Sahaya özel tasarım spektrumlarının belirlenmesinde yerel zemin koşulları ve havza etkisi
Investigation of site-specific design spectra under local soil conditions and basin effect
Yazar: BİLAL ÖZASLAN
Danışman: PROF. DR. RECEP İYİSAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem mühendisliği = Earthquake engineering ; Tepki = Response ; Tepki analizi = Response analysis

Özet:
Depreme dayanıklı yapılaşmanın ve deprem güvenli yerleşmenin sağlanması, deprem tehlikesinin bölgesel ve yerel ölçeklerde doğru olarak tanımlanması, deprem araştırmalarının hedeflerini oluşturmaktadır. Bir tasarım depreminin olasılıksal ve deterministik yöntemlerle tahmin edilerek binaların karşılaması gereken dinamik etkilerin belirlenmesi sosyal ve ekonomik kayıpların en aza indirilmesi inşaat mühendisliğinde temel yaklaşımdır. 
Tasarım depreminin tespiti için gerçekleştirilen saha tepkisi araştırmalarında edinilen birikim kuvvetli yer hareketlerini şekillendiren dört farklı ana olgunun etkileri üzerine kurulmuştur. Birincisi, sismik bir dalga, daha rijit tabakalardan daha düşük olanlara bir arayüz boyunca ilerlediğinde ortaya çıkan yer değiştirme büyütmeleridir. İkincisi, mekanik olarak belirli frekanslarda tabakalar arasında gelişen rezonans durumudur. Üçüncüsü, zeminlerin doğrusal olmayan gerilme-şekil değiştirme davranışı ve homojen olmayan anizotropik yapısından kaynaklanan etkilerdir. Sismik dalga yayılımında farklılıklara neden olan tabakalaşma ve topografik süreksizliklerin etkileri ise güncel saha tepkisi araştırmalarına konu olan son olay olarak nitelendirilmektedir. Son araştırma başlığında gerçekleştirilen çalışmalar sayesinde, eğimli tabaka arayüzeylerinin SH dalgalarının yüzeyde oluşturduğu Love yüzey dalgalarını ve P ile SV dalgaların şekillendirdiği Rayleigh dalgalarını dolayasıyla sahadaki zemin büyütmelerini etkilediği, oluşan yüzey dalgalarının daha kuvvetli ve daha uzun sürebilen sarsıntılara neden olduğu anlaşılmıştır. Çalışmanın da içinde yer aldığı son yaklaşımda, özellikle zeminlerin tipik fay kırılmaları veya taşınmış malzemelerle dolu topografik çöküntülerden oluşan alüvyal havzalarda, havza tabanındaki anakayanın veya kaya mostrasının kenar eğiminin sismik dalgalarda neden olduğu etkiler, kırılma, yansıma, öteleme ve odaklama davranışları, sayısal analizler ve sismik saha deneyleriyle incelenmektedir.
Yapıların depreme dayanıklı tasarımında dikkate alınacak kuvvetli yer hareketi, tek derece serbestlikli sistemlere ait davranış spektrumları şeklinde deprem tehlikesi haritalarından yerel zemin sınıfına göre doğrudan seçilerek kullanılmaktadır. Ancak deneyimlenen depremler zeminlerin yarı sonsuz uzay kabul edildiği bu çalışmaların gerçekte karşılaşılan düzensiz, daha rijit anakaya mostrası ile sınırlandırılmış, taşınan malzemelerden oluşan daha zayıf zeminle dolu kapalı alanların oluşturduğu ve havza olarak tanımlanan sahalarda gerçekleşen etkileri öngöremediğini ortaya koymuştur. Aktif fay kuşakları üzerinde olan ülkemizde en yoğun yerleşim yerlerinin, değişen boyutlardaki sayısız havza yapısının üzerine kurulmuş olması, havza yapısındaki sahalarda tasarımda dikkate alınacak deprem yer hareketinin Türkiye Bina Deprem Yönetmeliğinde henüz yer almayan stratigrafi etkilerinin incelendiği sahaya özel iki ve üç boyutlu sayısal analizleri zorunlu hale getirmektedir.
Bu çalışmada, dar havza yapısındaki sahalarda süreksizliklerinden kaynaklanan tepki spektrumlarındaki değişim, zeminlerin doğrusal olmayan gerilme-şekil değiştirme özellikleri dikkate alınarak ve değişen anakaya mostrası eğimleriyle kurulan iki boyutlu (2D) modellerde zaman tanım alanında yapılan tepki analizleri ile araştırılmıştır. NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) ve TBDY 2018 (Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği) hükümleri ile tanımlanan ZD ve ZE saha sınıflarındaki nispeten zayıf zemin koşulları, farklı seviyelerde seçilen deprem ivme kayıtları altında FLAC3D yazılımında gerçekleştirilen analizlerle Sonlu Farklar yaklaşımı ile incelenmiştir. Kurulan iki (2D) ve bir boyutlu (1D) modellerde yüzeyde tanımlanan çok sayıdaki yapay sismograflarda toplanan kuvvetli yer hareketlerinin spektrumları karşılaştırılarak her bir periyot ve lokasyon için maksimum şiddet faktörleri AGF2D/1D(T, x/L)maks elde edilmiştir.  
