Site Effect

مقدمه:

مطالعه پراکندگی خسارت در زلزله های مختلف مبین اهمیت تاثیر ساختگاه و مشخصات زمین لرزه می باشد. تحلیل پاسخ زمین جهت پیش بینی حرکات زمین و تدوین طیف پاسخ طرح به منظور تخمین تنش ها و کرنش های دینامیکی برای ارزیابی خطرات لرزه ای (مانند روانگرایی) و محاسبه نیروهای ناشی از زلزله که می تواند سبب ناپایداری زمین و دیوارهای حایل گردد به کار می رود. در طی زلزله های گذشته عموما مشاهده شده است که پاسخ زمین در خاک های نرم بسته به شرایط خاک بیش از پاسخ رخنمون سنگی بوده است. به طور مثال در زلزله Michoacan (1985) خرابی محدودی در محل کانون زلزله رخ داد اما این زلزله باعث خرابی گسترده ای در شهر مکزیکوسیتی که در فاصله 350 کیلومتری از محل کانون زلزله واقع شده بود، گردید. تحقیقات نشان داد که رابطه مهمی بین خرابی ها، حرکات زمین و شرایط ساختگاه وجود دارد. این موضوع اهمیت توجه به مسئله پاسخ زمین در حین زلزله را دو چندان می کند.

 

اثر ساختگاه بر روی پاسخ زمین :

شرایط محلی ساختگاه بر کلیه خصوصیات مهم حرکت نیرومند زمین شامل دامنه ، محتوی فرکانسیو مدت اثر قابل ملاحظه ای می گذارند. میزان این اثر وابسته به هندسه، خواص مصالح لایه های زیر سطحی، توپوگرافی ساختگاه و خصوصیات حرکت ورودی می باشد. اثرات محلی ساختگاه را می توان با بهره گیری از روش های مختلف مانند تحلیل ساده ی تئوری پاسخ زمین، اندازه گیری های حرکات واقعی سطحی و زیر سطحی در همان ساختگاه و اندازه گیری حرکات سطح زمین در ساختگاه هایی با شرایط متفاوت از ساختگاه مورد نظر بررسی نمود.

در شرایط ایده آل در یک تحلیل کامل پاسخ زمین، مکانیزم پارگی در سرچشمه ی زلزله مدل می شود، نحوه ی انتشار تنش از میان زمین در بالای بستر سنگی در یک ساختگاه خاص مشخص شده و چگونگی اثر لایه خاک بالای بستر سنگی بر حرکات سطح زمین مشخص می گردد. در حقیقت مکانیزم پارگی گسل به حدی پیچیده بوده و طبیعت انتقال انرژی بین منبع و ساختگاه به حدی نامعین می باشد که این روند برای کاربردهای معمول مهندسی عملی نیست. در روش های تجربی بر پایه خصوصیات زلزله ثبت شده جهت تدوین روابط تخمینی بکار می روند. اغلب، این روابط تخمینی به همراه تحلیل خطر زلزله برای پیش بینی خصوصیات حرکت در بستر سنگی در ساختگاه بکار می رود ، بنابراین مساله تحلیل پاسخ زمین در حقیقت به تعیین پاسخ توده خاک در برابر حرکت بستر سنگی زیر آن تبدیل خواهد شد. با وجود این حقیقت که امواج زلزله از میان ده ها کیلومتر سنگ و خاک عبور می نمایند، لایه خاک می تواند نقش بسیار مهمی در تعیین خصوصیات حرکت سطح زمین ایفا می کند.

سال هاست که اثر شرایط محلی خاک بر طبیعت خرابی های زلزله شناخته شده است . از سال های 1920 زلزله شناسان و اخیرا مهندسین ژئوتکنیک لرزه ای جهت تدوین روش های کمی به منظور پیش بینی اثر شرایط محلی خاك بر حرکت نیرومند زمین مطالعات وسیعی را انجام داده اند. بمنظور تحلیل پاسخ زمین، ساختگاه را می توان به صورت هاي یک بعدي، دوبعدي وسه بعدي درنظر گرفت. تحلیلهاي یک بعدي پاسخ زمین بر پایه این فرض استوار است که سطح زمین و مرز تمام لایه هاي زیر سطح زمین افقی بوده و در تمام جهات جانبی نامحدود می باشند. اگرچه این فرضیات کلیه شرایط را ارضاء نمی کنند اما در کاربردهاي مهندسی در بسیاري از ساختگاهها مناسب می باشند.

