SİSMİK MİKROBÖLGELEME ÇALIŞMALARINDA CBS (COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMİ) KULLANIM YÖNTEMİ

SİSMİK MİKROBÖLGELEME ÇALIŞMALARINDA CBS (COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMİ) KULLANIM YÖNTEMİ

Ergin ULUTA޹, Taciser ÇETİNOL¹, İ.Talih GÜVEN¹,Berna TUNǹ, T.Serkan IRMAK¹, Süleyman TUNǹ,Deniz ÇAKA¹, Metin AŞÇI¹, Mithat Fırat ÖZER¹

http://yubam.kou.edu.tr

Anahtar Kelimeler: Coğrafi Bilgi Sistemi, Sismik Mikrobölgeleme, Zemin Büyütmesi, Toprak Kayması, Sıvılaşma, Fay Boyunca Enerji Yönlenmesi.

CBS (Coğrafi Bilgi Sistemi) yeryüzünde coğrafya ile ilişkilendirilecek her tür veriyi haritalamaya ve konumsal veriler arasında ilişki kurmaya yönelik bir bilgi sistemidir. Bu sistemler çok miktarda konumsal ve tablosal veri biriktirme, üzerinde değişiklikler yapabilme, bu verilere yönelik istatistiksel çözümleme ve gösterebilme özelliğine sahiptir. CBS ile sistem harici bir program ve yüksek seviyeli bir veri tabanı sistemi ile bağlantı kurulabilir. Bütün bu özellikleri ile CBS, diğer bilgi sistemlerinden ayrılır ve sonuçların kolay ve hızlı algılanması açısından da diğer sistemlere göre üstünlük sağlar. CBS kapsamlı bir bölgesel sismik bölgeleme, tehlike ve risk çalışmaları içinde ideal bir ortam oluşturur. Sistem sismik mikrobölgelemeye yönelik her bir adımın birbirinden bağımsız ele alınarak birleştirilmesinde kullanılabilir. Kapsamlı bir sismik mikrobölgeleme çalışmasında pek çok faktörün etkisi birleştirilmelidir. Bu faktörlerin her biri konumsal ve tablosal verilerin modellemesini ve çözümlemesini kapsar.

Bu çalışma ile çoklu tehlike çözümlemesi (multi-hazard analysis) ve mikro bölgeleme çalışmalarında CBS’nin nasıl kullanılacağı her bir etkinin ağırlıklarının birbirine göre hangi oranda olacağı anlatılmaktadır. Çoklu tehlike çözümlemesi sözcüğü, depremin oluşturduğu sarsıntı ile birlikte zemin büyütmesi, toprak kayması, eğim, sıvılaşma ve var olan faylar boyunca enerji yönlenmesi gibi ikinci dereceden etkilerin birlikte değerlendirilmesinden dolayı kullanılmaktadır.

Giriş

Tüm dünya genelinde son yıllarda depremlerin yukarda açıklanan etkilerini azaltmak amacıyla güvenli yerleşim alanlarının tespiti ve yapılaşmada her bölgeye uygun bina tasarımları oluşturmak için sismik mikrobölgeleme çalışmaları kullanılmaktadır. Bu çalışmalar bir bölgedeki deprem tehlikesi ile belirlenecek olan yerleşime uygunluk ve arazi kullanım ilkeleri için etkin bir yaklaşımdır. Sismik mikrobölgeleme çalışmalarındaki en önemli nokta deprem tehlikesini belirlemeye yönelik farklı etkilerin nasıl birleştirileceği ve her bir etkinin ağırlıklarının birbirine göre hangi oranda olacağıdır. Bu işlemlerin gerçekleştirilmesine yönelik kapsamlı bir sismik tehlike ve sismik mikrobölgeleme çalışmaları için için ideal bir ortam oluşturan Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) kullanılır.