Çalışmada inceleme sahası olarak seçilen ve Kuzey Anadolu Fayı güneybatısında yer alan Gemlik Havzasında detaylı Sismik Dizin ölçümlerinin (Spatial Autocorrelation-SPAC Analizleri kullanılarak) ve sondajlardan oluşan kapsamlı saha araştırmaları yapılmıştır. Sahanın zemin koşullarına dair toplanan bütün bilgiler Coğrafi Bilgi Sistemlerinde (ArcGIS-Pro yazılımnda) işlenerek veri enterpolasyonu yapılmış, anakaya derinliği ve zemin sınıfı haritaları oluşturulmuştur. Böylelikle Gemlik Havzasının Kuzey-Güney ve Doğu-Batı yönündeki 2D modelleri oluşturularak sayısal modellerdeki zemin kesitlerinin sonlu fark şeması tabaka ve anakaya eğimleri ±3° yakınsama ile oluşturulmuştur. Zeminlerde meydana gelen düşük şekil değiştirme değerlerinde kayma modülünün azalım eğrisi ve çevrimsel sönümleme eğrilerinden oluşan histeretik model, yüksek deformasyonlarda ise malzemenin plastik deformasyonlarını hesaplamalara dahil edebilen bünye modellerinin deformasyona bağlı kombinasyonu kullanılmıştır. 
Sonuçlar, dar havzalarda yüzey hareketlerindeki değişimin sadece yansıma, kırılma ve öteleme davranışından kaynaklanmadığını, aynı zamanda her iki zıt havza kenarından havza merkezine yönelen sismik dalgaların odaklanması ve üst üste binmesi ile orta ve yüksek frekanslarda ortaya çıkan genliklerin tepki spektrumlarını önemli şekilde değiştirdiğini göstermiştir. Çalışma sonucunda Gemlik havzasında sahaya özgü spektral şiddet faktörü katsayıları, AGF2D/1D, her periyot ve sahadaki her konum için 2D ve 1D tepki spektrumları arasındaki oran ile hesaplanmış değişim grafikler halinde sunulmuştur. Şiddet faktörlerinin yakın kenar ve havza merkezinde 1.2-1.8 değerlerine kadar yükseldiği görülmüştür.
Sonuç olarak, gerçekleştirilen hipotetik modellerde elde edilen bulgular kenar eğimi değişse dahi, yüzey hareketindeki şiddetlenmelerin dar havzaların saha sınıflarına bağlı olarak belirli bölgelerde belirli değerlerde kümelenme eğiliminde olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca gerçek sahada yapılan araştırmada çıkan sonuçların hipotetik çalışmada çizilen sınırlar içinde kaldığı görülmüş, özellikle dar havza yapısındaki sahalarda şiddet faktörlerinin tasarım spektrumunda belirleyici olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
Construction of the earthquake-resistant design in living quarters is one of the major objectives of civil engineering. The prediction of the hazards on all living facilities has always been crucial in terms of engineering to prevent lives by reducing the destructive effect of earthquakes. Estimating a design earthquake is the main phenomenon in the design of new buildings and the examination of the performance of existing buildings to minimize the loss of life and property.
In the site response investigations performed last decades, the acquirements point to four main different phenomena that shape the strong ground motions. The first is the amplification of displacement which exists when a seismic wave progresses through an interface to lower rigidity sediments from the higher rigidity layers. The second is the resonance of the flat layers developed mechanically at certain frequencies. The third originates from the nonlinearity of the soil stress-strain behavior and inhomogeneity and anisotropy of the material. The last aspect derives from the variation of the wave propagation in the soil half-space which has stratigraphical and topographical lateral heterogeneities. According to the studies carried out on the last research title, it has been recognized that the inclined layer interfaces affect the Love surface waves formed by the SH waves and the Rayleigh waves formed by P and SV waves on the surface. The results have demonstrated that the resulting soil amplifications cause stronger surface waves and longer shakings in the field. As a result, particularly in alluvial basins, where the soil media is typically formed by fault ruptures or topographic depressions filled with sediments, the inclination of the rock outcrop on the edge of the basin has a considerable effect that cannot be ignored on the site response.
In this study, the variation of the response spectrums derived from stratigraphic discontinuities in the narrow alluvial basins was investigated by a large number of two-dimensional (2D) nonlinear response history analyses considering nonlinear stress-strain properties of the soils and inclination of the rock outcrop at he basin edge. The relatively soft soil conditions in site classes D and E defined by provisions of NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) and TBEC 2018 (Turkish Building Earthquake Code) were studied to derive the acceleration spectrums and amplifications under different level of earthquake excitations using fully nonlinear analyses by finite difference approach performed in FLAC3D. At the end of the research, the maximum aggravation factors AGF2D/1D(T, x/L)max have been derived for each period and locations by comparing the spectrums from artificial seismographs located on the surface of 2D and 1D soil half-space throughout the basin.
