COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ (GIS) MERKEZLİ ZEMİN DİNAMİĞİ VERİTABANI GELİŞTİRİLMESİ VE DİNAMİK ANALİZLER

Transkript

1 COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ (GIS) MERKEZLİ ZEMİN DİNAMİĞİ VERİTABANI GELİŞTİRİLMESİ VE DİNAMİK ANALİZLER Mehmet Kuruoğlu Araş. Gör., İnş. Y. Müh., Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik Anabilim Dalı, Tınaztepe Kampüsü Buca İzmir, Tel: / 1066, Faks: , e-posta: mehmet.kuruoglu@deu.edu.tr Mehmet Kapar İnş. Müh., 62 Sokak No: 2 / 7 Bornova İzmir, Tel: , e-posta: mehmet.kapar@yahoo.com Gürkan Özden Yrd. Doç. Dr., Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik Anabilim Dalı, Tınaztepe Kampüsü Buca İzmir, Tel: / 1061, Faks: , e-posta: gurkan.ozden@deu.edu.tr 1 GİRİŞ Bu bildiri, Coğrafi Bilgi Sistemi (GIS) merkezli zemin dinamiği veritabanı geliştirilmesi ve İzmir Körfezi kuzey kıyısı zeminlerinin dinamik analizi konulu bilimsel araştırmamızı tanıtmak ve ulaştığımız sonuçları aktarmak amacı ile hazırlanmıştır. Çalışmanın amacı ve kapsamı, araştırma yöntemi, gerçekleştirilen analizler sonucunda elde edilen bulgular, değerlendirmeler ve önerilerimiz bildirinin izleyen bölümlerinde sunulmaktadır. Çalışmanın amacı, zemin etüdleri yapılarak elde edilen büyük hacimli geoteknik bulguların zemin dinamiği ve temel mühendisliği prensipleri dikkate alınarak analizi ve Coğrafi Bilgi Sistemi (GIS) olanakları kulanılarak sunumu için bir yöntem geliştirilmesidir. Geliştirilen yöntemin çalışmada pilot bölge olarak seçilen, İzmir ili kuzeyinde yer alan ve İzmir Körfezi ne kıyısı olan Karşıyaka ve Bornova ilçelerinin sahil kesimlerine uygulanması hedeflenmiştir. Karşıyaka ilçesinin Bostanlı, Mavişehir semtleri ve Çiğli ilçesinin kıyıya yakın bölgeleri ile Atatürk Organize Sanayi Bölgesi kesimi; Gediz nehrinin eski kollarının oluşturduğu deltada nehir tarafından taşınarak düzensiz bir biçimde biriktirilen, yüzeye yakın kısımlarda çok yumuşak/yumuşak kıvamda kil/silt ve çok gevşek/gevşek sıkılıkta kum/çakıl tabakaların ardalanması şeklinde bir tabakalaşma gösteren alüvyonal zeminler içermektedir. Bu bölgelerde yer altı su seviyesi yüzeye çok yakın olup, taban kayası oldukça derindedir.

