İnşaat Kaynaklı Yer Sarsıntısının Tarihi Yapılara Etkisi

Transkript

1 İnşaat Kaynaklı Yer Sarsıntısının Tarihi Yapılara Etkisi İlker Kazaz a, Emriye Kazaz b a İnşaat Mühendisliği Bölümü, Erzurum Teknik Üniversitesi, Erzurum, Türkiye b Mimarlık ve Tasarım Fakültesi, Atatürk Üniversitesi, Erzurum, Türkiye E-posta: ilkerkazaz@erzurum.edu.tr Özet Bu çalışmada makine/patlatma kaynaklı titreşimlerin tarihi ve hassas yapılarda hasar oluşturmaması için önerilen titreşim sınırları incelenmiştir. Yapılarda inşaat kaynaklı yer sarsıntısının hasar yapma potansiyelini belirlemek için en büyük parçacık hızı (PPV, Peak Particle Velocity) kullanılmaktadır. Patlatma sahasında değişik mesafelerdeki sarsıntı şiddetini belirlemek için ölçeklendirme ilişkilerini kullanmak standart bir uygulamadır. Günümüzde sarsıntı hızını ve ölçekli mesafeyi esas alan yaklaşımlar belli ölçüde güvenilir kabul edilmektedir. Patlatma kaynaklı yer sarsıntılarının tahminine yönelik benzerlik teorisine dayanan bu ilişkiler, maksimum parçacık hızını (PPV), patlayıcı madde miktarı (W) ve mesafeye (R) bağlı olarak tahmin etmeyi esas alan bir çok ampirik yaklaşım ortaya konulmuştur. Örnek uygulama olarak, HES projesinde iletim tüneli açmaya yönelik kullanılacak olan delme/patlatma işlerinden kaynaklanacak yer sarsıntısının, tünelin altından geçeceği SİT alanında bulunan tarihi yapılara etkisi araştırılmıştır. Ampirik yaklaşımlarla kestirilen PPV değerleri, sonlu eleman yöntemi kullanılarak yapılan detaylı patlatma simülasyonlarından elde edilen parçacık hızlarıyla karşılaştırılmıştır. Modelde patlatma etkisi, patlatma deliği etrafında hasar gören bölgenin sınırları eşdeğer elastik sınır olarak alınarak, bu yüzeye etki eden eşdeğer basınç kuvveti şeklinde uygulanmıştır. Bu çalışma tarihi öneme sahip yapılarda inşaat kaynaklı (makine/patlatma) titreşimlerin oluşturacağı riskin değerlendirilmesinde izlenecek yöntem için hem sarsıntı seviyesinin hem de hasar limitlerinin belirlenmesine yönelik kapsamlı bir yol haritası sunmaktadır. Anahtar sözcükler: Patlatma, en büyük parçacık hızı, titreşim Giriş Tüneller veya yeraltı kazıları, delme-patlatma veya mekanik kazı yöntemleri (TBM veya kazıcılar) ile yapılmaktadır. Tünel açmada veya kazılarda kullanılan delmepatlatma, kazık çakma ve zemin sıkılaştırma gibi inşaat işlerinden kaynaklanan yer sarsıntısı yakın sahada bulunan değişik yapılar üzerinde hasar yapma potansiyeli taşır. Yer sarsıntısın şiddetini ifade ederken ivme, hız veya yer değiştirme gibi temel yer hareketi karakteristikleri kullanılabilir. Bunlardan yer hızının yapısal hasarla iyi bir korelasyon gösterdiği bilinen bir gerçektir (Akkar ve Özen, 2005). Seksenli yıllardan önce birçok araştırmacı genel olarak yer kaynaklı titreşimlerin yapısal hasara yol açmayacak şekilde güvenli seviyede kalması için yapıda ölçülen maksimum parçacık hızının (peak particle velocity, PPV) 50 mm/s altında kalması gerektiği görüşünde 235

