Kayma - dalgası hızı ile zemin etkisi belirleme

Kuvvetli yer hareketi kayıt istasyonlarındaki zemin koşullarını belirlemek için yapılan çalışmalara dayanarak, üst 30 metredeki ortalama kayma-dalgası hızının saha koşullarını tanımlamak için bir parametre olarak kullanılabileceği gözlenmiştir (Borcherdt, 1992; Anderson vd., 1996). Buna bağlı olarak, yerel zemin sınıflarını birbirinden ayırmak için üç kriter belirlenmiştir: fiziksel özellikler, üst 30 metredeki ortalama kayma-dalgası hızı ve en küçük kalınlık. Bu kriterler, zemin sınıflarının haritalama amaçları için kullanılabilecek görünen büyütme özelliklerini tanımlamaktadır (Borcherdt, 1994).

Yerel zemin koşulları, farklı bölgelerdeki deprem kuvvetlerini büyütebilir veya küçültebilir. Fakat bazen zemin büyütmesini açıklamada, karmaşık tabakalaşma özelliklerini hesaba katmak için uygun bir basitleştirme gerekebilir. Yukarıda özetlendiği gibi, zemin profilinin üst 30 metresi zemin büyütmesinde önemli rol oynamaktadır ve eşdeğer kayma-dalgası hızı (Vs30 ) zemin büyütmesini tahmin etmek için kullanılabilecek parametrelerden biridir (Joyner ve Fumal, 1984).

Bazı araştırmacılar (Rodriguez-Marek vd., 1999, 2001) ise, ortalama kayma dalgası hızı, saha davranışında ana kaya derinliğinin etkisini ihmal etmektedir. Bu araştırmacılar, deprem hareketini etkileyen üç faktör sıralamışlardır: bunlar sahanın hakim periyodu, yüzeysel ve alt tabakalarda yer alan zeminler arasındaki empedans oranı ve yer hareketinin şiddeti. Bu çalışmalarda önerilen zemin sınıflandırma sistemi iki ana ve iki tamamlayıcı parametreye dayanmaktadır. Burada ana parametreler (i) zemin türünün sert kaya, sağlam kaya, ayrışmış kaya, katı zemin, yumuşak zemin, potansiyel olarak sıvılaşabilir zemin gibi tanımları ve (ii) ana kaya derinliği veya önemli derecede empedans zıtlığı gözlenen derinliktir. Tamamlayıcı parametreler ise; (i) Holosen veya Pleistosen olarak zeminin yaşı ve (ii) ince veya kaba daneli zemin türüdür.

Farklı arazi koşullarında alınan kuvvetli yer hareketi kayıtlarının yorumlanması ile zeminin gerçek büyütme fonksiyonu hesaplanabilmektedir. Bunun için, eldeki mevcut verilerle her bir istasyondan alınan kayıtların frekans analizi yapılmıştır. Aynı deprem için, değişik zemin şartlarında alınan kayıtlarda farklı frekans, genlik ve süreler tespit edilmiştir. Örneğin, Şekil 4.11’te yakın alanda meydana gelen bir deprem (Md:5.2) sırasında, alüvyon zemindeki Sapanca (SPN) ve sert zemindeki Sakarya (SKR) ivme-ölçer istasyonları tarafından kaydedilen ivme dalga formları gösterilmiştir. Bu kayıtlar depremin iç merkezine yaklaşık 30 (SPN) ve 36 km (SKR) uzaklıkta alınmıştır. Her iki kaydın zaman serisinde görüldüğü üzere, SPN’ deki pik ivmeler SKR’nin yaklaşık iki katı mertebesinde olmuştur. Her iki sahaya ait tepki spektrumları Şekil 4.12’te verilmiştir. Açıkça görüleceği üzere, hareketlerin frekans içerikleri farklı olduğu gibi, SPN kaydı yumuşak zemin tarafından önemli ölçüde büyütülmüştür.

Aynı istasyon için farklı depremlerden alınan kayıtlarla yapılan analizlerle, o istasyon için bir baskın periyot ve büyütme değeri belirlemeye çalışılmıştır. Ancak, depremin büyüklük, kaynak, mesafe ve çevre gürültülerden kaynaklanan etkileri arındırıldıktan sonra bir yaklaşımda bulunulmalıdır. Özel bir çalışma gerektiren bu değerlendirmeler yapılmadan, sağlıklı bir sonuç alınamayacağı kanaatiyle, hesaplamalarda baskın periyot ve büyütme parametrelerine yer verilmemiştir.

Şekil 4.11. SKR ve SPN kuvvetli yer hareketi kayıt istasyonlarından kaydedilmiş ivmenin zamana göre değişimi (D-B bileşenler)

Şekil 4.12. SKR ve SPN istasyonlarından alınan ivme kayıtlarının tepki spektrumları (D-B bileşenler)

4.4.1.3. Çalışmada esas alınan zemin koşulu kriteri

Türkiye Deprem Yönetmeliği (TDY-2007), zemin koşullarını belirlemek için dört yerel zemin grubu (Tablo 4.2) ve zemin gruplarının en üst zemin tabaka kalınlıklarına göre de zemin sınıfı tanımlamıştır (Tablo 4.3). Bu çalışmada, kullanılan veri setindeki kuvvetli yer hareketi kayıt istasyonlarının bulunduğu zemin etkilerini belirlemek için, kayma-dalgası hız (VS30 ) kriteri esas alınmıştır. Benzer şekilde, bir çok araştırmacı (Boore vd., 1993, 1997; Borcherdt, 1994; Kalkan ve Gülkan, 2004; Sadigh vd., 1993; Idriss, 1991a,b; Abrahamson ve Silva, 1995, 1996) geliştirdikleri azalım ilişkilerinde zemin sınıfı için, kayma-dalgası hızı parametresine göre tanımlama yapmışlardır. Hesaplamalarında, genellikle NEHRP hükümlerinde belirtilen ve Tablo 4.4’te verilen zemin sınıflaması (BSSC, 1994) değerlerini ve kimi araştırmacılarda, USGS (1994) ve UBC (1997) sınıflamalarını (Tablo 4.5) kullanmışlardır

