İZMİR METROPOL ALANINDA ZEMİN TRANSFER FONKSİYONU HESAPLAMALARINA YÖNELİK YAPILAN MÜHENDİSLİK ANA KAYASI VE ZEMİN AYRIMLILIĞI ARAŞTIRMALARI

Transkript

1 İZMİR METROPOL ALANINDA ZEMİN TRANSFER FONKSİYONU HESAPLAMALARINA YÖNELİK YAPILAN MÜHENDİSLİK ANA KAYASI VE ZEMİN AYRIMLILIĞI ARAŞTIRMALARI ÖZET: M. Akgün 1, T. Gönenç 2, O. Pamukçu 1, ve Ö.C. Özdağ 3 1 Doçent Doktor, Jeofizik Müh. Bölümü, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 2 Doktor, Jeofizik Müh. Bölümü, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 3 Jeofizik Müh. Bölümü, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir mustafa.akgun@deu.edu.tr Depremler can ve mal güvenliğimizi doğrudan ilgilendiren en önemli doğal afetlerden birisi olarak ülkemizin tamamını tehdit etmektedir. Bu doğal afetin oluşmasını engelleyemeyeceğimiz aşikardır. Depremleri en az hasarla atlatabilmemiz, can ve mal güvenliğimizi sağlamamız depreme dayanıklı yapı tasarımları ile mümkündür. Depreme dayanıklı yapı tasarımında; yapının yer alacağı zemin ile yapının ilişkisinin kurulması ve en önemli yıkıcı etkilerden birisi olan pik deprem yatay ivmelerinin (PGA) doğru bir şekilde hesaplanması gerekliliği kaçınılmazdır. Mühendislik anakayasının jeolojik olarak yapı yapılacak zemin için tanımlanıp, jeolojik ve jeofizik ölçümlerle rijitlik, S dalga hızı, zemin ile mühendislik anakayası arayüzey topoğrafyası, mühendislik anakayası ile yapının yer alacağı alan arasındaki zemin tabakalarının kalınlıkları ve bu tabakaların S dalga hızlarının belirlenmesi deprem yatay pik ivmelerinin hesaplanmasında elde edilmesi gereken parametrelerdir. Bu çalışmada, deprem yatay pik ivmelerinin doğru bir şekilde hesaplanması için oldukça önemli olan bu parametrelerin tespit edilmesinde kullanılan jeofizik yöntemler (Yüzey Dalgalarının Çok Kanallı Analizi Yöntemi, Uzaysal Özilişki Yöntemi, Aşağı Kuyu İçi Sismik Yöntem, Mikrogravite, Özdirenç Tomografi ve Düşey Elektrik Sondajı) ve Yeni Kent Merkezi-İzmir den örnekler yer almaktadır. ANAHTAR KELİMELER: Mühendislik anakayası, uzaysal özilişki yöntemi, aşağı kuyu içi sismik yöntem, mikrogravite, İzmir, depreme dayanıklı yapı tasarımı. 1. GİRİŞ Deprem mühendisliğinin temel tanımlarından bilindiği gibi, deprem dalgaları mühendislik ana kayası ile ile zemin yüzeyi arasında kalan katmanların arasında seyahat ederken bazı parametrelerini değiştirir. Bu parametreler arasında en önemlileri depremin süresi, frekans içeriği ve genliklerinde oluşan değişimlerdir. Bu değişimler mühendislik ana kayasının sıkılığı ve derinliği ile zemini oluşturan tabakalarının P ve S Hızı değerleri, yoğunlukları ve tabaka kalınlıkları kullanılarak tanımlanabilir. Depreme dayanıklı yapı tasarımında pratik bir yol sağlanması amacıyla, bu değişimler ortalama 30 m derinlik için Eurocode 8 yönetmeliğinde tanımlanmıştır. Aynı yönetmelik bazı durumlarda özellikle zemin 30 m. den kalın ve/veya S-Hızı değerleri m/sn den daha küçük olduğu koşullarda yerinde tasarım tanımını kullanmaktadır. Bunun anlamı bazı koşullarda mühendislik ana kayası ile zemin yüzeyi arasında kalan tabakaların ortak etkisini tanımlayacak olan zemin transfer fonksiyonunun hesaplanmasının gerekir olacaktır. Zemin transfer fonksiyonu hangi derinlikten itibaren deprem dalgasının etkileneceği hakkında bize ayrıntılı bilgiler verir. Zemin transfer fonksiyonunu oluşturmak için yapılacak kuramsal çalışmalarda, önce çalışılacak bölge için mühendislik ana kayası ve zemin tanımlarının yapılması gerekir. Ayrıca, mühendislik ana kayasının rijitliği 1