2 Karşıyaka dan Alaybey ve Bayraklı ya doğru gidildiğinde taban kayası derinliği giderek azalmaktadır, ancak Bayraklı dan Bornova kıyı kesimine doğru yeniden alüvyon tabakanın kalınlaştığı, Meles çayı ve Bayraklı deresinin taşıyıp biriktirdiği çökellerin zemin profilinde hakim olduğu bilinmektedir. Konumsal olarak değişkenlikler gösteren zemin yapısının depremde göstereceği performansın dinamik analiz yöntemleri ile önceden sondaj yapılmış olan konumlarda belirlenebilmesi, yörenin İzmir de tercih edilen bir yerleşim ve sanayi bölgesi olması nedeniyle özgün ve faydalı bir çalışma oluşturduğu kanaatindeyiz. 2 ÇALIŞMA YÖNTEMİ Çalışmada izlenen yöntem aşağıdaki adımlardan oluşmaktadır: 1. Geoteknik verilerin toplanması ve veritabanı modelinin oluşturulması 2. Çalışma alanının yer aldığı imar paftalarının sayısallaştırılması işleminin bitirilmesi ve çalışma alanı coğrafi koordinatlarının elde edilmesi 3. Coğrafi koordinatların GIS yazılımına aktarılması ve GIS yazılımının çalışmanın amacına uygun duruma getirilmesi 4. Veritabanının kurulması ve toplanan geoteknik verilerin çalışma alanı coğrafi koordinatları ile ilişkilendirilmesi 5. Dinamik zemin davranışı analizlerini GIS yazılımı ile bağlantılı bir biçimde gerçekleştirebilmek amacıyla bir arabirim yazılımı geliştirilmesi 6. Dinamik zemin parametrelerinin tahmini ve dinamik zemin davranışı analizlerinin gerçekleştirilmesi 7. Dinamik zemin davranışı analizlerinin tamamlanması, elde edilen bulguların değerlendirilmesi ve yorumlanması 8. Dinamik analizlerde kullanılan deprem kayıtlarının toplanacağı kuvvetli yer hareketi veritabanı kurulması, analizi tamamlanan kayıtların bu veritabanına aktarılması 9. Arabirim yazılımının sıvılaşma potansiyeli ve sıvılaşmaya bağlı oturma hesabı yapılabilecek şekilde geliştirilmesi ve bu yazılımın GIS ile entegre çalışır duruma getirilmesi 10. Dinamik zemin davranışı analiz sonuçlarının GIS ortamına aktarılması ve GIS ortamında zemin dinamiği esaslı sorgulamalar yapılabilir duruma gelinmesi Yukarıda maddeler halinde gösterilen proje adımları, biraz daha ayrıntılı olarak aşağıda açıklanmaktadır.

3 İlk aşamada, Karşıyaka ve Bornova ilçeleri sahil kesimlerine ait zemin etüdleri toplanmış ve geoteknik verilerin toplanması aşaması tamamlanmıştır. Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik Anabilim Dalı nca hazırlanan uygulamalı araştırma projeleri ile kamu kuruluşları ve özel sektör firmalarınca hazırlanmış olan raporlardan elde edilen toplam 238 sondaj kuyusu ve 106 CPT deney konumundan elde edilen geoteknik veriler Access ortamında geliştirilen Geoteknik Özelikler Veritabanı nda toplanmıştır. Bu işlem, zahmetli ve dikkat isteyen bir çalışma gerektirmiştir. Bunun nedeni, geoteknik bulguların yoğunluğu ve dinamik parametreler belirlenirken bu veritabanındaki bulgulardan yararlanılmasıdır. Ancak, bazı konumlarda deneysel verilerin eksik olduğu, ya da yeterince veri elde edilemediği gözlenmiştir. Geoteknik Özelikler Veritabanı Sondaj