YÜKSEK FREKANSLI SPEKTRAL SÖNÜM PARAMETRESİNİN (KAPPA) DÜŞEY DEPREM AĞLARINDAKİ DEĞİŞİMİ: İSTANBUL DAN BİR VAKA İNCELEMESİ

Transkript

1 YÜKSEK FREKANSLI SPEKTRAL SÖNÜM PARAMETRESİNİN (KAPPA) DÜŞEY DEPREM AĞLARINDAKİ DEĞİŞİMİ: İSTANBUL DAN BİR VAKA İNCELEMESİ ÖZET: Gülüm Tanırcan 1 ve S. Ümit Dikmen 1 1 Doçent, Deprem Müh. Ana Bilim Dalı, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul birgore@boun.edu.tr Düşey deprem ağları, dalga yayınımı ve zeminlerin dinamik davranışları hakkındaki bilginin artmasında büyük rol oynamaktadır. Bunun sonucu olarak yüksek frekanslı spektral sönüm (Kappa) hakkında da daha fazla bilgi edinmek mümkün hale gelmiştir. Kappa, deprem kaynağından anakayaya kadar ve anakayadan yüzeye kadar olan sönümlenme olarak iki kısımdan oluşur: Düşey ağlar, kappanın bu iki parçasını ayırt etme fırsatı sunar. İstanbul un batı kısmında üç adet sismik kuyuiçi ağ işletilmektedir. Ağların her biri farklı şehir dokusunda, farklı zemin ve topoğrafya şartlarına sahiptir. Bu çalışmada kuyuların yüzeydeki ve en derindeki sensörlerinin kaydettiği deprem kayıtları kullanılarak kappa değerleri hesaplanmıştır. Kullanılan veri seti 200 km yarıçaplı bir alan içerisinde meydana gelmiş, lokal büyüklüğü 3.0 ve üzerinde olan 45 depremden oluşmaktadır. Kappadaki olası değişimleri görebilmek amacıyla, deprem kayıtlarının yatay bileşenlerinin her biri analizlerde ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Kappanın dalga yayınım yoluna olan bağımlılığı, kaynak-istasyon bağımlı değişkenler ve kuvvetli yer hareketi parametreleri ile olan ilişkisi tartışılmış, bu sonuçların literatürde bulunan diğer çalışmalarla tutarlılığı araştırılmıştır. Çalışmada şu bulgulara ulaşılmıştır; yüzeydeki К 0 değerleri 40ms ila 53ms arasında iken anakayada bu değerler 19-37ms arasında değerler almaktadır. Bu sonuçlar literatürdeki benzeri çalışmalar ile uyumludur. Yüzeyde elde edilen κ 0 ile V s30 arasında ve kuyu derinlikleri ile yüzey ve ana kaya seviyesindeki κ 0 değerlerinin farkı ( κ 0) arasında herhangi bir ilişki bulunamamıştır. Buna karşın κ 0 nın zeminlerin relatif büyütmeleri ile doğru orantılı olarak büyüdüğü de görülmüştür. Kuyularda daha önce yapılan zemin büyütmesi çalışma sonuçları gözönünde bulundurulduğunda κ 0) nın değişiminde yakın çevredeki yapı özelliklerinin de etken olduğu düşünülmektedir. ANAHTAR KELİMELER : Kappa, Spektral Sönüm, İstanbul,Düşey Deprem Ağı VARIATION OF HIGH FREQUENCY SPECTRAL ATTENUATION (KAPPA) IN VERTICAL ARRAYS: A CASE STUDY FROM ISTANBUL ABSTRACT: The increased use of vertical seismic networks has contributed greatly to the body of knowledge in wave propagation and the dynamic behavior of soils. Subsequently, achieving further insight on high frequency spectral attenuation (kappa) has been made possible. Kappa has two parts, namely the parts reflecting attenuation from source to bedrock level and bedrock level to surface at a given site. The vertical arrays provide an opportunity to differentiate between these two parts of kappa. Three seismic downhole arrays are in operation at the west side of Istanbul. Each of them has different subsoil and topographical conditions as