در این مقاله به بررسی کارهای صورت گرفته در حیطه‌ی اثر زلزله‌های حوزه‌ی نزدیک گسل و مقایسه‌ی اثرات آن با اثر زلزله‌های حوزه‌ی دور از گسل بر روی سازه‌های مختلف مقاوم‌سازی شده پرداخته می‌شود. با توجه به نتایج موجود، تحلیل دینامیک فزآینده با استفاده از محاسبات آماری و ترسیم منحنی‌های شکنندگی در بیش‌بینی خرابی انجام می‌شود. در واقع شتاب نگاشت‌های مختلفی در حوزه‌ی نزدیک و دور از گسل انتخاب و در تحلیل دینامیک فزآینده از آن‌ها استفاده شده است. در نهایت با ترسیم منحنی‌های تحلیل دینامیک فزاینده و منحنی‌های شکنندگی می‌توان مشاهده کرد که احتمال فروپاشی دیوار برشی در زلزله‌های حوزهی نزدیک بسیار بیش‌تر از احتمال فروپاشی سازه در زلزله‌های حوزه‌ی دور می‌باشد. به گونه‌ای که این احتمال در برخی موارد به چندین برابر می‌رسد و نشان از این دارد که در تحلیل و طراحی سازه‌ها، بررسی مقاومت سازه در برابر زلزله‌های حوزه نزدیک از اهمیت بسزایی برخوردار است و می‌بایست در آیین‌نامه‌های تحلیل و طراحی سازه‌ها در برابر لرزه نیز بدین امر مهم پرداخته شود.

منحنی شکنندگی ، تحلیل دینامیک فزاینده ، زلزله های حوزه ی نزدیک گسل ، زلزله های حوزه ی دور از گسل

1. مقدمه

در سال‌های اخیر چالش‌های زیادی در طراحی سازه در برابر بارهای ناشی از زلزله ایجاد شده است که دیوارهای برشی تقویت شده توسط صفحات اف آر پی از آن جمله از سازه‌ها می‌باشند که پیش‌بینی رفتار آن‌ها در مقابل زلزله بسیار حائز اهمیت است. اگرچه آیین‌نامه‌های طراحی معمول، تحلیل استاتیکی خطی را برای پیش‌گویی پاسخ سازه و برآورد تقاضای لرزه‌ای کافی می‌دانند، اما این در حالی است که بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد پایداری یا ناپایداری صرفاً تابع مقاومت سازه نیست و بستگی زیادی به توانایی سازه برای تأمین شکل‌پذیری کافی دارد و رفتار سازه‌ها تحت زلزله طرح غیرخطی می‌باشد، از این رو تحلیل‌های خطی، غیردقیق و ناکافی به نظر می‌رسند. در نتیجه در آیین‌نامه‌های جدید به جای معیار مقاومت از معیار رفتار استفاده می‌شود. استفاده از معیار رفتار به این مفهوم است که در یک ساختمان علاوه بر مقدار مقاومت، نحوه توزیع مقاومت در اجزای سازه مهم می‌باشد، این شیوه طراحی بر اساس رفتار سازه، طراحی بر اساس عملکرد نامیده می‌شود. در سطوح عملکردی سطح پایین، ایمنی جانی و آستانه فروریزش، سازه وارد مرحله غیرخطی می‌شود و آسیب‌پذیری توسط ظرفیت تغییر شکل غیرالاستیک المان‌های سازه‌ای کنترل می‌شود. از آنجا که فقط یک تحلیل دینامیکی غیرخطی می‌تواند بیانگر رفتار صحیح و واقعی سازه‌ها به هنگام وقوع زلزله باشد، در سال‌های اخیر با پیشرفت‌های گسترده در زمینه علوم کامپیوتری امکان رشد گسترده‌ای در تحلیل‌های غیرخطی سازه‌ها فراهم شده است. در تحلیل دینامیکی غیرخطی، تغییرشکل و نیروهای داخلی و به طور کلی پاسخ سازه با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی مصالح و رفتار غیرخطی هندسی سازه تحت شتاب‌نگاشتی مشخص محاسبه می‌شود. در این روش فرض بر آن است که ماتریس سختی و میرایی از یک گام به گام بعدی می‌تواند تغییر کند اما فواصل هر گام زمانی ثابت است و پاسخ مدل تحت شتاب زلزله به روش‌های عددی و برای هر گام زمانی محاسبه می‌شود. در روش تحلیل دینامیکی غیرخطی فزآینده (IDA) از مفهوم مقیاس کردن رکوردهای حرکت زمین استفاده می‌شود که در آن چند شتاب‌نگاشت به سطوح مختلف مقیاس می‌شوند و مدل سازهای تحت این چند شتاب‎نگاشت قرار می‌گیرد. تحلیل‌های مورد نظر را به روشی توسعه می‌دهیم که بتوان به‌دقت، کل محدوده رفتاری سازه از الاستیک تا ویرانی را پوشش دهد. در انجام تحلیل IDA از دو کمیت اساسی تحت عنوان اندازه شدت (IM) و اندازه خسارت (DM) استفاده می‌گردد. کمیت‌های مختلفی نظیر بیشینه شتاب زمین‌لرزه PGA، بیشینه سرعت زمین لرزه PGV، شتاب طیفی متناظر برای مود اول SA(T1) برای بیان شدت زلزله‌های انتخابی پیشنهاد شده است. اندازه خسارت در واقع یک کمیت قابل مشاهده است که از نتایج تحلیل دینامیکی غیرخطی به دست می‌آید. این کمیت می‌تواند بیشینه جابجایی نسبی بام، بیشینه جابجایی نسبی بین طبقه‌ای، بیشینه برش پایه، بیشینه چرخش مفاصل پلاستیک و... بیان گردد. انتخاب یک کمیت مناسب برای اندازه خسارت DM با توجه به نوع کاربرد مسئله و سازه مورد نظر تعیین می‌گردد. هدف از انجام تحلیل IDA ترسیم مقادیر مربوط به اندازه خسارت سازه‌ای DM در هر سطح (هر مرحله از تحلیل) در برابر اندازه شدت زلزله‌های مقیاس شده IM می‌باشد. پس از انجام تحلیل دینامیکی غیرخطی پاسخ ماکزیمم مورد نظر در برابر پارامتر شدت زلزله ترسیم می‌شود. در حالت کلی این منحنی‌ها در فضای دو متغیر IM و DM رسم می‌شوند و در نهایت با تعریف حالت حدی بر اساس آیین‌نامه‌های موجود و با استفاده از منحنی‌های حاصل از تحلیل دینامیکی غیرخطی افزایشی به ارزیابی سازه‌ها پرداخته می‌شود.

با اعمال رکوردهای زلزله به سازه، تحلیل دینامیکی غیرخطی افزایشی انجام شده و منحنی‌های IDA مربوط به هر سازه ترسیم می‌گردد. پس از خلاصه‌سازی منحنی‌های فوق سطوح عملکرد بر اساس آیین‌نامه (فِما) تعیین می‌شوند و ضرایب و سطوح اطمینان سازه برای سطوح مختلف عملکردی تعیین می‌گردند در نهایت منحنی‌های شکنندگی دیوار برشی تقویت شده با صفحات اف ار پی ترسیم شده و با استفاده از منحنی‌های مذکور احتمال تجاوز سالیانه سازه از سطوح عملکردی مورد نظر محاسبه خواهد گردید.

روش تحلیل دینامیکی فزاینده در سال ۱۹۷۷ برای اولین بار توسط بِرترو [۱] پیشنهاد گردید و سپس شیوه‌های مختلفی توسط محققان مورد استفاده قرار گرفته است. در دهه اخیر این روش توسط آژانس مدیریت بحران فدرال آمریکا فِما [2] پذیرفته شده و در راهنماهای فِما 350 و فِما 35۱ برای تعیین ظرفیت فروریزش کلی سازه مورد توجه قرار گرفته و توسط پژوهشگران دیگری نظیر کرنل [4 ،3] و شومه [5] و همچنین وامواتسیکوس [4] و بسیاری از محققین برجسته دیگر مورد بررسی قرار گرفته است.

