خاک­ها و سازه­ها اغلب تحت بارهای استاتیکی ناشی از سازه­ها در داخل و روی زمین نیستند بلکه تحت بارهای دینامیکی نیز می­باشند. در مدل کردن پاسخ دینامیکی سازه خاک، اینرسی زیر خاک و وابستگی زمان بار در نظر گرفته می­ شود. در این قسمت کلیاتی از زلزله بیان و با اعمال ارتعاش زلزله بر سازه تونل­ها نیروها و تغییر شکل­های بوجود آمده را بررسی می­کنیم.
۴-۲۰- کلیات
۴-۲۰-۱- کانون و مرکز زلزله
نحوه انتشار امواج زلزله بگونه­ای است که گویی از یک مرکز واحد ساطع شده ­اند. این مرکز را کانون زلزله می­نامند. تصویر این نقطه در سطح زمین را مرکز زلزله^[۲۵] و فاصله این نقطه تا سطح زمین را عمق زلزله^[۲۶] می­خوانند. زلزله را بر حسب عمق به دو نوع سطحی و عمیق تقسیم می­ کنند. عمق زلزله­های سطحی کمتر از ۷۰ کیلومتر است و زلزله های عمیق از عمق ۳۰۰ تا ۶۰۰ کیلومتری منتشر می­شوند.
شکل (۴-۱۰) کانون و مرکز زلزله
۴-۲۰-۲- امواج زلزله
دو نوع موج از کانون منتشر می­ شود: حجمی^[۲۷] و سطحی^[۲۸]. امواج حجمی خود به امواج طولی (P) و عرضی (S) تقسیم می­شوند. ارتعاش امواج طولی در امتداد انتشار موج و امواج عرضی عمود بر این امتداد صورت می­گیرد. سرعت امواج طولی و عرضی با یکدیگر متفاوت است. در نتیجه در نقطه­ای دور از کانون، ابتدا امواج طولی و سپس امواج عرضی دریافت می­ شود و از روی فاصله زمان دریافت این دو موج و با داشتن سرعت انتشار هر کدام می­توان فاصله کانون زلزله تا نقطه مورد نظر را محاسبه نمود. امواج سطحی که بر سطح زمین منتشر می­شوند و بیشتر در زلزله­های سطحی قابل دریافت هستند بر دو گونه­اند: لاو^[۲۹] و ریلی^[۳۰].
موج لاو در محیط­های لایه لایه اتفاق می­افتد و ارتعاش در صفحه موازی سطح زمین و در جهت عمود بر انتشار موج صورت می­گیرد. ارتعاش موج ریلی در صفحه عمود بر سطح زمین صورت گرفته و حرکت بیضی گونه دارد و سرعت آن اندکی کمتر از امواج عرضی است. نحوه حرکت این امواج در اشکال (۴-۱۱) تا (۴-۱۴) نشان داده شده است.
شکل (۴-۱۲) جهت ارتعاش ذرات و انتشار موجS شکل (۴-۱۱) جهت ارتعاش ذرات و انتشار موج P

شکل (۴-۱۴) جهت ارتعاش ذرات و انتشار موج رایلی شکل (۴-۱۳) جهت ارتعاش ذرات و انتشار موج لاو
۴-۲۰-۳- گسل زلزله:
مشاهدات میدانی نشان می­دهد که تغییرات ناگهانی در ساختار سنگ­ها امری طبیعی است. در برخی از مکان­ها دیده شده است که یک نوع سنگ به سنگی از نوع کاملاً متفاوت در امتداد یک صفحه تماس متصل شده است. چنین اختلافی در ساختار زمین شناختی گسل نامیده می­ شود.
طول گسل­ها از چند متر به چند کیلومتر متغیر است. وجود گسل­ها نشان دهنده آن است که در زمان مشخصی از گذشته، جابجایی در امتداد آن­ها رخ داده است. چنین جابجایی­هایی می ­تواند لغزش تدریجی و کند باشد که هیچگونه تکان زمینی را ایجاد نمی­کند و یا گسیختگی ناگهانی (زلزله) باشد.
سطح گسل ممکن است جهت خاصی نداشته باشد. با این وجود بسیاری از گسل­ها دارای سطوح قائم یا موربی هستند که در امتداد جابجایی­های قائم و افقی رخ داده است. بر همین اساس گسل را به چند نوع تقسیم می­ کنند:
گسل­هایی که جابجایی اصلی آنها در سطح افقی صورت گرفته و ناشی از لغزش افقی­^[۳۱]اند، گسل جانبی^[۳۲] نامیده می­شوند.
گسل­هایی که جابجایی آنها در سطح قائم انجام شوند دارای لغزش عمودی^[۳۳] اند و ممکن است در اثر حرکات کششی ایجاد شوند (گسل نرمال یا عادی^[۳۴] ) و یا در اثر حرکات فشاری^[۳۵] (گسل وارونه یا معکوس^[۳۶] پدید آیند. جابجایی گسل در زمین لرزه ممکن است تقریباً بطور کامل افقی باشد، همانند زلزله سال ۱۹۰۶ در سانفرانسیسکو که در امتداد گسل سان آندریاس رخ داد، اما اغلب حرکات عمودی بزرگی، همانند حرکتی که در سال ۱۹۵۴ بر اثر زلزله دیسکی ولی (نوادا) رخ داد، مشاهده می­ شود. در کالیفرنیا بر اثر زلزله سال ۱۹۷۱ سان فرناندو، در برخی از مکان­ها تغییر ترازی به اندازه ۳ متر در امتداد گسل گسیختگی رخ داد. طبقه بندی گسل­ها فقط به هندسه و جهت لغزش نسبی بستگی دارد.