well as the urban fabric around them. In the present work kappa factors are calculated from earthquake recordings of surface and base sensors. The data set used in the study consists of 45 earthquakes with ML 3.0 occurred within 200 km radius from the arrays. All components of the recordings are treated separately to portray the possible variation of kappa. High frequency portion of S-wave acceleration spectra from each recording is visually detected and kappa is computed. Path dependent and independent kappa values are calculated from epicentral distance-kappa

2 correlations. Correlation of kappa to source-station dependent variables as well as strong motion parameters is discussed and consistency of these results with other studies available in literature is investigated. Following results are obtained: К 0 at surface is between 40ms to 53ms where it is between 19-37ms at base. Those results are in line with those available in literature. Correlation are found neither between κ 0-V s30 nor between H (depth of vertical array)- κ 0 (=κ 0 surface -κ 0 base ). It is also found that κ 0 increases with increasing relative site amplification. Considering previous studies performed with vertical arrays, authors suggest that κ 0 also changes with surrounding built environment. KEYWORDS : Kappa, Spectral Attenuation, Istanbul, Vertical Earthquake Array 1. GİRİŞ Kuvvetli yer hareketi çalışmalarında, gerek yer hareketi tahmin denklemlerinin üretilmesinde ve gerekse yer hareketinin benzeşiminin hesaplanmasında kaynak, dalga yayınımı ve sığ zemin yapısı özelliklerinin gerçeğe en yakın şekilde hesaba dahil edilmesi gerekmektedir. Deprem hareketinin ivme kaydına ait Fourier genlik spektrumunun artan frekanslar ile sönümünün modellenebilmesi için Anderson ve Hough (1984) tarafından Kappa (κ) parametresi tanımlanmıştır. Bu parametre deprem kaynağı, depremin geçtiği ortamın fiziksel özellikleri ve yerel zemin özelliklerine bağlı olarak değişken değerler almaktadır ve şu şekilde verilmiştir: for (1) Burada A 0, spektral ivme genliği, f e spektral azalımın başladığı frekans değeridir. Literatürde κ için yapılan pek çok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmaların sonuçları deprem kaynak özelliklerinin κ üzerindeki etkisinin ihmal edilebilir derecede az olduğunu ve ana etkenlerin yayınım ve bölgesel zemin etkileri olduğunu göstermektedir. Kappa, depremin dış merkez uzaklığı (R) na bağlı κ R ve istasyonun sığ zemin özelliklerine bağlı κ 0 kısımlarından oluşmaktadır. κ = κ 0+ κ R. R (2) Bunlardan özellikle κ 0 deprem mühendisliği ve sismoloji alalarındaki pek çok çalışmada yaygın olarak kullanılan bir paramete haline gelmiştir.örneğin yer hareketi tahmin denklemlerinde kaya-zemin büyütmelerinin doğru bir şekilde modellenebilmesi için κ 0 kullanılmıştır (Laurendeau ve diğ., 2013). Düşey deprem ağlarıyla kaydedilen veriler; deprem kaynağından anakayaya kadar olan ve anakayadan yüzeye kadar olan κ hesaplamalarının yapılması ve farklılılıkların ayırt edilebilmesine olanak verir. Bu çalışmada da Boğaziçi Üniversitesi, Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü (KRADAE) tarafından işletilen, İstanbul