An approximate method to estimate fundamental site period by utilizing Vs30 and bedrock depth
Vs30 ve anakaya derinliğini kullanarak zemin hakim periyodu tahmini üzerine yaklaşık bir metot
- Tez No: 677310
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, Jeofizik Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Geophysics Engineering, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Yapıların deprem hareketi sırasındaki davranışları üzerinde bulundukları zeminin özellikleri ile doğrudan ilişkilidir. Zemin hakim periyodu da bu noktada büyük bir öneme sahiptir. Yapıların sahip olduğu hakim titreşim periyodu değeri ile zemin hakim periyodu değerinin örtüşmesi sonucu ortaya çıkan rezonans olayı neticesinde yapılardaki deprem etkileri yüksek seviyelerde gerçekleşebilmektedir. Bu yüksek seviyelerdeki etkileri azaltabilmek amacıyla, yapı tasarımları zemin hakim periyodu değeri dikkate alınarak yapılmaktadır. Mevcut deprem yönetmeliklerinde yapı tasarımları için kuvvet ve yer değiştirme esaslı tasarım yöntemleri kullanılmaktadır. Bu tasarım yöntemleri bir çok açıdan faydalı sonuçlar sağlasa da depremin türü (yakın fay, uzak fay vb.), süresi ve frekans içeriği gibi önemli özellikleri göz ardı edebilmektedir. Bu sebeple, bütün bu parametreleri dikkate alan ve ilerleyen yıllarda da mevcut tasarım yöntemlerinin yerini alması öngörülen, enerji esaslı tasarım yöntemleri dikkat çekmektedir. Enerji esaslı tasarım felsefesinde, yapıya giren enerjinin hesaplanması bu yöntem için en önemli giriş bilgisidir. Bu konu hakkında yapılan çalışmalarda, depremin frekans içeriğinin yapıya giren toplam enerjinin hesaplanma aşamasında önemli bir etken olduğu belirtilmiştir. Depremin frekans içeriği üzerinde zemin hakim periyodunun önemli bir etkisi vardır. Bu sebeple, enerji esaslı tasarım yöntemlerinin geniş ölçekli bölgelerde uygulanabilirliğinin sağlanabilmesi için, zemin hakim periyodu haritalarının oluşturulmasına ihtiyaç duyulacaktır. Zemin periyodunun yapılar üzerindeki etkilerinin yanında, deprem dalgalarının karakteristikleri üzerinde de önemli etkileri vardır. Özellikle yer yüzeyine yakın derinliklerdeki zemin özelliklerine bağlı olarak, deprem dalgaları yer yüzeyine büyük genliklerle ulaşabilmektedir. Zemin büyütmesi diye ifade edilen bu olayda da zemin hakim periyodu karakteristik bir öneme sahiptir. Zeminlerin dinamik özelliğini temsil etmek amacıyla literatürde sıklıkla kullanılan, ilk 30 metredeki ortalama kayma dalga hızı olarak tanımlanan Vs30 parametresinin, zemin özelliklerini temsil etmede tek başına yetersiz kaldığı, literatürdeki son çalışmalarda kanıtlanmıştır. Bu nedenle, zemin sınıflandırma çalışmalarında Vs30 ile birlikte zemin hakim periyodunun da dikkate alınmasıyla, daha gerçekçi zemin sınıflandırmalarının sağlanmış olacağı belirtilmiştir. Vs30 parametresi ile ilgili bu zamana kadar yapılmış birçok akademik ve proje bazlı çalışma mevcut olup bu çalışmalar için büyük emekler verilmiştir. Bu çalışmalardan elde edilen bilgi birikiminin zemin periyodu hesapları için kullanılabilirliği, bu tez çalışması kapsamında ana hedef olmuştur. Vs30'a bağlı olarak zemin periyodu hesaplarının yapılabilmesinin, mevcut yöntemlerle zemin periyodu değerlerinin çıkarılmasında oluşacak olası ek zaman ve maliyet kayıplarının önüne geçebileceği düşünülmektedir. xxiv Bütün bu sebep ve ihtiyaçlardan yola çıkarak, bu yüksek lisans tezi kapsamında, Vs30 ve anakaya derinliği (Hbr) parametrelerini denklem girdisi olarak kullanan ve yaklaşık olarak sonuç vermesi hedeflenen