Mühendislik Sismolojisi

Transkript

1 Mühendislik Sismolojisi Dr.Öğr.Üyesi Elçin GÖK JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 1

2 Mühendislik Sismolojisi Zeminlerin depreme bağlı davranışlarının incelenmesi ve depreme dayanıklı yapı tasarımı için gereken sismolojik parametrelerin belirlenmesi amacıyla yapılır JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 2

3 istasyon istasyon Kaya zemin Alüvyon zemin kaynak JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 3

4 İvme, Hız ve Yer değiştirme kaydı JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 4

5 Bir deprem kaydının taşıdığı bilgiler nelerdir? u(t)=k(t)*o(t)*z(t)*i(t) u(t) = sismogram k(t) = kaynak fonksiyonu o(t) = ortam etkisi z(t) = zemin etkisi i(t) = cihaz etkisi JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 5

6 Zemin ile ilgili parametreler Ortam ile ilgili parametreler Kaynak ile ilgili parametreler Cihaz (alet) ile ilgili sabitler JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 6

7 Zemin Nedir? Dolgu bir zeminde, taban kayasının başladığı yere kadar olan derinlik, zemin olarak adlandırılır JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 7

8 Zemin ile ilgili Parametrelerin Belirlenmesi Kuvvetli her hareketi genlik parametreleri; PGA, PGV, tepki spektrumu,.. Zemin hakim titreşim periyodu Zemin büyütmesi Zemin ile ilgili diğer sorunlar (sıvılaşma, heyelan, oturma...) JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 8

9 KUVVETLİ YER HAREKETİ Deprem İvmesi (Acceleration) Depremin ivmesi, deprem anında zeminin ne miktarda ve ne hızla sarsıldığının bir ölçüsüdür. Binaların üzerinde sabit durduğu zemin, deprem dalgaları tarafından harekete geçirilmektedir. Yapılar, zeminden ayrı bir kütleye sahip oldukları için zeminin hareketine direnmekte ve sonuçta bina içinde yer hareketine ters yönde atalet kuvvetleri oluşmaktadır JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 9

10 KUVVETLİ YER HAREKETİ İvme Kaydı (Accelerogram) Bir deprem sırasında kaydedilen yer ivmesine denir. İvme Ölçer (Accelerograph) Deprem anında yer hareketinin ivmesini kaydeden cihazlardır. Kuvvetli yer hareketi sismografı olarak da adlandırılırlar JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 10

11 Kuvvetli Yer Hareketinin Genlik Parametreleri Pik Zemin İvmesi (PGA Peak Ground Accelaration) Pik Zemin Hızı (PGV Peak Ground Velocity) Pik Zemin Yer Değiştirmesi (PGD Peak Ground Displacement) JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 11

12 Pik İvme (PGA, PHA) Belirli bir yer hareketinin genliğini belirlemede en yaygın ölçü olarak pik yatay ivme (PHA) kullanılmaktadır. PGA, çok basit olarak o bileşenin akselogramından elde edilen maksimum yatay ivme (mutlak) değeridir. Esnek olmayan yapıların ve alçak binaların salınım frekansına tekabül eden ve yer hareketi spektrumunun yüksek frekanslı bileşenlerini karakterize eden önemli bir parametredir JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 12

13 Pik Hız (PGV, PHV) Yer hareketi genliğinin tanımlanmasında bir diğer faydalı parametre de pik yatay hız (PGV) değeridir. Hız, yer hareketinin yüksek frekans içeriğine daha az duyarlı olduğundan, orta frekanslardaki yer hareketinin genliğini doğru bir şekilde tanımlama işlemi, PGA ya göre PGV ile daha iyi yapılmaktadır. Orta frekans aralığındaki yüklemelere karşı duyarlı yapı ve tesisler (örnek; yüksek veya esnek binalar, köprüler vb.) için potansiyel hasarı sağlıklı bir şekilde belirlemede PGV kullanılır JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 13

14 Pik Yer Değiştirme (PGD, PHD) Pik yer değiştirmeler bir deprem hareketinin genellikle düşük frekanslı bileşenleri ile ilişkilidir. Ancak, filtreleme ve akselerogramların integrali sırasında sinyal proses hataları ve uzun periyotlu gürültüden dolayı doğru bir şekilde tanımlanmaları genellikle zor olmaktadır (Campbell, 1985; Joyner ve Boore, 1988). Mühendislik amaçlı çalışmalarda; Yer değiştirme, yer hareketinin bir ölçüsü olarak pik ivme veya pik hıza göre daha az kullanılmaktadır JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 14

15 Zemin hakim titreşim periyodu Zemin; derinliğine, yoğunluğuna ve sismik dalgaları geçirme özelliğine bağlı olarak, taban kayasındaki yer hareketini değiştirerek, çoğu zaman büyüterek, yüzeye iletir. Zeminin, genliğini büyüttüğü titreşimlerin periyodu, zeminin hakim periyodudur. (Sismik yöntemler ile T=4H/Vs bağıntısından hesaplanır). Sert zeminlerin hakim periyotları, yumuşak zeminlere göre daha küçüktür JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 15