CBS ile Sismik Tehlike Çözümlemesi

Bölgesel sismik tehlike çözümlemelerinin amacı gelecekte oluşabilecek bir depreme bağlı olarak depremden en fazla etkilenecek, potansiyel hasar ve kayıpların olabileceği alanların belirlenmesidir. Bu çözümlemeler farklı tür etki oluşturabilecek bilgilerin birleştirilmesi temeline dayanır. Bu bilgiler temelde birbirlerinden bağımsız ele alınarak birleştirilmelidir. Bir bölge için CBS ile sismik tehlike çözümlemesi için gerekli adımlar şöyledir (King ve Kiremidjian, 1994)

• Sismik kaynakların belirlenmesi

• Sismik kaynaklardaki deprem oluşumlarının modellenmesi

• İnceleme alanı (potansiyel tehlike alanı) ve sismik kaynaklar arasındaki yer hareketi azalım ilişkilerinin belirlenmesi

• Yüzey faylanması, toprak kayması, sıvılaşma ve zemin büyütmesi gibi yerel etkilerin belirlenmesi Sismik Kaynakların Belirlenmesi

Bölgesel sismik tehlike çözümlemelerindeki ilk adım bir bölgeyi etkileyebilecek potansiyel sismik kaynakların

deprem oluşturan kaynaklardır. Genellikle bu tür kaynaklar nadirdirler. Çizgisel kaynaklar, genellikle doğrusal bir çizgi şeklinde üzerinde deprem dışmerkezlerinin bulunduğu fayları gösteren kaynaklardır. Yüksek depremselliğe sahip ancak tam olarak ayrıntıda çizgi ya da nokta olarak tanımlanamayan kaynaklar tipik olarak alansal kaynak olarak modellenir.

Sismik Kaynaklarda Deprem Oluşumları

Tehlike çözümlemesindeki ikinci adım her bir sismik kaynaktaki deprem oluşumlarının belirlenmesidir. Deprem oluşumlarını modellemek için deterministik veya olasılıksal (probabilistik) çözümlemeler kullanılır. Deterministik modelde gelecekte oluşacak bir depremin dışmerkez, büyüklük ve oluşum zamanı tahmin edilir. Burada senaryo deprem bölgedeki sismik etkinliğe bağlı olrak daha önce oluşan depremlerin tekrarı olabilir. Başka bir deyişle tekrar edeceği düşünülen deprem bölgeyi etkileyebilecek sismik kaynaklarda oluşabilecek en büyük magnitüdlü depremdir. Olasılıksal model ise depremlerin zaman, uzay ve büyüklük boyutundaki dağılımlarının, uzaklık-kuvvetli yer hareketi azalım ilişkisi modelleriyle sentez edilerek, ilgilenilen bir peryod için belirlenen bir yer hareketi değerini aşma olasılığı olarak açıklanır (Reiter 1990).

Yer Hareketi-Uzaklık Azalım İlişkilerinin Belirlenmesi

Yerel Bölgesel sismik tehlike çözümlemesi için olasılıksal veya deterministik modelin seçilmesinden sonraki adım ana kayadaki (rock) yer hareketinin belirlenmesidir. Bunun belirlenmesindeki en yaygın yöntem deneysel ivme-uzaklık azalım ilişkileridir. Bu ilişkiler bir depremin büyüklük ve dışmerkezinin ya da iç merkezinin bir fonksiyonu olarak yer hareketi etkisini açıklamaktadır. Bir bölge içinde kaydedilen ivme verilerine istatistiksel regresyon çözümlemeleri yapılarak çeşitli azalım ilişkileri geliştirlmiştir (Campell,1985). Bu ilişkiler farklı zemin koşulları, uzaklık, magnitüd ve yer hareketi tanımlamalarına bağlı olarak farklı fonksiyonel biçimlerde geliştirlmişlerdir. CBS ile sismik tehlike çözümlemelerinde zemin etkisinin ayrı bir katman olarak tanımlanması amacıyla yer hareketi azalım ilişkileri sadece tek bir zemin türüne ait kayıtlar kullanılarak belirlenir. Bu tür işlemlerde genellikle zemin büyütmesinin olmadığı ya da çok az olduğu kaya zeminler kullanılır

