Prof. J. David Rogers
برگرفته از ارائه پروفسور روگرز، استاد زمین شناسی مهندسی دانشگاه میزوری
رئوس مطالب
زمین لرزه چیست؟
کانون و اپی سنتر زلزله
لرزه شناسی
انواع امواج زلزله
مان یابی و اپیسنتر زلزله
مکان های لرزه خیز و کمربند زلزله زمین
بزرگای زلزله
انواع گسل
مهندسی لرزه شناسی
هر ساله بالغ بر 4 میلیون زمین لرزه در جهان رخ می دهد که به عبارتی 11000 زمین لرزه در هر روز رخ می دهد.
از بین اینها تنها حدود 6200 لرزش آنقدر بزرگ است که توسط انسانها احساس شود.
حدود 800 لرزه در هر سال دارای بزرگای 5 الی 5/9 است که موجب بروز خرابی می شود.
در هر سال حدود 120 لرزه ویرانگر با بزرگی 6 الی 6/9 رخ می دهد.
با وجود اینکه وضعیت ساختمان سازی بهبود یافته است، اما بازهم سالانه حدود 15000 نفر در اثر زمین لرزه جان خود را از دست می دهند.
زمین لرزه Earthquake
3/80
آمار کشته شدگان زمین لرزه
در سال 1556 میلادی حدود 830 هزار نفر در شنسی چین جان باختند.
در سال 1920 در کانسو چین 180 هزار نفر جان باختند.
در سال 1985 طی یک لرزش 8/1 M در مکزیکوسیتی حدود 9500 نفر کشته و 30هزار نفر زخمی بر جای گذاشت.
در سال 2003 در کل دنیا حدود 43819 نفر جان خود را در اثر زمین لرزه از دست دادند.
بنابراین همان قدر که بزرگی زمین لرزه ها اهمیت دارد، زمین شناسی مهندسی و فیزیک زمین شناسی نیز دارای اهمیت می باشد.
4/80
زمین لرزه چیست؟
لرزش زمین در اثر آزاد شدن ناگهانی انرژی
انرژی آزاد شده از کانون زمین لرزه به تمامی اطراف پراکنده می شود
انرژی به صورت موج پراکنده می شود.
این امواج به کمک ابزار هایی با حساسیت بالا قابل شناسایی هستند
5/80
کانون و اپی سنتر زلزله
Focus & Epicenter
6/80
کانون و اپی سنتر زلزله
Focus & Epicenter
7/80
کانون و اپی سنتر زلزله
Focus & Epicenter
8/80
جابجا شدن حصار دور زمین در اثر زمین لرزه سان فرانسیسکو (1906)
9/80
پیش لرزه و پس لرزه
لرزش هایی که پس از زلزله اصلی رخ داده و عموماً ضعیف تر هستند را پس لرزه گویند.
لرزش های کوچکی که معمولاً قبل از لرزش اصلی رخ داده و ممکن است روزها و یا سالها قبل از لرزش اصلی شروع شوند، پیش لرزه نام دارند.
10/80
لرزه شناسی
مطالعه بر روی امواج زمین لرزه، یا همان سیسمولوژی، در بین چینی ها سابقه 2000 ساله دارد.
امروزه ابزاری را که امواج ناشی از زمین لرزه را ثبت می کنند، سیسمو گراف یا لرزه نگار می گویند.
11/80
لرزه نگار حرکت قائم
12/80
لرزه نگاری
به منظور ثبت حرکات قائم و افقی سطح زمین به بیش از یک نوع لرزه نگار احتیاج داریم.
نتایج ثبت شده توسط لرزه نگار را سیسمو گرام یا خطوط لرزه می نامند.
13/80
انواع امواج لرزه ای
(1) امواج بدنه ای (Body Waves)
در داخل زمین سیر می کنند.
با توجه به مد حرکت به دو نوع تقسیم می شوند:
امواج اولیه (Primary) یا P
امواج ثانویه (Secondary) یا S
14/80
15/80
انواع امواج لرزه ای
(1) امواج بدنه ای (Body Waves)
امواج اولیه (Primary) یا P
حرکت موج P به صورت Push-Pull می باشد. این امواج از تمامی مواد عبور کرده و 1/7 برابر سریع تر از امواج S در جامدات سیر می کنند
امواج ثانویه (Secondary) یا S
جابجایی عمود بر راستای حرکت موج بوده و این نوع موج فقط در جامدات سیر می کند.. دامنه حرکت موج S از P بیشتر است
16/80
انواع امواج لرزه ای
(2) امواج سطحی (Surface Waves)
معروف ترین آنها امواج رالی و لاو هستند.
