Ders Notu-6

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.
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
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 (ρvsù2)sabit kalmasını
gerektirmektedir. Dolayısıyla, yüzeye yaklaĢan dalgalar için ρ ve vs 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.
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
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.
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
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, (b) Briones Hills (ML=4.3) depremi sırasında ölçülmüĢ yüzey-ana
kaya arasındaki büyütme faktörü
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.
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
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;
MS=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.
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
6
Mexico City de;
(a) yerel zemin Ģartlarını ve yer
hareketi
kayıt
istasyonlarının
(UNAM
ve
SCT
istasyonları)
yerlerini gösterir harita
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
(b) yumuĢak zemin tabaka
kalınlıklarına ait kontürler.
Bölüm-6
7
DavranıĢ spektrumları cinsinden;
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.
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
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/vs  4 (37.5)(75)= 2 sn
olduğu söylenebilir. Bu periyot değeri SCT
istasyonuna ait davranıĢ spektrumunun hakim
periyot değeridir.
B. Yağcı
Bölüm-6
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.
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
9
San Francisco Bay Area, 1989 Depremi;
Ms=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
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
10
Yerba Buena Adası kaydı;
kaya üzerindeki bir istasyon
Treasure Adası kaydı;
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 ).
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
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;
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
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.
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
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, MW >5.5 olan bölgeler
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
17
Eurocode, EC-8 (2002); Tip-2, MW <5.5 olan bölgeler
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
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 ; Fa
Orta peryodlu yer hareketi zemin düzeltme katsayıları; Fv
20
DEPREM BÖLGELERİNDE YAPILACAK BİNALAR HAKKINDA YÖNETMELİK (TÜRKİYE) - 2007
Spektral ivme katsayısı
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
21
BAÜ Müh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mühendisliği Dersi,
B. Yağcı
Bölüm-6
22