مفاهیم اولیه زلزله
فهرست مطالب
منشا زلزله:
مفاهیم اولیه زلزله
کره زمین از سه قسمت هسته ( داخلی ) ، جبه یا گوشته ( میانی ) و پوسته (خارجی) تشکیل شده است . سطح پوسته زمین شامل صفحات بزرگی از جنس سنگ سخت بوده که روی مواد مذاب جبه شناور هستند و این صفحات می توانند نسبت به یکدیگر حرکت کنند که به آن نظریه تکتونیک ( plate tectonics ) یا زمین ساخت صفحه ای گفته می شود . بین صفحات پوسته زمین تنش هایی وجود دارد که اگر این تنش ها از حدود فراتر رود ممکن است سبب ایجاد لغزش های ناگهانی شود که خود این امر مسبب آزاد شدن انرژی های عظیم است .
- منشا اغلب زلزله هایی که در ایران رخ میدهد به دلیل این است که صفحه ایران شامل کشورهای ایران ، افغانستان و بخش هایی از پاکستان و عراق بوده که از طرف صفحه عربستان که در جنوب قراردارد تحت فشار است .
کشور ایران روی کمربند لرزه ای آلپاید قرار گرفته که از سلسله کوه های هیمالیا در شرق آسیا آغاز شده و پس از عبور از ایران و ترکیه تا کوه های هیمالیا امتداد دارد .
تعریف زلزله
به آزاد شدن انرژی های عظیم حاصل تنش های بین صفحات زمین که به شکل انتشار امواج مختلفی (سطحی و حجمی ) رخ می دهد، زمین لرزه یا زلزله گفته می شود .
- غیر از زمین لرزه هایی که منشأ تکتونیکی دارند، انفجار، آتش فشان و ریزش حفره های زیرزمینی نیز می تواند باعث ایجاد امواجی شوند که اصطلاحاً زلزله های القایی نام دارند
گسل
به ناپیوستگی پوسته زمین که عمدتاً در مرز صفحات تکتونیک، یا حتی ناپیوستگی هایی که داخل محدوده صفحات دیده می شود، گسل می گویند .
انواع گسل : (ساز و کار چشمه لرزا )
- امتداد لغز (چپ لغز و راست لغز ) : اگر دو گسل بصورت موازی و در امتداد یکدیگر بصورت جانبی نسبت به یکدیگر حرکت کنند .
- شیب لغز ( عادی و معکوس ) : در حالتی که دو گسل در امتداد شیب یکدیگر حرکت کنند .
- کج لغز ( مورب ) : در هنگام زلزله معمولاً حرکت گسل ها ترکیبی از امتدادلغز و شیب لغز می باشد .
گسل فعال :
به گسل هایی گفته می شود در طی چندین هزارسال حرکت کرده و احتمالا در آینده هم حرکت خواهند کرد . بطور مثال گسل سن آندریاس به طول 1300 کیلومتر در آمریکا ، بطور متوسط با سرعت 30میلی متر در سال حرکت می کند .
گسل اصلی :
گسلی که طول آن بیش از 10 کیلومتر باشد .
پهنه گسلی :
محدوده ای از زمین اطراف گسل که در اثر حرکت گسل دچار تغییر شکل عمده ای می شود .
در پهنه های گسلی کاربری های زمین شهری تا جایی که امکان دارد باید کم خطر یا کم تراکم مانند فضاهای ورزشی ، تفریحی ، فضای سبز یا سازه های سبک باشد . از احداث ساختمان هایی با اهمیت بسیارزیاد اجتناب گردد و ساختمان هایی با اهمیت زیاد صرفا با تمهیدات ویژه مجاز می باشد.
اصطلاحات لرزه ای :
کانون زلزله : ( focus , hypocenter ) : نقطه ای در عمق پوسته زمین که گسیختگی گسل و آزاد شدن انرژی زلزه در واقع از آنجا شروع می شود .
مرکز زلزله (epicenter) : به نقطه متناظر با کانون زلزله در سطح زمین گفته می شود .
