Erzincan ili olasılıksal sismik tehlike analizi ve zemin davranış analizi
Probabilistic seismic hazard analysis and site response analysis of Erzincan province
Yazar: SEMA KURBAN
Danışman: PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Ülkemiz dönem dönem çok ciddi maddi ve manevi kayıplara neden olan felaketlere tanıklık etmiştir. Bu felaketler arasında en ağır sonuçları depremler yaratmıştır. Ülkemiz bulunduğu coğrafi konum itibariyle sismik hareketliliğin yoğun olduğu bir alanda bulunmaktadır. Aktif fay zonlarının hakim olduğu ülke sınırlarında hem tarihsel dönemde hem de aletsel dönemde önemli büyüklükte depremler meydana gelmiştir. Bu depremlerin maddi açıdan yaşattığı ekonomik sorunlar ve manevi açıdan neden olduğu sosyal ve psikolojik etkiler konunun ciddiyetini arttırmıştır. Yaşanan bu tecrübeler ülke depremselliğinin ve olası sismik tehlikelerin doğru bir şekilde değerlendirilmesindeki önemini de göstermiştir.
Erzincan ili 21. yüzyılın en aktif faylarından biri olan Kuzey Anadolu Fay Hattı'na çok yakın bir konumda bulunmaktadır. Bu nedenle şehir çok ciddi sismik hareketliliğin etkisi altındadır. Geçmişte 1939 depremi ve 1992 depremi başta olmak üzere önemli büyüklükte depremleri yaşayan şehir, yakın gelecekte benzer deprem tehlikelerine sahiptir. Bu nedenle olası sismik tehlike sahaya özel olarak değerlendirilmiş ve ilgili sismik parametreler bu tez kapsamında belirlenmiştir.
Belirli bir sahanın depremselliği deterministik sismik tehlike analizleri ve olasılıksal sismik tehlike analizleri ile nicel olarak değerlendirilebilir. Depremin yeri, meydana gelme zamanı ve depremin büyüklüğü gibi belirsizlikleri açık ve detaylı bir şekilde ele alması nedeniyle olasılıksal sismik tehlike analizi günümüzde sıklıkla tercih edilmektedir. Bu avantajlar göz önüne alındığında Erzincan ilinin depremselliği olasılıksal sismik tehlike analizi ile değerlendirilmiştir. Bu amaçla ilk olarak Afet ve Acil Durum Yönetim Başkanlığı (AFAD) verileri kullanılarak bölgenin aletsel dönem deprem kataloğu hazırlanmıştır. Deprem kataloğundaki tüm deprem büyüklükleri aynı tip deprem büyüklüğüne ampirik formüller kullanılarak dönüştürülmüş ve tüm deprem kataloğu homojen hale getirilmiştir. Ardından katalogta yer alan ana depremlerin öncü ve artçı depremlerden ayrıştırılması gerekmektedir. Deprem kayıtlarının kümesizleştirilmesi (declustering) olarak adlandırılan bu işlem için MATLAB tabanlı Zmap yazılımı kullanılmıştır. Böylece analizde kullanılacak deprem kataloğu son haline getirilmiştir.
Sismik tehlike analizinin ikinci aşamasında Erzincan ili ve çevresindeki tüm sismik kaynaklar tespit edilmiştir. Bölgenin tehlike analizi için iki farklı kaynak modeli (çizgisel kaynaklar ve alansal kaynaklar) ve sismik parametreleri kullanılmıştır. 300km'lık bir alan içinde kalan çizgisel kaynaklar, Maden Tetkik ve Arama (MTA) Genel Müdürlüğü'nün 2012 yılında yayımladığı "1:250.000 Ölçekli Türkiye Diri Fay Haritaları Serisi-Erzinan Paftası" dikkate alınarak belirlenmiştir. Alansal kaynaklar ise Türkiye'nin aktif sığ kabuk içi alansal kaynak haritası kullanılarak tespit edilmiştir. Sismik kaynaklara ait maksimum kayma hızı, maksimum büyüklük ve faylanma tipi gibi özellikler literatürde yer alan verilere göre belirlenmiştir. Olasılıksal analizde kullanılan deprem tekerrür parametreleri ise kaynakların magnitüd-frekans ilişkisi çıkarılarak hesaplanmıştır. Bu ilişki tamamlılık analizleri ile ortaya koyulmaktadır. Her bir sismik kaynak için gerçekleştirilen tamamlılık analizleri sonucunda deprem tekerrür parametreleri olarak isimlendirilen istatiksel parametreler elde edilmiştir.
