DETERMINATION OF S WAVE VELOCITY STRUCTURE USING MICROTREMOR AND SPATIAL AUTOCORRELATION (SPAC) METHOD

Transkript

1 DETERMINATION OF S WAVE VELOCITY STRUCTURE USING MICROTREMOR AND SPATIAL AUTOCORRELATION (SPAC) METHOD Aydın MERT 1, Okan TÜYSÜZ 2, Bilge SİYAHİ 1 1 Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi Deprem Araştırma Enstitüsü Deprem Mühendisliği Anabilim Dalı Çengelgöy, İstanbul 2 İstanbul Teknik Üniversitesi Avrasya Yerbilimleri Enstitüsü Maslak, İstanbul Abstract It is widely recognized that the determination of S-wave velocity structure is important in accurately predicting strong ground motion. Such information is required for a seismic design and in evaluating the damage distribution caused by earthquakes. Microtremor Array Measurement has been recognized as one of the attractive and convenient exploration method for determining the S- wave velocity with less practical restriction than the other geophysical and geotechnical methods, especially in highly populated urban areas where much consideration must be given to the vibratational environment. The applicability of the Microtremor Array Measurement is, at least theoretically, not limited to any field. In this sense it is no different from the conventional seismic method (Okada, 2003). In this study, Array Measurement of Microtremors at Toyota Automobile Factory site to the south of the city of Adapazarı were performed to estimate the S-wave velocity of soil formation. The Spatial Autocorrelation (SPAC) Method was used to determine phase velocity dispersion curve in the frequency range from 0.5 to 5 Hz. An inversion technique was subsequently applied to determine the S-wave velocity profile at the examined site using by SURF96 surface waves analysis software developed by Hermann and Ammon in The determination of S-wave velocity profiles reached a depth of 450 meters. The accuracy of the V s profiles, the ability to reach large penetration depths in densely populated areas and its low cost compared to conventional geophysical prospecting, make Microtremor Exploration Method very attractive and useful for microzonation and site effects studies. An example of its application for the site characterization in Toyota Automobile Factory is presented in this study. Özet S dalgası hız yapısının belirlenmesi, kuvvetli yer hareketinin doğru tahmin edilmesinde son derece önemli bir kavramdır. Bu belirlemeler aynı zamanda depreme dayanıklı yapı tasarımı ve depremden kaynaklanan hasar dağılımının değerlendirilmesi için de ayrı bir önem taşımaktadır. Özellikle çevresel titreşimlerin önem kazandığı yerleşim ve nüfus açısından çok yoğun kentsel bölgelerde, diğer jeofizik ve jeoteknik yöntemlere nazaran uygulamalarda daha az kısıtlamalar içermesi nedeniyle Mikrotremor Ağ Ölçümleri S dalgası hız yapısının belirlenmesinde oldukça ilgi çekici ve amacına uygun bir yöntem olarak kabul edilmektedir. Mikrotremor Ağ ölçümlerinin uygulanabilirliği, en azından teorik olarak, herhangi bir arazi ile sınırlı değildir ve bu bakımdan klasik jeofizik yöntemlerden herhangi bir farkı yoktur (Okada 2003). Bu çalışmada Adapazarı şehrinin güneyindeki Toyota Otomobil Fabrikası alanı içerisindeki zeminin S dalgası hız yapısının belirlenmesi için Mikrotremor Ağ Ölçümleri yapılmıştır Hz aralığında faz hızı dispersiyon eğrisinin elde edilmesi için ise Uzaysal Otokorelasyon (SPAC) Yöntemi kullanılmış ve daha sonra çalışılan sahadaki S dalgası hız profilinin belirlenmesi için Hermann ve Amonn tarafından 2002 yılında geliştirilmiş olan SURF96 yazılımı yardımıyla faz hızı

