پایان نامه ارزیابی پاسخ لرزه ای سازه ها تحت زلزله نزدیک گسل

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی‌ارشد

در رشته مهندسی عمران – زلزله

زمستان1393

چکیده

زلزله های نزدیک گسل به دلیل داشتن حرکت پالس گونه با پریود بلند در ابتدای رکورد، اعمال نیروی ضربه ای بر سازه های موجود، نسبت بیشینه سرعت به بیشینه شتاب بالا و وجود بیشینه شتاب و سرعت و جابجایی بالاتر نسبت به زلزله های دور از گسل، تفاوت های حایز اهمیتی با زلزله های دور از گسل دارند.

در این مطالعه عملکرد قاب های خمشی فولادی در سازه های بلند در حوزه نزدیک گسل مورد ارزیابی قرار می گیرد. به دلیل کمبود داده های مربوط به زلزله نزدیک گسل و مرتفع ساختن این مشکل، از روشی جدید برای شبیه سازی زلزله حوزه نزدیک گسل با در نظر گرفتن محتوای فرکانسی استفاده می گردد. برای انجام تحلیل ها از سه سازه سه، نه و بیست طبقه دارای سیستم قاب خمشی فولادی  پروژه SAC، طراحی شده در لوس آنجلس استفاده می شود. تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی به جهت تعیین سطوح عملکرد و میزان تغییرشکل اعضای سازهای مورد مطالعه، تحت اثر زمین لرزه های حوزه نزدیک، بر روی مدل های طرح شده انجام می گردد. معیار های مختلف خسارت ازقبیل ماکزیمم تغییر مکان طبقات و تغییر مکان بام به عنوان پاسخ سیستم ها مورد ارزیابی قرار می گیرند. نتایج تحلیل ها نشان می دهد که مشخصات خاص زمین لرزه نزدیک گسل از قبیل اثر جهت داری و اثر تغییر مکان ماندگار، می تواند نیاز لرزه ای قابل توجهی در سازه های مهندسی نسبت به زمین لرزه عاری از پالس سرعت ایجاد نماید.

واژه های کلیدی:  زلزله حوزه نزدیک گسل، جهت داری، جابجایی مانگار، تحلیل تاریخچه زمانی

1                      فصل اول : کلیات

1-1    مقدمه

بررسی و تبیین ارتعاشات نیرومند زمین در دو شاخه مهندسی سازه (دیدگاه تحلیل رفتار سازه) و مهندسی زلزله (دیدگاه تحلیل رفتار زمین)، دارای اهمیت فراوان است. شایان توجه است که برای حداقل کردن خسارت حاصل از زلزله های بزرگ، نیازمندی به تدوین، تعمیم و گسترش دیدگاه های تحلیلی نسبت به ارتعاشات نیرومند زمین، بیش از پیش آشکار گردیده است.

زمین لرزه نزدیک گسل دارای مشخصات ویژه ای است که آن را از زمین لرزه حوزه دور از گسل متمایز می سازد. تجربه زلزله های گذشته نشان داده است که این مشخصات، اثرات قابل توجهی روی نیاز لرزه ای سازه ها وارد می نماید. به ویژه در رکوردهای سرعت زلزله های نزدیک گسل، عبارت از وجود سرعت های نموی بزرگ زمین، که در پی پالس های بلند مدت شتاب ایجاد می شود. نمودی از این اثرات به شکل ایجاد تغییر مکان های نوسانی بزرگ، که در رکورد تغییر مکان زمین نیز دیده می شود. وجود این مقادیر بزرگ در پارامتر های حرکات زمین در نزدیک گسل، مشخصه بارز رکوردهای زلزله ها نظیر زلزله نورتریج، زلزله کوبه، زلزله چی چی تایوان و برای زلزله های حوزه نزدیک گسل یا به بیان دیگر زلزله های با فاصله کم نسبت به گسل لرزه زا می باشند. با توجه به اینکه بسیاری از شهرهای بزرگ جهان از جمله کلان شهر تهران در معرض زمین لرزه نزدیک گسل قرار دارند، نیاز به شناخت خصوصیات زلزله نزدیک گسل و اثر آن بر سیستم های مهندسی بیش از پیش ضروری به نظر می رسد.

