به بهانه زلزله اخیر ترکیه تصمیم گرفتم مطالبی را در قالب این پست در وبلاک منتشر کنم. ما در تهران از لحاظ تکتونیکی و فعالیت های تاریخی گسل های موجود، منتظر یک زلزله با بزرگایی در حدود 6.9 تا 7.1 ریشتر هستیم که البته امیدواریم قدری به تاخیر بیافتد تا سازه ها، بافت های فرسوده، و همینطور شریان های حیاتی مان در سطح گسترده ای مقاوم سازی شوند. مطالب این پست بر اساس تجربیات و درک بنده و مطالب آموخته شده از اساتید در طول سال های تحصیل پژوهش در حیطه مهندسی زلزله می باشد که با بیانی ساده مطرح گردیده اند. امیدوارم که مطالعه این موارد برای شما مفید باشد.
چرا زلزله هایی که در شب رخ می دهند تلفات بیشتری ایجاد می کنند؟
یکی از عواملی که تاثیر زیادی بر میزان تلفات در حین زلزله دارد زمان وقوع زلزله است. زلزله ای که در طول روز اتفاق می افتد بیشتر در اداره جات، مدارس و مراکز تجمع عمومی باعث ایجاد تلفات می شود. در حالیکه تلفات مربوط به زلزله های رخ داده در شب (یعنی بین ساعت 11 شب تا 6 صبح) عمدتا معطوف به خانه ها و منازل مسکونی است. زلزله اگر در شب اتفاق بیافتد تلفات بیشتری را ایجاد می کند چراکه خواب بودن افراد فرصت عکس العمل را از آنها می گیرد. بنابراین یکی از عوامل تلفات زیاد در ترکیه و سوریه به دلیل رخداد زلزله در طول شب بوده که عموم مردم خواب بوده اند.
چه سازه هایی در طول زلزله کاملا فرو می ریزند؟
نوع خرابی در ساختمان ها از جمله مواردی است که قابل تامل است. اگر ساختمان های قدیمی و فرسوده در نزدیکی محل وقوع زلزله باشند، به احتمال زیاد آسیب شدید می بینند و خراب می شوند. اما سازه هایی که مهندسی ساز باشند و به ارتعاش درآیند، معمولا خراب نمی شوند مگر اینکه پدیده تشدید یا رزونانس اتفاق بیافتد. یعنی مثلا اگر شخصی در طبقه ششم یک ساختمان باشد و احساس کند که لوستر خانه تکان می خورد، نباید بترسد. باید خوشحال باشد که این سازه به واسطه المان های مقاومی که دارد قابلیت ارتعاش پیدا کرده است. ساختمانی که ارتعاش کند فرونمیریزد چون به واسطه میرایی، دامنه ارتعاش به مرور کم می شود. مگر اینکه همانطور که اشاره کردیم پدیده رزونانس اتفاق بیافتد.
چه وقت باید منظر پدیده رزونانس باشیم؟
برای صحبت در این موضوع باید قدری کلام را تخصصی تر کنیم. ما در موضوع زلزله با سه نوع پریود ارتعاشی سرو کار داریم: پریود طبیعی سازه، پریود طبیعی خاک، و پریود غالب زلزله. پدیده رزونانس وقتی اتفاق می افتد که پریود طبیعی سازه به پریود غالب زلزله نزدیک باشد. یک روش سر انگشتی برای محاسبه پریود سازه تقسیم تعداد طبقات ساختمان بر 10 است. مثلا پریود طبیعی یک ساختمان 10 طبقه حدود یک ثانیه است. از طرفی هم زلزله دارای یک پریود غالب است. مثلا اگر پریود غالب یک زلزله 0.5 ثانیه باشد، به احتمال زیاد ساختمان های 5 یا 6 طبقه رزونانس می کنند چرا که پریودی نزدیک به پریود سازه دارند.
آیا طول مدت ارتعاش زلزله هم مهم است؟
بله، اگر زلزله دوام داشته باشد و طولانی باشد (بیش از 15 تا 20 ثانیه)، خرابی های سازه ها و به تبع آن تلفات هم بیشتر می شود. درواقع اگر مدت زمان زلزله زیاد شود، آسیب های به وجود آمده در سازه ها پیشرونده می شوند و باعث تخریب سازه می گردند.
اثر خاک و پریود طبیعی آن در پدیده رزونانس و ارتعاش سازه چیست؟
برای صحبت در این موضوع می توان به عنوان مثال به ساختار لایه های خاک در سطح شهر تهران اشاره کرد. شمال تهران که در دامنه کوه قرار دارد خاک سفتی دارد ولی هرچه به سمت جنوب می رویم خاک نرم تر می شود. در این حالت پریود دیگری هم اهمیت پیدا می کند و آن پریود خاک است. جایی که خاک نرم و عمیق باشد، اثر زلزله تشدید میگردد و یا اصطلاحا amplify می گردد.
