ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - تحلیل خطر زلزله (لرزه ای) (Earthquake Hazard Analysis)

زلزله ها از جمله مخاطرات طبیعی با ماهیت تصادفی می باشند. لذا اثرات زلزله های آینده را نمی توان دقیقاً مشخص کرد و تنها با روش های احتمالاتی می توان تا حدی این اثرات را پیش بینی نمود. تحلیل خطر زلزله (لرزه ای) شامل تحقیقات و روش هایی است که به وسیله آنها می توان اثرات زمین لرزه های آینده را در ساختگاه تخمین زد. این اثرات اصولاً شامل پارامترهای حرکتی زمین است. در گذشته به دلیل فقدان ابزارهای اندازه گیری جنبش زمین، از پارامتر شدت زلزله استفاده می شد. بعد از توسعه ابزارهای ثبت اطلاعات جنبش زمین، از حداکثر شتاب زمین (PGA) در مطالعات تحلیل خطر استفاده شد. حداکثر سرعت زمین (PGV) و حداکثر جابجایی زمین (PGD) و همین طور شتاب طیفی (SA) در پریودهای مختلف سازه ها، مثال هایی از پارامترهای سنجش جنبش زمین در سال های اخیر است.

تحلیل خطر لرزه ای - شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه
تحلیل خطر زلزله (لرزه ای)

تحلیل خطر زلزله یک بخش ضروری و لاینفک طراحی لرزه ای سازه ها، تحلیل ریسک زلزله، تخمین تلفات و خسارات و محاسبات بیمه ای مربوط به آن محسوب می شود. تحلیل خطر زلزله برای تهیه نقشه های لرزه ای که اطلاعات مهمی را برای طراحی سازه های معمولی ارائه می دهد، ضروری است. طراحی و تخمین امنیت سازه های مهم همچون سدها، نیروگاه های هسته ای و غیره وابسته به تحلیل خطر زلزله ساختگاه آنها می باشد. در واقع تحلیل خطر زلزله تخمین كمي خطرات لرزش زمین در يک محل به خصوص مي باشد. در تحلیل خطر پذيری از پارامترهایي چون فاصله، بزرگا، روابط كاهندگي، شرايط خاک محلي و … استفاده شده و پارامتر مشخصي از حركت زمین در سايت مورد نظر پیش بیني مي شود. برای تحلیل خطر لرزه ای دو روش تعینی و احتمالاتی وجود دارد که در ادامه به آنها پرداخته می شود:

انواع روش های تحلیل خطر - شرکت ایستا سازه
انواع روش های تحلیل خطر لرزه ای (زلزله)

 تحلیل خطر زلزله به روش تعیینی (Deterministic Seismic Hazard Analysis)

در روش تحلیل خطر زلزله به روش تعیینی که به اختصار DSHA نامیده می شود، همه پارامترها از جمله بزرگای تولید شده در چشمه و فاصله از سايت به طور قطعي انتخاب شده و سپس تحلیل خطر انجام مي گیرد. همانطور كه در شکل زیر نشان داده شده است، تحلیل خطر به روش تعیني از چهار گام اصلي تشکیل مي‌شود:

گام های روش تحلیل خطر تعینی - شرکت مهندسی ایستاسازه
گام های تحلیل خطر زلزله به روش تعیینی

1- شناسایي چشمه های لرزه زا: شناسایی و مشخص نمودن تمامی منابع لرزه ای که قادر به ایجاد حرکات شدید زمین هستند. منظور از مشخص نمودن، تعریف هندسه هر منبع و پارامترهای لرزه ای آن است. برای شناسایی یک چشمه لرزه ای از اطلاعات به دست آمده از علوم مختلفی مانند ژئوفیزیک، لرزه شناسی و زمین شناسی استفاده می شود. فاصله چشمه لرزه ای تا محل برای هر چشمه لرزه ای در اغلب روش های تحلیل خطر تعینی، نزدیک ترین فاصله بین منبع لرزه ای تا ساختگاه، مورد استفاده قرار می گیرد. این فاصله بر مبنای فاصله تا مرکز سطحی یا فاصله کانونی و غیره می تواند باشد. در شکل زیر انواع فاصله های چشمه لرزه زا تا سایت مورد نظر در تحلیل خطر زلزله به روش تعیینی نشان داده شده است.