1-2    بیان مسئله

افزایش جمعیت شهرهای نزدیک به گسل های فعال (مانند تهران، تبریز، لوس آنجلس و توکیو)، احتمال وقوع زلزله ای با تلفات بسیار زیاد را در آینده نزدیک دوچندان می کند. این مسئله از این حقیقت ناشی می شود که زلزله نزدیک گسل[1] در مقایسه به زلزله دور از گسل، نیاز لرزه ای بزرگتری می تواند به سازه تحمیل  نماید و در نتیجه باعث وقوع خسارات زیادی در زلزله های گذشته شده است[1]. این مسئله نشان می دهد که بررسی رفتار لرزه ای سازه ها تحت زلزله نزدیک گسل دارای اهمیت بسیاری می باشد.

برخی از مشخصاتی که زلزله نزدیک گسل را از زلزله دور از گسل متمایز می سازد عبارتند از اثر جهت داری[2] ، اثر جابجایی ماندگار[3]  زمانی که جهت پارگی گسل به سمت یک سایت به خصوص باشد و سرعت پارگی گسل نزدیک به سرعت انتشار امواج برشی باشد، در آن سایت اثر جهت داری مشاهده می شود. در این حالت سهم قابل توجهی از انرژی در یک بازه زمانی کوتاه به سایت منتقل می گردد[2]. مقدار زیاد انرژی وارده در بازه زمانی کوتاه، موجب بوجود آمدن یک پالس مجزا در تاریخچه زمانی سرعت زمین لرزه می گردد. این اثر اغلب در مولفه عمود بر گسل قابل مشاهده می باشد[3]. وجود این پالس باعث بزرگتر شدن معیار شدت طیف پاسخ (Sa) در پریودهای نزدیک به پریود پالس می گردد. بنابراین پاسخ سازه ها تحت زلزله دارای پالس، در مقایسه با زلزله دور از گسل متفاوت خواهد بود. گذشته خصوصیت فوق، نگاشت های ثبت شده در طی زلزله های نزدیک گسل اخیر همانند زمین لرزه کوکائلی[4] ترکیه (1999) و همچنین زلزله چی چی[5] تایوان (1999)،حاوی مقادیر بزرگی جابجایی دائمی زمین می باشند که به این پدیده جابجایی ماندگار گفته می شود. این تغییر شکل در طول زمان لغزش در راستای لغزش گسل رخ داده و بنابراین عموما در مولفه موازی گسل قابل مشاهده می باشد. به همین جهت در اکثر موارد با اثرات ناشی از جهت داری ترکیب نمی گردد[4].

پاسخ سازه های چند درجه آزاد تحت زلزله نزدیک گسل دارای مشخصات ویژه ای می باشد. بر خلاف پاسخ سازه تحت زمین لرزه معمولی، توزیع نیازها در ارتفاع سازه برای زلزله نزدیک گسل کاملا غیر یکنواخت می باشد[5]. این مشخصات ویژه برای پاسخ سازه ها تحت زلزله نزدیک گسل، مطالعه رفتار سازه ها را تحت این زمین لرزه ها سزاوار موشکافی بیشتر می کند. توسعه دستورالعمل های طراحی برای سازه های نزدیک به چشمه های فعال لرزه ای، نیازمند درک و دیدگاهی درست و مناسب از پاسخ و عملکرد سازه ها تحت این قبیل زلزله ها می باشد.

