Fundamentals of Soil Dynamics and Earthquake Engineering

این کتاب اساسا مبانی دینامیک خاک و مهندسی زلزله را برای دانشجویان، اعضای جوان هیئت علمی و مهندسین اجرایی و مشاوران ارائه می دهد. این کتاب نتیجه چند سال تلاش برای بهبود متن آن است. وابستگی نویسنده به تدریس، راهنمایی تحقیق ها و ارائه خدمات مشاوره ای در مهندسی ژئوتکنیک در طول این مدت، این فرصت را فراهم آورده که متن کتاب را به خوبی تقریر کند.

این کتاب توضیحی بر مبانی دینامیک خاک و مهندسی زلزله و زمینه ای جدید در مهندسی عمران معروف به ژئوتکنیک لرزه ای، ارائه می کند. متن این کتاب ترکیبی از گرایش های مختلف مثل زمین شناسی، ژئوفیزیک و مهندسی لرزه شناسی، تئوری ارتعاشات کلاسیک به همراه تحلیل احتمالاتی و اطمینان پذیری است. موضوع کتاب مبانی دینامیک خاک و مهندسی زلزله جهانی و چند بعدی و میان رشته ای بوده و در آن مبانی فیزیکی و ژئوفیزیکی، نظریه های ریاضی و تجربه های اجرایی خوب آمیخته شده است. قرن هاست که زلزله شناخته شده است و این کتاب گامی دیگر از کوشش های بشر برای ساخت سازه های مقاوم در برابر زلزله است که در نهایت مختل شدن زندگی و امکانات انسان را به حداقل خواهد رساند.

این کتاب اساسا به دانشجویان سال آخری کارشناسی مهندسی عمران و معماری برای واحد درسی مطالعات اندرکنش خاک – سازه اختصاص دارد و همچنین واحد درسی دینامیک خاک و مهندسی زلزله را برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی با تمرکز در زمینه دینامیک خاک در بر می گیرد. این کتاب همچنین با قصد ارائه مطالبی سودمند برای مشاوران ژئوتکنیکی حرفه ای درگیر با تحقیق، تحلیل و طراحی لرزه ای سازه نگهبان ها  به چاپ رسیده است. مطالب آن برای پوشش الزامات مهندسان پی نیز گسترش خواهد یافت. کتاب مبانی دینامیک خاک و مهندسی زلزله منبعی مفید برای اساتید برای آماده سازی مطالب خود برای طراحی واحدهای درسی کوتاه در زمینه ژئوتکنیک لرزه ای نیز می تواند باشد.

هدف غایی نویسنده، ارائه مبانی دینامیک خاک و مهندسی زلزله به عنوان اولین واحد درسی برای دانشجویانی است که هیچ گونه پیشینه ای از تئوری ارتعاشات و یا دینامیک سیستم های الاستیک ندارند. به منظور ارائه اندرکنش خاک – سازه در سطح بالا، تقاضای جدیدی برای دقت بالا و سخت گیری در تحلیل به وجود آمده است. این متن با اتخاذ رویکردی که از نظر ریاضی تا حد امکان دقیق باشد، خود را می آزماید در حالی که، تلاش دارد تا رویکردی فیزیکی در مبانی دینامیک خاک و کاربرد آنها در مهندسی زلزله ارائه کند.

از آن جا که پیشرفت ها در این موضوع بسیار سریع است، کوشش شده است که از تحلیل ها، نتیجه گیری ها و پیشنهاداتی که در کارهای اجرایی تصدیق نشده اند و یا به صحت آنها اطمینان وجود ندارد، صرف نظر شود. تنها آن نظریه هایی که به صورت جهانی پذیرفته شده اند و از طرف آیین نامه IS یا دیگر آیین نامه های مرتبط تایید شده اند و یا در سطح جهانی اجرا می شوند، ارائه شده اند.