انواع فاصله های چشمه لرزه زا تا سايت مورد نظر - ایستاسازه
انواع فاصله های چشمه لرزه زا تا سايت مورد نظر در تحلیل خطر زلزله به روش تعیینی

2- تعیین زمین لرزه كنترلي برای هر گسل: زلزله کنترلی زمین لرزه ای است که انتظار می رود بعد از وقوع حداکثر پارامتر حرکتی زمین مانند PGA را در ساختگاه ایجاد نماید. انتخاب زلزله کنترلی که بر اساس مقایسه میزان ارتعاش تولید شده توسط زلزله در فاصله آن از ساختگاه تعیین می شود.

3- انتخاب روابط كاهندگي برای پارامترهای جنبش زمین: با دور شدن از مركز زمین لرزه، جنبش زمین با شدت كمتری احساس مي شود و اين مطلب نشان دهنده میرایي جنبش زمین مي باشد. میزان اين میرایي به عوامل مختلفي از جمله شرايط زمین شناسي و نوع حركت گسل مرتبط است. بنابراين میزان اين میرایي در مناطق مختلف متفاوت مي باشد و در نقاط مختلف دنیا مطالعات گسترده ای توسط محققان انجام شده و روابطي به نام روابط كاهندگي ارائه شده است.

4- محاسبه پارامترهای طراحي جنبش زمین: خطر زلزله به وسیله یک یا چند پارامتر حرکتی ایجاد شده از وقوع زلزله کنترلی مانند حداکثر شتاب، سرعت و یا شتاب طیفی که از روابط کاهندگی به دست می آید، در محل سایت تعریف می شود.

انواع روش های تحلیل خطر - شرکت‌عمرانی ایستاسازه
چهار گام اصلي روش تحلیل خطر زلزله به روش تعیینی

روش تحلیل خطر احتمالاتی (Probabilistic Seismic Hazard Analysis)

تحلیل خطر احتمالاتیPSHA  زلزله به منظور طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله با در نظر گرفتن عدم قطعیت در اندازه و موقعیت و اثر شدت لرزش یک زلزله در آینده موضوع بسیار مهمی است. هدف روش تحلیل خطر احتمالاتی زلزله بررسی و لحاظ این عدم قطعیت ها است. به منظور ارزیابی خطرپذیری یک سازه در مقابل زلزله ابتدا باید احتمال یا نرخ تجاوز لرزش زمین در محل سایت از محدوده سطوح شتاب مورد نظر را به دست آورد. این تحلیل در نهایت به رسم منحنی خطر زلزله در محل ساختگاه منجر می شود که به کمک آن می توان طیف طرح ساختگاه که مبنای طراحی لرزه ای سازه های خاص در برابر زلزله است را به دست آورد. همانند تحلیل خطر تعیني، تحلیل خطر احتمالاتي نیز از چهار گام تشکیل شده است.

گام های روش تحلیل خطر احتمالاتی
گام های روش تحلیل خطر احتمالاتی

1- شناسایي چشمه های لرزه ای و بررسي لرزه خیزی منطقه: برای بررسي لرزه خیزی در محدوده مطالعاتي انتخاب شده، تمام زلزله های به وقوع پیوسته از بانک داده های لرزه ای استخراج مي شوند. مشخصات و ويژگي های زمین لرزه های تاريخي با استفاده از كاتالوگ زمین لرزه های تاريخي و يا با استفاده از علم ديرينه لرزه شناسي به دست مي آيند. چشمه های لرزه ای و ساز و کار حركتي و مشخصات هندسي آنها بايد به گونه ای ساده شوند كه بتوان آن ها را به عنوان چشمه نقطه ای، خطي، سطحي و يا حجمي در نظر گرفت. در شکل زیر اطلاعات کلی و کاربرد آنها در شناسایی یک چشمه لرزه ای مشاهده می شود.

