Geotechnical Earthquake Engineering Handbook

هدف این کتاب ارائه جنبه های کاربردی بحث ژئوتکنیک لرزه ای است. به دلیل فرضیات و عدم قطعیت هایی که مرتبط با مهندسی ژئوتکنیک است، این زمینه بیشتر با “هنر” شناخته می شود تا صِرف علم. ژئوتکنیک لرزه ای به دلیل ناشناختگی های ذاتی مربوط به زلزله، بحثی چالش برانگیز است. به دلیل این عدم قطعیت ها در مهندسی زلزله، تحلیل های ساده ای که در کتاب راهنمای ژئوتکنیک لرزه ای برجسته هستند، به همراه ارزیابی های پیچیده و تحلیلی، الزاما در سطح حداقل نگه داشته شده اند.

کتاب راهنمای ژئوتکنیک لرزه ای به چهار بخش تقسیم شده است. بخش اول (فصل های 2 تا 4) توضیحی را در مورد قوانین پایه ای زلزله، اثرات رایج زلزله و آسیب های معمول وارد شده به سازه در اثر زمین لرزه، ارائه می دهد. بخش دوم (فصل های 5 تا 11) با محاسبات لرزه ای که معمولا مهندس طراح با آنها مواجه است مثل روانگرایی، نشست، ظرفیت باربری و پایداری شیب، سروکار دارد. بخش سوم (فصل های 12 و 13) در مورد روش های بهسازی محل که برای جلوگیری از اثرات زلزله بر روی سازه به کار می رود، بحث می کند. بخش چهارم (فصل های 14 و 15) نیز به آیین نامه های سازه ای و یک خلاصه فصل می پردازد.

این کتاب شامل تحلیل های کاربردی ژئوتکنیک لرزه ای است. ممکن است آیین نامه های سازه ای محلی، آیین نامه های دولتی یا دیگر الزامات خاص پروژه ها وجود داشته باشد که از روش هایی که در این کتاب ارائه شده است، قوی تر باشد. تحلیل های ارائه شده در کتاب راهنمای ژئوتکنیک لرزه ای نباید جایگزین قضاوت های تجربی و حرفه ای شود. شرایط هر پروژه متفاوت است و تحلیل های مهندسی که در این کتاب توضیح داده شده است ممکن است قابل استفاده در تمام شرایط نباشد.

ویرایش دوم از این کتاب شامل مطالب جدیدی از جمله فصل 14 که با آیین نامه های ژئوتکنیک لرزه ای مشخصا آیین نامه بین المللی سازه 2012 (International Building Code 2012) و فصل 15 که خلاصه ای از ژئوتکنیک لرزه ای را ارائه می دهد، سروکار دارد. مطالب دیگر فصل ها نیز به روز رسانی شده است و مسائل بیشتر به همراه حل آنها نیز در این کتاب گنجانده شده است.

به طور خلاصه، اکثر آسیب های ناشی از لرزش های قابل توجه زلزله مربوط به یک یا ترکیبی از سه عامل زیر است:

1. خطرات زمین شناسی: این موارد شامل شکستگی سطحی گسل، نشست منطقه ای و سونامی می شود (فصل 3). سازه ها قادر به تحمل نیروهای تخریب کننده به وجود آمده توسط شکستگی گسل، نشست منطقه ای و سونامی نیستند.
2. عیوب سازه ای: فروریختن سازه ها معمولا به دلیل غیر مسلح بودن، ساخت نامناسب، بارگذاری بیش از حد یا مستهلک شدن در اثر گذر زمان اتفاق می افتد. دیگر دلایل رایج، مربوط به طراحی ضعیف، مثل طبق نرم، مسائل مربوط به پیچش، دیوار برشی نامناسب، خرابی ناشی از کوبش از طرف سازه های مجاور و پدیده تشدید در سازه می شود (فصل 4).
3. ضعیف شدن خاک: بیشتر گسیختگی های مربوط به خاک به دلیل ضعیف شدن خاک در طول زلزله است که شامل روانگرایی ماسه سست و نرم شدگی چرخه ای خاک چسبنده می شود. در مهندسی ژئوتکنیک لرزه ای، مهم ترین موردی که مهندس ژئوتکنیک باید تعیین کند این است که آیا زلزله، خاک محل را ضعیف می کند یا خیر؟

