VE TASARIM YER HAREKETLERĠ

YEREL ZEMĠN ġartlarinin ETKĠSĠ VE TASARIM YER HAREKETLERĠ Yerel zemin Ģartlarının yer hareketinin Ģiddeti ve deprem hasarları üzerindeki etkisi, tarihsel referanslara dayalı olarak yaklaģık 200 yıldır bilinmektedir. Yer hareketlerinin aletsel olarak kaydedilebilmesi ile birlikte bu etki sayısal olarak ta ölçülebilmiģtir. Ancak bilinen ve düģünülen kanıtlara rağmen, yerel zemin Ģartlarının etkisinin varlığı son yıllara kadar bir tartıģma konusu idi. Ve bu nedenle 1970 lere kadar ki yapı Ģartnameleri yerel zemin Ģartları etkisini dikkate alan bir hesap adımı içermemektedir. Depreme dayanıklı tasarım da yerel zemin Ģartlarının etkisi önemli bir rol oynamaktadır ve bu etki hesaplarda göz önüne alınmalıdır. Bu amaçla uygulanan prosedürler, genel olarak yapıların bulunduğu noktalar için bir veya birden fazla tasarım yer hareketinin geliģtirilmesini kapsamaktadır. Sahaya özel tasarım yer hareketlerinin geliģtirilmesi, bu dersin içeriğinde önceki bölümlerde sunulan kavramların tamamını kapsamaktadır ve geoteknik deprem mühendisliğinin en önemli konularından biridir. Yer Hareketleri üzerinde yerel zemin Ģartlarının etkisi; Yerel zemin Ģartları, kuvvetli yer hareketinin en önemli karakteristikleri olan amplitüdünü, frekans içeriğini ve süresini önemli oranda etkileyebilir. Bu etkinin miktarı, ana kayadaki yer hareketi karakteristiklerine, bölgenin topografyasına ve yüzeydeki zemin tabakalarının malzeme özellikleri ile geometrisine bağlıdır. Yerel zemin Ģartlarının etkisi farklı Ģekillerde gösterilebilir; (a) teorik olarak zemin davranıģ analizleri ile, (b) aletsel olarak aynı nokta için ana kaya ve yüzey hareketlerinin ölçülmesi ile ve (c) farklı zemin Ģartlarına sahip bölgeler arasında yüzeydeki hareket ölçümlerinin karģılaģtırılması ile. 1

(a) Teorik Zemin DavranıĢ Analizlerine Dayalı Kanıtlar; Yüzeydeki yer hareketinin yerel zemin Ģartlarından etkilenebileceğini gösteren bazı önemli teorik sebepler vardır. Bir çok sahada, yüzeye yakın zemin tabakalarının yoğunluğu ve s kayma dalgası hızları daha derindeki tabakalara göre küçüktür. Eğer saçılma ve malzeme sönümü etkileri ihmal edilirse elastik dalga enerjisinin korunumu, derinden yüzeye aktarılan enerjinin (ρv s ù 2 )sabit kalmasını gerektirmektedir. Dolayısıyla, yüzeye yaklaģan dalgalar için ρ ve v s azaldığı için, partikül hızı ù artmalıdır. Yerel zemin tabakalarının karakteristikleri de, spesifik impedans sabit olduğu zaman, oluģacak yer hareketi büyütmesi üzerinde etkili olabilir. Basit bir teorik zemin davranıģ analizi ile bu türde bir yer hareketi büyütmesi analitik olarak gösterilebilir. Örneğin aģağıdaki Ģekilde görüldüğü gibi iki ayrı zemin tabakası düģünelim; geometrileri benzer ancak biri diğerinden daha rijit. Her iki zemin tabakasının da lineer elastik ve ana kaya tabakalarının rijit olduğu varsayıldığında; hesaplanmıģ olan büyütme fonksiyonları aģağıdaki Ģekilde görülmektedir. 2

