نمونه پایاننامه زلزله
چكيده:
استان ايلام داراي 448 هزار نفر جمعيت و با وسعتي معادل 19 هزار کيلومترمربع و داراي 425 کيلومتر مرز مشترک با کشور عراق و منابع ذخيره نفت و گاز و توسعه نقاط شهري آن در چند سال اخير و وجود سدهاي سيمره، سازبن، چناره و ايلام و … از سوي ديگر و احتمال وقوع زمين لرزه در آن از اهميت ويژه اي در ارزيابي احتمالي خطر زلزله برخوردار است.زلزله هاي ويرانگر و مخربي در گذشته دراين استان رخ داده که باعث تخريب و نابودي شهرهاي ماسبذان (دره شهر کنوني) و سيروان ( شيروان) در دوره ساساني گرديده است.
بعلت عدم آموزش انجام چنين تحقيقي در استان ايلام تاکنون، بر آن شدم که تحليل خطر را براي شهر ايلام آموزش انجام دهم. مجموعه اي از داده هاي لرزه خيزي تاريخي و دستگاهي با پوشش زماني از0859 م تا به امروز(سال 2007) بکار گرفته شده و منابع لرزه زا تا شعاع 200 کيلومتري از مرکز استان ايلام مدل شده است.براي برآورد پارامترهاي لرزه خيزي با توجه به نبود کافي داده هاي مناسب لرزه خيزي و دقت کم اطلاعات موجود و نيز عدم قطعيت در بزرگا در زمانهاي مختلف از روش(2000 )-Kijko استفاده شده است.
از روابط کاهندگي امبرسيز، سيپسون و بومر(1996 ) وقدرتي و رمضي استفاده گرديدو با استفاده از درخت منطقي ،PGA براي شهرايلام تعيين گرديد. اين كاربا استفاده از نرم افزار SEISRISKIII آموزش انجام شده و نتايج اين ارزيابي بوسيله نقشه هاي با2% و 10% احتمال رويداد در 50سال نشان داده شده است .
کليد واژه ها : تحليل خطرزلزله، شهر ايلام.
1-1 مقدمه :
استان ايلام در غرب کشور ايران و در سلسله جبال زاگرس قرار گرفته است. وجود دشتهاي ايلام، شيروان چرداول، مهران، دهلران، آبدانان، دره شهر و ايوان از ويژگيهاي آن مي باشد.
از آنجائيکه در ساخت بيشتر سازه هاي بزرگ و کوچک استان ايلام به ضوابط و معيارهاي مهندسي كمتر توجه شده است و رويداد زمين لرزه در آن عواقب بسيار نگران کننده اي در برخواهد داشت، منطقه مورد مطالعه از شهر ايلام به شعاع 200 کيلومتري آن يعني تقريبا کل استان ايلام را شامل مي شود که از شمال به استان کرمانشاه و از شرق به استان لرستان و از جنوب به استان خوزستان و از غرب به کشور عراق منتهي مي شود.
براي بدست آوردن برآوردي از خسارت احتمالي زلزله ابتدا لازم است که تخميني از زلزله هاي محتمل را در منطقه بدست آوريم که براي رسيدن به اين هدف نياز به تحليل طيفي خطر زلزله در منطقه مي باشد که در اين مطالعه به آن پرداخته شده است.
تحليل طيفي خطر زلزله در اصل روشي است که با اتکا به آن و با توجه به شرايط زمين شناسي و تکتونيکي منطقه و زلزله هاي ثبت شده گذشته مي توان تخميني از زلزله هاي آينده در نقاط مختلف پهنه تخمين زده و سپس براي پريود و هر سطح خطر نقشه پهنه بندي لرزه خيزي ( نقشه نقاط هم شتاب) را تهيه کرده و اين موضوع را مي توان به عنوان ابزار مناسبي جهت طيفهاي خطر يکنواخت بشمار آورد.
تحليل هاي خطر به تخمين کمي خطرات يک زلزله در يک محل خاص مربوط مي شود. خطرات لرزه اي در شرايطي که يک زلزله مشخص مد نظر باشد، بصورت قطعي و در شرايطي که اندازه و زمان و مکان زلزله قطعي نباشد بصورت احتمالي بررسي مي شود.
