پایان نامه تهیه طیف های پاسخ غیر ارتجاعی زلزله های ایران بر اساس نوع خاک

پایان نامه تهیه طیف های پاسخ غیر ارتجاعی زلزله های ایران بر اساس نوع خاک

چکیده 

کشور ایران به لحاظ موقعیت جغرافیائی و قرار گرفتن در کمر بند آلپ – هیمالیا ، کشوری زلزله خیز است و وقوع زلزله های مخرب ، منجر به بروز خسارت مالی و جانی فراوانی گردیـده ، و در نتیجه باعث اتلاف منابع و سرمایه های هنگفت اقتصادی و انسانی شده است . بنـابر ایـن بـا مشاهده خرابیها و خسارات بر جای مانده از پی آمد زلزله های رخ داده در دهه هـای گذشـته ، موضوع طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله اهمیـت دو چنـدانی پیـدا کـرده اسـت .و بـرای رسیدن به نقطه مطلوب یعنی طراحی و سـاخت سـازه هـای ایمـن در برابـر زمـین لـرزه هـا ، تحقیقات زیادی در این زمینه صورت گرفته و ضرورت انجام پژوهش های وسیع تری در حوزه طراحی سازه های مقاوم انتظار می رود. در این پایان نامه به تهیه طیف پاسخ شتاب و جابجـائی در مقابل زلزله های رخ داده در کشور ایران در یک بازه زمانی ٣٠ساله از سـال ١٩٧٥ تـا ٢٠٠٥ میلادی پرداخته شده است . و مولفه قوی افقی زمین لرزه ها ، که بیشینه شتاب آنهـا g ٠.١ و بـه بالا را داشته است مورد بررسی واقع شده اند .و این مولفـه رکوردهـا پـس از فیلتـر و تـصحیح محور شدن بوسیله نرم افزار Pitsa  ، طیف های پاسخ شتاب و جابجائی آنها تحت نـرم افـزار

Nonspec  در حالت ارتجاعی و غیر ارتجاعی در دو مدل بدون کـاهش سـختی و بـا کـاهش سختی و به دو روش میانگین و فوق میانگین بر حسب نوع خـاک تهیـه شـده اسـت . و نتـایج حاصله با طیف طرح استاندارد ٢٨٠٠ ایران مقایسه گردید. 

مقدمه :  

پایان نامه حاضر در شش فصل تهیه و تدوین شده است . فصل اول آن به بیان مـسئله و ضرورت توجه به این مقوله می باشد . فـصل دوم ، شـامل شـناختی از زلزلـه و دسـتگاهای شتابنگاشت و طیف  می باشد. در فصل سوم ، روشهای اصلاح رکودهـای زمـین لـرزه مـورد بحث و بررسی قرار گرفته ودر فصل چهارم  روشهای تهیه طیف پاسـخ بـه صـورت تحلیلـی ارایه می شوند .درفصل پنجم نحوه تهیه طیف های پاسخ ارتجاعی و غیر ارتجاعی زلزله هـای ایران  مورد بحث و بررسی قرار گرفته اسـت . و در فـصل شـشم نتیجـه گیـری و پیـشنهادات بیان می گردد. و در پایان نیز منابع و مأخذ مورد  استفاده ، آورده شده است . 

دستگاه لرزه نگار PS2  :

 دستگاه لرزه نگار 2-Ps که در حال حاضر در شبکة شتابنگاری ایران مورد استفاده قرار مـی گیـرد یک لرزه نگار قابل حمل است که می توان براحتی آن را در فضا ی آزاد بکار انداخت . این دسـتگاه دارای یک سنسور تک مولفه ای 1-SS می باشد که توسط کابل به دستگاه اصلی وصل   می گردد.

دستگاه حرکت زمین را بر روی کاغذ ثبت می کند. این دستگاه می تواند بصورت منفرد یا گروهـی مورد استفاده قرار گرفته و یکی از مناسبترین انتخابها برای مطالعه پسلرزه ها می باشد. منبـع اصـلی تغذیه دستگاه باطری قابل شارژ هست که دستگاه را قادر می سازد تا هشت روز بدون شارژ مجـدد فعالیت نماید. ساعتی با دقت بالا در دستگاه قرار دارد که از آن می توان بـرای ثبـت زمـان رویـداد زمینلرزه استفاده نمود. این دستگاه می تواند بر حسب نیاز در دوره های یکـروزه تـا ٨ روز تنظـیم شود.[  ١٩ ]

طیف زلزله

طیف های پاسخ نمودارهائی هستند که حداکثر پاسخ یک سیستم یـک درجـه آزاد را تحـت اثر یک تحریک نشان می دهد . برای رسم این نمودارها باید سیستم های یک درجه آزاد بـا فرکانس های (زمان تناوب ) متوالی و میرائی های مختلف را حل نمود . با هر بار حل فقـط یک نقطه ماکزیمم مقدار از طیف پاسخ به دست می آید . برای حل سیستم های تک درجـه آزاد در حالت ارتجاعی از انتگرال دو هامل ، و در حالت غیرارتجاعی از روش گام بـه گـام با شتاب خطی استفاده می شود . برای رسم هر طیف پاسخ باید تعـدادی زیـادی سیـستم را حل نمود ،لذا این کار حتی با استفاده از کامپیوتر نیز کاری طولانی و وقت گیـر اسـت . امـا هنگانی که این کار یک بار انجام گرفت و طیف مربوطه تهیه گردید ، تنها محاسبه لازم برای تحلیل سازه ها تحت اثر آن بار دینامیکی ، فقط محاسبه فرکانس طبیعی ( پریـود ) و اسـتفاده از طیف خواهد بود.