Love & Rayleigh
حرکات بسیار پیچیده دارند
بسیار ویران کننده اند
دامنه حرکت زیاد و سرعت حرکت کم دارند
دارای دوره زمانی زیادی هستند (فاصله زمانی بین دو اوج).
(Period or time interval between crests)
اغلب با نام موج L یا Long wave شناخته می شود.
17/80
18/80
تبدیل امواج فشاری بدنه ای (P) به امواج سطحی از نوع رالی
19/80
تبدیل امواج برشی بدنه ای (S) به امواج سطحی از نوع لاو
20/80
مکان یابی زمین لرزه
کانون: مکانی درون زمین که زلزله در آنجا تولید شده است.
اپیسنتر: نقطه روی سطح زمین، دقیقاً بالای کانون زلزله.
به کمک اختلاف سرعت سیر امواج P و S می توان موقعیت تقریبی اپیسنتر زمین لرزه را مشخص نمود.
21/80
تعیین مکان اپیسنتر
به منظور مکان یابی اپیسنتر بایستی امواج در 3 ایستگاه مختلف اندازه گیری شوند.
در هر ایستگاه فاصله زمانی بین اولین موج P دریافتی و اولین موج S دریافتی اندازه گیری می شود.
برای تعیین فاصله ی افقی ایستگاه از اپیسنتر از نمودارهای travel-time امواج استفاده می شود.
22/80
23/80
24/80
25/80
26/80
27/80
کمربند زلزله
حدود 95 درصد انرژی آزاد شده در اثر زمین لرزه از مناطق محدود و باریکی که در سرتاسر جهان پراکنده اند منشا می گیرند.
نواحی اصلی زلزله عبارتند از: کمربند پیرامونی اقیانوس آرام، نواحی دریای مدیترانه، مناطق مشرف به هیمالیا و مجموعه سخره های اقیانوسی (ridges)
28/80
29/80
30/80
31/80
بزرگای زمین لرزه
مقیاس ریکتر (Richter) (معروف به ریشتر)
اولین بار توسط چارلز ریکتر در سال 1935 میلادی معرفی شد.
مبنای این روش، اندازه گیری بزرگترین دامنه حرکت امواج ثبت شده از یک زمین لرزه می باشد.
کاهش دامنه حرکت امواج با دور شدن از کانون زلزله در این روش لحاظ شده است
32/80
مقیاس ریکتر (Richter) (معروف به ریشتر)
بزرگترین مقدار اندازه گیری شده بر این اساس در لرزه نگار وود آندرسون (Wood Anderson) حدود 8/9 ریشتر است.
هر واحد افزایش در مقیاس ریشتر معادل 10 برابر شدن اندازه دامنه حرکت موج و همچنین معادل با 32 برابر شدن انرژی آزاد شده می باشد.
زمین لرزه به بزرگی کمتر از 2 ریشتر توسط انسانها قابل احساس نیست.
33/80
سه نوع حرکت اصلی گسل ها
34/80
35/80
سه نوع حرکت اصلی گسل ها
36/80
مهندسی لرزه شناسی
(Engineering Seismology)
بررسی فعل و انفعالات بین حرکات پوسته ای زمین و پاسخ های ساختاری زمین
37/80
سازوکارهایی از زمین لرزه که عموماً ساختمان های روی زمین را تحت تاثیر قرار می دهند:
خطر ایجاد گسیختگی های سطحی در اثر ایجاد گسله
انتشار امواج در زمین و اثر فلنج (Fling Effect)
تپوگرافی و بلندی ها باعث بیشتر شدن انرژی لرزشی می شوند.
تحکیم دینامیکی خاکها
روان گرایی (Liquefaction) و حرکت جانبی خاکها
تاثیرات تشدید یا تقویت های محلی
تکان های با دوره زیاد و تاثیرات تشدید یا رزونانس فرکانسی
پاسخ های حرکتی خارج از فاز (دارای اختلاف فاز) ساختمان ها
38/80
سونامی (Tesonami) می تواند جان صدها و حتی هزاران انسان را بگیرد
39/80
سونامی (Tsunami) می تواند جان صدها و حتی هزاران انسان را بگیرد
40/80
یکی از سازوکارهای وقوع سونامی (Tsunami)
41/80
(1)
(2)
(3)
(4)
گاهاً برخی گسل های فعال تا سطح گسترش پیدا کرده و موجب بروز گسیختگی ها می شود که می توانند تهدیدی برای ساختمان ها باشند.
