Baz istasyonu kuleleri için kırılganlık eğrileri geliştirilmesi ve CBS ile sismik performans analizi uygulaması
Development of fragility curves for base station towers and application of seismic performance analysis with GIS
Yazar: ÖMER BİLGİNER
Danışman: PROF. DR. HİMMET KARAMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Hasar tahmin analizi = Damage estimation  analysis ; Marmara depremi = Marmara earthquake ; Sismik risk değerlendirmesi = Seismic risk assesment ; Yapısal hasar = Structural damage

Özet:
Türkiye bulunduğu konum itibariyle birinci derece deprem bölgesinde yer almaktadır. Ülke tarih boyunca sık sık şiddetli depremlere maruz kalmış ve depremler neticesinde can ve mal kayıpları yaşanmıştır. Özellikle son 3 yılda yaşanan şiddetli depremlerin (2020 Elazığ (Mw 6.8), 2020 Sisam (Mw 6.6), 2023 Kahramanmaraş Elbistan (Mw 7.6) ve 2023 Kahramanmaraş Pazarcık (Mw 7.7)) ardından ülkede yaşayan vatandaşlar için ana gündem maddesi deprem olmuştur. Vatandaşların depreme karşı bilinçlenmesi nedeniyle karar verici kurum ve mekanizmalar için deprem öncesinde alınacak önlemler daha da önem kazanmıştır. Karar verici mekanizmaların deprem öncesinde yapılarda meydana gelebilecek hasarları önceden belirlemesi büyük önem arz etmektedir. Şiddetli bir depremin sebep olabileceği zararların deprem öncesinde analiz yapılarak belirlenmesi deprem sonrasında yaşanabilecek olası can ve mal kayıplarının azaltılmasına yardımcı olacaktır. Ülke nüfusunun beşte birinin yaşadığı ve ülke ekonomisine katkının en fazla olduğu İstanbul'da yaşanacak şiddetli bir deprem sonrasında oluşabilecek can kaybı ve ekonomik kayıp ülke ekonomisi için büyük zararlara yol açacaktır. Bu nedenle İstanbul'da gerçekleşmesi beklenen depremin oluşturacağı zararları deprem öncesinde belirlemek karar verici kurumların depreme hazırlıklı olmalarını sağlayacaktır.
Deprem sonrasında kritik öneme sahip yapıların (hastane, enerji santralleri, polis karakolları vs.) hasar almaması veya hasar aldığı halde çalışır durumda kalması gerekmektedir. Bu tür yapıların deprem sonrasında işlevselliğini devam ettirmesi can kayıplarının en aza indirilmesini sağlayacaktır. Özellikle mobil haberleşme ağı altyapısının sürekliliği deprem sonrası için büyük önem arz etmektedir. Geçmişte ülkede yaşanan şiddetli depremler neticesinde haberleşme ağında kesintiler meydana gelmiştir. Şiddetli bir depremden sonra mobil haberleşme ağında meydana gelen hasarlar özellikle kalabalık nüfusa sahip büyükşehirlerde ilk yardım ve arama kurtarma çalışmalarında problemler oluşturmaktadır. Bu nedenle mobil iletişim ağının deprem sonrasında çalışabilir durumda olması gerekmektedir. Mobil iletişim ağının önemli bileşenlerinden mobil iletişim için küresel sistem (GSM) kulelerinin sismik performanslarının belirlenmesi gerekmektedir. Yapılarda oluşabilecek hasarları belirlenebilmesi ve yapının olasılıklı sismik davranışının tespit edilebilmesinde kırılganlık eğrileri kullanılmaktadır. Kırılganlık eğrileri belirli bir yer sarsıntısı seviyesi için limit durumlarının aşılma olasılığı olarak tanımlanmaktadır. Kırılganlık eğrileri sayesinde deprem sonrasında yapılarda oluşabilecek hasar durumları tespit edilebilmektedir.
Deprem sonrasında acil müdahale ve iyileştirme çalışmalarında coğrafi bilgi sistemleri (CBS) tabanlı tahmin yazılımlarından sıklıkla faydalanılmaktadır. HAZTURK programı da bu tahmin yazılımlarından biridir. HAZTURK, Amerika Birleşik Devletleri için geliştirilen MAEviz programının Türkiye'ye ait envanter ( bina, köprü, yol vs.) ve veriler (sayısal yükseklik modeli, zemin türü, zemin jeololisi vs.) kullanılarak güncellenmesiyle elde edilmiştir. HAZTURK'te yapılan analizler neticesinde (yapısal ve ekonomik kayıplar, maliyet-fayda, güçlendirme vs.) deprem sonrasında oluşabilecek yapısal, sosyal ve ekonomik kayıplar elde edilebilmektedir.
