودن تمامی منابع لرزه ای که قادر به ایجاد حرکات شدید زمین هستند. منظور از مشخص نمودن، تعریف هندسه هر منبع و پارامترهای لرزه ای آن است. برای شناسایی یک چشمه لرزه ای از اطلاعات بدست آمده از علوم مختلفی مانند ژئوفیزیک، لرزه شناسی و زمین‌شناسی استفاده می شود. فاصله چشمه لرزه ای تا محل برای هر چشمه لرزه ای در اغلب روش های تحلیل خطر تعینی، نزدیکترین فاصله بین منبع لرزه ای تا ساختگاه مورد استفاده قرار می گیرد. این فاصله بر مبنای فاصله تا مرکز سطحی یا فاصله کانونی و غیره می تواند باشد. در شکل 2 انواع فاصله های چشمه لرزه زا تا سایت مورد نظر نشان داده شده است.

شکل 2- انواع فاصله های چشمه لرزه زا تا سايت مورد نظر

 

2- تعیین زمین لرزه كنترلي برای هر گسل: زلزله کنترلی زمین لرزه ای است که انتظار می رود بعد از وقوع حداکثر پارامتر حرکتی زمین مانند PGA را در ساختگاه ایجاد نماید. انتخاب زلزله کنترلی که بر اساس مقایسه میزان ارتعاش تولید شده توسط زلزله در فاصله آن از ساختگاه تعیین می شود.

3- انتخاب روابط كاهندگي برای پارامترهای جنبش زمین: با دور شدن از مركز زمین لرزه، جنبش زمین با شدت كمتری احساس مي شود و اين مطلب نشان دهنده میرایي جنبش زمین مي باشد. میزان اين میرایي به عوامل مختلفي از جمله شرايط زمین شناسي و نوع حركت گسل مرتبط است. بنابراين میزان اين میرایي در مناطق مختلف متفاوت مي باشد و در نقاط مختلف دنیا مطالعات گسترده ای توسط محققان انجام شده و روابطي به نام روابط كاهندگي ارائه شده است.

4- محاسبه پارامترهای طراحي جنبش زمین: خطر زلزله به وسیله یک یا چند پارامتر حرکتی ایجاد شده از وقوع زلزله کنترلی مانند حداکثر شتاب، سرعت و یا شتاب طیفی که از روابط کاهندگی بدست می آید، در محل سایت تعریف می شود.

تحلیل خطر احتمالاتی

تحلیل خطر احتمالاتیPSHA  زلزله به منظور طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله با در نظر گرفتن عدم قطعیت در اندازه و موقعیت و اثر شدت لرزش یک زلزله در آینده موضوع بسیار مهمی است. هدف روش تحلیل خطر احتمالاتی زلزله بررسی و لحاظ این عدم قطعیت ها است. به منظور ارزیابی خطرپذیری یک سازه در مقابل زلزله ابتدا باید احتمال یا نرخ تجاوز لرزش زمین در محل سایت از محدوده سطوح شتاب مورد نظر را بدست آورد. این تحلیل در نهایت به رسم منحنی خطر زلزله در محل ساختگاه منجر می شود که به کمک آن می توان طیف طرح ساختگاه که مبنای طراحی لرزه ای سازه های خاص در برابر زلزله است را بدست آورد. همانند تحلیل خطر تعیني، تحلیل خطر احتمالاتي نیز از چهار گام تشکیل شده است.

شکل 3- گام های روش تحلیل خطر تعینی

1- شناسایي چشمه های لرزه ای و بررسي لرزه خیزی منطقه:

برای بررسي لرزه خیزی در محدوده مطالعاتي انتخاب شده، تمام زلزله های به وقوع پیوسته از بانک داده های لرزه ای استخراج مي شوند. مشحصات و ويژگي‌های زمین لرزه های تاريخي با استفاده از كاتالوگ زمین لرزه های تاريخي و يا با استفاده از علم ديرينه‌لرزه شناسي به دست مي آيند. چشمه های لرزه ای و مکانیسم حركتي و مشخصات هندسي آنها بايد به گونه ای ساده شوند كه بتوان آن ها را به عنوان چشمه نقطه ای، خطي، سطحي و يا حجمي در نظر گرفت. در شکل 4 اطالعات کلی و کاربرد آنها در شناسایی یک چشمه لرزه ای مشاهده می شود.