bir zemin periyodu formülasyonunun oluşturulması hedeflenmiştir. Bu sayede hem enerji esaslı tasarım yöntemlerinin geniş ölçekli bölgelerde uygulanabilirliğinin sağlanabilmesi hem de zemin sınıflandırma çalışmalarında Vs30 ile birlikte zemin hakim periyodu değerinin dikkate alınabilmesi kolaylaştırılmış olacaktır. Bu amaçla, tezin birinci bölümünde, tezin amacı ve hipotezle birlikte zemin hakim periyodu hesabı için oluşturulan literatürdeki bazı metot ve formüller özet bir şekilde anlatılmıştır. Genel dalga denkleminden yola çıkarak, bazı varsayımların ve kabullerin de kullanılmasıyla, zemin tabakasına bağlı olarak üretilen yöntemlerin nasıl oluşturulduklarıyla ilgili bilgiler verilmiştir. Tezin ikinci bölümünde, tez çalışması kapsamında kullanılan zemin datalarının elde edildiği Kiban Kyoshin network (KiK-net) kuvvetli yer hareketi sismograf ağıyla ilgili bilgiler verilmiştir. Kullanılan zemin datalarının genel formatı ve fiziksel modelleme için yapılması gereken anakaya kabulünün ne şekilde yapıldığı ile ilgili bilgilendirme yapılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde, çok tabakalı zemin profil modellerinin çok serbestlik dereceli sistem olarak modellenmesi şeklinde oluşturulan fiziksel modelden yola çıkılarak, yer yüzeyinden 30 metre derinlik seviyesine kadar olan kısmı ve 30 metre seviyesinden anakaya seviyesine kadar olan kısmı ayrı ayrı değerlendirebilecek şekilde iki alt bölüme ayıran fiziksel bir zemin modeli oluşturulmuştur. Fiziksel modele uyumlu olacak şekilde KiK-net ağındaki 202 adet istasyonun zemin profil bilgileri elde edilmiştir. Her bir KiK-net istasyonu için, 30 metre seviyesine göre tanımlanan iki alt bölümün rijitlik matrisleri zemin tabakalarının kalınlığı ve zemin kayma modülü değerlerine bağlı olarak oluşturulmuştur. Daha sonrasında, alt rijitlik matrisleri üzerinde gauss indirgeme işlemleri uygulanarak eşdeğer rijitlik değerleri hesaplanmış ve elastik yay sabitleriyle gösterilmiştir. İki elastik yayın seri olarak bağlanması şeklinde kabulü yapılan genel sistem için nihai bir efektif rijitlik katsayı değeri hesaplanmıştır. Böylece, çok serbestlik dereceli zemin modelinin tek serbestlik dereceli sistem haline getirilmesi için ilk adım atılmıştır. Sonraki aşamada tek serbestlik dereceli sistem için yığılı kütle olarak modellenen zemin kütlesinin yüzeyden anakaya derinliğine kadarki toplam zemin kütlesinin yaklaşık olarak yüzde kaçlık miktarına karşılık geldiğini bulabilmek için istatistiksel bir çalışma yapılmıştır. Bu istatistiksel çalışmada, çok tabakalı zemin profillerinin zemin hakim periyodu değerini hesaplamak için literatürdeki güvenilir nümerik metotlardan olan basitleştirilmiş Rayleigh metodu, hem kodlama işleminin kolaylığı hem de güzel sonuçlar vermesi sebebiyle temel metot olarak seçilmiştir. Toplam zemin kütlesinin artımsal katsayılar ile çarpılmasıyla bulunan kütle değerlerinin, 202 istasyon için ayrı ayrı olarak, sönümsüz tek serbestlik dereceli sistem periyot formülasyonunda kullanılmasıyla hesaplanan periyot değerlerinin temel metottan çıkan sonuçlarla olan farklarının standart sapması hesaplanmıştır. Bu işlem her bir artımsal kütle katsayısı için tekrarlanmıştır. Daha sonra, standart sapmanın minimum değerde olduğu katsayı bulunarak istatiksel çalışma sonlandırılmıştır. Sonuç olarak, yer yüzeyi seviyesinden mühendislik anakayasına kadarki toplam zemin kütlesinin yaklaşık olarak %19'luk kısmının oluşturulan sönümsüz tek serbestlik xxv dereceli sistem hareketine katıldığı gözlemlenmiştir. Bulunan