یک بعدي پاسخ زمین :

که یک گسل در زیر سطح زمین گسیخته می شود، امواج حجمی از منبع به تمام جهات منتشر می شوند. هنگامی که این امواج به مرز بین مصالح مختلف زمین شناسی می رسند، منعکس ومنکسر میشوند. در حالیکه سرعت انتشار امواج در مصالح کم عمق تر عموماً کمتر از مصالح زیر آنها می باشد، امواج مایل که با مرز لایه افقی برخورد می نمایند معمولاً در جهت قائم تري منعکس می شوند.  زمانیکه امواج به سطح زمین می رسند، انکسارهاي متعدد آنها، سبب می شود که جهت آنها تقریباً عمود بر سطح زمین باشد (شکل زیر) تحلیل یک بعدي پاسخ زمین بر پایه فرضیاتی چون افقی بودن مرز لایه ها و اینکه پاسخ یک توده خاك عمدتاً در اثر امواج SH که از بستر سنگی بصورت عمودي منتشر میشوند، استوار است. براي تحلیل یک بعدي پاسخ زمین فرض می شود که سطح خاك و بستر سنگی در جهت افقی تا بی نهایت ادامه دارند. پاسخ زمین ناشی از روشهاي مبتنی بر این فرضیه، تطابق منطقی با پاسخ اندازه گیري شده در حالات مختلف دارد.

نرم افزار های مختلفی مانند، Deepsoil، Shake، D-Mode، FLAC، Geostudio و غیره قادر به تحلیل پاسخ ساختگاه می باشند.

انکسار امواج نزدیک به سطح زمین

 

روش خطی :

روش با محاسبه تابع تبدیل خاك ساختگاه، پارامترهاي مختلف پاسخ، مانند جابجایی، سرعت، شتاب، تنش برشی وکرنش برشی برحسب یکی ازپارامترهاي حرکت ورودي مانند شتاب بسترسنگی، تعیین می شوند. به دلیل آنکه این روش بر پایه اصل اجتماع اثر قوا استوار است لذا تنها به تحلیل سیستم هاي خطی محدود می شود. در این روش معمولاً تاریخجه زمانی حرکت بستر بصورت سري فوریه در نظر گرفته می شود و سپس هر جمله از سري فوریه حرکت بستر ( FFT) سنگی (حرکت ورودي) با استفاده از تبدیل سریع فوریه  سنگی (حرکت ورودي) در تابع تبدیل ضرب شده تا سري فوریه حرکت سطح زمین (حرکت خروجی) بدست آید. آنگاه حرکت سطح زمین (خروجی) را می توان با بهره گیري از معکوس FFT  در حوزه زمان بیان نمود. بنابراین تابع تبدیل چگونگی تشدید یا میرایی هر فرکانس در حرکت بستر سنگی (حرکت ورودي) را بوسیله توده خاك تعیین

روش خطی معادل :

تحلیل های خطی رفتار خاک را در طول تحلیل ها ثابت در نظر می گیرند و میرایی و مدول برشی تا کرنش آستانه در نظر گرفته می شود. این درحالی است که طبق منحنی های کاهش مدول و میرایی مشخصات خاک با افزایش کرنش تغییر می کند.به همین دلیل روش دیگری به نام روش خطی معادل برای تحلیل پاسخ زمین با درنظر گرفتن این موضوع ارائه شده است. رفتار واقعی غیرخطی هیسترتیک تنش-کرنش خاکهاي بارگذاري شده بصورت سیکلی را می توان با در نظر گرفتن خواص معادل خطی خاك تعیین نمود. در این روش در ابتدا با توجه به مقدار مشخص کرنش، مقداری برای مدول برشی معادل و میرایی معادل فرض می شود. در ادامه با توجه به روابط محاسبه پاسخ بر اساس روش خطی، مقدار مدول برشی و میرایی جدید محاسبه می شود. پس از مقایسه مقادیر جدید و قدیم مدول برشی و در صورتی که اختلاف آن دو کمتر از 001/0 (یا مقدار دیگری) باشد، سیکل محاسبات متوقف خواهد شد، در غیر این صورت محاسبات تا زمانی ادامه می یابد که اختلاف به این مقدار برسد.

