BİR BOYUTLU DİNAMİK ANALİZ VE MİKROTREMOR
ÖLÇÜM SONUÇLARININ KARŞILAŞTIRILMASI
COMPARISON OF ONE DIMENSIONAL DYNAMIC ANALYSIS AND
MICROTREMOR MEASUREMENT RESULTS
Ozan SUBAŞI*1
M. Emre HAŞAL2 Bilal ÖZASLAN
3 Recep İYİSAN
4
Hiroaki YAMANAKA5 Kosuke CHIMOTO
6
ABSTRACT
The cyclic shear strain level of the near surface soil layers is one of the most important factors
affecting the structural damage during the earthquakes. The seismic response behavior of the
surface layers can be estimated with the accurate prediction of the shear strain value generated
in a strong ground motion. The evaluation of the results obtained by the analysis of the
microtremor records together with the peak acceleration of a design ground motion is also
useful in predicting the shear strain of the ground. In this study, the seismic behavior of a
research area at the Marmara Sea coast which is near the North Anatolian Fault Line, was
investigated by both microtremor measurement analyses and one dimensional (1D) equivalent
linear seismic site response analyses, and the results were compared. The soil amplification,
predominant period and Nakamura Index (Ground seismic vulnerability index) values were
calculated for the soil deposits at study sites by using the horizontal to vertical spectral ratio
(HVSR) technique and the shear strain values were estimated at the near surface soil layers
for different intensity levels of strong ground motion. The shear wave velocity profile and
dynamic characteristics of soil layers used in the 1D seismic site response analyses were
obtained with the evaluation of microtremor array measurement analyses and the experiment
data collected from ground investigation boreholes. A linear relationship was presented
between the shear strain values obtained by single point microtremor measurements and 1D
seismic site response analyses for the deformation levels at which elastic and elasto-plastic
soil behavior occurs.
Keywords: Vulnerability Index, Shear Strain, 1D Seismic Site Response Analysis
ÖZET
Depremler sırasında zemin tabakalarında meydana gelebilecek deformasyonlar, yapısal hasarı
etkileyen önemli faktörlerden biridir. Zemin tabakalarında oluşabilecek kayma şekil
değiştirmeleri genelde kuvvetli yer hareketi kayıtları kullanılarak yapılan bir boyutlu (1D)
dinamik analizler ile belirlenebilmektedir. Küçük genlikli titreşimler olarak bilinen olarak
*1 Ar.Gör., Türk-Alman Üniversitesi, Mühendislik Fak., İnş., Müh. Böl.,Geoteknik A.B.D., [email protected]
2 Dr., Bursa Büyükşehir Belediyesi, Fen İşleri Dairesi Başkanlığı, Etüd Proje Şube Müdürlüğü, [email protected] 3 Ar.Gör., İstanbul Teknik Üniversitesi, İnş. Fak. İnş., Müh. Böl., Geoteknik Müh., [email protected] 4 Prof.Dr., İstanbul Teknik Üniversitesi, İnş. Fak. İnş., Müh. Böl., Geoteknik Müh., [email protected] 5 Prof.Dr., Tokyo Teknik Üniversitesi, Çevre Bilimleri ve Teknoloji Bölümü, [email protected] 6 Yrd. Doç. Dr., Tokyo Teknik Üniversitesi, Çevre Bilimleri ve Teknoloji Bölümü., [email protected]
655
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
bilinen mikrotremor kayıtlarının analizinden elde edilen sonuçların, bir tasarım deprem ivmesi
ile birlikte değerlendirilmesi kayma şekil değiştirmelerin tahmininde yararlı olmaktadır. Bu
çalışmada Marmara Bölgesinde Kuzey Anadolu Fay Hatı’na yakın bir yerleşim bölgesinde
zemin tabakalarının deprem hareketi karşısındaki davranışı hem küçük genlikli titreşim
ölçümlerinin analizi hem de bir boyutlu (1D) eşdeğer lineer dinamik analizler yardımıyla
belirlenmeye çalışılmıştır. Bu amaçla çalışma sahasında önceden yapılmış sondajlar ve arazi
deneyleri derlenmiş ve belirlenen noktalarda mikrotremor ölçümleri yapılmış ve tekil
mikrotremor kayıtlarının analizi sonucunda zemin büyütmesi, hakim periyot ve Nakamura
tarafından önerilen hasar görebilirlik indisi hesaplanmıştır. Farklı depremlere ait kuvvetli yer
hareketi ivme kayıtları için zemin tabakalarında oluşacak kayma şekil değiştirme seviyeleri
belirlenmiştir. 1D dinamik analizlerde kullanılan kayma dalgası hızının derinlikle değişimi eş
zamanlı mikrotremor ölçümleri ile elde edilmiştir. Mikrotremor ölçümüne dayalı kayma şekil
değiştirmesi değerleri ile kuvvetli yer hareketine dayalı 1D dinamik analizlerden elde edilen
kayma şekil değiştirmesi değerleri arasında, elastik ve elasto-plastik davranışın oluştuğu
seviyeler için lineer bir bağıntı elde edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Nakamura İndisi, Kayma Şekil Değiştirmesi, 1D Dinamik Analiz
1. GİRİŞ
Depremler sırasında oluşan kuvvetli yer hareketinin mühendislik yapılarında meydana
getirdiği hasarı etkileyen faktörler, deprem kaynak özellikleri, yerel zemin koşulları ve
üstyapı özellikleridir. Yerel zemin koşulları ve deprem kaynak özellikleri, depremler sırasında
oluşan kuvvetli yer hareketinin özelliklerini, kuvvetli yer hareketi ise yapısal hasar dağılımını
etkilemektedir. Bu nedenle depreme dayanıklı yapı tasarımında deprem, geoteknik ve yapı
özellikleri birlikte dikkate alınmalıdır. Depremler nedeniyle yüzeye yakın zemin
tabakalarında meydana gelen kayma deformasyonlarının seviyesi, kuvvetli yer hareketinin
şiddetine bağlı olarak yapılarda oluşan hasar dağılımının yerel değişiminde etkili olmaktadır.
