YEREL ZEMİN ŞARTLARININ TASARIM YER HAREKETİ

YEREL ZEMİN ŞARTLARININ TASARIM YER HAREKETİ ÜZERİNDE ETKİLERİ
Mustafa KUTANİS1, Muzaffer ELMAS2
[email protected], [email protected]
Öz: Modern deprem yönetmeliklerinde, depreme dayanıklı yapı tasarımında kullanılacak
elastik tasarım ivme spektrumlarının oluşturulmasında, yerel zemin koşullarının göz
önünde bulundurulur. Çünkü, kuvvetli yer hareketi parametrelerinin –genlik, frekans, süre–
yerel zemin şartlarından etkilenmektedir. Bu etkinin sınırlarının zemin tabakalarının
malzeme ve geometrik özelliklerine ve deprem dalgasının karakteristiklerine bağlı olarak
değiştiği bilinmektedir. Bu çalışmada, kuvvetli yer hareketi parametrelerine etki eden
zemin tabaka kalınlığı, zemin sınıfı ve dinamik zemin parametreleri üzerinde sayısal analiz
yapılmıştır. Sonuçlar, büyütme oranlarının frekansla ve ivme spektrumlarının frekansla
değişimi şeklinde verilmişitir. Elde edilen sonuçlara bağlı olarak, 17 Ağustos, 1999
Marmara depremi sonrasında Adapazarı'nda ortaya çıkan hasar dağılımı açıklanmaya
çalışılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Geoteknik Deprem Mühendisliği, Zemin Büyültmesi
Giriş
Yerel olarak değişen jeolojik ve zemin şartlarının kuvvetli yer hareketleri ve deprem zararları üzerindeki etkisi uzun
yıllardır bilinmekle beraber, son yıllarda geliştirilen kuvvetli yer hareketi ölçüm cihazları ile sayısal verilerle de
ispatlanmıştır.
Depreme dayanıklı bina tasarımında kullanılacak elastik tasarım ivme spektrumlarının oluşturulmasında, yerel zemin
koşullarının göz önünde bulundurulması gereğine pek çok modern deprem yönetmeliklerinde (ATC-3-06, Eurocode 8,
Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, 1997) yer verilmiştir. Yapılan çalışmalar (Kramer, 1996;
Iida, 1998; Hayashi et al., 1999), kuvvetli yer hareketi parametrelerinin –genlik, frekans, süre– yerel zemin şartlarından
etkilendiğini göstermektedir. Bu etkinin sınırlarının zemin tabakalarının malzeme ve geometrik özelliklerine ve deprem
dalgasının karakteristiklerine bağlı olarak değiştiği teorik, aletsel ve gözleme dayalı olarak tespit edilmiştir.
Kullanılan Yöntem
Kuvvetli yer hareketleri üzerinde yerel zemin şartlarının etkisi teorik-analitik çözümlerle de desteklenmiştir. Genellikle,
ana kayadan yeryüzüne yaklaştıkça, zemin ortamlarının yoğunluğu ve kayma dalgası hızı düşer. Deprem dalgalarının
saçılma etkisi ve malzeme sönümü ihmal edilirse, elastik dalga enerjisinin korunumuna göre, sismik dalga genlikleri,
genellikle sediment ortamlarda, düşük kütle yoğunluğu ve düşük sismik hızlardan dolayı oldukça büyür.
Yerel zemin şartlarının diğer bir karakteristiği, yer hareketini büyültme etkisidir. Bu özelliği ortaya koymak amacıyla,
SHAKE (Schnabel et al. 1972) programı ile yapılan bir çalışma yapılmıştır. Şekil 1 de verilen, geometrik özellikleri
aynı, zemin kayma dalgası hızları farklı, lineer elastik zemin profillerine ait büyültme fonksiyonlarının frekansa bağlı
olarak değişimi incelenmiştir.. Burada, sert zeminler anakaya hareketini yüksek frekanslarda büyültürken, yumuşak
zeminler düşük frekanslarda büyüttüğü; A sahası maksimum büyültme faktörü 2.40 Hz’te 10.25, B sahası maksimum
büyültme faktörü 10.0 Hz te 4.19 ve C sahası maksimum büyültme faktörü 15.3 Hz te 2.84 değerlerini aldığı
görülmüştür. Sonuç olarak, anakaya hareketinin zemin yüzeyindeki etkilerinin farklı rijitlikteki zemin ortamları
tarafından değiştirilebileceği anlaşılmıştır.