در مطالعات صورت پذیرفته در بخش دیوار برشی بتنی تقویت شده با اف ار پی می‌توان به مطالعات خیرالدین و نادر پور [6] اشاره نمود که در سال 2005 صورت پذیرفته است که در این پژوهش به بررسی دینامیکی دیوار برشی و تأثیر صفحات اف ار پی و مقایسه رفتار آنها نیز پرداخته شده است. همچنین می‌توان به مطالعات ناصر شابختی و محمدامین بیاری [7] در سال ۱3۹۱ اشاره نمود که در مقاله‌ای با عنوان "بررسی آسیب‌پذیری لرزه‌ای سیستم دوگانه قاب خمشی فولادی و دیوار برشی با توسعه منحنی‌های شکنندگی" به مطالعه‌ی دیوار برشی با استفاده از منحنی‌های شکنندگی پرداخته‌اند و احتمال فرا گذشت از سطوح خرابی را مورد بررسی قرار داده‌اند. و همچنین می‌توان به کتاب علی خیرالدین با عنوان آنالیز و طراحی دیوارهای برشی در دانشگاه سمنان و سایر همکاران اشاره کرد [8].

همچنین در سال 200۷ پری و همکاران آزمایشی روی قسمتی از دیوار هسته‌ی یک ساختمان بلند مرتبه انجام داده‌اند که هدف از این آزمایش بررسی اثر ترک‌خوردگی روی دیوار بوده و برای صحت‌سنجی دیگر پژوهش‌ها مورد بررسی قرار گرفته است.

این محققین به تحلیل دینامیکی غیرخطی فزاینده در تخمین عملکرد لرزه‌ای سازه‌های بتنی و فولادی تحت بارهای لرزه‌ای پرداخته‌اند. در این پژوهش‌ها روش تحلیل دینامیکی فزاینده ابزاری انعطاف‌پذیر در مهندسی زلزله که هم زمان قابلیت تخمین نیاز و ظرفیت لرزه را دارد، معرفی شده است. همچنین در این پژوهش‌ها به اصول و مفاهیم پایه روش IDA و روش‌های خلاصه‌سازی منحنی‌های IDA تعیین سطوح عملکرد و بحث‌های احتمالاتی مربوط به مقادیر میانگین سالانه تجاوز، با استفاده از حالات حدی و تخمین منحنی‌های IDA توجه ویژه‌ای شده است.

2. استفاده از روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوش‌آور)

روش‌های تحلیلی که در طراحی بر اساس عملکرد و بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها مطرح می‌شوند، عمدتاً بر مبنای آنالیز استاتیکی غیرخطی می‌باشند. دلیل استفاده از این نوع آنالیز، سرعت بالای انجام آن، سادگی تفسیر نتایج و دقت قابل قبول آن می‌باشد. این در حالی است که تحلیل‌های پیچیده به جز در موارد خیلی خاص و یا با فرض وجود اطلاعات کافی برای نشان دادن رفتار صحیح سیکلی بار، تغییرشکل اعضای سازه‌ای از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر نمی‌باشد. یکی از مهمترین نتایج این تحلیل تعیین نمودار بار- تغییرمکان یا منحنی ظرفیت است که با مشخص کردن نیروی برش پایه و تغییرمکان جانبی بالاترین سطح سازه (بام) در هر گام و رسم این دو پارامتر در مقابل هم به دست می‌آید که به منحنی پوش‌آور معروف می‌باشد.

شکل (1): منحنی پوش‌آور [5]

در اغلب پژوهش‌های به انجام رسیده، به منظور تخمین دقت نتایج حاصل از تحلیفل استاتیکی غیرخطی، از تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی استفاده شده است. در این پژوهش‌ها تحلیل استاتیکی غیرخطی فقط بر مبنای مود اول نوسان سازه می‌باشد. این موضوع موجب کاهش دقت نتایج به دست آمده از تحلیل استاتیکی غیرخطی، به‌ویژه برای سازه‌های بلند که اثرات مودهای بالاتر حائز اهمیت است، می‌شود. همچنین در سیستم‌های سه‌بعدی بحث اثر مدهای بالاتر و به ویژه مسئله پیچش یکی از چالش‌های این روش می‌باشد. با توجه به ماهیت دینامیکی نیروهای ناشی از زمین‌لرزه که به صورت مشخص در قالب یک تابع ریاضی قابل بیان نیستند، روش‌های متعدد تحلیل عددی دینامیکی سازه‌ها توسعه یافت. از آنجا که سازه‌ها حتی در زلزله‌های با شدت متوسط وارد مرحله غیرخطی می‌شوند، باید در تحلیل آنها رفتار غیرخطی مصالح و رفتار غیرخطی هندسی سازه در نظر گرفته شود. در تحلیل‌های دینامیکی نیز دو روش موجود می‌باشد:

1. تحلیل دینامیکی خطی
2. تحلیل دینامیکی غیرخطی

تحلیل دینامیکی خطی می‌تواند به دو روش طیفی یا تاریخچه زمانی انجام شود. فرضیات خاص این روش در محدوده رفتار خطی عبارتاند از:

1. رفتار سازه را می‌توان به صورت ترکیبی خطی از حالت‌های مودهای ارتعاشی مختلف سازه که مستقل از یکدیگرند محاسبه نمود.
2. زمان تناوب ارتعاشات سازه در هر مود در طول زلزله ثابت است.

در این روش، مشابه روش تحلیل استاتیکی خطی، پاسخ سازه در زلزله سطح خطر مورد نظر در ضرایبی مطابق آیین‌نامه ضرب می‌شود تا حداکثر تغییرشکل سازه با آنچه در زلزله پیش‌بینی می‌شود مطابقت داشته باشد. به همین علت نیروهای داخلی در سازه‌های شکل‌پذیر که در هنگام زلزله رفتار غیرخطی خواهند داشت، بزرگتر از نیروهای قابل تحمل در سازه برآورد می‌شوند.

در تحلیل دینامیکی غیرخطی سازه‌ها، تغییرشکل‌ها، نیروهای داخلی و به طور کلی پاسخ سازه تحت اثر یک یا چند شتاب‌نگاشت مشخص محاسبه می‌شود. همچنین در این تحلیل پاسخ سازه با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی مصالح و رفتار غیرخطی هندسی سازه محاسبه می‌شود. در این روش فرض بر آن است که ماتریس‌های سختی و میرایی می‌توانند از یک گام به گام بعدی تغییر کنند، اما فواصل زمانی گام‌ها ثابت است و پاسخ سازه تحت شتاب در نظر گرفته شده و برای هر گام زمانی با استفاده از روش‌های عددی قابل محاسبه است.

به منظور ارزیابی عملکرد سازه باید مشخصات شتاب‌نگاشت مورد نظر برای تحلیل دینامیکی به نحو مناسبی بیان گردد. نحوه بیان و استفاده از مشخصات یک زلزله به روشی که برای طراحی بر اساس عملکرد بکار گرفته می‌شود، بستگی دارد. معمولاً مشخصات زلزله به دو شکل بیان می‌شوند، یکی با استفاده از طیف طرح و دیگری با استفاده از شتاب‌نگاشت‌های مقیاس شده متناسب با سطح خطر مورد نظر [5].

3. سطوح عملکرد کل ساختمان

سطح عملکرد کل ساختمان برحسب سطح عملکرد اجزای سازه‌ای و غیرسازه‌ای آن تعریف می‌شود، سطوح مختلف عملکرد ساختمان که در بهسازی مبنا، مطلوب و ویژه به کار می‌روند عبارت‌اند از:

الف) سطح عملکرد خدمت‌رسانی بی‌وقفه (A-1)

ساختمانی دارای این سطح عملکرد است که اجزای سازه‌ای آن دارای عملکرد 1 (قابلیت استفاده بی‌وقفه) و اجزای غیرسازه‌ای آن دارای سطح عملکرد A باشد.

ب) سطح عملکرد قابلیت استفاده بی‌وقفه (B-1)

ساختمانی دارای این سطح عملکرد است که اجزای سازه‌ای آن دارای عملکرد 2 (قابلیت استفاده بی‌وقفه) و اجزای غیرسازه‌ای آن دارای سطح عملکرد B (قابلیت استفاده بی‌وقفه) باشد.

پ) سطح عملکرد ایمنی جانی (C-3)

ساختمانی دارای این سطح عملکرد است که اجزای سازه‌ای آن دارای عملکرد 3 (ایمنی جانبی) و اجزای غیرسازه‌ای آن دارای سطح عملکرد C (ایمنی جانبی) باشند.

ت) سطح عملکرد آستانه فروریزش (E-5)

ساختمانی دارای این سطح عملکرد است که اجزای سازه‌ای آن دارای عملکرد 5 (آستانه فروریزش) باشد. در این حالت محدودیتی برای سطح عملکرد اجزای غیرسازه‌ای وجود ندارد (سطح عملکرد لحاظ نشده E) [2].