2 birleşmişlerdir. Ancak seksenli yıllardan sonra yapılan araştırmalar ışığında 50 mm/s lik maksimum parçacık hızı limitinin bazı yapılarda hasarsızlık için güvenli bir sınır olamayacağı anlaşılmıştır. Özellikle eski ve tarihi yapılarda daha düşük hız sınırları kullanılması gerektiği anlaşılmıştır. Titreşimle ilgili problemler iki farklı soru şeklinde ortaya konulabilir: Kazı veya tünel inşaatı işinde ortaya çıkacak yer sarsıntısının şiddetinin ne olacağı ki bu kazı işinde kullanılacak yöntem ve sahanın sismik yayılım özellikleriyle alakalıdır. Kabul edilebilir sarsıntı seviyesi nedir? Buda risk altında olan yapının yapısal sistemi ve yapıldığı malzemeyle ilgilidir. Binalar ve insanlar için güvenli sarsıntı seviyesi Yer sarsıntısının özelliği ve niteliği, patlatma yerine yakın kesimlerde daha çok patlatma tasarımı ve delik düzeni, bilhassa bir seferde ateşlenen patlayıcı miktarı, ateşleme aralığı (gecikme süresi) ve belli ölçüde de ateşleme yönünden etkilenir. Bu etkenlere bağlı olarak oluşan parçacık hızı önemli bir hasar göstergesidir. Ancak patlatma kaynağından uzaklaştıkça, sarsıntının özellikleri ve niteliği daha çok yer sarsıntısı dalgasının iletildiği kaya veya zemin ortamının özelliklerinden etkilenir. Sonuç olarak arazi özellikleri ve yer sarsıntısının frekansı da hasar oluşumunda önemli ve tayin edici etkenlerdir. 10 Hz değerinin altındaki frekanslar kayaçlarda ve zeminlerde büyük yer değiştirmeler ve yüksek düzeyli birim deformasyonlar oluşturduğu için hasar olasılığını da arttırır. Atımın yapıldığı bölgedeki ev, mesken gibi yapıların durumu (temel sistemi) göz önüne alındığında yer değiştirme değerinin belirli sınırı aşmaması gerekir. Patlatma yapılacak sahada, patlatma yapılacak kayanın özgün frekansının (f) bilinmesi çok önemlidir. Sismik dalga hızı (c), kaya özgün frekansı (f) ve dalga boyu (I) arasındaki ilişki I = c/f bağıntısıyla ifade edilir. Bazı malzemeler için özgün frekanslar ve kayadaki dalgaların sismik hızları Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Bazı kayaçların sismik özellikleri Malzeme Kaya türü Özgün Frekans (Hz) Sismik Hız (m/s) Gevşek zemin Kum, çakıl, kil Yumuşak kırıklı kaya Moraine, slate, yumuşak kalker Sert sağlam kaya Granit, Gnays, Diabaz kalker Sağlam kayaya oturan yapıların titreşim dalga boyu fazla olacağı için binaların hasar görme riski azalacaktır. Patlatmalardaki en kritik durum zemindeki uyarıcı dalga frekansının, bir veya iki katlı binalarda genellikle 5-10 Hz arasında değişen bina ana titreşim frekansına eşit veya ondan biraz büyük olduğunda oluşur. Bu durumda bina rezonansa girer ve zemindeki uyarıcı dalga geçip gittiği halde bina sarsılmaya devam eder. Bina rezonans halindeyken, parçacık hızı sınır değerlerin altında ise binada hasar oluşmaz ancak kullanıcılar rahatsız olur. Eğer bina rezonans halindeyken parçacık hızı da yeterli büyüklükte ise yani yer sarsıntısı şiddetliyse binada hasar oluşur. Patlatma işleminin binalarda rezonans oluşturmaması için patlatma süresinin (başlangıç ile en son patlayan delik arasındaki süre) 1000 ms nin altında kalmasına dikkat edilmelidir (Tezel, 2003)

3 Şekil 1 de Amerika Birleşik Devletleri Madencilik Bürosu (USBM-RI 8507) ve DIN 4150 Alman standardında önerilen güvenli patlatma ve insanlar tarafından hissedilebilir frekansa bağlı parçacık hızı ve frekansı arasındaki ilişki verilmiştir. Her iki yönetmelikte de benzer bir yaklaşımla, titreşimin frekansı arttıkça izin verilen en büyük parçacık hızı da artmaktadır. Daha önce de belirtildiği gibi düşük frekanslı yer hareketi yapıların doğal titreşim frekansıyla örtüştüğünden yapıların bu tip yer hareketine karşı yüksek frekanslı yer hareketine göre daha büyük risk altındadır. Eşik frekansı Hz olarak alınabilir. Diğer taraftan deprem kaynaklı yer hareketinin dominant frekansı 0-5 Hz arasında değişir. Şekilden de anlaşılacağı üzere DIN de önerilen hasar limitleri USBM-RI 8507 ye göre daha emniyetli taraftadır. Değerlere bakacak olursak konutlarda sıva çatlağı şeklinde gözle görülebilecek hasar parçacık hızının alçı ve kum sıva için sırasıyla 20 ve 12 mm/s değerlerini aştığı durumlarda gerçekleştiği anlaşılmaktadır. Sarsıntıların insanlar tarafından algılanabilmesi için parçacık hızının 0.25 mm/s den büyük olması gerekir. Maksimum Parçacık Hızı, PPV (mm/s) Konutlar için patlatma kaynaklı titreşim güvenli seviyesi, USBM İş yerleri, DIN 4150 Konutlar, DIN 4150 Diğer binalar, DIN Frekans (Hz) Şekil 1. Amerika Birleşik Devletleri Madencilik Bürosu (USBM-RI 8507) ve DIN Alman Standardı tarafından önerilen güvenli patlatma ve insanlar tarafından hissedilebilir frekansa bağlı parçacık hızı ve frekans arasındaki ilişki. Kaya kütlesinde hasar kriteri Sıva (alçı), 19 mm/s (0.75 inç/s) Sıvada çatlama Sıva (kum), 12 mm/s (0.5 inç/s) Hissedilebilir Hissedilemez Patlatma kaynaklı yer sarsıntısına ve titreşime bağlı kaya kütlesi hasarını belirlemek için kullanılacak analiz yöntemleri binalarda oluşan titreşime bağlı hasarlar kadar çalışılmamıştır. Kaya kütlesinde patlatma kaynaklı sarsıntıya bağlı hasarlar gevşek kısımların dökülmesi, çatlakların büyümesi ve derinleşmesi, bloklar arası kaymaların oluşması şeklinde gözlemlenir. Birçok araştırmacı bu hasar türlerini maksimum parçacık hızına ilişkilendirecek yöntemler önermiştir. Aşağıda gözlenen hasara bağlı olarak ölçülen parçacık hızı ile ilgili kısa bir literatür taraması verilmiştir. Langefors ve Kihlström (1973) kaplanmamış tünellerde 305 mm/s parçacık hızında kaya düşmesinin gerçekleştiğini, parçacık hızının 610 mm/s olduğu durumda yeni çatlakların oluştuğunu kaydetmiştir. Calder (1977) parçacık hızının 254 mm/s olduğu durumda sağlam kayada herhangi bir kırılma gözlemlememiştir. Öte yandan, maksimum parçacık hızının mm/s arasındaki değerlerinde az kavlaklanma ve 2373 Kuvvetli hissedilir (geçici) Ancak hissedilir (geçici) USBM-RI 8507 DIN (1999)

