کاهش تغییر مکان نسبی سازه ناشی از امواج لرزه ای

1.خرابی های ناشی از زلزله

راهکاری نوین به منظور کاهش تغییر مکان های نسبی ناشی از امواج لرزه ای درون صفحه در مجاورت عوارض توپوگرافی قائم زمین

خرابی های ناشی از زلزله های اخیر، تاثیر شرایط ساختگاه و عوارض توپوگرافی بر شدت و وسعت خرابی ها را نشان میدهد. بررسی تاثیر این عوامل بر پاسخ امواج لرزه ای، مبحث مهمی در زمینه مهندسی زلزله است. عوارض توپوگرافی با الگوی رفتار پیچیده سبب ایجاد تفاوتهای قابل ملاحظه ای در امواج رسیده به سطح زمین می شوند. ناهمواری ها هم به صورت زیرسطحی و هم سطحی دامنه حرکات زمین را افزایش میدهند.

محققین بسیاری مطالعات زیادی بر روی عوارض توپوگرافی از قبیل تپه  و دره و شیب ها انجام دادهاند ولی راهکاری به منظور کاهش بزرگنمایی به دست نیامده است و همچنین نتایج قطعی و کاربردی به منظور استفاده در آیین نامه ها ارائه نشده است

به طور سنتی، مدل سازی به صورت یک بعدی از پروفیل خاک و امواج لرزه ای صورت میگرفت که حوادث و زلزله های اخیر ضرورت بررسی مدل های دوبعدی و سهبعدی به دلیل الگوی پیچیده تقویت لرزه ای را آشکار نمود وچون از اولین محققانی بود که با در نظر گرفتن امواج مهاجم SH به بررسی رفتار لرزه ای تپه های دوبعدی پرداخت. بزرگنمایی قله و کوچکنمایی دامنه تپه  و همچنین افزایش میزان تقویت و تضعیف تحت اثر افزایش ضریب شکل از نتایج مطالعات او بود.

 پس از آن جلی و همکاران ضمن در نظر گرفتن نتایج وچون و بررسی تاثیر حوزه فرکانس، دریافتند که قله تپه  بزرگنمایی و دامنه تپه  تناوبی از بزرگنمایی و کوچکنمایی را شامل میشود. کمالیان و همکاران با روش اجزا مرزی در حوزه زمان رفتار تپه های نیم سینوسی را به صورت دو بعدی مورد مطالعه قرار دادند.

با در نظر گرفتن نسبت شکلهای 1/0 تا 7/0 تاثیر قابل توجه نسبش شکل تپه  و نسبت عرض آن به طول موج مهاجم و در درجه بعد تاثیر ضریب پواسون برپاسخ لرزه ای تپه ها نشان داده شد. مطالعات آنها روابط و جداولی را در پی داشت که در مبحث ریز پهنه بندی ژئوتکنیک لرزه ای مورد استفاده قرار میگیرد.

علاوه بر آنها، محققین بسیاری بررسی اثرات عارضه های توپوگرافی بر بزرگنمایی امواج لرزه ای پرداخته اند به عنوان نمونه به علت پیچیده بودن پاسخ لرزه ای در حضور عوارض توپوگرافی و تأثیر قابل ملاحظه ای که این عوارض بر بزرگنمایی امواج لرزه ای دارند و نیز ضمن در نظرگرفتن لرزه خیزی نواحی مختلف ایران؛ در این مقاله، هدف مطالعه میزان بزرگنمایی امواج لرزه ای درون صفحه دوبعدی در مجاورت عوارض توپوگرافی قائم زمین و پیشنهاد راهکارهای جدید به منظور کاهش میزان این بزرگنمایی میباشد؛ به این منظور کاهش در میزان بزرگنمایی پاسخ زمین تحت تأثیر عوارض توپوگرافی با استفاده از حفرگمانه هایی در پیرامون تپه  مثلثی شکل مورد مطالعه قرارگرفته است

عوارض توپوگرافی یکی از عوامل مهم در ایجاد پاسخ لرزه ای پیچیده در سطح زمین می باشند و تجربیات به دست آمده از خرابی های زلزله های اخیر نشان دهنده اهمیت تاثیر شرایط ساختگاه و عوارض توپوگرافی بر شدت و وسعت خرابی ها در حین زلزله می باشند.