daki farklı yapısal özellikteki şehir dokusunda, farklı zemin özelliklerine sahip üç kuyuiçi düşey deprem ağında (ATK, ZYT ve FTH) kaydedilen depremler kullanılarak yüzeyde ve anakaya seviyesindeki κ değerleri hesaplanmıştır. Bu ağların kaydettiği deprem verileri ile çeşitli geoteknik araştırmalar yapılmış olup (örn.kurtuluş, 2011, Parolai vd., 2009, 2010) yazarların bilgisi dahilinde çok sayıda deprem verisi ile herhangi bir κ çalışması yapılmamıştır. Bu çalışmanın bu eksikliği doldurması ve κ değişimlerinin ileriye yönelik çalışmalara referans olması amaçlanmıştır. Ayrıca yüzeyde hesaplanan κ 0 nın zemin hız yapısı ile olası ilişkisi ve etken olabilecek diğer faktörler de incelenmiştir. 2. ÇALIŞMA ALANI VE VERİ SETİ İstanbul Avrupa yakasından bulunan üç düşey kayıtçı ağının coğrafi konumu Şekil 1 de, koordinatları, derinlikleri ile zemin bilgileri ise Tablo 1 de verilmiştir. Bu noktada, Tablo 1 den de görüleceği üzere, ATK ve FTH kuyularının çok benzer, hatta kayma dalgası hızı hariç, aynı şartname sınıflamalarına sahip olduklarını vurgulamak gerekir. Benzer bağlamda ZYT kuyusundaki zemin yapısı ise diğer iki kuyuya nazaran daha zayıf olduğu şeklinde nitelenmektedir. Diğer taraftan, istasyonlar hem nüfus yoğunluğunun, hem de trafik başta olmak

3 üzere pek çok çevresel gürültünün yüksek olduğu bölgelerde yer almaktadır. Bu noktadan hareketle, veri setinin bir bölümü sinyallerdeki yüksek gürültü seviyesi sebebiyle kullanılamamıştır. Ekim Temmuz 2016 tarihleri arasında 200km lik yarıçaplı bölgede meydana gelen büyüklüğü 3.0 M L 4.8 arasında değişen toplam 45 depremin düşey deprem ağında, yüzeyde ve kayadaki yatay bileşen kayıtları kullanılmıştır. (Şekil1, Şekil2). Tüm ivme kayıtlarının örnekleme aralığı 200 Hz dir. Tablo 1. Kuyuiçi Düşey Kayıtçı Ağı Bilgileri V V s,ort (kuyu Zemin Sınıfı Kullanılan Koordinat( ) s30 Derinlik derinliği) Deprem Sayısı (m/s) Boylam Enlem (m) (m/s) TDY(2007) NEHRP(2010) yüzey kuyu ATK Z3 D FTH Z3 D ZYT Z3 E a. Çalışma bölgesinin haritası b. Kayma dalgası hız profili Şekil 1. Kuyu içi ağların konumları ile kayma hızı profilleri (ATK-K: Kurtuluş vd. (2011), ATK-P: Parolai vd. (2009, 2010)) çalışmaya konu depremlerin yerleri. 1a da kaydedilen depremlerin merkezüsleri kırmızı daire ile gösterilmiştir. İç şekilde kuyuiçi kayıtçı ağların yerleri gösterilmiştir.) 3. VERİ ANALİZİ Her bir veri için, sinyallerin uygunluğu görsel olarak kontrol edilmiş ve sıfır eksen düzeltmesi yapılmış, nihayetinde de P ve S dalgası başlangıcı okumaları gerçekleştirilmiştir. Gürültü pencereleri ya P dalgası öncesi, ya da bu mümkün değilse, sinyalin son bölümünden seçilmiştir. Sinyal penceresi S dalgası başlangıcından itibaren S dalgasının ana bölümünü içerecek şekilde seçilmiştir. Pencere uzunlukları depreme göre 7-12s aralığında değişmektedir. Başlangıç ve bitiş bölümünde %5 kosinüs fonksiyonu ile törpülenen pencerelerin Fourier dönüşümleri gerçekleştirilmiş ve yuvarlatılmış (Konno-Ohmachi, 1998) ivme genlik spektrumları çizilmiştir. Sinyal gürültü oranı üçten (S/N>3) büyük olan veriler analize dahil edilmiştir. Depremlerin kaynak köşe frekansları Fourier deplasman genlik spektrumlarından okunmuştur.

