تاثیر ساختگاه در زلزله

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 19 سپتامبر سال 1985 زلزله ای با بزرگای 8.1 ریشتر در مکزیک به وقوع پیوست که گرچه در مرکز خود (سواحل اقیانوس آرام) خرابی متوسطی ایجاد کرد اما صدمات شدیدی در 350 کیلومتری آن در مکزیکو سیتی داشت.
به دنبال وقوع زمین لرزه 21 آبان ماه 1396 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 سازه‌های 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. از نظر زمین شناسی شهر سرپل ذهاب در خط القعر یک ناودیس با روند شمال غرب-جنوب شرق قرار گرفته است. یال شمالی این ناودیس با نام کوه میانکال و لایه‌های با شیب برگشته مرز شمالی شهر را به وجود آورده است و رودخانه الوند با قطع این کوه از میان شهر می‌گذرد. بیشتر مناطق شهر به ویژه در ضلع جنوبی بلوار اصلی بر روی نهشته‌های غالباً ریزدانه این رودخانه ساخته شده اند. ضخامت این نهشته‌ها به سمت خط القعر ناودیس و با دور شدن از ارتفاعات شمالی بیشتر می‌شود که به نظر می‌رسد تشدید جنبش زمین در این نواحی و تخریب شدید را به دنبال داشته است.

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 4 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 تابع تقویت بزرگتری دارند، 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 تابع تقویت بزرگ تری دارد و دچار پدیده تشدید می‌شود 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 با استفاده از نرم افزار EERA 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. این موضوع در منحنی زیر مشهود است.

 

و در نهایت نیز به مقایسه ی انواع خاک‌ها در آیین نامه ی 2800، 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.

 

روش‌های بهسازی لرزه ای خاک

در طراحی بهسازی خاک بستر سازه‌ها اکیداً توصیه می‌گردد کانتراست لایه ای (تفاوت سختی لایه‌های مجاور) مد نظر قرار گرفته و از آن پرهیز گردد. در صورت طراحی نادرست، تأثیرات مخرب اساسی آن در تشدید و افزایش شتاب‌ها و پاسخ‌های طیفی سازه و بستر ممکن است بیشتر از مزایای بهسازی در شرایط استاتیکی باشد.
نوع روش بهسازی با تغییر در سختی لایه سست بر پارامترهای لرزه ای تأثیر گذار است و باید دقت کافی در اعمال روش صحیح به کار گرفته شود.
یکی از بهترین روش‌های بهسازی خاک برای مقابله با اثرات ساختگاهی بهسازی به وسیله میکروپایل می‌باشد.

نتیجه گیری

مشاهده شده که در یک زلزله ی خاص، خرابی گسترده ای در بعضی نواحی و خرابی‌های جزئی در دیگر مناطق بوجود آمده است؛ و این موضوع بر اهمیت اثرات محلی ساختگاه دلالت دارد.

با توجه به پاسخ‌های به دست آمده از تحلیل‌های نرم افزاری، نتایج زیر حاصل شد:

• یک زلزله با توجه به ویژگی‌های خاک، می تواند در فرکانس‌های مشخصی تشدید و یا تضعیف شود.
• با تغییر پروفیل خاک نزدیک به سطح زمین، منحنی طیف پاسخ حرکت زمین تغییر می‌یابد که این پدیده به دلیل تفاوت میزان میرایی درخاک‌های مختلف است.
• زلزله‌های خفیف تشدید بیشتری نسبت به زلزله‌های قوی ایجاد می‌کنند و خطرآفرین تر هستند. زیرا تغییرات شتاب ورودی زلزله، در پاسخ زمین تأثیرگذار است و کاهش شتاب ورودی، پاسخ را در سطح زمین افزایش می‌دهد.
• خاک‌های شنی عموما دارای سختی اولیه ی بالاتری نسبت به ماسه‌ها و ماسه‌ها بیشتر از رس‌ها هستند؛در نتیجه میرایی شن‌ها و ماسه‌ها بیشتر از خاک‌های رسی است.