4 mm/s arasındaki değerlerde büyük çekme ve radyal çatlaklar meydana gelir mm/s parçacık hızında kaya kütlesi kırılarak ayrılır. Oriard (1982) parçacık hızının 635 mm/s nin üstüne çıktığı durumlarda çoğu kayanın belli oranda hasar göreceğini söylemiştir. Tarihi yapılar ve koruma alanları için hasar kriteri Yapıların dinamik davranış özellikleri onun tolere edebileceği titreşim seviyesini belirler. Daha önce bahsedildiği gibi her yapı ve parçalarının belirli bir titreşim frekansı vardır ve eğer yakın frekansta meydana gelen bir ekti tarafından harekete geçirilirse rezonans oluşma olasılığı vardır. Yapıların zeminden aldıkları titreşimi büyüttükleri dolayısıyla hasar tahminin karmaşık bir yapısı olduğu bilinen bir gerçektir. Öte yandan yapısal ve kozmetik hasarları ayırt edebilmek önemlidir. Bazı yapılar yapısal bütünlük bozulmadan çok yüksek seviyelerdeki titreşimlere karşı koyabilirler. Kozmetik hasarlar için sınır hafif çatlama (saç teli genişliğinde) ve dökülme şeklinde tanımlanabilir. İnşa edenlerin planladığının oldukça ötesinde uzun bir yararlı ömre sahip olan bazı binalara ve eserlere tarihsel önem atfedilir. Gelecek kuşaklara aktarılmak isteniyorsa bu tip binaların/yapıların korunmasına özel önem gösterilir. Bu özel davranışın bir parçası da bu tarz yapıların inşaat kaynaklı titreşimlerden etkilenmemesi için emniyetli titreşim limitlerinin seçilmesidir. Tarihi ve hassas yapılarla ilgili mevcut titreşim sınırları hakkında aşağıda kısa bir literatür taraması verilmiştir. Değişik görüşler olmasına rağmen en büyük parçacık hızının 50 mm/s yi geçmemesi konusunda genel ortak bir görüş vardır. Tablo 2 de İsveç yol inşaatı birliği danışmaları tarafından önerilen limitler verilmiştir. Tablo 2. İsveç Yol İnşaatı Birliği danışmaları tarafından önerilen limitler Yapı tipi Frakans Bandı Patlatma kaynaklı Trafik/Makine kaynaklı [Hz] PPV [mm/s] PPV [mm/s] Temel duvarlı ve beton döşemeli binalar, yığma veya beton çeşmeler, yığma duvarlı yeraltı odaları ve tünelleri Tarihi önem sahip anıtlar, heykeller, özel yapılar ve nesneler Yeraltı kaya mağarası, kaya tavan ve açıklık m Konon ve Schuring (1985) birçok araştırmacının çalışmalarını ve yönetmelikleri inceleyerek tarihi ve hassas binalar için Şekil 2 de verilen titreşim kriterlerini önermişlerdir. Grafiğin alt kolundaki frekans yer sarsıntısının frekansıdır. Yer Hızının Tahmininde Kullanılan Ampirik Yaklaşımlar İnşaat işleri kaynaklı yer sarsıntısı ve yapısal titreşimler iki farklı kaynaktan doğacak şekilde ele alınabilir: Kontrollü delme patlatma aktivitelerinden kaynaklanan yer sarsıntısı Tünel açma makinesi (TBM)/Kollu galeri açma makinesi (Roadheader) kaynaklı yer sarsıntısı 238 4