شکل 4- اطالعات کلی و کاربرد آنها در شناسایی یک چشمه لرزه ای

2- محاسبه رابطه فراواني زلزله ها و بزرگای آنها و محاسبه چگالي و توزيع احتمال:

 رابطه ی فراواني- بزرگای زلزله ها بیان کننده ی نحوه توزیع تعداد زلزله ها در بزرگاهای مختلف است. برای بدست آوردن آن معمولا از دو مدل استفاده زیر استفاده می شود:

 الف- مدل نمایی(Exponential model):  این مدل به مدل گوتنبرگ-ریشتر هم معروف است. از ديدگاه توزيع بزرگاي زلزله، مدل رايج نمايي و تعدادي از گونه هاي مختلف آن و مدل هاي غير نمايي مورد استفاده است. مدل نمايي براي توزيع بزرگاي زلزله، براي يك ناحيه نتايج مناسبي مي دهد اما براي يك گسل خاص نرخ تكرار زلزله هاي بزرگ را كمتر از ميزان واقعي تخمين مي زند.

 ب) مدل زلزله سرشتی (Characteristic Earthquake model): زلزله سرشتی بیان کننده زلزله با بزرگای مشخص و دوره تکرارهای بخصوصی است که در گسل منبع آن رخ می دهد. در شکل 5 نمایش شماتیک زلزله سرشتی نشان داده شده است.

شکل 5- نمایش شماتیک مدل زلزله سرشتی

 

در شکل 6 تابع توزیع چگالی برای مدل زلزله سرشتی و مدل نمایی قطع شده نشان داده شده است.

شکل 6- تابع توزیع چگالی برای مدل زلزله سرشتی (خط ممتد) و مدل نمایی قطع شده (خط چین)

3- انتخاب رابطه كاهندگي:

 با دور شدن از مرکز زلزله‌ها، به دلیل مکانیزم‌های مختلف میرایی جنبش نیرومند زمین با شدت کمتری احساس می‌شود. میزان این میرایی بسته به عوامل مختلف از جمله شرایط زمین‌شناسی، زمین‌ریخت‌شناسی و نوع حرکت بر روی سطح کانونی زلزله دارد. بنابراین میرایی جنبش زمین در نقاط مختلف دنیا و شرایط زمین‌شناسی و تکتونیکی مختلف متفاوت می‌باشد. جهت محاسبه حداکثر مقادیر پارامترهای جنبش شدید زمین (شتاب، سرعت، جابجایی) قوانین متعددی بر حسب بزرگا و فاصله کانونی وجود دارد که در تحلیل خطر زلزله از آن‌ها استفاده می‌گردد.

مطالعه زلزله‌های مختلف نشان داده است که منبع موج‌های زلزله مخصوصاً در زلزله‌های بزرگ معمولاً چندین کیلومتر زیر سطح زمین قرار دارد. مقدار انرژیی که به سطح زمین می‌رسد در منطقه نسبتاً وسیعی در طول گسل یکسان خواهد بود و کاهش بیشینه شتاب زمین در حین دور شدن از گسل در فاصله‌ای معادل با بعد قائم گسیختگی گسل به کندی صورت می‌گیرد و در فواصل دورتر کاهش بیشینه شتاب زمین سریعتر می‌گردد. در مورد زلزله‌های کوچک که طول گسیختگی گسل کوچک است منحنی‌های هم‌شتاب در سطح زمین تقریباً دایره‌ای شکل خواهد بود ولی در مورد زمین‌لرزه‌های بزرگ که طول گسیختگی گسل در آنها خیلی طویل‌تر می‌باشد منحنی‌های هم‌شتاب کشیده‌تر و به صورت بیضی‌وار درخواهند آمد.