انوع مختلف گسل در شکل (۴-۱۳) نشان داده شده است. شیب گسل زاویه­ای است که سطح گسل با صفحه افق می­سازد و منظور از امتداد گسل جهتی است که خط گسل، که در سطح زمین قابل رویت است، نسبت به امتداد شمال دارد.
گسل امتداد لغز که گاهی اوقات گسل تراگذر نامیده می­ شود شامل جابجایی سنگ­ها بطور جانبی و به موازات امتداد گسل است. اگر بر یک طرف گسل بایستیم و حرکت را در طرف دیگر از چپ به راست ببینیم، آن گسل را گسل امتدادی راست لغز می­نامند. به همین ترتیب می­توان گسل امتدادی چپگرد را تعریف کرد.
شکل (۴-۱۵) انواع گسل
گسل شیب لغز گسلی است که حرکت آن تا اندازه زیادی به موازات شیب گسل است و لذا مؤلفه­ های قائم جابجایی دارد. گسل مستقیم گسلی است که در آن صخره بالای سطح شیبدار گسل، نسبت به پوسته زیرین خود، به سمت پایین حرکت کند. گسل­هایی که تقریباً لغزش دارند جزو این دسته محسوب می­شوند. گسل معکوس گسلی است که در آن پوسته بالای سطح شیبدار گسل، نسبت به بلوک زیرین گسل، به سمت بالا حرکت کند. در اغلب حالات لغزش گسل ترکیبی از جابجایی امتدادی (امتداد لغزی) و جابجایی شیبی (شیب لغزی) است و گسلش مایل نامیده می­ شود.
۴-۲۱- الزامات نرم افزاری
۴-۲۱-۱- مرزهای جاذب^[۳۷]
زلزله بوسیله تحمیل کردن تغییر مکان­های مقرر شده^[۳۸] در مرز پایین مطابق شکل (۴-۱۴) شبیه­سازی می­ شود. شرایط مرزی ویژه­ای برای به حساب آوردن واقعیتی که خاک یک محیط نیمه بینهایت است تعریف می­ شود. بدون این شرایط مرزی ویژه، موج­ها روی مرزهای مدل به خاطر اغتشاش بازتاب خواهد نمود. برای جلوگیری از این بازتاب­های کاذب، مرزهای جاذب مشخص می­شوند. در واقع مرزهای جاذب برای جذب افزایش تنش­ها روی مرز­ها که از بارهای دینامیکی ناشی می­شوند، می­باشد در غیر این صورت به طرف خاک بازتاب خواهند کرد.

شکل (۴-۱۶) مرزهای جاذب مدل
۴-۲۱-۲- میرایی
میرایی مصالح در خاک عموماً از مشخصات ویسکوزیته، اصطکاک و توسعه پلاستسیته ناشی می شوند. با این وجود در PLAXIS مدل­های خاک شامل ویسکوزیته نمی­باشند. در عوض جمله میرایی در نظر گرفته می­ شود که متناسب با جرم و سختی سیستم می­باشد (میرایی رایلی) که بصورت زیر تعریف می­ شود:
(۴-۱۶)
بطوریکه C میرایی، M جرم، K ­سختی، و ضرایب رایلی را نشان می­ دهند. آلفای رایلی پارامتری است که اثر جرم در میرایی سیستم را تعیین می­نماید. در مقادیر بالاتر آلفا، بیشتر فرکانس­های پایین مستهلک می­شوند. بتای رایلی پارامتری است که اثر سختی در میرایی سیستم را تعیین می­نماید. در مقادیر بالاتر بتا، بیشتر فرکانس­های بالا مستهلک می­شوند.
ضرایب میرایی و حداقل از دو نسبت میرایی داده شده که متناظر با دو فرکانس ارتعاش می باشد تعیین می شود. رابطه میان و و و بصورت زیر می باشد:
(۴-۱۶)
در این رابطه اگر دو نسبت میرایی در فرکانس­های داده شده معلوم باشند، موجب می­ شود که دو معادله به طور هم زمان بتواند تشکیل شود که از آنجا و محاسبه می­ شود. نسبت­های میرایی مذکور می تواند به طور آزمایشی با بهره گرفتن از آزمایش ستون تشدید بدست آیند. در این مطالعه ضرایب و با توجه به مشخصات مصالح در جدول (۴-۱) آمده است.(باباگلی، ۱۳۸۷)
۴-۲۲- معرفی شتاب نگاشت زلزله مورد استفاده در تحقیق
نگاشت مورد استفاده در تحقیق، مربوط به زلزله­های ال­سنترو در سال ۱۹۴۰ می­باشد. در فاز محاسبه مربوط به تحلیل دینامیکی، در آن زلزله به صورت فایل ورودی شتاب ایجاد شده توسط زلزله مربوط (Accelegram) شبیه­سازی می­ شود.
شکل (۴-۱۷) رکورد تاریخچه زمانی شتاب زلزله ال­سنترو
جدول (۴-۴) مشخصات زلزله ال­سنترو