ژئوتکنیک لرزه ای

مهندسی ژئوتکنیک لرزه ای بحثی تخصصی در زمینه های متنوع مهندسی ژئوتکنیک می باشد که به طراحی و ساخت پروژه ها برای مقاومت در برابر اثرات زلزله می پردازد. این زمینه نیازمند فهمی از قوانین پایه ای ژئوتکنیک و همچنین زمین شناسی، لرزه شناسی و مهندسی زلزله است. به طور کلی، لرزه شناسی را می توان مطالعه در مورد زلزله تعریف کرد که شامل رفتار داخلی زمین و طبیعت امواج لرزه ای ایجاد شده توسط زلزله می شود.

اولین گام در بحث ژئوتکنیک لرزه ای، معمولا تعیین بارگذاری ناشی از زلزله مورد نظر است (زلزله مورد انتظار همچنین به زلزله طرح نیز معروف است). برای تحلیل زلزله، فعالیت های مورد نیاز که توسط مهندس ژئوتکنیک به کار گرفته می شود شامل موارد زیر می باشد:

• بررسی احتمال وقوع روانگرایی در محل (فصل 6). روانگرایی می تواند باعث از بین رفتن کامل مقاومت برشی خاک شود که ممکن است منجر به گسیختگی ناشی از ظرفیت باربری، نشست بیش از حد و یا حرکت شیب شود.
• محاسبه نشست سازه ناشی از زلزله مورد انتظار (فصل 7).
• بررسی مشخصه های طراحی برای پی، از جمله ظرفیت باربری و فشار باربری مجاز خاک برای اطمینان از این که پی در حین زلزله مورد انتظار، متحمل گسیختگی ناشی از ظرفیت باربری نمی شود (فصل 8).
• بررسی پایداری شیب ها برای نیروهای اضافی وارد شده در طول زلزله طرح. به علاوه، تغییرشکل جانبی شیب در حین زلزله مورد انتظار که ممکن است نیاز به محاسبه داشته باشد (فصل 9).
• ارزیابی اثر زلزله طرح بر پایداری دیوارهای حائل (فصل 10).
• تحلیل دیگر اثرات احتمالی ناشی از زلزله مثل گسل سطحی و پدیده تشدید سازه (فصل 11).
• توسعه روش های بهسازی برای جلوگیری از اثرات زلزله مورد انتظار. مثال هایی از این دست شامل پایدار سازی خاک و کنترل آب زیرزمینی می شود (فصل 12).
• تعیین نوع پی، مثل پی سطحی یا عمیق، که برای مقاومت در برابر اثرات ناشی از زلزله طرح بهترین انتخاب است.
• همکاری با مهندس سازه با بررسی اثرات حرکت زمین ناشی از نیروهای زلزله بر سازه و با ارائه پارامترهای طراحی یا سیستم های سازه ای مناسب برای تطبیق سازه با تغییرمکان های قابل انتظار (فصل 13).

در بسیاری از حالات، مواردی که در بالا به آنها اشاره شد، ممکن است توسط آیین نامه ساختمان یا دیگر آیین نامه ها الزام آور باشند (فصل 14) به عنوان مثال، آیین نامه یکنواخت سازه (Uniform Building Code 1997) بیان می کند که:

“احتمال روانگرایی خاک و از دست رفتن مقاومت آن در طول زلزله، باید در حین انجام تحقیقات ژئوتکنیکی ارزیابی شود. گزارش ژئوتکنیکی باید پیامدهای احتمالی روانگرایی و از دست رفتن مقاومت خاک، از جمله تخمین نشست غیر همسان، حرکت جانبی یا کاهش ظرفیت باربری خاک در پی و بحث در مورد روش های جلوگیری را در بر گیرد. این روش ها باید به طراحی سازه توجه داشته باشند و شامل پایدارسازی خاک، انتخاب نوع و عمق پی مناسب، انتخاب سیستم سازه ای مناسب برای تطبیق با تغییرمکان های مورد انتظار یا هر ترکیبی از این روش ها باشد ولی به این روش ها محدود نشود.”

