DETERMINATION OF SOIL PARAMETERS FOR TURKISH NATIONAL STRONG- GROUND MOTION STATIONS

Transkript

1 ULUSAL KUVVETLİ YER HAREKETİ KAYIT İSTASYONLARININ ZEMİN PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ F. Sertçelik 1, C. Kurtuluş 2, İ. Sertçelik 1, U. Çeken 3, H. Livaoğlu 4, T. Kuru 3, E. Tepeuğur 3, S. Altıok 3, M. A. Alkan 3, K. Tekin 3, C. Şaş 5, A. Apak 3, E. Ateş 3, S. Sezer 3, D. Kökbudak 3 ÖZET: 1 Doç. Dr., Jeofizik Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli 2 Prof. Dr., Jeofizik Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli 3 Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Deprem Dairesi Başkanlığı, Ankara 4 Araş. Gör., Jeofizik Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli 5 Jeofizik Müh., Jeofizik Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli fasert@kocaeli.edu.tr Bu çalışmada, Başbakanlık Afet Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Deprem Dairesi Başkanlığı (AFAD) tarafından işletilmekte olan Ulusal Kuvvetli Yer Hareketi Gözlem Ağındaki TR-KYH ya ait zemin bilgisi olmayan 314 ivme-ölçer istasyonun zemin özellikleri belirlenmiştir. Çalışma, Ulusal Kuvvetli Yer Hareketi Kayıt İstasyonlarının Zemin Parametrelerinin Belirlenmesi adlı AFAD-2015 yılı çağrılı projesi olarak desteklenmiştir. Çalışma kapsamında, her bir istasyon yerinde Aktif Kaynaklı Yüzey Dalgası Yöntemi (MASW), Pasif kaynaklı doğrusal dizilim yöntemi (ReMi) ve üç-bileşenli algılayıcı ile doğal gürültü ölçüm (Mikrotremor) yöntemleri kullanılmıştır. İstasyon yerlerinde ilk 30m derinliğe kadar makaslama dalgası hızının belirlenmesinin (V S30) yanı sıra, MASW+Remi birleşik ters çözümünden inilebilen değişik derinliklerdeki (h=250m varan) S-dalga hız-derinlik profili ve yer yapısı da belirlenmiştir. MASW çalışması sonuçları, Türkiye 2017 Deprem ve Bina Yönetmeliği, NEHRP ve Eurocode-8 e göre sınıflandırılmıştır. NEHRP e göre A sınıfı:3, B sınıfı:36, C sınıfı:172, D sınıfı:103 nokta belirlemiştir. Mikrotremor ile doğal titreşim frekansı ve sismik genlik büyütme katsayısı belirlenerek Rodrigez-Marek et. al.,(2001) ve Di Alessandro, Carola, et. al.,(2012) göre değerlendirilmiştir. Rodrigez -Marek ve diğ., 2001 sınıflamasına göre A sınıfı:2, B sınıfı:53, C1 sınıfı:79, C2 sınıfı:32, C3 sınıfı:60, D1 sınıfı:55, D2 sınıfı:21, D3 sınıfı:3, E1 sınıfı:1, E2 sınıfı:1 nokta belirlenmiştir. Her üç yöntemin sonuçlarının ortak değerlendirmesi sonucu istasyon noktalarına ait elde edilen bilgiler, gerek depremsellik gerekse zemin araştırmalarında veri tabanı olarak kullanılabilecektir. ANAHTAR KELİMELER: Kuvvetli yer hareketi, MASW, Mikrotremor, ReMi, V S30. DETERMINATION OF SOIL PARAMETERS FOR TURKISH NATIONAL STRONG- GROUND MOTION STATIONS ABSTRACT: In this study, it was determined dynamic soil parameters of 314 strong-motions stations (TR-KYH) operating by Department of Earthquake (DoE) affiliated to Disaster and Emergency Management Presidency (AFAD). The study was funded by AFAD as a part of AFAD-2015 project. It was conducted Multi spectral analysis of surface waves (MASW), refraction microtremor (REMi) and Microtremor measurements for every station. By the survey of MASW it was estimated the shear wave velocity structure of the subsoil up to 30 meter of subsoil features for each station. Besides