4 Büyüklük (M L ) 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Kappa hesapları yapılırken, veri seti seçimi, veri ve spektrum analizi kısmında Ktenidou ve diğerleri (2013) tarafından önerilen yöntem izlenmiştir. Yüksek frekans eğiminin hesaplanması kısmında ise Anderson and Hough (1984) tarafından önerilen yöntem esas alınmıştır. Log-lin eksenlerinde çizilen yuvarlatılma uygulanmamış spektrumlarda azalımının başlangıcı ve bitimi (f e ve f x) noktaları seçilirken Ktenidou vd. (2013) tarafından önerilen tüm kısıtlar uygulanmıştır. Her bir deprem için hesaplanan ortalama yatay κ değerlerinin R ile değişimi hesaplanarak κ 0 ve κ R değerlerine ulaşılmıştır Dış Merkez Uzaklığı (km) Şekil 2. Depremlerin ZYT istasyonuna göre dışmerkez uzaklığı ve büyüklük (M L) dağılımı. Şekil 3. (üst) İvme kaydından sinyal ve gürültü seçimlerine bir örnek. (alt) Fourier ivme genlik spektrum grafiğinden κ hesabı için f e ve f x okumasını gösteren bir örnek. Gürültü gri ile, spektral sönüm için seçilen veri mavi ile gösterilmiştir.

5 4. LİTERATÜR İLE KARŞILAŞTIRMA VE SONUÇLAR Her üç istasyonda κ 0 sonuçlarına bakıldığında, beklenildiği üzere, yüzey κ 0 değerinin, ana kaya seviyesindeki κ 0 değerlerinden yüksek olduğu görülmektedir (Tablo 2, Şekil 4). NEHRP (2010) a göre D zemin sınıfında yer alan ATK ve FTH istasyonlarında yüzey κ 0 53ms olarak bulunurken, E zemin sınıfında yer alan ve kuyu derinliği boyunca ortalama S dalgası hızı en düşük olan ZYT istasyonunda bu değer 40ms e düşmüştür. Akıncı vd. (2006) Kuzeybatı Türkiye deki deprem verisini kullanarak yaptıkları çalışmada zemin sınıfı ayrımı yapmaksızın κ 0 ı 55ms olarak rapor etmişlerdir. Daha sonra aynı bölge için Aşkan vd. (2014) NEHRP D tipi zemin sınıfı için ortalama yatay κ 0 değerini 45.5 ms bulmuşlardır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar daha önceki çalışma bulgularını destekler niteliktedir. Diğer yandan, Dikmen ve Tanırcan (2017) düşey ağlardaki zemin büyütmelerinin kayıtçı ağının yakınında bulunan yapılardan büyük ölçüde etkilendiğini göstermiştir. Bu durumda yüzey κ 0 parametresi de aynı şehir dokusu etkileri altında hesaplamış olacağı için, yüzeyde alınan kayıtlar ile elde edilen sonuçlar sadece zemin etkilerinden kaynaklanan parametreleri yansıtmayacaktır. Genel olarak yüzeyde elde edilen κ 0 ile 30m derinlik için ortalama kayma dalgaıs hızı (V s30 ) arasında herhangi bir ilişki gözlenmemektedir. Bulunan bu sonuçlar literatürde κ 0 ve V s30 arasındaki genel korelasyonunun zayıf olduğu yönündeki çalışmaları (örn. Van Houtte vd., 2011; Edwards ve Fäh, 2013) desteklemektedir. Ana kayaya ait κ 0 sonuçları incelendiğinde de ZYT istasyonu 288m derinlikte 19.3ms lik en düşük değeri alırken, 136m ve 140 m derinliğindeki ulaşan FTH ve ATK de κ 0 sırasıyla 37.5ms ve 25.1ms dir. Literatürde kaya zeminlerdeki κ 0 değerleri çok değişkenlik göstermektedir. Japonya da KIK-NET deprem kayıtçı ağı taban kayasında ortalama κ 0 21ms iken, Taiwan daki 16 adet düşey kayıtçı ağı için yapılmış olan yeni bir çalışmada (Lai ve diğ., 2016) ise ana kaya seviyesine ait κ 0 değerleri 78ms e kadar ulaşmaktadır. Yüzey ve ana kaya seviyesindeki κ 0 değerlerinin farkı ( κ 0) ile kuyu derinlikleri arasında herhangi bir ilişki bulunamamakla beraber κ 0 nun zeminlerin relatif büyütmeleri ile benzer oranlar sergilediği görülmüştür (Tablo 2). Zemin büyütmeleri ile κ arasındaki ilişkinin daha kesin olarak belirlenebilmesi için şüphesiz daha fazla veriye ihtiyaç duyulmaktadır. Şekil 4. Yatay bileşene ait ortalama κ değerlerinin dış merkez uzaklığına (R) bağlı olarak değişimi. Siyah üçgen yüzey ve kırmızı kare kaya istasyonu kayıtlarından elde edilen değerleri göstermektedir. Siyah ve kırmızı çizgiler, sırasıyla, yüzeyde ve kayada κ R lineer fonksiyonunu göstermektedir.