Çalışmanın amacı, gerçekleşmesi beklenen İstanbul depremi sonrasında mobil iletişim ağında yaşanabilecek kesintileri önceden belirleyebilmektir. Deprem sonrasında hasarlı durumda olan GSM kulelerinin konumlarının tespit edilerek karar verici kurumlara geliştirecekleri stratejilerde yardımcı olunması amaçlanmaktadır. Bu amaçla İstanbul'da yer alan monopol ve kafes tipi GSM kulelerinin kırılganlık eğrileri tez kapsamında elde edilmiştir. Elde edilen kırılganlık eğrileri HAZTURK programına entegre edilmiştir. İstanbul için senaryo deprem uygulanarak hasarlı GSM kulelerinin coğrafi konumları tespit edilmiştir. Konumları bilinen hasarlı GSM kulelerinin yerlerine mobil veya drone baz istasyonu yönlendirilerek mobil iletişim ağının kesintisiz çalışması sağlanacaktır. Bu durum neticesinde deprem sonrasında kurumlar arası koordinasyon, ilk yardım, müdahale ve acil kurtarma çalışmalarında bir aksaklık olmayacaktır. Hızlı müdahale sayesinde can ve mal kaybı oranı daha düşük hale gelecektir.
Çalışma altı bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde; Türkiye'de geçmişte yaşanan şiddetli depremlere ait bilgiler verilerek yaşanan iletişim kesintilerinden bahsedilmekte ve problem tanımlanmaktadır. Tezin amacı ve kapsamı, çalışma bölgesi ve akış şeması hakkında bilgi verilmektedir.
İkinci bölümde; literatür araştırmasına yer verilmiştir. Bina, kafes tipi GSM kule ve monopol tipi GSM kulelerinin kırılganlık eğrilerinin elde edilmesi ve HAZTURK programı hakkında yapılan çalışmalara ait bilgiler verilmiştir.
Üçüncü bölümde; kırılganlık eğrilerine dair tanımlamalar, kırılganlık eğrileri oluşturulmasında kullanılan yöntemler, statik itme analizi ve artımsal dinamik analiz hakkında bilgiler verilerek kırılganlık eğrilerinin elde edilmesinde kullanılan denklemlere yer verilmiştir.
Dördüncü bölümde; HAZTURK programında veri sınıflandırma sistemi, veri formatı ve programda yapılabilecek analizlere dair bilgiler verilmektedir.
Beşinci bölümde; sayısal uygulamaya yer verilmiştir. Kafes ve monopol kulelere ait kırılganlık eğrileri ve her bir hasar seviyesi için elde edilen kırılganlık eğrileri grafiği yer almaktadır. GSM kulelerine ait bu eğriler HAZTURK programına entegre edilmiş olup İstanbul için senaryo deprem uygulanarak hasarlı GSM kulelerinin konumları gösterilmektedir.
Altıncı bölümde; çalışma kapsamında elde edilen sonuçlarla ilgili değerlendirmeler yapılarak önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Türkiye is located in the first degree earthquake zone due to its location. The country has frequently been exposed to severe earthquakes throughout history and as a result of these earthquakes, there has been loss of life and property. Especially after the severe earthquakes experienced in the last 3 years (2020 Elazığ (Mw 6.8), 2020 Samos (Mw 6.6), 2023 Kahramanmaraş Elbistan (Mw 7.6) and 2023 Kahramanmaraş Pazarcık (Mw 7.7)), earthquakes have been the primary agenda item for citizens living in the country. As a result of the severe earthquakes that occurred in the past, thousands of people in Türkiye lost their lives, infrastructure networks were damaged, transportation became difficult due to collapsed buildings and bridges, and base stations and communication switchboard buildings were damaged. In particular, because of the damage that occurred on the communication network, it became impossible for people to communicate, and a lot of difficulties were encountered during search and rescue activities. Due to the consequences of earthquakes that occurred in the past, the problems that could arise after a possible severe earthquake in the future have become one of the most important agenda items of the public. In this case, earthquake awareness has increased among citizens. As citizens become more aware of earthquakes, the precautions to be taken before the earthquake have become even more significant for decision-making institutions and mechanisms. Determining potential damage to buildings before earthquakes is of great importance for decision making mechanisms, particularly to prepare adequately beforehand. Analyzing the potential damage that a severe earthquake could cause before it occurs will help reduce the possible loss of life and property after the earthquake. Loss of life and economic loss that may occur after a severe earthquake in Istanbul, where one fifth of the country's population lives and where the contribution to the country's economy is the most, would lead to significant damage to the country's economy. For this reason, determining the damages caused by the earthquake expected to occur in Istanbul before the earthquake will enable decision-making institutions to be prepared for the earthquake.