it was reached up various depths ( 250 meter) for shear wave velocity utilizing joint inversion of MASW and REMi. The results of MASW surveys were classified in accordance with international standard according to 2017 Turkey earthquake and building regulation, NEHRP, and Eurocode-8. In other respects, subsoil features were classified according to Rodrigez -Marek et. al.,(2001) and Di Alessandro, Carola, et. al.,( 2012) asserting fundamental frequencies and H/V spectral ratios acquired via microtremor

2 measurements. It was detected 3 A, 36 B 172 C and 13 D soil classes considering NEHRP criteria. On the other hand, 2 A, 53 B, 70 C1, 32 C2, 60 C3, 55 D1, 21 D2, 3 D3, 1 E1 and E2 soil class was detected considering new approach to NEHRP criteria which was established by Rodrigez -Marek et al., 2001 The joint evaluation results obtained from each three methods could be able to use both for seismic risk analyzes and soil investigations as a database. KEYWORDS: MASW, Microtremor, ReMi, Strong ground motion, V S GİRİŞ Yerel zemin özelliği, kuvvetli yer hareket kayıtlarını doğrudan etkileyen bir parametredir. Bir kuvvet karşısında, farklı jeolojik ve jeoteknik özelliklere sahip alanlar farklı tepkiler göstermektedir. Zeminlerin sergilediği farklı büyütme değerleri, depremlerle ilgili disiplinlerde çalışan mühendislerin ilgisini çekmektedir. Özellikle büyük depremler sonrası zeminin davranışına bağlı olarak bölgede meydana gelen hasar zemin özelliklerinin duyarlı bir şekilde bilinmesinin önemini de artırmıştır. Kuvvetli yer hareketi kayıtları, yerleşimin gittikçe yoğunlaştığı bölgelerde, yüksek yapıların, köprü, baraj gibi mühendislik yapılarının depreme karşı dayanaklı tasarlanması ve gelecekteki depremlerden kaynaklanan kayıp ve kayıpları azaltmak için kritik önem taşımaktadır. Kayıtlar ayrıca, depremin fiziğini, zarar verici zemin hareketlerinin oluşumunu ve yayılımını ve yapıların titreşen performansını anlamak ve karakterize etmek içinde gereklidir. Dünyanın en aktif tektonik yapılarını barındıran konumda bulunan ülkemizde, T.C. Başbakanlık Afet Ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı Deprem Dairesi Başkanlığı tarafından işletilen 650 civarında Kuvvetli Yer hareketi istasyonu bulunmaktadır. 236 istasyon konumuna ait zemin durumu, ilk 30m için sismik ve standart penetrasyon testleri ile Ulusal Kuvvetli Yer Hareketi Veri Tabanının Ulusal Standartlara Göre Derlenmesi projesi kapsamında belirlenmiştir. Türkiye çapında aktif ya da pasif konumda bulunan 314 istasyona ait zemin bilgisi de Aktif Kaynaklı Yüzey Dalgası Yöntemi (MASW), Pasif kaynaklı doğrusal dizilim yöntemi (ReMi) ve üç-bileşenli algılayıcı ile doğal gürültü ölçüm (Mikrotremor) yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. İstasyon yerlerinde ilk 30m derinliğe kadar makaslama dalgası hızına (VS30) dayalı yer yapısı ile doğal titreşim frekansı ve sismik genlik büyütme katsayısı belirlenmiştir. Her bir istasyon yerinde elde edilen sonuçlar, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY- 2017), NEHRP, Eurocode-8, Di Alessandro (2012), Rodriguez-Marek (2001) esaslarına göre sınıflandırılmıştır. 2. ÖLÇÜM NOKTALARINA AİT BİLGİLER Çalışma alanı içerisinde bulunan Şekil 1 de gösterilen 314 noktaya ait jeoloji ve tektonik bilgi Maden Tetkik Arama web sayfasında bulunan Akbaş ve diğ. ve Emre ve diğ tarafından hazırlanan haritalardan elde edilmiştir. Şekil 1.Proje kapsamında ölçüm yapılan istasyonların dağılımı

