Dinamik yapı zemin etkileşim analizleri için tasarıma esas kuvvetli yer hareketlerinin geliştirilmesi: genel değerlendirme ve yeni gelişmeler Development of design basis strong ground motions for dynamic soil - structure interaction analyses: general overview and recent advances A. Anıl Yunatcı ve H. Tolga Bilge Dr. İnşaat Mühendisi, Geodestek Ltd. Şti., Ankara, Türkiye K. Önder Çetin Prof. Dr., Orta Doğu Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye ÖZET: Bu bildiri kapsamında fikrinin ilk ortaya atıldığı tarihten itibaren yaklaşık yarım yüzyıl geçmesine karşın özellikle artan saha verisiyle hızla beslenmeye devam eden ve belirsizliklerin tarifi ve yönetimi konusunda yönlendirme bekleyen sismik tehlike analizleri bileşenleri ve sismik yapı-zemin etkileşimi analizlerinin gereksinimi olan diğer ara ürünlerde son dönemlerde yaşanan gelişmeler ışığında bir değerlendirme yapılması amaçlanmıştır. Son dönem gelişmelerinin bir kısmının özetlendiği ilk ana başlık olan güncellenmiş kısa ve uzun periyot spektral saha faktörlerinin tasarıma esas spektrumlara getirmesi beklenen değişiklikler irdelenmiştir. Anahtar Kelimeler: sismik tehlike, kuvvetli yer hareketi, dinamik saha etkileri ABSTRACT: Within the confines of this work, a general overview and presentation of recent advances in the two of the main topics regarding seismic hazard assessment and determination of design basis ground motion levels are presented. Advanced semi-empirical models to determine the updated short and long period site factors as well as comparison to the current NEHRP provisions are presented. Keywords: seismic hazard, strong ground motion, local site effects 1 GİRİŞ 1.1 Genel Deprem etkinliği bakımından oldukça hareketli bir bölgeyi temsil eden coğrafyamızda sismik tehlike belirlemesi ile kontrol edilen sismik tasarım talepleri özellikle yüksek yapılar, enerji tesisleri ve ulaşım altyapısı gibi kritik önem taşıyan mühendislik ürünlerinin üstyapı ve/veya geoteknik tasarımında belirleyici rol oynamaktadırlar. Söz konusu yapıların sismik tasarımı için alışılagelmiş yöntemlerin bir adım ötesinde detay seviyesine sahip ve çoğunlukla uygulama alanına özel şartnameler ile yönlendirilen tasarım kriterlerine sadık kalarak sismik yapı-zemin etkileşimi problemlerinin tariflenmesi ve çözümlenmesi ihtiyacı doğmaktadır. Seçilen temel sistemine bağlı olarak, bu çözümlemelerin zaman zaman radye ve derin temel elemanlarının da detaylı modellemesini gerektirdiği aşikardır. Kritik yapılar için şartnamelerce tariflenmiş farklı sismik tasarım seviyelerine ait performans kriterlerini sağlayabilmek için zaman uzayında gerçekleştirilen dinamik analizlerde ihtiyaç duyulan kuvvetli yer hareketi kayıtlarının geliştirilmesi tasarım sürecinin ara ürünü olarak karşımıza çıkmaktadır. Kuvvetli yer hareketi kayıtlarının oluşturulmasında ilk adımı teşkil eden sismik tehlikenin belirlenmesi ve tasarıma esas spektrumların oluşturulması ise ülkemizde son yıllarda henüz beklenen oranda olmasa da gittikçe artan bir farkındalık seviyesine kavuşmuş ve sayıca daha fazla şartname tarafından atfedilir hale gelmiştir. Halihazırda büyük oranda Büyükşehir Belediyeleri tarafından yürürlükte bulundurulan özel yapı şartnamelerinin oldukça hızlı gelişen imar/şehirleşme uygulamalarının ürünlerinden olan yüksek yapılar için tariflediği sismik yapı-zemin etkileşimi analizlerinin sonuçları da kaçınılmaz olarak sismik tehlike analizleri ve beraberinde