1-7-7 دامنه کاربرد

ملاحظات مربوط به مسائل ژئوتکنیک لرزه‌ای و الزامات مربوطه در این فصل ارائه شده‌اند. این فصل شامل مباحث مربوط به ملاحظات لرزه‌ای شامل تعیین زلزله طرح و اثرات ساختگاهی، روانگرایی و مخاطرات مرتبط با آن، زمین لغزش و مخاطره گسلش سطحی می‌شود.

2-7-7 زلزله طرح و اثرات ساختگاهی

1-2-7-7 روش آیین نامه‌ای

استفاده از شتاب‌های پایه و طیف‌های مربوط به انواع مختلف زمین‌ها بر اساس طبقه بندی مبحث ششم برای ساختمان‌هایی که مشمول این مبحث می‌شوند، الزامی است. نحوه اعمال اثرات ساختگاهی با در نظر گرفتن تأثير لایه‌های سطحی طبق روشهای ذکر شده در مبحث ششم و استاندارد ۲۸۰۰ الزامی است.

2-2-7-7 مطالعات ویژه زلزله طرح

برای برخی از ساختمانها طبق شرایط مندرج در استاندارد ۲۸۰۰ باید مطالعات خاص برآورد مخاطره پذیری زلزله و محاسبات طيف ویژه طراحی و ارائه تاریخچه زمانی شتاب طراحی ساختگاه به عنوان “زلزله طرح” به شرح زیر انجام گیرد:

1-2-2-7-7- تحليل مخاطره پذیری

برای انجام برآورد مخاطره پذیری زلزله از روش متعارف “تحليل احتمالاتی مخاطره پذیری” می‌تواند استفاده شود. در این نوع تحلیل پارامترهای حرکت زمین در سنگ بستر لرزه‌ای محاسبه می‌شوند. منظور از “پارامترهای حرکت زمین” مقادیر مربوط به شتاب، سرعت، جابجایی و نیز سایر پارامترهای طیفی و زمانی زمین لرزه است. پارامترهای حرکت زمین در یک ساختگاه براساس موقعیت ساختگاه نسبت به منابع لرزه زا، توان لرزه زایی و مکانیزم گسیختگی منابع لرزه را محاسبه و پیشنهاد می‌شود. این مطالعه باید توسط متخصص این موضوع و با در نظر گرفتن نکات زیر و در پنج مرحله کلی انجام شود:

الف) شناسایی و مشخص نمودن تمامی منابع لرزه زا که قادر به تولید زمین لرزه مؤثر بر ساختگاه مورد مطالعه هستند.

ب) ارائه رابطه دوره بازگشت زلزله‌ها و انتخاب پارامترهای لرزه خیزی مناسب برای هر منبع لرزه زا با استفاده از کاتالوگ زلزله‌های منطقه با روش‌های مناسب دیگر، در صورت نبود یا نقصان داده‌های کاتالوگ.

پ) انتخاب روابط کاهیدگی مناسب.

ت) تعيين مخاطره پذیری زلزله در محل سایت بر حسب پارامترهای زلزله طرح که در قالب منحنی مخاطره زلزله و با محاسبه احتمال رخداد پارامتر حرکتی مورد نظر ارائه می‌شود.

ث) بر اساس پارامترهای حرکتی و طیف طرح ویژه ساختگاه، به دست آمده در رقوم سنگ بستر لرزه‌ای، نگاشت‌های تاریخچه زمانی شتاب قابل ارائه‌اند. برای محاسبه پارامترهای حرکت قوی زلزله طرح و نیز ارائه نگاشت‌های مناسب برای آن می‌توان از نرم افزارهای معتبر استفاده کرد.

3-2-7-7 تحلیل اثر ساختگاه

حرکت ناشی از زلزله از سنگ بستر لرزه‌ای وارد لایه‌های سطحی رسوبی شده و با عبور از آن به پی سازه‌ها می‌رسد. اثراتی که مشخصات لایه‌های سطحی بر حرکت ناشی از زلزله در تراز پی می‌گذارد از اهمیت زیادی برخوردار بوده و باید در تعیین پارامترها، طیف پاسخ و تاریخچه زمانی حرکت زمین (زلزله طرح) در نظر گرفته شوند. اثر ساختگاه به دلیل وجود عوامل زیر بوجود می‌آید:

– قرار گیری لایه‌های نهشته‌های نرم رسوبی بر روی لایه‌های سخت رسوبی یا سنگی

– توپوگرافی سطحی

– توپو گرافی عمقی لایه‌های رسوبی و سنگ بستر لرزه‌ای

1-3-2-7-7 تأثیر لایه‌های رسوبی سطحی

مهم‌ترین نمود اثر ساختگاه به صورت تأثير لایه‌های سطحی رسوبی بر پارامترهای حرکتی زلزله عبوری از این لایه‌ها است. در صورتی که لایه‌های رسوبی سطحی افقی یا تقریباً افقی باشند و هیچ گونه توپوگرافی سطحی و عمقی قابل ملاحظه‌ای در ساختگاه وجود نداشته باشد می‌توان از تحلیل‌های یک بعدی دینامیکی به روش خطی معادل برای تعیین مشخصات زلزله در سطح خاک استفاده کرد. در خصوص ساختگاه های با هندسه محرز دیا سه بعدی در زمین و نیز در خصوص سازه‌های مهم بنا به تشخیص طراح سازه باید از روش‌های دیا سه بعدی غیر خطی استفاده کرد. در صورتی که لایه‌های سطحی اشباع باشند باید از تحلیل‌های مناسبی که تغییرات تنش مؤثر در آنها قابل مدل سازی است استفاده شود.

ملاحظات زیر برای انجام تحلیل‌های دینامیکی اثر ساختگاه باید در نظر گرفته شوند:

– در شناسایی‌های ژئوتکنیکی علاوه بر تعیین مشخصات متعارف لایه‌های خاک، سرعت موج برشی، مدول برشی حداکثر G_max و منحنی‌های تغییرات غیر خطی  G/G_max-γ و D-γ برای انجام تحلیل‌های دینامیکی یک بعدی به روش خطی معادل تعیین گردند.

در خصوص ساختمانها توصیه می‌شود که تعیین پارامترهای دینامیکی خاکها با تهیه نمونه‌های دست نخورده و با انجام آزمایش‌های دینامیکی مناسب با اندازه گیری در محدوده کرنش‌های برشی از ^6-۱۰ الى ^۲-۱۰ انجام گیرد. برای پوشش دادن این محدوده از کرنش‌ها باید حتی الامکان از آزمایش‌های المان خمشی، ستون تشدید و سه محوری دینامیکی استفاده شود.

– زلزله ورودی برای تحلیل، بسته به اینکه در برونزدگی سنگی یا در رقوم عمقی سنگ بستر لرزه‌ای شده باشد با روش متناسب در تحلیل اعمال شود. این زلزله ورودی می‌تواند مربوط به زلزله‌های طبیعی رخداده باشد یا با استفاده از روش‌های ریاضی به صورت شتاب نگاشت مصنوعی تهیه شود.

تاریخچه زمانی شتاب برای تحلیل دینامیکی ساختگاه باید متناسب با مشخصات لرزه‌ای منطقه انتخاب شوند. این نگاشت‌ها باید با توجه به پارامترهای حرکتی زلزله ساختگاه با روش مناسبی مقیاس شوند.

– نتایج به دست آمده با توجه به میزان اهمیت ساختگاه و سازه موردنظر و با ملاحظه میزان عدم قطعیت در محاسبات، در قالب پارامترهای حرکتی از جمله شتاب حداکثر و نیز طیف‌های پاسخ حرکت در سطح زمین برای استفاده در طراحی لرزه‌ای سازه‌های رویی ارائه شوند. همچنین در صورت نیاز برای سازه‌های با اهمیت بالا تعداد کافی نگاشت تاریخچه زمانی شتاب باید با روش مناسبی ارائه شوند.

2-3-2-7-7 تأثیر توپو گرافی سطحی

یکی دیگر از مصادیق مهم اثر ساختگاه تأثیر توپوگرافی سطحی زمین بر پارامترهای حرکت زمین است و چنانچه سازه مورد طراحی بر روی بلندی یا در دامنه یک شیب قرار داشته باشد باید به این موضوع توجه ویژه مبذول شود. چنانچه ارتفاع شیب بیش از ۳۰ متر، زاویه شیب دامنه بیش از ۱۵ درجه بوده و سازه در 1/3 فوقانی شیب قرار داشته باشد حرکت زمین دچار بزرگنمایی می‌شود و ضرایب پیشنهادی در استاندارد ۲۸۰۰ برای منظور کردن بزرگنمایی باید مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از نرم افزارهای مناسب که تأثير توپو گرافی را مدل می‌سازند توصیه می‌شود.

در خصوص سازه‌های با اهمیت بالا استفاده از تحلیل دینامیکی دیا سه بعدی متناسب با در نظر گرفتن اثرات همزمان توپوگرافی و لایه‌های رسوبی توصیه می‌گردد.