2 hakkıında karar verebilmek için çalışma alanında hangi jeolojik birimin mühendislik ana kayası olabileceği ve bu katmanın sıkılığı ile zemin yüzeyinden olan derinliğinin in-situ (yerinde yapılacak) çalışmalarla araştırılıp tanımlanması gerekir (Şekil 1). Deprem dalgalarının odaklanma ve tekrarlı yansımalar etkilerininde tanımlanması için mühendislik ana kayası ile zemin arasındaki ara yüzeyinin topografyası ile zemin içinde S- Hızları ve yoğunluk farkları yüksek olabilecek küçük ölçekli merceksi yapılar ve ince katmanlarında araştırılması gerekir. Bir çok araştırmacı tarafından geçmiş deprem hasarları ile ilgili yapılan çalışmalar sonucu depreme dayanıklı yapı tasarımında zemin yüzeyindeki yanal yönlü deprem ivmesi ve spektrumun şeklinin önemli olduğu saptanmıştır. Bu yaşanmış gerçeklere karşın, mevcut deprem yönetmeliklerinde (NEHRP 2005; Ansal 2004) zemin tanımlanırken 30 m derinlik temel alınmaktadır. Bunun anlamı 30 m. derinlikten sonra ya mühendislik ana kayasına girildiği (S-Hızı değeri> 700 m/sn) veya bu derinlikten sonra zemin dinamik yapısın değişmediği yani S-Hızı değerlerinin değişmediğinin kabul edildiğidir (NEHRP 2005; Kramer 1996). Bunun anlamı deprem dalgaları zemin yüzeyinden itibaren 30 m. derinlik içinde değişim göstermektedir. Daha derindeki zemin özelliklerinden etkilenmediğidir. Bu aşamada kendimize şu soruyu sormak gerekir. Doğa bu kadar basit yollarla, varsayımlarla modellenip tanımlanabilir mi?. Hem de geçmişte depreme bağlı can ve mal kayıpları yaşanmasına rağmen. Mühendislik ana kayası araştırmalarında, genel olarak S-Hızı değerinin >700 m/sn sonraki seviyeler mühendislik ana kayası olarak tanımlanır (Şekil 1). Ayrıca, bu tanımın geçerli olabilmesi için bu seviyenin altında S-Hızı değerinin 700 m/sn den düşük olmaması ve bu hız değerinin artarak devam etmesi gerekir. Bu tanımlardan hareket edersek bu hız değerlerine sahip ortamın hem düşük gözenekli hem de su içeriğinin çok çok az olması gerekir. Bu koşulun sağlandığı derinliğe kadar mevcut katmanların P ve S dalga hızları, kalınlık ve yoğunluk değerlerinden oluşan değerler düşey yönlü zemin profili olarak kabul edilir. Geçmiş çalışmalar göstermiştirki zemin ve mühendislik ana kayası ile zemin büyütmesi arasındaki ilişkisinin kurulabilmesi için hem S-Hızı değeri>700 m/sn koşulunun araştırılması hem de zemin profilini oluşturan katmanların P, S dalga hızı değerleri ile kalınlıkları ve yoğunluklarının in-situ çalışmalarla saptanması gerekir (Şekil 2) (Nath 2007). Ayrıca özdirenç değişimleri ile dolaylı olarak ortamın su içeriği ve gözenek miktarı hakkında destekleyici bilgiler sağlanabilir (Tablo 1). In-situ çalışmalar içeriğinde ve düşey yönde, mühendislik ana kayasına kadar olan P ve S Hız değerlerine dayalı zemin profilini tanımlamak için jeofizik yöntemler kullanılarak araştırmalar yapılır. Bu tür çalışmalarda mühendislik ana kayası derinliği ile P ve S Hız profilini doğrudan elde etmek için aktif veya pasif kaynaklı yüzey dalgası yöntemleri (örn. çok kanallı yüzey dalgaları analizi (MASW), ReMi), Sismik Kırılma, Sismik Yansıma ile Kuyu içi Sismik (örn. Down-Hole, Up-Hole, Cross-Hole, full wave sonic log, PS Logging...) başarılı sonuçlar vermektedir. Tüm bu yöntemlerin sonuçları yoğunluk farkı ve S-Hızı farkları ile ilişkilidir. Bu nedenle mikrogravite yönteminin MASW yöntemi ve mikrotremor yöntemleri ile birlikte mühendislik ve sismik anakaya araştırmalarında, zemin ara yüzeyi topoğrafyası tanımlamalarında ve zemin modellerinin oluşturulmasında birlikte uygulanması daha uygundur (Xu ve Butt 2006; Crice 2005; Koichi vd. 2005). Yeni Kent Merkezi-İzmir alanında yapılacak jeofizik çalışmalarla mühendislik ana kayası-zemin modeli tanımlanacaktır. Jeofizik çalışmalarda mikrogravite, MASW, mikrotremor, SPAC, özdirenç tomografi ve düşey elektrik sondaj ile down-hole kuyu içi sismik yöntemleri kullanılacaktır. Ayrıca derin amaçlı açılmış zemin sondaj logları ile de sonuçlar denetlenecektir. 2