seçilen kuvvetli yer hareketi kayıtlarınca doğrudan etkilenmektedir. Özellikle yüksek tekerrür sürelerine sahip yer hareketi parametrelerinin geleneksel sismik tehlike akışı içerisinde tercih edilen yer hareketi tahmin modelleri, deprem büyüklüğü-tekrar ilişkileri gibi alt modeller vasıtasıyla olasılıksal yöntemlerle belirlenmesinin bir hayli tutucu tarafta kalan sonuçlar ürettiğini savunan görüşler sıklıkla ifade edilmektedir. Sadece son yüzyıl ile sınırlı tutabildiğimiz makrosismisite verisiyle kurulan modellerde uzun vadeyi temsil edecek yer hareketi mertebelerini savunabile-
cek kuvvetli amprik verinin bulunduğu konusundaki savlar; sismik tehlike analizlerinde kaçınılmaz olarak bulunmaya devam edeceği düşünülen belirsizliklerin kaynaklarının sistematik bir şekilde sınıflandırılıp nicelendirilmesi ihtiyacını destekler niteliktedir. Bu sayede araştırma veya uygulama alanında sismik tehlike analizleriyle doğrudan ilintili mühendislik kararları daha yönetilebilir süreçlerden geçerek verilebilecektir. Benzer şekilde, hedef tasarım spektrumlarıyla zaman uzayında ölçekleme veya frekans uzayında modifikasyon gibi çeşitli yöntemlerle uyumlu hale getirilen, ya da tamamen sentetik olarak üretilen kuvvetli yer hareketlerinin de bu sürecin haricinde tutulamayacağı rahatlıkla ifade edilebilir. 1.2 Yerel Tepkisi Modelleri Son dönem gelişmelerinin bir kısmının özetlendiği ilk ana başlık olan güncellenmiş kısa ve uzun periyot spektral saha faktörlerinin tasarıma esas spektrumlara getirmesi beklenen değişiklikler irdelenmiştir. Doğrusal olmayan saha büyütme/küçültme faktörlerini belirlemek amacıyla geliştirilen yarı amprik çalışmalar için güncel çabalardan biri olan Stewart ve Seyhan (2013) çalışması, genişletilmiş NGA veritabanını kullanarak güncelleştirilmiş NEHRP spektral modifikasyon katsayılarını önermektedir. NEHRP Amerika Birleşik Devletleri'nde yürürlükte olduğu kadar ilgili bölümlerinin DLH (DLH Genel Müdürlüğü Kıyı Yapıları, Demiryolları Hava Meydanları Altyapı İnşaatları, Deprem Teknik Yönetmeliği, 2008) ve İstanbul Yüksek Yapılar Şartnamesi gibi ulusal tasarım şartnamelerine (İYBDY, 2008) herhangi bir değişikliğe uğramadan dahil edildiği uyarınca saha koşullarına uygun olarak tasarıma esas elastik ivme spektrumunu elde etmekte kullanılan Fa ve Fv faktörlerine ilişkin öneriler değişikliğe uğramış ve NEHRP 2015 güncellemesinde etkinleşmesi yönünde onaylandığı raporlanmıştır. 2 GÜNCEL YEREL SAHA TEPKİSİ MODELLERİ 2.1 Vs30 Ölçeklemesi ve Doğrusal Olmayan Etkiler Anakaya üzerinden ilerleyerek farklı saha sınıfları içinde genlik ve frekans içerikleri modifiye olan deprem dalgalarının maksimum bileşenlerinin değişimini modelleyen temel çalışmalardan biri Seed ve diğ. (1997) olmuştur. Seed ve diğ. (1997) tarafından önerilen model, sadece T=0 saniyelik periyoda karşılık gelen maksimum yatay bileşenler üzerine kuruludur. Boore ve diğ. (1997) gibi daha gelişmiş modeller, zemin ivmesini spektral periyoda bağlı olarak saha hakim periyodunun temsili bir parametresi olan ilk 30 metredeki ortalama kayma dalgası hızı Vs30 la ilişkilendirmiştir. etkilerini modellemek için geliştirilen en güncel fonksiyonel ifadelerde doğrusal ve doğrusal olmayan terimler bir arada kullanılmakta; referans kaya seviyesine göre şiddet büyütme/küçültme etkileri Vs30'a bağlı doğrusal ve sarsıntı şiddetine bağlı doğrusal olmayan terimlerin birleşimiyle ifade edilmektedir (Choi ve Stewart, 2005; Walling ve diğ., 2008; Yunatcı ve Çetin, 2010). 