رابطه کاهندگی ارتباط بین یک پارامتر جنبش نیرومند زمین (PGA)، با بزرگا و فاصله را بیان می‌دارد و تابع چند پارامتر می‌باشد که مهمترین آنها به شرح زیر می‌باشند:

الف) خصوصیات چشمه – بزرگا – نوع گسلش و فاصله از چشمه لزره‌زا.

ب) مسیر عبور موج، انعکاس و جذب انرژی به خاطر خصوصیت موادی که از آنها عبور می‌کند.

ج) زمین‌شناسی ساختگاه، توپوگرافی ساختگاه.

شکل عمومی یک رابطه کاهندگی به صورت زیر می‌باشد:

Log (Y) = a + F1 (M) + F2 (R) + F3 (S) + ε

(Y) پارامتر مورد نظر جنبش نیرومند زمین است که مستقیماً با بزرگا (M) و به طور عکس با فاصله (R) ارتباط دارد. ضرایب ثابت این رابطه به طور تجربی با استفاده از روش‌های آماری و از روی شتابنگاشت‌ها انتخاب می‌شوند.  ε خطای تصادفی با مقدار میانگین صفر و انحراف معیار σ می‌باشد. پارامترهای دیگری نیز نظیر شرایط ساختگاهی، نوع گسلش، ضخامت آبرفت و غیره قابل مدل کردن به صورت ریاضی می‌باشند که به صورت کلی به صورت F3 (S)  در رابطه فوق نشان داده شده است.

پارامترهاي ورودي در PSHA از قبيل ابعاد گسل، حداكثر بزرگا، رابطه كاهندگي و طول گسيختگي معمولاً از يك سري داده‌هاي محدود تعيين مي‌شوند كه حاوي عدم قطعيت‌هاي بسياري هستند. درخت منطقي يك ابزار مناسب براي وارد كردن اين عدم قطعيت‌ها در تحليل خطر زلزله مي‌باشد. استفاده از درخت منطقي اين اجازه را مي‌دهدكه عدم قطعيت‌هاي موجود در پارامترها با نسبت دادن ميزان احتمال درست بودن مقادير آن‌ها وارد تحليل شوند. نتيجه نهايي اين فرايند يك درخت منطقي است كه در پايان هر شاخه (گره پاياني) به يك مقدار براي PSHA مي توان رسید. هريك از اين مقادير داراي وزني مي‌باشند كه در پايان به آن‌ها اعمال مي‌شوند. در شكل 13 درخت منطقي مورد استفاده در اين پروژه براي بيشينه شتاب افقي آورده شده است. دليل استفاده از روش درخت منطقي در مورد روابط كاهندگي اين است كه اين روابط هركدام با داده‌ها و فرض‌هاي متفاوت بدست آمده‌اند و جواب‌هاي مختلفي براي يك ساختگاه دارند. از اينرو بهترين راه حل استفاده همزمان از اين روابط كاهندگي با استفاده از روش درخت منطقي است، به نحوي كه هريك به نوعي كمبود ديگري را پوشش دهد.

