مقایسه طیف پاسخ زلزله‌های دور از گسل با طیف پاسخ حوزه نزدیک

در مباحث مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای بعد از زلزله همچنین مباحث تحلیل خطر توجه به تفاوت زلزله‌های حوزه ی نزدیک و حوزه ی دور از اهمیت بالایی برخوردار است. که این مهم اهمیت بررسی این دو ویژگی را ضروری می‌سازد.

در مطالعات صورت گرفته مشاهده شده است که می‌توان به طور محافظه کارانه پس از همپایه ساختن نگاشت‌ها با سطح خطر مورد نظر از طیف پاسخ نگاشت‌هایی که بیش از 100 کیلومتر از گسل فاصله دارند و اوج شتاب آن‌ها کمتر از 0.05g می‌باشد به عنوان طیف طرح نزدیک گسل استفاده نمود. طیف میانگین به علاوه انحراف معیار 21 نگاشت نزدیک گسل با طیف میانگین به علاوه انحراف معیار 27 نگاشت دور از گسل با مشخصات نامبرده در شکل (1) نشان دهنده این ادعا می‌باشد. این مسئله به دلیل تعداد پالس و مدت زمان بیشتر زلزله‌های دور از گسل است. [1]

شکل 1 مقایسه طیف میانگین به علاوه انحراف معیار نگاشت‌های نزدیک گسل با نگاشت‌های دور از گسل PGA<0.05g و فاصله از گسل بیش از 100 کیلومتر در خاک نوع 3.

 

پاسخ سازه‌ها در حوزه نزدیک گسل بر روی اثرات بزرگ تر مولفه افقی عمود بر گسل متمرکز گردیده است [2]. هر چند در مواردی مولفه حرکت موازی گسل نیز مهم است. برای مثال نرم شدن خاک در پاسخ به مولفه حرکت بزرگ عمود بر گسل باعث کرنش بیشتری در جهت موازی گسل می‌شود در این حالت خاک در مقابل مولفه حرکتی موازی گسل از خود نشان می‌دهد [3]. علوی و کراوینکلر با مقایسه طیف پاسخ مولفه افقی موازی با امتداد گسل و طیف مولفه افقی عمود بر گسل نشان دادند طیف پاسخ مولفه افقی عمود بر گسل دارای اثر بیشتری نسبت به مولفه موازی با امتداد گسل است لذا در نزدیک گسل جهت گیری سازه نسبت به گسل اهمیت پیدا می‌کند. [2]

بررسی طیف پاسخ مولفه قائم در زلزله‌های نزدیک گسل

 

در حوزه نزدیک به گسل مولفه افقی عمود بر گسل بیشترین اثر را در پاسخ سازه‌ها دارد و اثر این مولفه غالب بر مولفه افقی موازی با گسل و مولفه قائم به سطح زمین می‌باشد. اما اگر برای کارایی سازه مهم باشد، ارتعاش قائم به سطح زمین در نواحی نزدیک گسل نیز ممکن است لازم باشد. در این حالت مولفه قائم به سطح زمین دارای اثرات بیشتری در فرکانس‌های بالاتر از 10HZ می‌باشد، به طوری که پریود قائم اکثر سازه‌ها در این محدوده قرار دارد. بزرگ نیا با اندازه گیری فرکانس قائم 12 ساختمان نشان داد، که پریود اصلی قائم این ساختمان‌ها بین 0.076s و 0.26s است. کلایر و الناشای پریود اصلی قائم 4 قاب ساختمانی را حدود 0.07s بدست آوردند. همانطور که از شکل (2) پیداست، نقطه اوج مولفه قائم به سطح زمین در پریود 0.1s به حداکثر می‌رسد [1]. از آنجا که عموما در زلزله‌های نزدیک گسل مولفه افقی عمود بر گسل دارای اهمیت بیشتری است لذا در این مطالعه به طور خلاصه به بررسی پارامترهای موثر بر طیف پاسخ مولفه قائم زمین نسبت به طیف مولفه قائم به مولفه افقی زمین پرداخته می‌شود [1].

شکل(2) مقایسه طیف پاسخ شبه شتاب (S_a)، شبه سرعت (S_v)، تغییر مکان (S_d)، دو مولفه افقی (S48WوN42W) با مولفه قائم بر سطح زمین (Vertical) در زلزله نورثریج (1994) [3].

 

بررسی پارامترهای موثر بر طیف مولفه قائم

 

با بررسی طیف مولفه قائم در بزرگی‌های مختلف مشاهده می‌شود که با افزایش بزرگی زلزله طیف پاسخ مولفه قائم افزایش می‌یابد شکل (3). همچنین با افزایش فاصله از گسل مقدار طیف مولفه قائم به شدت کاهش می‌یابد شکل (4). با مطالعه مقدار طیف قائم زلزله در ساختگاه‌های مختلف ملاحظه می‌شود طیف مولفه قائم در پریود‌های بالا برای خاک‌های مختلف بسیار نزدیک به هم می‌باشند، ولی در پریودهای پایین برای خاک‌های هولوسن (خاک‌هایی که قدمت شان کمتر از 11000 سال است) از سایر خاک‌ها بیشتر است شکل (5) الف. مطالعه طیف مولفه قائم برای انواع گسل‌ها نشان می‌دهد مقدار طیف قائم برای گسل‌های معکوس با عمق کانونی سطحی و گسل‌های معکوس با عمق کانونی زیاد از مقادیر به گسل امتداد لغز بیشتر است و برای پریود‌های بزرگتر از 1 ثانیه برای انواع گسل‌ها بر یکدیگر منطبق می باشند شکل (5) ب. [1]