Konumları Tablosu, SPT Verileri ve İndis Özelikleri Tablosu, Örselenmemiş Numuneler Veri Tablosu, CPT Konumları Tablosu, CPT Verileri Tablosu şeklinde tablolardan oluşmaktadır. Her bir sondaj konumu ve CPT konumunun kendi kimlik numarası bulunmaktadır. Veri tabanında depolanan zemin verilerinin coğrafi koordinatlara bağlanması işlemi de eşzamanlı olarak yürütülmüştür. Bu kapsamda, çalışma alanını içine alan 1/1000 ölçekli imar paftaları sayısallaştırılmıştır. Çalışma alanı coğrafi koordinatları, sondaj konumları ve CPT konumları ArcView 3.2 GIS yazılımına aktarılmıştır. Böylelikle, veritabanında depolanan geoteknik veriler coğrafi koordinatlar ile ilişkilendirilmiş bulunmaktadır. Araştırma kapsamında, İzmir ve çevresinde meydana gelmiş olan orta ve büyük ölçekli deprem kayıtlarına ulaşılmıştır (Afet İşleri Genel Müdürlüğü Deprem Araştırma Dairesi, 2000). İzmir ilinde oluşmuş bazı depremlerin düzeltilmiş ivme kayıtlarına Avrupa Kuvvetli Yer Hareketi Veri Tabanı nın The Internet-Site for European Strong-Motion Data (ISESD, Ambraseys vd., 2001) yer aldığı internet adresinden ( ulaşılmış, dinamik analizlerde bu düzeltilmiş kayıtlar kullanılmıştır. Bu kayıtlardan dinamik analizlerde kullanılabilir olanları kuvvetli yer hareketi veritabanına aktarılmaktadır. Veritabanı, mevcut deprem kayıtlarını ve bu kayıtların alınmış olduğu istasyonlara ait yerel zemin koşulları bilgilerini içermektedir. Farklı bölgelerde alınmış deprem kayıtlarının genlik ve periyodlarını modifiye etmek ya da orijinalini kullanmak şekliyle, başka bir yöre için deterministik analizlere ilişkin literatür çalışmalarında olumlu sonuçlar alındığı bilinmektedir (Seed vd., 1987). Bu amaçla, California eyaleti kuvvetli yer hareketi veri tabanı taranmış, deprem mekanizmasının İzmir ve civarı aktif fayları ile olabildiğince benzerlik göstermesine dikkat edilerek bazı deprem kayıtlarına Peer-Pasific Earthquake Engineering Research Center veri

4 tabanından ulaşılmıştır. Böylece, deterministik zemin davranışı ve zemin-yapı etkileşimi analizleri için doğrudan kullanıma hazır bir kuvvetli yer hareketi veri tabanı kurulmaktadır. Maksimum ivme değerleri, kayıt istasyonu ile analiz edilen bölge arasındaki mesafe nedeniyle bir miktar azalmaktadır. Sığ depremler için geliştirilen en yeni ivme azalım modelleri (Abrahamson ve Silva, 1997; Boore vd., 1997; Campbell, 1997; Sadigh vd., 1997; Spudich vd., 1997) İzmir çevresinde oluşmuş depremlerin farklı istasyonlarda kaydedilen maksimum ivme değerlerine uygulanmış ve çalışma alanı taban kayası için maksimum ivme değerleri tahmin edilmiştir. Dinamik analizler, Excel ortamında veri girişi sağlayan ve tek boyutlu eşdeğer lineer dinamik analiz yazılımı EERA (Bardet vd., 2000) kullanılarak yapılmaktadır. EERA veri giriş dosyasına deprem ivme kaydı, zemin profili ve tabakalara ait dinamik zemin parametreleri tanımlanır ve analiz gerçekleştirilir. Analiz sonucunda zemin yüzeyi, ara tabakalar ve taban kayasındaki maksimum ivme