مقاله تحلیلی:‌ زلزله و پیامدهای آن

پیامدهای زلزله را می‌توان به دو گروه- خطرهای اولیه و ثانویه دسته‌بندی کرد.

• خطرهای اولیه براثر اندرکنش مستقیم انرژی حاصل از موج لرزه‌ای با زمین به وجود می‌آید. در اکثر حالات، این خطرات به پارگی گسل و لرزش زمین محدود می‌شوند.
•  خطرهای ثانویه در نتیجه‌ی لرزش زمین به وجود می‌آیند که در قالب نشست زمین، جابجایی جانبی زمین، روانگرایی، لغزش زمین و ریزش سنگ، سونامی، سیل، آتش‌سوزی و فروریزش آوار ظاهر می‌شوند.

 در این بخش خطرهای ثانویه‌ای که براثر لرزش زمین به وجود می‌آیند، به‌صورت مختصر شرح داده می‌شوند. خطرهای دیگر خارج از محدوده‌ی این مقاله است.

پارگی سطحی

اولین خطر مهم زلزله، پارگی سطحی است که ممکن است به دلیل جابجایی قائم یا افقی در هریک از دو طرف یک گسل گسیخته شده ایجاد شود و می‌تواند ناحیه‌های وسیعی از سطح زمین را تحت تأثیر قرار دهد (حرکت تکتونیکی).

زمانی که کانون زلزله کم‌عمق است، گسیختگی گسل ممکن است در امتداد سطح زمین رخ دهد که باعث تغییر شکل زمین، شیارهای عمیق، سواحل با شیب تند و جابجایی‌های جانبی می‌شود. این تغییر شکل‌ها ممکن است خسارت‌های شدیدی را به سازه‌ها، جاده‌ها، خطوط راه‌آهن و زیرساخت‌های مدفون مانند خطوط لوله وارد سازد.

گسیختگی‌های سطحی گسل به علت مقاومت فونداسیون و فشردگی موضعی خاک از اطراف سازه‌های مهم منحرف می‌شوند؛ اما این شرایط همواره اتفاق نمی‌افتد. گسیختگی سطحی وقتی‌که با یک سازه‌ی سبک برخورد می‌کند تقریباً همیشه باعث ایجاد خسارت شدید می‌شود که غالباً بخش‌های کوچک‌تر ساختمان‌ها را دچار گسیختگی می‌کند.

لرزش زمین

ومین خطر مهم زلزله، لرزش زمین است که در نتیجه‌ی شتاب سریع زمین به وجود می‌آید. لرزش زمین در یک ناحیه براثر فاکتورهایی همچون توپوگرافی، نوع بستر کف و موقعیت و محل پارگی گسل تغییر می‌کند.

همگی این موارد بر روی حرکت امواج لرزه‌ای در داخل زمین تأثیر می‌گذارند. درصورتی‌که شدت لرزش یک زلزله به‌اندازه کافی بزرگ باشد، سازه‌های ساختمانی به‌شدت آسیب‌دیده و صخره‌ها و سطوح شیب‌دار زمین ممکن است به‌صورت موقت یا دائمی دچار ناپایداری شوند. در زلزله‌های بزرگ، کل ناحیه ممکن است درنتیجه‌ی لرزش زمین دچار تخریب شود.

• جابجایی زمین، مقدار حرکت زمین در طول زلزله را گویند. این حرکت می‌تواند باعث تغییر موقعیت زمین در هردو جهت افقی و قائم شده و نسبت به اجسام یا دیگر نواحی زمین که در نزدیکی آن قرار دارد، حرکت کند.
• سرعت زمین معیاری است از اینکه زمین تا چه حدی سریع جابجا شده است- سرعت و جهتی که زمین برای رسیدن از موقعیت اصلی خود به موقعیت جدیدش طی کرده است. آن بخش از زمین که با سرعت بالاتری حرکت می‌کند، سریع‌تر نیز جابجا می‌شود.
• شتاب زمین معیاری است از اینکه سرعت زمین در طول زلزله تا چه حدی سریع تغییر می‌کند. شتاب باعث حرکت سریع و وحشتناک زمین به سمت جلو و عقب و بالا و پایین می‌شود.