یکی از مشکلاتی که در بررسی پاسخ لرزه ای سازه ها تحت زلزله نزدیک گسل وجود دارد، این است که تعدادِ رکوردهای زمین لرزه کمی که دارای خصوصیات زلزله نزدیک گسل باشند، تا کنون به ثبت رسیده است. در مناطقی که اطلاعات زلزله های گذشته موجود نمی باشد، این مشکل مضاعف می باشد. یکی از راهکارهایی که برای این مناطق وجود دارد، استفاده از زمین لرزه مصنوعی می باشد. روش های زیادی برای تولید زمین لرزه مصنوعی برای یک منطقه به خصوص وجود دارد. به طور کلی می توان این روش ها را به روش های احتمالاتی و روش های تعینی تقسیم بندی نمود. روش های احتمالاتی به دو روش کلی چشمه نقطه ای[6] و چشمه گسترده[7] قابل تقسیم بندی می باشند[6]. از آنجایی که زلزله دور از گسل دارای ماهیت احتمالاتی می باشد، برای این گونه زلزله ها از روش های احتمالاتی استفاده می شود. زلزله های نزدیک گسل دارای ماهیتی متفاوت از زلزله دور از گسل می باشند و برای شبیه سازی این زمین لرزه ها از روش های تعینی استفاده می گردد. هیسادا و بیلاک[7] روش کارآمدی بر اساس مدل چشمه کینماتیکی ارائه دادند که به خوبی قادر است اثرات زلزله نزدیک گسل شامل اثرات جهت داری و جابجایی ماندگار را شبیه سازی کند. در این روش چشمه زلزله به صورت یک گسل سطحی مدل شده و مشخصات گسل و همچنین مشخصات لایه های مختلف خاک نیز مدل می شوند. در نهایت با حل توابع گرین، نگاشت زلزله در سایت مورد نظر قابل محاسبه می باشد.

در این مطالعه قصد داریم به بررسی پاسخ لرزه ای سازه ها تحت زلزله نزدیک گسل بپردازیم. برای این منظور از زلزله تولید شده برای سایت به خصوص در نزدیک گسل استفاده می نماییم و پاسخ لرزه ای سازه را تحت این زلزله مورد بررسی قرار می دهیم. در نهایت به مقایسه پاسخ لرزه ای سازه تحت زلزله نزدیک گسل دارای پالس سرعت و همچنین زمین لرزه فاقد پالس می پردازیم.

1-3    فرضیه ها و سوالات تحقیق

فرضیات:

روش های شبیه سازی مبتنی بر مدل کینماتیکی چشمه، به خوبی قادر به تولید زمین لرزه نزدیک گسل می باشند.

•   زلزله نزدیک گسل دارای اثرات قابل توجهی روی عملکرد لرزه ای سازه ها می باشد.

سوالات:

•   آیا نیاز تغییر مکانی رکوردهای نزدیک گسل در مقایسه با نیاز تغییر مکانی رکوردهای دور از گسل بالا می باشد؟

•   آیا اثرات ناشی از زلزله های نزدیک گسل بر سازه ها و طراحی سازه های مقاوم در برابر این نوع حرکات، بدون شناخت کامل خصوصیات لرزه ای این پدیده و تفاوت آن با حرکت زمین در حوزه دور امکان پذیر است؟

1-4    اهداف تحقیق

در این مطالعه تلاش داریم پاسخ سازه های چند درجه آزاد را تحت زلزله نزدیک گسل مورد بررسی قرار دهیم. هدف کلی شناخت و بهبود درک خود از خصوصیات زلزله نزدیک گسل و اثر آن روی پاسخ لرزه ای سازه ها می باشد. بنابراین قادر خواهیم بود ارزیابی از وضع موجود آیین نامه های طراحی برای ارائه طرحی ایمن در مقابل زلزله نزدیک گسل انجام دهیم. در این مطالعه از زمین لرزه تولید شده به کمک روش های لرزه شناسی برای تولید زمین لرزه نزدیک گسل استفاده می شود. سپس این زلزله ها به عنوان تحریک ورودی به سازه اعمال می شوند و پاسخ لرزه ای سازه ها مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.