هدف از این مقاله مطالعه میزان بزرگنمایی امواج لرزه ای درون صفحه دو بعدی در مجاورت عوارض توپوگرافی قائم زمین و پیشنهاد راهکاری جدید به منظور کاهش میزان این بزرگنمایی می باشد؛ به این منظور، نحوه کاهش در میزان بزرگنمایی پاسخ زمین تحت تاثیر عوارض توپوگرافی با استفاده از حفر گمانه هایی در پیرامون تپه  مورد مطالعه قرا ر گرفته است.

مثال های متفاوتی بر اساس هندسه های مختلف تپه  و نوع خاک بررسی گردیده است که نتایج این تحقیق حاکی از کاهش بسیار قابل ملاحظه  ای در تغییر مکان ثبت شده بر روی تپه  نسبت به امتداد افقی سطح زمین می باشد که از راهکار پیشنهادی در این مقاله، می توان به عنوان یک راهکار بدیع در کاهش اثرات عوارض توپوگرافی برروی ارتعاشات ناشی از زلزله نام برد.

2.تعریف مسئله

در مدل های مورد بررسی دو تیپ مدل بدون گمانه |شکل 1 |و با گمانه |شکل 2 |با مدل سازی در نرم افزار انسیس مورد مقایسه قرار میگیرند و با یافتن پارامترهای تأثیر گذار از جمله ضریب شکل، فرکانس تحریک و نوع خاک میتوان به راهکاری برای کاهش بزرگنمایی نسبی دست یافت. هندسه مدل، محیطی به ابعاد 100 متر در 200 متر است که ارتفاع تپه  در تمامی مدل ها ثابت و 100 متر در نظر گرفته شده است. سه ضریب شکل 5/0 ،1 و 2 برای تپه  لحاظ شده است که منظور از ضریب شکل در این مطالعه حاصل تقسیم دهانه تپه  به ارتفاع آن میباشد.

در این مطالعه، سه نوع تیپ خاک I ،II ،III طبق جدول 1 و همچنین سه رکورد زلزله با فرکانس متغیر مورد مطالعه قرار گرفته است. رفتار خاک هم الاستیک خطی فرض شده است.

از آنجا که تکانه ای زمین در مکان هایی با اثر پدیده جهتپذیری پیشرونده با پالس های بزرگی در تاریخچه زمانی مدل میشود و پاسخ زمین در مقابل زمین لرزه های حوزه نزدیک پیچیده است، میتوان تکانهای حوزه نزدیک را با پالس های ساده شدهای که خصوصیات زلزله حوزه نزدیک را  داشته باشد، جایگزین نمود. لذا برای ایجاد رکوردهای پالسی متفاوت با در نظر گرفتن زمان اولیه t0=0.675 s  و ماکزیمم دامنه Amax=1   و فرکانس غالب Fp=4,6,8 از فرمول ریکر ویولت استفاده شده است:

این مدل ها به فرم  EeRrSsHhDdJj  تعریف شدهاند که e نماینده فرکانس بارگذاری با اعداد 4و0و16 ،r نماینده ضریب شکل |نسبت دهانه به ارتفاع تپه | با اعداد 035و 1و2 ،s نماینده تیپ خاک IوIIوIII ،h نماینده ارتفاع گمانه با عدد 75متر، d نماینده دهانه گمانه با عدد 5 متر و j نماینده فاصله از گمانه با عدد 50 متر میباشد.

 به عنوان مثال E1R1S1H1D2J1 معرف زلزله با فرکانس 4 ،ضریب شکل035 ،خاک تیپ I ،ارتفاع گمانه 75 متر،دهانه گمانه 5 متر و فاصله 50 متری از گمانه میباشد و برای مدل هایی که در آنها از گمانه استفاده نشده است، عبارات مربوط به H ،D و J حذف گردیدهاند.

3.تعریف مدل

برای مدل سازی تپه  از نرم افزار انسیس استفاده شده است |شکل3 |و برای مدل سازی دوبعدی خاک از المان PLANE42 استفاده میشود. یکی از محدودیتهای روش اجزای محدود عدم ایجاد مرزهای نامتناهی و مدل حالت دینامیکی است که بازتاب و برگشت ارتعاشات به داخل مدل صورت نگیرد.