3-3-2-7-7 تأثیر توپو گرافی عمقی

توپوگرافی سنگ بستر لرزه‌ای می‌تواند بر پارامترهای حرکت زمین تأثیر بگذارد. دره‌های تنگ پر شده از نهشته‌های نرم خاکی و نیز قسمتهایی از حوضه یا تشتک زمین شناسی که سنگ بستر لرزه‌ای به صورت بیرون زدگی از رسوب سربر می‌آورد (گوشه یا لبه حوضه)، نمونه‌های شاخصی از وجود اثرات توپوگرافی عمقی است. چنانچه سازه‌های تحت طراحی در چنین نقاطی قرار داشته باشند برای تحلیل دینامیکی اثرات ساختگاهی ضروری است از تحلیل‌های دیا سه بعدی با در نظر گرفتن اثرات همزمان توپوگرافی و لایه‌های رسوبی استفاده شود و بکارگیری تحلیل‌های یک بعدی مجاز نیست.

3-7-7 روانگرایی

روانگرایی به ناپایداری لایه‌های خاک اشباع در اثر کاهش تنش مؤثر و در نتیجه کاهش مقاومت برشی اطلاق می‌گردد که در اثر افزایش فشار آب حفرهای ناشی از تغییر شکل برشی حاصل از زلزله ایجاد می‌شود. این پدیده به عنوان یک مخاطره ژئوتکنیکی زلزله به حساب می‌آید که می‌تواند آثار و عوارض مختلفی ایجاد نماید باعث آسیب به سازه‌ها و ابنیه گردد.

“پتانسیل روانگرایی” و ” ارزیابی اثرات یا عوارض ناشی از روانگرایی” دو موضوع مورد بررسی اصلی در خصوص روانگرایی است. آثار ناشی از روانگرایی عموماً به صورت موارد زیر بروز می‌کنند:

– نشست عمومی زمین

– کاهش ظرفیت باربری پی‌ها و نشست و کج شدگی ساختمان و فرورفتن پی و ساختمان در داخل لایه‌های خاک

– غوطه وری و بالازدن سازه‌های مدفون

– گسترش جانبی

– ناپایداری و تغییر شکل شیروانی‌ها

– افزایش فشار جانبی بر دیوارهای نگهبان خاک

– جوشش ماسه

در طراحی سازه‌ها باید به تأثیر عوارض ناشی از روانگرایی توجه جدی مبذول گردد.

1-3-7-7 ارزیابی پتانسیل روانگرایی

به طور کلی ارزیابی پتانسیل روانگرایی با روش تنش تناوبی انجام می‌شود. برای ارزیابی ابتدا بدون انجام محاسبات بررسی اولیه‌ای صورت می‌گیرد و چنانچه امکان بروز روانگرایی در این مرحله منتفی نشود ارزیابی در مرحله دوم و با انجام محاسبات ادامه پیدا می‌کند.

۷-۷-۳-۱-۱ مرحله اول ارزیابی

خاک‌هایی که مستعد روانگرایی هستند معمولاً در رده خاک‌های غیر چسبنده دسته بندی می‌شوند. از نظر قابلیت روانگرایی خاکها را می‌توان به ترتیب به ماسه‌های تمیز، ماسه‌های سیلتی با خواص خمیری کم، سیلت های غیر پلاستیک و شن‌ها محدود کرد. خاکهای چسبنده عمدتاً در معرض خطر روانگرایی نیستند. با این حال در مواردی که با وجود خاک‌های چسبنده رسی، خاک مستعد روانگرایی می‌باشد باید همه معیارهای زیر بر آورده شوند:

– درصد وزنی خاک ریز دانه در اندازه رس (کوچک‌تر از 0/005mm)، از ۱۵٪ کمتر باشد.

– حد روانی خاک (LL) کمتر از ۳۵٪ باشد.

– درصد رطوبت خاک مورد بررسی بیشتر از 0/9 حد روانی خاک مورد بررسی باشد ( w> 0/9LL).

خاک‌های در معرض روانگرایی علاوه بر شرط فوق شامل موارد زیر می‌باشند:

– سطح آب زیرزمینی کمتر از ۱۰ متر از سطح زمین یا از رقوم کف پی‌های سطحی باشد.

– عمق لایه مستعد روانگرایی کمتر از ۲۰ متر از سطح زمین یا از رقوم کف پی‌های سطحی باشد.

– درصد ریزدانه کمتر از ۳۵٪ (FC<=%35) یا اندیس پلاستیسیته ریزدانه خاک کمتر از ۱۵٪ باشد .(PI<15%)

– D₅₀<=10mm و D₁₀<=1mm باشد.