Erzincan bölgesi için tespit edilen tüm kaynaklar bir sonraki aşamada olasılıksal sismik tehlike analizlerini gerçekleştiren R-Crisis programına tanıtılmıştır. Kaynaklar belirlenen sismik ve istatiksel parametreleri ile birlikte tek tek girilmiştir. Ardından hangi periyot ve yoğunluk (ivme) aralıkları için analizin gerçekleştirileceği belirlenir. Bir sonraki aşamada çalışmaya uygun yer hareketi tahmin modelleri (GMPM) yani azalım ilişkilerine karar verilir. Bu tez kapsamında dört farklı yeni nesil azalım ilişki (NGA) tercih edilmiştir. Belirlenen azalım ilişkileri her bir sismik kaynağa sırayla atanır. Sonraki adımda, analiz sonucunda elde edilecek sismik tehlike haritalarında kullanılmak üzere belirli tekrarlanma periyotları ve buna karşılık gelen 50 yılda aşılma olasılıkları girilir. Bu değerler için Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY, 2018)'nde yer alan deprem yer hareketi düzeyleri dikkate alınmıştır. 
R-Criris programı yardımıyla Erzincan ili için gerçekleştirilen olasılıksal sismik tehlike analizi Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2018)'nde tanımlanan DD-1, DD-2, DD-3 ve DD-4 deprem yer hareketi düzeyleri ve kayma dalgası hızı Vs=760m/s (referans zemin koşulu) esas alınarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonucunda dört farklı deprem yer hareketi düzeyi için yatay elastik ivme spektrumları ve sismik tehlike haritaları elde edilmiştir. Ardından maksimum yer ivmesi (PGA) ve harita spektral ivme katsayıları (Ss: kısa periyot harita spektral ivme katsayısı ve S1: 1 saniye periyot için harita spektral ivme katsayısı) belirlenmiştir.  Sahaya özel elde edilen spektrumlar, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2018)'nin önerdiği tasarım ivme spektrumları ile karşılaştırılmıştır. Spektrumdaki ivme değerlerinin tasarım ivme değerlerinin %90'ından küçük olmadığı gösterilmiştir.
Mühendislik ana kayası (Vs=760m/s) için gerçekleştirilen olasılıksal sismik tehlike analizi sonuçları kullanılarak inceleme alanı için uygun deprem kayıtlarının seçilmiştir. Bu amaçla DD-2 deprem yer hareketi düzeyi, tasarım yer hareketi düzeyi olarak dikkate alınmıştır. Sahaya özel deprem kayıtlarını belirlemek için ilk aşamada, PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center) NGA West2 veri tabanına sahaya özel hesaplanmıi yatay elastik ivme spektrumu tanımlanır. Bölgenin fay mekanizması, uygun deprem büyüklüğü, faya olan uzaklık ve yerel zemin koşulları da dikkate alınarak spektruma uygun deprem kayıtları listelenmiştir. Deprem kayıtlarına ait ivme spektrumları zaman tanım alanında basit ölçeklendirme yöntemi ölçeklenmiştir. Ardından TBDY (2018)'nin belirlediği kurallarına uygun olmayan kayıtlar elenmiştir. Böylece uygun kayıtlar hesaplanan ölçekleme katsayıları ile çarpılarak sahaya özel ölçeklenmiş deprem kayıtları belirlenmiştir.
Bu aşamaya kadar gerçekleştirilen tüm analizler ve hesaplamalar, Erzincan şehrinin depremselliği altındaki mühendislik taban kayası içindir.  Sahaya özel elde edilen yer hareketlerinin Erzincan ili yerel zemin koşullarında gösterdiği davranış da bu tez kapsamında değerlendirilmiştir. İlk aşamada, şehir merkezinde gerçekleştirilen sondaj çalışmaları dikkate alınarak idealize zemin profili ve ilgili mekanik/dinamik parametreleri belirlenmiştir. Ardından belirlenen yer hareketlerinin taban kayasından yüzeye ulaşana kadar karşılaştıkları zemin tabakalarında uğradığı değişimi tespit edebilmek için bir boyutlu zemin davranış analizi gerçekleştirilmiştir. Deepsoil yazılımı kullanılarak zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz modeli ile zemin tabakalarının sönümleme/büyütme davranışları belirlenmiştir.