تنها درصد کمی از زمین لرزه ها موجب پیدایش گسیختگی های سطحی روی زمین می شوند.
این مکانیزم می تواند موجب نمایان شدن ترک های جزئی یا حتی شکاف ها و پایین افتادگی های چند متری شود.
در مجموع تنها حدود % 2 از خسارتهای وارده به ساختمانها در اثر این مکانیزم است.
گسل های اصلی معمولاً برخی گسل های فرعی را نیز در اطراف خود ایجاد می کنند.
42/80
جهت درک مطلب در اینجا به این مکانیزم اثر ضربه شلاقی (نواختن لُنگ) می گوییم.
زمانی که یک موج زلزله به سمت بالا منتشر شده و به سطح زمین می رسد، ناگهان در سطح زمین شتاب گرفته و موجب بروز اثر فلِنگ (Fling Effect) می شود.
مشاهدات نشان داده است که شتاب زمین لرزه ای که در سازه های زیر زمینی از قبیل تونل ها احساس می شود بسیار کمتر از شتاب موج لرزشی در سطح زمین است.
علت این پدیده حذف شدن ناگهانی فشارهای محدود کننده زمین در سطح است. بعلاوه به دلیل اختلاف امپدانس زمین و هوا، موج لرزه ای منعکس شده و شتاب زیادی در سطح ایجاد می کند.
43/80
سخره های سنگی مرتفع معمولاً شتاب لرزه ای بیشتری را متحمل می شوند زیرا این سخره ها از طرفین آزادی حرکت دارند.
به عنوان مثال در زمین لرزه سال 1989 Loma Prieta مقدار شتاب زمین لرزه در کف دره 0.77g اندازه گیری شد و این درحالی بود که در بالای کوه شتاب 1.3g ثبت شده بود.
اثر تپوگرافی
44/80
به دلیل اختلاف امپدانسی که بین توده های خاکی و سنگ بستر وجود دارد، عبور امواج لرزه ای از فصل مشترک اینها موجب بروز زمین رانش یا واژگونی توده های خاکی می شود.
به این نوع لغزش Landslide یا Lurching می گویند.
مقدار فشار منفذی نیز در این شرایط بسیار تعیین کننده است.
این نوع لغزش در کوهها بسیار شایع بوده و عموماً موجب خساراتی از قبیل خرابی راههای مواصلاتی، قطعی لوله های گاز رسانی، خطوط برق و تلفن و … می شود.
نشست و لغزش زمین در دامنه های شیبدار
45/80
نشست و تحکیم دینامیکی خاک در اثر امواج لرزه ای
46/80
نشست و تحکیم دینامیکی خاک در اثر امواج لرزه ای
چنانچه تجهیزاتی (از قبیل خطوط لوله گاز یا آب و … ) از چنین مکان هایی عبور کرده باشند، نشست های دینامیکی ناشی از امواج لرزه ای که در خاک رخ می دهد موجب بروز آسیب در این تجهیزات می شوند.
47/80
سازوکار نشست خاکریز های عبوری قبل و بعد از پل ها
48/80
سازوکار نشست خاکریز های عبوری قبل و بعد از پل ها
همانطور که مشاهده می شود پایه های پل در داخل سنگ بستر قرار داشته و هیچ گونه نشستی را متحمل نمی شود. خاکریز دهانه پل در اثر وقوع لزرش ها نشست کرده ، بنابراین بزرگراه نشست کرده و سطوح غیر هم سطح ایجاد می شوند.
49/80
سازوکار نشست خاکریز های عبوری قبل و بعد از پل ها
50/80
سازوکار نشست خاکریز های عبوری قبل و بعد از پل ها
شکست پل در آوریل 1991، زمین لرزه کاستاریکا
پل فلزی با پایه های بتنی- فلزی به دلیل وقوع مکانیزم روان گرایی مواد فونداسیون، کج شد.