Kuvvetli yer hareketi sırasında yüzeye yakın zemin tabakalarındaki kayma deformasyonu
sismik anakayadaki tasarım depremi hareketinin şiddetine bağlı olarak doğru biçimde
öngörülebilmesi, zemin yapılarında ve üstyapılarda deprem sırasında oluşacak olumsuz
etkileri en aza indirecek mühendislik çözümlerinin geliştirilmesinde önemli katkı
sağlayacaktır. Tasarım deprem hareketi için yüzeye yakın zemin tabakalarında meydana
gelecek kayma deformasyonu değerlerinin yaklaşık olarak belirlenebilmesi amacıyla farklı
malzeme modellerinin ve hesap yöntemlerinin kullanıldığı bir, iki ve üç boyutlu sayısal
dinamik analiz yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemlerde; zemin kesitinde yer alan tüm
tabakalarının dinamik özellikleri ve kalınlıkları, sismik anakaya derinliği, sınır koşulları,
analizlerde kullanılan deprem kayıtlarının özellikleri vb. parametreler gerekli olmaktadır.
Kuvvetli yer hareketi sırasında tasarım deprem hareketinin sismik anakayadaki şiddetine bağlı
olarak yüzeye yakın zemin tabakalarında meydana gelecek kayma şekil değiştirmesi
değerlerinin daha basit ve uygulama kolaylığına sahip yöntemlerle yaklaşık olarak
belirlenebilmesi deprem hareketinin yüzeyde oluşturacağı etkilerin belirlenmesinde önemli rol
oynayacaktır (Saita ve diğ., 2012).
Bu çalışmada, Nakamura (2008) tarafından önerilen küçük genlikli titreşimler olarak bilinen
mikrotremor ölçümlerinden elde edilen kayma şekil değiştirmeleri, farklı deprem ivme
kayıtları kullanılarak yapılan bir boyutlu-1D dinamik analiz yöntemiyle hesaplanan değerlerle
karşılaştırılmıştır. Çalışma kapsamında inceleme bölgesinde daha önce zemin araştırma
sondajlarının yapıldığı 6 farklı yerleşimde tekil ve 7 düşey alıcı ile eş zamanlı mikrotremor
656
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
kayıtları alınmıştır. Eş zamanlı mikrotremor ölçüm kayıtları Spac yöntemi ile analiz edilerek
kayma dalgası hızının derinlikle değişimi belirlenmiştir. Ayrıca inceleme sahalarında daha
önce yapılan zemin sondajları, arazi penetrasyon deneyleri (SPT-N) ve laboratuvar deneyi
sonuçları derlenmiş, bu veriler eş zamanlı mikrotremor ölçümlerinden elde edilen kayma
dalgası hızının derinlikle değişimi ile birlikte değerlendirilerek ölçüm yapılan lokasyonlarda
zemin modelleri oluşturulmuştur. Bu zemin modelleri üzerinde en büyük mutlak ivme
değerleri (amaks) 0.1 g, 0.2 g, 0.3 g ve 0.4 g olan 4 farklı kaya mostrası üzerinde kaydedilmiş
ivme zaman geçmişi kullanılarak bir boyutlu (1D) eşdeğer lineer dinamik analizler yapılmış
ve yüzey tabakaları için ivme değerleri ve kayma şekil değiştirmeleri elde edilmiştir. Yapılan
tekil mikrotremor ölçümleri H/V Spektral Oranı yöntemine göre analiz edilmiş, zemin
büyütmesi ile hakim periyot değerleri ve bunlara bağlı hasar görebilirlik indisi değerleri
hesaplanmıştır. Tekil mikrotremor ölçümlerinden elde edilen efektif kayma şekil değiştirmesi
değerleri (γe) 1D analizlerden bulunanlarla (γ1D) karşılaştırılmıştır. Ulaşılan sonuçlar
yardımıyla; çalışma sahasında yüzeydeki zemin tabakaları için sismik anakayadaki tasarım
yer hareketi şiddetine bağlı 1D dinamik analizlerle hesaplanan kayma deformasyonu
seviyesinin, tekil mikrotremor ölçümlerine bağlı belirlenebilirliği incelenmiş ve aralarındaki
bağıntı araştırılmıştır.