جابجایی، سرعت و شتاب نیز عامل بسیاری از اثرات ثانویه‌ی زمین ازجمله روانگرایی، نشست و حرکت جانبی می‌باشند که می‌توانند توانایی خاک برای نگهداری اجسام روی سطح زمین را تحت تأثیر قرار دهد.

تنش سازه‌ای

لرزش زمین عمده‌ترین روشی است که زلزله از طریق آن بر روی ساختمان‌ها تأثیر می‌گذارد. شتاب سریع زمین زیر ساختمان نیروهای اینرسی را در سازه ایجاد می‌کند. درصورتی‌که این نیروها خیلی بزرگ باشند یا اینکه ساختمان نتواند در برابر این نیروها مقاومت کند، این فرآیند ممکن است باعث خسارت شود.

تکان زلزله باعث حرکت در هر سه محور اصلی می‌شود (بالا و پایین، چپ و راست، جلو و عقب). حرکت جانبی در صفحه‌ی افقی (چپ و راست، جلو و عقب) مکن است باعث اعمال تنش اضافی بر روی المان‌های سازه‌ای که معمولاً برای حمل بارهای قائم طراحی شده‌اند (مانند دیوارها، ستون‌ها و تیرها) شود.

در ساختمان‌ها، این المان‌ها معمولاً به‌منظور پایداری در برابر مقدار مناسبی از حرکت جانبی، همچون حرکتی که توسط باد یا بارگذاری لرزه‌ای ایجاد می‌شود، طراحی می‌گردند؛ اما درصورتی‌که نیروی لرزش زلزله بیش از نیروی رو به پایین شود، این امکان وجود دارد که المان تحت تنش اضافی قرار گیرد (به‌عنوان‌مثال در تیرها، وقتی نیروی زلزله بزرگ‌تر از مجموع نیروی ثقلی و شتاب زمین در جهت عمودی شود).

وقتی‌که این اتفاق روی می‌دهد، سازه‌های غیرمسلح ممکن است یکپارچگی خود را از دست داده و دچار تغییر شکل، ترک‌خوردگی یا فروریزش شوند. المان‌هایی که در معرض گسیختگی فاجعه باری قرار نمی‌گیرند همچنان ممکن است ضعیف شده باشند که توانایی آن‌ها در تحمل بارهای طراحی اصلی کاهش یابد.

مقدار حرکت و تنشی که سازه می‌تواند در طول یک زلزله تحمل کند بستگی به عوامل زیادی دارد که عبارت‌اند از:

• عمر سازه و وضعیت تعمیر آن
• مقاومت، صلبیت و پایداری ذاتی طراحی سازه
• ویژگی‌های طراحی که به‌منظور کاهش اثرات زیان‌بار لرزش در نظر گرفته شده‌اند.
• خواص مصالحی که برای ساخت سازه استفاده شده‌اند (بتن، فولاد و غیره)
•  کیفیت ساخت ساختمان
• استفاده از هرگونه ابزارهای انعطاف‌پذیری لرزه‌ای به‌منظور جدا کردن، میرا کردن یا انتقال اثرات زیان‌بار
• بزرگی زلزله‌هایی که در طراحی فرض شده سازه در برابر آن‌ها مقاومت می‌کند.

نشست زمین

پایین آمدن سطح زمین که فروکش یا نشست نامیده می‌شود غالباً در طول زلزله رخ می‌دهد. علل رایج نشست زمین در طول یک زلزله عبارت است از: تحکیم یا گسیختگی زمین زیر یک فونداسیون، تراکم لایه‌های ماسه و شن براثر لرزش زمین و روانگرایی.

نشست حاصل از گسیختگی زمین می‌تواند باعث جابجایی، کج شدگی، کشیدگی، پیچش، کمانش یا ترکیبی از تمامی این پنج مورد شود. اینکه ساختمان تا چه حدی آسیب می‌بیند بستگی دارد به:

• شدت نشست (که با عملکرد و رفتار زمین در ارتباط است)
• نوع فونداسیون و سازه و مقاومت آن‌ها
•  هندسه و پیچیدگی طرح کلی

نشست یکنواخت

نشست یکنواخت زمانی رخ می‌دهد که فونداسیون یک ساختمان در تمام سطح خود به مقدار یکسان دچار نشست شود. یک اثر مربوط به آن نشست کج شدگی است که زمانی رخ می‌دهد که کل ساختمان به‌صورت یک جعبه‌ی صلب دچار کج شدگی شود.