در اينجا به بررسي و توضيح اين دو روش مي پردازيم:
1-2- تحليل قطعي خطر زلزله(Deterministic Seismic Hazard Analysis ):
در سالهاي اوليه مهندسي ژنوتکنيک لرزه اي، کاربرد تحليل هاي قطعي خطر زلزله DSHA رايج بود. يک روش تحليل قطعي خطر زلزله مربوط به تعيين سناريوي خاص لرزه اي بود که بر مبناي آن ارزيابي خطر حرکت زمين صورت مي گيرد، منظور تخمين وقوع زلزله با اندازه هاي خاص و در محلي خاص مي باشد. يک روش نمونه تحليل قطعي خطر زلزله DSHA بصورت روشي با چهار مرحله ( 1990.Reitter ) بشرح زير قابل بيان است:
1- شناسائي و مشخص نمودن تمامي منابع زلزله که در محل قادر به توليد حرکات مهم زمين هستند. منظور از مشخص نمودن تعريف هندسه هر منبع و قابليت لرزه اي آن مي باشد.
2- انتخاب پارامتر فاصله منبع تا محل هر زون منبع : در اغلب روشهاي تحليل قطعي DSHA نزديکترين فاصله ميان زون منبع و محل مورد مطالعه انتخاب مي گردد، اين فاصله ممکن است بر مبناي فاصله کانوني يا زيرکانوني بسته به اندازه گيري فاصله مربوط به روابط تخميني که در مرحله بعد استفاده مي شود، تعريف گردد.
3- انتخاب زلزله مرجع( منظور زلزله اي است که شديدترين ارتعاشات را توليد خواهد کرد). اين زلزله معمولا بر حسب تعدادي از پارامترهاي حرکت زمين در محل بيان مي گردد. انتخاب بر اساس ميزان ارتعاش توليد شده توسط زلزله( مشخص شده در مرحله 1) در فاصله پيش بيني شده در مرحله 2 صورت مي گيرد. زلزله مرجع بر حسب اندازه( که معمولا با بزرگاي آن مشخص مي شود) و فاصله اش از محل مورد مطالعه بيان ميشود.
4- خطر زلزله در محل، معمولاً بر حسب حرکات ايجاد شده زمين در محل توسط زلزله هادي تعريف مي شود. مشخصات آن معمولاً بوسيله يک يا چند پارامتر حرکت زمين که از روابط تجربي بدست مي آيد، بيان مي گردد.
روش DSHA به صورت شماتيک در شکل(1-1 )نشان داده شده است. با نمايش فشرده اين روش در چهار مرحله ملاحظه مي شود که روشي بسيار ساده خواهد بود.
روش DSHA هنگامي که براي ارزيابي سازه هايي بکار مي رود که شکست آنها عواقب فاجعه آميزي دارد( همچون نيروگاههاي اتمي و سدهاي بزرگ)،چارچوب روشني براي بررسي وخيم ترين حالت ارتعاشات زمين ارائه مي دهد. اين روش اطلاعاتي در مورد احتمال وقوع زلزله مرجع، موقعيت وقوع آن، ميزان لرزش مورد انتظار در خلال زماني مشخص( از قبيل عمر مفيد يک سازه يا تأسيسات خاص) و بالأخره اثر عدم قطعيت در مراحل مختلف مورد نياز براي محاسبه منتجه حرکت زمين بدست نمي دهد.
1-3- تحليل احتمالي خطر زلزله(Probablistic Seismic Hazard Analysis):
در خلال دهه هاي گذشته استفاده از مفاهيم احتمالات باعث شده است که عدم قطعيت در اندازه، موقعيت و سرعت تکرار زلزله ها و همچنين تغييرات مشخصات حرکت زمين با بزرگي و موقعيت زلزله به طور صريح در ارزيابي خطرات زلزله مورد توجه قرار گيرد.
تحليل احتمالي خطرPSHA چارچوبي ارائه مي دهد که در آن اين عدم قطعيت ها مي تواند شناسايي شده و به صورت کمي درآمده و در يک روند منظم به گونه اي ترکيب شوند، تا تصوير کاملتري از خطر زلزله ترسيم گردد.