2. ÇALIŞMA ALANI VE YEREL ZEMİN KOŞULLARI
İnceleme bölgesi Marmara Denizi’nin güneydoğusunda, Gemlik Fayı yakınında yer almakta
ve deniz kıyısından yaklaşık 500 m içeriye uzanan, 2 km uzunluğunda sahil şeridi içinde
bulunmaktadır. Söz konusu bölgede yer alan düzlükler, kıyı çökelleri ve alüvyonlar ile kaplı
olup kıyı şeridine paralel bir şekilde uzanmaktadır. Kıyı bölgelerinde yer alan alüvyon
tabakası bölgenin doğusundan batısına kadar uzanmaktadır. Neojen yaşlı konglomera,
kumtaşı, kiltaşı, kireçtaşı ve marndan oluşan çökeller bölgenin doğu batı doğrultusunda
bulunmaktadır. İnceleme bölgesinin güneydoğusunda Eosen ve Neojen andezitlerinden
oluşan volkanik birimler yer almaktadır. Triyas yaşlı kaya mostraları bölgenin doğusunda
gözlenmektedir. Kuvaterner yaşlı alüvyonlar, bataklık çökelleri ve kıyı çökelleri ile Neojen
yaşlı konglomera, kumtaşı, kiltaşı, kireçtaşı ve marndan oluşan çökeller bölgenin esas
jeolojisini oluşturmaktadır. Bölgedeki alüvyonlar genellikle çakıllı kumlu kil ve siltli kil
şeklinde ince taneli çökellerden, kıyı çökelleri ise genellikle çakıllı siltli kum bileşimli
malzemeden oluşmaktadır. Çalışma sahasının uydu görünümü ve arazi deneylerinin yerleşimi
Şekil 1’de verilmiştir
İnceleme bölgesinde yapılan ve derinlikleri yaklaşık 15~35 m olan sondaj çalışmalarının
sonucunda, zemin kesitinin yer yer çakıl içeriği yüksek kumlu kil-killi siltli kum
tabakalarından meydana gelmiş alüvyondan, siltli kum-siltli çakıl içerikli deniz çökelinden ve
ayrışmış Neojen çökellerinden oluştuğu belirlenmiştir. 1 ve 6 nolu inceleme sahalarında
yüzeyden itibaren ilk 30 m derinlikte orta katı-katı siltli kil ve yer yer çakıl bantları içerikli
orta sıkı siltli kum tabakaları ardışımlı olarak yer almaktadır. 4 ve 5 nolu sahalardaki yüzey
tabakası yer yer çakıl bantları içerikli orta sıkı siltli kumdan oluşmaktadır. 2 nolu inceleme
sahasında yüzeyde çok katı-katı kumlu kil tabakası (çok ayrışmış kiltaşı-silttaşı-kumtaşı) ve
altında ise ayrışmış Neojen formasyonu yer almaktadır. 3 nolu inceleme sahasında üstteki 20
m’lik zemin tabakası; yer yer orta sıkı siltli kum tabakası içerikli orta katı-katı kumlu kilden
oluşan alüvyondan meydana gelmiş olup, altında ise ayrışmış andezit birim mevcuttur.
657
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Şekil 1. Çalışma Sahasının Uydu Görünümü ve Arazi deneylerinin Yerleşimi
3. ARAZİ DENEYLERİ VE DEĞERLENDİRİLMESİ
Yapılan çalışmada inceleme bölgesi içinde daha önceden yapılmış zemin sondajlarına en fazla
50 m uzaklıkta 6 ayrı deney sahası seçilmiş ve bu sahalarda hem tekil mikrotremor hem de eş
zamanlı mikrotremor ölçümleri yapılmıştır. Sondajlarda elde edilen SPT-N darbe sayıları ve
alınan numuneler üzerinde düzenlenen laboratuvar deneylerine ait sonuçların eş zamanlı
mikrotremor ölçümüne ait kayıtlarla birlikte değerlendirilmesi sonucunda 6 ayrı inceleme
sahası için kayma dalgası hızının derinlikle değişimi ve 1D analizler için gerekli zemin
profilleri belirlenmiştir. Aynı noktalarda yapılan tekil mikrotremor ölçüm sonuçlarından H/V
Spektral Oranı kullanılarak çalışma sahalarına ait zemin hakim periyodu (T0) ile zemin
büyütmesi (Ag) değerleri elde edilmiş ve bunlara bağlı olarak hasar görebilirlik indisi
değerleri hesaplanmıştır.
3.1. Sondajlar ve Penetrasyon Deneyleri
İnceleme bölgesinde seçilen 6 ayrı sahada yapılmış zemin etüdü sondajlarına ait veriler
derlenmiştir. Söz konusu sahalarda yapılan sondajların derinlikleri 15 m ile 35 m arasında
değişmektedir. 5 nolu çalışma sahası için elde edilmiş sondaj kesiti, sondaj kuyusu içinde
yapılan penetrasyon deneylerinden elde edilen SPT-N vuruş sayılarından İyisan (1996)
bağıntısı yardımıyla yüzey tabakaları için kayma dalgası hızının derinlikle değişimi ile birlikte
Şekil 2’de verilmiştir. Şekilden de görüleceği üzere zemin kesitinde üstte kalınlığı yaklaşık
25 m olan siltli kum tabakası altında siltli ve killi birimler yer almaktadır. Kum tabakası
içinde SPT-N sayıları yüzeyle 15 m derinlik arasında 10~20 arasında değişmekte, daha sonra
derinlikle artarak 28~40 arasında değerler almaktadır. Sondajlarda yer altı su seviyesi
ortalama 5 m derinlikte ölçüldüğü belirtilmektedir. Sondajlar, arazi penetrasyon deneyleri,
tekil ve eş zamanlı mikrotremor ölçümlerinden bulunan sonuçlar birlikte değerlendirilerek bir
boyutlu dinamik analizlerde kullanılacak zemin modelleri oluşturulmuştur.