2 dispersion eğrisi verilerine ters çözüm uygulanmıştır. Belirlenen S dalgası hız profilinin penetrasyon derinliği 450 metreye kadar ulaşmaktadır. S dalgası hız profilinin belirlenmesinin doğruluğu, nüfus açısından yoğun bölgelerde ulaşılan yüksek nüfuz etme (penetrasyon) derinliği ve klasik jeofizik yöntemlerle kıyaslandığında maliyetlerinin düşüklüğü özellikle mikrobölgelendirme ve zemin etkilerinin araştırılması konularında Mikrotremor Araştırma Yöntemini oldukça çekici ve cazip bir hale getirmektedir. Bu sunumda Mikrotremor Araştırma Metodunun uygulanmasına bir örnek olarak, Toyato Otomobil Fabrikasında elde edilen Mikrotremor Ağ Ölçümlerine Uzaysal Otokorelasyon (SPAC) Yöntemi uygulanarak yapılan zemin değerlendirme çalışmaları anlatılacaktır. Giriş Depremlerde ortaya çıkan elastik dalgaların genlikleri ve frekans içerikleri tabakalı bir ortam içerisinde ilerlerken büyük ölçüde değişikliğe uğrarlar. Zemini oluşturan katmanların fiziksel ve mekanik özellikleri, zeminde yayılan sismik dalgaların karakteristiklerinin ve dolayısıyla zeminin dinamik davranışının modellenmesindeki en önemli parametrelerdir. Seismic site transfer function diye bilinen zemin etkisi transfer fonksiyonunun araştırılması jeoteknik anlamda deprem mühendisliğinin en önemli konularından biridir. Özellikle yer hareketinin düşük frekanslarında büyük amplifikasyonlara sebeb olabilen jeolojik açıdan yumuşak zeminlerde, zemin etkilerinin araştırılması son derece kritik bir konudur. Bu konuda yapılan araştırmalar göstermiştir ki, zemin yapısının geometrisi, zemin sınıfı, zeminlerin fiziksel özelliklerinin derinlikle değişimi ve yüzey topoğrafyasi gibi etmenler yer hareketinin büyük amplifikasyonlarının dolayısıyla yıkıcı depremlerde meydana gelen büyük hasarın temelini oluşturmaktadır. Bu sebeplerle zeminin dinamik davranışının belirlenmesindeki en önemli parametrelerden biri olan kesme dalgası hız (shear wave velocity) dağılımının doğru olarak kestirilmesi zemin dinamiği çalışmalarında oldukça önemli bir konudur. Kesme dalgası hız yapısının belirlenmesinde klasik sismik yöntemler (yansıma, kırılma vb.) ve Laboratuar Deneylerinin kullanılması oldukça yaygındır. Ancak özellikle derin sediman yapılarda klasik yöntemlerle kesme dalgası hız yapısının belirlenmesinde ciddi sorunlar vardır. Örneğin sismik yansıma yada kırılma çalışmalarında güçlü vibratörler yada patlayıcılar kullanılması kaçınılmazdır ve bu özellikle şehirsel yerleşimlerin olduğu bölgelerde neredeyse imkansıdır. Ayrıca yeteri kadar derine inmek için kullanılması gereken alıcı düzeneğinin boyutlarıda önemli bir soru işaretidir. Bu yöntemlerin dışında özellikle derine inildikçe ciddi pratik kısıtlamalar getiren ve güvenilirliği azalan crosshole (kuyular-arası) ve downhole (derin-kuyu) gibi çok pahalı yöntemlerin kullanılmasında da ciddi sıkıntılar vardır. Bu çalışmada S dalgası hız yapısının ve zeminin jeoteknik karakterinin belirlenmesinde klasik sismik yöntemlere ve bu yöntemlerde karşılaşılan problemlere alternatif bir çözüm olarak, yüzey dalgalarının incelenmesinin olanağının bulunduğu Mikrotremor Ağ Ölçümleri sunulmuştur. Yüzey dalgalarının, zeminin jeoteknik karakteristiğinin belirlenmesi için kullanılmaya başlanması 1950 li yılların başlarına kadar uzanır. Sismik yüzey dalgaları tabakalı bir ortamın serbest yüzeyi boyunca yayılırlar ve yüzeye yerleştirilen alıcı düzenekleri ile algılanmaları oldukça kolaydır. Bu dalgalarının tabakalı ortamlarda yayılırken gösterdikleri belirli özellikler (Dispersiyon) ve zeminin mekanik özellikleri ile ilgili taşıdıkları önemli bilgiler jeoteknik çalışmalarda kullanılmalarının en önemli nedenleridir. Sismik yüzey dalgaları kullanılarak zeminin mekanik özelliklerinin belirlenmesi çalışmaları başlıca üç ayrı bölümden oluşur; Öncelikle arazi ölçümlerinde dalga yayılımına eşlik eden parçacık hareketi deneysel olarak ölçülür, daha sonra Ağ Sinyal Analizi (Array Signal Processing) yöntemleri kullanılarak kayıtlardan deneysel dispersiyon eğrisi elde edilir ve son olarak ta elde edilen deneysel dispersiyon eğrisine ters çözüm teknikleri uygulanarak zeminin S dalgası hız yapısı elde edillir. Özellikle Uzaysal Otokorelasyon (SPAC) Yöntemi kullanılarak yüzey dalgarından S dalgası hız yapısının belirlenmesi çalışmaları Japonyada oldukça yaygındır.