In the response history analyses, the idealized basin models consisting of site classes D and E defined by seismic provisions of NEHRP and TBEC 2018 have been studied by verified explicit finite difference method. In both 1D and 2D dynamic models, the effects of bedrock inclination and different levels of strong ground motion have been investigated by considering the soil nonlinearity and geometrical discontinuities of basin stratification. A large number of time histories of the response acceleration have been collected throughout of each basin by synthetic recorders placed with equal interval on the surface to calculate AGF2D/1D (T, x/L) for each location and period deterministically.
The response spectra in 2D models differs considerably from 1D models in terms of motion duration, dominant period, and amplitude, with changing soil conditions from D to E, the basin effects become more determinant on-site response analysis. In the 2D analysis, in site class ZE, the aggravation factor in longer than 1-second periods increases significantly to 1.8 but in site class D it takes values smaller than 1.2 in the center of narrow basins in addition to the edge effects in the near edge regions.In models with relatively higher edge inclination α > 25 high-frequency phases increase spectral aggravation in areas close to the edges. In the edges slope with α < 25, inclined zones get closer to each other, and diffracted waves are shifted to the center of the basin and they produce a greater aggravation than the effect of the edge due to the overlap.The increase in the acceleration amplitudes of strong ground motion does not affect the spectral aggravation significantly but changes the frequency of the peak response. In both site classes, ZD and ZE especially at the beginning of the basin, the aggravation factor can take values less than 1 in a broad range of period 0.1 s to 1 s.As the most important finding of the research the results revealed that aggravations of the surface motion tend to cluster in specific regions with certain values depending on the site classes of the narrow basins even if the edge inclination of the basin and level of strong ground motion changes. 
In situ application of the study has been executed in the real narrow basin located near the North Anatolian Fault in Gemlik, Turkey. A large number of seismic array tests and confirmative deep borings have been arranged. 2D models of the Gemlik Basin on North-South and East-West direction have been settled by combined evaluation of Seismic Array Tests (by Spatial Autocorrelation method-SPAC) and borings with the contribution of data interpolation in Geographical Information Systems (by ArcGIS-Pro). The 2D and 1D nonlinear response history analyses of the Gemlik basin were performed by numerical model on finite difference scheme considering nonlinear material behaviors and geometric nonlinearities. The acquired numerical results exhibited the effects of the narrow basin are not only derived by reflection, refraction, and shifting behavior but also focusing and superposition of the seismic waves propagating from both opposite basin edges. 
In the Gemlik basin models created in the north-south and east-west directions by seismic tests and boring investigations, the aggravation factors have been defined by site-specific response analyzes performed considering the DER and MCER earthquake levels. The progression of the surface waves which are derived from both edges in the narrow direction of the Gemlik basin into the center of the basin, create higher amplification particularly at lower frequencies in 2D plane strain analyses with respect to results of the 1D soil column method. On the contrary, in the wider direction where the bedrock slope is lower, it is recognized that the aggravations take lower values only near the edge region, and the 2D and 1D analysis results get similar as they move away from the edge. As a result of the study the site-specific spectral aggravation factor coefficients, AGF2D/1D are defined by the ratio between the 2D and 1D acceleration response spectra for each period and any location on the site, were defined in the Gemlik basin. The variations of the aggravation factors were calculated as increasing values to 1.2-1.8 on the near edge and the basin center. 
Finally, in a different way from previous studies, where the inclined edge effect was examined in large basins, it is obvious that there is additionally superposition of the scattered waves that come from opposite edges in the narrow basins. In the defined narrow models of different edge sloped basins, despite the change in spectral amplification factors, the mean AGF2D/1D (T, x/L) tends to almost the same distribution on specified locations and periods for each site class. The results revealed that aggravations of the surface motion tend to cluster in specific regions with certain values depending on the site classes of the narrow basins even if the edge inclination of the basin changes. The resultant aggravation coefficients indicate that basin-type sites have quite different responses, particularly in narrow sizes. Particularly in alluvial sites, different regions along the basin surface are affected to various degrees. Therefore, the aggravation coefficients proposed for each specified region in the basin could be used more feasibly by calibrating to the 1D design spectrum. The multidimensional response analysis methods are necessitating a technical combination of geotechnical, earth science, and time-consuming process. Hence, the study method can develop basin-specific aggravating factors, and the suggested charts can be used with seismic code provisions. 
Consequently, the reciprocation of the surface waves which are derived from both edges of the basin and superposition of the motions, progressive into the center of the basin, cause larger amplification particularly at lower frequencies in 2D analysis with respect to results of the 1D soil column approach. Thus, with quantitative further studies that numerically defining the regions where the basin effects are mostly emerged and which periods are critical will be greatly contributed to revealing the uncertainties about the reliable prediction of resultant ground motions.