عمق کانونی (focal depth) : فاصله کانون زلزله تا مرکز زلزله
عمق کانونی تا 70km (زلزله سطحی) ، 70km تا 300km (عمق متوسط) و بطور تقریبی از 300km تا 700km (زلزله های عمیق)
زلزله های عمیق در فواصل بسیار دور نیز قابل احساس هستند و زلزله های مخرب همواره از نوع سطحی بوده و زلزله های عمیق قدرت تخریبی زیادی ندارند.
فاصله کانونی : فاصله کانون زلزله تا نقطه ای که قرار دارید
فاصله رومرکز : فاصله مرکز زلزله تا نقطه ای که قرار دارید
اثر سطحی گسل ( fault trace ) : فصل مشترک گسل با سطح زمین را اثر سطحی یا خط گسل می نامند .
رخنمون گسل (fault scarp ) : سراشیبی یا دیواره گسل که بصورت اختلاف ارتفاع بین صفحات دوطرف گسل دیده می شود .
محاسبه فاصله کانونی:
d : فاصله کانونی با مرکز لرزه نگاری
ts : زمان رسیدن امواج عرضی tp : زمان رسیدن امواج طولی
Vs : سرعت موج عرضی vp : سرعت موج طولی
موج عرضی در واقع همان موج برشی است که عمود بر سطح زمین بوده و موج طولی موازی با سطح زمین حرکت می کند . موج عرضی و طولی جزو امواج حجمی می باشد و موج ریلی (حرکت موج گونه ) و موج لاو ( حرکت مار گونه ) جزو امواج سطحی می باشند .
بعد از بدست آوردن مقدار d یک دایره به شعاع d از مراکز لرزه نگاری ( سه مرکز ) ترسیم میگردد . محل تقاطع این دایره های رسم شده روی نقشه کانون زلزله محسوب می شود .
در اکثریت زلزله هایی که ثبت می شود عمق کانونی در مقایسه با فاصله کانونی اندک است این فاصله را معادل فاصله رومرکز درنظر میگیریم .
پیش بینی زلزله :
وقوع زلزله میتواند با عواملی همچون : وقوع زلزله های خفیف ، تغییرات ظاهری پوسته زمین ، تغییر در خواص مغناطیسی و مقاومت الکتریکی زمین ، بالا آمدن سطح آب چاه ها و رفتار غیرمنتظره حیوانات ، مرتبط باشد .
هرچند زلزله هایی نیز رخ داده که هیچیک از نشانه های فوق الذکر را نداشته است .
با تجه به پراکندگی گسل های در یک خطه نیز میتوان وقوع زلزله را پیش بینی کرد ، بطور مثال اگر زلزله ای در یک منطقه زلزله خیز و اطراف گسل در طولانی مدت رخ ندهد احتمال بسیار زیادی وجود دارد که یک زلزله بزرگ مخرب در آن قسمت به وقوع بپیوندد . مانند زلزله سال 1369 منجیل که مدت زیادی بود در آن منطقه زلزله ای رخ نداده بود .
البته باید توجه داشت که اگر حتی بدانیم در یک هفته آینده قرار است زلزله ای بزرگی مثلا در شهر تهران رخ دهد در واقع هیچکاری نمیتوان در مورد حفاظت از سرمایه های ملی ، شخصی و سازه های محدوده انجام داد و تنها کار فرار و نجات جان افراد است . بایددر نظر داشت که ممکن است بسیاری افراد محل سکونت و یا سرمایه ای برای تأمین محل سکونت دیگری نخواهد داشت و میلیون ها نفر بی خانمان خواهند شد .
باید درنظر گرفت که ممکن است هرلحظه زمین لرزه ای شکل بگیرد ، پس بهتر است از ابتدا سازه ها طبق آئین نامه و مستحکم ، طراحی و اجرا شود تا هم جان افراد و هم سرمایه های کشور حفظ شود .