ġekilden de görüldüğü gibi; yumuģak zemin tabakaları (site A) ana kayadaki düģük frekanslı (yüksek periyotlu) hareketi sert zemin tabakalarına (site B) göre daha fazla büyütecektir. Yüksek frekanslı (düģük periyotlu) harekette ise bu durumun tersi yani sert zemin tabakaları tarafından daha fazla bir büyütme gözlenecektir. Daha gerçekçi Ģartlar için ise yani elastik ana kaya durumunda, zemin büyütmesi spesific impedans oranından etkilenecektir. Dolayısıyla yerel zemin Ģartlarının tanımı, ana kaya rijitliği ve yoğunluğunu da kapsamalıdır. Örneğin daha sert ana kaya tabakalarının bulunduğu Doğu Amerika nın çoğunluğu için, tipik olarak yumuģak ana kaya tabakalarının bulunduğu Koliforniya ya nazaran eģdeğer soil Ģartları için % 50 daha fazla büyütme faktörleri beklenebilir. 3

(b) Ölçülen büyütme fonksiyonlarına dayalı kanıtlar; Aynı noktada yüzeyde ve ana kaya seviyesinde ölçülen yer hareketi kayıtları da yerel zemin Ģartlarının etkisini kanıtlayabilir. Bu amaçla ölçülmüģ kayıtlara bir örnek aģağıdaki Ģekilde görülebilir; Richmond istasyonu zemin profili, kaya arasındaki büyütme faktörü (b) Briones Hills (M L =4.3) depremi sırasında ölçülmüģ yüzey-ana Zemin tabakalarının doğal frekans seviyelerindeki güçlü büyütme faktörü, yüzeydeki harekette yerel zemin Ģartlarının etkisinin önemini açık bir Ģekilde göstermektedir. Ancak zeminin nonlinearite etkisi, buradaki örnekteki gibi düģük sayılabilecek yer hareketi seviyelerindan daha yüksek kuvvetli yer hareketlerinde farklı bir büyütme fonksiyonuna neden olabilecektir. 4

(c) Ölçülen yüzey kayıtlarına dayalı kanıtlar; Yerel zemin Ģartlarının önemi, aynı depremde farklı noktalarda kaydedilmiģ olan yüzeydeki yer hareketi kayıtlarının karģılaģtırılmasıyla da görülebilir. Örneğin aģağıdaki Ģekilde, 1957 San Francisco, M= 5.3 depreminde farklı bölgelerden alınmıģ yer hareketi kayıtları görülebilir. 5

DavranıĢ spektrumu ve pik yatay ivme cinsinden tanımlanan yer hareketindeki değiģim, Ģekildeki 4 mil uzunluğundaki kesit boyunca zemin Ģarlarının değiģimi ile birlikte görülmektedir. Yüzeyde açığa çıkmıģ kaya tabakalarında gözlenen yüzey hareketi oldukça benzer, ancak kalın zemin tabakalarının bulunduğu noktalarda yüzeydeki hareket büyüklük ve frekans içeriği açısından oldukça farklıdır. Benzer etkiler, diğer bazı depremlerde de gözlenmiģtir. Bu anlamda yerel zemin Ģartlarının etkisini yansıtması açısından bir baģlangıç noktası niteliğinde olan iki önemli deprem; 1985 Michoacan (Mexico) depremi ve 1989 Loma Prieta (California) depremidir. Mexico City, 1985 Depremi; M S =8.1 büyüklüğündeki deprem episentır bölgesinde orta dereceli bir hasara neden olmasına karģılık, 350 km kadar uzaklıkta yoğun hasara neden olmuģtur. Mexico City nin farklı bölgelerinde kaydedilmiģ yer hareketlerine ait çalıģmalar, yerel zemin Ģartları ile hasar verici yer hareketi arasında önemli bir iliģki olduğunu göstermiģ ve plastik killerin tekrarlı yükler altındaki davranıģının anlaģılmasında önemli bir avantaj da sağlamıģtır. Sismik bölgeleme amacıyla Mexico City, farklı yerel zemin Ģartlarına sahip 3 bölgeye ayrılabilir. Foothill Zonu; çoğunlukla granüler, bazalt yada volkanik tüflerden oluģan sıkı ve sığ zeminler, Göl Çökelleri Zonu; Silt ve kil içerikli çok yumuģak zeminden oluģan kalın tabakalar, GeçiĢ Zonu; foothill zonu ile göl çökelleri zonu arasındaki daha ince yumuģak zemin tabakalarının bulunduğu geçiģ bölgesi. 6

Mexico City de; (a) yerel zemin Ģartlarını ve yer hareketi kayıt istasyonlarının (UNAM ve SCT istasyonları) yerlerini gösterir harita (b) yumuģak zemin tabaka kalınlıklarına ait kontürler. 7