MARMARA DENİZİ
658
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
SAHA 5
Zemin Türü Derinlik SPT-N
Siltli Kum
1.5 12
3.0 11
4.5 10
6.0 14
7.5 13
10.5 16
13.5 19
15.0 20
16.5 28
18.0 33
19.5 32
21.0 38
22.5 40
24.0 29
25.5 30
27.0 38
Orta
Plastisiteli
Siltli Kil
28.5 33
30.0 30
31.5 28
Düşük
Plast. Silt
33.0 28
34.5 29
Şekil 2. Derlenen Sondajlardan Elde Edilen Zemin Kesiti ve SPT-N Sayılarından
Hesaplanmış Kayma Dalgası Hızı
3.2. Eş Zamanlı Mikrotremor Ölçümleri
Mikrotremorlar 0.01 sn - 20 sn arasında değişen periyotlara ve 10-2
-10-3
mm arasında değişen
genliklere sahip belirsiz kaynak etkisindeki titreşimlerdir. Tekil mikrotremor ölçümleri ile
zemin hakim periyodu ve zemin büyütmesi gibi zemin tabakalarına ait dinamik özellikler elde
edilebilirken, eş zamanlı mikrotremor ölçümüyle de kayma dalgası hızının derinlikle
değişimi ve sismik anakaya derinliği belirlenebilmektedir (Leyton ve diğ., 2011; Burjanek ve
diğ., 2011; Grutas ve Yamanaka, 2011). Ölçüm süresinin göreli kısalığı, uygulamada
sağladığı kolaylıklar ve düşük maliyet, mikrotremor ölçümlerinin geoteknik deprem
mühendisliğindeki kullanılabilirliğini arttırmıştır.
Yerleşim bölgelerinde kayma dalgası hızının (Vs) derinlikle değişimini elde etmek için, küçük
genlikli titreşimlerin ölçümüne dayanan pasif kaynaklı yüzey dalgası yöntemleri tercih
edilmektedir. Mikrotremorların oluşturduğu yüzey dalgalarının farklı frekanslarda farklı faz
hızlarında harmonik dalgalardan meydana geldiği bilinmektedir. Frekansın veya periyodun
yüzey Rayleigh dalgalarının boylarında belirleyici olması ve dalga boyu yüksek harmonik
dalgaların derin zemin tabaka özelliklerini taşıması yüzey dalgası ölçümüne dayalı
yöntemlerin temelini oluşturur. Diğer bir deyişle periyodu yüksek bileşenlerin derinde yer
alan zemin tabakaları, düşük periyotlu dalgaların ise yüzey tabakaları hakkında bilgi sağladığı
bilinmektedir. Zemin kesitinde yer alan tabakalarının kayma dalgası hız değerleri 10 m - 50
m genişliğinde açıklığa sahip eş zamanlı çoklu mikrotremor ölçümleri ile belirlenebilmektedir
0
5
10
15
20
25
30
35
0 200 400 600 800
Vs (m/sn)
Deri
nli
k (
m)
YASS
659
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
(Okada, 2003). Eş zamanlı mikrotremor ölçümü yönteminde, mikrotremorların düşey
bileşenleri kullanılarak, dairesel dizi üzerindeki her istasyon çifti arasında ikili korelasyonlar
oluşturulmaktadır. Bu çalışmada alınan kayıtların analizler ile zemin tabakalarına ait
Rayleigh dalgası faz hızları elde edilmiştir. Yapılan çalışma kapsamında belirlenen 6 ayrı
noktada arazi deneyleri kapsamında eş zamanlı ve tekil mikrotremor kayıtları alınmıştır.
Alınan kayıtlar analiz edilerek dispersiyon eğrisi ve kayma dalgası hızının derinlikle değişimi
elde edilmiştir. 5 nolu sahada 7 alıcı kullanılarak yapılan eş zamanlı mikrotremor kayıtlarının
analizinden elde edilen dispersiyon eğrisi ile kayma dalgası hızının derinlikle değişimi
Şekil 3’te gösterilmiştir.