Sahaya özel ölçeklenmiş 11 adet yer hareketi sonucunda zemin yüzeyinde oluşan ivme spektrumları analiz çıktısı olarak alınmıştır. Spektrumdaki her bir periyot için spektral ivme değerlerinin kendi analiz girdisindeki ana kaya spektral ivme değerlerine oranı hesaplanır. Hesaplanan oranlar karşılık geldiği periyotlarına göre çizildiğinde ilgili deprem kaydı için normalize davranış spektrumları elde edilir. Bu spektrumlarının ortalaması, ilgili periyotlar için yerel zemin etki katsayıları olarak tanımlanır. Sahaya özel ivme spektrumu elde edilen yerel zemin etki katsayıları ile çarpıldığında zemin yüzeyi için sahaya özel deprem spektrumu hesaplanmış olur. Hesaplanan spektruma göre tasarım spektral ivme katsayıları belirlenmiştir.
Yapılan çalışmalar kapsamında yakın gelecekte deprem riski bulunan Erzincan ilinin depremselliği olasılıksal sismik tehlike analizi ile değerlendirilmiştir. Analiz sonuçları dikkate alınarak sahaya özel deprem kayıtları belirlenmiştir. Bu kayıtların Erzincan yerel zemin koşullarında uğradığı değişim bir boyutlu zemin davranış analizleri ile tespit edilmiştir. Analiz çıktıları kullanılarak zemin yüzeyi için sahaya özel ivme spektrumu ve parametreleri belirlenmiştir.

Abstract:
Our country has witnessed disasters that caused serious pecuniary loss and intangible damages from time to time. Among these disasters, earthquakes had the most severe consequences. Our country is located in an area where seismic activity is intense due to its geographical location. In the borders of the country where active fault zones are dominant, significant earthquakes have occurred both in the historical period and in the instrumental period. These earthquakes caused both economic problems and serious psychological effects throughout the country. This situation increased the seriousness and sensitivity of the issue. These experiences have shown that the seismicity of the country should be taken seriously and potential seismic hazards should be evaluated properly.
The province of Erzincan is located very close to the North Anatolian Fault Line, which is one of the most active faults of the 21st century. For this reason, the city is under the effect on very serious seismic activity. The city has experienced significant earthquakes in the past, including the 1939 and 1992 earthquakes, and similar earthquake hazards await the city in the near future. Therefore, the possible seismic hazard has been evaluated specifically for the site and the relevant seismic parameters have been determined within the scope of the thesis.
The seismicity of a specific site can be quantitatively evaluated by deterministic seismic hazard analysis and probabilistic seismic hazard analysis. Probabilistic seismic hazard analysis is frequently preferred today because it examines the uncertainties such as the location of the earthquake, the time of its occurrence and the magnitude of the earthquake in detail. When these advantages are considered, the seismicity of Erzincan province has been evaluated by probabilistic seismic hazard analysis. For this purpose, firstly, the earthquake catalog of the region was prepared by using the instrumental period data of the Disaster and Emergency Management Presidency (AFAD). All earthquake magnitudes in the earthquake catalog were converted to the same type of earthquake magnitudes using empirical formulas and the entire earthquake catalog was made homogeneous. 
Every earthquake that occurs in seismic zones has the possibility of triggering each other, and this causes earthquakes to cluster in time and space. In the Poisson model, which is preferred in probabilistic seismic hazard analysis, seismic sources are considered to be independent from each other in time. According to this acceptance, the main earthquakes in the catalog should be distinguished from foreshocks and aftershocks. Zmap software running on MATLAB was used for this process, which is called declustering of earthquake records. Thus, the earthquake catalog was finalized to be used in analysis.
In the second stage of the seismic hazard analysis, all seismic sources in the Erzincan region were determined. For the hazard analysis of the region, two different source models (line sources and area sources) were used and seismic parameters defining the tectonic properties of the sources were determined. The line sources within an area of 300 km were determined considering the "1:250.000 Scale Turkey Active Fault Maps Series-Erzinan Map" published by the General Directorate of Mineral Research and Exploration (MTA) in 2012. Area sources were determined using the active shallow crustal area source map of Turkey. The properties such as maximum slip rate, maximum magnitude and faulting type of seismic sources were determined according to the information in literature. The earthquake recurrence parameters that should be used in probabilistic analysis are calculated by the magnitude-frequency relations of the sources. This relationship is revealed by completeness analyzes. As a result of completeness analysis performed for each seismic source, statistical parameters named as earthquake recurrence parameters are obtained.