4. صحت‌سنجی مدل‌سازی دیوار برشی در نرم‌افزار آباکوس

در این بخش ابتدا به منظور حصول اطمینان نسبت به مدل‌سازی مناسب در نرم‌افزار آباکوس به مدل‌سازی و ثبت و بررسی نتایج دیوار برشی انجام شده توسط پری و همکاران که در سال 200۷ به صورت آزمایشگاهی انجام شده است پرداخته خواهد شد. در این مدل خواص بتن و فولاد به ترتیب در جداول (۱) و (2) و مقطع دیوار در شکل (2) نشان داده شده است.

جدول (1): خواص بتن دیوار برشی پری [9]

	کرنش بتن در تنش فشاری حداکثر	مقاومت نمونه استوانه ای (مگاپاسکال) در زمان ساخت نمونه
دیوار برشی	0/0022	49

جدول (2): خواص فولاد مصرفی در دیوار برشی پری [9]

تقویت	مقاومت کششی نهایی فولاد (مگاپاسکال)	مقاومت تسلیم فولاد (مگاپاسکال)
تقویت طولی	650	455

شکل (2): مقطع دیوار برشی پری [9]

5. آنالیز پوش‌آور دیوار برشی پری

آنالیز انجام شده توسط پری و همکاران یک آنالیز پوش‌آور در مدل آزمایشگاهی است که این آزمایش در مورد دیوار برشی ساختمانی نسبتاً بلند می‌باشد و با استفاده از نرم‌افزار آباکوس مدل‌سازی مذکور انجام پذیرفته که پاسخ پوش‌آور سازه‌ی ذکر شده با فرض بار- جابجایی در بالاترین تراز دیوار برشی نیز به دست آمده است. در شکل (3) الگوی ترک‌خوردگی ارائه شده توسط پری و همکاران و در شکل (4) الگوی ترک‌خوردگی در مدل المان محدود نیز ارائه شده است. همان طور که مشاهده می‌شود الگوی ترک‌خوردگی نسبتاً مشابهی در دو مدل آزمایشگاهی و مدل المان محدود به دست آمده است.

همان طور که در شکل (3) مشاهده می‌شود ترک‌های ناشی از بارگذاری در ناحیه‌ی پایین دیوار نشان داده شده است که با استفاده از مدل‌سازی المان محدود ترک‌های مذکور هم مشابه آن به دست آمده است که در شکل (4) نشان داده شده است.

شکل (3): الگوی ترک‌خوردگی دیوار پری [9]

شکل (4): ترک‌های ایجاد شده در مدل المان محدود دیوار پری

تحلیل پوش‌آور بر روی دیوار پری و همکاران در مدل آزمایشگاهی صورت پذیرفته است که نمودار پوش‌آور آن در شکل (5) نمایش داده شده است.

شکل (5): نمودار پوش‌آور دیوار پری در مدل آزمایشگاهی [9]

پس از مدل‌سازی المان محدود مدل دیوار برشی در نرم‌افزار آباکوس و بر اساس خصوصیات ذکر شده در خواص مواد و سطح مقطع دیوار، بارگذاری انتقالی در بالاترین تراز دیوار برشی بر روی دیوار صورت پذیرفته است با محاسبه‌ی نیروی عکس‌العمل در محل اعمال بارگذاری نمودار بار- جابجایی به دست آمده است. در شکل (6) مدل المان محدود دیوار مذکور و نحوه‌ی میلگردگذاری در مدل نمایش داده شده است و همچنین در شکل (7) نمودار پوش‌آور در مدل عددی و مدل آزمایشگاهی نیز با هم مقایسه شده‌اند. همان طور که مشاهده می‌شود تطابق نسبتاً مناسبی بین دو نمودار وجود دارد.

شکل (6) مش‌بندی مدل المان محدود و نحوه‌ی میلگردگذاری دیوار برشی پری

شکل (7): مقایسه نمودار پوش‌آور حاصل از تحلیل المان محدود و مدل آزمایشگاه

6. منحنی‌های آنالیز دینامیکی غیرخطی

این روش در سال ۱۹۷۷ برای اولین بار توسط بِرترو پیشنهاد گردید و سپس شیوه‌های مختلفی توسط محققان مورد استفاده قرارگرفته است. در دهه اخیر این روش توسط آژانس مدیریت بحران فدرال آمریکا فِما پذیرفته شده و در راهنماهای فِما 350 و فِما 35۱ برای تعیین ظرفیت فروریزش کلی سازه مورد توجه قرار گرفته است [1-10].

منحنی‌های آنالیز دینامیکی غیرخطی فزاینده شامل تعدادی منحنی IDA هستند که هر یک از آنها با استفاده از چندین آنالیز دینامیکی غیرخطی بر روی نگاشتی که روی چندین سطح شدت مقیاس شده است، به دست می‌آیند [5].

7. مطالعه یک IDA تک‌نگاشت

این منحنی شامل یک سری آنالیز دینامیکی غیرخطی است که بر روی مدل سازه‌ای با در نظر گرفتن یک شتاب‌نگاشت منفرد به وجود می‌آید. این شتاب‌نگاشت به وسیله ضریب مقیاس به سطوح شدت مختلف مقیاس شده است. قابل ذکر است که این تحلیل‌ها با توجه به در نظر گرفتن IM مناسب که محدوده کاملی از رفتار سازه از الاستیک تا غیرخطی و در نهایت فروریزش را نشان می‌دهد، انجام می‌شوند. هدف به دست آوردن خرابی‌ها یا DM‌ های مدل سازه‌ای در هر سطحی از IM است. انجام آنالیزها با افزایش گام به گام IM ها تا زمان وقوع اولین عدم هم‌گرایی ادامه می‌یابد و با ترسیم مقادیر IM و DM در یک دستگاه منحنی پیوسته IDA حاصل می‌شود.

در شکل (8) نمونه‌ای از منحنی‌های فوق برای یک سازه 5 طبقه مهاربندی شده تحت 4 شتاب‌نگاشت را نشان می‌دهد و ترتیب پاسخ‌ها را از تنزل آهسته به سمت خرابی با یک رفتار سریع غیریکنواخت و پیچ و تابی و با حرکت روبه جلو و عقب نشان می‌دهد.

شکل (8): نمونه‌هایی از منحنی‌های IDA [3-5]

هر نموداری نیازهای تحلیل شده بر ساختمان را در هر حرکت زمین در شدت‌های مختلف تشریح می‌کند که از نظر شباهت و تضاد کاملاً غیرقابل پیش‌بینی می‌باشند. تمام منحنی‌ها یک ناحیه خطی الاستیک مجزایی را ارائه می‌کنند که در پایان می‌یابد و این پایان یافتن زمانی است که اولین کمانش بادبند اتفاق می‌افتد. در حقیقت هر مدل سازه‌ای با عناصر ارتجاعی خطی اولیه، چنین رفتاری را نشان می‌دهد و زمانی پایان می‌یابند که اولین رفتار غیرخطی بودن ایجاد شود. به عبارت دیگر، زمانی که هر المانی به انتهای ارتجاعیت برسد، این اتفاق رخ می‌دهد. شیب DM/IM این قطعه در هر منحنی IDA، سختی الاستیک برای هر IM یا DM نامیده می‌شود. این عامل به صورت متداول تا حدودی از یک رکورد تا رکورد دیگر متفاوت است [5-3].

منحنی (a) بعد از اولین کمانش، به سرعت خوابیده شده و به سمت دریفت‌های بزرگ و سپس خرابی می‌رود. الگوهای تابیدگی که این نمودارها نشان می‌دهند، بخش‌های متوالی از نرم‌شدگی و سخت‌شدگی هستند که در این نواحی شیب موضعی یا سختی در مقادیر بالاتر IM کاهش می‌یابد و در دیگر مناطق افزایش می‌یابد. در اصطلاحات مهندسی، این واژه‌ها به این معناست که بعضی اوقات ساختمان افزایش شتاب را در میزان تراکم DM تجربه کند و بعضی اوقات یک کاهش اتفاق می‌افتد که می‌تواند آنقدر قوی شود که تراکم DM را متوقف کرده و یا حتی آن را وارونه می‌کند. از این رو منحنی IDA را به سمت کاهش نسبی در DM کشانده و آن را تبدیل به یک تابع غیریکنواخت IM می‌کند شکل (9). نهایتاً اینکه با فرض اینکه مدل برای چند مکانیسم خرابی ممکن می‌شود، یک قطعه نرم‌شدگی نهایی زمانی اتفاق می‌افتد که این ساختار DM را، با سرعت زیاد متراکم سازد و شروع ناپایداری دینامیکی را هشدار می‌دهد. این مطلب به صورت مشابهی در عدم پایداری استاتیکی هم تعریف می‌شود، به صورتی که نقاط، دارای افزایش تغییر شکل نامحدود برای افزایش کوچکی در IM هستند. پس این منحنی دریک فلات دارای مقادیر بیشینه در IM، به صورت خط صاف درآمده و DM به سمت بی‌نهایت حرکت می‌کند شکل (10-1).