4- محاسبه و بدست آوردن منحني خطر لرزه ای سايت مورد نظر:

 تابع چگالي احتمال فاصله نقطه آغاز گسلش زمين تا محل ساختگاه (fR(r، با تقسيم بندي هر چشمه لرزه زا به جزءهاي كوچكتر و اندازه گيري فاصله هر جزء از محل ساختگاه و انجام محاسبات فراواني نمونه‌ها بدست مي آيد. با داشتن تابع چگالي احتمال بزرگای هر چشمه (fM(m، تابع چگالی احتمال فاصله نقطه آغاز گسلش زمین تا محل ساختگاه (fM(m و تابع توزیع احتمال رخداد سطوح مختلف شدت لرزه ای به شرط رخداد بزرگای m در فاصله r از ساختگاه،( P(IM>x/m,r، می توان احتمال فراگذشت پارامتر جنبش زمین از یک سطح مشخص را از رابطه زیر بدست آورد:

در رابطه فوق، P(M>mminنرخ رخداد زلزله های بزرگتر از mmin برای چشمه i ام است.( P(IM>x احتمال رخداد سالیانه IM>x است که IM پارامتر جنبش زمين مورد نظر است (مانند شتاب حداكثر زمين يا شتاب طيفي در پريود مشخص و...). با محاسبه نرخ رخداد ساليانه سطوح مختلف پارامتر جنبش زمين با استفاده از فرآيند انتگرالگيري فوق و ترسيم نتيجه حاصل، منحني موسوم به منحني خطر حاصل مي شود. شکل 7 نمونه اي از يك منحني خطر را براي شتاب حداكثر (PGA) در يك ساختگاه فرضي نشان مي دهد.

شکل 7- منحنی خطر برای یک ساختگاه فرضی

تحلیل خطر به روش احتمالاتی را می توان با توجه به نوع اطلاعات مورد استفاده به مدل های زیر تقسیم بندی کرد:

1- مدل خطر لرزه‌ای: هدف از ارائه این مدل پیش بینی خطر زلزله‌های آتی براساس زلزله‌های گذشته است.

مزایای مدل خطر لرزه‌ای بدین شرح می‌باشد: 1) پتانسیل زلزله در مجاورت محل‌هایی که در واقعیت دارای زلزله می‌باشند، متمرکز می‌شود. 2) این مدل یک تخمین زننده سر راست است. 3) این مدل به نحوی وابسته به زمان می‌باشد و با تکمیل کاتالوگ در طول زمان برآورد خطر نیز دقیقتر و کاملتر می‌شود. 4) همواره نرخ لرزه‌خیزی مشاهده شده در بزرگای مینیمم را بازتولید می‌کند. 5) به عنوان یک کنترل واقعی برای دیگر روش‌های تخمین زننده استفاده می‌شود.

مشکلات مدل خطر لرزه‌ای بدین شرح می‌باشد: 1) نمونه‌های لرزه‌خیزی محدود می‌باشند، چرا که تخمین برای نرخ زلزله‌های با بزرگای بزرگتر باید با استفاده از برونیابی نرخ زلزله‌های کوچکتر صورت گیرد. 2) گسل‌های غیر فعال تاریخی بدون هیچ خطری هستند.

 

2- مدل خطر ژئودتیک: اطلاعات ژئودزی از این جهت ارزشمندند که می‌توان نرخ زلزله‌ها را برای گسل‌هایی که اطلاعات آنها مستند نشده و یا با استفاده از روش‌های سنتی غیر قابل دستیابی هستند، بدست آورد. از سوی دیگر تأییدی مستقل از نرخ تغییرشکل‌ها در مناطقی که زمین شناسان برای آنها گسل ثبت کرده اند ، فراهم می‌کند. همچنین اطلاعات ژئودزی ابزاری است برای قضاوت در مورد سازگاری تغییرشکل‌های معاصر با زلزله‌های تاریخی ثبت شده.

مزایای مدل خطر ژئودتیک بدین شرح می‌باشد: 1) کاملا براساس نرخ کرنش بوده و نیاز به قیدهای کمی دارد. 2)‌ مرزهای خطا در نقشه‌ها به خوبی مشخص است. 3) این رویکرد پوشش جغرافیایی گسترده ای حتی در مواقعی که اطلاعات کمی از گسل‌ها در دسترس باشد، ارائه ‌می‌دهد. 4) کرنش‌های ژئودتیکی به صورت آهسته با زمان تغییر می‌کنند، بنابراین نقشه‌های خطر تولید شده از آنها بیان بهتری از آینده نزدیک نسبت به روش‌های ژئولوژیکی دارند.

