زلزله ها می توانند به عنوان یکی از بزرگترین دغدغه ها برای طراحان ساختمان و سایر سازه های مهندسی عمران باشند. پتانسیل برای حرکات شدید زمین که بیشتر از چند دقیقه طول نمی کشد و سبب خرابی های بزرگ می شود با وقایع اخیر اثبات شده است. آسیب های ایجاد شده در ارمنستان (شکل 1-1) و حوالی سانفرانسیسکو (شکل 2-1) و فرو ریختن 120 ساختمان فولادی و بتنی در شهر مکزیکو در سال 1985 (شکل 3-1) از خاطرات اخیر می باشند. با کلینیک بتن ایران همراه بوده تا باهم مسئله های مهندسین زلزله را بیشتر برسی کنیم.

جدول 1-1 نشان می دهد که تنها ساختمان ها نیستند که آسیب دیده اند بلکه همچنین حجم وسیعی از زندگی ها در اثر زلزله نیز از بین رفته اند.
درسی که از این حوادث می توان آموخت این است که قاب های بتن آرمه یا فولادی اگر ضعیف طراحی شوند، هیچ ضمانتی در برابر مقاومت زلزله ندارند. اگر اصول پایه و زیر بنایی فراموش شوند بلاها رخ می دهند.

به هر حال این بحث نیز درست است که زلزله سانفرانسیسکو و مکزیکو و سایر زلزله های بزرگ، خیلی از ساختمان های بلند سالم ماندند و نشان دادند که تبعیت از این اصول می توانند مردم را جهت استفاده از ساختمان های مقاوم که بتوانند هنگام وقوع زلزله در آنها زنده قدم بزنند، امیدوار کنند حتی اگر چند آسیب سازه ای هم ایجاد شوند.

زلزله ممکن است بدون هیچ هشداری اتفاق بیفتد اما مناطق جغرافیایی با احتمال خطر بالا تشخیص داده می شوند و قضاوتی در مورد جزئیات وقوع خطر ایجاد می شود. تصمیمات نهایی در مورد علل و قضاوتی صحیح از خطرات زلزله با استفاده از منابع اصلی مهندسی زلزله مانند Dowry حاصل می گردد. 

شکل 1-1- ساختمان قابی پیش ساخته بعد از زلزله 1988 ارمنستان

شکل 3-1- شکست ساختمان های فولادی بلند مرتبه در مکزیکوسیتی 1985

جدول 2-1 نشان می دهد که چگونه زلزله متناوبا در جهان اتفاق می افتد. نشانه اولیه خطرهای زلزله در مرجع 2-1 آمده است و مرجع 3-1 شامل نقشه های ناحیه بندی شده از آیین نامه های خیلی از کشورهای زلزله خیز است.
Gere و Shah یک نسخه خواندنی از خطرات طبیعی زلزله را تهیه نموده اند. 

تاثیر سایت در خطرات زلزله

حرکات زمین لرزه در نواحی با خاک های نرم اغلب خیلی بیشتر از زمین های صخره ای و سنگی مشاهده شده است مخصوصا برای حرکات با پریود زمانی طولانی تر. مشاهدات براساس هر دو خطر نسبی که در دو نوع سایت اتفاق می افتند می باشد و با اندازه هایی که مستقیما توسط وسیله های ثبت کننده اندازه گیری می شوند مشخص می گردد.

زلزله 1985 مکزیکو یکی از نمونه های خاص و مهیج بود. ته نشین شدن رس نرم به عمق 30 متر برای تکان های شدید با مدت طولانی بی ضرر بود در صورتی که برای ساختمانی های بلند مدت مضر اثبات شده است. شکل 4-1 این موضوع را با نشان دادن طیف پاسخ حرکات ته نشینی خاک رس و با مقایسه با یک خاک سخت روشن می سازد. تشدید کننده بزرگ مخصوصا در پریود sec 2 به وضوح قابل روئیت است (طیف پاسخ، یک نمودار پاسخ زلزله در برابر پریود سازه برای حرکات زلزله مشخصی است و در فصل 3 بیشتر بحث خواهد شد).

شکل 4-1 همچنین پیش بینی های تئوری برای حرکات شدید که براساس اندازه گیری های خصوصیات خاک و یک مدل کامپیوتری ساده است، می باشد. پیش بینی با آنچه که در عمل دیده شده است مطابقت دارد.

تاثیرات سایت می تواند با اطمینان از روی اطلاعات اساسی تهیه شده از خواص لایه های خاک زیر و سنگ بستر موجود پیش بینی شود. این مطلب در فصل 9 بحث خواهد شد. امکان روانگرایی باید در نظر گرفته شود، روانگرایی فرآیندی است که در آن خاک ته نشین شده ضعیف، مقاومت خود را در طول زلزله از دست می دهد و مانند مایع رفتار می کند. این پتانسیل در لایه های سیلتی و ماسه ای در اکثر مناطق دنیا وجود دارد که در اثر لغزش دانه های ماسه در طول زلزله شکل می گیرد.