Şekil 3. 5 Nolu Sahada Yapılan Eşzamanlı Mikrotemor Ölçümlerinden Elde Edilen
Dispersiyon Eğrisi ve Kayma Dalgası Hızının Derinlikle Değişimi
3.3. Tekil Mikrotremor Ölçümleri
Mikrotremorlar ile kuvvetli yer hareketinin özellikleri arasındaki kuramsal farklılık olmasına
rağmen, tekil mikrotremor ölçümlerinden ve kuvvetli yer hareketinin sayısal analizinden elde
edilen hakim periyot değerlerinin birbirleriyle uyum gösterdiği bilinmektedir (İyisan ve diğ.,
2013). Çalışma kapsamında belirlenen sahalarda yapılan tekil mikrotremor ölçümlerinde üç
bileşenli Guralp CMG-40T alıcı ve Guralp CMG-DM24 sayısallaştırıcısından oluşan
taşınabilir hızölçer seti kullanılmıştır. Mikrotremor ölçümlerine ait kayıtlar, H/V spektral
oranı yöntemine göre analiz edilerek hakim periyot ve zemin büyütmesi değerleri
belirlenmiştir (Mokhberi ve diğ., 2012). Yöntem uygulanırken 3 bileşenli mikrotremor
kayıtlarının Fourier genlik spektrumları hesaplanmakta, iki yatay bileşenin ortalaması
alınmakta ve yatay kayıtların spektrumları düşeydekine oranlanarak (H/V) spektral oranlar
belirlenmektedir (Okada, 2006). Bir örnek teşkil etmesi açısından 5 nolu sahada alınan üç
bileşenli tekil mikrotremor kayıtlarının analizi sonucunda elde edilen spektral oran H/V eğrisi
Şekil 4’te gösterilmiştir. Çalışma sahalarında yapılan mikrotremor ölçümlerine ait H/V
spektral oranlar Tablo 1’de verilmiştir. 6 farklı saha için yapılan analizler sonucunda hakim
periyot değerlerinin 0.37~0.78 sn ve zemin büyütmesi değerlerinin ise 3.5~6.0 arasında
değiştiği belirlenmiştir.
0
100
200
300
400
0 5 10 15 20
f (Hz)
Faz H
ızı
(m/s
n)
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800
Vs (m/sn)
Deri
nli
k (
m)
660
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Tablo 1. Mikrotremorlardan Elde Edilen Periyot ve Büyütme Değerleri
Saha
No
Mikrotremor
No
Periyot
T0 (s)
Büyütme
Ag
1 M1 0.78 4.3
2 M2 0.37 4.1
3 M3 0.45 6.0
4 M4 0.46 3.5
5 M5 0.68 4.0
6 M6 0.60 3.6
0
1
2
3
4
5
0.1 1 10
Periyot, T (s)
Buy
utm
e, A
g
Şekil 4. Saha 5’e Ait H/V Spektral Oran Analizi Sonuçları
3.3.1. Nakamura İndisi (Kg) ve Yüzeydeki Efektif Kayma Şekil Değiştirmesi Değerleri
Nakamura (2008) tarafından önerilmiş olan sismik hasar görebilirlik indisi (Kg), mikrotremor
ölçümlerinin analizi sonucunda belirlenen zemin büyütmesi (Ag) ve hakim periyot (T0)
değerleri kullanılarak belirlenmektedir.
0
2TAK gg (1)
Yüzeye yakın zemin tabakalarında kuvvetli yer hareketi sırasında oluşacak kayma şekil
değiştirmeleri, hasar görebilirlik indisi ve taban sismik anakayası en büyük ivme değerine
bağlı olarak hesaplanabilmektedir. Nakamura tarafından önerilen bu yöntemde, efektif kayma
şekil değiştirmesi değeri Denklem 2’de verildiği gibi tekil mikrotremor ölçümünden elde
edilen sismik hasar görebilirlik değerinin, en büyük yatay sismik anakaya ivme değeri
(amaks_kaya) ve C katsayısı ile çarpılması ile elde edilmektedir.
Bağıntıdaki C katsayısı ise kuvvetli yer hareketinin verimliliğini tanımlayan (e) katsayısı ile
taban kayasındaki kayma dalgası hızına (Vb) bağlı olarak Denklem 3’e göre
hesaplanmaktadır. Bağıntılarda ivme değeri (amaks_kaya) Gal, Vb ise m/s
birimindedir.
Verimlilik katsayısı e, deprem sırasında oluşan dinamik kuvvetin statik kuvvete oranı olarak
tanımlanmış olup, e=0.60 olarak verilmektedir (Nakamura, 2008).
kayamaksge aCK _ (2)
)( 2 bVeC
(3)
661
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Yapılan bu çalışmada Denklem 2’de verilen en büyük yatay sismik anakaya ivme değerleri
(amaks-kaya), 1D analizlerde kullanılan kaya mostrası ivme zaman geçmişi kayıtlarıyla
karşılaştırılabilir olması açısından, söz konusu kayıtlardaki en büyük mutlak ivme
değerlerinin (amaks) yarısına eşit seçilmiştir. Taban sismik anakayası kayma dalgası hızı (Vb)
800 m/s olarak kabul edilmiştir. Mikrotremor ölçümleri sonrasında yapılan analizler
sonucunda çalışma sahaları için hesaplanan Nakamura İndisi değerlerinin 5.7 ile 16.5 arasında
değiştiği bulunmuş ve üstte verilen bağıntılar kullanılarak farklı şiddetteki depremler için
kayma şekil değiştirmeleri elde edilmiş olup, analiz sonuçları Tablo 2’de gösterilmiştir.