1
Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Müh. Böl. Adapazari
1208
12 m
ρ=1.8 t/m3
ξ=0.10
A sahası Vs=125 m/s
B sahası Vs=500 m/s
C sahası Vs=750 m/s
Anakaya
Şekil 1. Rijit Taban Kayası Üzerinde Yer Alan Zemin Profilleri
Laboratuar çalışmalarda (Dobry and Vucetic, 1991) zemin rijitliğinin; devirli birim şekil değiştirme genliğine, boşluk
oranına, asal eksensel etkili gerilmesine, plastisite indisine, aşırı konsolidasyon oranına ve yükleme devir sayısına bağlı
olarak değiştiği gözlenmiştir. Kayma modülü, düşük değerdeki birim şekil değiştirme genliklerinde yüksek değerler
alırken, artan birim şekil değiştirme genliği değerleri ile azalma gösterir. Histeritik döngü üzerindeki bu gezinme iskelet
eğrisini oluşturur (Şekil 4a). Tablo 1 de, değişik faktörlerin Gmax, Gmax/G ve Sönüm oranı ξ üzerindeki etkileri
özetlenmiştir.
Tablo 1 Konsolide Killerin Gmax, G/Gmax, ve Sönüm Oranını Değerlerini Etkileyen Faktörler (Vucetic and Dobry, 1991)
Değerleri Artan Faktörler
Gmax
G/Gmax
ξ
Çevresel basınç
Artar
Sabit kalır veya artar Sabit kalır veya düşer
Boşluk oranı
Düşer
Artar
Düşer
Jeolojik yaş
Artar
Artar
Düşer
Çimentolaşma
Artar
Artar
Düşer
OCR
Artar
Etkilenmez
Etkilenmez
Plastisite indisi
OCR>1 ise artar;
Artar
Düşer
OCR=1 ise sabit kalır
Devirli birim şekil değiştirme ─
Düşer
Artar
Birim şekil değiştirme
Artar
Etkilenmez
Sabit kalır veya artar
Yükleme sayısı
Düşer
Düşer
Etkilenmez
Sonuç
Yapılan çalışmada, yerel zemin şartlarının sismik davranışını etkileyen faktörlerden zemin tabaka kalınlığı ile ilgili
olarak, zemin tabaka kalınlığı arttıkça zemin büyültmesinin düşük oranlarda azaldığı, ancak zemin hakim periyodunun
büyük oranlarda artma eğilimini gösterdiği anlaşılmıştır. Kalınlık arttıkça, ortamın zemin hakim periyodunda uzama,
spektral ivme değerlerinde ise azalma görülmektedir. Yapılan çalışmalar, zemin plastisite indisinin (PI), yerel zemin
şartlarının sismik davranışının değerlendirilmesinde en önemli parametreler konumunda olan G/Gmax ve sönüm oranları
üzerinde çok önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Zemin plastisite indisi arttıkça, sönüm oranı azalırken,
G/Gmax oranı yüksek değerler alır. Yapılan deneysel çalışmalar ve deprem kayıtları, bu tür durumlarda zemin malzeme
davranışının lineer davranışa yaklaştığını göstermektedir (Vucetic and Dobry, 1991).
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
6.
AVILÉS, J., and PÉREZ-ROCHA, L.E., 1998a, “Effects of Foundation Embedment During Building-Soil
Interaction”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 27, No. 12, pp. 1523-1540.
HANAZATO, T., WATABE, M., THEOFANOPOULOS, N., TOHDO, M., SATOH, A., SHINADA, S., and
MINAMIGUCHI, C., 1988, “A Study on Earthquake Ground Motions During the Mexican Earthquake of
September 19, 1985”, Proceedings. of Ninth World Conference on Earthquake Engineering, Vol. II, pp. 501-506,
Kyoto, JAPAN, August 2-9.
HAYASHI, H., TAMURA, K., MORI, M., and TAKAHASHI, I., 1999, “Simulation Analyses of Buildings
Damaged in the 1995 Kobe, Japan, Earthquake Considering Soil-Structure Interaction”, Earthquake Engineering
and Structural Dynamics, Vol. 28, pp. 371-391.
IIDA, M., 1998, “Three Dimensional Non-Linear Soil-Building Interaction Analysis in Lakebed Zone of Mexico
City during the Hypothetical Guerrero Earthquake”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 27, pp.
1483-1502.
KRAMER, S.L., 1996,”Geotechnical Earthquake Engineering”, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ.
KUTANİS, M., 2001,”Yapı-Zemin Dinamik Etkileşimi“, Doktora Tezi, SAÜ FBE, Sakarya.
1209
7.
8.
9.
PYKE, R., 1979, “Nonlinear Soil Models for Irregular Cyclic Loadings”, Journal of the Geotechnical Engineering
Division, Vol. 105, No. GT6, pp. 715-725, 1979.
SCHNABEL, P.B., LYSMER, and J., SEED, H.B., 1972, “SHAKE, A Computer Program for Earthquake Analysis
of Horizontally Layered Sites”, Report No. EERC 72/12, College of Engineering, University of California,
Berkeley, CA.
YANG, J., SATO, T., and LI, X.S. 2000, “Seismic Amplification at Soft Soil Site with Liquefiable Layer”, Journal
of Earthquake Engineering, Vol. 4, No. 1, pp. 1-23.
1210