katsayının toplam zemin kütlesi ile çarpılması ile elde edilen zemin kütlesi de efektif zemin kütlesi olarak isimlendirilmiştir. Böylece, fiziksel modele uygun olarak seçilmiş istasyonlar üzerinde yapılan işlemlerle; ilk başta, iki alt bölümlü çok serbestlik dereceli sistem olarak modellenen zemin profilleri tek serbestlik dereceli sistem haline getirilmiştir. Bütün bu işlemlerle ilgili yapılması gerekenlerin hızlı ve hatasız bir şekilde uygulanabilmesi için MATLAB programlama dilinde çeşitli kodlamalar yapılarak gerekli işlemler sağlanmıştır. Tezin dördüncü bölümünde, sistemin efektif kütle değerinin ve her iki alt bölge için oluşturulmuş olan eşdeğer rijitlik değerlerinin Vs30 ve Hbr ile ilişkisini inceleyip bazı ampirik formüller çıkarabilme adına çeşitli regresyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucunda ilk 30 metre için hesaplanan eşdeğer rijitlik değerinin Vs30 değeri ile uyumlu değişim gösterdiği gözlemlenerek bu değişime uygun ampirik formül oluşturulmuştur. 30 metre seviyesi altındaki kısım için tanımlanan eşdeğer rijitlik değeri ile sistemin efektif kütle değerinin ise Hbr'ye bağlı olarak uyumlu bir değişim gösterdiği gözlemlenmiştir. Benzer şekilde bu iki parametre için de Hbr'ye bağlı ampirik denklemler oluşturulmuştur. Böylece fiziksel model için oluşturulmuş olan parametrelerin Vs30 ve Hbr cinsinden ifade edilmesi sağlanmıştır. Sönümsüz tek serbestlik dereceli sistemin genel periyot formülasyonu içerisinde elde edilen ampirik denklemlerin kullanılmasıyla birlikte, yeni bir zemin hakim periyodu formülasyonu oluşturulmuştur. Tezin beşinci bölümünde, önerilen periyot formülasyonu kullanılarak hesaplanan zemin periyodu değerleri mevcut literatür formülleri ve metotlarından elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak yeni formülasyonun doğrulaması yapılmıştır. Tezin altıncı bölümünde ise ilk olarak İstanbul'un Avrupa yakasının güney bölümündeki 39 istasyon için yapılmış olan Vs30 ve Hbr çalışmalarından elde edilen sonuçlar kullanılarak, önerilen periyot formülasyonu ile bu istasyonların zemin hakim periyotları hesaplanmış ve sonuçlar yorumlanmıştır. İkinci aşamada İzmir, Bayraklı bölgesinde bulunan zemin profil bilgisinin önerilen hakim periyot formülasyonunda kullanılması ile elde edilen sonuç, literatür formülasyonlarından elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bulunan zemin hâkim periyodu değerinin yakın zaman içerisinde bu bölgede gerçekleşen Samos (Sisam) depreminde yıkılmış veya ağır hasar görmüş binaların büyük bir kısmındaki bina baskın doğal titreşim periyotları ile yaklaşık olarak örtüştüğü gözlenmiştir. Elde edilen bilgilere dayalı çeşitli yorumlar yapılmıştır. Tezin sonuç bölümünde çalışma kapsamında elde edilen bulgular ve önerilen formülasyonun kullanımıyla ilgili bazı öneriler yapılmıştır. Vs30 ve Hbr'ye bağlı olarak oluşturulan formülasyonun geniş bir zemin hakim periyodu aralığında güvenilir sonuçlar verdiği belirtilmiştir. Yüksek periyotlu zemin bölgelerinde zemin periyodu hesaplarının daha gerçekçi metotlar ile yapılması tavsiye edilmiştir. Birçok zemin sınıfı için uygulanabilirliği olan bu yeni formülasyonun literatüre önemli katkılar sağlayabileceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Determination of the fundamental site period (T0) is important to identify the resonance probability of existing structures during any earthquake movement. Recent developments in the literature showed that Vs30 (time-averaged shear wave velocity up to 30 meters soil