2.2 Güncellenen NEHRP Faktörleri Farklı saha sınıfları için sunulan mevcut NEHRP (2009) spektral modifikasyon faktörleri ile aktif tektonik bölgelerdeki sığ kabuk depremleri için geliştirilen NGA (Next Generation Attenuation: Yeni Nesil Azalım) modellerinin saha terimleri arasında uyuşmazlık bulunduğu daha önceki çalışmalarda ortaya konulmuştur (Huang ve diğ., 2010; Çetin ve Yunatcı, 2011). Bu farklılık hem doğrusal saha büyütmesi teriminde (B, C, D, E sınıfı zeminler için) hem de doğrusal olmayan davranışı ifade eden terimde (C ve D sınıfı sahalar) bulunmaktadır. Her iki çalışmaya esas referans kayma dalgası hızlarının farklı olması (NGA için Vs30 değeri 1050 m/s, için 760 m/s olarak telaffuz edilebilir) doğal olarak bu uyumsuzluğu tetikleyen ana unsurlardan biridir. Mevcut önerilerinde belirtilen (Tablo 1, 2, 3 ve 4'te "ASCE" olarak isimlendirilmiştir) Fa ve Fv katsayılarında Stewart ve Seyhan (2013) tarafından önerilen değişiklikler (yapılan değişiklik önerileri Tablo 1, 2, 3 ve 4'te "PEER" olarak isimlendirilmiştir) sırasıyla Tablo 1, 2, 3 ve 4'te özetlenmiştir. Önerilen değişikliklerin tasarıma esas spektrumlara nasıl yansıdığını daha açık ifade etmek için üç farklı sarsıntı şiddet genliği kullanılarak farklı NEHRP saha sınıfları için karşılaştırma yapılmıştır. Karşılaştırma amacıyla seçilen maksimum yatay yer ivmeleri 0.1 g, 0.2 g ve 0.4 g olarak belirlenmiştir. Üç farklı maksimum yatay ivme seviyesi için, Seed ve diğ., (1997), Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (TDY, 2007), son olarak Stewart ve Seyhan (2013) çalışmasını ifade eden tavsiyelerine göre farklı saha sınıfları için hazırlanmış elastik ivme tasarım spektrumları Şekil 1-8 arasında sunulmuştur. Söz konusu çalışmada farklı saha sınıflandırma sistemlerine sahip şartnameler arasında uyum yakalamak maksadıyla yaklaşık eşdeğer saha sınıfları birarada karşılaştırmaya tabi tutulmuştur. Stewart ve Seyhan (2013) tarafından geliştirilen, Vs30 ölçeklemesi ve doğrusal olmayan dinamik zemin tepkisi davranışını birlikte değerlendiren saha amplifikasyon modeli kullanılarak 760 m/s referans kayma dalgası hızına göre belirlenmiş güncel NEHRP saha faktörlerinin 2015 yılı güncellemeleriyle birlikte devreye girmesi beklenmektedir. Göreceli olarak zayıf sarsıntı şiddetleri için yeni NEHRP faktörleri mevcut olanlardan bazı saha sınıfları için
daha büyük olmakla birlikte hem Fa, hem de Fv için geçerli olmak üzere sistematik bir farklılıktan söz etmek mümkün değildir (Ss<0.25 ve S1<0.1 seviyeleri). Özellikle C ve D tipi sahalardaki daha büyük şiddetdeki sarsıntı seviyeleri için yeni faktör önerileri mevcut olanlara göre ya aynı mertebede, ya da uzun periyotta daha kuvvetli gözlendiği üzere azalan doğrusal olmayan davranış ile birlikte hissedilir derecede artmaktadır. Stewart ve Seyhan (2013) E sınıfındaki sahalar için önerilen faktörlerin doğrusal olmayan davranış kapsamında daha büyük bilgiye dayalı belirsizlik içermesi nedeniyle güvenli tarafta kalınarak önerildiğini ifade etmişlerdir. E sınıfındaki sahalar haricinde yeni NEHRP faktör önerileri NGA-Batı-2 yer hareketi tahmin modellerinde tercih edilen saha tepkisi modelleriyle uyumluluk arz etmektedir. Tablo 1. Yürürlükteki (ASCE) ve güncel (PEER) saha modifikasyon faktörlerinin özet karşılaştırması (F a, S s <0.75) S s <0.25 S s =0.5 S s =0.75 A 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 B 0.9 1.0 0.9 1.0 0.9 