TDY-2007 ile uyumlu olarak, ivme-ölçer lokasyonları da dört kategoride; A: kaya, B: sert zemin, C: yumuşak zemin ve D: alüvyon olarak değerlendirilmiştir. İstasyon yerlerinde yapılan sismik deneyler, kurumların verdiği zemin sınıfı bilgileri ve arazi gözlemleri birlikte değerlendirilerek belirlenen eşdeğer kayma-dalgası hızı,

Yönetmelikteki değerlerle ilişkilendirilmiştir. Buna göre, yerel zemin koşulları için tanımlanan indeks değişkenleri, çok yumuşak zemin için; SD = 1ve SB = SC = 0, yumuşak zemin için; SC = 1ve SB = SD = 0 ve sert zemin için SB = 1ve SC = SD = 0 alınmıştır. A grubu zemini temsil eden veri sayısı çok az sayıda (13) olduğu için, A ve B grubu zeminler birlikte değerlendirilmiştir.

Tablo 4.2. 1998 Türkiye Deprem Yönetmeliği'ndeki zemin grupları

Zemin

Grubu ^{Zemin Grubu Tanımı}

Stand. Penet. (N/30) Rölatif Sıkılık (%) Serbest Basınç

Direnci (kPa) ^{Kayma Dalgası} Hızı -Vs (m/s)

A

1. Masif volkanik kayaçlar ve ayrışmamış sağlam

metamorfik kayaçlar, sert çimentolu tortul kayaçlar

- - >1000 >1000

2. Çok sıkı kum, çakıl >50 85-100 - >700 3. Sert kil ve siltli kil >32 - >400 >700

B

1. Tüf ve aglomera gibi gevşek volkanik kayaçlar, süreksizlik düzlemleri bulunan ayrışmış çimentolu tortul kayaçlar

- - 500-1000 700-1000

2. Sıkı kum, çakıl 30-50 65-85 - 400-700

3. Çok katı kil ve siltli kil 16-32 - 200-400 300-700

C

1. Yumuşak süreksizlik düzlemleri bulunan çok ayrışmış metamorfik kayaçlar ve çimentolu tortul kayaçlar

- - <500 400-700

2. Orta sıkı kum, çakıl 10-30 35-65 - 200-400 3. Katı kil ve siltli kil 8-16 - 100-200 200-300 1. Yeraltı su seviyesinin

yüksek olduğu yumuşak,

kalın alüvyon tabakaları ^{- - - <200}

D 2. Gevşek kum <10 <35 - <200

Tablo 4.3. 1998 Türkiye Deprem Yönetmeliği'ndeki yerel zemin sınıfları Yerel Zemin

Sınıfı

Tablo 4.2'e Göre Zemin Grubu ve En Üst Zemin Tabakası Kalınlığı (h1)

Z1 (A) grubu zeminler

h1 ≤ 15 m olan (B) grubu zeminler Z2 h1 > 15 m olan (B) grubu zeminler h1 ≤ 15 m olan (C) grubu zeminler Z3 15m <hı≤ 50m olan (C) grubu zeminler

h1 ≤ 10 m olan (D) grubu zeminler Z4 h1 > 50 m olan (C) grubu zeminler

h1 > 10 m olan (D) grubu zeminler Tablo 4.4. NEHRP 2000 Hükümlerindeki Zemin Sınıfları.

Zemin Sınıfı

Açıklama Üst 30 metre için ortalama Vs (m/sn) Stand.Pen. Sayısı. N veya Drenaj sız Kayma Muk. A Sert Kaya >1500 B Kaya 760 -1500 C Çok sıkı zemin ve yumuşak 360 - 760 >50 >100 D Sert zemin 180 - 360 15-50 50 - 100 E Yumuşak zemin <180 <15 <50

F 1. Sismik yüklemeler altında potansiyel çökme veya göçme duyarlılığı olan zeminler, sıvılaşabilen zeminler, hızlı ve yüksek derecede hassas killer ve zayıf çimentolanmış zeminler, vb. 2. Turbalar ve/veya yüksek derecede organik killer (H > 3 m kalınlığında turba ve/veya organik kil)

3. Çok yüksek plastisiteli killer (H > 8 m ve PI > 75) 4. Çok kalın yumuşak/orta sert killer (H > 36 m)

Burada; Vs ve N üst 30 metre için hesaplanan ortalama değerler, Nch ve Su'da üst 30 metredeki kaba daneli ve ince daneli zemin tabakaları için ortalama değerlerdir.

Tablo 4.5. Zemin sınıflamalarının karşılaştırılması 2007 Deprem Yönetmeliği* Vs (m/sn) USGS Classification** Vs (m/sn)*** NEHRP 1994 Vs (m/sn)*** UBC 1997 Vs (m/sn)*** A > 700 A ≥ 750 A ≥ 1500 > 1524 B = 300 - 700 B = 360 - 750 B = 760 - 1500 762 - 1524 C = 200 - 400 C = 180 - 360 C = 360 - 760 366 - 762 D < 200 D ≤ 180 D = 180 - 360 183 - 366 E ≤ 180 < 183

* Türkiye Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik (alt değerler), ** Boore vd., 1994,

*** Üst 30 metredeki ortalama kayma dalgası hızı,