خواص طیف پاسخ

شناخت تابع پاسخ وطیف آن کمک زیادی به شناخت مسایل دینامیکی می کند. مهمتـر یـن

خواص آن عبارتنداز :

١- مقدار تابع پاسخ در واقـع نـسبت جابجـائی یـک دسـتگاه تحـت نیـروی تحریـک دینامیکی به نیروی استاتیکی میباشد.

٢- طیف پاسخ را می توان به سه ناحیه سخت ، ناحیه تشدید ، ناحیه نرم تقسیم نمود. 

فهرست

چکیده

پیشگفتار                                                                                     1

فصل اول : کلیات تحقیق                                                                  2

١-١ بیان مسأله                                                                             3

٢-١ ضرورت تحقیق                                                                     3

٣-١ پیشینه تحقیق                                                                          3

٤-١ اهداف تحقیق                                                                         4

٥-١ روش تحقیق                                                                          4

فصل دوم : زلزله شناسی ، دستگاهای شتابنگاری و طیف پاسخ                 5

مقدمه                                                                                         6

٢-١ تعریف زلزله                                                                         6

٢-١-١ ساختمان زمین                                                                    6

٢-١-١-٢ پوسته                                                                           6

٢-١-١-٣  گوشته                                                                          8

٢-١-١-٤ هسته زمین                                                                     9

٢-١-٢  فشار و دمای زمین                                                            13

٢-١-٣  امواج زلزله و سرعت انتشار آن                                           13

٢-١-٤  کانون زلزله                                                                    14

٢-١-٥  توزیع جغرافیایی زلزله ها                                                   15

٢-١-٦  مقیاس و شدت زمین لرزه                                                   16

٢-١-٧   نقشه های خطر(پهنه بندی خطر)                                          17

٢-١-٨  زلزله در ایران                                                                 18

٢-١-٩   ٧٠ درصد خاک ایران در معرض زلزله                                22

٢-١-١٠    زلزله های مهم ایران و دنیا                                                            ٢٤

٢-٢  شتابنگاشتها                                                                         25

٢-٢-١  شبکه شتابنگاری کشور و نحوه ثبت شتابنگاشت ها                    25

٢-٢-٣  روش قرائت شتابنگاشتها                                                     26

٢-٢-٤   روش پردازش                                                                27

٢-٢-٥   اطلاعات ثبت شده در ایستگاه های شتابنگاشتی                        27

٢-٢-٦   دستگاههای مورد استفاده در شبکه شتابنگاری                         28

٢-٢-٦-١ دستگاه شتابنگار آنالوگ SMA1                                         28

٢-٢-٦-٢  دستگاه شتابنگار SSA2                                                   29

٢-٢-٦-٣  دستگاه شتابنگار- لرزه نگار 1-SSR                                   31

٢-٢-٦-٤  دستگاه لرزه نگار PS2                                                    32

٢-٣  طیف زلزله                                                                         33

٢-٣-١  خواص طیف پاسخ                                                            33

٢-٣-٤  ارتباط میان مقدار طیفی جابجائی ، سرعت و شتاب                   34

٢-٣-٥  عوامل موثر در طیف زلزله                                                36

٢-٣-٥-١ تائیر جنس زمین و شرایط خاک                                                        ٣٦

٢-٣-٥-٢  تاثئر بزرگی و مدت تداوم زلزله                                        39

٢-٣-٦  مروری بر طیف طرح چند آیین نامه                                      40

٢-٣-٦-١ طیف طراحی آیین نامه ٢٨٠٠ ایران                                   40

٢-٣-٦-٢ طیف های طراحی ایالات متحده آمریکا                                41

٢-٣-٦-٣ مقایسه طیف طرح زلزله چند کشور                                    43

فصل سوم :  اصلاح رکورد ها                                                        45

مقدمه                                                                                        46

٣-١ شتاب نگار زمین لرزه                                                            47

٣-٢ خطا های ثبت و عددی نمودن رکورد ها در پریودهای بلند و کوتاه     50

٣-٢-١ عددی نمودن رکورد (record) زمین لرزه                                 52

٣-٢-٢  فرآیند دیجیتال سازی ( عددی سازی )                                    53

٣-٣  اطلاعات مورد نیاز جهت رقومی کردن                                     54

٣-٤  شتاب نگار اصلاح نشده                                                         58