depth) should be evaluated with T0 to be able to achieve more realistic results in soil classifications. Furthermore, T0 is a determinative parameter for the seismic energy that is imparted to a structure by ground motions. Besides all the importance of T0, many efforts have been provided to produce Vs30 maps of several regions and countries so far. To be able to make use of this knowledge to estimate T0, an approximate method based on Vs30 and bedrock depth (Hbr) is proposed in this thesis study. For this purpose, firstly, a physical soil model was formed by separating a layered soil model into two subparts from the level of 30 meters depth. Accordingly, 202 different stations which are appropriate for the model were chosen from the Kiban Kyoshin network (KiK-net) of Japan. Stiffness matrices for two subparts of each selected station were constituted with the use of shear modulus and layer thickness values of all layers. Then, equivalent stiffness coefficients of each subpart were calculated by applying gauss elimination procedures and eventually represented with some elastic constants. The assumption of springs in series was applied and a representative elastic constant for the overall system was determined. Secondly, a statistical study was performed to calculate the effective mass which contributes to the undamped free vibration movement of the representative single degree of freedom (SDOF) system of a layered soil model. According to the results, it was observed that about 19 percent of total soil mass from the soil surface to bedrock level, contributes to the movement of the fundamental mode. Then, several regression analyses were conducted to be able to represent the spring constants and the effective mass by utilizing Vs30 and Hbr values. According to the analysis results, it was observed that the spring constant for the upper part of the model is in good agreement with the Vs30 value, while the spring constant of the bottom part and the effective mass value for the representative SDOF system are well correlated with the Hbr value. Accordingly, representative regression equations were provided for the spring constants and the effective soil mass. Eventually, a new empirical formulation to estimate the fundamental site period was proposed by employing the regression equations. Consequently, the proposed formula was verified with the results of some literature equations and methods. Besides, two different regional studies were applied in the European side of Istanbul and Bayraklı, Izmir regions. In short, the proposed method to estimate T0 is highly recommended for the regions where Vs30 and Hbr values are already known.
Benzer Tezler
- Mitrotemor ölçümleri ile depremlerin yerel geoteknik etkilerinin belirlenmesi
Determination of local geotechnical effects of earthquakes by microtremor measurements
B.NEJAT KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA ANSAL
- Kazık taşıma kapasitesinin statik formüllerle bulunması
The Calculation of the pile bearing capacity with statical formulas
TANER HERGÜNER
- GPS meteorolojisi : İstanbul için bir uygulama
GPS meteorology : An application for Istanbul
ÖMER GÖKDAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGİN TARI
- Uydu verileri ile İstanbul Boğazı ve Haliç'de su kirliliğinin makro düzeyde belirlenmesi
Intrepretation at macro level as pollution of water resources of remotely sensed data of Bosphorus and golden horn estuary by an unsupervised and supervised classification method
H.GONCA COŞKUN