3 İstasyon noktalarının konumu ve çevresindeki yapılar ile sismik serim doğrultusu ve koordinatları, mikrotremor ölçüm noktasını gösterir kroki her bir nokta için hazırlanmıştır. Bu çalışmada örnek olarak Kocaeli Üniversitesi Umuttepe Yerleşkesinde bulunana 4131 kodlu istasyon verilmiştir (Şekil 2). Örnek lokasyona ait jeoloji bilgisi Şekil 3 de gösterilmiştir. Şekil 2. Kocaeli Üniversitesi Umuttepe Yerleşkesi 4131 kodlu istasyonun görüntüsü. Şekil 3. İstasyon civarının jeolojisi (Emre ve diğ. 2013), (Akbaş ve diğ. ) 3. YÖNTEMLER 3.1Aktif Kaynaklı Yüzey Dalgası Yöntemi (MASW) Yeraltı tabakalarının fiziksel özelliklerinin (makaslama modülü, elastisite modülü, sıkışmazlık modülü, doğal salınım periyodu, sismik büyütmesi, poisson oranı v.b.) bulunmasında kullanılan bağıntılarda S dalga hızının kullanımı gereklidir. Fakat çoğu bölgelerde S-dalgası hızının sismik kırılma çalışması ile bulunması çok zor bazen de olanaksızdır. Bu nedenle S dalgasının elde edilmesinde son yıllarda yüzey dalgalarının çok-kanallı analizi (MASW) yöntemi kullanılmaktadır. Sismik kırılma yöntemi ile ölçü alımında kullanılan dizilim geometrisi korunarak MASW kayıtları toplanabilmekte ve daha büyük araştırma derinliği elde edilebilmektedir. Yüzey dalgası analiz yöntemlerinde, yer altındaki tabakalı yapıların kesme dalgası hızının (Vs) hızının derinlikle değişiminin hesaplanması amacıyla Rayleigh dalgasının dispersif özelliğinden faydalanır. MASW yöntemi Vs30 çalışmalarında ilk 30 metrede ve ince tabakaların tespitinde oldukça sağlıklı sonuçlar vermektedir. MASW verileri sahada 48 kanallı bir adet sismik kayıtçı ile alınmıştır. Veri alımında jeofon aralıkları 2m, offset 2m ve serim uzunluğu 96m dir. Saha çalışması sırasında istasyonun bulunduğu her bir noktada yapılan çalışmaya mahsus sismik etüt saha parametrelerini bulmak için; veri toplama, yüksek ve temel kipler (modes) için arazi dispersiyon eğrilerinin elde edilmesi ve ters çözüm işlemiyle makaslama dalgası hızı (Vs) dağılımının belirlenmesidir. Şekil 4 de örnek sismik kayıt, Şekil 5 de elde edilen P dalgası hız modeli ve Şekil 6 da elde edilen dispersiyon spektrumu gösterilmiştir.

4 Şekil kodlu istasyon mevkiindeki sismik kayıtlardan tespit edilen ilk-varan sinyallere ait zamanlar (kırmızı eğriler) ve zaman uzaklık eğrileri. Şekil kodlu istasyon mevkiindeki zemine ait P- dalga hız-derinlik modeli. Numaralı yıldızlar atış noktalarını temsil etmektedir Şekil kodlu istasyon mevkiinde hesaplanan dispersiyon spektrumu 3.2 Pasif Kaynaklı Doğrusal Dizilim Yöntemi (Refraction Microtremor (ReMi) ReMi tekniği ise 100 metre derinliğe kadar tabakaların derinlik ve Vs30 hız bilgisini ortaya koymak için kullanılmaktadır. Yöntem, MASW da yapay olarak dalga oluşturmak yerine doğal gürültülerin yanında doğal olmayan gürültüleri kullanır. Yöntem yer içerisinde dispersiyon özelliği gösteren Rayleigh dalgalarının analizini sağlayarak Vs hızının elde edilmesini sağlar. ReMi yer içerisinde titreşim oluşturacak çevresel gürültülerin kaydedilmesi ve bu gürültülerin frekans ortamına aktarılıp değerlendirilmesi olmak üzere iki prensibe dayanır.

