SİSMİK TEHLİKE ANALİZİ Depreme dayanıklı yapı tasarımının hedefi, yapıları aşırı bir hasar olmaksızın belirli bir yer hareketi seviyesine dayanacak şekilde üretmektir. Bu belirlenen yer hareketi seviyesi tasarım yer hareketi olarak tanımlanır. Tasarım yer hareketinin tanımlanmasındaki zorluğun büyük bir kısmı; depremin yeri, süresi ve büyüklüğüne ait belirsizlikler ve kabul edilebilir hasar ile aşırı hasar arasındaki sınırın tanımlanmasıyla ilgili yetersiz yada belirsiz bilgiye dayalı olarak alınan kararların güvenilirliğinden kaynaklanmaktadır. Eğer herhangi bir yapı tipi için ancak çok küçük bir hasar kabul edilebilirse, tasarımda relatif olarak çok güçlü bir yer hareketi seviyesi göz önüne alınacak ve bu seviyedeki harekete direnmek amacıyla gerekli hesaplar ve önlemler oldukça pahalı olabilecektir. Diğer taraftan bu yapı tipi için büyük hasar seviyeleri tolere edilebiliyorsa, daha düşük bir tasarım yer hareketi seviyesi göz nüne alınarak maliyet düşürülebilir. Başka bir ifade ile depreme dayanıklı tasarımda, kısa dönemdeki tasarım bedeli ile deprem nedenli hasarı da göz önüne alan uzun dönemdeki tasarım bedeli arasında bir karar verilmesi gerekir. Sismik tehlike analizleri; tasarım yer hareketi geliştirilmesinin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Sismik tehlikeler; deterministik olarak hesaplanabilir ki bu durumda belirli bir deprem senaryosu varsayılır. Diğer taraftan probabilistik olarak ta hesaplanabilir. Probabilistik analizde depremin boyutu, yeri ve süresi ile ilgili belirsizlikler göz önüne alınır. Sismik tehlike analizleri; inceleme bölgesinde önemli yer hareketleri üretebilecek tüm potansiyel sismik aktivite kaynaklarının tanımlanması ve karakterize edilmesini gerektirir. Deprem kaynaklarının tanımlanmasında tarihsel ve aletsel deprem kayıtları dışındaki diğer kanıtlar; Jeolojik kanıtlar ve Tektonik kanıtlardır. 1
-Jeolojik kanıtlar; Fay aktivitelerini kapsar. Magnitüd göstergesi olarak kullanılabilecek ampirik ilişkiler mevcuttur. 2
3
Örnek; San Andreas fayındaki moment büyüklük değeri M w =7 olan bir depremin 100 km den daha uzun bir yüzey kırılması oluşturması olasılığı nedir? Çözüm; Literatürden, San Andreas fayının yanal atımlı hareket ürettiği bilinmektedir. Bir önceki slayttaki tablodan ; M w =7 büyüklüğünde bir depremin oluşturacağı ortalama yüzey kırılması ; Log L = 0.74 M w - 3.55 = 0.74 ( 7) -3.55 = 1.63 L = 10 1.63 = 42.7 km olarak hesaplanır. 100 km uzunluğundaki bir yüzey kırılması için standart normal değişken Z; Z = (log 100 log 42.7) / 0.23 = 1.61 Normal dağılım tablosundan; P(Z 1.61) = 1 - P(Z 1.61) = 1-0.9463 = 0.0537 = % 5.4 = P(L 100 km) 4
- Tektonik kanıtlar; Levha tektoniği ve elastik rebound teoriye dayalı olarak biriken deformasyon enerjisine dayalı kanıtlar Dalma-batma zonu ortamlarında deprem magnitüdü, yaş ve yakınsama hızı arasındaki ilişkiler. Verev çizgiler eşitliğine karşılık gelir. Burada T: milyon yıl cinsinden yaş ve V.: cm/yıl cinsinden yakınsama oranıdır. Veri noktaları gerçek depremleri temsil etmektedir. (Heaton ve Kanamori, 1984'den. Seismological Society of America'nın izniyle kullanılmıştır). 5