5 Maksimum parçacık hızı (mm/s) Frekans (Hz) Şekil 2. Kono ve Schuring (1985) tarafından tarihi ve hassas yapılar için önerilen titreşim kriteri. Patlatma kaynaklı titreşimler Patlatma sahasında değişik mesafelerdeki sarsıntı şiddetini belirlemek için ölçeklendirme ilişkilerini kullanmak standart bir uygulamadır. Günümüzde en çok sarsıntı hızını ve ölçekli mesafeyi esas alan yaklaşımlar belli ölçüde güvenilir kabul edilmektedir. Patlatma kaynaklı yer sarsıntılarının tahminine yönelik benzerlik teorisine dayanan bu ilişkiler, maksimum parçacık hızını (PPV), patlayıcı madde miktarı (W) ve mesafeye (R) bağlı olarak tahmin etmeyi esas alan bir çok ampirik yaklaşım ortaya konulmuştur. Patlatma ve ölçüm noktaları arasındaki mesafe (R), patlamanın herhangi bir anında bir atımdaki maksimum patlayıcı ağırlığının karekök veya küp köküne bölünmesiyle elde edilen ölçekli mesafeye (D s ) dönüştürülür. Ana değişkenler aşağıda verilen denklem formunda ilişkilendirilebilir. n n PPV K( R / W ) K D (karekök ölçeklendirme) (1-a) 3 n n PPV K( R / W ) K D s Verilen değerler geçici titreşimler içindir, sürekli titreşim durumunda değerler yarıya indirilmelidir. 6.5 (mm/s) s 13 (mm/s) (küp kök ölçeklendirme) (1-b) Burada; PPV maksimum parçacık hızı (mm/sn), R patlatma noktasından uzaklık (metre), W gecikme başına maksimum patlayıcı madde miktarı (kg), D s ölçekli mesafeyi, K yer iletim katsayısı ve n jeolojik sabiti temsil eder. Saha sabitleri, K ve n, sahada aletsel olarak ölçülerek elde edilen çok sayıda maksimum parçacık hızı (PPV) ve ölçekli mesafe (D s ) değerleri (önerilen en az 30 data noktası, Kahriman vd., 2000) üzerinde Denklem 1 de verilen bağıntıya uygun olarak yapılacak regresyon analizinden elde edilebilir. Parçacık hızı tahmin denkleminin güvenilir olması için kararlılık katsayısı (R 2 ) değerinin 0.7 den büyük olması gereklidir (Erçıkdı, 2004). Herhangi bir saha için K sabiti, atım noktasında patlatılan malzeme sonucu zemine yayılan sismik enerjiyle orantılıdır ve n sabiti bu enerjinin kaynaktan uzaklaştıkça azalımını belirler. K sabiti dolayısıyla PPV aşağıdaki faktörlere bağlı olarak azalım gösterir: 239 5

6 Enerji açığa çıkarken etraftaki sıkıştırma etkisinin az olması (sıkıştıran/patlayan kaya) Kaya elastik modülünün azalması Enerji yayılım (patlatma) kaynaklarının uzaysal dağılımının artması Enerjinin açığa çıkma süresinin artması veya atımların gecikmeli olarak yapılması Enerji kaynaklarının etkileşiminin azalması PPV, bu faktörlerin etkisi ters çevrildiğinde artar. Mesafe ve patlayıcı miktarından sonra parçacık hızını etkileyen en önemli faktör patlatma deliğinde patlama enerjisinin sıkıştırılmasıdır. Patlamalarda enerjinin hapsedilme etkisi, taşınan kaya kütlesi (derinlik) ve kayanın katılığı arttıkça artar. Oriard (1942) n sabitinin yaklaşık olarak 1.6 ve K sabitinin arasında değişen değerler alabileceğini önermiştir. K sabiti (kaynaktan yayılan enerji miktarı) atımların hapsedilme etkisi ve/veya kayaların katılığı arttıkça (elastik Young modülü) artar. Çok iyi derecede hapsedilmiş patlamalarda K değerinin en üst limit olarak 2000 alınabileceği önerilmiştir. Başka kaynaklarda (New, 1996) K ve n sabitlerinin sırasıyla ve değerleri arasında değişebileceği belirtilmiştir. K ve n sabitlerini belirlemek için ölçülmüş saha-spesifik veri olmadığında, K değeri kayanın fiziksel özellikleri ve patlamanın hapsedilme derecesi baz alınarak tahmin edilebilir. Bu tip durumlarda K faktörü 1140 alınarak değişik mesafelerdeki maksimum parçacık hızı hesaplanabilir. Bu şekilde seçilecek olan büyük K değeriyle, tahmin edilen titreşim seviyesi gerçekte ölçülecek değerlerden daha yüksek olacaktır. Benzer durumda saha üs sabiti n için değişik kayalarda önerilen değerler şu şekildedir: Riyodasit / Rhyolite: , Granit: , Kireçtaşı: 2.1, Ordovisiyen çökelleri: 2.8, Kömür madeni üst yapısı: , Bazalt (kil zemin): , Bazalt (masif): Saha üs sabitinin/jeolojik sabitin (n) büyük değerler alması yer sarsıntısının şiddetinin (PPV) daha çabuk azalım göstermesine neden olur. Çoğu araştırmacı; tipik patlatmaların, geometrik ve jeolojik şartlardaki değişimler nedeniyle, en iyi yer sarsıntısı tahmin şeklinin, gerçek atımların gözlemlenmesi sonucu elde edilebileceğini belirtmişlerdir. Tünel açma makinesi (TBM)/Kollu galeri açma makinesi (Roadheader) kaynaklı yer sarsıntısı Çalışan TBM makinelerinden kaynaklanan titreşim mesafe, kayanın mekanik ve fiziksel özellikleri, zemin suyu seviyesi ve kaya kütlesi üzerindeki malzemenin derinliğinden etkilenir. TBM makinelerinin kesici başlıklarının devir ve tasarımı sert kaya zeminlerde frekans içeriği Hz aralığında değişen yer sarsıntısı üretir. Bazı durumlarda makineler düşük frekanslı titreşimler (<5 Hz) üretebilir. Bilindiği gibi kayalar ve toprak low-pass filtre (yüksek frekansları süzüp eleyen) gibi davranır, dolayısıyla düşük frekanslı titreşimler yüksek frekanslardakine göre daha az azalıma maruz kalırlar. Bu durum özellikle yüzeyde dış etkilere maruz kalarak yıpranmış kayalarda, derinde bu etkilerden uzakta ve gerilmelerin büyük olduğu kayalardan daha belirgindir. Sonuç olarak böyle durumlarda ölçülen veya tahmin parçacık hızı (PPV) değerleri tarihsel verilere dayanan eğrilerin yüksek aralığında oluşacaktır