تخمین تراز آب زیرزمینی با توجه به امکان نوسان آن بر اساس بیشینه متوسط یا تراز آب احتمالی در شرایط جوی بحرانی بلندمدت باید انجام گیرد. در خصوص پی‌های عمیق پیشنهاد می‌شود عمق مورد بررسی در شمع‌های اتکایی تا 6 متر زیر پایین‌ترین رقوم نوک شمع‌ها انجام گیرد. در حالت گروه شمع بر حسب تعداد و نحوه قرارگیری شمع‌ها عمق مورد بررسی باید تعیین گردد.

2-1-3-7-7 مرحله دوم ارزیابی

در این مرحله نسبت تنش تناوبی ناشی از زلزله CSR با نسبت مقاومت تناوبی خاک CRR با هم مقایسه می‌شوند. نسبت تنش تناوبی ناشی از زلزله و نسبت مقاومت تناوبی با استفاده از روابط ارائه شده در مراجع معتبر قابل محاسبه هستند.

تشخیص وقوع یا عدم وقوع روانگرایی بر اساس مقایسه CSR و CRR_7.5 انجام می‌گیرد. با فرض   به عنوان ضریب اطمینان روانگرایی، وقوع روانگرایی برای F_L های کمتر از 1 محتمل است. در این صورت کنترل نشست و سایر عوارض ناشی از روانگرایی باید انجام گیرد.

باید توجه کرد که در روش فوق مقدار CRR_7.5  برای زلزله با بزرگای 7/5 انجام می‌گیرد. چنانچه بزرگای زلزله طرح عددی غیر از 7/5 باشد، مقدار CRR_7.5 باید در یک ضریب مناسب براساس بزرگای زلزله ضرب شود. همچنین تصحيحات برای در نظر گرفتن اثر تنش سربار و نیز وجود تنش برشی استاتیکی اولیه بر نسبت مقاومت تناوبی با اعمال ضرایب مناسب انجام گیرد.

در صورتی که برآورد CRR براساس روش فوق برای تصمیم گیری در خصوص روانگرایی در ساختگاه های مهم از دقت کافی برخوردار نباشد برای تعیین دقیق‌تر CRR، استفاده از آزمایش سه محوری یا برش ساده تناوبی یا دینامیکی بر روی نمونه‌های دست نخورده توصیه می‌شود.

2-3-7-7 تعیین نشست ناشی از روانگرایی

نشست ایجاد شده در حین و بعد از روانگرایی یکی از عوارض مهم روانگرایی است. توصیه می‌شود محاسبه نشست با استفاده از کرنش حجمی و روش‌های پیشنهادی معتبر انجام پذیرد.

3-3-7-7 گسترش جانبی

گسترش جانبی از عوارض مهم روانگرایی است که می‌تواند به سازه‌های مدفون، خطوط لوله، شمع‌ها و … آسیب در زمین‌های مستعد روانگرایی که دارای شیب ملایم بوده یا دارای یک وجه آزاد نظیر زمین‌های منتهی به کانال‌های زهکش، نهرها و رودخانه‌ها یا ساحل دریا باشند، احتمال وقوع گسترش جانبی وجود دارد. گسترش جانبی می‌تواند موجب جابجائی های بزرگ در زمین گردد. جهت ارزیابی استعداد و مقدار جابجائی ناشی از گسترش جانبی می‌توان حداقل از یکی از سه رویکرد تحلیلی، تجربی یا عددی استفاده نمود.

طراحی لرزه‌ای پی برای مقاومت در برابر گسترش جانبی باید بگونه ای انجام شود که جابجایی افقی در بالای پی یا تنش‌های ناشی از آن از مقادیر مجاز مربوط به هر سازه فراتر نرود. علاوه بر طراحی مقاوم پی ساختمان، طراحی پی باید به گونه‌ای باشد که ساختمان از نظر کلی نیز ایمن باشد. برای این منظور طراحی لرزه‌ای سازه و پی مربوطه باید در سه حالت زیر انجام شود و نتایجی که بزرگترین اثر را مشخص می‌کند در طراحی پی و سازه اعمال شود :

حالتی که فرض می‌شود گسترش جانبی اتفاق خواهد افتاد

حالتی که فرض می‌شود تنها روانگرایی اتفاق خواهد افتاد.

حالتی که فرض می‌شود هیچکدام از روانگرایی و گسترش جانبی اتفاق نخواهد افتاد. در این صورت بایستی در طراحی‌ها یا از طيف طراحی برای خاک نرم یا از طیف حاصل از مطالعات ویژه ساختگاهی بدون در نظر گرفتن وقوع روانگرایی استفاده نمود.