نشست غیریکنواخت

در برخی حالات، تنها بخشی از فونداسیون تحت تأثیر گسیختگی زمین قرار می‌گیرد یا اینکه بخشی از فونداسیون نسبت به بخش‌های دیگر در محدوده‌ی تأثیر بیشتری قرار می‌گیرد. این نوع اثر، نشست غیریکنواخت نامیده می‌شود و می‌تواند آسیب بسیار شدیدتری را نسبت به نشست یکنواخت یا کج شدگی به ساختمان وارد سازد.

به‌عنوان‌مثال، یک گوشه از دال فونداسیون ممکن است نشست را تجربه کند در حالی که بقیه‌ی فونداسیون بدون نشست باقی بماند. تغییر نهایی که در نشست فونداسیون به وجود می‌آید می‌تواند سطوح تنش بالاتری را در اعضای طبقه، دیوار و بام به وجود آورد.

نشست غیریکنواخت می‌تواند یک تغییر ناگهانی در سطح به وجود آورد یا اینکه باعث شود تمامی گوشه‌های فونداسیون به مقدارهای مختلفی دچار نشست شود.

روانگرایی

روانگرایی زمانی اتفاق می‌افتد که تکان لرزه‌ای نوع خاصی از مصالح اشباع زمین را تحریک کند. ساختمان‌ها و دیگر سازه‌های سطحی که بر روی زمین روان گرا شده قرار دارند، ممکن است دچار نشست یا کج شدگی شوند. سازه‌های تو خالی زیرزمینی مانند لوله‌ها و تانکرها نیز ممکن است بر اثر نیروهای رانشی تا سطح زمین بالا بیایند.

اگرچه که هیچ معیار استانداردی برای شناسایی خاک دارای قابلیت روانگرایی وجود ندارد، اما عموماً فرآیندی که باعث آغاز روانگرایی می‌شود زمانی اتفاق می‌افتد که عناصر کلیدی زیر وجد داشته باشند:

1. ذرات خاک گسسته و بدون چسبندگی هستند و با تکان خوردن به یکدیگر نزدیک‌تر خواهند شد.
2. اندازه‌ی ذرات خاک در محدوده‌ی لای درشت تا ماسه‌ی ریز باشد که حدوداً دارای قطر 0.01-1.00 میلی‌متر می‌باشند. (این تأثیر در خاک‌های دیگر تنها تحت شرایط خاصی ایجاد می‌شود.)
3. زمین اشباع باشد (بخصوص مصالحی که زیر سطح آب‌های زیرزمینی هستند).
4. لرزش به‌اندازه کافی رخ دهد (سطح لرزشی که باعث روانگرایی می‌شود بستگی به چندین عامل ویژه‌ی ساخت گاه دارد).

زمانی که همگی چهار شرایط وجود داشته باشند، مصالح گسسته تحت نیروی ثقلی شروع به تراکم می‌کنند که فضاهای بین دانه‌ها را می‌بندند؛ اما آبی که قبلاً این فضاها را پرکرده است در برابر این تغییر مقاومت می‌کند و در مصالح موجب افزایش فشار می‌شود. درنهایت فشار به‌اندازه‌ای افزایش می‌یابد که دانه‌ها به حالت شناور درآمده و در آب معلق شوند. در این نقطه، خاک کاملاً مقاومت خود را از دست داده است. خاکی که جامد بوده است ازآن‌پس مانند یک مایع عمل می‌کند.

باوجود مقاومت باربری پایین‌تر، خاک روان گرا شده دیگر نمی‌تواند مقدار مشابه وزنی را که در زمان جامد بودن تحمل می‌کرده است را متحمل شود. اجسامی که بر روی سطح خاک قرار دارند، مانند ساختمان‌ها، ممکن است دچار نشست جزئی شده یا اینکه در خاک روان گرا شده فروروند که متعاقباً باعث وارد شدن خسارت به فونداسیون ساختمان‌ها و سازه‌ای که از آن پشتیبانی می‌شده، می‌شود.

