پروژه تحليل پارامتريك رفتار لرزه اي توپوگرافي مثلثی در فضاي زمان

پروژه تحليل پارامتريك رفتار لرزه اي توپوگرافي مثلثی در فضاي زمان

رساله کارشناسی ارشد رشته مهندسی عمران

(مکانیک خاک و مهندسی پی)

فهرست مطالب :

۱ – مقدمه…………………………………. ۱

۲- تاريخچه تحقيقات و مطالعات انجام شده…………………………………………………. ۴

۲-۱-شواهد تجربي ومطالعات درخصوص اثرات ساختگاه تیز گوشه و مثلثی شکل بر پاسخ زمين……۴

۲-۲- مطالعات نظری و تحليلهای عددی عارضه مثلثی شکل……………………………….۱۹

۲-۳- مطالعات انجام شده در رابطه با تحليلهای پارامتريک عوارض تيزگوشه و مثلثی شکل. ۲۶

۳- پدیده انتشار امواج دو بعدی و حل عددی معادلات آن .   ………………..۳۷

۳-۱- مقدمه …………………………………………………….۳۷

۳-۲- انواع مختلف ناهمواریها …………………………………………………۳۸

۳-۳- علل تقویت امواج لرزه ای ………………………………………… …….۰۴

۳-۳-۱- اثر سطحی( Surface Effect) …………………………………….04

۳-۳-۲- اثر کانونی شدن (Focusing Effect ) ………………………….42

۳- ۳ -۳- اثر گهواره ای (Rocking Effect ) ……………………….44

۳-۳-۴ – اثر عبور پراکنش موج (Scattering & Passage effect)……….54

۳-۴- معادلات انتشار امواج الاستیک …………………………………۴۵

۳-۵- حل عددی معادله انتشار امواج ………………………………..۴۹

۳-۶- روش عددی مورد استفاده و دامنه مطالعات پارامتريک …………………..۵۴

۳-۷- تعیین ابعاد المان در روش اجزای مرزی ………………………………۵۶

۳-۸- معرفی نرم افزار Hybrid ……………………………………………………..59

۳-۸-۱- مقدمه …………………………………………………………………….۵۹

۳-۸-۲- بررسی اعتبار و دقت نرم افزار Hybrid ………………………………………61

۳-۸- ۲-۱- حرکت میدان آزاد نیم فضا ……………………………………….۶۱

۳-۸-۲-۲- دره خالی با مقطع نيم دايره ……………………………………………۶۲

۳-۸-۲-۳- دره آبرفتی با مقطع نيم دايره …………………………………………۶۲

۳-۸-۲-۴- تپه با مقطع نيم سينوسی ………………………………………….۶۲

۳-۸-۲-۵- تپه با مقطع نيم دايره ………………………………………۶۳

۴-ااف-رفتار لرزه ائی تپه های مثلثی شکل…………………………………………۶۴

۴-۱- مقدمه ………………………………………………………۶۴

۴-۲- متدلوژي مطالعات ………………………………………….۶۵

۴-۳- اعتبار سنجي مدل…………………………………..۶۷

۴-۳-۱- ابعاد مش بندي………………………………………………………۶۸

۴-۳-۲- طول گام زماني……………………………………………………۶۸

۴ -۴- تاریخچه زمانی دامنه مولفه‌های افقی و قائم تغییر مکان برای کل محدوده….۶۹

۴-۵- تفرق امواج در حوزه زمان ( تفسير نمودار هاي تاريخچه زماني ) ………………….   ۶۹

۴-۶- بزرگنمايي تپه در فضاي فركانسي …………………………………………………………..۷۱

۴-۶-۱ تفسير كلي نمودارهاي بزرگنمايي ………………………………….۷۱

۴-۶-۲ بزرگنمايي راس تپه……………………………………….۷۲                                  ۴-۷-تغییرات بزرگنمائی بر روی یال تپه ……………………..۷۳

۴-۸-ضریب تقویت عوارض تپه ای مثلثی شکل…………………………………۷۵

۴-ب-رفتار لرزه ائی دره های مثلثی شکل…………………………………..۱۰۴

۴-۹- متدلوژي مطالعات ………………………….۱۰۴

۴-۱۰- اعتبار سنجي مدل………………………………۱۰۵

۴-۱۰-۱- ابعاد مش بندي………………………………………………..۱۰۵

۴-۱۰-۲- طول گام زماني………………………………………….. .۱۰۶

 ۴ -۱۱- تاریخچه زمانی دامنه مولفه‌های افقی و قائم تغییر مکان برای کل محدوده…. …۱۰۶

۴-۱۲ تفرق امواج در حوزه زمان ( تفسير نمودار هاي تاريخچه زماني )   …………………….    ۱۰۶