در حالاتی که اثرات گسترش جانبی، در طراحی پی‌های سطحی و عمیق در نظر گرفته می‌شود، برای مطالعه عملکرد لرزه‌ای پی اثر آن باید بصورت یک فشار افقی منظور گردد. بدیهی است که در این حالت نیازی به اضافه نمودن نیروی اینرسی دینامیکی افقی زلزله ناشی از وزن سازه به نیروهای افقی ناشی از گسترش جانبی برای طراحی بخش‌های زیرزمینی سازه نمی‌باشد.

4-3-7-7 پیشگیری از مخاطرات ناشی از روانگرایی

چنانچه محاسبات مربوط به پتانسیل روانگرایی، نشست ناشی از روانگرایی یا گسترش جانبی و نیز سایر عوارض روانگرایی نشان دهنده وقوع قطعی روانگرایی و نشست غیر مجاز یا گسترش جانبی باشد باید با در نظر گرفتن ملاحظات فنی، اجرایی و اقتصادی روش مناسبی برای پیشگیری یا تقلیل عوارض روانگرایی به کار گرفته شود. طراحی و اجرای روشهای پیشگیری باید توسط متخصصین ژئوتکنیک لرزه‌ای انجام شود.

4-7-7 ناپایداری شیب‌ها و زمین لغزش

چنانچه ساختمان یا سازه‌ای در مجاورت یا بر روی شیب قرار گیرد بررسی ناپایداری استاتیکی و لرزه‌ای شیب باید انجام گیرد. در خصوص ساختمانهای با اهمیت کم و متوسط توصیه می‌شود از روش شبه استاتیکی برای کنترل پایداری لرزه‌ای شیبها استفاده شود. در روش شبه استاتیکی نیروهای افقی و قائم وارده بر شیب برآورد شده و به همراه نیروهای استاتیکی ثقلی و نیروهای مقاوم وارده بر شیب برای محاسبه ضریب اطمینان پایداری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در خصوص سازه‌های با اهمیت بالا و همچنین در صورت نیاز به محاسبه تغییر شکلهای لرزه‌ای خصوصاً باید از تحلیل‌های تنش- تغییر شکل مناسب استفاده می‌شود. برای محاسبه نیروهای شبه استاتیکی می‌توان از روابط ۷-۷-۲ و ۷-۷-۳ استفاده کرد :

در صورتی که شتاب قائم زلزله معلوم نباشد برای تخمین نیروی شبه استاتیکی قائم برای زلزله‌های میدان دور می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

مقدار k_h باید معرف شتاب متوسط وارده بر شیب باشد و معمولاً تابعی از ارتفاع و انعطاف پذیری شیب است. این ضریب معمولاً باید با ضریب اطمینان قابل پذیرش FS_a متناسب باشد. هر دو مقدار مذکور باید به گونه‌ای تعیین شوند که میزان جابجایی دائمی مجاز برای شیب (برای آسیب ندیدن سازه رویی) به حداکثر ۵۰ میلی متر محدود شود. بدیهی است محاسبه دقیق میزان جابجایی لرزه‌ای خصوصاً برای ساختمان‌های با اهمیت بالا از تحلیل‌های تنش – تغییر شکل بدست می‌آید. برای ساختمانهای متعارف و شیروانی‌های تا ارتفاع ۳۰ متر مقدار K_h=0.5A و Fs=1.1 در نظر گرفته شود. A نسبت شتاب مبنای طرح بر اساس استاندارد ۲۸۰۰ است.

5-7-7 مخاطره گسلش سطحی

منظور از گسلش سطحی جابجایی بزرگ برشی است که با انتشار گسیختگی ناشی از جابجایی گسل در لایه‌های رسوبی سطحی ایجاد شده و به سطح زمین رسیده و سازه‌های رویی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. ضروری است که امکان ایجاد گسلش سطحی در موقعیت ساختگاه پروژه با استفاده از نقشه معتبر محدوده گسلش سطحی گسل‌ها (در صورت وجود) یا با مطالعه توسط کارشناس مجرب مشخص گردد. و مناسبترین راهکار برای کاهش خسارات و خطرات گسلش سطحی استفاده از کاربری مناسب در محدوده ناحیه گسیختگی است. این محدوده را می‌توان تا ۲۰ متر از طرفین خط اصلی گسلش سطحی در نظر گرفت. داخل این محدوده باید از کاربری‌هایی که حداقل ساخت و ساز در آن انجام می‌گیرد استفاده شود.