1.0 C 1.3 1.2 1.3 1.2 1.2 1.1 D 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 E 2.4 2.5 1.7 1.7 1.3 1.2 Tablo 2. Yürürlükteki (ASCE) ve güncel (PEER) saha modifikasyon faktörlerinin özet karşılaştırması (F a, S s >0.75) S s =1.0 S s =1.25 S s >1.5 A 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 - B 0.9 1.0 0.9 1.0 0.9 - C 1.2 1.0 1.2 1.0 1.2 - D 1.1 1.1 1.0 1.0 1.0 - E 1.1 0.9 0.9 0.9 0.8 - Tablo 3. Yürürlükteki (ASCE) ve güncel (PEER) saha modifikasyon faktörlerinin özet karşılaştırması (F v, S 1 <0.3) S 1 <0.1 S 1 =0.2 S 1 =0.3 A 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 B 0.8 1.0 0.8 1.0 0.8 1.0 C 1.5 1.7 1.5 1.6 1.5 1.5 D 2.4 2.4 2.2 2.0 2.0 1.8 E 4.2 3.5 3.3 3.2 2.8 2.8 A 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 - B 0.8 1.0 0.8 1.0 0.8 - C 1.5 1.4 1.5 1.3 1.4 - D 1.9 1.6 1.8 1.5 1.7 - E 2.4 2.4 2.2 2.4 2.0 - Şekil 1 ile 8 arası sunulan karşılaştırmalı tasarıma esas elastik ivme spektrumları özellikle bina tipi yapılar için ulusal şartnamemiz olarak kabul edilen Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (TDY, 2007) tarafından kapsanan saha sınıfı tanımları, tasarıma esas elastik spektrumların belirlenmesi gibi başlıklarda güncel bilgi birikiminin yakalanması gerekliliğini bir kez daha ortaya koymaktadır. Zira saha sınıfına göre farklılaşan köşe periyotlarının ve dolaylı olarak değişen uzun periyot tepki mertebelerinin aksine kısa periyot aralığında herhangi bir değişim beklenmemesi, dinamik zemin davranışı konusundaki güncel birikimin işaret ettiğiyle uyuşmamaktadır. Benzer şekilde, Çetin ve Yunatcı (2011)'de detaylı olarak sunulduğu şekliyle ulusal şartnamemizde temsil edilen referans saha koşullarının daha sağlıklı olarak tariflenmesi gerekliliği vurgulanmaktadır. Elastik İvme Tasarım Spektrumu, Sa 0.25 0.15 0.05 NEHRP/PEER: SınıfB SEED: SınıfA TDY: Z1 PEER(2013) Şekil 1. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf B ve eşdeğerler, pga= 0.1 g) Tablo 4. Yürürlükteki (ASCE) ve güncel (PEER) saha modifikasyon faktörlerinin özet karşılaştırması (F v, S 1 >0.3) S 1 =0.4 S 1 =0.5 S 1 >0.6 Spektrumu, Sa 0.45 0.35 NEHRP/PEER: SınıfC SEED: SınıfAB1 TDY: Z2 PEER(2013)
Şekil 2. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf C ve eşdeğerler, pga= 0.1 g) Elastik İvme Tepki Spektrumu, Sa 0.45 0.35 0.25 0.15 0.05 NEHRP/PEER: SınıfD SEED: SınıfB TDY: Z3 Şekil 5. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf B ve eşdeğerler, pga= 0.2 g) NEHRP/PEER: SınıfC SEED: Sınıf AB1 TDY: Z2 SEED V.D.(1997) Şekil 3. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf D ve eşdeğerler, pga= 0.1 g) Elastik İvme Tepki Spektrumu, Sa NEHRP/PEER: Sınıf E SEED: SınıfD TDY: Z4 Şekil 4. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf E ve eşdeğerler, pga= 0.1 g) Spektrumu, Sa NEHRP/PEER: SınıfB SEED: SınıfA TDY: Z1 SEED V.D.(1997) Şekil 6. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf C ve eşdeğerler, pga= 0.2 g) NEHRP/PEER: SınıfD SEED: SınıfB TDY: Z3 Şekil 7. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf D ve eşdeğerler, pga= 0.2 g) Spektrumu Sa 0.90 NEHRP/PEER: SınıfE SEED: SınıfD TDY: Z4
