bİr boyutlu dİnamİk analİz ve mİkrotremor ÖlÇÜm

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


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


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


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


(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


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


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


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


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


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


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


bİr boyutlu dİnamİk analİz ve mİkrotremor ÖlÇÜm

Documents