درک مفاهيم و ساختار روش PSHA ، مستلزم آشنايي با بعضي واژگان و مفاهيم پايه تئوري احتمالات مي باشد. روش تشريحPSHA از خيلي جهات مشابه روشي است که توسط(CorneLL 1968) بخوبي تبيين شده است.
روش PSHA همچنين به صورت يک روش4 مرحله اي(Reitter 1990 ) که هر مرحله تا حدودي مشابه مراحل روشِDSHA مي باشد قابل بيان خواهد بود. اين قسمت که در شکل (2-1 ) نشان داده شده است بشرح زير مي باشد:
1- قدم اول که همان شناسايي و مشخص نمودن منابع زلزله
مي باشد و مشابه قدم اول در روش قبلي DSHA مي باشد، با اين تفاوت که در اين روش احتمال توزيع موقعيت پتانسيل شکست در محدوده منبع زلزله نيز بايستي مشخص گردد.
در اغلب حالات احتمال يکنواخت توزيع زلزله به هر منبع تخصيص داده مي شود، به اين معني که زلزله ها با احتمال يکسان در هر نقطه داخل زون منبع اتفاق خواهند افتاد. اين گسترش سپس به منظور دستيابي به احتمال توزيع مربوطه در هر فاصله منبع تا محل با هندسه منبع زلزله ترکيب مي شوند. از طرف ديگر در DSHAفرض مي شود که احتمال وقوع زلزله در نقاط مختلف نزديکترين منبع به محل مورد مطالعه1 و در ساير نقاط صفر مي باشد.
2- قدم بعدي مشخص کردن لرزه خيزي يا توزيع موقتي تکرار زلزله مي باشد. در اين مرحله از يک رابطه تکرار که توسط آن سرعت متوسطي که ممکن است زلزله اي به اندازه خاص از آن تجاوز کند، استفاده خواهد شد تا لرزه خيزي هر زون منبع مشخص شود. رابطه تکرار ممکن است دربردارنده زلزله اي با حداکثر اندازه باشد، ليکن ملاحظات در خصوص آن زلزله را همانطور که در روش DSHAغالباً عمل مي شود محدود نمي سازد.
3- با کمک روابط پيش بيني کننده، حرکت زمين که ممکن است در محل مورد مطالعه بوسيله زلزله هايي با هر اندازه ممکن و در هر نقطه ممکن در زون منبع اتفاق بيافتد، بايستي تعيين شود. عدم قطعيت ذاتي که در رابطه پيش بيني کننده وجود نيز در روش DSHA ملحوظ گرديده است.
4- بالأخره عدم قطعيت در محل و اندازه زلزله و تخمين پارامترهاي حرکت زمين به منظور دستيابي به احتمالي که در خلال فاصله زماني خاص، پارامتر حرکت زمين ممکن است از آن تجاوز کند، ترکيب خواهد شد.
اجراي کامل روش PSHA مستلزم توجه دقيق به مسايلي از قبيل تخمين پارامترهاي حرکت زمين، تعيين مشخصات منبع زلزله و فيزيک احتمالات مي باشد.
1-4- منحني هاي خطر لرزه اي( Seismic Hazard Curves (SHC)):
منحني خطر لرزه اي براي زونهاي منبع منفرد قابل تعيين بوده و با ترکيب آنها خطر جامع زلزله در يک محل خاص بدست مي آيد. مفهوم پايه اي محاسبات مورد نياز جهت تهيه منحني هاي خطر زلزله نسبتا ساده مي باشد.
احتمال تجاوز يک مقدار خاص،y* از يک پارامتر حرکت زمين، Y ، براي زلزله محتمل دار يک موقعيت منبع محتمل، محاسبه شده و سپس در احتمالي که آن زلزله با آن اندازه خاص و در محلي خاص رخ مي دهد ضرب خواهد شد.
اين مراحل سپس براي تمامي اندازه ها و موقعيت هاي ممکن زلزله با احتمالات هر مجموعه تکرار خواهد شد. محاسبات مورد نياز در قسمتهاي زير آمده است :
براي وقوع يک زلزله معلوم، احتمالي که يک پارامتر حرکت زمين،Y ،از مقدار خاصy* تجاوز کند، با استفاده از قضيه احتمال کلي قابل محاسبه خواهد بود. يعني :
(1-1 ):
که در آنجا X برداري از متغيرهاي تصادفي است که بر Y تأثير مي گذارد. در اغلب حالات مقاديرX به بزرگي M و فاصله R محدود مي شود. با فرض اينکه M و R مستقل باشند، احتمال تجاوز را مي توان چنين نوشت :
(2-1 ):
که در آن جا { M , R Y > y* | }از روابط تخميني بدست آمده و (m ) fm و (r) frبترتيب توابع تراکم احتمالات براي بزرگي و فاصله مي باشند.
