اثر زلزله بر سازه های زیر زمینی و تونل مترو

تعاریف مربوط به زلزله

3- تعاریف مربوط به زلزله

از نظر زلزله شناسی، زلزله دارای مفاهیم و خصوصیات متعددی از جمله کانون زلزله، شدت و بزرگی زلزله و ... می‌باشد که بررسی هر کدام در جای خود مهم است. اما در اینجا به مشخصات تاثیر گذار عمده و مفاهیم کلیدی مربوط به بحث اشاره می‌شود و تاثیر هرکدام از پارامترها در رفتار سازه‌های زیر زمینی مورد بررسی قرار میگیرد.

3-1-     امواج زلزله :

انرژی آزاد شده در زلزله، بصورت امواج در زمین منتقل گردده و باعث تحریک سازه‌های دور از کانون زلزله میشود. بررسی این امواج بصورت کلی، امری است بسیار دشوار که در عمل برای سهولت، امواج به یکسری امواج ساده‌تر تجزیه می‌گردد.

امواج زلزله از نوع امواج الاستیک هستند و بر حسب کرنش ایجاد کننده به دو نوع حجمی (مانند امواج فشاری و برشی) و سطحی (مانند امواج لاو و ریلی) تقسیم می‌گردند. شکل (3-1) بصورت شماتیک، انواع امواج ایجاد شده در زلزله را نشان می‌دهد.

بر اساس مشاهدات، قدرت و توان هر کدام از امواج کاملا وابسته به بزرگای زلزله، فاصله بین رو مرکز و ساختگاه و مشخصات خاک در این فاصله می‌باشد. از طرف دیگر امتدادهای مختلف برخورد موج با امتداد اصلی تونل سبب ایجاد تغییر شکلهای مختلفی در سازه می‌گردد. بدلیل اهمیت موضوع امواج و ارتعاشات، این موضوع در فصلی جداگانه مورد بررسی قرار می‌گیرد.

(a)   امواج حجمی

 (b)      امواج سطحی

شکل (3-1) : دیاگرام شماتیک از انواع مختلف امواج ایجاد شده در یک زلزله

3-2-     بیشینه شتاب زمین (PGA)

از معیارهای مهم در طراحی و علت اصلی آسیبها، بیشینه شتاب سطح زمین در هنگام زلزله می‌باشد که بر اساس ضریبی ار g شتاب جاذبه زمین سنجیده می‌شود. علاوه بر این، معیارهای دیگری از جمله بیشینه سرعت ذره‌ای در سطح زمین نیز در تعیین میزان خرابی‌ها تعریف شده‌اند. بطور کلی بررسی‌ها نشان میدهند که اگر شتاب سطحی بیشینه تا 0/2g باشد، آسیبی به تونل وارد نمی‌شود و چنانچه این شتاب بین 0/2g تا 0/5g باشد، صدمات خفیف و قابل تعمیر را شاهد خواهیم بود و از شتاب 0/5g به بالا، انتظار آسیبهای شدیدتری خواهد بود.

3-3-     فرکانس و طول موج زلزله:

نزدیک بودن فرکانس ارتعاش سازه به فرکانس مولد ارتعاش، سبب پدیده تشدید می‌گردد. تحقیقات نشان می‌دهند که امواج زلزله دارای فرکانس کم و طول موج زیاد هستند. هر چه اندازه طول موج برخوردی به تونل نزدیک به قطر تونل باشد (حداکثر تا 4 برابر قطر تونل)، امکان تقویت نوسان وجود دارد، بطوری که طول موج تا دو برابر قطر تونل می‌تواند موجب آسیبهایی به تونل گردد. اگر تونلی به قطر 10 متر و در محیط ماسه سنگی که سرعت موج در آن 8/1 کیلومتر بر ثانیه است، در نظر گرفته شود، با فرض برخود موجی که دو برابر قطر تونل، طول موجش است، مقدار فرکانس لازم برای تحریک سقف به ریزش برابر است با 90 هرتز (f=c/λ)؛ که تولید این فرکانس برای زلزله‌های متداول ممکن نیست. مگر اینکه تونل به کانون زلزله و محل وقوع گسیختگی گسل بسیار نزدیک باشد و شاید فقط در انفجارهای عظیم امکانپذیر باشد.

3-4-     فاصله از مرکز زلزله:

 بدیهی است که هرچقدر تونل از مرکز زلزله فاصله می‌گیرد، امکان آسیب کمتر می‌شود. توجه به این نکته لازم است که در فرکانسهای پایین، میرایی دامنه نوسانها شدیدتر است بطوری که افت انرژی در امواج حجمی متناسب با عکس مجذور فاصله و در امواج سطحی متناسب با عکس فاصله می‌باشد.

3-5-     دوام نوسانها (Duration) :

 عموماً پدیدة زلزله دارای فركانسهای كم و تعداد سیكلهای تنش زیاد می‌باشد. تعداد دفعات نوسان سازه- به خصوص آن تعدادی كه سازه را وارد محدودة غیرخطی می‌كند- عامل بسیار مهمی در بالا رفتن میزان آسیبهای وارده به تونل می‌باشد. دوام و تعداد زیاد نوسانها باعث پدیده خستگی (Fatigue) می‌شود و این پدیده موجب تغییرشكلهای بزرگ در اطراف تونل می‌گردد.

3-6-     شدت و بزرگی زلزله :

بزرگی زلزله را نمی‌توان به‌طور جداگانه مورد بررسی قرار داد زیرا این عامل مربوط به دامنة امواج ارتجاعی و انرژی تولید شده در مركز زلزله می‌باشد. اگر بزرگی زلزله با پارامتر فاصله از مركز زلزله در نظر گرفته شود، می‌توان نمودارهایی مانند شكل 3-2 تهیه نمود. در این شكل بطور مثال اگر زلزله‌ای با بزرگی 5/7 ریشتر (Richter) مبنا باشد، در فواصل بیش از 60 كیلومتر انتظار آسیب‌دیدگی نخواهیم داشت. برخلاف بزرگی زلزله، شدت زلزله را می‌توان به‌تنهایی به ‌عنوان معیاری در تعیین آسیب‌دیدگی مطرح ساخت زیرا بر اساس میزان تخریب زلزله تدوین شده است.

شكل  3-2 : ارتباط شدت و بزرگی . شتاب بیشینه زلزله با فاصله از گسل

3-7-     گسلش

گسلش از ویژگیهای زلزله به شمار نمیرود، و در واقع عامل ایجاد کننده زلزله است. در حوزه‌های مختلف مهندسی عمران و ساخت و ساز و در مطالعات آسیب پذیری شهری، بدلیل محدود بودن ابعاد سازه‌ها و احتمال بسیار کم تقاطع این سازه‌ها با خط گسلش، این قسمت از اهمیت زیادی برخوردار نیست. ولی در حوزه تونل سازی، بدلیل ویژگی اصلی این سازه‌ها که طولانی بودن آنها می‌باشد، احتمال تقاطع این سازه‌ها با محل گسلش، بسیار زیاد و تقریبا امری اجتناب‌ناپذیر است. بدلیل اهمیتی که گسلش در امر تونل سازی دارد، این موضوع بصورت جداگانه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.