سخت‌شدگی در منحنی‌های IDA یک مشاهده جدید نیست و قبل از این برای سیستم‌های دوخطی الاستوپلاستیک، مثل مورد بیان شده توسط چوپرا گزارش شده است. این مطلب هنوز به صورت ابتدائی باقی مانده است که سیستمی که در یک سطح داده شده دچار تخریب زیاد شده است، ممکن است پاسخ کمتر و یا مساوی با شرایط دارای شدت بیشتر بدهد، که این امر به خاطر سخت‌شدگی بیش از اندازه است. وقتی شتاب‌نگاشت رو به بالا مقیاس شود، چرخه پاسخ‌های ضعیف در بخش اولیه از پاسخ تاریخچه‌ی زمانی، به اندازه‌ای قوی می‌شود که تسلیم را تحمیل می‌کند. از این رو ویژگی‌های سازه را در چرخه‌های قوی‌تری بعدی دچار تغییر می‌کند. در ساختمان‌های چند طبقه، حرکت شدیدتر زمین ممکن است منجر به ایجاد تسلیم زودتر در طبقه‌ای شود که به عنوان یک فیوز به طبقات بالاتر کمک می‌کند. حتی زمانی که نوسانگرهای کوچک باعث ایجاد تسلیم در چرخه اولی شوند، ممکن است واکنش‌پذیری کمتری درچرخه‌های بعدی داشته باشد که قبلاً مخرب‌تر بودند شکل (10-2) [5].

شکل (9): نمونه‌ای از نمودار تحلیل دینامیکی افزایشی تحت زمین‌لرزه لوما پریتا [5-3]

شکل (10): نمونه‌ای از نمودارهای تحلیل دینامیکی فزاینده، برای سازه مهاربندی شده 5 طبقه تحت 30 نگاشت [5-3]

شکل (10) نمونه‌ای از این نمودارها، برای سازه مهاربندی شده 5 طبقه تحت 30 نگاشت را نشان می‌دهد.

8. برخی خواص منحنی‌های IDA

همان طور که در شکل‌های فوق نشان داده شده است، هر مدل سازه‌ای رفتار متفاوتی را در برابر شتاب‌نگاشت مختلف از خود نشان می‌دهد. به طور خلاصه و در ادامه توضیحات قبل، به عنوان مثال در منحنی (a) شکل (9) سازه حالت نرم‌شدگی سریع داشته و در منحنی (c) همان سازه رفتار شونده از خود نشان می‌دهد. این تفاوت رفتاری به علت وجود اختلاف در ویژگی شتاب‌نگاشت‌ها می‌باشد. ناحیه الاستیک در تمامی منحنی‌های شکل (10) غیریکسان می‌باشد، که بستگی به زمان کمانش اولین عضو بادبندی دارد. در تمامی مدل‌های سازه‌ای، زمانی که اولین عضو به جاری شدن رسیده و وارد مرحله غیرخطی می‌شود، منحنی IDA از حالت الاستیک خارج می‌شود با دقت در منحنی‌های شکل (9) می‌توان مشاهده کرد که در یک DM مشخص، هر یک از منحنی‌ها در یک IM، متفاوت از سایر منحنی‌ها قطع می‌شود. به طور مثال منحنی (a) پس از وقوع اولین کمانش سریعاً نرم می‌شود، ولی منحنی‌های (c) و (d) حول یک خط با شیبی برابر با شیب الاستیک نوسان می‌کنند. دلیل رفتار موجی شکل در این منحنی‌ها نرم‌شوندگی و سخت‌شوندگی‌های متوالی است که به وسیله کاهش یا افزایش سختی در IM های متفاوت ایجاد می‌گردند. این گونه رفتارها در سازه بیش از آنکه به اندازه شدت حرکت زمین بستگی داشته باشد، به الگوی بار و تغییرات آن نسبت به زمان وابسته است. بخش نرم‌شدگی نهایی زمانی اتفاق می‌افتد که انباشتگی خسارت در سازه به مقدار قابل توجهی افزایش یابد. نقطه شروع نرم‌شدگی، یعنی زمانی که با افزایش بسیار اندک شدت (IM) خسارت به شدت افزایش می‌یابد، آغاز ناپایداری دینامیکی سازه می‌باشد [5-3].

9. ظرفیت و سطوح عملکرد در آنالیز دینامیکی فزاینده

با توجه به اهمیت سطوح عملکرد در ارزیابی عملکردی سازه‌ها و اطلاعات مورد نیاز برای این ارزیابی که توسط منحنی‌های حاصل از آنالیز دینامیکی فزاینده به دست می‌آید، نیازی به راهی کوتاه و ساده جهت قضاوت در مورد عملکرد سازه در این روش وجود دارد. بنابراین باید ملاحظات و محدوده خاص معرفی شوند تا با رسیدن به منحنی به آنها، بتوان عملکرد سازه را تعیین کرد. این محدوده‌ها و مقادیر متناظر آنها که می‌توانند از تجارب آزمایشگاهی، تئوری و یا تجارب مهندسی به دست آیند، ممکن است به صورت تعیینی نبوده و دارای توزیع احتمالی باشند. در این پژوهش، بر اساس تعاریف موجود در فِما 35۱ از سطح عملکرد آستانه فروریزش (CP) استفاده شده است. در آیین‌نامه فِما 35۱ نقطه‌ای حداکثر تغییر نسبی طبقات مساوی 2 درصد است. به عنوان تقاضای زلزله در سطح عملکرد قابلیت استفاده بی‌وقفه (IO) معرفی می‌شوند.

این محدوده‌ها ممکن است قابلیت تصادفی داشته باشند، به عنوان مثال آیین‌نامه فِما 350 سطح فروریزش محلی را به صورت چرخش اتصال به نحوی که ظرفیت باربری قائم آن به صفر برسد تعریف می‌کند. این تعریف به صورت یک متغیر تصادفی برای هر نوع اتصال می‌باشد. براساس این آیین‌نامه بهترین نقطه‌ای که در طول منحنی IDA می‌تواند معرف تقاضا در سطح عملکرد آستانه فروریزش در CP باشد، نقطه‌ای است که در آن منحنی شروع به نرم‌شدگی در راستای رسیدن به ناپایداری دینامیکی کل سازه می‌کند. در واقع این نقطه باید کمترین مقدار خسارت (DM) را در میان نقاط محتمل داشته باشد. بنابراین تعریف، اولین نقطه‌ای که 20 درصد از شیب ناحیه الاستیک را در طول منحنی IDA داشته باشد به عنوان تقاضای زلزله در این سطح عملکرد شناخته می‌شود. این ایده از آنجا شکل می‌گیرد که نرم‌شدگی و کاهش نسبتاً زیاد شیب منحنی به معنای ناپایداری دینامیکی کلی سازه می‌باشد [۱۱].

یافتن این نقاط کار بسیار دشواری است، زیرا برای به دست آوردن آن، نیاز به محاسبه شیب خط مماس بر منحنی IDA می‌باشد، تا بتوان نقطه‌ای از منحنی را پیدا کرد که مقدار شیب خط مماس بر آن 20 درصد ناحیه الاستیک باشد. در این حالت باید وضعیت انحنای منحنی IDA مدنظر قرار گیرد تا نقاط احتمالی موجود در قسمت سخت‌شونده آن انتخاب نشوند با توجه به تعاریف مختلف جهت تعیین سطح تقاضا در سطح عملکرد جانی (LS) در مراجع مختلف، آیین‌نامه فِما 350 متوسط عددی دو سطح عملکرد آستانه فروریزش و قابلیت استفاده بی‌وقفه را به عنوان نیاز لرزه‌ای متناظر با سطح عملکرد ایمنی جانی در تحلیل دینامیکی غیرخطی فزاینده معرفی می‌نماید [3-5، 11].

10. خلاصه کردن منحنی IDA

همان گونه که تاکنون بیان شده، یک IDA تک رکوردی نمی‌تواند به طور کامل رفتار ساختمانی را بیان کند. IDA می‌تواند وابستگی زیادی به رکورد انتخابی داشته باشد، از این رو تعداد کافی رکوردها برای پوشش کامل پاسخ‌ها مورد نیاز خواهند بود. پس از انتخاب و اصلاح شتاب‌نگاشت‌ها و انجام آنالیز دینامیکی غیرخطی فزاینده بر اساس هر یک از آنها، یک دسته منحنی IDA حاصل می‌شود که در صورت انتخاب DM و IM یکسان می‌توان تمامی منحنی‌ها را در یک دستگاه ترسیم کرد. در این حالت حجم زیادی از اطلاعات برای سازه با توجه به زلزله‌های اعمالی به آن به وجود می‌آید. علاوه بر این به دلیل وجود دامنه وسیعی از پاسخ‌های مدل سازه‌ای در مقابل زلزله‌های مورد استفاده، خلاصه کردن اطلاعات ضروری به نظر می‌رسد [5-3، 12].