اگر از محل مورد نظر ناحيه اي متشکل از Ns منبع پتانسيل زلزله باشد که هر کدام داراي سرعت تجاوز از اندازه آستانه برابر exp [a1 – β1m0] [ =V1 باشند در اينصورت سرعت ميانگين کلي تجاوز چنين خواهد شد :
(3-1):
مؤلفه هاي منفرد معادله بالا براي تمامي روشهاي واقع گرايانه PSHA آنقدر پيچيده هستند که انتگرال ها بصورت تحليلي قابل ارزيابي نمي باشند. به انتگرال گيري عددي که با روشهاي مختلفي قابل آموزش انجام مي باشد، مورد نياز خواهد بود. يک روشي که در اينجا براي سهولت ( نه براي مؤثر بودن) بکار رفته، تقسيم محدوده هاي محتمل بزرگا و فاصله، بترتيب به Nm و NR قطعه مي باشد. در اينصورت سرعت ميانگين تجاوز از رابطه زير قابل تخمين خواهد بود.
(4-1):
كه در آنجا اين معادل آن است که فرض گردد هر منبع قادر به توليد تنها Nm زلزله مختلف با اندازه m1در تنها NR فاصله منبع تا محل با مقدارk r خواهد بود. در اينصورت معادله معادل است با
(5-1):
دقت مراحل انتگرال گيري عددي فوق با افزايش Nm و NRافزايش مي يابد.
منحني هاي خطر لزه اي بسادگي بوسيله ارزيابي (X= X )P براي آرايش کافي از مقادي X = X حاصل مي شوند به گونه اي که تمامي سطوح لرزه اي مورد نظر را پوشش دهند. يک ( SHC ) معمولا بوسيله يک احتمال وقوع سالانه در امتداد محور y ها و سطح يا پارامتر جنبش در امتداد محور X ها بيان مي شود.
در تحليلهاي احتمال انديشانه جديد که بر اساس روابط کاهندگي طيفي شکل گرفته اند، ممکن است منحني هاي خطر متفاوتي که بر اساس طولهاي شتاب طيفي در فرکانسهاي دلخواه توليد شده اند، مورد توجه قرار گيرند، به بيان ديگر يک منحني خطر لرزه اي SHC ممکن است بر اساس%5 ميرايي شتاب طيفي در 1HZ ( که به صورت (5% ZH1)SA نمايش داده مي شود) بسط داده شود و يا بصورت (2HZ,%5 )SA و يا (8HZ,%5) SA (5HZ,%5 ) SA و (10HZ,%5 )SA و (25HZ,%5 ) SA و … تدوين يابد، لازم بذکر است که منحني هاي خطر لرزه اي SHC معمولا براي PGA توليد مي شوند.
1-5- نقشه هاي خطرلرزه اي:
نقشه هاي خطر لزه اي با گذشت زمان و تکميل اطلاعات مربوط به زلزله و شناسائي هر چه بيشتر سرچشمه هاي زلزله( Source ) معمولا دستخوش تغيير مي باشند.
نقشه هاي رايج معمولا بر اساس تحليهاي احتمال انديشانه و بر اساس يک سري معيارها و سطوح خطر شکل مي گيرند، اکثر اين نقشه ها بيانگر بيشينه شتاب زمينPGA و يا بيشينه سرعتPGV بوده که احتمالاتي همچون 2% و يا 10% احتمال وقوع در 50 سال را نشان مي دهند ( با ميرايي ثابت)
همانطور که بيان شد PGA بيان کننده ميزان شتاب در روي سنگ بستر مي باشد( يعني در پريود صفر) و مي توان با بدست آوردن PGA مربوط به نقاط مختلف و رسم کانتورهايي به يافتن نقشه هاي PGA دست يافت. اين نقشه ها که معمولا بر مبناي2% و يا 10% عمر مفيد سازه ها (50 سال) مورد استفاده قرار مي گرفته اند، امروزه کم کم جاي خود را به نقشه هاي شتاب طيفي مي دهند.