مشکلات مدل خطر ژئودتیک بدین شرح می‌باشد: 1) تبدیل کرنش ژئودتیکی به کرنش لرزه‌ای یکتا نیست. 2) برخی از کرنش‌ها غیر لرزه‌ای یا غیرتکتونیکی هستند، برای مثال در اثر تزریق یا خروج آب و ماگما. 3) الگوهای جغرافیایی کرنش ژئودتیکی لحظه ای، منعکس کننده الگوهای ممان لرزه‌ای آزاد شده نمی‌باشند. 4) نرخ زلزله‌ها به صورت غیر مستقیم توسط رابطه گوتنبرگ-ریشتر تعیین ‌می‌شوند.

3- مدل خطر ژئولوژیکی: هدف از توسعه چنین مدلی تخمین پتانسیل زلزله به طور مستقیم از اطلاعات گسل‌های فعال می‌باشد. تفاوت روش ژئولوژیکی با ژئودتیکی این است که تنها در مجاورت یک گسل مشخص پتانسیل لرزه‌خیزی تعریف می‌شود، به همین دلیل مدل ژئولوژیکی به سیستم گسل‌ها نیاز دارد.

مزایای مدل خطر ژئولوژیکی بدین شرح می‌باشد: 1) پتانسیل زلزله در مجاورت گسل‌های معلوم قرار دارد. 2) تخصیص مناسبی برای نرخ لغزش‌های که به خوبی مقید شده‌اند و گسل‌های آرام از نظر تاریخی، دارد. 3) مطابقت خوبی با روش‌های سنتی تحلیل خطر زلزله دارد. 4) تبدیل خطر گسل-محور به خطر شبکه-محور.

مشکلات مدل خطر ژئولوژیکی بدین شرح می‌باشد: 1) زمین شناسان هیچ وقت نمی‌توانند محل تمامی گسل‌ها و نرخ لغزش آنها را مشخص کنند. 2) نرخ ژئولوژیکی لزوماً نرخ زلزله‌های تاریخی را بازتولید نمی‌کند. 3) نرخ زلزله‌ها به صورت غیر مستقیم توسط رابطه گوتنبرگ-ریشتر تعیین ‌می‌شوند. 4) روش‌های ژئولوژیکی هیچ وجه روشنی از وابستگی آنها به زمان فراهم ‌نمی‌کنند.

4- مدل خطر ترکیبی: همانطور که ذکر شد هرکدام از سه مدل ژئودتیکی، ژئولوژیکی و لرزه‌ای دارای نقاط ضعف و قوت می‌باشند. لذا با توجه به اینکه خروجی هر سه مدل از یک جنس است، می‌توان با ‌میانگین‌گیری از سه مدل فوق یک مدل ترکیبی که امکان قویترین تخمین از نرخ لرزه‌خیزی را داراست، ارائه داد.

5- مدل خطر زلزله مصنوعی: یکی از مشکلات اساسی در تخمین خطر زلزله کمبود زلزله‌های بزرگ ثبت شده می‌باشد. این کمبود باعث عدم قابلیت اطمینان به نتایج حاصل از زلزله‌های کوچکتر می‌شود. لذا هدف از ارائه این مدل ‌شبیه‌سازی زلزله‌ها بویژه زلزله‌های بزرگ توسط مدل‌های کامپیوتری می‌باشد. تمام شبیه‌سازی‌های لرزه‌ای براساس توازنی بین تنش وارد بر گسل و مقاومت اصطکاکی آن است. بدین نحو که با توجه به تناوب تجمع تنش در گسل و سپس توازن مجدد آن با وقوع زلزله، ‌شبیه‌سازی صورت ‌می‌گیرد.