6 KAYNAKLAR Tablo 2. Düşey Kayıtçı Ağı κ sonuçları κ κ κ R 0 0 kaya Zemin Büyütmesi (msn/km) yüzey(msn) (msn) (Dikmen ve Tanırcan 2017) ATK FTH ZYT Akıncı, A., Malagnini, L., Herrmann, R.B, Gok., R ve Sorensen, M.B.(2006). Ground motion scaling in the Marmara Region, Turkey. Geophys J. Int. 166, Aşkan, A., Şişman, F.N. ve Pekcan, O. (2014). A regional near-surface high frequency spectral attenuation (kappa) model for northwestern Turkey. Soil Dynam. Earthq Eng. 66, Anderson, J., Hough, S., (1984). A model for the shape of the Fourier amplitude spectrum of acceleration at high frequencies, Bull. Seismol. Soc. Am. 74, Dikmen, S.Ü. ve Tanırcan, G. (2017). Site amplification and resonance frequency in the urban environment. (değerlendirme aşamasında). Edwards, B ve Fäh D (2013) A Stochastic Ground-Motion Model for Switzerland, Bull.Seismol.Soc.Am., 103(1), KIK-NET (2017). (Mayıs 2017 de erişildi) Konno K., ve Ohmachi, T. (1998). Ground motion characteristics estimated from spectral ratio between horizontal and vertical components of microtremors. Bull.Seismol.Soc.Am.,88, Ktenidou, O.-J., Gélis, C. ve Bonilla, L.-F. (2013). A Study on the Variability of Kappa (κ) in a Borehole: Implications of the Computation Process. Bull. of Seism. Soc. Am.103:2A, Kurtuluş, A., Ansal, A., ve Şafak, E. (2011). Geotechnical downhole arrays recently deployed in Istanbul. 4th IASPEI/IAEE International Symposium: Effects of Surface Geology on Seismic Motion, August 23 26, 2011, University of California Santa Barbara. Laurendeau, A., Cotton, F., Ktenidou, O-J., Bonilla, L.-F, Hollender. F. (2013). Rock and stiff-soil site amplification: Dependency on V S30 and kappa (κ 0). Bull.Seismol.Soc.Am.103(6), , Dec doi: / NEHRP, ASCE Standard 7-10 (2010). Minimum design loads for buildings and other structures. Reston, VA, USA: American Society of Civil Engineers. Parolai, S., Ansal, A., Kurtuluş, A., Strollo, A., Wang, R. (2009). The Ataköy vertical array (Turkey): insights into seismic wave propagation in the shallow-most crustal layers by waveform deconvolution. Geophys J. Int. 178,

7 Parolai, S., Bindi, D., Ansal, A., Kurtulus, A., Strollo, A. and Zschau, J. (2010). Determination of shallow S- wave attenuation by down-hole waveform deconvolution: a case study in Istanbul (Turkey). Geophys J. Int. 181, doi: /j x x. TDY (2007). Deprem Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, Van Houtte,C., S.Drouet and F. Cotton(2011). Analysis of the origins of κ (Kappa) to compute hard rock to rock adjustment factors for GMPEs, Bull. Seismol. Soc. Am. 101,