۴-۱۳- بزرگنمايي دره در فضاي فركانسي ………………………………………………………………..۱۰۸

۴-۱۳-۱ تفسير كلي نمودارهاي بزرگنمايي…………………………….۱۰۸

۴-۱۳-۲ بزرگنمايي قعردره……………………۱۱۰

۴-۱۴-تغییرات بزرگنمائی بر روی یال دره ………………..۱۱۱

۴-۱۵-ضریب تضعیف عوارض دره ای مثلثی شکل…………………………….۱۱۲

۵ – جمع‌بندی و نتيجه‌گيری  ………………………………………….. ۱۴۱

۵-۱-   نتايج مطالعه پاسخ تپه ها در حوزه زمان…………………………….۱۴۱

۵-۲- نتايج مطالعه پاسخ تپه ها در حوزه فركانس…………………………۱۴۱

۵-۳- نتايج مطالعه پاسخ دره ها در حوزه زمان ……………………………….۱۴۱

۵-۴- نتايج مطالعه پاسخ دره ها در حوزه فركانس ………………………………….۱۴۲

۵-۵-زمينه هاي پيشنهادي براي ادامه اين تحقيق………………………………..۱۴۲

مراجع ………………………………….۱۴۳

چکیده :

تجربیات بدست آمده از خرابیهای زلزله های اخیر نشان دهنده اهمیت تاثیر شرایط محلی خاک وتوپوگرافی سطحی و شرایط ساختگاه بر شدت و وسعت خرابی ساختمانها و توزیع مکانی آنها حین زلزله می باشد. بررسی تاثیر شرایط ساختگاه در برابر امواج لرزه ای، از جمله مباحث مهم در زمینه دانش مهندسی زلزله می باشد. فلسفه اهمیت این موضوع، الگوهای رفتاری پیچیده عوارض توپوگرافی بوده که منجر به ایجاد تفاوتهای قابل ملاحظه ای بین امواج گسیل شده از چشمه و امواج رسیده به سطح زمین می شود. شرایط ساختگاه و توپوگرافی می تواند بر تمام پارامترهای مهم یک جنبش نیرومند زمین از قبیل دامنه، محتوای فرکانس، مدت و غیره اثر گذار باشد. اثرات محلی ساختگاه نقش مهمی در” طراحی مقاوم در برابر زلزله” ایفا نموده و بایستی بصورت مجزا با آن برخورد گردد.. مهندسان بطور سنتی، چنین اثراتی را با استفاده از مدلهای ساده مبتنی بر توصیف ۱D از پروفیل محلی خاک و انتشار امواج لرزه‌ای و با موفقیت ارزیابی نموده‌اند لذا ساختگاهایی برای این نوع مدلسازی مناسب خواهند بود که از گستردگی نسبتأ وسیعی در پهنای منطقه مورد مطالعه نسبت به ضخامت لایه رسوبی برخوردار باشند. لیکن حوادث اخیر نظیر زلزله هیوگوکن نانبو ژاپن با کمربند باریک خسارت تشدید یافته خود که شهر کوبه را قطع می‌نمود و سبب مرگ ۶۰۰۰ تن گردید، پیچیدگی قابل ملاحظه در الگوهای تقویت لرزه‌ای حاصل از اثرات ساختگاهی ۲D و ۳D آشکار ساخت. دقیق نبودن و تخمین دست پایین شدت زلزله های مخرب حاصل از آنالیزهای یک بعدی می تواند در تخمین خسارات وارده بحرانی و خطرساز باشد چرا که اثرات ساختگاهی ۲D و ۳D در دره‌های رسوبی پر شده و یا بر روی توپوگرافی‌هایی که شهرها آنجا واقع شده‌اند بیشتر بوقوع می‌پیوندد.

در یک طبقه‌بندی کلی می‌توان ناهمواریهای موجود در یک ساختگاه را به “ناهمواریهای زیرسطحی” و “ناهمواریهای سطحی” طبقه‌بندی نمود. هر دو نوع ناهمواریها منجر به افزایش دامنه و نیز تداوم حرکات بر روی سطح زمین در اثر عبور امواج زلزله می‌گردند، لیکن از نقطه‌نظر مهندسی تفاوت قابل ملاحظه‌ای بین عوارض سطحی و ناهمواریهای زیرسطحی وجود دارد و از سوی دیگر حتی درون یک دسته مشخص نظیر ناهمواریهای زیرسطحی نیز الگوی تقویت بشدت به وضعیت زمین‌شناسی سطحی وابسته است.

فعالیتهای قابل توجهی از سوی محققین در جهت رسیدن به درکی جامع از رفتار ناهمواریهای سطحی در برابر امواج لرزه ای زمین صورت گرفته است ولی در این زمینه نتیجه ای قطعی و کاربردی به گونه ای که قابل استفاده در آیین نامه های مهندسی باشد ارائه نشده است.