فصل 1 کتاب مشخصه های مبنایی دینامیک خاک و مهندسی زلزله را توضیح می دهد. این فصل یک مرور تاریخی از زلزله های پیشین و تاثیر آن بر سازه ها که موجب اختلال در زندگی و امکانات بشر می شود، ارائه می دهد. به طور خلاصه، این فصل چالش های ناشی از خطرات لرزه ای در هند و همچنین در سطح جهانی را شرح می دهد. مفاهیم ابتدایی و مبانی لرزه شناسی در فصل 2 به منظور ارائه مروری از طیف کاملی از زلزله ها، اندازه، شدت و بزرگی آنها و همچنین احتمال آسیب های وارد آمده از طرف آنها ارائه شده است. با فرض این که خوانندگان پیشینه ای از تئوری ارتعاشات یا دینامیک سیستم های الاستیک ندارند، فصل های 3 و 4 اصول مقدماتی ارتعاشات و کاربردهای اجرایی آنها را شرح خواهد داد. فصل 5 گسترش امواج در محیط خاک، گسترش کرنش ها و تغییرات حجم به جهت تراکم و اعوجاج را توضیح می دهد. در این فصل به بررسی دقیق تحلیل های یک، دو و سه بعدی گسترش موج حجمی و همچنین گسترش امواج سطحی نیز پرداخته شده است. فصل 6 شامل مشخصات دینامیکی خاک و قوانین رفتاری می شود. از آنجا که دینامیک خاک وابسته به محل خاک است جنبه های آزمایشگاهی دینامیک خاک بسیار مهم بوده و با فولاد و بتن بسیار متفاوت است.

فصل 7 کتاب تئوری فشار دینامیکی خاک را شرح می دهد. در تئوری الاستیسیته کلاسیک، تحلیل سازه های نگهبان با طولی بسیار زیاد در مقایسه با سطح مقطع آن را می توان به عنوان یک مسئله الاستیکی کرنش سطحی در نظر گرفت. با این حال، تحت شرایط دینامیکی در حین زلزله، سازه نگهبان مورد نظر در معرض حرکات دینامیکی قرار می گیرد و در نتیجه با توجه به لرزش های صورت گرفته در زمین، فشار دینامیکی خاک اهمیت بسیاری می یابد. در فصل 7، ارزیابی فشار دینامیکی خاک و تغییرمکان های سازه های نگهبان (لغزش و واژگونی) ارائه شده است.

فصل 8 کتاب مبانی دینامیک خاک و مهندسی زلزله مشخصات لرزش های پرقدرت و اندازه گیری آنها را توضیح می دهد که از دغدغه های اصلی مهندسان است. طراحی مناسب مقاوم در برابر زلزله نیازمند تخمین درجه قدرت لرزشی است که سازه ها در معرض آن قرار دارند. این فصل روشی را برای اندازه گیری لرزش های پرقدرت ارائه می دهد. فصل 9 تحلیل خطر لرزه ای را بررسی می کند. این نوع تحلیل، در طراحی، عدم اطمینان را به جهت ارزیابی لرزش های پر قدرت زمین در نظر می گیرد. لرزش های پرقدرت در درجه اول به دلیل وقوع لرزش، پردازش منبع، گسترش و شرایط محلی موجود ایجاد می شوند. تحلیل خطر لرزه ای در این فصل برای تسهیل ارزیابی مشخصات گوناگون لرزش ناشی از زلزله بر مبنای قطعی یا احتمالاتی ارائه می شود که ممکن است در بازه زمانی مشخصی در آینده به وقوع بپیوندد.

فصل 10 با روانگرایی خاک سروکار دارد. روانگرایی ناشی از زلزله، یکی از عمده عوامل مربوط به ریسک لرزه ای شهری است. لرزش منجر به افزایش فشار آب حفره ای و کاهش تنش موثر می شود و از این جهت از مقاومت برشی ماسه می کاهد. مطالعات تحلیلی و آزمایشگاهی در مورد روانگرایی با جزئیات ارائه شده است. معیار ارزیابی احتمال روانگرایی و همین طور پیشرفت های اخیر در مورد این موضوع بررسی شده است.

فصل 11 ریسک، عدم اطمینان و قابلیت اطمینان را با ارجاع به دینامیک خاک و مهندسی زلزله توضیح می دهد. با در نظر گرفتن عدم اطمینان های متفاوت، ارائه خصوصیات لرزش های زلزله در کنار “شاخص ریسک”، پارامتری که امکان وقوع زلزله را توضیح می دهد، اهمیت بسیاری دارد. بنابراین، تحلیل خطر زلزله همچنین می تواند به معنی ارزیابی خصوصیات مختلف لرزش ناشی از زلزله احتمالی در محلی مشخص در دوره زمانی معین در آینده بر حسب شاخص ریسک باشد. احتمال وقوع زلزله در طول یک سال، یا دوره بازگشت آن، در بحث شاخص ریسک به طور مکرر استفاده می شود.

