مشخصات حرکات زمین درحین وقوع زلزله

زلزله یک حرکت طبیعی زمین است که به وسیله عوامل متفاوتی از جمله:  گسترش حرکات تکتونیک، ولکانیسم، زمین‌لغزش، سنگ‌ریزش و انفجارات، بوجود می‌آید. گسترش حرکات تکتونیک همواره در حال ایجاد کوه‌ها و دره‌های اقیانوسی در سطح زمین شده و زلزله را بوجود می‌آورد.

حرکات زمین در حین زلزله و در محل مشخص به وسیله تاریخچه زمانی یا لرزه‌گراف و به صورت شتاب، سرعت و جابجایی مشخص می‌گردد. نمودارهای تاریخچه زمانی شامل اطلاعات کاملی در خصوص حرکات زمین در سه جهت عمود بر هم (دو افقی و یک قائم) و در یک محل مشخص می‌باشد. این نمودارها حرکات شدید زمین را ثبت می‌کنند. در ابتدا به وسیله این شتاب‌نگاشت‌ها، شتاب زمین ثبت گردیده و دو نمودار سرعت و جابجایی به وسیله حل انتگرال عددی از نمودار شتاب، استخراج می‌گردند. رکوردهای شتاب در محل‌هایی که دارای فواصل یکسان از کانون زلزله می‌باشند ممکن است در زمان تحریکات، محتوای فرکانسی و بزرگی متفاوت باشند که این موضوع به دلیل شرایط متفاوت خاک محلی است. شکل1 نشان‌دهنده دو رکورد شتاب مختلف در دو زلزله اخیر می‌باشد.

از دید یک مهندس سازه مهمترین مشخصه زلزله، حداکثر شتاب زمین (PGA)، مدت زمان تحریکات و محتوای فرکانسی می‌باشد. PGA حداکثر شتاب و معرف شدت حرکات زمین می‌باشد. اگرچه سرعت زمین ممکن است مقدار مهمتری از شدت در قیاس با شتاب باشد، اما این مقدار مستقیماٌ اندازه‌گیری نشده و با محاسبات تکمیلی مشخص می‌گردد[1] . زمان وقوع زلزله، طول زمان بین اولین و آخرین پیک گذرنده از سطح حرکات شدید می‌باشد.

با افزایش زمان وقوع زلزله انرژی داده شده به سازه نیز افزایش می‌یابد. انرژی کرنشی الاستیکی که به وسیله سازه جذب می‌گردد محدود بوده و در زلزله‌های قوی جذب انرژی درمحدوده غیر الاستیک سازه صورت می‌گیرد. محتوای فرکانسی به وسیله تعداد صفرهای مشخص شده شتابنگاشت در یک ثانیه مشخص می‌گردد. مشخص گردیده که وقتی نیروی منظم ارتعاشی دارای فرکانسی برابر با فرکانس ارتعاش طبیعی سازه باشد (تشدید)، ارتعاشات سازه دارای مقدار بیشتری بوده و اثرات میرایی به حداقل می‌رسد.

اگر چه زلزله‌ها دارای حرکات موجی منظم مانند سینوسی نیستند اما عموماٌ دارای پریود پاسخ غالبی می‌باشند.اگرچـه غیـرممکن اسـت کـه حرکات دقیـق زمیـن جهـت همه ساختگاه‌ها مشخص گردد ولی حرکـات زمیـن و سنگ بستر در یک گسـل و انتشـار در سطح زمین به وسیله برنامه‌های کامپیوتری می‌تواند مشخصات خاک محلی را مشخص کند. دو توصیه که اخیراٌ به وسیله اداره حمل و نقل کالیفرنیا منتشر شده است متدهایی جهت حرکات لرزه‌ای زمین برای پل‌ها را معرفی می‌کند.

متدهای تحلیل دینامیکی برای طراحی لرزه‌ای پل‌ها

بسته به محل ساختگاه، هندسه و درجه اهمیت پل متدهای تحلیلی ذیل ممکن است جهت طراحی لرزه‌ای پل استفاده گردند:

-          متد تک مدی (طیف تک مدی و تحلیل بار یکنواخت) بیانگر این است که بار لرزه‌ای به مانند یک بار استاتیکی افقی معادل به یک قاب منفرد در جهات طولی یا جانبی اعمال می‌گردد. بار استاتیکی معادل بستگی به زمان تناوب طبیعی سازه یک درجه آزادی (SDOF) و طیف بازتاب مشخص آیین‌نامه مورد استفاده دارد. مهندس می‌بایست بداند که متد تک‌مدی (گاهی به عنوان تحلیل استاتیکی معادل معرفی می‌گردد) جهت سازه‌هایی استفاده می‌گردد که دارای دهانه‌های تقریباٌ معادل و نیز سختی توزیع شده متوازن باشد.

-          تحلیل طیفی چندمدی بیانگر اینست که نیرو، لنگر و جابجایی اعضاء در بارهای لرزه‌ای می‌تواند به وسیله ترکیب پاسخ مدهای منفرد تخمین زده شده که این ترکیب به وسیله متدهای مختلفی از جمله ترکیب مربعی کامل (CQC) یا جمع مجذور مربعات ((SRSS می‌باشد.  متد  CQC جهت همه سیستم‌های پل می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد و متد SRSS جهت سازه‌هایی مناسب می‌باشد که دارای مدهای نسبتاٌ جداگانه و مستقل باشد.

-          تحلیل طیف بازتاب چند تکیه‌گاهی (MSRS): بیانگر طیف بازتاب و حداکثر جابجایی در هر درجه آزادی منفرد تکیه‌گاهی به وسیله محاسبات دقیق سه‌بعدی تغییرات حرکت زمین از جمله اثرات مستقل بودن گذر موج و دیگر پاسخ‌های سه‌بعدی وابسته به شرایط ساختگاه می‌باشد. این متد می‌تواند برای سازه‌های طویل چند تکیه‌گاهی بکار رود [7].

-          تحلیل تاریخچه زمانی در بازه انتگرال‌گیری عددی گام‌به‌گام از معادلات حرکت: این متد جهت پل‌های مهم/ بحرانی یا دارای هندسه پیچیده مورد نیاز است. تحلیل غیرخطی مقادیر واقع‌بینانه‌تری از رفتار سازه را در قیاس با تحلیل الاستیک، مشخص می‌کند.

انتخـاب نـوع تحلیـل سـازه پـل مشخصی نباید تنها بـر پایـه تحلیـل عملکردی سازه باشد بلکه می‌بایست براساس تصمیم‌های موثر طراحی باشد.