7 Patlayıcı kaynaklı yer sarsıntısının tahmininde kullanılan Denklem 1 deki ampirik ilişkiye benzer şekilde araştırmacılar makine kaynaklı titreşimlerde parçacık hızının hesaplanması için aşağıdaki formülü önermişlerdir (Benslimane vd., 2005). n 1.4 PPV K( R) 450R (2) Burada PPV maksimum parçacık hızı (mm/s) ve R patlatma noktasından uzaklıktır (m). Dikkat edilecek olunursa, saha üs sabiti n (jeolojik sabit) 1.6 yerine 1.4 alınmıştır. Bu durumda sarsıntının şiddeti mesafeyle daha yavaş bir azalım gösterecektir. Dolayısıyla oldukça emniyetli tahminler elde edilecektir. Aslında kireçtaşı türü kayalarda üs sabit daha büyük değerler alınmalıdır. Şekil 3 te değişik iş makinelerinin çalışmasından kaynaklanan en büyük parçacık hızının mesafeyle değişim ilişkileri gösterilmiştir (New, 1996). Şekil 3. Değişik titreşim kaynaklarından oluşan maksimum parçacık hızı (New, 1996) Tagar HES Projesi İletim Tüneli İnşaat Titreşimlerinin Urartu Kaya Mezarlarına Etkisinin Hesaplanması Tagar Regülatörü ve HES; Doğu Anadolu bölgesinde Tunceli İli, Çemişgezek İlçesi sınırları içerisinde Tagar çayı üzerinde yer almaktadır. Tagar HES projesi için hazırlanan ve kurulacak tesisleri gösteren 1/25000 ölçekli vaziyet planı Şekil 4 te verilmiştir. Tagar çayının 934 m ile 850 m kotları arasındaki düşüden yararlanarak enerji üretiminin amaçlandığı planlamada; 930 m dere yatağı kotunda inşa edilecek regülatör ile alınacak sular, m lik iletim tüneli ve m lik iletim kanalından oluşan iletim hattı ile yükleme havuzuna alındıktan sonra 210 m uzunluğundaki cebri boru ile kuyruk suyu kotu 850 m olan santrale düşürülecektir. Brüt düşü m dir. HES projesine ilk başlandığında, su kanalının vadi içerisinden açık kanalla ilerletilmesi planlanmıştır. Ancak, HES projesinin gerçekleştirileceği Tagar çayı vadisinde, konumu Şekil 4 teki haritada gösterilen tarihi Urartu kaya mağara ve mezarları bulunmakta olup, bölge SİT alanı olarak koruma altında olduğundan, projede yapılan bir tadilatla tünelli 241 7

8 kanal yapısına geçilmesine ve arkeolojik SİT alanından tamamen çıkılmasına karar verilmiştir. Şekil 4. Tagar HES projesi için hazırlanan 1/25000 ölçekli vaziyet planı Çemişgezek ilçesindeki İn Mağaraları Urartu dönemine ait olup, kaya mimarisi örneğini oluşturmaktadır. Şekil 5 te gösterildiği gibi, 250 m yüksekliğindeki sarp kayalara oyulmuş oda şeklinde yapılardır. Çemişgezek kaya odalarının bugünkü sayısı yaklaşık 20 civarındadır. Yumuşak olan kayaların kopmasıyla bir kısmının yok olduğunu düşünürsek oda sayısının geçmişte daha fazla olduğu rahatlıkla söylenebilir. Odaların duvarlarında murç ve çekiç izleri, taşçı taraklarının izleri açıkça belli olmaktadır. Ancak duvarlarda herhangi bir yazıya ve freske rastlanmamaktadır. Şekil 5. Çemişgezek inlerinin görünüşü Çemişgezek İnleri insanın doğa ile kurduğu ilişkinin eşsiz örneklerinden biridir. Bölgedeki kayaların yumuşak ve işlenmeye elverişli yapısı nedeniyle kayaların içine oyulmuş oda, sarnıç, havuz ve depo gibi birçok mekânın bulunduğu barınaklardır. Gerek bu mekânların oluşturulma biçimi gerekse birbirleriyle kurdukları ilişki bir dönem buralarda yaşayan insanların yaşam kültürü hakkında önemli bilgiler 242 8