değerleri, zemin hakim periyodu, zemin büyütmesi, spektral ivme-frekans ilişkisi elde edilebilmektedir. Dinamik analizlerden elde edilen bulgular Sonuçlar Veritabanı na aktarılır. Visual Basic ortamında geliştirilen ara birim yazılımı (DİSO 7.0), veritabanları ve dinamik yazılımlar ile bağlantıyı sağlayan bir köprü görevini görmektedir (Şekil 1). GEOTEKNİK ÖZELİKLER VERİTABANI SONUÇLAR VERİTABANI ARCVIEW 3.2 GIS (ESRI, 1999) YAZILIMI KUVVETLİ YER HAREKETİ VERİTABANI ARA BİRİM YAZILIMI EERA (Bardet vd., 2000) DİNAMİK ANALİZ YAZILIMI OTURMA ANALİZİ YAZILIMI SIVILAŞMA ANALİZİ YAZILIMI Şekil 1. DİSO 7.0 Yazılımı Modüler Yapı Blok Şeması

5 Yazılım ilk aşamada dinamik analizler için gerekli verileri Geoteknik Özelikler Veritabanı ve Kuvvetli Yer Hareketi Veritabanı ndan alarak oluşturduğu EERA veri giriş dosyasına aktarır. Sıvılaşma ve sıvılaşmaya bağlı oturma analizleri için gerekli parametreleri ve dinamik analiz sonucu elde edilen maksimum zemin yüzey ivmesi değerini sıvılaşma ve oturma analizleri alt yazılım kısımlarına gönderir. Bu analizlerin gerçekleştirilmesi sonucu elde edilen bulguları Sonuçlar Veritabanı na aktarır. Sonuçlar Veritabanı ara birim yazılımı ile entegre biçimde çalışmaktadır. Ara birim yazılımı çalıştırıldığında proje çalışma alanı ekrana gelir. İstenilen bir bölge seçilerek bu bölgede yer alan sondaj kuyularından analiz yapılmak istenen sondaj kuyusu konumu seçilir. Yeni gelen ekranda seçilen kuyuya ait zemin profili ve SPT darbe sayısıderinlik değişimi grafiği çizdirilir. Veritabanından alınan geoteknik parametreler grafik ekranına yazdırılır. Dinamik analizler için gerekli hesaplamalar yapılır ve EERA veri giriş dosyası hazırlanır. Analizi yapılan profil için zemin hakim periyodu hesaplanarak veri giriş dosyasına kaydedilir. Sıvılaşma analizi, Youd ve Idriss (1997) yöntemi kullanılarak arabirim yazılımı ile entegre biçimde çalışan ve Visual Basic ortamında geliştirilen bir yazılımdır. Zemin profili bilgileri, sıvılaşma analizi için gerekli parametreler, ve dinamik analiz sonucunda elde edilen maksimum yüzey ivmesi değeri ara birim yazılımından alınarak sıvılaşma analizi yapılmakta, analiz sonuçları Sonuçlar Veritabanı na iletilmek üzere ara birim yazılımına gönderilmektedir. Sıvılaşma sonrası zeminde oluşacak oturma miktarının hesaplanması amacıyla arabirim yazılımı ile bağlantılı olarak çalışan ve Visual Basic ortamında geliştirilen bir yazılımdır. Zemin profili bilgileri ve gerekli parametrik değerler ile dinamik analiz sonuçları ara birim yazılımından alınır, oturma analizi yapılır, analiz sonuçları Sonuçlar Veritabanı na iletilmek üzere ara birim yazılımına gönderilir. Ara birim yazılımından alınan dinamik analiz, sıvılaşma analizi ve sıvılaşma sonrası oturma analizi bulguları Access ortamında geliştirilen Sonuçlar Veritabanı nda toplanmaktadır. EERA yazılımından zemin hakim periyodu ve tepki spektrumu değerleri ile ara birim yazılımından tabaka bilgileri de bu veritabanına aktarılmaktadır.