All seismic sources determined for the Erzincan region were introduced to the R-Crisis program, which performs probabilistic seismic hazard analysis in the next stage. The sources are entered one by one with their seismic and statistical parameters. Then, it is determined for which period values and density (acceleration) range the analysis will be performed. After these steps, ground motion prediction models (GMPM) suitable for the study, in other words, attenuation relationships are decided. Within the scope of this thesis, four different new generation attenuation relationships (NGA) have been preferred. The desired parameters for the relevant attenuation relationships are entered into the program. After the models are assigned to each seismic source, the return period and the probability of exceedance in 50 years are entered. Seismic hazard maps to be obtained as a result of the analysis are prepared by taking these values into consideration. For these values, earthquake ground motion levels in the Turkish Building Earthquake Code (TBDY, 2018) are taken into consideration.
Probabilistic seismic hazard analysis specific to Erzincan has been carried out based on the earthquake ground motion levels DD-1, DD-2, DD-3 and DD-4 defined in the Turkish Building Earthquake Code (2018) and shear wave velocity Vs=760m/s (reference ground condition). As a result of the analysis, horizontal elastic acceleration spectra and seismic hazard maps for four different earthquake ground motion levels were obtained. Then, the maximum ground acceleration (PGA) and the spectral acceleration coefficients (Ss: short-period spectral acceleration coefficient and S1: spectral acceleration coefficient for 1 second period) were determined. After that, The site-specific spectra were compared with the design acceleration spectra suggested by the Turkey Building Earthquake Code (2018). It has been shown that the acceleration values in the spectrum are not less than 90% of the design acceleration values.
Using the analysis results for the engineering bedrock (VS=760m/s), appropriate earthquake records were selected for the investigation area. For this purpose, the earthquake ground motion level DD-2 has been considered as the design earthquake motion. First, the site specific horizontal acceleration spectrum was defined in the NGA West2 database of PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center). Then, the earthquake records suitable for the defined spectrum were listed by entering the range values regarding the fault mechanism of the region, suitable earthquake magnitude, distance to the fault and local ground conditions. In the next step, the acceleration spectra of the earthquake records were scaled by the simple scaling method in the time domain. In the scaling process, the site specific acceleration spectrum is accepted as the target spectrum. Records that do not comply with the rules set by TBDY (2018) were eliminated. Then, the acceleration-time graph of the appropriate records is multiplied by the calculated scaling coefficients to obtain site specific scaled earthquake records.
All analyzes and calculations carried out up to this stage are for the engineering bedrock under the seismicity of the city of Erzincan. The behavior of site specific scaled is also evaluated for the local soil conditions of Erzincan province within the scope of this thesis. The idealized soil profile was determined by taking into account the results of the Standard Penetration Test (SPT) performed at frequent intervals up to a depth of 100.0m from the ground surface in the borehole drilled in the city center. Mechanical and dynamic parameters of the relevant layers were calculated with the help of appropriate correlations. 
A ground motion is affected by the local soil conditions after leaving its source until it reaches the ground surface. During their transition between ground layers, earthquake waves that start to propagate from their source exhibit two different characteristic behaviour depending on their frequency content. Soil layers may amplify some earthquake waves that travel towards the surface, while damping others. Within the scope of the thesis, a one-dimensional soil behavior analysis has been carried out in order to determine these changes of the scaled ground motions in the soil layers. Site specific response analysis was carried out with the help of Deepsoil program, and nonlinear behavior model was preferred in the time domain. 
The acceleration spectra calculated for the ground surface as a result of 11 site specific scaled earthquake records were taken as the analysis output. The ratio of spectral acceleration values to their own bedrock spectral acceleration values in the analysis for each period is calculated. When the calculated rates are drawn according to their corresponding periods, normalized response spectra are obtained for the relevant earthquake record. The values calculated by taking the average of these spectra are defined as local soil impact coefficients for the relevant periods. In the next step, the site specific elastic acceleration spectrum calculated for the engineering bedrock as a result of the probabilistic seismic hazard analysis is multiplied by the calculated local soil impact coefficients. Thus, the site specific earthquake spectrum for the ground surface is calculated. Design spectral acceleration coefficients are determined according to the calculated spectrum.
The seismicity of Erzincan province, which has an earthquake risk in the near future, was evaluated by probabilistic seismic hazard analysis within the scope of the studies. Site specific earthquake records were determined by taking the analysis results into consideration. The change of these records in the local soil conditions of Erzincan was determined by one dimensional soil behavior analysis. Site-specific acceleration spectrum and parameters were determined for the ground surface by using the analysis outputs.