زمانی که این خاک روان گرا شده در زیر توده‌ی پیوسته‌ی بزرگی مانند لایه‌ای جامد از خاک قرار داشته باشد، فشار ایجادشده می‌تواند خاک روان گرا شده را به سمت بالا ببرد. این بالاآمدگی در شکاف‌های کوچک و نقاط ضعیف لایه‌ی خاک ظاهر می‌شود که باعث جوشش‌های کوچک (گاهی اوقات جوشش ماسه یا تورم نامیده می‌شود) لای، ماسه و آب‌های زیرزمینی می‌شود. در حالات شدید، این پدیده می‌تواند باعث ایجاد سیلاب موقت سطح شود.

خاک ممکن است تا چندین ساعت بعد از توقف تکان‌های زلزله به‌صورت روان گرا باقی بماند که به‌تدریج دوباره به حالت جامد درمی‌آید و دوباره مقاومت باربری خود را با توزیع فشار درون مصالح، به دست می‌آورد. در برخی حالات حتی ممکن است خاک مقاومت باربری بالاتری نسبت به حالت قبل از روانگرایی داشته باشد، اگرچه که در زلزله‌های متوالی کَنتِربِری این ادعا صحیح نبود.

روانگرایی می‌تواند در سرتاسر لایه‌های زیرسطحی رخ دهد اما هرچه نزدیک‌تر به سطح زمین روی دهد، زیان‌بارتر خواهد بود. روانگرایی ممکن است در پشت لایه‌ی رسوبی عمیق که بالای سطح وسیعی قرار دارد، رخ دهد و پس از زلزله توزیع نشود. درصورتی‌که این حالت در یک ناحیه‌ی پرجمعیت اتفاق بیفتد، مشابه آنچه در سال 2010 و 2011 در کرایست¬چرچ دیده شد، می‌تواند خرابی وسیعی را برای مدت‌زمان طولانی به وجود آورد.

همچنین روانگرایی بر نشست و گسترش جانبی زمین نقش دارد.

روانگرایی می‌تواند در کنار سواحل رودخانه‌ها و معبرهای آبی باعث ایجاد گسترش جانبی شود. ترک‌ها می‌توانند در طول سواحل بازشوند که می‌توانند به سمت دیگر عوارض سازه‌ای و فونداسیون‌های ساختمانی توسعه پیدا کنند.

در طول روانگرایی، ماسه، لای و آب توسط فشار زیرزمین به‌طرف سطح زمین بالا می‌آیند. در برخی حالات، مصالح از طریق شکاف‌های کوچک به بالا هدایت می‌شوند و پس از تشکیل جوشش‌های ماسه‌ای بر روی سطح جمع می‌شوند.

زمین روان گرا شده در مقایسه با دیگر زمین‌ها مقاومت کمی دارد. اجسام سنگین، مانند تیرک‌های برق، اتومبیل‌ها و ساختمان‌ها، می‌توانند واژگون شده یا در خاک روان گرا شده فروروند.

عملکرد زمین در Christchurch

زلزله‌های سال 2010 در دارفیلد و 2011 در کرایست¬چرچ اثرات قابل‌ملاحظه‌ای بر زمین در شهر کرایست¬چرچ به وجود آوردند. گسترش‌های جانبی زیادی در نزدیکی معبرهای آب، جریان‌ها و رودخانه‌ها و نشست غیریکنواخت زمین براثر روانگرایی در حومه‌ی شهر مشاهده شد. در برخی حالات گسترش جانبی تا 400 متر از نزدیک‌ترین معبر آبی رسید که با 4 متر حرکت جانبی زمین همراه بود. گسترش بسیار کمتر از این مقدار در برخی از نواحی شهر نیز رخ داد. نشست‌های زمین تا 200 میلی‌متر متعارف بوده و در نواحی وسیعی از شهر رخ داد. نواحی که دچار بدترین خسارت‌ها شدند، نشست‌های 500 میلی‌متر یا بیشتر را تجربه کردند. نشست‌های غیریکنواخت بسیار بیشتری در فواصلی کم از یکدیگر رخ داد. این نشست اثرات زیان‌باری همچون قرار گرفتن این نواحی در معرض وقوع سیلاب به همراه داشت.