مقیاس های سنجش قدرت زلزله :
1_ شدت زلزله ( Earthquake Intensity ) :
مهمترین مقیاس آن مرکالی اصلاح شده است که بیانگر میزان احساس و دریافت انسان از حرکت زمین و همچنین میزان تأثیر زلزله بر ساختمان ها و خرابی ناشی از آن می باشد . این مقیاس شامل 12 درجه بوده و درجه اول آن توسط انسان حس نمی شود اما درجه دوازدهم آن به قدری شدید است که اشیا را به هوا پرتاب میکند و ساختمان ها منهدم میگردند .
شدت بدست آمده بستگی زیادی به قضاوت اشخاص داشته و کیفیت ساخت و ساز ساختمان ها دارد . فاصله محل از مرکز زلزله نیز بر شدت آن تأثیرگذار است به نحوی که هر چه فاصله بیشتر شود شدت زلزله افت خواهد کرد .
2_ بزرگای زلزله :
مقیاس دقیق تری نسبت به شدت زلزله است و دارای 5 مقیاس جهت اندازه گیری است :
زلزله کمتر از 3 باشد : مقیاس MD
زلزله 3 تا 7 باشد : مقیاس امواج درونی mb یا مقیاس بزرگای محلی زلزله ML
زلزله 5 تا 5/7 باشد : مقیاس امواج سطحی زمین MS
زلزله بیشتر از 5/7 باشد : مقیاس امواج گشتاوری زمین MW
3_ مقیاس ریشتر :
همان مقیاس بزرگای محلی ML می باشد و بزرگای آن بر مبنای دامنه حرکت زمین سنجیده می شود. اگر دامنه موج یکی زلزله 10 برابر دامنه اندازه گیری شده زلزله دیگر باشد آنگاه 1 ریشتر به بزرگای آن اضافه شده است.
جالب است بدانید در صورتی که یک واحد به بزرگای زلزله در مقیاس ریشتر اضافه گردد آنگاه انرژی آزاد شده آن 32 برابر می شود . بطور مثال انرژی یک زلزله 7 ریشتری، 1024 برابر زلزله 5 ریشتری است .
بطور میانگین در کره زمین و در طول شبانه روز 8000 زلزله 1 الی 2 ریشتری به وقوع می پیوندد و این میزان برای زلزله 7 الی 8 ریشتری 18 مورد در طول سال است .
انفجار حاصل از برخورد بمب اتمی به شهر هیروشیما معادل یک زلزله 6 ریشتری بوده و انرژی یک زلزله 8 ریشتری تقریبا معادل انفجار 15 میلیون تن TNT است . ( تقریبا معادل 600 هزار کشنده 5 محوره حاوی مواد منفجره )
در علم مهندسی مقیاس ریشتر چندان معیار دقیقی محسوب نمی شود و مقایسه مقاومت سازه ها برحسب ریشتر زلزله فنی نبوده و عوامل دیگری نظیر فاصله از کانون زلزله ، جنس خاک منطقه و …. نیز می توانند بر میزان آسیب پذیری سازه ها تاثیرگذاری باشد
دستگاه های اندازه گیری زلزله :
1_ لرزه نگار :
اصول کار این دستگاه براساس حرکت آزاد یک آونگ یا یک وزنه متصل به فنر است . حرکت آونگ با روش های مکانیکی ، نوری یا الکترومغناطیسی تقویت می شود .
به خروجی این دستگاه لرزه نگاشت گفته می شود که پارامترهایی نظیر مرکز زلزله ، بزرگای آن و جنس لایه های زمین و مشخصات آنها بدست می آید اما این اطلاعات مستقیماً توسط مهندس طراح سازه قابل استفاده نیستند .
2_ شتاب نگار :
اگر زمان تناوب دستگاه لرزه نگار نسبت به زمان تناوب امواج ناشی از زلزله خیلی کوچکتر باشد از دستگاه شتاب نگار استفاده می شود که نگهداری و استفاده از آن ساده تر است .