6 Sonuçlar Veritabanı nda toplanan analiz bulgularından oturma değerleri ve maksimum yüzey ivmesi değerlerinin konuma bağlı olarak değişimi ArcView 3.2 GIS (ESRI, 1999) yazılımı ve ArcView 3D Analyst üç boyutlu analiz modülü kullanılarak hazırlanan konturlarla temsil edilebilmektedir. Dinamik analiz bulguları ile GIS yazılımında sorgulamalar da yapılabilecektir. 3 BULGULAR Dinamik analizler, Kuvvetli Yer Hareketi Veritabanı na işlenen İzmir Depremi (M w =5.3) nin İzmir Poligon (Hatay) semtindeki Meteoroloji Bölge Müdürlüğü nün kayıt cihazından alınan ivme kaydının düzeltilmiş biçimi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kayıt cihazının andezit kökenli kayaçlar üzerinde ve günümüzde mevcut olmayan tek katlı bir depo yapısının döşemesi üzerine yerleştirilmiş olduğu tespit edilmiştir. Cihaz şu anda aktif durumda değildir. Düzeltilmiş ivme kaydı Avrupa Kuvvetli Yer Hareketi Veri Tabanı ndan alınmış olup, maksimum ivme değeri 0.21 g dir. Proje çalışma alanı sondaj konumlarının Poligon a uzaklığı, deprem büyüklüğü ve bu konumlarda tahmin edilen taban kayası derinlikleri dikkate alınarak ivme azalım ilişkilerinden g arasında değişen taban kayası maksimum ivme değeri hesaplanmıştır. Dinamik analizler sonucunda, İzmir depremi için en fazla büyütme etkisinin Çiğli / Atatürk Organize Sanayi Bölgesi ve Bostanlı / Mavişehir bölgelerinde oluştuğu bulgulanmıştır (zemin yüzeyi / taban kayası maks. ivmeleri oranı e ulaşabilmektedir). Bu bölgelerde taban kayası derinlikleri su kuyusu loglarından m civarında tahmin edilmiştir. Karşıyaka sahil kesimi, Alaybey ve Bayraklı sahil kesimlerinde ise büyütme etkisinin 5.3 büyüklüğündeki deprem için büyük değerlere ulaşmadığı belirlenmiştir. Taban kayası derinlikleri, Bayraklı Karşıyaka Stadyumu arasında metre arasında değişmektedir. Dinamik analizlerde taban kayası konumuna göre üç farklı analiz yöntemi uygulanmıştır. Birinci yöntemde taban kayası derinliği sondajda ölçülen son SPT tanım derinliğinde kabul edilmiştir. İkinci yöntemde taban kayası su kuyusu loglarından belirlenen tahmini derinliğindedir. Sondaj derinliği ile taban kayası tahmini derinliği arasında oluşan tabaka ve geoteknik veri noksanlıkları su kuyusu logları ve mevcut geoteknik parametrelerin derinlik ile korelasyon ilişkileri kullanılarak tamamlanmıştır. Üçüncü yöntem taban kayasının çok derinde olduğu bölgelerde uygulanmış, taban kayası tahmini derinliği ile sondaj derinliği arasındaki tabaka ve geoteknik veri noksanlıkları 80 metreye kadar su kuyusu logları ve mevcut geoteknik parametrelerin derinlik ile korelasyon ilişkileri kullanılarak belirlenmiştir.

7 80 metrenin altındaki karasal orijinli tabakalarda 10 ar metre kalınlığında çakıl ve kil tabakalarının ardışık bir şekilde tabakalanma gösterdikleri su kuyusu loglarından belirlenmiştir. Bu yöntemde 80 metrenin altında basınçlı akifer çözümü uygulanmıştır. Eksik geoteknik veriler, kumlarda Dickinson (1954) tarafından geliştirilen porozite derinlik modeli ve killerde Skempton (1963) bağıntısı uygulanarak tamamlanmıştır. Proje çalışma alanındaki tüm sondaj kuyularında (238 kuyu) bu üç yöntemle dinamik analizler yapılmıştır. Zemin yüzeyi maksimum ivme değerinin 5.3 büyüklüğündeki deprem için Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik (1999) te yer alan 0.4 g mertebesine ulaşmadığı bulgulanmıştır. Aynı deprem kaydının İzmir için senaryo depremi büyüklüğü olan 6.5 büyüklüğünde (Radius, 2000) etkimesi durumunda proje çalışma alanında g aralığında değişen taban kayası maksimum ivme değerleri hesaplanmıştır. Dinamik analizler üç yöntem kullanılarak tüm sondaj kuyuları için tekrarlanmaktadır. Yapılan çalışmanın bölgesel ve konumsal (parsel ve arsa bazında) dinamik analiz yapılabilmesine imkan vermesi nedeniyle geoteknik deprem mühendisliğine katkı sağladığı düşünülmektedir. Zemin etüdlerinin standardlara uygun olarak yapılması ve tüm tabakalar için geoteknik parametrelerin eksiksiz ve gerçekçi bir biçimde belirlenmesinin gerekliliği bu çalışma ile bir kez daha ortaya çıkmıştır. Eksik deneysel çalışmalar neticesinde bazı sondaj konumlarında parametrik bağıntılar ve kabuller yardımıyla dinamik analizler gerçekleştirilebilmiştir. Bu nedenle sondajların ve deneysel çalışmaların geoteknik deprem mühendisliği araştırmalarının amacına uygun olabilmesi açısından önemi büyüktür. Derin sondajların yapılabilmesi metrenin altında yer alan tabakaların geoteknik özeliklerinin tahmininde çok yararlı olacaktır. Mikrobölgeleme uygulaması niteliğindeki bu çalışmanın İzmir in diğer kıyı kesimlerinde ve istenilen konumlarda güvenle uygulanabileceği kanaatindeyiz. TEŞEKKÜR Bu çalışma, TÜBİTAK İnşaat ve Çevre Teknolojileri Araştırma Grubu tarafından desteklenen INTAG 722 nolu Araştırma Projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir.