Tablo 2. Hasar Görebilirlik İndisi ve Efektif Kayma Şekil Değiştirmesi Değerleri
Saha Kg γe (%)
amaks=0.10g amaks=0.20g amaks=0.30g amaks=0.40g
1 14.3 0.053 0.106 0.159 0.213
2 6.2 0.023 0.046 0.070 0.093
3 16.5 0.061 0.123 0.184 0.246
4 5.7 0.021 0.042 0.063 0.085
5 11.2 0.042 0.083 0.125 0.167
6 7.9 0.030 0.059 0.089 0.118
4. ZEMİN TABAKALARININ BİR BOYUTLU DİNAMİK ANALİZİ
6 farklı saha için derlenen sondaj verileri ile kayma dalgası hızının değişimi birlikte göz
önüne alınmasıyla hazırlanan zemin tabakası modellerinin, farklı ivme seviyelerindeki kaya
mostrası ivme değerlerine (amaks=0.1g~0.4g) sahip kuvvetli yer hareketi karşısındaki
davranışı, 1D dinamik analizler yardımıyla belirlenmiştir. 1D dinamik analizler, eşdeğer
lineer yöntem kullanılarak DeepSoil V6.1 yazılımıyla yapılmıştır (Hashash ve diğ., 2016).
4.1. Malzeme Modeli
Eşdeğer lineer malzeme modelinin kullanıldığı yöntemde; kayma şekil değiştirmesi
seviyesine bağlı rijitlik azalım (G/Gmaks) ve sönüm oranı değişim eğrileri ince daneli zeminler
için Vucetic ve Dobry (1991) tarafından geliştirilen bağıntı kaba daneli zeminler içinse Seed
ve Idriss (1970) tarafından önerilen bağıntılar kullanılmıştır. Analizlerde kullanılan rijitlik
azalım ve sönüm oranı artış eğrilerinden bir tanesi Şekil 5’te gösterilmiştir.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10
Kayma Şekil Değiştirmesi, (%)
G/G
mak
s
0
5
10
15
20
25
Sönüm
Ora
nı,
D (
%)
Şekil 5. 1D Dinamik Analizlerde Kullanılan Malzeme Modeli
662
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
4.2. Kuvvetli Yer Hareketi Kayıtları
Zemin tabakalarının bir boyutlu dinamik analizinde; çalışma bölgesini etkileyecek fay
hareketi mekanizmasını yansıtacak biçimde seçilmiş, en büyük mutlak ivme değerleri (amaks)
0.1 g ile 0.4 g arasında değişen, anakaya mostrasında alınmış dört farklı deprem hareketi
kaydı kullanılmıştır. Seçilen kuvvetli yer hareketi ivme zaman geçmişleri, sırasıyla üç tanesi
San Andreas Fay Hattı ve bir tanesi Kuzey Anadolu Fay Hattında meydana gelmiş 1979
Coyote Lake (0.1g), 2005 Anza (0.2g), 2004 Parkfield (0.3g) ve 1999 Kocaeli (0.4g)
depremlerine ait kayıtlardır. Bir boyutlu dinamik analizlerde kullanılan kayıtlar Şekil 6’da
gösterilmiştir.
Şekil 6. Bir Boyutlu Dinamik Analizlerde Kullanılan Kaya Mostrası İvme Kayıtları
4.3. Analiz Sonuçları
Zemin etüdü sondajlarından elde edilen verilerin ve eş zamanlı mikrotremor kayıtları
kullanılarak yapılan analizler sonucunda Şekil 1’de gösterilen 6 ayrı saha için oluşturulan
kayma dalgası hızının derinlikle değişimi ve zemin modelleri kullanılarak, farklı şiddet
seviyelerine sahip (amaks_kaya=0.1 g~0.4 g) 4 ayrı kuvvetli yer hareketi kaydı için bir boyutlu
eşdeğer lineer analizler düzenlenmiştir. 6 ayrı inceleme sahası için hesaplanan maksimum
mutlak yüzey ivmesi değerleri (amaks_y) Tablo 3’te verilmiştir. Ayrıca tekil mikrotremor
ölçümlerinden Nakamura İndisi yöntemiyle yüzeyaltı zemin tabakası için elde edilen efektif
kayma şekil değiştirmesi değerleri ile karşılaştırılabilmesi amacıyla, 1D dinamik analiz
kullanılarak zemin yüzeyinden 5 m derinlik için kayma şekil değiştirmesi (1D) değerleri
hesaplanmış ve Tablo 3’te verilmiştir.