اگر فشار آب حفره ای نتواند در طول این فرآیند بگریزد جریان آب حفره ای تا رسیدن به فشار نهایی افزایش می یابد. در آن مرحله دانه های ماسه ای در آب حفره ای شناور می شوند و مانند سیال رفتار می کنند و هیچ مقاومت برشی خاصی ندارند. این جریان در بیشتر زلزله ها مشاهده شده که منج به شکست تماشایی شده است (شکل 5-1). پیشرفت های قابل توجه در چگونگی ارزیابی پتانسیل روانگرانی یک سایت و وسایل اندازه گیری آن برای مقابله با پدیده روانگرانی، بوجود آمده است (البته با موفقیت کمتر)

شکل 4-1- مقایسه لرزش ها در خاک سخت و خاک کف دریا (رس خیلی نرم)

خصوصیات تاثیرات زلزله در سازه ها

بعضی از عوامل اصلی که فرق تاثیر حرکات شدید زلزله را با سایر ان��اع بارگذاری ها مشخص می کند بشرح زیر می باشد:

1. بارهای ناشی از زلزله از طریق شتاب زمین که موجب ایجاد نیروهای اینرسی در سازه می شود به وجود می آیند. این بارها تاثیرات دینامیکی دارند و خواص دینامیکی سازه ها شدت پاسخ را تعریف می کنند.

2. بارهای ناشی از زلزله طبیعتا تناوبی است و پتانسیل تاثیرات چنین بارگذاری در سازه ها و خاک های فونداسیون ها باید در نظر گرفته شوند.

شکل 5-1- نشست ناشی از روانگرایی در زلزله فیلیپین 1990

3. یک عدم اطمینان نسبتا زیادی در دامنه در دامنه و تداوم (مدت زمان) و فرکانس حرکات که ممکن است در یک سایت ایجاد شود، وجود دارد. به هر حال پاسخ های سازه ها به چنین حرکات پیچیده حتی اگر آن حرکات به طور معین شناخته شده باشند اغلب برای پیش بینی با اعتماد به نفس شکل می گیرند.
4. حرکات زلزله با دوره بازگشت طولانی (با احتمال سالانه کم) قابل مقایسه با حرکات با دوره بازگشت کم هستند شکل 6-1 نشان دهنده تابع چگالی احتمال برای دوره بازگشت هر 50 سال برای انواع مختلف بارها ارائه شده است. (تابع چگالی احتمال یک شکل از هیستوگرام می باشد که احتمال پدیده ها بین دو مقدار متناسب با مساحت زیر تابع می باشد).

برای بارگذاری باد و موج ها، توزیع به طور خیلی زیاد پیرامون مقدار مورد انتظار جمع شده است و بنابراین فرصت آزمایش یک بار که به طور خیلی زیاد از مقدار مورد نظر فرق دراد خیلی کم است. برای بارهای زلزله به هر حال دامنه توزی خیلی مهنتر است و امکان تجربه یک بار ذاتی مخصوصا در مناطق با زلزله خیزی کم بیشتر از آن مقدار مورد انتظار است. علت آن این است که احتمال و شانس وقوع یک زلزله بزرگ که دقیقا در زیر یک منطقه خاص رخ می دهد حتی در مناطق زلزله خیزی زیاد معمولا خیلی کم است. حرکاتی که با چنین ضربه مستقیم تولید می شوند به هر حال دارای شدت بیشتری هستند.

بنابراین دوره های بازگشت که برای طراحی لرزه ای در نظر گرفته می شوند معمولا خیلی بیشتر از مقادیر مشابه برای باد هستند. به طور معمول 500 سال به جای 50 سال و 1000 سال برای مناطق با لرزه خیزی کم مناسب می باشند.

 شکل 6-1- تابع چگالی احتمالی برای بارهای باد، موج و زلزله

مقایسه بارهای ناشی از زلزله با بارهای باد آموزنده است. در هر دو نمونه مقاومت جانبی مورد نیاز است. ولی همان طوری که در جدول 3-1 نشان داده شده است تفاوت های فاحشی بین دو اثر وجود دارد. در بارگذاری زلزله، مقاومت فراهم شده معمولا برای بهره مند شدن از یک سازه مقاوم در برابر زلزله کافی نیست و سازه را نمی توان مقاوم در برابر زلزله خواند، بعنوان مثال ساختمان های بلند در مناطق با لرزه خیزی زیاد ممکن است بارهای زلزله کمتر از بار باد را تجربه کنند. ولی در هر صورت تدابیر ویژه برای مقابله با زلزله باید اندیشیده شود.

جدول 3-1- تفاوت اساسی بین بارگذاری باد و زلزله