Michoacan depremi oldukça büyük bir deprem olmasına karģılık, Mexico City ye olan uzak mesafe nedeniyle UNAM (kaya) istasyonunda yalnızca 0.03g ile 0.04 g lik ivmeler üretilmiģtir. Buna karģılık Göl çökelleri bölgesinde SCT (yumuģak zemin) istasyonundaki ivmeler UNAM istasyonundakilere göre 5 kat daha fazladır. Ayrıca frekans içeriklerinin de çok farklı olduğu ivme zaman kayıtlarında görülebilmektedir. DavranıĢ spektrumları cinsinden; SCT istasyonu kaydına ait spektral ivme, yaklaģık olarak 2 sn periyotlarında UNAM istasyon kaydına ait spektral ivmenin yaklaģık 10 katı kadardır. SCT istasyon zemini, s kayma dalgası hızı yaklaģık 75 m/sn olan 35-40 m lik yumuģak kil tabakalarıdır. Ve yaklaģık olarak bu tabakanın doğal periyodunun T=4H/v s 4 (37.5)(75)= 2 sn olduğu söylenebilir. Bu periyot değeri SCT istasyonuna ait davranıģ spektrumunun hakim periyot değeridir. 8

Mexico City bölgesindeki yapısal hasar da geoteknik Ģartlara dayalı bölgeler açısından oldukça belirgin ayrılıklar göstermektedir. Foothill bölgesinde hasar ihmal edilebilecek seviyede, GeçiĢ bölgesinde ise minumum seviyede iken; Göl Çökelleri Bölgesinde ağır hasar görülmüģtür. Hasarın büyük bir kısmı da yumuģak zemin tabaka kalınlıklarının 38-50 m arasında olduğu kısımlarda oluģmuģtur. Yine bu bölge içinde de 5 kattan az olan binalar ile 30 katın üstündeki modern binalarda az bir hasar gözlenirken; 5 ile 20 kat arasındaki binalarda ağır hasar yada göçmeler gözlenmiģtir. Binaların periyodunun, N katlı binalar için kaba bir hesapla yaklaģık olarak N/10 sn olarak hesaplanabileceği göz önüne alındığında; hasarın ağır olduğu bina periyotlarının bölgedeki yumuģak zemin tabakalarının doğal periyodu ile yakın olduğu söylenebilir. Sonuç olarak, ikili rezonans Ģartlarının (zemin tabakalarının ana kaya hareketini büyütmesi ve yapının zemindeki hareketi büyütmesi) yapısal tasarım ve inģaat kusurlarıyla birleģmesi bölgesel olarak çok ağır hasara neden olmuģtur. 9

San Francisco Bay Area, 1989 Depremi; M s =7.1 büyüklüğündeki deprem San Francisco ve Oakland ın 100 km kadar güneyindeki Loma Prieta bölgesi yakınında oluģmuģtur. Deprem episentır bölgesinde VIII MMI Ģiddetinde, San Francisco, Oakland bölgesinde ise IX MMI Ģiddetinde yer hareketi üretmiģtir. Depremin bazı bölgelerde ağır bir hasara neden olmasının yanında diğer bazı bölgelerde ise hasarın relatif olarak daha az olması, yerel zemin Ģartlarının önemini vurgulamaktadır. 1989 Loma Prieta depreminde San Francisco bölgesinde ölçülmüģ maksimum yatay ivmeler 10

Yerba Buena Adası kaydı; Treasure Adası kaydı; kaya üzerindeki bir istasyon 55 ft derinliğindeki San Francisco çamuru üstünde yer alan 45 ft derinliğinde gevģek kum dolgu bir zemin tabakası üzerindeki istasyon Her iki istasyonda deprem kaynağından yaklaģık olarak aynı uzaklıkta olmasına rağmen yüzeydeki hareket çok büyük oranda farklılık göstermektedir (Pik ivmeler; 0.06 g ve 0.16 g ). 11