Yerel Zemin Etkilerinin Belirlenmesi

Yerel jeolojik zemin yapısının sismik hareketin karakterini değiştirdiği ve bu zeminler üzerinde kurulu insan yapımı yapılar üzerinde hasara sebep olabileceği çok iyi bilinmektedir (Borcherd, 1990). Yerel zemin etkileri zemin büyütmesi, sıvılaşma, toprak kayması ve yüzey faylanması olarak tanımlanır. Bölgesel sismik tehlike çözümlemelerinde en çok kullanılan yerel zemin etkisi zemin büyütmesidir. Yerel zemin şartlarının özelliklerine bağlı olarak ana kayada ölçülen bir yer hareketinin, yeryüzeyindeki değerini belirlemek için çeşitli zemin büyütme etkisi modelleri vardır. Bu modeller kuvvetli yer hareketi değerlerinin zemine bağlı değişimini gösteren modellerden, doğrusal olmayan dinamik zemin tepkisi temeline oturtulan yer hareketi değerinin zemine bağlı değişimini gösteren karmaşık yöntemlere kadar çeşitlendirilebilir (King ve Kiremidjian, 1994). İkincil yerel zemin etkileri, sıvılaşma, toprak kayması, ve yüzey faylanmasının belirlenmesi ve modellenmesi zemin büyütmesinin belirlenmesine göre çok daha zordur. Bu nedenle çoğu mikrobölgeleme çalışmasında bu tür etkiler, “yüksek”, “orta” ve “düşük” gibi tehlike kriterleri ile araştırmacı tarafından çalışmaya aktarılabilir (Kremidjian,1992).

CBS Tabanlı Sismik Tehlike Belirlenmesine Yönelik Kuramsal Örnek

Bu çalışmada hazırlanan kuramsal örnek, CBS tabanlı sismik tehlike integrasyon yöntemini tanımlamada yukardaki paragraflarda anlatılan yöntemlere uygun olarak basitleştirilmiş yaklaşımları içermektedir. Bu basitleştirilmiş yaklaşımlar, rastgele tasarlanmış küçük bir bölge için gerçeğe uygun jeolojik, jeofiziksel ve geoteknik bilgi kullanılarak CBS tabanlı sismik tehlike çözümlemesi için yapılmıştır. Örnek uygulamada sismik tehlike integrasyon yönrtemine uygun olarak her bir katman için kullanılan ağırlıklar King ve Kiremidjian (1994) tarafından önerilen yöntem ve ağırlıklardır (Çizelge 1). Daha önce anlatılan CBS tabanlı sismik tehlike integrasyon yöntemine uygun olarak Çizelge 2’de maddeler halinde örnek uygulama şeklinde CBS ile sismik tehlike çözümlemesi verilmiştir.

Tablo1. Sismik Tehlike Çözümlemesi İçin Kullanılan Tehlike Etkileri ve Kuramsal Ağırlıklar.

Olası Sismik Tehlike Etkileri CBS’de kullanılan ağırlıklar

Yer Sarsıntısı IST=IYS

Yer Sarsıntısı + Sıvılaşma IST=0.55IYS+0.45ISZ+0.5 Yer Sarsıntısı + Yüzey Faylanması IST=0.60IYS+0.40IYF+0.5 Yer Sarsıntısı + Toprak Kayması IST=0.65IYS+0.35ITK+0.5 Yer Sarsıntısı +Sıvılaşma+

Yüzey faylanması IST=0.40IYS+0.30ISZ+0.30ITK+1.0 Yer Sarsıntısı +Sıvılaşma+

Toprak Kayması IST=0.40IYS+0.35ISZ+0.25ITK+1.0 Yer Sarsıntısı+Yüzey Faylanması+

Toprak Kayması IST=I0.45YS+0.30IYF+0.25ITK+1.0 Yer Sarsıntısı +Sıvılaşma+

Yüzey faylanması+Toprak Kayması

IST=0.30IYS+0.25IYF+0.25ITK+0.20ITK+1.