شکل (11): منحنی‌های خلاصه‌شده برای قاب طبقه [3-5]

از آنجا که این منحنی‌ها به طور ذاتی و طبیعی ماهیت تصادفی دارند، برای بررسی آنها و تعیین پاسخ سازه در هر سطحی از تقاضا، باید از روش‌های احتمالاتی استفاده نمود. با توجه به جامعه آماری حاصل از منحنی IDA، هر منحنی یک تابع تصادفی میزان خسارت برحسب شدت می‌باشد.

برای خلاصه کردن اطلاعات، روش‌های مختلفی وجود دارد. ساده‌ترین و در عین‌حال پرکاربردترین آنها روش محاسبه میانگین اعداد می‌باشد. در این روش در هر سطح از شدت (IM)، میزان خسارت (DM) تعیین شده و سپس با محاسبه میانگین حساب این اعداد، منحنی میانگین به دست می‌آید. استفاده از این روش تا رسیدن به نقطه‌ای که اولین منحنی به مقدار ظرفیت خود می‌رسد، مناسب و کاربردی می‌باشد. اگر یک منحنی در ترازی پایین‌تر از سطح شدت حرکت زمین در سایر منحنی‌ها به سمت بی‌نهایت میل کند، از آن تراز به بعد منحنی میانگین نیز به بی‌نهایت خواهد شد. برای برطرف کردن این نقص، استفاده از میانه اعداد، مؤثرتر و کاربردی‌تر خواهد بود [3-5].

با در نظر گرفتن مقادیر خسارت‌های تعیین شده در هر تراز از شدت زلزله، به جای محاسبه میانگین حسابی از میانه ساده 50 درصد، ۱6 درصد و 84 درصد بازه اعداد استفاده می‌شود. در این صورت منحنی‌های خلاصه شده، زمانی به سمت بی‌نهایت میل می‌کنند که انهدام در ۱6 درصد، 50 درصد و 84 درصد از منحنی‌ها رخ داده باشد. مزیت دیگر این روش آن است که با فرضیات مناسب (پیوستگی و یکنواختی منحنی‌ها)، منحنی حاصل %X مقادیر DM برحسب مقادیر IM همان منحنی حامل(100-%X) مقادیر IM برحسب مقادیر DM می‌باشد. همانند روش ذکر شده برای خلاصه کردن منحنی IDA، مقادیر عددی سطوح عملکرد، قابل خلاصه کردن به چند عدد میانی به همراه شاخص پراکندگی (انحراف معیار یا تفاوت بین دو مقدار) هستند. بنابراین، مقادیر %۱6 و %50 و %84 را به عنوان مقادیر عددی خسارت برای IM های متناظر برای شدت در هرسطح عملکرد محاسبه می‌کنیم [3-5].

11. زلزله‌های حوزه دور از گسل و زلزله‌های حوزه‌ی نزدیک گسل

پیشرفت‌های تکنیکی در زمینه زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله در 50 سال گذشته همچون پیشرفت کامپیوترها، توسعه روش‌های عددی برای تحلیل خطی و غیرخطی سازه‌ها، بهبود یافتن کیفیت، کمیت و پردازش نگاشت‌های زلزله‌ها، درک و بکارگیری تغییرشکل‌های مجاز غیرارتجاعی در سازه‌ها، تغییر در جزئیات نیاز شکل‌پذیری و مقاومت جهت جلوگیری از شکست‌های ترد، بکارگیری روش‌های احتمالاتی و ... سبب ارتقاء علوم مهندسی و درک پارامترهای مؤثر در پایداری سازه‌ها شده است به طوری که محققین شاهد اثرات متفاوت زلزله‌های نزدیک گسل با زلزله‌های دور از گسل بوده‌اند. بعد از زلزله پارک‌فیلد-کالیفرنیا (۱۹66) و زلزله پاکویما-سانفرناندو (۱۹۷۱) عبارت نزدیک گسل توسط بولت [۱3] در سال (۱۹۷5) عنوان شد. با اینکه اثرات نزدیک گسل در گذشته شناخته شده بود، اما اهمیت این موضفوع در طراحی سازه‌های مهندسی عمران به خوبی درک نشده بود تا اینکه زلزله‌های مخربی همچون زلزله لند رز- کالیفرنیا (۱۹۹2) و زلزله دور از گسل - کالیفرنیا (۱۹۹4) زلزله کوبه - ژاپن (۱۹۹5) و زلزله چی چی- تفایوان (۱۹۹۹) به وقوع پیوست [۱4]. با توجه به اینکه هم اکنون تعدادی از شهرهای ایران از جمله شهر تهران در حوزه‌ی نزدیک قرار دارد در این بخش از پژوهش به بررسی خصوصیات نگاشت‌های نزدیک گسل و اثرات آن بر سازه‌های ساختمانی لزوم ارزیابی لرزه‌ای در حوزه نزدیک پرداخته می‌شود.

12. خصوصیات مؤلفه‌های ارتعاش زمین در زلزله‌های نزدیک گسل

در این بخش خصوصیات مؤلفه‌های افقی و مؤلفه قائم زلزله‌های نزدیک گسل مورد بررسی قرار می‌گیرد و مؤلفه غالب بر رفتار سازه تعیین می‌شود. محدوده نزدیک گسل معمولاً در داخل محدودهای بین ۱5 تا 60 کیلومتری از گسل فعال فرض می‌شود. در این محدوده معمولاً زمین‌لرزه‌ها به مکانیسم شکست، جهت انتشار شکست نسبت به ساختگاه و تغییرمکان‌های دائمی ناشی از لغزش گسل وابسته می‌باشند.

این پارامترها باعث ایجاد دو اثر به نام‌های (جهت‌پذیری شکست) و (جابجای ی ضربه‌ای ماندگار زمین) می‌شوند. که شامل دو اثر (جهت‌پذیری پیشرونده) و (جهت‌پذیری پسرونده) می‌باشد. زمانی که گسل شروع به شکسته شدن می‌کند، شکست از نقطه‌ای بر روی امتداد گسل ایجاد شده و بسته به محل آغاز گسیختگی به ابتدا یا انتهای گسل و یا هر دو جهت گسترش می‌یابد. در این حالت اگر انتشار شکست گسل به سمت ساختگاه باشد و جهت لغزش گسل نیز در جهت ساختگاه باشد آنگاه جهت‌پذیری پیشرونده رخ می‌دهد به طوری‌که پالس ایجاد شده به دلیل نزدیک بودن سرعت انتشار شکست به سرعت موج برشی در سنگ نزدیک منبع زلزله می‌باشد. معمولاً سرعت شکست کمی کمتر از سرعت موج برشی می‌باشد. در شکل (۱2) انرژی زلزله در هر شکست در طول گسل متراکم شده و نهایتاً با یک پالس ارتعاشی بزرگ همراه با موج برشی به سمت ساختگاه B پیش رفته و به صورت یک مؤلفه پالسی (شوک) در جهت عمود بر امتداد گسل در آغاز نگاشت ظاهر می‌شود.

اینگونه نگاشت‌ها معمولاً دارای مدت زمان کوتاه، با یک پالس ویژه با دامنه زیاد و دوره تناوب متوسط تا بلند هستند. چنانچه ساختگاه در نزدیکی مرکز زمین‌لرزه باشد (SiteA) و انتشار شکست به سمت دور شدن از ساختگاه باشد در این حالت جهت‌پذیری پسرونده رخ می‌دهد. زمین‌لرزه در این حالت دارای مدت زمان بیشتر و پالس‌های متعدد با دوره تناوب کوتاه و دامنه کوچک بوده به طوری که انرژی زلزله در طول مدت ارتعاش پراکنده می‌شود [۱6 ،۱5].