Deterministik Sismik Tehlike Analizi; Geoteknik deprem mühendisliğinin özellikle başlangıç yıllarında deterministik sismik tehlike analizleri daha yaygın idi. DSTA belirli bir yerde ve belirli bir boyutta depremin oluşacağını varsayan sismik senaryoların geliştirilmesini kapsar. Tipik bir deterministik sismik tehlike analizi, 4 aşamalı bir işlem olarak tanımlanabilir. (1) Kaynak karekterizasyonu; deprem kaynaklarının, kaynak geometrisi ve deprem potansiyeli olarak tanımlanması; (2) Her bir kaynak zonu için uzaklık parametrelerinin seçilmesi; Çoğu DSTA de, deprem kaynağı ile inceleme alanı arasındaki en kısa uzaklık seçilir. Hangi tür uzaklığın kullanılacağı ise bir sonraki aşamada kullanılacak olan azalım ilişkisine göre belirlenebilir. (3) En yüksek seviyedeki yer hareketini üretmesi beklenen kontrol depreminin seçilmesi; Bu seçilen kontrol depremi inceleme bölgesindeki yer hareketi parametreleri cinsinden açıklanır. 1. adımda tanımlanmış olan depremlerin, 2. adımda belirlenmiş olan uzaklıklar için inceleme alanında ürettikleri yer hareketi seviyesi, seçilen parametreler cinsinden azalım ilişkilerine dayalı olarak belirlenir. (4) Sismik tehlikenin, kontrol depreminin inceleme alanında ürettiği yer hareketi cinsinden tanımlanması; Sismik tehlikeyi tanımlamak için yaygın olarak kullanılan parametreler, pik ivme, pik hız ve davranış spektrumu parametreleridir Pratikte deterministik sismik tehlike analizleri; her bir kaynak zonundaki olası en büyük magnitüdlü depremin olası en kısa uzaklıkta olacağını varsaymaktadır. 6
ÖRNEK Şekil de görülen proje sahası 1, 2 ve 3 numaralı kaynak zonları ile temsil edilen üç bağımsız sismik kaynağın yakınında yer almaktadır. Deterministik sismik tehlike analizini kullanarak pik ivmeyi hesaplayınız. ÇÖZÜM Proje sahası yerel bir x-y koordinat sisteminin merkezi olarak alındığında, kaynak zon sınırlarının koordinatları (km cinsinden) parantez içinde verilen değerler olur. 1 numaralı kaynak 111 km uzunluğunda çizgisel bir kaynak olup uzunluğu boyunca herhangi bir noktada üretebileceği maksimum depremin büyüklüğü 7,3'dür. 2 numaralı kaynak, alanı 4800 km2 olan ve içindeki herhangi bir noktada 7,7 büyüklüğünde deprem üretebilen alansal bir kaynaktır. 3 numaralı kaynak ise en çok 5,0 büyüklüğünde deprem oluşturabilen bir nokta kaynaktır. Daha önce tanımlanan Art adımlı işlemi takip ederek: 1. Verilen problemde her kaynağın yeri ve oluşturabileceği maksimum depremin magnitüdü zaten belirlenmiştir. Gerçek DSTA lerinde bu iş son derece karmaşık ve zor bir iştir. 2. Kaynak-saha uzaklığı proje alanı ile her kaynağın arasındaki en küçük mesafe olarak ifade edilebilir. Buna göre uzaklıklar: 3. Sarsıntı düzeyinin pik yatay ivme ile yeterli ölçüde temsil edilebileceği varsayılırsa, belirleyici depremi seçmede uygun bir azalım ilişkisi kullanılabilir. Cornell vd.(1979)'nin batı A.B.D.'nde 20 ile 200 km arasında ve M=3,0 ile 7,0 depremlerinden elde edilen verileri kullanarak geliştirdiği. 7