5 IST=Şiddet ölçeğinde sismik tehlike IYS= Şiddet ölçeğinde Yer sarsıntısı ISZ= Şiddet ölçeğinde Zemin Sıvılaşması

IYF= Şiddet ölçeğinde Yüzey Faylanması

ıTK= Şiddet ölçeğinde Toprak Kayması

Tablo 2. CBS tabanlı sismik tehlike integrasyon yöntemine yönelik kuramsal örnek

a CBS tabanlı sismik tehlike çözümlemesi için

örnek uygulama alanı, bu alandan geçen aktif fay ve sismik tehlike etkisi altında bulunan yerleşim alanı.

b Olasılıksal deprem tehlikesi çözümlemesi

(ODTÇ) ile belirlenen kaya zemin için pik kuvvetli yer hareketi dağılımı (PYİ).

ODTÇ ile belirlenen değerler; bölgeyi etkileyen sismik kaynaklar, bu kaynaklardaki deprem tekrarlamaları ve kuvvetli yer hareketi uzaklık azalım ilişkisi kullanılarak elde edilir.

c Bölgeye ait zemin büyütme katsayıları.

Bu değerler jeolojik, jeofiziksel ve geoteknik bilgi kullanılarak belirlenebilir.

d b’deki kaya zemin için PYİ değerlerinin,

c’deki zemin büyütme değerleri ile çarpılarak elde edilen PYİ dağılımı.

e Çalışma alanına ait şiddet dağılımı,

d’deki PYİ dağılımın, Mercalli Şiddet Ölçeğine göre düzenlenmiş şeklidir. Bu örnek uygulamada, dönüşüm bağıntısı olarak

) I ( . .

) PYİ

log( =0014+03

kullanılmıştır (Trifunac ve Brady, 1975).

Burada, I, Mercalli Şiddet birimidir. Bu dönüşümdeki amaç yapısal hasarların ve kayıpların bir göstergesi olarak kullanılan Mercalli şiddet ölçeğinden yararlanarak, sismik tehlike ile ilişkili sismik riskin belirlenmesini sağlamaktır.

f Yerleşim alanını etkileyebilecek fay etrafında

oluşturulan 100m ve 200m’lik tampon bölgeler.

Tampon bölgelerin tanımlanması yüzey faylanmasından kaynaklanabilecek sismik tehlikenin belirlenmesinde gerekli kuramsal bir yoldur.

g Yüzey faylanmasından kaynaklanan sismik

tehlikenin belirlenmesi için aşağıdaki kuramsal yollar izlenir.

100m tampon bölge içinde yeralan alan için, IYF=IYS+2

200m tampon bölge içinde yeralan alan için, IYF=IYS+1

Her iki durumun dışında kalan alan için, IYF=0

Bu harita CBS ortamında e’nin üzerine f’nin çakıştırılmasıyla oluşturulmuştur

h Çalışma alanı içinde yeralan sıvılaşmaya uygun zeminler. Bu zeminler jeolojik, jeofizik ve geoteknik yöntemler kullanılarak belirlenebilir.

i Sıvılaşmadan kaynaklanan sismik tehlikenin

belirlenmesi için aşağıdaki kuramsal yollar izlenir.

Sıvılaşabilir zeminler için ISZ =IYS+2

Sıvılaşmayan zeminler için ISZ =0

Bu harita CBS ortamında e’nin üzerine h’nin çakıştırılmasıyla oluşturulmuştur.

j Çalışma alanına ait toprak kayması olasılığı

olan alanlar. Bu alanlar toprak kayması potansiyeline göre çok düşük, düşük, orta ve yüksek olasılıklı alan olarak sınıflandırılabilirler. Bu alanların belirlenmesinde başta eğim olmak üzere yerel zemin koşulları, faylara olan yakınlık, topografya kullanılabilir.

k Toprak kaymasından kaynaklanan sismik

tehlikenin belirlenmesi için aşağıdaki kuramsal yollar izlenir.