نقشه هاي شتاب طيفي همانگونه که از اسمشان پيداست بيانگر بيشينه شتاب ( پارامتر جنبش زمين) در پريودهاي مختلف 1.00…. و 0.4 0. 0.3 0.2ثانيه با احتمال وقوع متناوب و يک درصد ميرايي خاص در دوره بازگشت متفاوت مي باشند.
1-6- طيف خطر يکسان( Uniform Hazard Spectrum ):
همانگونه که از اسم آن پيداست يک طيف خطر( UHS ) به شکل يک طيف پاسخ شکل مي گيرد، که به طولهاي طيفي که همگي احتمال وقوع يکساني دارند، مربوط مي شوند. مراحل شکل گيري(UHS ) در زير بصورت گام هاي متوالي بيان شده است:
1- بدست آوردن منحني خطر لرزه اي (SHC ) براي طولهاي طيفي متفاوت. لازم به ذکر است که همگي اين منحني ها بايد بر اساس يک سطح ميرايي ثابت و فرکانسهاي متفاوت حاصل شده باشند(براي مثالf=1,2,58,10,25HZ )همچنين منحني خطر لرزه اي ( SHC )براي PGA نيز بايد حاصل شود( يعني پريود صفر).
2- سطح خطر مورد نظر بايد انتخاب شود( براي مثال يک احتمال وقوع سالانه(λ=1×10^3 ).
3- با توجه به مقدار λ ( ميزان احتمال وقوع سالانه ) در روي محورهاي y منحني هاي خطر و يافتن مقدار X متناظر( که همان پارامتر جنبش زمين است) براي هر منحني، نتيجه اين گام مجموعه اي از مقادير:
مي باشد. Sa(f1,zc,λ),sa(f2,ξc,λ),sa(f3,ξc,λ),…PGA
4- کشيدن يک گراف به طوري که محور y آن بيانگر شتاب و محورx آن بيانگر فرکانس مي باشد. دراين گراف مقادير . Sa(f1,zc,λ),sa(f2,ξc,λ),sa(f3,ξc,λ),… به نمايش درخواهند آمد.
نتيجه حاصل از اين گام بک تک منحنيUHS مي باشد که نشان دهنده يک سطح ميرايي ثابتي(cx) و يک سطح يکنواخت ثابتي از خطر λ است.
5- در صورت نياز مي توان منحني هاي UHS را براي سطوح ميرايي و يا سطوح خطر متفاوت بدست آورد. با بررسي منحني هايUHS مي توان به اين نتيجه دست يافت که با کاهش سطح خطر( احتمال وقوع سالانه)، سطحUHS افزايش مي يابد.
در اين پایاننامه به منظور برآورد پارامتر جنبش نيرومند زمين که مقادير بيشينه شتاب طيفي افقي و قائم مورد نظر مي باشد، از روش احتمالاتي ( Probabilistic Seismic Hazars Analysi ) استفاده شده است.
براي بدست آوردن برآوردي از خسارات احتمالي زلزله، ابتدا لازم است که تخميني از زلزله هاي محتمل در منطقه را بدست آوريم که براي رسيدن به اين هدف، نياز به تحليل طيفي خطر زلزله در منطقه مي باشد که در اين پایاننامه به اين مهم پرداخته شده است.
از آنجايي که PGA بيانگر شتاب يک جسم صلب مي باشد ( T = 0) بنابراين نمي تواند پاسخگوي نياز ما براي طراحي سازه هايي که داراي پريودهاي مختلف مي باشند ( بخصوص سازه هاي با پريود بلند) باشد، لذا بررسي موشکافانه تر رفتار سازه ها و تدوين آئين نامه هاي طراحي نياز به نقشه هاي طيفي را ملموس تر مي نماياند، ازاين رو اخيراً در ايالات متحده و کانادا و تعداد معدودي از کشورها اين نقشه ها شکل گرفته و استفاده از آنها در آئين نامه هاي طراحي در دست بررسي مي باشد، بنحوي که اخيراً استفاده آزمايشي آن در آئين نامهNEHRP در حال بررسي است.