به خروجی دستگاه شتاب نگار ، شتاب نگاشت گفته می شود و شتاب ناشی از ارتعاش زلزله (شتاب ارتعاش زمین نسبت به شتاب ثقل زمین ) از آن بدست می آید . زلزله های مخرب ثبت شده دارای مقادیری از 0.10g تا 2.00g (g : شتاب ثقل زمین = 9.81 ) بوده اند .
شتاب های خیلی بزرگ ملزم به تخریب بیشتر نیستند ، مدت زمان زلزله و فرکانس ( تعداد نوسان در یک ثانیه ) امواج تشکیل دهنده آن نیز میتوانند بر تخریب و انهدام سازه ها تاثیرگذار باشند .
رکورد زلزله :
امواج بوجود آمده ناشی از ارتعاشات زلزله باعث ایجاد لرزش های عمودی و افقی در سطح زمین می شوند یعنی به دو صورت موازی با سطح زمین ( افقی ) یا عمود برسطح زمین (مولفه قائم ) می باشند .
تعریف : شتاب نگارها تاریخچه ای از شتاب را برای طول رخداد زلزله ثبت می کنند و به مجموعه ای از دو شتاب نگاشت مربوط به دو مولفه افقی متعامد و یک شتاب نگاشت مربوط به مولفه قائم رکورد زلزله گفته می شود . در این رکورد ها سه اوج شتاب (PGA) ثبت می شود که مقادیر هر یک از آنها با یکدیگر متفاوت است .
اگر رکورد زلزله محل ثبت شتاب نگاشت در فاصله 15 کیلومتری گسل مولد زلزله باشد به آن رکورد زلزله نزدیک گسل گفته شده و و رکوردهای آن نیز پالس گونه است ، در غیر اینصورت رکورد زلزله دور از گسل گفته می شود و شتاب نگاشت آن هموارتر است
در زلزله های دوراز گسل PGA مولفه قائم از افقی کمتر است زیرا مولفه قائم نسبت به افقی خفیف تر است و بالعکس هرچه به گسل نزدیکتر باشیم با توجه به مکانیزم گسل ممکن است PGA مولفه قائم بیشتر از افقی باشد و طبیعتا مخرب تر است .
زلزله های مبنای طراحی :
در آئین نامه های لرزه ای ، معمولا زلزله های مشخصی جهت طراحی ملاک عمل قرار می گیرند که آثار ناشی از هریک در مرحله ای از طراحی استفاده می شود . مهمترین موارد زلزله بهره برداری ، زلزله طرح و زلزله حداکثر می باشند .
ویراش چهار استاندارد 2800، زلزله طرح و بهره برداری را ملاک طراحی و کنترل ساختمان ها قرار می دهد . آئین نامه ها معمولا عمر مفید یک ساختمان را 50 سال درنظر می گیرند .
طیف بازتاب ساختمان :
به نموداری که محور قائم آن ضریب بازتاب ساختمان ( B ) و محور افقی آن زمان تناوب سازه ( T ) باشد طیف بازتاب ساختمان گفته می شود. مقدار ضریب B برحسب مقادیر مختلف T بدست می آید .
طیف طرح استاندارد :
طیف طرح استاندارد ، منعکس کننده اثر حرکت زمین بر سازه ها برای زلزله طرح می باشد . برای بدست آوردن طیف طرح استاندارد کافی است که مقادیر بازتاب ساختمان را در پارامترهای نسبت شتاب مبنای طرح ( A ) ، ضریب اهمیت ساختمان ( I ) و عکس ضریب رفتار ساختمان (1/RU) ضرب کنیم .
طیف طرح استاندارد در واقع مقدار ABI/RU را برای مقادیر مختلف زمان تناوب ارائه می دهد .
*در نهایت طیف طرح استاندارد ، طیف مبنا جهت طراحی اغلب ساختمان ها است که مهندسان عمران از آن استفاده میکنند . در شرایط خاص با توجه به اهمیت سازه و نوع خاک استفاده از طرح ویژه ساختگاه الزامی است .
تدوین: مهندس محسن مهدی دوست
منبع: سقف وافل حاتم
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.