جابجایی جانبی زمین

حرکت جانبی زمانی اتفاق می‌افتد که تکان زلزله باعث شود توده‌ای از خاک چسبندگی خود را از دست داده و نسبت به خاک اطراف حرکت کند. حرکت جانبی ممکن است کاملاً افقی بوده و بر روی زمین صاف رخ دهد اما به‌احتمال‌زیاد بر روی زمین شیب‌دار مانند دامنه‌ها و معبرهای آب به وقوع می‌پیوندد.

در اکثر حالات، حرکت جانبی عبارت است از لغزش یک بلوک دست‌نخورده خاک به سمت پایین دامنه- پدیده‌ای که لغزش بلوک یا حرکت جانبی توده خاک نامیده می‌شود؛ اما یک حرکت جانبی می‌تواند با حرکت خود زمین را نیز گسترش دهد که این پدیده گسترش جانبی نامیده می‌شود.

گسترش جانبی

زمانی که گسترش جانبی رخ می‌دهد، زمین دچار پارگی می‌شود که باعث می‌شود ترک‌ها و شکاف‌های سطحی در راستای شیب باز شوند. این نوع از گسترش زمین می‌تواند نیروهای جانبی قابل‌توجهی را به المان‌های فونداسیون و سازه‌های ساخته‌شده معرفی کند. درصورتی‌که فونداسیون به‌اندازه‌ی کافی برای مقاومت در برابر این حرکت قدرتمند نباشد، گسترش جانبی باعث توسعه‌ی آن می‌شود.

این نوع از گسترش زمین می‌تواند نیروهای جانبی قابل‌توجهی را به المان‌های فونداسیون و سازه‌های ساخته‌شده وارد می‌کند. درصورتی‌که فونداسیون به‌اندازه‌ی کافی برای مقاومت در برابر این حرکت مقاومت نداشته باشد، گسترش جانبی باعث توسعه‌ی آن می‌شود.

 گسترش جانبی نزدیک یک معبر آب می‌تواند به زمین اطراف و ساختمان‌هایی که نگهداری می‌کند، آسیب وارد سازد. عموماً درجه‌ی حرکت جانبی با افزایش فاصله از معبر آب کاهش می‌یابد.

 در مورد یک دال بتنی غیرمسلح، این احتمال وجود دارد که ترک در نواحی مختلف عمود برجهت گسترش اتفاق بیفتد. MBIE در دستورالعمل فنی خود با عنوان تعمیر و بازسازی خانه‌هایی که تحت تأثیر زلزله‌های کنتربری قرارگرفته‌اند می‌گوید که: اگر سطح طبقه‌ی ساختمان به‌اندازه‌ی کافی مقاوم نباشد، ممکن است دال بتنی کف ترک بخورد یا کف چوبی در اتصالات بین اعضای قاب به‌تدریج دچار گسیختگی شود.

لغزش بلوک

لغزش بلوک یا حرکت جانبی توده خاک زمانی اتفاق می‌افتد که مقطعی از زمین به‌صورت تکه‌ای کامل بدون هیچ کشش، کرنش یا تغییر قابل‌توجهی در شکل یا ویژگی‌های سطح حرکت کند. این نوع حرکت باعث ایجاد بلوک‌هایی از زمین می‌شود که به‌صورت جانبی به‌سوی یک لبه‌ی آزاد مانند جریان یا معبر آب حرکت می‌کنند.

دلیل این حالت گسیختگی شیب بر روی دامنه است که در زیر آن خاک‌های روان گرا شده وجود ندارد. در این حالت، وزن این بلوک خاک، غالباً در ترکیب با اثر غیر ایستایی آب زیرزمینی یا تکان لرزه‌ای، از مقدار مقاومت برشی زمین فزونی می‌یابد. درنتیجه، مقطعی از زمین نسبت به موقعیت اولیه‌ی خود حرکت می‌کند.