2   فصل دوم : ادبیات موضوعی

2-1    مقدمه

جنبش های ثبت شده در نزدیک گسل های فعال، به علت اثرات جهت پذیری پیشرونده و تغییرمکان ماندگار دارای ویژگیهای متفاوتی نسبت به جنبش های معمولی ثبت شده در فاصله دور از گسل می باشند. از جمله مهمترین خصوصیات متمایز این جنبش ها می توان به وجود پالس های پریود بلند در تاریخچه زمانی شتاب، سرعت و تغییرمکان، نسبت بزرگ حداکثر سرعت به حداکثر شتاب در تاریخچه زمانی، محتوای فرکانسی بالای نگاشت و مدت دوام کوتاه در مولفه عمود بر گسل نگاشت اشاره کرد. هریک از این ویژگی ها اثرات مختلفی بر روی سازه های مختلف دارند. همچنین در اینگونه زلزله ها، تجمع انرژی در یک بازه زمانی کوتاه و در یک پالس می تواند باعث حرکت ضربه مانند شود.

2-2    تاریخچه موضوع

هال[8] در دسامبر 1995 گزارش طولانی تحت عنوان مطالعه پارامتری پاسخ قاب های خمشی فولادی به زمین لرزه نزدیک گسل با سرمایه گذاری آژانس مدیریت بحران آمریکا FEMA)) ارائه کرد. بر اساس نتایج این تحقیق معلوم گردید که تنش غیر الاستیک عموما در تیرها ایجاد شده ولی به میزان قابل توجهی تسلیم در ستون ها اتفاق می افتد. همچنین نتایج مقادیر جابه جایی نسبی تحت رکوردهای مورد نظر برای هر دو قاب 6 و 20 طبقه حاکی از نیاز تغییر مکانی بالای سازه ها تحت رکوردهای نزدیک گسل در مقایسه با محدودیت آیین نامه های لرزه ای فعلی می باشد. همچنین در طی بررسی انجام شده در این تحقیق در خصوص تاثیر مولفه قائم این دسته از رکوردها معلوم گردید که مولفه های قائم در این حالت از اهمیت و تاثیر کمتری برخوردار است. در پایان نتیجه گیری نموده است که تاثیرات این دسته از زمین لرزه ها (رکوردهای نزدیک گسل) از تاثیرات زلزله های ارائه شده در آیین نامه ها بیشتر می باشد. لذا به منظور در نظر گرفتن تاثیرات رکوردهای نزدیک گسل در آیین نامه های لرزه ای، باید سطح نیروی طراحی آیین نامه ها برای زمین لرزه های نزدیک گسل افزایش یابند[8].

در دو دهه اخیر مطالعات متعددی درباره اثرات و ویژگی های متفاوت زلزله های حوزه نزدیک انجام شده است. برترو و همکاران رفتار ساختمان مرکز پزشکی Olive View را بعد از زلزله سال 1971 سان فرناندو مورد بررسی قرار داده و نشان دادند که این ساختمان به سبب یک پالس شدید متحمل آسیب گسترده ای گردیده است که آنها این پالس شدید را به عنوان یکی از ویژگی های زلزله های حوزه نزدیک شناسایی کردند[9]. هال و همکاران نشان دادند که پتانسیل خرابی زلزله های حوزه نزدیک بستگی به این موضوع دارد که چه مقدار تعییر مکان در زمین به علت پالس های سرعت ایحاد خواهد شد[10]. همچنین ایوان با رسم منحنی حداکثر تغییر مکان نسبی طبقه در مقابل پریود سازه، نشان داد که حتی برای سازه های الاستیک، اثرات حوزه نزدیک نمی تواند با ضرب کردن ضریب برش پایه آیین نامه ای در یک ضریبی به عنوان فاکتور اثر حوزه نزدیک، محاسبه گردد[11].