به این منظور فضای نامحدود با یک لابه با ضخامت محدود تحت عنوان لابه جاذب جایگزین میگردد و بدین ترتیب از انعکاس موج به داخل محیط جلوگیری به عمل میآید و از آنجاکه استهالک مصنوعی برای جذب امواج منعکس شده در مرزها استفاده میشود به آنها مرزهای ویسکوز هم میگویند که امواج عمود منتشرشده به مرز را جذب میکنند، همچنین مانع بازتاب تنش های افزایش یافته روی مرزها ناشی از بارهای دینامیکی می- شوند.

با استفاده از المان COMBIN14 در کف و مرزهای جانبی مدل، این مرزهای جاذب شبیهسازی میشوند. تحریک زلزله به کف مدل صورت میگیرد و راستای انتشار به صورت قائم است. با استفاده از فرمول های زیر و در نظرگرفتن λ به عنوان طول موج غالب موج ورودی به محیط، f فرکانس غالب موج ورودی به مدل و VS به عنوان سرعت موج برشی، ابعاد مش بندی l∆ محاسبه میشود؛

به همین منظور، ابعاد مش در نواحی جانبی و کف مدل 0 متر و در نواحی مربوط به تپه  و گمانه به علت تمرکز و حساسیت پارامترهای مورد بررسی 4 متر و 2 متر در نظر گرفته شده است.

 

4.تحلیل نتایج

در این بخش به ارائه نتایج مدل سازی عددی تپه های مثلثی شکل با ارتفاع ثابت و ضریب شکل و تیپ خاک متفاوت پرداخته شده است. مدل ها تحت رکوردهای زلزله حوزه نزدیک با فرکانس غالب 4 و 0 و 16 قرار گرفته اند.

در هر مدل 5 الی 6 نقطه از رأس تپه  و بعداز آن به ترتیب به فاصله یک سوم از نصف دهانه تپه  انتخاب شده است؛ پس از تحلیل دینامیکی، مولفه ی افقی تغییر مکان نسبی |Ux |قرائت شده است و نمودارهایی با هدف نشان دادن و مقایسه تأثیر پارامترهای مختلف بر بزرگنمایی نسبی مدل های با گمانه و بدون گمانه ترسیم شده است که نتایج حاکی از کاهش بسیار قابل ملاحظه ای در تغییر مکان ثبت شده بروی تپه  نسبت به امتداد افق سطح زمین و تأثیر حفر گمانه در پیرامون تپه  میباشد.

 با شرایط بیان شده در فوق، مدل های ختلف ساخته و مورد آنالیز قرار گرفته است و تغییرمکان مطلق حاصل شده در سطح زمین ناشی از ایجاد تحریک در سنگ بستر برای مدل های در حالت بدون گمانه در جدول 2 ارائه شده است.

در شکل 4 با ارتعاش E1 و ضریب شکل ثابت r1 ،با نرم تر شدن خاک میزان کاهش بزرگنمایی نسبی افزایش می یابد.برای خاک تیپ I بزرگنمایی نسبی 32 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 536 برابری در حضور گمانه شده است. برای خاک تیپ II بزرگنمایی نسبی 17 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 137 برابری در حضور گمانه شده است .برای خاک تیپ III بزرگنمایی نسبی 0 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 1313 برابری در حضور گمانه شده است.

در شکل 5 با ارتعاش E1 و ضریب شکل ثابت r2 ،با نرم تر شدن خاک میزان کاهش بزرگنمایی نسبی افزایش می یابد.برای خاک تیپ I بزرگنمایی نسبی 13 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 530 برابری در حضور گمانه شده است.

برای خاک تیپ II بزرگنمایی نسبی 12 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 130 برابری در حضور گمانه شده است .برای خاک تیپ III بزرگنمایی نسبی 0 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 1315 برابری در حضور گمانه شده است

در شکل 6 با ارتعاش E1 و ضریب شکل ثابت r3 ،با نرم تر شدن خاک میزان کاهش بزرگنمایی نسبی افزایش می یابد.برای خاک تیپ I بزرگنمایی نسبی 1132 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 536 برابری در حضور گمانه شده است.

 برای خاک تیپ II بزرگنمایی نسبی 11 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 137 برابری در حضور گمانه شده است .برای خاک تیپ III بزرگنمایی نسبی 0 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 1313 برابری در حضور گمانه شده است.

در شکل 7 با ارتعاش E1 و خاک S1 ،با افزایش ضریب شکل میزان کاهش بزرگنمایی نسبی کاهش می یابد.برای ضریب شکل r1 بزرگنمایی نسبی 32 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 536 برابری در حضور گمانه شده است.