این نوع حرکت می‌تواند باعث ایجاد بلوک‌هایی از زمین شود که به‌صورت جانبی حرکت می‌کنند. ساختمان‌های موجود در وسط بلوک خسارت اندکی را تحمل می‌کنند. این در حالی است که ساختمان قرارگرفته در لبه‌ها، خسارت غیرقابل تعمیری را متحمل می‌شوند.

زمین‌لغزش و ریزش کوه

شتاب حاصل از تکان زمین می‌تواند صخره‌ها و سطوح شیب‌دار را از تعادل خارج کرده و باعث شروع لغزش زمین و ریزش کوه شوند.

زمین‌لغزش‌ها

در هر شیبی که توده‌های نسبتاً بزرگی از مصالح روی خاکی باشند که ممکن است تحت کرنش نرم‌تر شوند، این احتمال وجود دارد که در معرض خطرهای ناشی از لغزش زمین قرار کیرند. ریسک این خطر در نواحی که زمین شیب‌دار، ضعیف یا ترک‌خورده بوده، از باران اشباع‌شده یا اینکه توسط حرکت‌های پیشین زمین تغییریافته باشد، شدت می‌یابد.

 ریزش کوه

خطر ناشی از ریزش سنگ عمدتاً بر روی شیب‌هایی که ریزش اتفاق می‌افتد یا در فاصله‌های اندکی در اطراف آن‌ها وجود دارد. این خطر ناحیه بسیار گسترده‌ای را تحت تأثیر قرار می‌دهد و لذا در نظرگیری و کنترل خطرهای ناشی از ریزش سنگ دشوار است.

ساده‌ترین راه برای کاهش ریسک خطرهای ریزش سنگ برای سازه‌ها، غالباً جلوگیری از ساخت سازه در نواحی دارای ریسک بالا است.

عملکرد زمین

شدت خطرهای زلزله به قدرت و عمق زلزله بستگی دارد، اما چندین عامل مؤثر دیگر نیز وجود دارد.

زمین‌شناسی منطقه، توپوگرافی محلی و ویژگی‌های ساخت گاه همگی بر روی اثرگذاری زلزله در ناحیه‌ی موردنظر تأثیر می‌گذارند.

توپوگرافی

درس‌های آموخته‌شده از زلزله‌های اخیر در نیوزلند نشان داده‌اند که توپوگرافی ساخت گاه ساختمان می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر درجه‌ی آسیب حاصل از یک زلزله داشته باشد. دیده‌شده است که خانه‌های ساخته‌شده بر روی زمین مسطح بدون وجود مسائل مرتبط با روانگرایی در یک زلزله نسبت به ساختمان‌هایی که در لبه‌های تپه و شیب‌های تند ساخته‌شده‌اند، آسیب کمتری دیده‌اند.

MBIE در دستورالعمل خود با عنوان تعمیر و بازسازی خانه‌هایی که تحت تأثیر زلزله‌های کنتربری قرارگرفته‌اند، می‌گوید: "به‌صورت کلی ویژگی‌های دامنه نسبت به ویژگی‌های زمین مسطح پیچیده‌تر هستند و در مورد آن‌ها روش استانداردی در رابطه با فونداسیون‌ها و مسائل پایداری وجود ندارد."

ویژگی‌های ساختگاه

مطالعات رویدادهای پیشین همچنین نشان می‌دهند که شرایط محلی زمین به‌طور قابل‌توجهی بر روی نوع و درجه‌ی آسیبی که یک ساختمان ممکن است در زلزله متحمل شود، تأثیر می‌گذارند.

شدت خطر لرزش زمین در یک ساخت گاه مشخص بستگی به فاکتورهای زیادی دارد که عبارت‌اند از:

•  انرژی امواج لرزه‌ای (دامنه، فرکانس و مدت دوام)
• فاصله از رومرکز رویداد
• عمق، چگالی و نوع خاک بین سازه و بستر سنگی
• ویژگی‌های جغرافیایی منطقه

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس  بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت 500 تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.