3 2. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Şekil 1. Mühendislik-Sismik Ana Kayası ve Zemin Kuramsal Tanımı (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) Şekil 2. Zemin Transfer Fonksiyon Kuramsal Hesabı (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) 3

4 Tablo 1. İngiliz standartlarına (BS 1016) göre gerçek özdirenç-korozyon sınıflaması (Bozkurt ve Kurtuluş 2009) Gerçek Özdirenç (Ohm.m) Korozyon <10 Yüksek korozif Orta korozif 100< Düşük korozif 2. UYGULAMA Hem İzmir Metropol Alanı içinde hem de zeminin kalın olduğu tahmin edilen çalışma alanında mühendislik ana kayası ile zemin modelinin araştırılmasına yönelik jeofizik çalışmalar yapılmıştır. Toplam 39 noktada (Şekil 3) Geometrics Geode marka 24 kanallı sismometre ile yapılan MASW çalışması sonucu elde edilen S-Hızı değerlerinden 40 m. seviye için S-Hızı dağılım haritası hazırlanmıştır. Mühendislik ana kayası tanımına göre bu derinliğe kadar izlenen S dalgası hız değerleri (Vs<300 m/sn) mühendislik ana kayası özelliklerinin bulunmadığını göstermektedir (Şekil 4). Şekil 3. Jeofizik Çalışma Noktaları ve Profilleri (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) 4

5 2. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Şekil 4. MASW Çalışması S-Dalga Hızı 40 m Seviye Haritası (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) Toplam 58 noktada Nakamura tek istasyon yöntemi ile yapılan mikrotremor ölçümlerinde (Şekil 3) CMG-6TD hız ölçer kullanılmıştır. Şekil 5 te tanımlanan hakim genlik-periyot harita Nakamura (1989) spektral oran yöntemi ile elde edilmiştir. Çalışma alanında, hakim periyot değerleri 1.0s den büyük olduğu olduğu için Kubotera ve Otsuka (1970), Teves-Costa vd. (1996) yaklaşımlarına göre kalın bir zemin tabakası hakimdir. Şekil 5. Hakim periyot dağılım haritası (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) 5

6 Down-hole ölçü alma tekniği ile alınan kuyu içi sismik ölçüsü 90 m. derinlikli 1 kuyuda yapılmıştır (Şekil 3). Ölçümlerde Geostuff BHG-3 (3 bileşenli jeofon) ve enerji kaynağı olarak 100 librelik ivmeli hidrolik balyoz kullanılmıştır. İlk varışlardan elde edilen S-Hızı-Derinlik kesiti Şekil 6 da verilmiştir. S dalga hızı değişimleri 80 m. derinlikten sonra mühendislik ana kayası özelliği taşıdığı izlenimini vermektedir. Ancak özdirenç tomografi (Şekil 7), Model HVSR çalışmaları (Şekil 8), SPAC çalışmalarından elde zemin S hızı zemin profilleri ve Özdirenç DES (Şekil 9) sonuçları mühendislik anakayasının daha derinde beklenmesi sonucunu desteklemektedir. Şekil 6. Down-Hole kuyu içi sismik çalışmasından elde edilen zemin S-dalga hızı-derinlik profili (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) Scintrex CG-5 gravite cihazı kullanılarak yaklaşık kuzeybatı-güneydoğu yönlü 4600 m lik profil boyunca arazi ve şehirleşme koşullarına bağlı olarak yaklaşık m. örnekleme aralığı ile gravite ölçümleri gerçekleştirilmiştir. S-Hızı değerleri, Sondaj logları, DES sonuçları ile birlikte değerlendirilerek elde edilen model Tablo 2 de verilmiştir. DES çalışması AGI SuperSting R8 IP cihazı ile AB/ m olmak üzere tam Schlumberger Elektrot Dizilimi ile 1 nokta üzerinde tamamlanmıştır. IPI2WIN programı ile yapılan değerlendirme ve modelleme sonucu Şekil 10 da verilmiştir. Gerçek özdirenç- derinlik değişimleri mühendislik ana kayası özelliklerinin ortalama 300 m derinlikten sonra oluştuğunu desteklemektedir.gerçek özdirenç değerlerinin azalması, su miktarının ve dolaylı olarak gözenek oranının artışını belirtecektir. Bunun anlamı bu özellikteki ortamın mühendislik anakayası tanımına uymayacağıdır. Özdirenç tomografi çalışması AGI SuperSting R8 IP cihazı ile 56 kanal, 18 m elektrot aralığı, Dipol-Gradyent Elektrot Dizilimi kullanılarak ve çevre gürültüleri de dikkate alınarak 1 profil üzerinde tamamlanmıştır. Earth- Imager 2D programı ile yapılan değerlendirme ve modelleme sonucu Şekil 7 de verilmiştir. Elde edilen 6