Mexico City ve Loma Prieta depremleri verileri ile ek davranıģ analizlerine dayalı olarak Idriss (1990) tarafından oluģturulan grafikte; 0.4 g den daha düģük olan ivme seviyelerinde pik ivmelerin yumuģak zeminlerde ana kaya ivmesinden daha yüksek olduğu görülmektedir. Diğer bir ifade ile Mexico City ve Loma Prieta depremlerindeki gibi düģük ivmeye sahip ana kaya hareketi yumuģak zemin Ģartlarında yüzeydeki hareketin ivmesinin yüksek olmasına neden olabilir. Ana kayadaki yüksek ivme seviyeleri içinse, yumuģak zeminlerin rijitliğinin düģük olması ve nonlinearite nedeniyle yüzeydeki ivmeler daha düģük olabilir. Seed et al. (1976) tarafından farklı Ģartlara sahip 4 zemin kategorisi için hesaplanan davranıģ spektrumları; 0.5 sn üzerindeki periyotlar için zeminlerdeki spektral büyütmeler kayalara oranla daha yüksek. Ve bu periyot değerleri için zemin tabakalarının rijitliği azaldıkça spektral büyütme artıyor. Bu sonuçlar tüm zemin Ģartları için tek tip davranıģ spektrumu kullanımının uygun olmadığını göstermektedir. 12

Yüzey topografyasının ve basen geometrisinin etkisi; Yerel zemin Ģartları altında dikkate alınmalıdır Basit topografik düzensizliklerin karakterizasyonu; Basit bir yaklaģımda fi açısına dayalı büyütme faktörleri kullanılabilir Alüvyonel vadilerin oluģturduğu farklı basen geometrilerine sahip iki örnek için bir boyutlu ve iki boyutlu davranıģ analizlerinin sonuçları; 13

TASARIM PARAMETRELERĠ; Yeni yapıların depreme dayanıklı tasarımı ve mevcut yapıların sismik olarak hasar görebilirliklerinin değerlendirilmesi, tasarım yer hareketindeki davranıģlarının tahmin edilmesini kapsar. Tasarım yer hareketi sismik tehlike analizlerinden geliģtirilen tasarım parametrelerine dayanır. Tasarım parametreleri sahaya özel analizlerle geliģtirilebilir yada bina kodlarından elde edilebilir. Sahaya özel analizlerle geliģtirilen parametreler muhtemelen bina kodlarından elde edilenlere oranla daha doğru olacak ve muhtemelen daha ekonomik bir tasarım olarak sonuçlanacaktır. Bina kodları zamanla artan bilgi ve deneyim doğrultunda sürekli olarak yenilenir ve geliģtirilir. Bina kodlarındaki sismik Ģartlar, özellikle oluģan büyük depremler sonrası gözlenen ve değerlendirilen önemli değiģiklere göre geliģtirilmektedir. Bina kodlarının amacı depremdeki hasarı tamamen yok etmek değildir. Bunun yerine en basit Ģekilde üç seviyeli olarak tanımlanabilecek bir yaklaģım geçerlidir. Bu yaklaģım; küçük depremlere hiç hasarsız, orta dereceli depremlere yapısal bir hasar olmaksızın ve büyük depremlere ise göçme olmadan dayanabilecek bir tasarımı kapsamaktadır. Bu bölümde, farklı bazı kodlardaki tasarım parametreleri ve bu tasarım parametreleri üzerinde yerel zemin Ģartlarının etkisini yansıtan parametreler örnek olarak gösterilmektedir. 14

UBS (Uniform Building Code) (1994) (United States); Sismik bölge faktörleri (Z) haritası; Z=efektif pik ivme-g 15

UBC Zemin Katsayısı, S Zemin bağımlı normalize davranıģ spektrumu (UBC Code, 1994) 16

Eurocode, EC-8 (2002); Tip-1, M W >5.5 olan bölgeler 17

Eurocode, EC-8 (2002); Tip-2, M W <5.5 olan bölgeler 18

NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) ÖNERĠ YÖNETMELĠĞĠ Amerika için; 0.2 sn periyotlu ve 1 sn periyotlu yer hareketleri için ayrı Sismik Bölge Haritaları mevcuttur. NEHRP (2009) tasarım spektrumu 19

Kısa peryodlu yer hareketi zemin düzeltme katsayıları ; F a Orta peryodlu yer hareketi zemin düzeltme katsayıları; F v 20

DEPREM BÖLGELERİNDE YAPILACAK BİNALAR HAKKINDA YÖNETMELİK (TÜRKİYE) - 2007 Spektral ivme katsayısı 21

22