٣-٤-١ روند حصول اطلاعات شتاب اصلاح نشده                                58

٣-٤-٢  متناسب کردن خط اصلی در شتاب نگار اصلاح نشده                 61

٣-٥  تصحیح دستگاهی (Instrument Correction )                               63

٣-٥-١  فیلتر دیجیتال پایین گذر Ormsby                                           67

٣-٥-٢   تعیین فاصله زمانی در مشتق                                               73

٣-٦  تصحیح خط اصلی                                                                81

٣-٦- ١  مطالعه مشکل تصحیح خط اصلی                                         81

٣-٦-٢  روش اصلاح خط اصلی                                                     85

٣-٧   طیف پاسخ و طیف دامنه فوریه                                               89

٣-٧-١ طیف دامنه فوریه                                                               92

٣-٧-٢ محاسبه عددی طیف پاسخ و طیف دامنه فوریه                           94

٣-٧-٣ محاسبه عددی طیف دامنه فوریه                                             97

٣-٧-٤  بهسازی در روش محاسبه طیف پاسخ                                    100

فصل ٤  : روشهای تهیه طیف پاسخ                                                 104

مقدمه                                                                                       105

٤-١  رابطه نیرو- تغییرشکل                                                         106

٤-٢  معرفی سیستم الاستو - پلاستیک ( ارتجاعی - خمیری )                106

٤-٣  انتخاب سیستم ایده آل                                                            107

٤-٤  معادله حرکت و معرفی پارامتر های سیستم                                109

٤-٥  مقاومت هم پایه شده                                                             110

٤-٦  سیستم خطی نظیر                                                               111

٤-٧  تحلیل سیستم های الاستو پلاستیک ( ارتجاعی - خمیری )              112

٤-٧-١ روش گام به گام زمانی                                                       112

٤-٧-٢  روش های عددی                                                             113

٤-٧-٣  روش تفاضل محدود                                                         113

٤-٨  عوامل مهم در انتخاب فاصله زمانی                                         115

٤-٩  روش های متکی بر فرضیات شتاب                                         116

٤-٩-١  روش شتاب ثابت                                                             116

٤-٩-٢  روش شتاب خطی                                                            119

٤-١٠  روش نیو مارک                                                                122

٤-١١  پاسخ غیر خطی سیستم های چند درجه آزاد                              124

٤-١١- ١ روش  ویلسون - θ                                                         125

٤-١٢ نحوه تهیه طیف غیر ارتجاعی                                               126

٤-١٣  ساخت طیف پا سخ با شکل پذیری ثابت                                   128

٤-١٤  طیف پاسخ برای سیستم خمیری                                            131

فصل پنجم : طیف های پاسخ ارتجاعی و غیر ارتجاعی زلزله های ایران  132

مقدمه                                                                                       133

٥-١ نحوه پردازش اطلاعات                                                         133

٥-٢ فیلتر نمودن رکوردها                                                            136

٥-٣ تصحیحات خط پایه                                                               138

٥-٣-١ روش حداقل انرژی                                                           138

٥-٣-٢ روش کمترین خطا                                                            139

٥-٤ طبقه بندی نوع خاک ایستگاههای شتابنگاشتی                              140

٥-٥ همپایه کردن رکوردها                                                           152

٥-٥-١ همپایه کردن بر اساس شدت طیفی                                         152

٥-٥-٢ هم پایه کردن بر مبنای شتاب ، سرعت یا جابجائی اوج               152

٥-٥-٣ هم  پایه کردن برمبنای متوسط هندسی شتاب                            153

٥-٦ تهیه طیف های ارتجاعی و غیر ارتجاعی                                   153

٥-٦-١  مدل خطی بدون کاهش سختی                                              154

٥-٦-٢ مدل غیر خطی بدون کاهش سختی                                         173

٥-٦-٣  مدل غیر خطی با کاهش سختی                                            193

٥-٧  مقایسه طیف های پاسخ خطی با غیر خطی                                 213

٦- بررسی رفتار پاسخ غیرالاستیک                                                    216

فصل ششم : یافته های تحقیق                                                         218

٦-١ ارائه طیف های ارتجاعی شتاب بدست آمده از سایر تحقیقات مشابه  219

٦-١-١ طیف های پاسخ تهیه شده توسط آقای فنائی                               219

٦-١-٢ منحنی طیف ضریب بازتاب برای زلزله های ایران تهیه شده توسط         221

 دکتر بهنام فر

٦-١-٣ مقایسه طیف های ارتجاعی خطی بدست آمده با آیین نامه ٢٨٠٠ ایران             ٢٢٣

٦-٢ مقایسه طیف های حاصله با طیف ارائه شده توسط دیگران              225

٦-٣ نتایج حاصله از بررسی طیف های پاسخ                                     225

٦-٤  پیشنهادات                                                                          227