اطلاعات کلی و کاربرد آنها در شناسایی یک چشمه لرزه ای - شرکت ایستا سازه
اطلاعات کلی و کاربرد آنها در شناسایی یک چشمه لرزه ای

2- محاسبه رابطه فراواني زلزله ها و بزرگای آنها و محاسبه چگالي و توزيع احتمال: رابطه فراواني – بزرگای زلزله ها بیان کننده نحوه توزیع تعداد زلزله ها در بزرگاهای مختلف است. برای به دست آوردن آن معمولاً از دو مدل زیر استفاده می شود:

الف) مدل نمایی (Exponential model): این مدل به مدل گوتنبرگ – ریشتر هم معروف است. از ديدگاه توزيع بزرگاي زلزله، مدل رايج نمايي و تعدادي از گونه هاي مختلف آن و مدل هاي غير نمايي مورد استفاده است. مدل نمايي براي توزيع بزرگاي زلزله، براي يك ناحيه نتايج مناسبي مي دهد اما براي يك گسل خاص نرخ تكرار زلزله هاي بزرگ را كمتر از ميزان واقعي تخمين مي زند.

ب) مدل زلزله سرشتی (Characteristic Earthquake model): زلزله سرشتی بیان کننده زلزله با بزرگای مشخص و دوره تکرارهای به خصوصی است که در گسل منبع آن رخ می دهد. در شکل زیر نمایش شماتیک زلزله سرشتی نشان داده شده است.

نمایش شماتیک مدل زلزله سرشتی
نمایش شماتیک مدل زلزله سرشتی

در شکل زیر تابع توزیع چگالی برای مدل زلزله سرشتی و مدل نمایی قطع شده نشان داده شده است.

تابع توزیع چگالی برای مدل زلزله سرشتی (خط ممتد) و مدل نمایی قطع شده (خط چین) - ایستا سازه
تابع توزیع چگالی برای مدل زلزله سرشتی (خط ممتد) و مدل نمایی قطع شده (خط چین)

3- انتخاب رابطه كاهندگی: با دور شدن از مرکز زلزله ها، به دلیل ساز و کارهای مختلف میرایی جنبش نیرومند زمین با شدت کمتری احساس می شود. میزان این میرایی بسته به عوامل مختلف از جمله شرایط زمین شناسی، زمین ریخت شناسی و نوع حرکت بر روی سطح کانونی زلزله دارد. بنابراین میرایی جنبش زمین در نقاط مختلف دنیا و شرایط زمین شناسی و تکتونیکی مختلف متفاوت می‌باشد. جهت محاسبه حداکثر مقادیر پارامترهای جنبش شدید زمین (شتاب، سرعت، جابجایی) قوانین متعددی بر حسب بزرگا و فاصله کانونی وجود دارد که در تحلیل خطر زلزله از آنها استفاده می گردد.

مطالعه زلزله های مختلف نشان داده است که منبع موج های زلزله مخصوصاً در زلزله های بزرگ معمولاً چندین کیلومتر زیر سطح زمین قرار دارد. مقدار انرژی که به سطح زمین می رسد در منطقه نسبتاً وسیعی در طول گسل یکسان خواهد بود و کاهش بیشینه شتاب زمین در حین دور شدن از گسل در فاصله ای معادل با بعد قائم گسیختگی گسل به کندی صورت می گیرد و در فواصل دورتر کاهش بیشینه شتاب زمین سریع تر می گردد. در مورد زلزله های کوچک که طول گسیختگی گسل کوچک است منحنی های هم شتاب در سطح زمین تقریباً دایره ای شکل خواهد بود ولی در مورد زمین لرزه های بزرگ که طول گسیختگی گسل در آنها خیلی طویل تر می باشد، منحنی های هم شتاب کشیده تر و به صورت بیضی وار خواهد بود.