روش غیر خطی :

همانطور که گفته شد، روش خطی یک روش ساده و با فرضیاتی محدود کننده در محاسبات تحلیل پاسخ می باشد. به همین دلیل برای دستیابی به دقت بالا در محاسبات روش غیر خطی پیشنهاد شده است. تحلیل پاسخ غیرخطی واقعی توده خاك با بهره گیري از انتگراسیون مستقیم عددي در حوزه زمان می باشد. با انتگرال گیري از معادله حرکت در گام هاي کوتاه زمان، هرمدل تنش-کرنش خطی یا غیرخطی یا مدل رفتاري پیچیده اي را می توان حل نمود. در ابتداي هر گام زمانی به رابطه تنش-کرنش رجوع می شود تا خصوصیات مناسب خاك که بایستی درآن گام زمانی بکار روند مشخص گردد. با این روش یک رابطه تنش-کرنش غیر خطی غیر الاستیک را می توان دریک مجموعه گام هاي کوچک خطی بکار برد. رایج ترین مدلهاي تنش-کرنش سیکلی بکار رفته در این گونه تحلیل ها مدل هاي هیپربولیک مدل Ramberg Osgood ، مدل Hardin-Drnevich-Cundall-Pyke(HDCP)، مدل Davidenkov-Martin و مدل Iwan می باشد.

اثرات محلی ساختگاه:

مقایسه داده های ثبت شده در ساختگاه های مختلف نشان می دهد که برای شتاب های بیشینه کوچک، مقدار این شتاب در سطح توده های خاک کمی بزرگتر از سنگ می باشد و برای شتاب های بیشینه بزرگ این موضع به صورت معکوس رخ می دهد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است در مقادیر شتاب های کمتر از g4/0 شتاب های بیشینه در ساختگاه نرم بزرگتر از شتاب های ساختگاه سنگی است. به عبارت دیگر شتاب های کوچک بستر سنگی باعث شتاب های بزرگ در بستر خاکی شده است.

رابطه‌ی بین بیشینه شتاب در سنگ بستر و سایر ساختگاه ها (ادریس، 1990)

شرایط محلی ساختگاه بر روی محتوای فرکانسی امواج برداشت شده در سطح زمین و طیف پاسخ ناشی از ایم اواج اثر گذار است. بر اساس مطالعات انجام شده بر روی طیف های پاسخ ساختگاه های مختلف، اثر نوع ساختگاه بر روی طیف پاسخ به خوبی مشهود می باشد که در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که این شکل نشان می دهد، به علت باند فرکانسی ساختگاه های نرم، تشدید طیفی در این ساختگاه ها به مراتب بیشتر از ساختگاه های سخت می باشد. همچنین تشدید در ساختگاه های سخت در محدوده فرکانسی پایین نسبت به ساختگاه های نرم رخ می دهد. توجه به این موضوع در بحث طراحی سازه ها و تشدید ناشی از زلزله بسیار ضروری می باشد.

طیف پاسخ زمین در ساختگاه های مختلف

توجه به نکته ضروری است که توپوگرافی و هندسی ساختگاه نیز می تواند اثرات قابل توجهی بر روی بزرگنمایی امواج داشته باشد. به طور مثال در زلزله Northridge  (1994) رکورد ثبت شده در ایستگاه Tarzana در حدود 1.82g که بر روی یک شیب قرار داشت، ثبت شد. این درحالیست که در پای شیب رکورد ثبت شده در حدود 0.46g ثبت شده بود. بررسی ها نشان داد که علت این اختلاف و یا به عبارت دیگر بزرگنمایی امواج زلزله، وجود شیب و هندسه آن بوده است.