هدف اصلي از انجام اين تحقيق برطرف نمودن اين کمبود و حداقل در حوزه نتايج حاصل از مدلهاي عددي مي‌باشد آنچه که در اين تحقيق بطور مشخص مورد بررسي قرار خواهد گرفت ارزيابي رفتار لرزه‌اي عوارض روسطحي (توپوگرافي) تحت اثر بارهاي لرزه‌اي از طريق انجام مطالعات پارامتريک بر روي گستره وسيعي از اشکال هندسي رايج، مرسوم و قابل تطابق با طبيعت و با فرض رفتار خطی مي‌باشد. از ميان پارامترهاي موثر بر رفتار لرزه‌اي عوارض توپوگرافي يعني مشخصات هندسي، ژئومکانيکي و حرکت ورودي، بيشتر تمرکز در اين تحقيق بر مشخصات هندسي خواهد بود. پارامترهاي هندسي را به اشکال مختلفي مي‌توان در مطالعات پارامتريک مورد توجه قرار داد ليکن رويه رايج و عرف متداول آن است که با معرفي پارامترهاي بي‌بعد (نظير ضرايب شکل يا فرکانس بي‌بعد يا زمان بي‌بعد) و در واقع تلفيق تعدادي از پارامترها با هم، هم تعداد تحليلهاي لازم را کاهش داد و هم وابستگي نتايج حاصله به هندسه تحت تحليل را برطرف نمود لذا رويکرد اصلي در اين زمينه در اين تحقيق هم انجام تحليلهاي مربوطه بر روي يک هندسه پايه از مسئله تحت بررسي و سپس ارائه نتايج بصورت بي‌بعد برحسب ضريب شکل و فرکانس بي‌بعد (يا زمان بي‌بعد) خواهد بود. همچنین فرضیات حرکت ورودي در قالب موج درون صفحه‌ايP وSV بصورت قائم در نظر گرفته خواهد شد. در این تحقیق، از مطالعات پارامتریک بر روی تاثیر ضریب پواسون مصالح بر طبق مطالعات انجام شده توسط استاد راهنما و استاد مشاور این تحقیق(دکتر رزمخواه و دکتر کمالیان)، به علت کم بودن تاثیر ضریب پواسون مصالح در نتایج بدست آمده، صرفنظر شده است. مدل سازي هندسي مسئله نیز بصورت نيم فضا و بدون لايه بندي انجام شده و حركت ورودي بصورت موجك ريكراعمال مي شود، نهايتاً با استفاده از نمودارهاي بي‌بعد حاصله، سعي خواهد گرديد سازوکاري براي ملحوظ نمودن اثرات ۲D با استفاده از نتايج تحليلها بدست آيد.

این تحقیق در پنج فصل و با تشریح مطالبی شامل مروری بر سابقه تحقیقات ومطالعات انجام شده در زمینه بررسی تاثیرات عوارض توپوگرافی بر رفتار لرزه‌ای سطح زمین، کلیاتی در مورد برنامه مورد استفاده و ارزیابی اعتبار آن و پدیده انتشار امواج در محیطهای دو بعدی و راه حل عددی آن، تحلیلهای پارامتریک عوارض توپوگرافی با اشکال مثلثی و نتایج حاصله، و نهایتاً جمع‌بندی مطالب و پیشنهاد مطالعات تکمیلی ارائه شده است.

در فصل اول (فصل حاضر)، مقدمات، ضرورت انجام تحقیق و مراحل مختلف پایان‌نامه شرح داده می‌شود. در فصل دوم که به سابقه تحقیقات و مطالعات انجام شده اختصاص دارد، ابتدا مطالعات و شواهد تجربی، سپس مطالعات نظری و تحلیلهای عددی و متعاقب آن مطالعات ریز پهنه‌بندی لرزه‌ای ۲D ارائه گردیده است.

فصل سوم ، با مروری بر پدیده انتشار امواج لرزه‌ای ومعادلات حاکم بر آن آغاز می‌گردد و روشهای حل عددی این معادله تشریح شده و آنگاه روش عددی مورد استفاده در این تحقیق معرفی می‌گردد. در بخش بعدی این فصل برخی تفاسیر فیزیکی از مسائل دو بعدی انتشار امواج که در فصول بعدی برای تفسیر و نتیجه‌گیری مورد استفاده قرار گرفته‌اند تشریح می‌شوند. همچنین در این فصل به معرفی نرم‌افزار Hybrid ، بعنوان برنامه مرجع مورد استفاده در این تحقیق پرداخته شده و نمونه‌هایی از تائید اعتبار و دقت این برنامه در مسایل مشابه ارائه گردیده است.