شکل (12): اثرات ناشی از جهت شکست گسل برای ساختگاه [14]

در زلزله‌های نزدیک گسل ابتدا موج برشی و سپس شکست به سمت ساختگاه انتشار می‌یابد و این مسئله باعث می‌شود در ابتدای نگاشت یک موج پالسی شکل افقی با دامنه زیاد در ابتدای نگاشت‌های ناشی از جهت‌پذیری پیشرونده در جهت عمود بر امتداد گسل دیده شود. در شکل (۱2) جهت انتشار شکست از چپ به راست است. شکست از نقطه ۱ نزدیک به Site A شروع و تا نقطه 5 نزدیک به Site B ادامه می‌یابد. در این حالت در ساختگاه B اثر جهت‌پذیری پیشرونده و در ساختگاه A اثر جهت‌پذیری پسرونده دیده می‌شود. انرژی زلزله در ساختگاه A به صورت پراکنده و در طول مدت ارتعاش در ساختگاه B در ابتدای ارتعاش به وسیله یک پالس با دامنه بزرگ اعمال می‌شود [14]. اگر فاصله ساختگاه از منشأ زلزله زیاد باشد و ساختگاه خارج از محدوده جهت‌پذیری شکست باشد، در این حالت زلزله‌های دور از گسل یا محدوده جهت‌پذیری خنثی را خواهیم داشت. در شکل (۱3) تاریخچه زمانی جابجایی زمین برای چند محل در زلزله لوماپریتا (۱۹8۹) نشان داده شده است. ایستگاه‌های کورالیتوس و بِرانسیفوت در نزدیکی مرکز زلزله درجایی قرار دارند که جابجایی‌های افقی زمین برای هر دو مؤلفه افقی موازی و عمود به امتداد گسل مقادیر کمی است. پس از لغزش گسل، شکست از مرکز ارتعاش به ابتدا و انتهای گسل پیش می‌رود، در این حالت ایستگاه‌های کورالیتوس و برانسیفوت در محدوده جهت‌پذیری پسرونده قرار دارند. و ایستگاه‌های هولیستر و لِکسینگتون تحت اثر جهت‌پذیری پیشرونده قرار می‌گیرند.

در شکل (۱3) (لِکسینگتون و هولیستر) تحت ارتعاشات افقی ضربه‌ای زمین در جهت عمود بر امتداد گسل قرار دارند. در هر دو مؤلفه (لِکسینگتون و هولیستر) مؤلفه افقی عمود بر امتداد گسل به صورت قابل ملاحظه‌ای بزرگتر از مؤلفه افقی موازی با گسل است. این موضوع برای مؤلفه افقی عمود بر امتداد گسل در ایستگاه‌های (کورالیتوس و بِرانسیفوت) نیز صدق می‌کند. به بیان ساده‌تر، اثر جهت‌پذیری پیشرونده باعث می‌شود تا یک پالس ضربه‌ای در مؤلفه افقی عمود بر امتداد گسل ایجاد شود، به طوری که این مؤلفه از دو مؤلفه افقی موازی و عمود بر امتداد گسل در حالت جهت‌پذیری پسرونده به طور عمده بزرگتر است. همچنین در حالت جهت‌پذیری پیشرونده مؤلفه افقی عمود بر امتداد گسل از مؤلفه موازی با امتداد گسل به طور مشخص بزرگتر است جهت‌پذیری پیشرونده در هر دو رخداد امتدادلغز و شیب‌لغز می‌تواند دیده شود. در مکانیسم شیب‌لغز اثر جهت‌پذیری پیشرونده در قسمت بالای صفحه گسل در پلان رخ می‌دهد.

همچنین در مکانیسم امتدادلغز، الگوی پخش جابجایی برشی در یک گسل معکوس، باعث می‌شود. تا پالس ارتعاش در جهت عمود بر امتداد لغزش گسل باشد (سامرویل و همکاران 1997) [15].

شکل (13) تاریخچه زمانی تغییر مکان در زلزله لوماپریتا (1989) [15]

در زمین‌لرزه‌های نزدیک گسل جابجایی‌های ماندگاری ناشی از تغییرشکل ثابت حوزه زلزله دیده می‌شود که به این تغییرمکان‌ها جابجایی ضربه‌ای ماندگار زمین می‌گویند. جابجایی ضربه‌ای ماندگار زمین درفواصل زمانی مجزا در چند ثانیه در طی لغزش گسل رخ می‌دهد. تغییرمکان‌های جابجایی ضربه‌ای ماندگار زمین در جهت لغزش گسل عمود بر اثر جهت‌پذیری شکست است. از این رو به طور عمده با جابجایی‌های دینامیکی ناشی از اثرات جهت‌پذیری شکست ترکیب نمی‌شوند. در گسل‌های امتدادلغز، پالس ناشی از جهت‌پذیری پسرونده در جهت عمود بر لغزش گسل بوده و تغییرمکان جابجایی ضربه‌ای ماندگار زمین در جهت موازی با لغزش گسل رخ می‌دهد. در گسلش شیب‌لغز مؤلفه پالس جهت‌پذیری عمود و تغییرمکان جابجایی ضربه‌ای ماندگار زمین در جهت موازی بر لغزش گسل رخ می‌دهند شکل (14) [15].

شکل (14): جهت‌های پالس و جابجایی ضربه‌ای ماندگار زمین برای گسلش شیب‌لغز و امتدادلغز [15]

13. اثرات نزدیک گسل در مؤلفه‌های قائم زلزله

لرزش قائم زمین به واسطه امواج فشاری P و امواج برشی S است. چنانچه جابجایی گسل صرفاً افقی باشد، امواج برشی ایجاد شده از نوع امواج برشی افقی می‌باشند و چنانچه جابجایی گسل صرفاً قائم باشد، امواج برشی ایجاد شده از نوع موج برشی قائم می‌باشد. از آنجایی‌که جابجایی گسل ترکیبی از جابجایی افقی و قائم است. لذا امواج برشی افقی و عمودی همواره وجود دارند. تحقیقات نشان داده که غالب ارتعاش قائم زمین متعلق به امواج P است، مگر آنکه ایستگاه لرزه‌نگاری، بسیار نزدیک به گسل باشد و گسل نیز از نوع نرمال و یا معکوس باشد، در این صورت غالب ارتعاش قائم متعلق به موج برشی قائم است. این مؤلفه با دور شدن از منبع زلزله با سرعت بیشتری نسبت به مؤلفه افقی زلزله کاهش می‌یابد. بر مبنای تحلیل‌های انجام گرفته بر روی ارتعاش قائم 5 زلزله در کالیفرنیا، مشخص شد که در محدوده دوره‌های تناوب کمتر از 0/۱sامواج حجمی یا امواج ،Pو در محدوده پریود بزرگتر از 0/۱s امواج برشی یا موج S بر مؤلفه قائم زلزله مؤثراست، مؤلفه قائم بر سطح زمین دارای محتوای فرکانسی در فرکانس‌های بالا می‌باشد. بزرگنیا (2004) با اندازه‌گیری فرکانس قائم ۱2 ساختمان نشان داد که پریود اصلی قائم این ساختمان‌ها بین 0/076 s و 0/262 s است. کِلایر و اِلناشفای (2001) پریود اصلی قائم 4 قاب ساختمانی را حدود 0/0۷s به دست آوردند. این مقادیر نشان می‌دهد که دوره تناوب قائم ساختمان‌ها معمولاً کوتاه است و دقیقاً نزدیک به فرکانس ارتعاشات قائم بر سطح زمین در زلزله‌های نزدیک گسل است [17، 18].

14. مؤلفه مؤثر بر پاسخ سازه در محدوده نزدیک گسل

مطالعات پاسخ سازه در زلزله‌های نزدیک گسل بر روی اثرات بزرگتر مؤلفه افقی عمود بر گسل متمرکز گردیده است (علوی و کِراوینکلفر 2000) هر چند مواردی هم هست که در آنها مؤلفه حرکت موازی گسل نیز مهم است. برای مثال نرم شدن سختی خاک در پاسخ به مؤلفه حرکت بزرگ عمود بر گسل باعث کرنش بیشتری در جهت موازی گسل می‌شود در این حالت خاک در مقابل مؤلفه حرکتی موازی گسل از خود پاسخ نشان می‌دهد. آنالیزهای غیرخطی پاسخ خاک در دو جهت نشان دادند که شرایط محلی خاک در میزان حداکثر اوج پالس سرعت و زمان آن در هر دو جهت مؤثرند. همچنین اگر برای کارایی سازه مهم باشد، ارتعاش قائم به سطح زمین در نواحی نزدیک گسل نیز ممکن است لازم باشد. در این حالت مؤلفه قائم به سطح زمین نیز بایستی تخمین زده شود [۱5]. با توجه به مطالب فوق می‌توان گفت در زلزله‌های نزدیک گسل پاسخ‌های دینامیکی تحفت پالس‌های بزرگ سرعت با پریود بلند تحت یک مؤلفه افقی عمود بر امتداد لغزش گسل رخ می‌دهد. این مؤلفه در گسل‌های امتدادلغز می‌باشد اما در گسل‌های شیب‌لغز هم می‌تواند دیده شود. در واقع اثر مؤلفه افقی عمود بر گسل در حالت جهت‌پذیری پیشرونده تعیین کننده می‌باشد [15، 16، 19].