7 2. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı özdirenç değişimlerine göre ortalama 220 m derinlik ve 980 m uzunluk boyunca özdirenç değeri baskın olarak ortalama 6-7 ohm-m civarındadır. Bu özdirenç değerleri bu derinlik boyunca mühendislik ana kaya tanımı ve özelliklerinin oluşmadığını desteklemektedir. Şekil 7. A-B profili Özdirenç tomografi kesiti (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) SPAC çalışması toplam 4 noktada 6 adet Güralp sistem CMG-6TD hız ölçer kullanılarak 3 çember üzerinde en az 60 dk. kayıtlar alınarak ölçümler tamamlanmıştır. Elde edilen S-Hızı-derinlik kesitlerine göre mühendislik ana kayası tanımı (Vs>700 m/sn) ortalama m derinlikten sonra oluşmaktadır (Şekil 9). Her bir S-Hızı-derinlik modeli kuramsal ve gözlemsel zemin transfer fonksiyonları (HVSR) karşılaştırmaları yapılarak (Herak 2008, Akgün vd. 2013b) optimize edilmiştir. Bunun için önce mikrotremor verileri Nakamura tek istasyon yöntemi (Nakamura 1989) ile değerlendirilerek; gözlemsel HVSR eğrileri elde edilmiştir. Daha sonra SPAC çalışması sonucunda elde edilen S-Hızı-Derinlik modeli kullanılarak Herak 2008 yaklaşımı ile kuramsal HVSR eğrileri elde edilmiştir. Kuramsal HVSR eğrileri iteratif yöntemler kullanılarak gözlemsel HVSR eğrilerine en uygun kuramsal HVSR eğrisi veren S-dalga-hızı-derinlik modeli elde edilmiştir. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlara örnek Şekil 9 da verilmiştir. Şekil 8. SPAC-3 Noktasına ait Kuramsal HVSR ve gözlemsel mikrotremor HVSR karşılaştırılması (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) Jeofizik çalışmalardan elde edilen olası mühendislik ana kayası- zemin modeli, zemin içindeki S dalga hızı ve yoğunluk değişimleri de dikkate alınarak Şekil 9 da tanımlanmıştır. 7

8 3. SONUÇLAR VE ÖNERİLER İzmir ve yakın çevresi hem deprem riski çok yüksek hem de yer yer m. derinliğe kadar ulaşan neojen yaşlı çökeller içeren bölge özelliği taşımaktadır. Bu özelliği nedeniyle deprem dayalı yapısal hasarları azaltmak için İzmir Metropol Alanı içinde mühendislik ana kayası-zemin modellerinin tanımlanmasına yönelik araştırmalar yapılmıştır. Bu araştırmalar kapsamında Yeni Kent Merkezi olarak tanımlanan alanda Mikrogravite, MASW, SPAC, Aşağı-Kuyu İçi Sismik yöntemleri ile araştırmalar yapılmıştır. Zemin sondaj logu destekli olarak hazırlanan S dalga hızı seviye haritalarındaki hız değişimlerinden hem mühendislik ana kayasının 30 m. den derin hem de zemin içinde yanal ve düşey yönlerde ani hız değişimleri sunan katmanların yer aldığı saptanmıştır. Ayrıca özdirenç değişimlerinin çok düşük değerlerde olması (7-10 ohm.m) zeminin yüksek gözeneklilik ve yüksek su içeriğine sahip olduğunu desteklemektedir (Tablo 1). Çalışma alanında yapılmış olan Mikrogravite, SPAC, Aşağı-Kuyu İçi Sismik yöntemlerinden yanal ve düşey yönlü olarak elde edilen yoğunluk, S dalga hızı ve özdirenç değişimleri ile derin amaçlı yapılmış zemin sondaj logu birlikte değerlendirilerek yorumlandığında mühendislik ana kayasına kadar zeminin 4 tabakadan oluştuğu ve toplam zemin kalınlığının m arasında değiştiği saptanmıştır (Tablo 2). Bu çalışmalar göstermiştir ki, depremin can ve mal kayıplarındaki etkisini azaltmanın temel kavramı olan depreme dayanıklı yapı tasarımı çalışmalarında, hem çalışma alanına hem de çalışma amacına uygun jeofizik yöntemler kullanıldığında, zemin-mühendislik ana kayası modeli S-dalga hızı değerleri bağlı olarak yerinde çalışmalarla (in-situ) elde edilebilmektedir. Bildirinin hazırlanmasında kullanılan verilerin bir kısmı TÜBİTAK 106G159 no lu ve tarihleri arasında gerçekleştirilen İZMİR METROPOLÜ İLE ALİAĞA VE MENEMEN İLÇELERİNDE GÜVENLİ YAPI TASARIMI İÇİN ZEMİNİN SİSMİK DAVRANIŞLARININ MODELLENMESİ adlı KAMAG projesi kapsamında toplanmıştır. Tablo 2. S dalga Hızları ve Yoğunluk Değişimlerine Göre Zemin Modeli (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir.) Zemin Katmanları S-Dalga Hızı (m/sn) Yoğunluk (g/cm3) Katman ,53 Katman ,02 Katman ,75 Katman ,08 Müh. Anakayası >800 3,10 8