3 Uygulanan Yöntem ve Arazi Düzeneği Mikrotremor Ağ Ölçümleri kullanılarak S dalgası hız yapısının elde edilmesi çalışmalarındaki temel varsayım mikrotremor kayıtlarının yüzey dalgaları içeriği ve bu yüzey dalagarının faz hızlarının frekansın bir fonksiyonu olarak ifade edilebileceği yada bir başka deyişle mikrotremor kayıtlarının içerdiği yüzey dalgalarından Ağ Sinyal Analizi Yöntemleri kullanılarak dispersiyon eğrilerinin elde edilebileceğidir. Daha sonra elde edilen bu dispersiyon eğrileri ters çözüm (inversion) teknikleri kullanılarak S dalgası hız yapısına dönüştürülebilir. Günümüzde Mikrotremor kayıtlarından yüzey dalgalarının elde edilmesinde kullanılan iki temel yöntem vardır. Frekans (f) Dalgasayısı (k) Güç Spekturumu Yoğunluğu (f-k) Yöntemi ve Uzaysal Otokorelasyon (SPAC) yöntemi. Her iki yöntem de mikrotremor kayıtlarının hem uzay hemde zaman buyutunda durağan rastgele süreçler olduğunu kabul eder. Her iki yönteminde birbirlerine göre güçlü yada zayıf olduğu taraflar vardır; f-k yöntemi kullanılarak, mikrotremorlar içindeki yüzey dalgalarının pekçok baskın modu varsa yada eğer mikrotremorlar güçlü cisim dalgaları içeriyorlarsa bu dalagaları birbirlerinden ayırmak mümkündür. Aynı zamanda bu yöntem kullanılarak dalga kaynağının doğrultusu kestirilebilir ve daha geniş bir bant aralığında dalgaların faz hızları elde edilebilir. Uzaysal Otokorelasyon Yöntemi ise mikrotremorların içerdiği dispersif yüzey dalgalarının baskın modlarını yada cisim dalgalarını ayırmaya izin vermese de daha az kayıt istasyonu ve daha küçük boyutlu ağlar kullanarak yani daha az arazi çalışması, daha az veri işlem ve dolayısıyla daha az zaman harcayarak benzer sonuçları elde etmeye izin verdiğinden diğer yönteme göre daha kullanışlı kabul edilebilir. Uzaysal Otokorelasyon yönteminde kullanılan ağlar en az dört istasyon içermektedir. Bu durumda istasyonlar biri dairenin merkezine ve diğer üçü dairenin içindeki eşkenar üçgenin köşelerine olmak üzere yerleştirilirler. Bu dizilim kullanılarak gözlenebilen maksimum dalga boyu, kullanılan dairenin çapının on katına kadar ulaşmaktadır (Ozel et al., 2004). Uzaysal Otokorelasyon yöntemi ile ilgili daha detaylı teorik ve pratik bilgilere literatürden (Okada, 2003, Kudo et al., 2002, Apostolidis et al.,2004) ulaşılabilir. Bu çalışmada kullanılan alıcı ve kayıtçı düzeneği kuvvetli ve zayıf yer hareketlerinin geçici sürelerde gözlenmesi amacıyla Kudo ve diğerleri tarafından 1998 yılında geliştirilmiştir. Bu sistemde algılayıcı olarak doğal frekansları 3 Hz. olan yüksek sönümlü (h~26) dört ivmeölçer kullanılmaktadır. Ayrıca bir sinyal düzenleyici, 24 bit çözünürlüğe sahip bir analog dijital cevirici, 20 MB hafıza kartı ve zamanlama için GPS algılayıcısı mevcuttur. İvmeölçerler 1 V/g yada 5 V/g olarak ayarlanabilir ve maksimum ölçebilirlikleri 1 Hz te 1 g yada 10 Hz te 10 g dir. Dispersiyon Eğrisi ve Kesme Dalgası Hız Yapısının Elde Edilmesi Mikrotremor kayıtlarındaki Rayleigh dalgaları ile ilgilenildiğinden analizlerde elde edilen kayıtların yalnızca düşey bileşenleri kullanılarak Uzaysal Otokorelasyon Katsayıları (SPAC Coefficients) hesaplanmıştır. Orijinal sinyal pek çok zaman penceresine bölünmüş ve SPAC katsayılarının hesaplanmasında en uygun zaman pencerelerinin belirlenmesi için herbir pencere ayrı ayrı incelenmiştir. Seçilmiş zaman pencerelerinin uzunluğu o ağ için beklenen etki derinliğiyle ilişkili olan dalgaboyuna bağlı olarak değişir. Şekil 1 de gösterilen zaman penceresi 50 Hz lik örnekleme aralığı kullanılarak elde edilmiş orjinal mikrotremor kaydından alınmış sn lik bir zaman penceresidir. Şekil 1. Orjinal Mikrotremır kaydından seçilmiş zaman penceresi (81.92 sn).