قصد الزامات این آیین نامه ساختمانی، به دست آوردن تخمینی از تغییرمکان پی در اثر حرکت خاک ناشی از زلزله است. در مورد دقت محاسبات استفاده شده برای تعیین تغییرمکان خاک در اثر زلزله، توکیماتسو و سید (Tokimatsu and Seed 1984) به این نتیجه رسیده اند که:

این مورد باید به رسمیت شناخته شود که حتی تحت شرایط بارگذاری استاتیکی، خطای مربوط به تخمین نشست در حدود 25 تا 50 درصد است. بنابراین، انتظار دقت کمتر در پیش بینی نشست برای شرایط پیچیده تر مربوط به بارگذاری لرزه ای منطقی است. در کاربرد این روش ها، بررسی منطقی بودن نتایج نهایی با توجه به تجربه های در دسترس ضروری است.

مهندسی زمین شناسی

مهندس زمین شناس، فردی است که داده ها، قوانین و تفسیرهای زمین شناسی را به کار می برد تا عوامل زمین شناسی که بر برنامه ریزی، طراحی، ساخت و نگه داری پروژه های مهندسی عمران اثر گذار است را تشخیص دهد و از آنها استفاده کند. در برخی از نواحی ایالات متحده، ممکن است نیازی به استفاده از مهندسان زمین شناس نباشد مگر در پروژه هایی که شامل مواردی مثل شیب های سنگی یا مطالعات گسل زلزله باشد. در دیگر نواحی این کشور، مثل کالیفرنیا، مطالعات ژئوتکنیکی معمولا توسط مهندس ژئوتکنیک با همراهی مهندس زمین شناس انجام می پذیرد. اکثریت گزارش های ژئوتکنیکی، هر دو جنبه مهندسی و زمین شناسی پروژه را در نظر می گیرد و توسط هر دو مهندس ژئوتکنیک و زمین شناس امضا می شود.

مسئولیت اولیه مهندس زمین شناس، تعیین محل گسل ها، بررسی فعال یا غیر فعال بودن گسل ها و بررسی تاریخی زلزله های ثبت شده و اثر آنها بر محل است. این مطالعات انجام شده توسط مهندسان زمین شناس برای تعریف پارامترهای طراحی لرزه ای مثل شتاب حداکثر زمین و بزرگی زلزله مورد انتظار، کمک کننده است. مسئولیت اولیه مهندس ژئوتکنیک تعیین پاسخ خاک و سنگ برای زلزله طرح و ارائه پیشنهاداتی برای طراحی لرزه ای سازه است.

طرح کلی کتاب راهنمای ژئوتکنیک لرزه ای

بخش اول کتاب راهنمای ژئوتکنیک لرزه ای که شامل فصل های 2 تا 4 می شود، توضیح کوتاهی از قوانین پایه ای زلزله، اثرات رایج زلزله و آسیب های سازه ای ناشی از زلزله ارائه می دهد. عکس های زیادی در این سه فصل برای نشان دادن انواع رایج آسیب ها و اثرات زلزله استفاده شده است.

بخش دوم این کتاب با تحلیل های اساسی ژئوتکنیک لرزه ای سروکار دارد که شامل موارد زیر می شود:

• تحقیقات محلی (فصل 5)
• روانگرایی (فصل 6)
• نشست سازه ها (فصل 7)
• ظرفیت باربری (فصل 8)
• پایداری شیب (فصل 9)
• دیوارهای حائل (فصل 10)
• اثرات دیگر زلزله (فصل 11)

بخش سوم این کتاب (فصل های 12 و 13) روش های رایج بهسازی خاک و جایگزین های دیگر برای پی را ارائه می دهد. بخش چهارم (فصل های 14 و 15) به آیین نامه بین المللی سازه و فصل نتیجه گیری می پردازد. یک واژه نامه نیز در پیوست A قرار داده شده است. دیگر موارد نیز در پیوست های ارائه شده در ادامه بررسی شده است:

• داده هایی از برنامه های رایانه ای EQSEARCH، EQFAULT و FRISKSP (پیوست B)
• ضرایب تبدیل (پیوست C)
• مثالی از بخشی از گزارش ژئوتکنیکی که به مهندسی زلزله مربوط می شود (پیوست D)
• حل مسائل (پیوست E)
• منابع (پیوست F)