چه سازه هایی بیشتر در معرض خرابی اند، ساختمان های کوتاه یا بلند؟
پریود غالب زلزله معمولا بین 0.1 تا 0.7 ثانیه است. برای همین وقتی ارتفاع سازه زیاد می شود (بالای 7 طبقه) معمولا انتظار می رود در معرض آسیب زیادی از زلزله قرار نگیرند. اما سازه های بلند در معرض دو خطر هستند یکی اینکه زلزله در راه دور اتفاق افتاده باشد (به فاصله 70 کیلومتر یا بیشتر از سازه). به عنوان مثال، وضعیت گسل ها در اطراف تهران (شکل 1) نشان می دهد که گسل ری از جمله گسل های مهم در تولید زلزله سناریو در تهران می باشد. این گسل که تا شمال تهران فاصله دارد زیادی دارد (بیش از 30 تا 40 کیلومتر)، برای ساختمان های بلند موجود در مناطق شمالی شهر خطرناک تر از گسل شمال تهران است که در مجاورت ساختمان های این منطقه است. چون وقتی که محل زلزله دور باشد، امواج با پریود بلند به محل ساختمان می رسند، و چون پریود طبیعی ساختمان هم زیاد است، نوع ارتعاش آنها نزدیک به هم می شود و پدیده رزونانس اتفاق می افتد.
به عنوان یک مثال دیگر فرض کنید در جنوب تهران که خاک نرم است و ضخامت آبرفت ها زیاد است، ساختمان بلند بسازیم. در این حالت اگر زلزله راه دور هم اتفاق بیافتد، مثلا گسل شمال تهران منشا زلزله باشد، زلزله از راه دور به خاک نرم و ضخیم وارد شده و amplify می شود. بدین ترتیب بسیار محتمل است که پریود ارتعاش زمین به پریود ساختمان نزدیک شود و رزونانس ایجاد گردد. مثلا در 17 آگوست سال 1999 زلزله ی ایزمیت (کوجالی) در استان ساکاریا در ترکیه اتفاق افتاد که محل آن در 120 کیلومتری استانبول قرار داشت. اما چند برج بزرگ 30 طبقه در استانبول خراب شدند. دلیل این اتفاق سستی خاک و زلزله دوردست بود که برای برج ها خطرناک اند.
در یک بیان کلی، زلزله ها برای برج ها تعیین کننده و خطرناک نیستند. اما سازه وقتی که ارتفاعش زیاد می شود به ارتعاش ناشی از باد حساس می شود.
شکل 1. وضعیت گسل های اصلی اطراف تهران
کدام طبقات ساختمان ها در زلزله حساس ترند؟
به طور اصولی پایین ساختمان ها در زلزله آسیب پذیرتراند. یعنی زیرزمین و طبقه هم کف خطرناک ترین جای ساختمان برای زلزله هستند. چراکه بیشترین نیروها در همان پایین یعنی درهمان جایی که زمین حرکت می کند بر سازه وارد می شود. در واقع ستون های طبقه زیرزمین و همکف باید بتوانند همه سقف های بالایی را حرکت دهند. اگر توان کافی برای این موضوع نداشته باشند خورد می شوند. لذا بیشتر خرابی ها در طبقات پایین اتفاق می افتند. ولی از طبقه دوم به بالا تقریبا خطر آسیب پذیری کم می شود. مگر اینکه یک طبقه ای در ساختمان دارای یک سری خصوصیات ویژه و متفاوت با دیگر طبقات باشد، و در حین ارتعاش آسیب دیده و خورد شود.
کدام ساختمان ها در برابر زلزله مقاوم ترند؟ ساختمان های بتنی یا فولادی؟
در ایران انتظار می رود آسیب پذیری ساختمان های بتنی از ساختمان های فولادی بیشتر باشد. ریشه آسیب بیشتر در ساختمان های بتنی این است که بتن مورد استفاده در آنها اصطلاحا آبکی می باشد. یعنی گاها به جای مواد روان کننده، آب زیادی به بتن زده می شود تا انتقال آن روان تر گردد. این کار باعث می شود که بتن به سادگی به سمت بالا پمپاژ گردد و پمپ نسوزد. با این حال، آب زیادی که داخل بتن وارد می گردد به درستی با سیمان ترکیب نشده و به صورت منافذ باقی می ماند که پس از خشک شدن باعث پوک شدن بتن می گردد. در زلزله 1999 ترکیه ساختمان های زیادی کاملا فروریختند و اصطلاحا به شکل "پنکیک" له شدند. چراکه وقتی بتن پوک باشد دیگر مقاومت فشاری چندانی ندارد و هر چقدر هم میلگرد و خاموت در داخل آن استفاده شود چندان فایده ای ندارد. بعد از اطمینان از سلامت بتن، باید خاموت بندی ها خوب اجرا شوند. یعنی دورپیچی بتن باید درست انجام گردد و نباید فاصله آنها زیاد باشد. وظیفه خاموت ها دورپیچ کردن بتن و محدود کردن ترک هاست.