9 vermektedirler. Birden çok barınağın bir arada grup halinde oluşturduğu biçim ve düzen etkisi, insan yapısının doğa ile uyumunu daha güçlü bir şekilde vurgulamaktadır. Bu bağlamda yapıların tarihi, kültürel, doğa, teknoloji, işlevsel ve grup değerlerinin yanı sıra yağmur, gün ışığı, rüzgâr gibi doğal etmenlerin tasarıma katılması yapıların çevreyle ilgili değerini ortaya koymaktadır. Çemişgezek İnleri bir dönemin yaşam biçimini, yapım tekniğini, günümüze taşıması gibi tarihi değerlerinin yanı sıra, işlevsel ve teknoloji değeri olan önemli tarihi yapılardır. Bu nedenle bu yapıların orijinal biçimlerinin korunarak geleceğe aktarılmalıdırlar. İnşaat aşmasında tünelin boyutuna ve zeminin yapısına bağlı olarak değişik güçte ve ebatta delme araçları (tünel açma makinesi, kollu galeri açma makinesi) ve delmepatlatma yöntemlerinden biri veya her ikisi birden kullanılması durumunda oluşacak titreşimlerin kaya mezarları üzerinde hasar yapıp yapmayacağı coğrafi yapı, iletim tüneli ve Urartu kaya mezarları bir bütün olarak değerlendirilmiştir. Zemin/Kaya özellikleri Tünel güzergâhının tamamı killi kireçtaşı-marn birimleri içerisinde açılacaktır. Sedimanter kökenli killi kireçtaşları RMR sınıflama sistemine göre genelde orta kaya sınıfında yer alır. Arazide yapılan gözlemsel çalışmalara ve önceki saha tecrübelerine dayanılarak belirlenen sınıflama sistemine göre tünel açımı için genelde iyi-orta kaya sınıfındadır. Orta uzunlukta kazı aşamalarının yapılabildiği, nispeten eklemli, dayanımlı özellikteki bu tür kayalarda duraylılığı sağlamak ve kemerlenmeye destek olmak için yersel ve noktasal kaya bulonu ile hasır çelikli veya çeliksiz püskürtme betonu uygulaması genelde yeterli olmaktadır ve güzergâhın büyük kesiminde bu tür uygulama gerekecektir. Şekil 6 da tünel güzergâhının kaya mezarlarına en yakın geçtiği noktada mesafeleri gösteren ölçekli bir çizim verilmiştir. Bu çizime göre tünel mağaralara en yakın yatayda 193 m lik bir mesafeden geçmektedir. Tünel 930 m kotunda, in delikleri m kotunda bulunmaktadır. Şekil 6. İletim tüneli ve Çemişgezek İnleri konumu ve mesafeler. Ampirik formüller kullanarak hesaplama Çemişgezek İnlerini bina olarak ele almak mümkün değildir. Kayaya oyulu olduklarından mevcut oldukları konumdaki kayanın frekansıyla karakterize edilebilirler

10 Bu durumda inleri etkileyecek frekans içeriği 40 Hz in üzerinde olması gerektiği kabul edilebilir (Tablo 2). Dolayısıyla en güvenli yaklaşımla bu yapılar için titreşim limiti 13 mm/s olarak alınabilir (Şekil 2). Aşağıda amprik formüller kullanılarak yapılan hesaplamaların sonuçları verilmiştir. Denklem (1-a) kullanılarak değişik şarj miktarı (patlayıcı miktarı, W) ve kaynaktan olan uzaklık (R) değerleri için en büyük parçacık hızı belirlenerek Tablo 3 te sunulmuştur. Saha sabitleri n ve K sırasıyla 1.6 ve 1140 olarak alınmıştır. Bu değerlerin güvenli kestirimler vereceği daha önce açıklanmıştır. Tablo 3. En büyük parçacık hızının (mm/s) şarj miktarı (W) ve kaynaktan olan uzaklığa (R) göre fonksiyonu Gecikme başına şarj ağırlığı (kg) Kaynaktan olan uzaklık, R (m) **** **** **** **** **** **** **** **** Saha üs (jeolojik) sabiti n=-1.6 Saha iletim katsayısı K=1140 Tablo 3 e göre, Çemişgezek inleri örneğinde olduğu gibi, patlama noktasından yaklaşık olarak R=200 m uzaklıktaki bir noktada izin verilen en büyük parçacık hızı olan 13 mm/s nin aşılmaması için bir atımda kullanılacak en büyük patlayıcı ağırlığı 150 kg dır. Atım başına kg patlayıcı kullanılacağı düşünülecek olursa parçacık hızı 2~3 mm/s seviyelerinde olması beklenebilir. Şekil 7 izin verilen en büyük parçacık hızı için patlayıcı miktarı ve mesafe arasındaki ilişkiyi vermektedir. Denklem 2 kullanılarak makine kaynaklı titreşimlerin seviyesi tahmin edilecek olursa R=193 m için PPV=0.284 mm/s değeri elde edilir. Bu değer öngörülen 13 mm/s lik titreşim kriterinin oldukça altındadır. Nümerik modelleme yöntemi ile parçacık hızı hesaplama Yapıların titreşim altında hasar derecelerini tahmin etmek ve davranışlarını belirlemek için, nümerik dinamik analiz yöntemlerinin kullanmak tercih edilen bir yöntemdir. Ancak, birçok yapısal ve çevresel değişkendeki belirsizlikten dolayı yukarıdaki gibi