bağıntısını kullanarak, her kaynak zonunda oluşacak PHA değerleri şu şekilde olur; Buna dayalı olarak, belirleyici deprem 2 No'lu kaynak zonundaki deprem olacaktır 4. Sismik tehlike, 7,7 büyüklüğünde ve 25 km uzakta oluşan depremin sonucuna göre belirlenir. Bu depremin proje alanında üreteceği pik ivme 0,57g dir. 8
Probabilistik Sismik Tehlike Analizi; Son 30-40 yılda olasılıksal konseptin kullanımı; sismik tehlike değerlendirmelerinde, depremlerin yeri, boyutu, dönüşüm oranı ve bunlara dayalı olarak yer hareketi karakteristiklerindeki değişime ait belirsizlikleri göz önüne almaya imkan tanımaktadır. PSTA prosedürü de DSTA gibi benzer şekilde 4 aşamalı olarak tanımlanır. (1) Deprem kaynaklarının tanımlanması; DSTA den farklı olarak kaynaktaki potansiyel kırılma bölgelerinin olasılık dağılımları tanımlanmalıdır. Çoğu zaman, her bir kaynak zonu için üniform olasılık dağılımı varsayılır yani kaynak zonundaki herhangi bir noktada deprem olma olasılığı eşittir. Bu dağılımlar daha sonra kaynak uzaklığı olasılık dağılımını belirlemek için kaynak geometrisi ile birleştirilir. Diğer yandan bu bakış açısı ile DSTA de; kaynak bölgesinde inceleme alanına en yakın noktanın deprem olasılığının 1, diğer noktalarda 0 olduğu varsayılmaktadır. (2) Her bir kaynak zonundaki depremlerin büyüklüğüne ait belirsizliğin, deprem yinelenme ilişkileri ile tanımlanması; (3) Her bir kaynak zonundaki olası noktalarda, olası boyutlardaki depremler tarafından üretilen yer hareketinin azalım ilişkileri ile belirlenmesi; Probabilistik sismik tehlike analizlerinde azalım ilişkilerinin kendi bünyesindeki belirsizlikler de dikkate alınmaktadır. (4) Depremin yeri, boyutu ve tahmin (azalım) ilişkilerindeki belirsizliklerin birleştirilerek, belirli bir zaman aralığındaki aşılma olasılıkları cinsinden yer hareketi parametresinin belirlenmesi; 9
Deprem Kaynaklarının Tanımlanması (Deprem kaynaklarının mekansal dağılımı); Farklı kaynak geometrisi örnekleri; (a) noktasal kaynak olarak modellenebilen kısa bir fay, (b) çizgisel bir kaynak olarak modellenebilecek sığ bir fay, (c) üç boyutlu bir kaynak zonu Farklı kaynak geometrileri için kaynak uzaklığındaki değişimler (olasılık dağılımları); 10
Deprem Büyüklüğü Belirsizliği; Her bir kaynak zonunda üretilen depremlerin büyüklüğüne ait belirsizlik; verilen bir zaman periyodundaki deprem büyüklüklerinin dağılımı olarak bilinen yinelenme ilişkileri ile tanımlanır. Probabilistik sismik tehlike analizlerindeki basit varsayım; geçmiş sismik aktivitelerden elde edilen yinelenme ilişkilerinin, gelecekteki sismik aktivitelerin tahmininde kullanılabileceği şeklindedir. Gutenberg-Richter Yinelenme ilişkisi; Belirli bir zaman periyodundaki Güney Kaliforniya depremlerine dayalı olarak derlenen veri; öncelikle farklı magnitüdlerin aşıldığı deprem sayıları şeklinde organize edilmiş daha sonra her bir magnitüd değeri için belirlenen bu deprem sayıları ilgili zaman periyoduna bölünerek m magnitüdlü depremler için yıllık ortalama aşılma oranları- λ m tanımlanmıştır. Yıllık aşılma oranının tersi ise dönüş periyodu olarak ifade edilmektedir. log m a bm (a) a ve b parametrelerinin anlamını gösteren Gutenberg-Richter tekrarlanma yasası ve (a) Gutenberg -Richter yasasının küresel depremsellik verilerine uygulanması (Esteva, 1970'den). 11