فصل چهارم ، شامل تحلیلهای پارامتریک تپه ها و دره های مثلثی شکل بوده، نتایج بدست آمده و تفاسیر مربوطه، با تمرکز بر ضریب شکل می‌باشد.

فصل پنجم، جمع‌بندی و ارائه نتایج کلی تحلیلهای پارامتریک و کاربرد آنها را در بر می‌گیرد و در انتها پیشنهاداتی در زمینه ادامه این تحقیق ارائه گردیده است.

۲-تاریخچه تحقیقات و مطالعات انجام شده

۲–۱-شواهد تجربي ومطالعات درخصوص اثرات ساختگاه تیز گوشه و مثلثی شکل بر پاسخ زمين

غالباً پس از زلزله‌های مخرب چنین گزارش شده است که ساختمانهای واقع در قلل تپه‌ها و کوهها، خسارت شدیدتری را نسبت به آنهایی که در پای تپه‌ها و کوهها قرار داشتند متحمل گردیده‌اند. از جمله نخستین مشاهدات در این زمینه می‌توان به زلزله Lambesc در کشور فرانسه به سال ۱۹۰۹ ]۱۰۵[ اشاره داشت.(Davis & West, 1973) ]39[ یکی از نخستین مطالعات انجام شده در زمینه تاثیر توپوگرافی در پاسخ ساختگاه را انجام دادند. آن چه دیویس و وست را به بررسی این پدیده کشاند، نتایج ثبت شده پس از آزمایش هسته‌ای کلارکز موبایل بود. طی این آزمایش که در صحرای نوادا و در سال ۱۹۶۸ انجام شده بود شتابنگارهای نصب شده در شهر تونوپا و خارج از آن مقادیر متفاوتی را نشان می‌دادند و این در حالی بود که شهر تونوپا در دره قرار داشت و شتابنگارهای نصب شده در حاشیه آن بر روی کوه قرار داشتند. با این وجود، بدلیل این که شیوه قرارگیری شتابنگارها به گونه‌ای نبود که بتوان از نتایج آنها جهت ارائه مقادیر بزرگنمایی طیفی استفاده کرد مجموعه تلاشهایی برای بررسی چگونگی تاثیر توپوگرافی بر پاسخ ساختگاه آغاز شد.

همانگونه که می‌دانیم امواج لرزه‌ای تا رسیدن به محل ثبت، تابع وضعیت چشمه لرزه، مسیر و ساختگاه خواهند بود و روش انجام مشاهده دیویس و وست نیز بر این اساس استوار بود که با ایجاد موجهای لرزه‌ای با مشخصات چشمه و مسیر یکسان به بررسی چگونگی تاثیر توپوگرافی بر امواج لرزه‌ای بپردازند.

باید توجه داشت که در تابع تاثیر ساختگاه پارامترهای عمده‌ای نقش دارند که وضعیت توپوگرافی تنها یکی از این پارامترها می‌باشد و به همین دلیل در انجام آزمایشهای محلی تلاش جهت انتخاب نقاطی با وضعیت لایه‌های زمین‌شناسی یکسان یا نزدیک به هم حائز اهمیت بسیاراست.

با توجه به تمامی این موارد دیویس و وست سه ناحیه جدا از هم را جهت بررسی انتخاب کردند. چگونگی ترازهای توپوگرافی و نیز وضعیت جغرافیایی نقاط انتخاب شده در شکلهای (۱-۲) تا (-۲۳) قابل مشاهده می‌باشد.

برای ایجاد امواج لرزه‌ای، در مجموع از پنج انفجار استفاده شد که امواج ایجاد شده در اثر این انفجارها مشابه زلزله‌هایی با بزرگای بین ۶/۲ تا ۲/۳ بوده است. با تبدیل این شتابنگاشت‌ها به طیف PSRV، امکان بررسی محتوای طیفی شتابنگاشتهای ثبت شده ایجاد گردید.

از دیگر نکات قابل ملاحظه در نتایج حاصله افزایش دامنه امواج در قله‌ها و افزایش مدت زمان تداوم حرکت لرزه‌ای بود که می‌توانست در نتیجه تشدید کوه یا در نتیجه انعکاس و انکسار امواج حجمی در کوه حاصل شده باشد.

(Griffith & Bollinger, 1979) ]67[ نتایج مشاهدات خود در مورد تاثیرات توپوگرافی سطح زمین بر اثر ساختگاه را ارائه کردند. این دو، فعالیت خود را به عنوان جمع‌بندی و بررسی نهایی فعالیتهای محاسباتی و مشاهداتی پیشین مطرح نمودند و به همین دلیل در تمامی مراحل کار تلاش کردند تا به مقایسه نتایج به دست آمده با نتایج موجود از تحقیقات پیشین بپردازند.