Sahaya özel tasarım spektrumlarının belirlenmesinde yerel zemin koşulları ve havza etkisi

Abstract

Depreme dayanıklı yapılaşmanın ve deprem güvenli yerleşmenin sağlanması, deprem tehlikesinin bölgesel ve yerel ölçeklerde doğru olarak tanımlanması, deprem araştırmalarının hedeflerini oluşturmaktadır. Bir tasarım depreminin olasılıksal ve deterministik yöntemlerle tahmin edilerek binaların karşılaması gereken dinamik etkilerin belirlenmesi sosyal ve ekonomik kayıpların en aza indirilmesi inşaat mühendisliğinde temel yaklaşımdır. Tasarım depreminin tespiti için gerçekleştirilen saha tepkisi araştırmalarında edinilen birikim kuvvetli yer hareketlerini şekillendiren dört farklı ana olgunun etkileri üzerine kurulmuştur. Birincisi, sismik bir dalga, daha rijit tabakalardan daha düşük olanlara bir arayüz boyunca ilerlediğinde ortaya çıkan yer değiştirme büyütmeleridir. İkincisi, mekanik olarak belirli frekanslarda tabakalar arasında gelişen rezonans durumudur. Üçüncüsü, zeminlerin doğrusal olmayan gerilme-şekil değiştirme davranışı ve homojen olmayan anizotropik yapısından kaynaklanan etkilerdir. Sismik dalga yayılımında farklılıklara neden olan tabakalaşma ve topografik süreksizliklerin etkileri ise güncel saha tepkisi araştırmalarına konu olan son olay olarak nitelendirilmektedir. Son araştırma başlığında gerçekleştirilen çalışmalar sayesinde, eğimli tabaka arayüzeylerinin SH dalgalarının yüzeyde oluşturduğu Love yüzey dalgalarını ve P ile SV dalgaların şekillendirdiği Rayleigh dalgalarını dolayasıyla sahadaki zemin büyütmelerini etkilediği, oluşan yüzey dalgalarının daha kuvvetli ve daha uzun sürebilen sarsıntılara neden olduğu anlaşılmıştır. Çalışmanın da içinde yer aldığı son yaklaşımda, özellikle zeminlerin tipik fay kırılmaları veya taşınmış malzemelerle dolu topografik çöküntülerden oluşan alüvyal havzalarda, havza tabanındaki anakayanın veya kaya mostrasının kenar eğiminin sismik dalgalarda neden olduğu etkiler, kırılma, yansıma, öteleme ve odaklama davranışları, sayısal analizler ve sismik saha deneyleriyle incelenmektedir. Yapıların depreme dayanıklı tasarımında dikkate alınacak kuvvetli yer hareketi, tek derece serbestlikli sistemlere ait davranış spektrumları şeklinde deprem tehlikesi haritalarından yerel zemin sınıfına göre doğrudan seçilerek kullanılmaktadır. Ancak deneyimlenen depremler zeminlerin yarı sonsuz uzay kabul edildiği bu çalışmaların gerçekte karşılaşılan düzensiz, daha rijit anakaya mostrası ile sınırlandırılmış, taşınan malzemelerden oluşan daha zayıf zeminle dolu kapalı alanların oluşturduğu ve havza olarak tanımlanan sahalarda gerçekleşen etkileri öngöremediğini ortaya koymuştur. Aktif fay kuşakları üzerinde olan ülkemizde en yoğun yerleşim yerlerinin, değişen boyutlardaki sayısız havza yapısının üzerine kurulmuş olması, havza yapısındaki sahalarda tasarımda dikkate alınacak deprem yer hareketinin Türkiye Bina Deprem Yönetmeliğinde henüz yer almayan stratigrafi etkilerinin incelendiği sahaya özel iki ve üç boyutlu sayısal analizleri zorunlu hale getirmektedir. Bu çalışmada, dar havza yapısındaki sahalarda süreksizliklerinden