Karakteristik Deprem Yinelenme ilişkisi; 12
Azalım İlişkileri; Azalım ilişkilerinin neredeyse tamamı belirli bir kuvvetli yer hareketinin veri setine dayalı olarak en küçük kareler regresyon yöntemi ile ampirik olarak elde edilmektedir. Şüpheli verilerin ayıklanması ve kaliteli veriye dayalı uygulamaların yapılmasına rağmen, verilerde bir miktar saçılma olması kaçınılmazdır. Bu saçılmanın nedeni yırtılma mekaniğinin rastgele oluşu ile kaynağın, seyahat yolunun ve arazi şartlarının heterojenliği ve değişkenliğidir. Verilerdeki saçılma, güvenilirlik sınırları veya kestirilen parametrenin standart sapması ile sayısal olarak hesaba katılabilir. Çoğu azalım ilişkisinin şeklini yansıtan ve kestirilen parametrenin logaritması olan standart sapma genellikle hesaplanmaktadır. Bu önemli belirsizlik, sismik tehlike hesaplarında mutlaka hesaba katılmalıdır. Belirli bir yer hareketi parametresi Y nin belirli bir m magnitüdünde ve verilen r mesafesinde belirli bir y değerini aşma olasılığı şekilde grafik olarak sunulmuştur. 13
Örnek Not; azalım ilişkisindeki; Fay Tipi (F) ve Zemin Tipi (S) parametreleri şöyledir; F=0 yanal atımlı ve normal faylar için F=1 ters, ters-verev ve bindirme faylar için S SR =1 yumuşak kaya zeminler için S HR =1 sert-kaya zeminler için S SR = S HR =0 alüvyon zeminler için Standart Normal Dağılım Tablosundan; P(PHA 0.4g) = P(Z -0.843) = 1 - [P(Z -0.843)] = 1 [ 1 P(Z 0.843)] = 0.7995 = % 80 14
Standart normal dağılım Tablosu ; Z A f ( Z) dz A p(x a) Z Z a Z,00,01,02,03,04,05,06,07,O8,09,0,5000,5040,5080,5120,5160,5199,5239,5279,5319,5359,1,5398,5438,5478,5517,5557,5596,5636,5675,5714,5743,2,5793,5832,5871,5910,5948,5987,6026,6064 6103,6141,3,6179,6217,6255,6293,6331,6368,6406,6443,6480,6517,4,6554,6591,6628,6664,6700,6736,6772,6808,6844,6879,5,6915,6950,6985,7019,7054,7088,7123,7157,7190,7224,6,7257,7291,7324,7357,7389,7422,7454,7486,7517,7549,7,7580,7611,7642,7673,7704,7734,7764,7794,7823,7852,8,7881,7910,7939,7967,7995,8023,8051,8078,8106,8133,9,8159,8186,8212,8238,8264,8289,8315,8340,8365,8389 1,0,8413,8438,8461,8485,8508,8531,8554,8577,8599,8621 1,1,8643,8665,8686,8708,8729,8749,8770,8790,8810,8830 1,2,8849,8869,8888,8907,8925,8944,8962,8980,8997,9015 1,3,9032,9049,9066,9082,9099,9115,9131,9147,9162,9177 1,4,9192,9207,9222,9236,9251,9265,9279,9292,9306,9319 1,5,9332,9345,9357,9370,9382,9394,9406,9418,9429,9441 1,6,9452,9463,9474,9484,9495,9505,9515,9525,9535,9545 1,7,9554,9564,9573,9582,9591,9599,9608,9616,9625,9633 1,8,9641,9649,9656,9664,9671,9678,9686,9693,9699,9706 1,9,9713,9719,9726,9732,9738,9744,9750,9756,9761,9767 