4 Çalışılan sahadaki SPAC katsayılarının elde edilmesi için 5, 20, 58 ve 116 m. olmak üzere dört farklı yarıçapta ağ kullanılmıştır, ancak bu sunumda yöntemin izahı sadece 116 m yarıçaplı ağ verisi üzerinde yapılan işlemler özetlenerek anlatılacaktır. 116 m lik ağ verisi için S dalgası hız yapısının belirlenmesi ile ilgili işlemler Şekil 2,3 ve 4 ile izah edilmiştir. Şekil 2. Ağ üzerindeki istasyon çiftlerinden hesaplanmış güç yoğunluğu ve koherans fonksiyonları. Herhangi bir fonksiyonun güç spektrumu hem zaman hemde uzay ortamında değişiklik göstermiyorsa bu fonksiyonu zaman ve uzay boyutunda durağan olarak tanımlayabiliriz. Şekil 2 de Şekil 1 de gösterilen zaman penceresinden hesaplanmış olan güç yoğunluğu spektrumu ve koherans fonksiyonları sunulmuştur. Analizin ikinci kısmında, dairesel dizilimli ve merkezdeki istasyondan eşit uzaklıktaki üç istasyonun herbirinin merkezdeki istasyon ile oluşturdukları istasyon çiftlerinin uzaysal korelasyon katsayıları ve bunların ortalamaları hesaplanmıştır (Şekil 3.a.). (a) (b) Şekil 3. (a) SPAC Katsayıları (b) Seçilmiş frekanslar için SPAC katsayıları ve onlara uyan Bessel fonksiyonları. (a) (b) Şekil 4. (a) Deneysel Dispersiyon Eğrisi (b) Ters çözüm sonucu hesaplanan S dalgası hız profili. Her bir frekans için hesaplanan SPAC katsayıları mesafenin fonksiyonu olarak çizdirilmiş, bunlar matematiksel fit etme yöntemleri kullanılarak sıfırıncı dereceden birinci çeşit Bessel fonksiyonlarına uydurularak (Şekil 3.b.), faz hızları hesaplanmış ve böylece deneysel dispersiyon eğrisi elde edilmiştir (Şekil 4.a.). Son olarak elde edilen deneysel Dispersiyon eğrisine ters çözüm tekniği uygulanarak çalışılan sahadaki S dalgası hız profili elde edilmiştir (Şekil 4.b.).

5 Sonuç Toyota otomobil fabrikasında Mikrotremor Ağ Ölçümleri yapılmıştır. SPAC Metodu ve SURF96 yazılımı kullanılarak ters çözüm tekniği ile S dalgası hız yapısı 450 m. derinliğe kadar ayrıntılı olarak elde edilmiştir. Mikrotremor ağ ölçümleri ve SPAC metodunun en önemli özelliği bu çalışmada sunulduğu üzere özellikle büyük enerji kayanaklarının ve geniş boyutlu serimlerin kullanılması mümkün olmayan şehirsel yerleşim alanlarında büyük derinkliklere kadar güvenilir S dalgası hız yapısının belirlenebilmesidir. Referanslar 1.Apostolidis, P., Raptakis, D., Roumelioti, Z., and Pitilakis, K., Determination of S wave velocity structure using microtremors and SPAC method applied in Thessaloniki (Greece), Soil Dynamics And Earthquake Engineering. 2. Özel., O., Sasatani, T., Kudo, K., Okada, H., et al., 2004 Estimation of S wave velocity structure in Avcılar, İstanbul from microtremor measurements, The Journal of the Faculty of Science, Hokkaido University. 3. Okada, H., Microtremor survey method, Society of Exploration Geophysicists 4. Herrmann, R.B., and Amon C.J.,2002. Computer programs in seismolgy, surface waves, reciever functions and crustal strucyure 5. Kudo, K., Kanno, T., Okada, H., Özel, O., Erdik, M., Sasatani, T., Higashi, S., and Takahashi, M., Yoshida, K.., 2002 Site specific issues for strong ground motion during Kocaeli, Turkey Earthquake of August 17, 1999, as inferred from array observations of microtremors and aftershocks, Bull. Seism. Soc. Am., 2002