در آماده سازی کتاب مبانی دینامیک خاک و مهندسی زلزله از کتاب هایی که تا به امروز در این موضوع منتشر شده استفاده شده است و برای جمع آوری منابع ارائه شده در انتهای کتاب، تلاش های بسیاری انجام گرفته است. این منابع می تواند برای مخاطبان مشتاق برای مطالعه بیشتر در مورد مطالب این کتاب قابل استفاده باشد.

شرایط تنش، تغییرشکل های برشی و مشخصات مقاومتی خاک در معرض بارهای استاتیکی، به مشخصات خاک از جمله نسبت تخلخل اولیه، چگالی نسبی، سطح تنش استاتیکی اولیه و در رأس آن ها به تاریخچه تنش های وارد شده بستگی دارد. تغییرشکل های تنشی و مشخصات مقاومتی خاک در معرض بارهای دینامیکی نیز به تنش استاتیکی محلی اولیه، نسبت تخلخل اولیه، سطح تنش ضربه ای و فرکانس بارگذاری وابسته است. در این بستر، مسائل مختلفی در مهندسی ژئوتکنیک نیازمند تعیین مشخصات دینامیکی خاک است. در بحث بارگذاری دینامیکی، این مسائل یا دارای پاسخی با دامنه کرنش کوچک یا دامنه کرنش بزرگ هستند. پی ماشین آلات که در معرض بارهای دینامیکی قرار می گیرند می توانند سطح کرنشی پایین را تحمل کنند در حالی که عناصر سازه ای که در معرض نیروهای دینامیکی یا بارگذاری ناشی از انفجار قرار می گیرند باید کرنش های زیادی را تحمل کنند. ایشی هارا (1971)، مقادیری را برای سطوح کرنش از آزمون های محلی و آزمایشگاهی متنوع و شرایط مربوطه خاک ارائه کرد. مشخصات دینامیکی خاک، وابسته به سطح کرنش است.

دینامیک خاک و مهندسی زلزله تا حدی به هم تنیده اند که این دو را باید تحت یک موضوع با نام مهندسی ژئوتکنیک لرزه ای بررسی کرد. به طور معمول مهندسی زلزله به عنوان یک کاربرد مهندسی سازه با توجه به طراحی مقاوم در برابر زلزله روسازه ها تلقی می شود. در مناطق مستعد وقوع زلزله، مشکل مهمی که برای مهندسان سازه نگرانی ایجاد می کند، رفتار سازه هایی است که در معرض لرزش های ناشی از پی خود قرار گرفته اند. از این جهت، تغییر مکان های خاک در دینامیک خاک و کاربرد آن در مهندسی زلزله به خوبی بررسی می شود.

در مناطق لرزه خیز، زمانی که لرزشی نه از نیروهای وارد شده بر سازه بلکه از خاک تکیه گاه وارد می شود، به سازه منتقل شده و در ادامه عکس العملی مطابق مشخصات خود و خاک نشان خواهد داد. معمولا لرزش خاک در اثر زلزله اتفاق می افتد به این لرزش ها یا به روشی معین و قطعی پرداخته می شود و یا بر اساس فرضیات و روش های احتمالاتی بررسی می شوند. از آنجا که تمامی سازه ها بر روی زمین ساخته می شوند، مسئله بارگذاری دینامیکی خاک و پی کماکان باقی است. زمین لرزه ها تغییرشکل ها و گسیختگی هایی را در توده های خاکی به وجود می آورند و آسیب هایی را به آن وارد می کنند. از این جهت برای مقابله با آن به روشی فنی و لرزه ای هم به دینامیک خاک و هم به مهندسی زلزله به طور همزمان نیاز است. مفاهیم پردازش تصادفی، نظریه احتمال و تحلیل اطمینان پذیری ارائه دهنده سطح اطمینان قطعی مثبت در تحلیل و طراحی، روش هایی هستند که در حال حاضر برای تضمین امنیت سازه های مقاوم لرزه ای به کار می روند.

طراحی مقاوم لرزه ای سازه ها که داده های لرزه ای را از مطالعات انجام شده بر روی زلزله های پیشین به دست می آورد، به خصوص در حال حاضر به جهت برنامه های عظیم غیر سازه ای در سراسر کشور و به طور کلی در تمام دنیا الزامی شده است. با در دسترس بودن داده های لرزه ای افزوده شده و استفاده بیشتر از دانش و تجربه، همواره مقادیری به طراحی و تحلیل مقاوم لرزه ای اضافه می شود.