دلیل اصلی کشته شدن مردم زیر آوار چیست؟ چقدر زمان برای امداد و نجات پس از زلزله در اختیار است؟
برآورد کشته های یک زلزله زمان بر است. اگر در ساعات اولیه برآوردها بر کشته شدن چند ده نفر باشد، باید منتظر چندین برابر شدن این آمار بود. افرادی که زیر آوار می مانند دچار سه مشکل اصلی می شوند: ضربه و خونریزی مغزی، خونریزی داخلی، و مشکلات تنفسی. در واقع آوار روی گردن و شریان های تنفسی فشار می آورد، و تنفس را سخت می کند. از طرفی هم زیر آوار هوای کافی برای تنفس وجود ندارد. تجربه نشان داده است که 50 تا 60 درصد افرادی که زیر آوار مانده اند در همان یک یا دو ساعت بعد زلزله جان خود را از دست می دهند. با این حال عملیات امداد و نجات تا 72 ساعت بعد از وقوع زلزله هم می تواند مؤثر باشد و منجر به نجات افراد گردد. بعد از 72 ساعت در شرایط عادی امید برای زنده ماندن افراد کم می شود چرا که حتی در صورت عدم مجروحیت، به علت نرسیدن آب به بدن، شخص تلف می شود.
در ابتدای صحبت ها گفته شد که انتظار زلزله ای نسبتا بزرگ در تهران می رود. دلیل این امر چیست؟
از لحاظ علم آینده پژوهی زلزله در تهران به وقوع خواهد پیوست. عمده استدلال موجود در این زمینه مربوط به فعالیت های تکتونیکی صفحات و گسل های منطقه و تاریخچه فعالیت آنها می باشد. در واقع بیش از 170 تا 180 سال است که از آخرین حرکت گسل ری گذشته است درحالیکه پریود تکرار آن 150 سال است. از این رو انتظار می رود که این گسل مجدد شکسته شده و زلزله ای در منطقه رخ دهد.
اگر زلزله ای در تهران رخ دهد آیا میزان خسارات و تلفات بشدت زیاد خواهد بود و میلیون ها نفر کشته خواهند شد؟ آیا تخمینی در این زمینه موجود است؟
نه، اینطور نیست. تحلیل خطر لرزه ای و ارزیابی آسیب پذیری سازه ها در تهران انجام شده است. همانطور که در شکل 1 هم نشان داده شده است، چهار گسل سناریو در اطراف تهران وجود دارد: گسل مشا، گسل شمال تهران، گسل ری شمالی و گسل ری جنوبی. برآوردها نشان می دهند که به طور تقریبی زلزله تولید شده از این گسل ها باعث خرابی کمتر از 500 هزار واحد مسکونی (نه آپارتمان) و تلفاتی کمتر از 250 هزار نفر می گردد. بین ساختمان های خراب شده و تلفات انسانی یک رابطه برقرار است. مثلا به طور تقریبی این نرخ برای ژاپن 5 درصد است، یعنی اگر 100 ساختمان خراب شود 5 نفر کشته می شوند. در زلزله بم این نرخ حدود 100 درصد بوده است. یعنی به ازای هر ساختمان خراب شده یک نفر کشته شده است. در تهران یک زمانی این نرخ 50 درصد بوده، بعد تبدیل به 30 درصد شده و در آینده امیدواریم این نرخ کمتر شود. چراکه در واقع مقاوم سازی هایی که در سال های اخیر انجام شده است و طرح های بهسازی لرزه ای که در محدوده تهران بزرگ انجام شده است باعث کاهش این سطح از خسارات و تلفات خواهد گردید.
آیا خطوط توزیع گاز شهری و علمک های گاز در زلزله شکسته شده و منفجر می شوند؟
علمک های گاز خسارت جدی نخواهند دید مگر در ساختمان هایی که فروبریزند، اختصاصا ساختمان های جنوبی که علمک زیر سقف قرار بگیرد. یعنی در صورتی این علمک ها آسیب می بینند که ساختمان فرسوده ای خراب شده و روی علمک بریزد. اثر زلزله بر روی شریان های حیاتی بحث نسبتا مفصلی است که نیاز به وقت دیگری برای صحبت دارد. ولی در مجموع بهسازی لرزه ای شریان های حیاتی کشور و همینطور اقدامات انجام شده در حیطه مدیریت بحران شهری، وضعیت بهتری را نسبت به گذشته برای ما رقم خواهد زد.
برای دوستانی که علاقه مند به یادگیری تحلیل خطر لرزه ای ساختگاه می باشند دوره ی تخصصی آماده شده و در لینک (+) ارائه گردیده است. جهت آشنایی با پیاده سازی عملی و نحوه انجام محاسبات در این زمینه می توانید این دوره را مشاهده بفرمایید.