11 yaklaşık analizlerin yapılması bile kolay değildir. Yine de bu aşamada daha güvenilir sonuçlar elde etmek için sonlu eleman yöntemi kullanılarak patlatma esaslı kaynaklardan yayılacak enerjinin oluşturacağı parçacık hızları dinamik yöntemle hesaplanacaktır. Şekil 4 e bakılacak olursa kaya mezarları 2400 m lik tünel güzergâhında 380 m noktasının 193 m açığında paralel bir konumda bulunmaktadır. Burada en kritik sarsıntı tehlikesi tünel inşaatının kaya mezarlarına en yakın pozisyonu aldığı noktada olacağı düşünülmüştür. Bu duruma istinaden 3-boyutlu modelden ziyade hesaplamalar için 2- Boyutlu bir modelin kurulmasının yeterli olacağı düşünülmüştür. Analizlerde kullanılmak üzere, Şekil 8 de verilen 2B sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. Şekil 7. Parçacık hızının şarj miktarı ve mesafeye bağlı olarak tahmininde kullanılacak grafik Silindirik şarjın (patlayıcı) etrafını saran kaya kütlesinin lineer elastik ve sıkıştırılamaz olduğu ve patlama enerjisinin tamamen kaya kütlesinde kinetik enerjiye dönüştüğü varsayımlarıyla, patlama gerçekleştiğinde yarıçapı r 0 olan patlatma deliğinin etrafında yarıçapı r 1 =(3~5)r 0 olan ezilme bölgesi ve bunun dışında r 2 =(10~15)r 0 olan kırılma bölgeleri oluşur. Bu bölgelerin dışında kaya kütlesi elastiktir. Hasar gören bölgenin sınırları eşdeğer elastik sınır olarak alınarak, sınırdaki patlamadan kaynaklanan basınç kuvveti hesaplanarak Şekil 8 de gösterilen tünel kesitinde çeperlere uygulanmıştır. Bu hesaplamaların detayları değişik kaynaklarda mevcuttur (Lu vd., 2011). Eşdeğer elastik sınırın çeperlerine etki ettirilecek basınç kuvvetinin zamana göre değişimi Şekil 9 da verilmiştir. Basınç kuvvetinin etkime süresi 6.5 milisaniye olarak hesaplanmıştır. Anakaya ve eşdeğer elastik bölge özelliklerinin dalga yayılımı ve parçacık hızı üzerindeki etkisi de irdelenmiştir. Tablo 4 te farklı anakaya türleri için kullanılan malzeme özellikleri verilmiştir. Örselenmeyi dikkate alarak modellemede eşdeğer elastik sınır etrafındaki kayanın elastik modülünü ana kayaya göre %10-25 azaltmak doğru bir yaklaşımdır. Poisson oranı 0.15 olarak alınmıştır. Patlayıcı olarak amonyum nitrat kullanıldığı ve birim ağırlığının 1.0 g/m 3, patlama hızının 3600 m/s olduğu varsayılmıştır. Parçacık hızının kaya kütlesi içinde değişik analiz zamanlarında değişimi Şekil 10 da verilmektedir. Bu şekilde ayrıca dalga önünün ilerlemesi de görülmektedir

12 Tablo 4 te verilen kaya özelliklerine bağlı olarak mağaraların bulunduğu yerde yatay ve düşeyde elde dilen parçacık hızı değişimi Şekil 11 de çizdirilmiştir. Şekil 8. 2 boyutlu sonlu eleman modeli ve tünel konumu Zaman (ms) Şekil 9. Eşdeğer elastik sınırında etki ettirilecek basınç kuvvetinin zamana göre değişimi Basınç kuvveti (x10 6 N/m) Tablo 4. Sonlu eleman modelinde kullanılan malzeme özellikleri Analiz Plastik bölge, E p (MPa) Ana kaya, E (MPa) Poisson oranı Şekil 12 de, Analiz 1 in malzeme özelliklerine bağlı olarak farklı noktalarda hesaplanan yatay ve düşey parçacık hızları verilmiştir. 1 noktası dere yatağı, 2 in deliklerinin olduğu bölge ve 3 noktası in deliklerinin 50 m yukarısıdır. Şekilden anlaşılacağa üzere in delikleri bölgesinde yatayda ve düşeyde hesaplanan en büyük parçacık hızı sırasıyla 5.96 mm/s ve 2.42 mm/s dir. Bu değerler öngörülen kriterlerden (13 mm/s) düşüktür. Parçacık hızı yanı sıra hasarla ilişkili olması açısından parçacık ivmesi değerleri de hesaplanarak Şekil 13 te çizdirilmiştir. İvme, hız kadar iyi bir yer hareketi şiddeti 246