رابطه کاهندگی ارتباط بین یک پارامتر جنبش نیرومند زمین (PGA)، با بزرگا و فاصله را بیان می دارد و تابع چند پارامتر می باشد که مهمترین آنها به شرح زیر می باشند:

الف) خصوصیات چشمه – بزرگا – نوع گسلش و فاصله از چشمه لزره زا.

ب) مسیر عبور موج، انعکاس و جذب انرژی به خاطر خصوصیت موادی که از آنها عبور می کند.

ج) زمین شناسی ساختگاه، توپوگرافی ساختگاه.

شکل عمومی یک رابطه کاهندگی به صورت زیر می باشد:

Log (Y) = a + F1 (M) + F2 (R) + F3 (S) + ε

(Y) پارامتر مورد نظر جنبش نیرومند زمین است که مستقیماً با بزرگا (M) و به طور عکس با فاصله (R) ارتباط دارد. ضرایب ثابت این رابطه به طور تجربی با استفاده از روش های آماری و از روی شتاب نگاشت ها انتخاب می شوند. ε خطای تصادفی با مقدار میانگین صفر و انحراف معیار σ می باشد. پارامترهای دیگری نیز نظیر شرایط ساختگاهی، نوع گسلش، ضخامت آبرفت و غیره قابل مدل کردن به صورت ریاضی می باشند که به صورت کلی به صورت F3 (S) در رابطه فوق نشان داده شده است.

پارامترهاي ورودي در PSHA از قبيل ابعاد گسل، حداكثر بزرگا، رابطه كاهندگي و طول گسيختگي معمولاً از يك سري داده هاي محدود تعيين مي شوند كه حاوي عدم قطعيت هاي بسياري هستند. درخت منطقي يك ابزار مناسب براي وارد كردن اين عدم قطعيت ها در تحليل خطر زلزله مي باشد. استفاده از درخت منطقي اين اجازه را مي دهدكه عدم قطعيت هاي موجود در پارامترها با نسبت دادن ميزان احتمال درست بودن مقادير آن ها وارد تحليل شوند. نتيجه نهايي اين فرآيند يك درخت منطقي است كه در پايان هر شاخه (گره پاياني) به يك مقدار براي PSHA مي توان رسید. هر يك از اين مقادير داراي وزني مي باشند كه در پايان به آن ها اعمال مي شوند. دليل استفاده از روش درخت منطقي در مورد روابط كاهندگي اين است كه اين روابط هر كدام با داده ها و فرض هاي متفاوت به دست آمده اند و جواب هاي مختلفي براي يك ساختگاه دارند. از اين رو، بهترين راه حل استفاده همزمان از اين روابط كاهندگي با استفاده از روش درخت منطقي است، به نحوي كه هر يك به نوعي كمبود ديگري را پوشش دهد.

4- محاسبه و به دست آوردن منحني خطر لرزه ای محل مورد نظر: تابع چگالي احتمال فاصله نقطه آغاز گسلش زمين تا محل ساختگاه fR(r)، با تقسيم بندي هر چشمه لرزه زا به جزءهاي كوچكتر و اندازه گيري فاصله هر جزء از محل ساختگاه و انجام محاسبات فراواني نمونه ها به دست مي آيد. با داشتن تابع چگالي احتمال بزرگای هر چشمه fM(m)، تابع چگالی احتمال فاصله نقطه آغاز گسلش زمین تا محل ساختگاه fR(r) و تابع توزیع احتمال رخداد سطوح مختلف شدت لرزه ای به شرط رخداد بزرگای m در فاصله r از ساختگاه، P(IM>x/m, r)، می توان احتمال فراگذشت پارامتر جنبش زمین از یک سطح مشخص را از رابطه زیر به دست آورد:

فرمول احتمال فراگذشت پارامتر جنبش زمین - ایستاسازه

در رابطه فوق، P(M>mmin) نرخ رخداد زلزله های بزرگتر از mmin برای چشمه i ام است P(IM>x) احتمال رخداد سالیانه IM>x است که IM پارامتر جنبش زمين مورد نظر است (مانند شتاب حداكثر زمين يا شتاب طيفي در پريود مشخص و …). با محاسبه نرخ رخداد ساليانه سطوح مختلف پارامتر جنبش زمين با استفاده از فرآيند انتگرال گيري فوق و ترسيم نتيجه حاصل، منحني موسوم به منحني خطر حاصل مي شود. شکل زیر نمونه اي از يك منحني خطر را براي شتاب حداكثر (PGA) در يك ساختگاه فرضي نشان مي دهد.