5 Bunlardan birincisi incelenen alana ait dispersiyon eğrisinin belirlenmesidir. Yüzey dalgası yöntemlerin tümünde amaçlanan, incelenen alana ait dispersiyon eğrisini elde etmektir. Dispersiyon eğrisinin elde edilişi tüm yöntemler için farklıdır. İkinci adım ise ters-çözüm işlemidir. MASW ve REMİ yöntemlerinin birbirlerine olan üstünlükleri şöyle sıralanabilir. MASW yönteminde aktif kaynak kullanılır ve yüksek frekans aralıklarında yüksek kalitede Rayleigh dalga dispersiyon verisi elde edilebilir. ReMİ yönteminde ise pasif kaynak kullanılır ve uzun dalga boylarının çözünürlüğü için olumludur. Daha derinlerdeki tabakalardan bilgi alınır. ReMi Yöntemi uygulanması için yine 48 kanallı sismik kırılma cihazı kullanılmıştır. Her bir istasyon yerindeki MASW dizilimi ile pasif kaynak ölçümü alınmış (Şekil 7), ve dispersiyon eğrisi bulunmuştur (Şekil 8). ReMi yönteminden elde edilen sonuçlar MASW yönteminden elde edilen sonuçlarla kıyaslanmıştır. Şekil kodlu istasyon mevkiindeki alınan ReMİ Kaydı. Şekil kodlu istasyon mevkiinde hesaplanan dispersiyon spektrumu a b c Şekil kodlu istasyon mevkiine ait a) MASW b) REMİ c) MASW + REMİ hız-derinlik profili 3.3.Mikrotremor Yöntemi 314 noktada mikrotremor ölçümü için GÜRALP CMG 6TD üç bileşen geniş band hızölçer ile ölçüm yapılmıştır. Sismometre sensörünün yer hareketine hassasiyeti Hz arasında geniş bir frekans bandında değişmektedir. Kayıtlarda güç kaynağı olarak 12 V pil kullanılmıştır. Mikrotremor verileri, GCF (Guralp Compressed File) formatında alınmıştır. Kayıt edilen üç bileşen gürültü verisi SCREAM adlı yazılımla görüntülenip düzenlenmiştir. Alınan kayıtların değerlendirilmesi; Geopsy (SESAME Avrupa Projesi, 2004) yazılımı kullanılarak tek istasyon yöntemine (H/V) göre yapılmıştır. Ham verinin kenarlarında %5 yuvarlatılmış Kosinüs penceresi uygulanarak zaman dizisinin her iki ucunda oluşan ani değişimler sonucu spektrumlarda görülebilecek yan salınımların genlikleri düşürülmüş ve veri 1-20 Hz arasında band geçişli Butterworth süzgeç ile süzülmüştür. Böylece sinyallerden çok düşük ve yüksek frekanslardaki gürültüler atılmış, geriye mikrotremorları oluşturan frekans içeriği kalmıştır. Mikrotremor verilerinin değerlendirilmesinde; Pencere sayısı, tüm kayıt içerisindeki belirgin devirlerin sayısının 200 den büyük olması, fo (hakim frekans) değerinin

6 0.5 Hz den büyük veya küçük olma durumu, H/V eğrisinin standart sapma değerlerinin (σ) belli değerlerden küçük olması gibi kriterler göz önüne alınmıştır kodlu istasyona ait hakim frekans ve büyütmenin belirlendiği Yatay/Düşey genlik spektrumu Şekil 10 da gösterilmiştir. Her bir pencere için, iki yatay bileşenin (KG ve DB) spektrum değerlerinin kare ortalaması alınarak hesaplanan tek yatay bileşen (H) ile düşey bileşen spektrumu oranlanmıştır. Koyu çizgi H/V oranının ortalamasını, kesik çizgiler ise bu ortalamanın max ve min sınır değerlerini, koyu düşey çizgi ise hakim frekans değeri 2.9 Hz i göstermektedir. Şekil kodlu istasyona ait hakim frekans ve büyütmenin belirlendiği Yatay/Düşey genlik spektrumu. 4. SONUÇLAR Türkiye de AFAD a ait 314 adet Kuvvetli Yer Hareketi istasyonunda yapılan ölçümler sonucu bu noktalarda Vs30 zemin hız profili, baskın periyot ve H/V oranı verileri elde edilmiştir. NEHRP e göre A sınıfı:3, B sınıfı:36, C sınıfı:172, D sınıfı:103 nokta belirlemiştir. Şekil 11. Ölçüm yapılan 314 noktaya ait Vs30 dağılımını gösteren harita