برای ضریب شکل r2 بزرگنمایی نسبی 13 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 530 برابری در حضور گمانه شده است .برای ضریب شکل r3 بزرگنمایی نسبی 11 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 536 برابری در حضور گمانه شده است

در شکل 0 با ارتعاش E1 و خاک S2 ،با افزایش ضریب شکل میزان کاهش بزرگنمایی نسبی کاهش می یابد.برای ضریب شکل r1 بزرگنمایی نسبی 17 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 137 برابری در حضور گمانه شده است.

برای ضریب شکل r2 بزرگنمایی نسبی 12 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 130 برابری در حضور گمانه شده است .برای ضریب شکل r3 بزرگنمایی نسبی 11 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 137 برابری در حضور گمانه شده است.

در شکل 2 با ارتعاش E1 و خاک S3 ،با افزایش ضریب شکل میزان کاهش بزرگنمایی نسبی کاهش می یابد.برای ضریب شکل r1 بزرگنمایی نسبی 033 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 1313 برابری در حضور گمانه شده است.

برای ضریب شکل r2 بزرگنمایی نسبی 034 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 1315 برابری در حضور گمانه شده است .برای ضریب شکل r3 بزرگنمایی نسبی 0 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 1313 برابری در حضور گمانه شده است.

در شکل 10 با ارتعاش E1 و خاک S1 و ضریب شکل r1 ،با افزایش فرکانس میزان کاهش بزرگنمایی نسبی کاهش می یابد.برای فرکانس 4 بزرگنمایی نسبی 32 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 536 برابری در حضور گمانه شده است.

برای فرکانس 0 بزرگنمایی نسبی 33برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 030 برابری در حضور گمانه شده است .برای فرکانس 16 بزرگنمایی نسبی 23 برابری رأس تپه  در حالت بدون گمانه تبدیل به بزرگنمایی نسبی 234 برابری در حضور گمانه شده است.

 

5.نتیجه گیری

در این مقاله پاسخ لرزه ای تپه های مثلثی شکل با ضریب شکل و تیپ خاک متفاوت مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین برای معادلسازی شرایط زلزله حوزه نزدیک از رکوردهای پالسی با سه فرکانس متفاوت استفاده شده است.

در نهایت میزان بزرگنمایی امواج لرزه ای درون صفحه دو بعدی در مجاورت عوارض توپوگرافی قائم زمین بررسی شده است و نتایج تحقیق حاکی از کاهش بسیار قابل ملاحظه ای در تغییر مکان ثبت شده برروی تپه  نسبت به امتداد افق سطح زمین میباشد که میتوان ازآن به عنوان راهکاری بدیع در کاهش اثرات عوارض توپوگرافی بروی ارتعاشات ناشی از زلزله نام برد.

تحلیل مدل های تپه  با استفاده از نرم افزار انسیس و به صورت دوبعدی صورت گرفته است.پس از ایجاد گمانه پاسخها یکنواخت میباشد و کاهش 2 تا 10 برابری در میزان بزرگنمایی نسبی مشاهده میشود.

کاهش بزرگنمایی در مقایسه حضور و عدم حضور گمانه ، در خاک سست بیش از خاک سخت است. هرچه خاک سست تر میشود کاهش بزرگنمایی نسبی افزایش مییابد. با افزایش ضریب شکل از 035 تا 1 و 2 کاهش بزرگنمایی نسبی در اثر حضور گمانه کمتر میشود. هرچه فرکانس افزایش یابد، میزان کاهش بزرگنمایی نسبی کاهش مییابد

در ناحیه بین دو گمانه تغییر مکان نسبی یکنواخت بوده و بزرگنمایی ناشی از عارضه توپوگرافی مشاهده نمیشود. امّا در حالت بدون گمانه، بزرگنمایی نسبی در رأس تپه  بیشتر بوده و روند کاهشی در میزان بزرگنمایی در دامنه و به سمت سطح آزاد زمین مشاهده میشود و نمودار آن به حالت خط صاف در میآید.

 در نقاط مجاور گمانه، به علّت اینکه عارضه مصنوعی ایجاد شده است، بزرگنمایی قابل ملاحظه ای دیده می شود، با این حال میزان این بزرگنمایی نسبی، نسبت به حالت بدون گمانه کمتر است و در تمامی حالت ها کاهش قابل ملاحظه  ای در اثر حفر گمانه در میزان بزرگنمایی نسبی مشاهده میشود.