16 Zemin emniyet gerilmesi Bir zemin üzerindeki gerilme artışından dolayı, ya zemin oturur ya da gerilim belli bir değeri aşarsa, kaymaya başlar. Zemin içerisinde kayma başlamaması ve oturmaların yapılara zarar vermemesi için, gerilme artışları belirli bir değeri aşmamalıdır. Bu değere zemin emniyet gerilmesi denir JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 16

17 Zemin emniyet gerilmesi Sağlam zeminler, zemin emniyet gerilmesi 2-3 kg/cm^2 den büyük olan ve sert zemin olarak nitelendirilen zeminlerdir. Yumuşak zeminler ise, genellikle zemin emniyet gerilmeleri 1 kg/cm^2 den daha az olan, çoğunlukla özel temel sistemleri gerektiren, dolgu zeminlerdir JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 17

18 Zemin Büyütmesi Deprem esnasında açığa çıkan enerjinin ürettiği elastik dalgalar yer içinde ilerleyerek ortama yayılır. Bu dalgalardan yüzeye ulaşanlar, yolculuklarının en son bölümünde ana kayaya göre oldukça farklı özelliklere sahip gevşek zemine ulaşırlar. Bu zemin adeta bir süzgeç gibi bazı frekanstaki dalgaları sönümlerken bazı frekanstaki dalgaların ise genliğini artırır. Genellikle zeminin bu etkisi, dalga genliklerini artırmaya yönelik olduğu için zemin büyütmesi olarak adlandırılır. Bir yapı inşa edilmeden önce yapının inşa edileceği zeminin zemin büyütme değeri mutlaka tespit edilip, yapı bu parametre göz önünde bulundurularak tasarlanmalıdır JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 18

19 JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 19

20 Zemin Ve Yapı Depremlerde oluşan yer hareketleri, genel geçici dinamik hareketlerdir. Yapılarda zeminin deprem titreşimleri altındaki hareketi, yapının kütlesinin de buna direnmesi sonucu, dinamik nitelikteki deprem kuvvetleri oluşur. Deprem sırasında yer üzerindeki bir noktada x, y, z doğrultularında yer hareketleri oluşur. Bunlar akselerograf denilen ve bu yer hareketinin ivmesini kaydeden aletler tarafından kaydedilir. Depremlerde kaydedilen yer hareketi ivmesinde zaman içinde olan değişimler, bir anlamda yapıya gelen deprem kuvvetinin (atalet kuvvetinin) zaman içerisinde olan değişimini de vermektedir. Çünkü bu kuvvet, yapının kütlesi ile bu ivmenin çarpımına eşittir JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 20

21 TÜRKİYE DEPREM BÖLGELERİ JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 21

22 Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 22

28 Türkiye Deprem Bölgeleri, ivme değerlerine göre aşağıdaki şekilde derecelendirilmiştir. 1. Derece deprem bölgesi: beklenen ivme değeri 0.40 g 'den büyük 2. Derece deprem bölgesi: beklenen ivme değeri 0.40 g ile 0.30 g arasında 3. Derece deprem bölgesi: beklenen ivme değeri 0.30 g ile 0.20 g arasında 4. Derece deprem bölgesi: beklenen ivme değeri 0.20 g ile 0.10 g arasında 5. Derece deprem bölgesi: beklenen ivme değeri 0.10 g 'den az g: yer çekimi ivmesi (981 cm/sxs). * Bu harita, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Afet İşleri Genel Müdürlüğüne nolu proje sonuç raporu olarak sunulan, Polat Gülkan, Ali Koçyiğit, M.Semih Yücemen, Vedat Doyuran ve Nesrin Başöz (ODTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Deprem Mühendisliği Araştırma Merkezi) tarafından hazırlanan Ocak 1993 tarihli ve nolu "En Son Verilere Göre Hazırlanan Türkiye Deprem Bölgeleri Haritası" raporuna dayanmaktadır JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 28

29 Site class definitions in NEHRP provisions (BSSC 2003) JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 29

30 Site class definitions in Eurocode-8 (CEN 2003) JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 30

31 Mikrobölgeleme Mikrobölgeleme, farklı deprem tehlikesi potansiyeline sahip alanların tanımlanmasıdır. Şehir planlama ve toprak kullanımı için gerekli bir değerlendirmedir. Mikrobölgeleme çalışması şunları kapsamaktadır. Deprem tehlike parametreleri Faylanma ve tektonik deformasyon Yer sarsıntı şiddeti Sıvılaşma, yanal yayılma ve yerleşim duyarlılığı Eğim stabilite (kararlılık, durağanlık) problemleri: heyelan ve kaya düşmesi gibi. Depremin neden olduğu taşkınlar, tsunami, su yüzeyi salınımı yada zemin duyarlılığı. 2004, DRM (World Institute for Disaster Risk Management), JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 31 Seismic Microzonation for Municipalities Manual