شکل (3) اثر بزرگی زلزله بر روی طیف مولفه قائم بر سطح زمین

شکل (4): طیف شبه شتاب مولفه قائم به سطح زمین در فواصل 3، 10 و 20 کیلومتری از گسل

شکل(5) الف) طیف شتاب مولفه قائم در خاک های مختلف، ب) اثر انواع گسل ها بر طیف مولفه قائم

 

نسبت طیف مولفه قائم به مولفه افقی (V/H)

 

تحقیقات نشان می‌دهد که طیف مولفه قائم با طیف مولفه افقی زلزله متناسب است. نسبت طیف قائم به طیف افقی تابعی از پریود طبیعی، فاصله از مرکز زلزله و شرایط ساختگاه (جنس خاک) است [3]. در بعضی از مراجع هم نسبت V/H را تابع ضعیفی از بزرگی زلزله و نوع گسل دانسته اند. بزرگی‌نیا نشان داد با افزایش فاصله نسبت V/H تغییر می‌کند و برای خاک‌های سخت و ساختگاه‌های سنگی نسبت V/H به راحتی از واحد فراتر رفته و در محدوده پریود‌های کوتاه (فرکانس‌های بالا) مقادیر آن از 1.8 نیز بالا تر می‌شود. این موضوع نشان می‌دهد که نسبت V/H = 2/3 (در محدوده پریود‌های کوتاه) برای خاک‌های سخت غیر محافظه کارانه است [3]. برخی از آیین نامه‌ها مقدار عددی V/H = 2/3 را برای بدست آوردن طیف مولفه قائم زلزله از طیف مولفه افقی آن پیشنهاد نموده اند. طیف مولفه قائم زلزله با طیف مولفه افقی آن متناسب می‌باشد اما این نسبت یک عدد ثابت نیست و بستگی به پارامترهایی نظیر پریود، فاصله از گسل، جنس خاک، بزرگی زلزله و نوع گسل دارد. این موضوع در شکل (6) نشان داده شده است. [1]

شکل (6) – مقایسه نسبت V/H

بر اساس مطالعات بزرگینیا مقدار V/H = 2/3 در تعدادی از مراجع از جمله UBC97 و FEMA356 آورده شده که مقادیری غیر محافظه کارانه است. [3] بر اساس بند 2-3-12-2 استاندارد 2800 مقدار ثابت 0.7AIW_P به عنوان نیروی قائم زلزله پیشنهاد شده است. که به وضوح مشخص است این مقدار در پریود کم (با فرکانس بالا) مطابق شکل (6) در محدوده 0.1s مقادیری غیر محافظه کارانه می باشد. لذا در نزدیک گسل اگر برای کارایی سازه مهم باشد بایستی طیف مولفه قائم نیز تهیه شود و یا با روش‌های معتبری نسبت V/H تعیین و از روی طیف مولفه افقی زلزله، طیف مولفه قائم نیز تهییه گردد [1].

 

جمع بندی

 

بر اساس مطالعات انجام گرفته طیف مولفه افقی عمود بر گسل دارای مقادیر بیشتری از طیف مولفه افقی موازی با گسل در حوزه نزدیک است. لذا در تهیه طیف طرح بایستی اثر این مولفه اعمال شود. طیف پاسخ حاصل از مولفه افقی عمود بر گسل با کوچک تر شدن زاویه بین گسل و ساختگاه و بزرگتر شدن سطح شکست بین ساختگاه و گسل، افزایش تعداد نوسان پالس حوزه نزدیک، بزرگی زلزله و کاهش فاصله از گسل، افزایش می‌یابد. این طیف شدیدا در محدوده با فرکانس پایین موثر از جنس خاک است به طوری که در حوزه نزدیک با رفتار غیر خطی خاک مقادیر طیف در محدوده با پریود بالا افزایش می‌یابد. در بررسی رفتار سازه‌ها در نزدیک گسل اثر میرایی قابل توجه نیستند لذا در تهیه طیف ویژه ساختگاه برای جمع آوری اطلاعات باید به پارامترهای اشاره شده توجه شود، با استفاده از روابط کاهندگی در نزدیک گسل می‌توان تخمینی از پارامترهای فوق زد. [1]

 

منابع:

1. عبدالله زاده، د. گرامی، م. مستعلی، م. (1390). بررسی پارامترهای موثر بر طیف پاسخ ویژه ساختگاه به منظور طراحی و بهسازی سازه ها در حوزه نزدیک گسل، اولین کنفرانس ملی سازه و فولاد.

2. B, Helmut. K, (2001), “Effects of near-fault ground motions on frame structures”, A report of The John A. Blume Earthquake Engineering Center Department of Civil and Environmental engineering Stanford University, California, Report No. 138.
3. Bozorgnia, Y. (2004). “Earthquake Engineering: From Engineering Seismology to Performance-Based Engineering”, Published by CRC Press LLC.