8 KAYNAKLAR Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik (1999): Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Başbakanlık Basımevi, Ankara Afet İşleri Genel Müdürlüğü Deprem Araştırma Dairesi (2000) : Abrahamson, N.A. and Silva, W.J. (1997): Empirical Response Spectral Attenuation Relations for Shallow Crustal Earthquakes, Seismological Research Letters, Vol. 68, No.1, January/February 1997, pp Ambraseys, N., Smit, P., Sigbjörnsson, R., Suhadolc, P., and Margaris, B. (2001): The Internet-Site for European Strong-Motion Data < EVR1-CT , European Commission, Directorate-General XII, Environmental and Climate Programme, Bruxelles, Belgium Bardet, J.P., Ichii, K., ve Lin, C.H. (2000): EERA A Computer Program for Equivalentlinear Earthquake Site Response Analyses of Layered Soil Deposits, Univ. of Southern California, Dept. of Civil Engineering, August 2000 Boore, D.M., Joyner W.B., ve Fumal T.E. (1997): Equations for Estimating Horizontal Response Spectra and Peak Acceleration from Western North American Earthquakes: A Summary of Recent Work, Seismological Research Letters, 68, No.1, January/February 1997, pp Campbell, K.W. (1997): Empirical Near-Source Attenuation Relationships for Horizontal and Vertical Components of Peak Ground Acceleration, Peak Groun Velocity, and Pseudo- Absolute Acceleration Response Spectra, Seismological Research Letters, 68, No.1, January/February 1997, pp Environmental Systems Research Institute, Inc. (1999): ArcView GIS 3.2, Redlands, CA RADIUS Projesi Sonuç Raporu (2000) İzmir Deprem Senaryosu ve Deprem Master Planı Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul

9 Sadigh, K., Chang, C.Y., Egan, J.A., Makdisi, F., ve Youngs, R.R. (1997): Attenuation Relationships for Shallow Crustal Earthquakes based on California Strong Motion Data Seismological Research Letters, 68, No.1, January/February 1997, pp Seed H.B., Romo M.P., Sun J., ve Lysmer J. (1987) Relationships Between Soil Conditions and Earthquake Ground Motions in Mexico City in the Earthquake of September 19, 1985, UCB/EERC-87/15 Skempton, A.W. ve Sowa, V.A. (1963): The Behaviour of Saturated Clays During Sampling and Testing, Géotechnique, 13, Spudich, P., Fletcher, J.B., Hellweg, M. vd. (1997): SEA96 A New Predictive Relation for Earthquake Ground Motions in Extensional Tectonic Regimes, Seismological Research Letters, 68, No.1, January/February 1997, pp Youd L. ve Idriss I.Z. (1997): Proceeding of the NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, NCEER, Technical Report, , 87 p.