15. پارامترهای مؤثر در زلزله‌های نزدیک گسل

تغییرات جهت‌پذیری وابسته به دو پارامتر است (سامرویل و همکاران 1997). اولین پارامتر زاویه بین جهت شکست و جهت حرکت امواج زلزله از گسل به ساختگاه است (θ برای گسل‌های امتدادلغز و ø برای گسل‌های شیب‌لغز) و دومین پارامتر بخشی از سطح شکست گسل که بین کانون زلزله و ساختگاه قرار دارد، می‌باشد. (X برای گسل‌های امتدادلغز و Y برای گسل‌های شیب‌لغز) در این مطالعه مشخص شد عمده‌ترین اثر جهت‌پذیری پیشرونده در زوایای کوچکترین گسل و ساختگاه و سطح شکست بزرگتر بین کانون زلزله و ساختگاه ایجاد می‌شود. در واقع با کوچک‌تر شدن زاویه بین گسل و ساختگاه بزرگتر شدن سطح شکست بین ساختگاه و گسل اثر جهت‌پذیری پیشرونده بزرگتر می‌شود. همچنین ملاحظه شد حتی اگر شرایط زمین‌شناسی برای جهت‌پذیری پیشرونده ارضا شود ممکن است، اثر جهت‌پذیری پیشرونده رخ ندهد. این حالت زمانی ممکن است که فاصله محل شروع شکست تا ایستگاه بسیار کم باشد شکل (15) [16].

شکل (15): پارامترهای مؤثر بر اثرات جهت‌پذیری شکست [15، 20]

16. معیار انتخاب نگاشت‌های نزدیک گسل

در سال 2004 کیتفادا و همکفاران، از 62 نگاشت مورد بررسی فقط ۱6 نگاشت برای تحلیل سازه‌های تأسیسات اتمی مورد استفاده قرار دادند. نگاشت‌های منتخب دارای خصوصیات ویژه‌ای شامل مدت زمان کوتاه، دارا بودن اثرات شدید جهت‌پذیری، دارا بودن ارتعاشات ضربه‌ای با فرکانس کم در نگاشت سرعت بودند و بیشترین نگاشت‌های مورد استفاده در تحلیل بین دو کران انتخاب شده بودند. شکل (16) در مطالعات دیگری که توسط گالال و قوبارا (2005) صورت گرفت. خصوصیات نگاشت‌ها شامل ثبت شدن در محدوده 20 کیلومتری از گسل، در نظر گرفتن مؤلفه افقی عمود بر گسل در بیشتر حالات، قرار داشتن نگاشت‌ها در محدوده اثر جهت‌پذیری پیشرونده و انتخاب نگاشت‌ها از زلزله‌های بزرگ بوده است [21، 16].

شکل (16): وابستگی PGA به PGV برای زلزله‌های نزدیک گسل بر روی خاک‌های سفت (کیتادا و همکاران 2004) [16]

17. منحنی‌های شکنندگی

در نهایت پس از به دست آمدن منحنی‌های IDA و مشخص نمودن حدود رفتاری سازه با به دست آوردن منحنی‌های شکنندگی به بررسی رفتار سازه پرداخته خواهد شد [5].

تابع شکنندگی، به بیان احتمال یک رویداد نامطلوب به عنوان یک تابع از مقدار (به طور بالقوه نامشخص) تحریک محیط می‌پردازد. X به معنی تحریک است. یک تابع شکنندگی معمولاً روی یک نمودار ´x-y ترسیم می‌شود به گونه‌ای که تابع احتمال روی محور(y با محدودهی صفر تا یک) و تحریک ورودی X روی محور (x معمولاً از صفر تا بی‌نهایت) می‌باشد. رایج‌ترین شکل یک تابع شکنندگی لرزه‌ای، یک تابع توزیع تجمعی لگ نرمال است. تابع لگ نرمال همه‌ی تجزیه و تحلیل‌های خطر لرزه‌ای احتمالاتی را در بر می‌گیرد. اگر مقدار X با میانگین μ و انحراف معیار σ توزیع نرمال شده باشد، می‌تواند از منفی بی‌نهایت تا مثبت بی‌نهایت مقیاس شود. تابع توزیع نرمال تجمعی می‌تواند به صورت زیر بیان شود:

که در آن:

μE، بدین معنی که μ به هر مقدار واقعی می‌تواند مقیاس شود.

{R>0} σE بدین معنی که σ به هر مقدار واقعی مثبتی می‌تواند مقیاس شود.

رایج‌ترین شکل یک تابع شکنندگی لرزه‌ای، یک تابع توزیع تجمعی لگ نرمال است که فرم آن به صورت زیر است:

که در آن:

dθ: ظرفیت متوسط موجود برای مقاومت در برابر آسیب در شرایط اندازه‌گیری اعلام شده‌ی x

dβ: انحراف استاندارد لگاریتمی ظرفیت نامشخص موجود برای مقاومت در برابر آسیب d

D: آسیب نامشخص موجود یک جز خاص که مقدار آن می‌تواند از صفرتا nD باشد. هنگامیکه D = 0 باشد، نشان دهنده‌ی حالت سالم است، هنگامیکه D = 1 باشد، نشان دهنده‌ی حالت آسیب است و ..

d: یک مقدار ویژه از D، به شرط مقدار معلوم

X: تحریک نامشخص

x: یک مقدار ویژه از X، به شرط مقدار معلوم

Fd (x): یک تابع شکنندگی برای حالت آسیب d ارزیابی شده در x

Φ(s): تابع توزیع تجمعی نرمال استاندارد

P[AIB]: احتمال اینکه A صحیح داده شود و B صحیح باشد.

اگر یک متغیر به صورت لگ نرمال توزیع شده باشد، بدین معنی است که لگاریتم طبیعی به صورت نرمال توزیع شده باشد و این بدان معنی است که آن باید به یک مقدار مثبت حقیقی برده شود و احتمال اینکه صفر یا منفی باشد، صفر است. یکی از چندین راه مختلف نوشتن تابع توزیع تجمعی نرمال به صورت زیر است:

در معادله‌ی بالا ln(X) نشان دهنده‌ی مقدار متوسط ln(X) و نشان دهنده‌ی انحراف استاندارد لگاریتمی می‌باشد. ظرفیت فروپاشی (واژگونی) برای رکورد یک زمین‌لرزه‌ی مشخص با انجام تحلیل دینامیکی فزاینده (IDA) به دست آمده است که معیار شدت آن زمین‌لرزه افزایش یافته است و پاسخ تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی تا زمانی که ناپایداری دینامیکی رخ دهد، ادامه پیدا می‌کند. با در نظر گرفتن توزیع لگ نرمال برای نتایج بر اساس معیار شدت، منحنی شکنندگی فروپاشی به دست می‌آید [5].

به منظور استخراج احتمال رخ دادن حالات حدی از خروجی‌های تحلیل IDA، از نمودارهایی موسوم به منحنی شکنندگی استفاده می‌گردد. برای رسم این نمودارها ابتدا مقادیر IM متناظر با وقوع حالت حدی مورد نظر، به ازای تمامی رکوردها، به ترتیب نزولی مرتب می‌گردد. سپس با استفاده از مقادیر مرتب شده، احتمال وقوع حالت حدی در سازه، به ازای مقادیر کوچکتر یا مساوی یک مقدار IM مورد نظر، که یک تابع احتمال تجمع است، محاسبه می‌شود و نمودار آن در مقابل IM رسم می‌گردد. با استفاده از این نمودار، می‌توان احتمال وقوع حالت حدی را در هر سطح عملکردی از سازه و به ازای هر سطح IM، بدون در نظر گرفتن خطر لرزه‌ای، به شرط آنکه اندازة شدت به سطح مورد نظر محدود شود، تعیین کرد [23].

منحنی‌های شکنندگی سازه‌ی بلند مرتبه با سیستم طبقات سخت‌کننده در ارتفاع مختلف و با مهاربند همگرا در جابجایی‌های مختلف بام سازه و همچنین به تفکیک زلزله‌های حوزه‌ی نزدیک گسل و حوزه‌ی دور از گسل به دست آمده است. منحنی‌های شکنندگی ارائه شده حاصل از توزیع تجمعی نرمال شتاب‌های طیفی مختلف و متناظر با مقدار ثابتی از جابجایی می‌باشد که به تفکیک حوزه‌ی نزدیک گسل و دور از گسل را نشان می‌دهند که در واقع 4 سطح از جابجایی را بیان می‌کند. منحنی‌های شکنندگی مذکور در شکل‌های (17) و (18) را می‌توان در زیر مشاهده کرد [23].