32 Mikrobölgeleme haritaları Belediyeler için gerçekleştirilen sismik mikrobölgeleme çalışmaları altı harita seti içermelidir: Yüzey faylanma haritası Yer sarsıntı haritası Sıvılaşma potansiyeli haritası Heyelan ve kaya düşmesi (eğim kararsızlığı) haritaları Deprem ilişkili taşkın duyarlılığı haritası Gerekli ise, diğer deprem ilişkili tehlike haritaları 2004, DRM (World Institute for Disaster Risk Management), JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 32 Seismic Microzonation for Municipalities Manual

33 Zemin koşullarının etkisi deprem kayıtları üzerinde doğrudan doğruya görülebilir. Deprem kayıtlarının analizi ile ilgili iki yaklaşım vardır JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 33

34 Zemin Özelliklerini Tespit Etmek Amacıyla Kullanılan Yöntemler Standart Spektral Oran Yöntemi Yatay Düşey Spektral Oran Yöntemi JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 34

35 Standart Spektral Oran Yöntemi Bir sismogram, kaynak, ortam, zemin etkisi ve alet tepkisinin konvolüsyonu şeklinde ifade edilir. Spektrum ortamında: U ij (f ) S (f ) P (f ) Z (f ) I i ij j j (f ) Burada S i (f): i.ninci olaynın kaynak spektrumu P ij (f): i.ninci olay ve j.ninci istasyon için ortam etkisi Z j (f): j.ninci istasyonun zemin etkisi ve I j (f): j.ninci istasyonun alet etkisidir. U U ij ik (f ) (f ) S S i i (f )P (f )P ij ik (f )Z (f )Z j k (f ) (f ) Burada j: zemin etkisi incelenen istasyon ve k: referans istasyonudur. U U ij ik (f ) (f ) Z Z j k (f ) (f ) JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 35

36 Yatay/Düşey Spektral Oran (Nakamura) Yöntemi Frekans ortamında düşük hızlı yüzey tabakalarının neden olduğu zemin büyütmesi transfer fonksiyonu: H(f ) / 2 h (f ) h (f ) Burada transfer fonksiyonunun düşey bileşeni: h v (f ) v Vs (f ) S v (f ).P(f ).Z v (f ) V (f ) S (f ).P(f ) b Burada; V S (f): Hareketinin sediment havza üzerindeki düşey bileşeni, V b (f): Sediment tabanındaki anakaya üzerindeki düşey bileşen S V (f): Kaynak etkisi, P(f): Ortam etkisi Z(f): Sediment havzanın neden olduğu zemin büyütme etkisidir. Benzer şekilde transfer fonksiyonunun yatay bileşeni; h u (f ) U U s b (f ) S (f ) u S u v (f ).P(f ).Z u u (f ).P(f ) (f ) Burada; U S (f) ve U b (f) yer hareketinin sediment ve anakayadaki yatay bileşenlerinin frekans ortamı ifadeleridir JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 36

37 Yatay/Düşey Spektral Oran (Nakamura) Yöntemi Yer hareketin yatay ve düşey bileşenleri arasındaki oran: h h u v (f ) (f ) Z Z u v (f ) (f ) U U s b (f ) (f ) V V b s (f ) (f ) Düşey bileşenin zemin şartlarından etkilenmediği ve sediment tabanındaki anakaya üzerinde her iki bileşenin eşit genliğe sahip oldukları [U b (f) = V b (f)] kabulü ile yatay bileşen için büyütme faktörü: Z (f ) u U V s s (f ) (f ) Nakamura (1989)' ya göre, bu yöntemde; her istasyonda kaydedilmiş deprem verilerinin yatay ve düşey bileşenlerine ait S- dalgası spektrum oranları, sağlam ve sert zeminde 1 değerine yaklaşırken, yumuşak ve kötü zeminde belli frekanslarda pikler vererek, genlik büyütmesi göstermektedir JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 37

38 ShakeMaps: (Sarsıntı Haritaları) Sarsıntı haritaları, önemli depremleri takiben, yer hareketini ve sarsıntı şiddetini ifade eden haritalardır (hasar, pik ivme, pik hız, şiddet dağılımı). Bu haritalar; hükümet, devlet ve yerel organizasyonlar tarafından, deprem sonrası tepki ve müdahale için kullanılan, afet deneyim ve planlama amaçlı, genel ve bilimsel bilgi içermektedirler JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 38

40 İzmirNET ivme-ölçer İstasyonları Tarafından Temsil Edilen Jeolojik Birimlerin Zemin Özelliklerinin Belirlenmesi JEF_3609_JEOFİZİKTE ÖZEL KONULAR 40