روان گرایی یک نوع سازوکار شکست است که در آن مواد فاقد چسبندگی (مانند خاک)، زمانی که فشار روزنه ای به اندازه فشار محصور کننده موثر افزایش یافت، مقاومت برشی (ناشی از اصطکاک) خود را از دست داده و روان می شوند.
چنین شرایطی معمولاً فقط برای لایه های بالایی تا عمق50 فوت (16 متر) و اغلب در خاکهای سیلت، ماسه و گراول دانه ریز لایه بالایی اتفاق می افتد.
ساختمان بر روی خاک کاملاً پایدار است
روان گرایی خاک
Soil Liquefaction
ذرات متراکم نشده خاک توسط نیروط اصطکاک در هم قفل شده و فضاهای خالی بین آنها اشباع از آب است.
در اثر لرزش ، لایه های زیرین متراکم تر شده و آب آنها بالا می آید و در اثر فشار روزنه ای تنش موثر کاهش یافته، ذرات خاک در لایه های رویی از یکدیگر فاصله گرفته ، اصطکاک از بین می رود و خاک همانند یک سیال روان می شود.
ساختمان کج شده و در خاک فرو می رود.
قدیمی
جدید
Paleoliquefaction is a term used to describe ancient liquefaction features
عکس العمل ساختمانها
با توجه به نوع ساختمان ها، مواد تشکیل دهنده فونداسیون و لایه های زیری آنها و همچنین مکان احداث ساختمانها، پاسخ های متفاوتی در مقابل امواج لرزه ای از خود نشان می دهند.
سازه های متقارن (Symmetrical) در مقابل زمین لرزه بسیار پایدار تر از سازه های نامتقارن (Asymmetrical) عمل می کنند.
دوره طبیعی ساختمان و زمین لرزه
Fundamental Structural Period
پاسخ ساختمانها در مقابل امواج لرزه ای یکسانی که به آنها اعمال می شود متفاوت است زیرا دوره طبیعی ساختمانها مختلف است.
دوره طبیعی ساختمانها به سیستم فونداسیون، صلبیت اسکلت سازه، پانل های برشی و ارتفاع ساختمان بستگی دارد.
در اثر آسیب هایی که از طرف زمین لرزه ها به اسکلت ساختمانها وارد می شود، دوره طبیعی سازه با گذر زمان افزایش می یابد تا اینکه به شکل خطرناکی زیاد شده و با اندکی لرزش شروع به نوسان کرده و تمامی اشیا و انسانهای درون خورد را به اطراف پرتاب می کند.
فرکانس طبیعی اجسام مختلف متفاوت است
عدم رعایت فاصله جانبی ساختمانها
عدم رعایت فاصله جانبی ساختمانها
عدم رعایت فاصله جانبی ساختمانها
تاثیر لایه های زمین
شدت لرزش های ناشی از زمین لرزه در یک منطقه از جایی به جای دیگر متغیر می باشد.
تاثیر لایه های زمین بر شدت لرزش
نوع گسل، عمق گسل و اندازه گسل، ویژگی های فیزیکی و ژئوفیزیکی لایه های زمین همگی در کنار یکدیگر بر نوع پاسخ زمین در مقابل امواج لرزه ای موثر می باشند.
به عنوان مثال طی زمین لرزه ای که در این منطقه رخ داد، مردم مکزیکو سیتی که در کوهپایه زندگی می کردند هیچ گونه لرزشی احساس نکردند و این درحالی بود که 5کیلومتر آنطرف تر 10 هزار نفر در اثر زمین لرزه کشته شدند.
زمین لرزه مکزیکو سیتی در سال 1985 با 9500 کشته و 30 هزار زخمی
زمین لرزه مکزیکو سیتی در سال 1985 با 9500 کشته و 30 هزار زخمی
تاثیر لایه های زمین بر شدت لرزش
این تصویر نشان می دهد که شتاب لرزه ای امواج پس از عبور از سنگ بستر و ورود به بستر خاکی به شدت افزایش یافته و هنگام رسید به سطح زمین به بیشترین مقدار خود می رسد.
تاثیر لایه های زمین بر شدت لرزش تحت اثر پدیده تشدید
تاثیر لایه های زمین بر شدت لرزش تحت اثر پدیده تشدید
تاثیر لایه های زمین بر شدت لرزش تحت اثر پدیده تشدید
تاثیر مخرب ارتعاشات غیر هم فاز ساختمان های مجاور