13 göstergesi değildir (Akkar ve Özen, 2005). 2 noktasında hesaplanan en büyük parçacık ivmesi 2 m/s 2 mertebesindedir. Değer olarak hasar yapabilirlik potansiyeli taşımasına rağmen, tek çevrimde etki etmesi ve puls süresinin kısa olması (10 ms) dolayısıyla hasar vermeyeceği kanaatine varılmıştır. Şekil 10. Kaya kütlesi içinde anlık parçacık hızı değişimi ve patlama kaynağından dalga yayılımı 247

14 Parçacık hızı (mm/s) a) Yatay yönde (y ekseni) Zaman (s) Zaman (s) 1.08 Şekil 11. Malzeme özelliklerine bağlı olarak 3 noktasında hesaplanan parçacık hızı Parçacık hızı (mm/s) a) Yatay hız Şekil 13. Düşeyde ve yatayda 1,2 ve 3 noktalarında hesaplanan parçacık ivmesi Sonuç Bu çalışmada tarihi öneme sahip yapılarda inşaat kaynaklı (makine/patlatma) titreşimlerin oluşturacağı riskin değerlendirilmesinde izlenecek yöntem için hem sarsıntı seviyesinin hem de hasar limitlerinin belirlenmesine yönelik bir literatür ve uygulama çalışması yapılmıştır. Tarihi sit alanında titreşim kaynaklı meydana gelebilecek hasarın değerlendirilmesi mevcut ampirik bağıntılarla ve sonlu eleman modellemesi ile gerçekleştirilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Ölçekli mesafeyi kullanan ampirik bağıntıların güvenli tarafta kalacak kestirimler verdiği görülmüştür. Bu çalışmada uygulama örneği olarak seçilen Çemişgezek İnlerine tünel açma faaliyetlerinin etkisi Parçacık hızı (mm/s) b) Düşey yönde (z ekseni) E=40000 MPa & Ep=10000 MPa E=40000 MPa & Ep=40000 MPa E=60000 Mpa & Ep=20000 MPa Nokta 2 Nokta 2 Nokta Nokta Nokta 1 Nokta Zaman (s) Zaman (s) 1.08 Şekil 12. Düşeyde ve yatayda 1,2 ve 3 noktalarında hesaplanan parçacık hızı PPA (m/s2) Düşey yönde parçacık ivmesi AX_1 AX_2 AX_ Zaman (ms) Parçacık hızı (mm/s) b) Düşey hız Yatay yönde parçacık ivmesi AY_1-1.5 AY_ AY_ Zaman (ms) PPA (m/s2) 248

15 teknik boyutuyla ele alınmıştır. HES projelerinin kültürel-çevresel-sosyolojik etkileri mevcuttur ve bunlar ayrıca ele alınmalıdır. Kaynaklar Akkar, S. and Özen, Ö. (2005) Effect of peak ground velocity on deformation demands for sdof systems. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 34, Benslimane A., Anderson D.A., Munfakh N. and Zlatanic S (2005) Ground borne vibration on the East Side Access Project Manhattan segment: issues and impacts, Underground Space Use: Analysis of the Past and Lessons for the Future Erdem & Solak (eds), Taylor & Francis Group, London. Calder, P. (1977) Pit Slope Manual, Chapter 7 Perimeter Blasting; CANMET (Canadian Center for Mineral and Energy Technology); CANMET Report Erçıkdı, B., Kesimal, A., Yılmaz, E. ve Cihangir, F. (2004) Patlatma kaynaklı yer sarsıntısı ölçüm sonuçlarının değerlendirilmesi. Fen Bilimleri Dergisi, Dumlupınar Üniversitesi, 7, Kahriman A., Görgün S., Karadoğan A., Tuncer G. (2000) Tuzla-Dragos tüneli kazısında patlatmadan kaynaklanan yersarsıntısı ölçüm sonuçları ve değerlendirilmesi. İstanbul Yerbilimleri Dergisi, 13(1-2), pp Konon, W. and Schuring, J. (1985) Vibration Criteria for Historic Buildings. J. Constr. Eng. Manage., 111(3), Langefors, U. and Kihlstrom B. (1973) The Modern Technique of Rock Blasting. 2nd Edn., Wiley Publisher, New York, pp: 405. Lu W., Yang J., Chen M., Zhou C. (2011). An equivalent method for blasting vibration simulation. Simulation Modelling Practice and Theory, 19(9), pp New B.M (1996) Ground vibration caused by civil engineering Works. Research Report 53, Transport and Road Research Laboratory, Department of Transport, Berkshire. Oriard, L.L. (1970) Dynamic effect on rock masses from blasting operations. Slope Stability Seminar, University of Nevada. Oriard L.L. (1982) Blasting effects and their control, SME Handbook. Littleton, Colorado, pp Siskind, D.E., Stagg, M.S., Kopp, J.W., and Dowding, C.H. (1980) Structure response and damage produced by ground vibrations from surface blasting. RI 8507, U.S. Bureau of Mines, Washington, D.C. Standard DIN (1999) Structural Vibration Part 3: Effects of vibration on structures. Swiss Consultants for Road Construction Association (1992) Effects of Vibration on Construction, VSS-SN a,. Zurich, Switzerland. Tezel N. (2003). Kontrollü Patlatma, Nitro-MAK Sektörel Dergi, No.1,

16