منحنی خطر برای یک ساختگاه فرضی - شرکت مهندسی ایستا سازه
منحنی خطر برای یک ساختگاه فرضی

چهار گام اصلي روش تحلیل خطر احتمالاتی
چهار گام اصلي روش تحلیل خطر احتمالاتی – تحلیل خطر لرزه ای

تحلیل خطر به روش احتمالاتی را می توان با توجه به نوع اطلاعات مورد استفاده به مدل های زیر تقسیم بندی کرد:

1- مدل خطر لرزه ای: هدف از ارائه این مدل پیش بینی خطر زلزله های آتی بر اساس زلزله های گذشته است.

مزایای مدل خطر لرزه ای بدین شرح می باشد:

  1. پتانسیل زلزله در مجاورت محل هایی که در واقعیت دارای زلزله می باشند، متمرکز می شود.
  2. این مدل یک تخمین زننده سر راست است.
  3. این مدل به نحوی وابسته به زمان می باشد و با تکمیل کاتالوگ در طول زمان برآورد خطر نیز دقیق تر و کامل تر می شود.
  4. همواره نرخ لرزه خیزی مشاهده شده در بزرگای کمینه را بازتولید می کند.
  5. به عنوان یک کنترل واقعی برای دیگر روش های تخمین زننده استفاده می شود.

مشکلات مدل خطر لرزه ای بدین شرح می باشد:

  1. نمونه های لرزه خیزی محدود می باشند، چرا که تخمین برای نرخ زلزله های با بزرگای بزرگتر باید با استفاده از برون یابی نرخ زلزله های کوچکتر صورت گیرد.
  2. گسل های غیر فعال تاریخی بدون هیچ خطری هستند.

2- مدل خطر ژئودتیک: اطلاعات ژئودزی از این جهت ارزشمند هستند که می توان نرخ زلزله ها را برای گسل هایی که اطلاعات آنها مستند نشده و یا با استفاده از روش های سنتی غیر قابل دستیابی هستند، به دست آورد. از سوی دیگر تأییدی مستقل از نرخ تغییرشکل ها در مناطقی که زمین شناسان برای آنها گسل ثبت کرده اند، فراهم می کند. همچنین اطلاعات ژئودزی ابزاری است برای قضاوت در مورد سازگاری تغییرشکل های معاصر با زلزله های تاریخی ثبت شده.

مزایای مدل خطر ژئودتیک بدین شرح می باشد:

  1. کاملاً براساس نرخ کرنش بوده و نیاز به قیدهای کمی دارد.
  2. مرزهای خطا در نقشه ها به خوبی مشخص است.
  3. این رویکرد پوشش جغرافیایی گسترده ای حتی در مواقعی که اطلاعات کمی از گسل ها در دسترس باشد، ارائه ‌می دهد.
  4. کرنش های ژئودتیکی به صورت آهسته با زمان تغییر می کنند، بنابراین نقشه‌های خطر تولید شده از آنها بیان بهتری از آینده نزدیک نسبت به روش های ژئولوژیکی دارند.

مشکلات مدل خطر ژئودتیک بدین شرح می باشد:

  1. تبدیل کرنش ژئودتیکی به کرنش لرزه ای یکتا نیست.
  2. برخی از کرنش ها غیر لرزه ای یا غیرتکتونیکی هستند، برای مثال در اثر تزریق یا خروج آب و ماگما.
  3. الگوهای جغرافیایی کرنش ژئودتیکی لحظه ای، منعکس کننده الگوهای ممان لرزه ای آزاد شده نمی باشند.
  4. نرخ زلزله ها به صورت غیر مستقیم توسط رابطه گوتنبرگ – ریشتر تعیین ‌می شوند.