7 Ayrıca Mikrotromor sonuçlarına göre yapılan Rodrigez -Marek ve diğ., 2001 sınıflamasına göre A sınıfı:2, B sınıfı:53, C1 sınıfı:79, C2 sınıfı:32, C3 sınıfı:60, D1 sınıfı:55, D2 sınıfı:21, D3 sınıfı:3, E1 sınıfı:1, E2 sınıfı:1 nokta belirlenmiştir. Genel olarak MASW çalışmalarında en fazla 100m derinlikten bilgi alınırken, REMİ çalışmalarından 225m nin altındaki derinliklerden de bilgi alınabilmiştir. Genel olarak sert zeminlerde düşük periyot ve yüksek frekans, yumuşak zeminlerde de yüksek periyot ve düşük frekans değerleri elde edilmiştir. Aynı şekilde yumuşak zeminlerde genel olarak yüksek H/V oranları bulunmuştur. Vs 30 hızları 200m/s ile 1000m/s arasında değişim göstermektedir. Zemin sınıflaması NEHRP, Eurocode-8, Rodriguez-Marek et.al., 2001, Di Alessandro, Carola, ve diğ., 2012 ve TBDY-2016 sistemlerine göre yapılmıştır. KAYNAKLAR Akbaş, B., Akdeniz, N., Aksay, A., Altun, İ., Balcı, V., Bilginer, E., Bilgiç, T., Duru, M., Ercan, T., Gedik, İ., Günay, Y., Güven, İ.H., Hakyemez, H. Y., Konak, N., Papak, İ., Pehlivan, Ş., Sevin, M., Şenel, M., Tarhan, N.,Turhan, N., Türkecan, A., Ulu, Ü., Uğuz, M.F., Yurtsever, A. ve diğerleri, Türkiye Jeoloji Haritası, Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü Yayını. Ankara Türkiye. Building Seismic Safety Council (2003). NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures and Accompanying Commentary and Maps, FEMA 450, Chapter 3, pp Di Alessandro, C., Bonilla, L. F., Boore, D. M., Rovelli, A., & Scotti, O. (2012). Predominant period site classification for response spectra prediction equations in Italy. Bulletin of the Seismological Society of America, 102(2), Duman, T.Y., Çan T., Emre, Ö. (2011). 1/ Türkiye Heyelan Envanteri Haritası, Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü Özel Yayınlar Serisi -27, Ankara, Türkiye. ISBN: Emre,Ö., Duman, T.Y., Özalp, S., Elmacı, H., Olgun, Ş. ve Şaroğlu, F. (2013). 1/ Ölçekli Türkiye Diri Fay Haritası, Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü Özel Yayınlar Serisi-, Ankara, Türkiye. European Committee for Standardization CEN (2004). Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance Part I: General Rules, seismic actions and rules for buildings, (EN ). Brussels, May Geopsy, (2004). SESAME Avrupa Projesi. Rodriguez-Marek, A., Jonathan D. B., Norman A. A. (2001). An empirical geotechnical seismic site response procedure. Earthquake Spectra 17.1, Seisimager 1.10, (2011). 2D Manual Seismic Software. SurfSeis 5, (2015). MASW Software Kansas State University Geological Survey. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY- 2017).