Yüksek derecede heyelan olasılığına sahip alanlar için

ITK =IYS+2

Orta derecede heyelan olasılığına sahip alanlar için

ITK = IYS +1

Heyelan olasılığı düşük ve çok düşük alanlar için

ITK =0

Bu harita CBS ortamında e’nin üzerine j’nin çakıştırılmasıyla oluşturulmuştur.

l Örnek inceleme alanına ait, yer sarsıntısı

etkisi, zemin sıvılaşması etkisi, toprak kayması etkisi ve yüzey faylanması etkisinin CBS ile oluşturulan Sismik Mikrobölgeleme Haritası. Bu harita e,f,i ve k’nın King ve Kiremidjian (1994) ağırlık katsayıları kullanılarak CBS ortamında çakıştırılması (overlay) ile oluşturulmuştur. .

Bu çalışmada bölgesel yer etkileri; zemin büyütmesi, zemin sıvılaşması, toprak kayması ve yüzey faylanması gibi sismik tehlike unsurlarına olasılıksal deprem tehlikesi çözümlemesini de katarak, CBS tabanlı Sismik Mikrobölgeleme için kuramsal örnek oluşturulmuştur. Bu kuramsal örnek ile farklı yer etkileri ağırlıklarına göre CBS’de değerlendirilmişdir. Bir bölgede depremle birlikte hasar oluştuğunda genellikle bölgesel yer etkilerine göre hasarın kaynağını tam olarak ayırmak oldukça güçtür. Bu nedenle bir bölgeye ait sismik mikrobölgeleme çalışmaları, her bir etki ile ilgili tehlikenin ağırlıkları oranında birleştirilmesi temeline dayandırılmalıdır. Bu yaklaşım ile CBS kullanılarak yapılan sismik mikrobölgeleme çalışmaları, ayrıntıda her bir etkinin hesaba katılması açısından sismik tehlikeye yönelik diğer çalışmalara göre üstünlük sağlar. Her bir etkinin sonuçta tek bir veri tabanında depolanması, istenildiğinde farklı yer etkilerine hızlı erişim, sonuç haritaların farklı projeksiyon sistemlerine kolayca dönüştürülmesi ve inceleme alanındaki her bir küçük alanda sorgulama yapılabilmesi gibi özellikler de CBS ile sismik mikrobölgeleme çalışmalarının üstün yönlerinden bazılarıdır.

KAYNAKLAR

1. Campell, K. W., 1985. Strong motion attenuation relations: a ten year perspective, Earthquake Spectra,1, 759- 803.

2. Borcherdt, R.D. 1990. Influence of Local Geology in the San Francisco Bay Region California on Ground Motions Generated by the Loma Prieta Earthquake of Octaber 17, 1989. Proceedings of International Symposium on Safety of Urban Life and Facilities. Tokyo, Japan. Novamber 1-2, 1990, pp.1-35.

3. King, A.S., and Kremidjian, S.A. 1994. Regional Seismic Hazard abd Risk Analysis Through Geographic Information Systems, The John A. Blume Earhquake Engineerin Center, Repor No:111.

4. Kremidjian, S.A. 1992. Methods for Regional Damage Estimation. Proceedings of the 10^th World Conference on Earthquake Engineering. Madrid, Spain. July 19-24.

5. Reiter, L., 1990. Eartkquake Hazard Analysis-Issues and Insights, Columbia University Presss, Newyork, 254pp.

6. Trifunac, M.D., and Brady, A.G. 1975. On the Correlation of seismic Intensity with Peaks of Recorded Strong Ground Motion. Bulletin of the Seismological Society of America, Volume 65. Number 1, pp. 139-162.

7. Vasudevan, R., Kremidjian, S.A., Howard H.C. 1992. An Integrated Inventory Methodology for Seismic Damage Assessment. The John A. Blume Earhquake Engineerin Center, Repor No:102. Department of Civil Engineering, Stanford University, Stanford, California.