After the earthquake, critical structures (hospitals, power plants, police stations, etc.) must not be damaged or must remain operational despite damage. Continuing the functionality of such structures after the earthquake will minimize the loss of life. Especially the continuity of the mobile communication network infrastructure is particularly crucial after an earthquake. As a result of severe earthquakes in the country in the past, there were interruptions in the communication network. Damage to the mobile communication network after a severe earthquake creates problems in first aid, search and rescue efforts, especially in metropolitan cities with large populations. 97% of earthquake related injuries occur within the first half hour. First aid and emergency intervention must be provided without wasting time so that rapid intervention to injured people trapped under the collapse can be made. In order to ensure coordination between institutions and to carry out search and rescue activities, the communication network must operate uninterruptedly. At the same time, people who are worried about the condition of their relatives after the earthquake are unable to communicate with each other due to interruptions in the communication network. Lack of communication also causes panic among people. As worried people use their private vehicles to learn about the condition of their relatives, vehicle traffic forms on the roads, causing emergency response teams to arrive late. Therefore, it is essential for the mobile communication network to remain operational after an earthquake. It is necessary to determine the seismic performances of global system for mobile communication (GSM) towers, which are important components of the mobile communication network. Fragility curves are used to determine possible damages in structures and to determine the probable seismic behavior of the structure. Fragility curves are defined as the probability of exceeding limit states for a certain ground shaking level. Thanks to fragility curves, damage that may occur in structures after an earthquake can be determined.
Geographic information system (GIS) based forecasting software is frequently used in emergency response and recovery efforts after earthquakes. HAZTURK program is one of these forecasting software. HAZTURK was obtained by updating the MAEviz program developed for the United States, using Türkiye's inventory (buildings, bridges, roads, etc.) and data (digital elevation model, ground type, ground geology, etc.). As a result of the analyses conducted in HAZTURK, structural, social and economic losses that may occur after the earthquake can be obtained. Fragility curves can be used as an important basis for designing disaster plans, organizing emergency response and first aid activities. Earthquake damage analysis for structures (buildings, bridges, infrastructure lines, etc.), economic loss analysis for structures after an earthquake, fire analysis for estimating fire risk that may occur in structures during and after an earthquake, usability analysis for transportation structures (bridges, viaducts, etc.) after an earthquake, infrastructure damage analysis after an earthquake, reinforcement cost analysis for structures can be performed in HAZTURK.
The aim of the study is to determine in advance the disruptions that may occur in the mobile communication network after the expected Istanbul earthquake. It is aimed to identify the locations of damaged GSM towers after the earthquake to assist decision making institutions in developing strategies. For this purpose, the fragility curves of monopole and lattice type GSM towers in Istanbul were obtained within the scope of the thesis. In the literature, researchers have studied the development of fragility curves for lattice type and reinforced concrete towers used in electrical transmission lines. Although the towers used in transmission lines and those used in communication networks may have similar geometric designs, GSM towers are unique structures. Additionally, these towers vary in height, which naturally leads to differences in their fragility. For these reasons, it is necessary to develop fragility curves specific to GSM towers. After obtaining the fragility curves for GSM towers, producing earthquake scenarios in HAZTURK and identifying damaged GSM towers is an area not yet explored in the literature. The obtained fragility curves were integrated into the HAZTURK program. By applying the earthquake scenario for Istanbul, the geographical locations of the damaged GSM towers were determined. Uninterrupted operation of the mobile communication network will be ensured by directing mobile or drone base stations to the locations of damaged GSM towers whose locations are known. As a result of this situation, there will be no disruption in interagency coordination, first aid, intervention and emergency rescue efforts after the earthquake. Thanks to rapid intervention, the rate of loss of life and property will be lower.
The study is an original subject that has only been studied once worldwide. There is no study on obtaining the fragility curves of lattice type GSM towers, while there is only one paper for monopole type towers. The difference and advantage of the thesis study from the previous study for monopole GSM towers is that it has been implemented for the first time using geographic information systems for disaster management purposes. Another important contribution of the study is that with the integration made to HAZTURK, such studies can be used repeatedly in different cities and different countries.
The study consists of six chapters. In the first part; information about the severe earthquakes experienced in the past in Türkiye is given, communication disruptions are mentioned and the problem is defined. Information is given about the purpose and scope of the thesis, the study area and the flow chart.
In the second part; literature review is included. Information about the studies on obtaining fragility curves in buildings, lattice type GSM tower, monopole type GSM tower and the HAZTURK program is given.
In the third part; definitions of fragility curves, methods used to create fragility curves, information about static pushover analysis and incremental dynamic analysis are given, and the equations used to obtain fragility curves are included.
In the fourth part; information is given about the data classification system, data format and analyses that can be done in the HAZTURK program.
In the fifth chapter; numerical application is included. Fragility curves of lattice and monopole towers and the graph of the fragility curves obtained for each damage level are included. These curves of GSM towers have been integrated into the HAZTURK program and the locations of damaged GSM towers are shown by applying the earthquake scenario for Istanbul.
In the sixth chapter; evaluations were made regarding the results obtained within the scope of the study and suggestions were made.