3- مدل خطر ژئولوژیکی: هدف از توسعه چنین مدلی تخمین پتانسیل زلزله به طور مستقیم از اطلاعات گسل های فعال می باشد. تفاوت روش ژئولوژیکی با ژئودتیکی این است که تنها در مجاورت یک گسل مشخص پتانسیل لرزه خیزی تعریف می شود، به همین دلیل مدل ژئولوژیکی به سیستم گسل ها نیاز دارد.

مزایای مدل خطر ژئولوژیکی بدین شرح می باشد:

  1. پتانسیل زلزله در مجاورت گسل های معلوم قرار دارد.
  2. تخصیص مناسبی برای نرخ لغزش های که به خوبی مقید شده اند و گسل های آرام از نظر تاریخی، دارد.
  3. مطابقت خوبی با روش های سنتی تحلیل خطر لرزه ای (زلزله)دارد.
  4. تبدیل خطر گسل – محور به خطر شبکه – محور.

مشکلات مدل خطر ژئولوژیکی بدین شرح می باشد:

  1. زمین شناسان هیچ وقت نمی توانند محل تمامی گسل ها و نرخ لغزش آنها را مشخص کنند.
  2. نرخ ژئولوژیکی لزوماً نرخ زلزله های تاریخی را بازتولید نمی کند.
  3. نرخ زلزله ها به صورت غیر مستقیم توسط رابطه گوتنبرگ – ریشتر تعیین ‌می شوند.
  4. روش های ژئولوژیکی هیچ وجه روشنی از وابستگی آنها به زمان فراهم ‌نمی کنند.

4- مدل خطر ترکیبی: همانطور که ذکر شد هرکدام از سه مدل ژئودتیکی، ژئولوژیکی و لرزه ای دارای نقاط ضعف و قوت می باشند. لذا با توجه به اینکه خروجی هر سه مدل از یک جنس است، می توان با ‌میانگین گیری از سه مدل فوق یک مدل ترکیبی که امکان قوی ترین تخمین از نرخ لرزه خیزی را دارا می باشد، ارائه داد.

5- مدل خطر زلزله مصنوعی: یکی از مشکلات اساسی در تخمین خطر زلزله کمبود زلزله های بزرگ ثبت شده می باشد. این کمبود باعث عدم قابلیت اطمینان به نتایج حاصل از زلزله های کوچکتر می شود. لذا هدف از ارائه این مدل ‌شبیه سازی زلزله ها به ویژه زلزله های بزرگ توسط مدل های کامپیوتری می باشد. تمام شبیه سازی های لرزه ای بر اساس توازنی بین تنش وارد بر گسل و مقاومت اصطکاکی آن است. بدین نحو که با توجه به تناوب تجمع تنش در گسل و سپس توازن مجدد آن با وقوع زلزله، ‌شبیه سازی صورت ‌می گیرد.

مدل های متفاوت روش تحلیل خطر احتمالاتی
مدل های متفاوت روش تحلیل خطر احتمالاتی

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سایر مقاله ها

مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی و حفاظت کار در حین اجرا)

مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی و حفاظت کار در [...]


بیشتر بخوانید

کنترل نیروی بلند کننده پی (آپلیفت) با استفاده از تحلیل دینامیکی (Dynamic Analysis of Uplift)

کنترل نیروی بلند کننده پی (بلند شدگی یا آپلیفت) با [...]


بیشتر بخوانید

نیروی بالا برنده یا آپلیفت چیست؟ (?What is Uplift)

Uplift به معنای بلند شدگی یا برکنِش می باشد. عامل های [...]


بیشتر بخوانید

واتر استاپ یا آب‌ بند چیست؟ (?What is WaterStop )

واتر استاپ یا آب بند چیست؟ (?What is WaterStop) آب [...]


بیشتر بخوانید