شکل (17): منحنی‌های شکنندگی سازه تحت زلزله‌های حوزه نزدیک گسل [23]

شکل (18): منحنی‌های شکنندگی سازه تحت زلزله‌های حوزه دور از گسل [23]

18. نتیجه‌گیری

با توجه به نمودارهای تحلیل دینامیک فزاینده نمودارهای IDA در زلزله‌های حوزه‌ی نزدیک گسل مقادیر شتاب طیفی کمتری نسبت به نمودارهای IDA زلزله‌های حوزه‌ی دور از گسل را دارا می‌باشند. این موضوع بدان معنا است که در یک زلزله با شدت مشخص اگر رکورد زلزله از نفوع حوزه‌ی نزدیک باشد میزان خرابی سازه به مراتب بیشتر از خرابی ناشی از رکورد زلزله‌ی حوزه‌ی دور از گسل می‌باشد.

در نمودارهای تحلیل دینامیک فزاینده در دریفت 2 درصد نمودار شروع به شکستگی می‌کنند که این امر بدین معناست که رفتار سازه دچار تغییر شده و با عبور از این ناحیه، خرابی در سازه‌ها شروع می‌شود و با رسیدن به دریفت طبقه در شیب حدود ۱0 درصد به شدت کاهش یافته و به شیب صفر نزدیک می‌شود. که در این صورت سازه‌های مورد مطالعه مقاومت خود را از دست می‌دهند و شروع خرابی که شواهد آن تغییر در شیب نمودار تحلیل دینامیک فزاینده است در دریفت حدود 2 درصد اتفاق می‌افتد که می‌توان آن را به عنوان حد عملکرد بی‌وقفه یا io دانست. و با رسیدن به دریفت ۱0درصد و از دست رفتن کامل مقاومت سازه سطح عملکرد cp و یا فروپاشی سازه اتفاق می‌افتد.

با توجه به منحنی‌های شکنندگی دیوار برشی که به تفکیک زلزله‌های حوزه‌ی نزدیک گسل و حوزهی دور از گسل مورد بررسی قرار داده‌اند می‌توان نتیجه گرفت که در حد io قابلیت استفاده بیوقفه و حد cp فروپاشی سازه در زلزله‌های حوزه‌ی نزدیک گسل احتمال خرابی اولیه و فروپاشی سازه بسیار بیشتر از زلزله‌های حوزه‌ی دور از گسل وجود دارد به گونه‌ای که این احتمالات در بسیاری از موارد به چندین برابر نیز می‌رسد و این مسئله نشان از این دارد که در تحلیل و طراحی سازه‌ها بررسی مقاومت سازه در برابر زلزله‌های حوزه نزدیک از اهمیت بسزایی برخوردار است و می‌بایست در آیین‌نامه‌های تحلیل و طراحی سازه‌ها در برابر لرزه نیز به این امر مهم پرداخته شود.

با توجه به منحنی‌های شکنندگی سازه‌ی بلند مرتبه می‌توان مشاهده نمود که هم در زلزله‌های حوزه ی نزدیک و هم در زلزله‌های حوزه‌ی دور از گسل با افزایش خرابی (جابجایی بام) شیب منحنی شکنندگی کم خواهد شد، به بیانی دیگر می‌توان گفت منحنی شکنندگی در جابجایی‌های بام نسبتاً کم بسیار زیاد بوده و با کوچکترین افزایش شتاب زلزله احتمال بروز خرابی به شدت افزایش می‌یابد این در حالی است که با افزایش خرابی و با حرکت در نمودار به سمت خرابی‌های بیشتر این شیب کاهش یافته و با افزایش شتاب زلزله نسبتاً احتمال خرابی کمتر افزایش خواهد یافت.

19. پیشنهاد کاربردی

از آنجا که هدف بیشتر محققین در زلزله‌های حوزه‌ی نزدیک و دور از گسل بر روی سازه‌ی مدل بوده است توصیه می‌شود آنالیزهای دینامیکی جدید و آنالیزهای احتمالاتی جدید وارد آیین‌نامه‌ها شده تا بدین ترتیب بتوان سازه را در طول عمر مفید آن بر اساس آیین‌نامه بررسی کرد.

1. Bertero, V.V., Strength and deformation capacities of buildings under extreme environments. Structural engineering and structural mechanics, 1977. 53(1): p. 29-79. 2.
2. Venture, S.J. and G.D. Committee, Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings 2000: Federal Emergency Management Agency. 3.
3. Vamvatsikos, D. and C.A. Cornell, Applied incremental dynamic analysis. Earthquake Spectra, 2004. 20(2): p. 523-553. 4.
4. Vamvatsikos, D. and C.A. Cornell, Incremental dynamic analysis. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2002. 31(3): p. 491-514. 5.
5. Shome, N., Probabilistic seismic demand analysis of nonlinear structures. 1999. 6.
6. A. Kheyroddin, H.N. Nonlinear Finite Element Analysis of RC Shear Walls Retrofitted Using Externally Bonded Steel Plates and FRP Sheets. in 1st International Structural Specialty Conference. 2005. Calgary, Alberta, Canada: Submitted to CSCE.
7. شابختی، ناصر و محمدامین بیاری، 1391، بررسی آسیب‌پذیری لرزه‌ای سیستم دوگانه قاب خمشی فولادی و دیوار برشی با توسعه منحنی‌های شکنندگی، سومین کنفرانس ملی سازه و فولاد و اولین کنفرانس ملی سازه‌های سبک فولادی (LSF) تهران، انجمن سازه‌های فولادی ایران.
8. خیرالدین, ع,. آنالیز و طراحی دیوارهای برشی, چ. سوم ,۱3۹0سمنان.
9. Adebar, P., A.M. Ibrahim, and M. Bryson, Test of high-rise core wall: effective stiffness for seismic analysis. ACI Structural Journal, 2007. 104.)5( 10.
10. Zacharenaki, A., et al., Bias assessment in Incremental Dynamic Analysis due to record scaling. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2014. 67: p. 158-168. 11.
11. Fanaie, N. and S. Ezzatshoar, Studying the seismic behavior of gate braced frames by incremental dynamic analysis (IDA). Journal of Constructional Steel Research, 2014. 99: p. 111-120. 12.
12. Hariri-Ardebili, M., et al., Nonlinear seismic assessment of steel moment frames using time–history, incremental dynamic, and endurance time analysis methods. Scientia Iranica, 2013. 20(3): p. 431-444.
13. 13. Bruce A. Bolt, Seismic input motions for nonlinear structural analys Earthquake Technology ,Paper No.448, December 2004. 14.
14. Farzad Naeim, “THE SEISMIC DESIGN HANDBOOK, 2nd Edition”, Published by Kluwer Academic Publishers, 2001. 15.
15. Jonathan P. Stewart, Shyh-Jeng Chiou, Jonathan D. Bray, Robert W. Graves, Paul G. Somerville, and Norman A. Abrahamson, “Ground Motion Evaluation Procedures for Performance-Based Design”, A report on research conducted under grant no. EEC-9701568 from the National Science Foundation, PEER, September 2001. 16.
16. Jensen, H. and D. Kusanovic, On the effect of near-field excitations on the reliability-based performance and design of base-isolated structures. Probabilistic Engineering Mechanics, 2014. 36: p. 28-44. 17.
17. K.Galal, A.Ghobarah,“Effect of near-fault earthquakes on North American nuclear design spectra”, Nuclear Engineering and Design, Elsevier, Feb 2006 18.
18. Bozorgnia, Yousef. “Earthquake Engineering: From Engineering Seismology to Performance - Based Engineering”, Published by CRC Press LLC, 2004 19.
19. Foti, D., Local ground effects in near-field and far-field areas on seismically protected buildings. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2015. 74: p. 14-24. 20.
20. Moustafa, A. and I. Takewaki, Deterministic and probabilistic representation of near-field pulse-like ground motion. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2010. 30(5): p. 412-422. 21
21. Davoodi, M., M. Jafari, and N. Hadiani, Seismic response of embankment dams under near-fault and far-field ground motion excitation. Engineering Geology, 2013. 158: p. 66-76. 22. ABAQUS Inc.,
22. ABAQUS/Theory User Manual, Version 6.12, 2012.
23. مهدی کماسی، علی ساکی ،۱3۹4ارزیابی منحنی شکنندگی قاب های بلند مرتبه تحت زلزله حوزه‌ی نزدیک با تحلیل دینامیکی فزاینده، سومین کنفرانس معماری و سازه نوین در علم مهندسی عمران.