2,0,9772,9778,9783,9788,9793,9798,9803,9808,9812,9817 2,1,9821,9826,9830,9834,9838,9842,9846,9850,9854,9857 2,2,9861,9864,9868,9871,9875,9878,9881,9884,9887,9890 2,3,9893,9896,9898,9901,9904,9906,9909,9911,9913,9916 2,4,9918,9920,9922,9925,9927,9929,9931,9932,9934,9936 2,5,9938,9940,9941,9943,9945,9946,9948,9949,9951,9952 2,6,9953,9955,9956,9957,9959,9960,9961,9962,9963,9964 2,7,9965,9966,9967,9968,9969,9970,9971,9972,9973,9974 2,8,9974,9975,9976,9977,9977,9978,9979,9979,9980,9981 2,9,9981,9982,9982,9983,9984,9984,9985,9985,9986,9986 3,0,9987,9987,9987,9988,9988,9989,9989,9989,9990,9990 3,1,9990,9991,9991,9991,9992,9992,9992,9992,9993,9993 3,2,9993,9993,9994,9994,9994,9994,9994,9995,9995,9995 3,3,9995,9995,9995,9996,9996,9996,9996,9996,9996,9997 3,4,9997,9997,9997,9997,9997,9997,9997,9997,9997,9998 15
Zamansal Belirsizlik (Depremlerin zamansal dağılımı); Farklı büyüklükteki depremlerin belirli bir zaman periyodundaki görülme olasılıkları; genellikle depremlerin Poisson modeline uygun olarak oluştuğu varsayımına dayalı olarak hesaplanır. Poisson modeli, her bir olayı zamandan bağımsız varsayması ve dolayısıyla elastik rebound teoriyle uyumsuz olmasına rağmen; probabilistik sismik tehlike analizlerinde en yaygın olarak kullanılan modeldir. Poisson ve non-poisson modellerin uygulanabilirliğine ait araştırmalar göstermiştir ki; Poisson modeli, sismik tehlikede tek bir kaynağın dominant etki (karakteristik bir zamansal davranış gibi) gösterdiği durumlar dışındaki pratik sismik risk analizleri için faydalıdır. Modelin basitliği, kullanımının kolaylığı ve daha sofistike modelleri destekleyecek yeterli verinin olmadığı durumlar, Poisson modelinin oldukça yaygın bir şekilde kullanılmasının nedenleridir. Dolayısıyla; Probabilistik deprem tehlikesi hesaplarında deprem oluşumlarının zaman boyutunda tamamen rassal ve hafızasız olarak (Zaman Bağımsız) veya belirli bir periyodite (Zaman Bağımlı) ile meydana geldiği kabulü önemli bir unsur olmaktadır. 16
İstanbul için; Yerel Zemin Şartlarına bağımlı Deterministik Maksimum İvme (PGA) Haritası Kaynak; Erdik, M. DRM-KURS 17
İstanbul için; Yerel Zemin Şartlarına bağımlı Deterministik 0.2 sn periyotlu Spektral İvme (SA) Haritası Kaynak; Erdik, M. DRM-KURS 18
İstanbul için; Yerel Zemin Şartlarına bağımlı Deterministik 1 sn periyotlu Spektral İvme (SA) Haritası Kaynak; Erdik, M. DRM-KURS 19
Gölcük için; Yerel Zemin Şartlarına bağımlı (NEHRP B/C zemin sınıfı için) Probabilistik (50 yılda % 10 aşılma olasılığı için) Maksimum İvme (PGA) Haritası (Poisson modeli) Kaynak; Erdik, M. DRM-KURS 20
Gölcük için; Yerel Zemin Şartlarına bağımlı (NEHRP B/C zemin sınıfı için) Probabilistik (50 yılda % 10 aşılma olasılığı için) 0.2 sn periyotlu Spektral İvme (SA) Haritası (Poisson modeli) Kaynak; Erdik, M. DRM-KURS 21
Gölcük için; Yerel Zemin Şartlarına bağımlı (NEHRP B/C zemin sınıfı için) Probabilistik (50 yılda % 10 aşılma olasılığı için) 1 sn periyotlu Spektral İvme (SA) Haritası (Poisson modeli) Kaynak; Erdik, M. DRM-KURS 22