Şekil 8. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf E ve eşdeğerler, pga= 0.2 g) NEHRP/PEER: SınıfB SEED: SınıfA TDY: Z1 Şekil 9. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf B ve eşdeğerler, pga= 0.4 g) Şekil 10. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf C ve eşdeğerler, pga= 0.4 g) Spektrumu Sa 1.40 NEHRP/PEER: Sınıf C SEED: Sınıf AB1 TDY: Z2 NEHRP/PEER: SınıfD SEED: SınıfB TDY: Z3 Şekil 11. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf D ve eşdeğerler, pga= 0.4 g) Şekil 12. İvme tasarım spektrumu karşılaştırmaları (NEHRP Sınıf E ve eşdeğerler, pga= 0.4 g) 3 SONUÇLAR NEHRP/PEER: Sınıf E SEED: Sınıf D TDY: Z4 SEED V.D.(1997) Dinamik yapı-zemin etkileşim analizlerinin gerektirdiği sayısal modellerin ana girdilerinden biri olan kuvvetli yer hareketlerini üretmek için kullanılan hedef tasarım spektrumların çoğunlukla kaya ortam olmak üzere açıkça tanımlı bir referans saha koşulunu temsil etmesi beklenmektedir. Hedef saha koşullarını temsil eden spektrumlarla uyumlu yer hareketi kayıtlarının üretilmesini müteakip yapılan dinamik zemin-yapı etkileşim analizlerinde temel seviyesindeki dalga karakteristiklerini doğru bir şekilde elde etmek ve tanımlamak için şiddet büyütme/küçültme ve hakim periyot aralığı değişiminin hangi koşullara göre değiştiği gerçekçi bir şekilde tanımlanmalıdır. Söz konusu analizlerde tasarım şartnamelerinin öngördüğü şekilde birden fazla deprem kaydı ile çalışılması zorunluluğu da ek bir faktör olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu bağlamda, bir kısmı sarsıntı şiddetinin doğrusal ve doğrusal olmayan etkilerini barındıran zemin tepki modellerinden de kaynaklanan söz konusu ek belirsizliklerin dikkatlice tariflenip, mümkünse ayıklanarak, mevcut yapı-zemin modeli
üzerinden yapı elemanı boyutlandırmasına etkisinin minimize edilmesi tasarımda ekonomi-güvenlik dengesini yakalamak için kritik önem arz etmektedir. 4 REFERANSLAR 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(1), January, 128-153. DLH. 2008. Kıyı Yapıları, Demiryolları Hava Meydanları Altyapı İnşaatları, Deprem Teknik Yönetmeliği, http://www.kugm.gov.tr/blsm_wiys/dlh/tr/dokuma N_SOL_MENU/ Kiyi Yapilari _Deprem_ Tkn/20100602_111229_10288_1_10314.html, son erişim tarihi 7 Nisan 2011 Choi Y. ve Stewart J.P. 2005. Nonlinear Site Amplification as Function of 30 m Shear Wave Velocity, Earthquake Spectra, 21, 1-30 Çetin, K.Ö., Yunatcı, A.A. 2011. Deprem Yönetmeliklerine Kıyaslamalı Geoteknik Bakış, 7. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, 30 Mayıs - 2 Haziran 2011, İstanbul, Türkiye. Huang Y-N, Whittaker A.S. ve Luco N. 2010. NEHRP Site Amplification Functions and the NGA Relationships, Earthquake Spectra, 26(2), 583-593. İYBDY. 2008. İstanbul Yüksek Binalar Deprem Yönetmeliği, Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü, Deprem Mühendisliği Anabilim Dalı. Federal Emergency Management Agency. 2010. NEHRP Recommended Seismic Provisions for New Buildings and Other Structures, 2009 Edition (FEMA P-750) Stewart, J.P., Seyhan, E. 2013. Semi-Empirical Nonlinear Site Amplification and its Application in NEHRP Site Factors, PEER Report No: 2013/13, Pacific Earthquake Engineering Ressearch Center, College of Engineering, University of California, Berkeley, 2013. TC Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Afet İşleri Genel Müdürlüğü. 2007. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Deprem Araştırma Dairesi, http://www.deprem.gov.tr Walling M., Silva W., ve Abrahamson N.A. 2008. Nonlinear Site Amplification Factors for Constraining the NGA Models, Earthquake Spectra, 24(1), 243-255 Yunatcı A.A. 2010. GIS Based Seismic Hazard Mapping of Turkey, Doktora Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 399 sayfa