1979 Coyote Lake Depremi
-0.10
0.00
0.10
0 5 10 15 20 25
Zaman (sn)
İvm
e, a
kay
amost
ra (
g)
2005 Anza Depremi
-0.20
-0.10
0.00
0.10
0.20
0 5 10 15 20 25
Zaman (sn)
İvm
e, a
kay
amost
ra (
g)
2004 Parkfield Depremi
-0.30
-0.20
-0.10
0.00
0.10
0.20
0.30
0 5 10 15 20 25
Zaman (sn)
İvm
e, a
kay
amost
ra (
g)
1999 Kocaeli Depremi
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Zaman (sn)
İvm
e, a
kay
amost
ra (
g)
663
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Tablo 3. Bir Boyutlu Eşdeğer Lineer Dinamik Analiz Sonuçları
Deprem Adı amaks-kaya
(g)
Saha
No
amaks_y (g)
1D
(%)
Saha
No
amaks_y (g)
γ1D
(%)
Coyote Lake 0.10
1
0.21 0.038
4
0.11 0.007
Anza 0.20 0.32 0.050 0.23 0.013
Parkfield 0.30 0.50 0.067 0.27 0.018
Kocaeli 0.40 0.31 0.148 0.33 0.026
Coyote Lake 0.10
2
0.15 0.011
5
0.14 0.024
Anza Array 0.20 0.23 0.015 0.29 0.029
Parkfield 0.30 0.54 0.026 0.33 0.040
Kocaeli 0.40 0.35 0.042 0.18 0.054
Coyote Lake 0.10
3
0.13 0.018
6
0.14 0.017
Anza Array 0.20 0.24 0.026 0.27 0.026
Parkfield 0.30 0.29 0.031 0.32 0.034
Kocaeli 0.40 0.35 0.092 0.20 0.047
5. KAYMA ŞEKİL DEĞİŞTİRMELERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
Çalışma sahaları için elde edilen üç bileşenli tekil mikrotremor kayıtlarının sayısal analizi
sonrasında Nakamura yönteminin kullanılmasıyla farklı şiddetteki sismik anakaya ivme
değerleri için yüzeye yakın zemin tabakalarındaki kayma şekil değiştirmeleri (e)
bulunmuştur. Yine aynı sahalarda düzenlenen sondaj ve eş zamanlı mikrotremor ölçümü gibi
arazi deneylerinin birlikte değerlendirilmesi sonucu ortaya çıkan zemin kesitleri için farklı
şiddetteki kaya mostrası ivme zaman geçmişi kayıtları kullanılarak 1D eşdeğer lineer analizler
düzenlenmiş ve zemin yüzeyinden 5 m derinlikteki en büyük kayma şekil değiştirmesi
değerleri (1D) hesaplanmıştır. Tekil mikrotremor ölçümleri ve 1D dinamik analizlerden aynı
inceleme sahası için elde edilen kayma şekil değiştirmesi değerleri arasındaki ilişki
belirlenirken; eşleştirilen kayma deformasyonu değerlerinin, eşdeğer şiddetteki anakaya
deprem hareketi kullanılarak hesaplanmış olmasına dikkat edilmiştir. İnceleme sahaları için
tekil mikrotremor ölçümü ve 1D dinamik analizlere dayalı elde edilen kayma şekil
değiştirmeleri birlikte Şekil 7’de gösterilmiştir.
1D = 0.40 e
r = 0.81
0.0
0.1
0.2
0.3
0.0 0.1 0.2 0.3e (%)
1D (
%)
Şekil 7. Küçük Genlikli Titreşim Ölçümünden ve Zemin Tabakalarının Bir Boyutlu Dinamik
Analizinden Elde Edilen Kayma Şekil Değiştirmeleri Arasındaki İlişki
664
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Regresyon analizi sonucunda tekil mikrotremor ölçüm sonucu ve tasarım deprem ivmesine
dayalı kayma deformasyonu (e) ile kuvvetli yer hareketine dayalı 1D dinamik analizlerden
elde edilen kayma şekil değiştirmeleri (1D) arasında elde edilen bağıntı aşağıda verilmiştir.
γ1D=0.40 γe (4)
Bağıntıda korelasyon katsayısı r=0.81 olarak hesaplanmıştır. Kullanılan en büyük kaya
mostrası ivme değerinin 0.1g ile 0.4g arasında değiştiği bu çalışmada elde edilen kayma
deformasyonu seviyeleri olarak 0.01~0.15 aralığında değerlere sahiptir ve Tablo 4’ten de
görülebileceği gibi kuvvetli yer hareketi sırasında yüzeye yakın zemin tabakasında elasto-
plastik davranışın hakim olacağı anlaşılmaktadır. Denklem 4’te verilen bağıntının, zeminde
plastik davranış ve göçme durumunun oluşacağı daha yüksek kayma deformasyonu
seviyelerini meydana getirecek daha şiddetli yer hareketi ve daha yumuşak veya gevşek
zemin koşulları için geçerliliğinin araştırılması gerekmektedir.