9 2. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Şekil 9. Zemin ve mühendislik ana kayası arasındaki ilişkilerin Jeofiziksel cevapları (GravA-GravB profil doğrultusu boyunca 10, 20 ve 40 m seviyeler için S-Hızı değişimleri, SPAC S-Hızı-Derinlik değişimleri, DES sonuçları) (Akgün vd. 2013a dan revize edilmiştir) 9

10 KAYNAKLAR Akgün, M., Gönenç, T., Pamukçu,O., Özyalın, Ş., Özdağ, Ö.C., (2013a), Mühendislik Ana Kayasının Belirlenmesine Yönelik Jeofizik Yöntemlerin Bütünleşik Yorumu: İzmir Yeni Kent Merkezi Uygulamaları, Jeofizik Dergisi, doi 13.b02 jeofizik (Basımda) Akgün, M., Gönenç, T., Tunçel, A., Pamukçu, O., (2013b), A multi-approach geophysical estimation of soil dynamic properties in settlements: a case study in Güzelbahce-İzmir (Western Anatolia), J. Geophys. Eng., 10 (2013) doi: / /10/4/ Ansal, A., (2004), Recent Advances in Earthquake Geotechnical Engineering and Microzonation (Geotechnical, Geological, and Earthquake Engineering), Springer Kluwer Academic Publishers, p.139. Bozkurt, A. ve Kurtuluş, C., (2009), Alikahya bölgesinde birleştirilmiş jeolojik, jeofizik ve jeoteknik araştırmalarla zemin incelemesi, Uygulamalı Yerbilimleri 1, Crice, D., (2005), MASW, the wave of future editorial, Journal of Engineering Geophysics, 10:2, Herak, M., (2008), Model HVSR-A Matlab tool to model horizontal-to-vertical spectral ratio of ambient noise, Computer and Geosciences, 34, Koichi, H., Tsohifumi, M., Hatekeyama, H. (2005), Joint analysis of a surface wave method and micro gravity survey, Journal of Environ. Eng. Geophys. 10:2, Kramer, S., L., (1996) Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice Hall PTR, (ISBN: , ) Kubotera, A. And Otsuka, M. (1970), Nature of nonvolcanic microtremor observed on the Aso-Caldera, J. Phys. Earth. 18, Nakamura, Y. (1989), A method for dynamic characterristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface, Quarterly report of the Railway Technical Research Institute 30:1, Nath, S. K. (2007), Seismic Microzonation Framework Principles & Applications, at the Microzonation Workshop at Indian Institute of Science, Bangalore during June 26-27, Published in the Proceedings volume, pp Nehrp Site Class (V s (30m)) Amplification Factors From Site Response Simulations, Pacific Engineering and Analysis, (2005) Teves-Costa, P., L. Matias, L., Bard P. Y. (1996), Seismic behaviour estimation of thin alluvium layers using microtremor recordings, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, London, AGU, 15:3, Xu, C. And Butt, S.,D. (2006), Evaluation of MASW techniques to image steeply dipping cavities in laterally inhomogeneous terrain, Journal of Applied Geophysics., 59: 2,