kaynaklanan tepki spektrumlarındaki değişim, zeminlerin doğrusal olmayan gerilme-şekil değiştirme özellikleri dikkate alınarak ve değişen anakaya mostrası eğimleriyle kurulan iki boyutlu (2D) modellerde zaman tanım alanında yapılan tepki analizleri ile araştırılmıştır. NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) ve TBDY 2018 (Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği) hükümleri ile tanımlanan ZD ve ZE saha sınıflarındaki nispeten zayıf zemin koşulları, farklı seviyelerde seçilen deprem ivme kayıtları altında FLAC3D yazılımında gerçekleştirilen analizlerle Sonlu Farklar yaklaşımı ile incelenmiştir. Kurulan iki (2D) ve bir boyutlu (1D) modellerde yüzeyde tanımlanan çok sayıdaki yapay sismograflarda toplanan kuvvetli yer hareketlerinin spektrumları karşılaştırılarak her bir periyot ve lokasyon için maksimum şiddet faktörleri AGF2D/1D(T, x/L)maks elde edilmiştir. Çalışmada inceleme sahası olarak seçilen ve Kuzey Anadolu Fayı güneybatısında yer alan Gemlik Havzasında detaylı Sismik Dizin ölçümlerinin (Spatial Autocorrelation-SPAC Analizleri kullanılarak) ve sondajlardan oluşan kapsamlı saha araştırmaları yapılmıştır. Sahanın zemin koşullarına dair toplanan bütün bilgiler Coğrafi Bilgi Sistemlerinde (ArcGIS-Pro yazılımnda) işlenerek veri enterpolasyonu yapılmış, anakaya derinliği ve zemin sınıfı haritaları oluşturulmuştur. Böylelikle Gemlik Havzasının Kuzey-Güney ve Doğu-Batı yönündeki 2D modelleri oluşturularak sayısal modellerdeki zemin kesitlerinin sonlu fark şeması tabaka ve anakaya eğimleri ±3° yakınsama ile oluşturulmuştur. Zeminlerde meydana gelen düşük şekil değiştirme değerlerinde kayma modülünün azalım eğrisi ve çevrimsel sönümleme eğrilerinden oluşan histeretik model, yüksek deformasyonlarda ise malzemenin plastik deformasyonlarını hesaplamalara dahil edebilen bünye modellerinin deformasyona bağlı kombinasyonu kullanılmıştır. Sonuçlar, dar havzalarda yüzey hareketlerindeki değişimin sadece yansıma, kırılma ve öteleme davranışından kaynaklanmadığını, aynı zamanda her iki zıt havza kenarından havza merkezine yönelen sismik dalgaların odaklanması ve üst üste binmesi ile orta ve yüksek frekanslarda ortaya çıkan genliklerin tepki spektrumlarını önemli şekilde değiştirdiğini göstermiştir. Çalışma sonucunda Gemlik havzasında sahaya özgü spektral şiddet faktörü katsayıları, AGF2D/1D, her periyot ve sahadaki her konum için 2D ve 1D tepki spektrumları arasındaki oran ile hesaplanmış değişim grafikler halinde sunulmuştur. Şiddet faktörlerinin yakın kenar ve havza merkezinde 1.2-1.8 değerlerine kadar yükseldiği görülmüştür. Sonuç olarak, gerçekleştirilen hipotetik modellerde elde edilen bulgular kenar eğimi değişse dahi, yüzey hareketindeki şiddetlenmelerin dar havzaların saha sınıflarına bağlı olarak belirli bölgelerde belirli değerlerde kümelenme eğiliminde olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca gerçek sahada yapılan araştırmada çıkan sonuçların hipotetik çalışmada çizilen sınırlar içinde kaldığı görülmüş, özellikle dar havza yapısındaki sahalarda şiddet faktörlerinin tasarım spektrumunda belirleyici olduğu anlaşılmıştır.