Tablo 4. Zemin davranışının kayma deformasyonu seviyesine bağlı değişimi (Ishihara, 1996)
Deformasyon
Seviyesi, (%) 10
-4 10
-3 10
-2 10
-1 1 10
Olgu Dalga yayılımı, titreşim Çatlaklar, farklı
oturma
Şev kayması,
sıkışma, sıvılaşma
Mekanik
Davranış Elastik Elasto-plastik Göçme
6. SONUÇLAR
Depremler nedeniyle yüzeye yakın zemin tabakalarında meydana gelen kayma şekil
değiştirmelerinin seviyesi; kuvvetli yer hareketinin şiddetine bağlı olarak yapılarda oluşan
hasar dağılımının yerel değişiminde etkili olmakta, zemin yapılarında oluşan kalıcı
deformasyon değerlerini etkilemekte, sıvılaşma potansiyeline sahip zeminlerde meydana
gelebilecek deformasyon ve oturma miktarlarını belirlemektedir. Bu çalışmada küçük genlikli
titreşimler olarak bilinen mikrotremor ölçümlerine dayalı Nakamura İndisi yöntemine bağlı
elde edilen kayma deformasyonu değerleri, farklı arazi deneyleri yardımıyla daha kapsamlı
veri toplanmasını ve hassas sayısal analiz yapılmasını gerekli kılan kuvvetli yer hareketine
dayalı 1D dinamik analiz yöntemiyle hesaplanan değerlerle karşılaştırılmıştır. Tekil
mikrotremor ölçümüne dayalı kayma şekil değiştirmesi değerleri (e) ile kuvvetli yer
hareketine dayalı 1D dinamik analizlerden elde edilen kayma şekil değiştirmesi değerleri (1D)
arasında, zemin tabakasında elastik ve elasto-plastik davranışın meydana geldiği kayma
deformasyonu seviyeleri için lineer bir bağıntı elde edilmiştir. Bağıntı; bir sahada tasarım yer
hareketi özelliklerinin bulunması amacıyla yapılacak bir boyutlu dinamik analizlerde yüzey
tabakaları için hesaplanan kayma deformasyonlarının, mikrotremor ölçümlerinden pratik
amaçlar doğrultusunda tahmin edilebilmesinde yararlı görülmektedir. Belli bir bölgede sınırlı
sayıda veri kullanılarak elde edilen bağıntının, veri sayısındaki artışla yerel zemin koşullarına
bağlı geliştirilmesi mümkün olacaktır.
TEŞEKKÜR
Yapılan bilimsel çalışmalara desteğinden dolayı Bursa Büyükşehir Belediyesi Fen İşleri
Dairesi Başkanlığı Etüd Proje Şube Müdürlüğü’ne ve Jeoloji Mühendisi Ömer GÜLENÇ’e
teşekkür ederiz.
665
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
KAYNAKLAR
[1] Saita, J., Nakamura, Y. and Sato, T. (2012), “Liquefaction caused by the 2011 off the
Pacific Coast of Tohoku Earthquake and the Result of the Prior Microtremor
Measurement”, 15th
World Conf. on Earthquake Engineering, Lisboa, Portugal.
[2] Nakamura, Y. (2008), “On the H/V Spectrum”, The 14th
World Conference on Earthquake
Engineering in Beijing, China.
[3] İyisan, R. (1996), “Zeminlerde Kayma Dalgası Hızı ile Penetrasyon Deney Sonuçları
Arasındaki Bağıntılar”, İMO Teknik Dergi, Cilt 7, Sayı 2, ss.1187-1199.
[4] Leyton, F., Montalva, G. and Ramirez P. (2011), “Towards a Seismic Microzonation of
Concepcion Urban area based on Microtremors, Surface Geology and Damage
observed after the Maule 2010 earthquake. First Results”, 4th
IASPEI/IAEE
International Symposium: Effects of Surface Geology on Seismic Motion, August 23-
26, University of California, Santa Barbara.
[5] Burjanek, J., Gassner-Stamm, G., Poggi, V. and Fah D. (2011), “Estimation of Local Site
Effects in the Upper Valais (Switzerland)”, 4th
IASPEI/IAEE International
Symposium: Effects of Surface Geology on Seismic Motion, August 23-26,
University of California, Santa Barbara.
[6] Grutas, R. and Yamanaka, H. (2011), “Deep Sedimentary Layers in Metro Manila,
Philippines Estimated with the Joint Inversion of Receiver Function and Surface
Wave Dispersion”, 4th
IASPEI/IAEE International Symposium: Effects of Surface
Geology on Seismic Motion, August 23-26, University of California, Santa Barbara.
[7] Okada, H. (2003), “Microtremor Survey Method: SEG Geophysical Monograph Series
No. 12”, (translated by Koya Suto), Society of Exploration Geophysicists.
[8] İyisan, R., Haşal, M.E., Çekmeceli, M., Bayın, A. (2013), “Mikrotremor Ölçümlerine
Dayalı Bir Mikrobölgeleme Örneği”, 5.Geoteknik Sempozyumu, 5-7 Aralık 2013,
Çukurova Üniversitesi, Adana.
[9] Mokhberi, M., Tadayon, A. and Rahnema, H. (2012), “Using the H/V Spectral Ratio of
Microtremor for Identification of the Vulnerability of Buildings, Based on Dynamic
Site Characteristics of the Shiraz City”, 15th
World Conf. on Earthquake
Engineering, Lisboa, Portugal.
[10] Okada, H. (2006), "Theory of Efficient Array Observations of Microtremors with Special
Reference to the SPAC Method", Explore Geophys., vol. 37, 73-85.
[11] Hashash, Y.M.A., Musgrove, M.I., Harmon, J.A., Groholski, D.R., Phillips, C. and Park,
D. (2016), “DEEPSOIL 6.1, User Manual”.
[12] Vucetic, M. and Dobry, R. (1991), “Effect of Soil Plasticity on Cyclic Response”,
Journal of Geotechnical Engineering, 117:1, 87-107.
[13] Seed, H.B. and Idriss, I.M. (1970), “Soil Moduli and Damping Factors for Dynamic
Response Analyses”, Report EERC, Berkeley CA, USA, University of California.
[14] Ishihara, K. (1996), “Soil Behaviour in Earthquake Geotechnics”, Oxford Engineering
Science Series, Oxford University Press, U.K.
666
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul