DEEPSOIL ile Sıvılaşma ve Sismik Zemin Tepkisi Analizi (TBDY 2018)

DEEPSOIL nedir, ne işe yarar?

DEEPSOIL, deprem sırasında bir zemin profilinin ana kayadan yüzeye kadar deprem dalgalarını nasıl ilettiğini ve değiştirdiğini hesaplayan bir tek boyutlu (1B) sismik zemin tepkisi analiz yazılımıdır. Illinois Üniversitesi (UIUC) tarafından geliştirilen program ücretsizdir ve dünya genelinde hem akademik hem mühendislik pratiğinde standart araçlardan biri haline gelmiştir. Güncel ana sürüm V7'dir (yapım 7.0.33).

Programın temel sorusu şudur: Ana kayadaki deprem hareketi yumuşak zemin katmanlarından geçerken hangi periyotlarda büyür, hangilerinde sönümlenir? Bu "büyütme" etkisi, yapının taban kesme kuvvetini ve tasarım spektrumunu doğrudan etkiler. Türkiye'de 1999 Kocaeli ve 2023 Kahramanmaraş depremlerinde alüviyal havzalarda gözlenen ağır hasarların önemli bölümü, tam da bu yerel zemin büyütmesiyle ilişkilidir.

DEEPSOIL üç analiz türü sunar:

Eşdeğer lineer ile nonlineer arasındaki fark

Eşdeğer lineer yaklaşım, zemin davranışını her iterasyonda sabit bir kayma modülü ve sönüm oranı ile temsil eder; bu değerler ulaşılan kayma deformasyonu seviyesine göre güncellenir. Hesaplama frekans tanım alanında yapıldığı için hızlıdır ve yakınsaması kolaydır. Ancak gerçek zemin, büyük deformasyonlarda histeretik (çevrimsel) ve doğrusal olmayan davranır; eşdeğer lineer bunu yaklaşık olarak yakalar.

Nonlineer analiz ise hareketi zaman adımlarına bölerek gerçek gerilme-deformasyon eğrisini (histeretik döngüler) doğrudan izler. DEEPSOIL'de bu, çoğunlukla genelleştirilmiş hiperbolik (GQ/H) zemin modeli ile yapılır. Güçlü sarsıntıda, büyük kayma deformasyonlarında ve özellikle boşluk suyu basıncının arttığı durumlarda nonlineer analiz fiziksel olarak daha doğrudur.

Kritik kural: Sıvılaşma söz konusuysa eşdeğer lineer yetersizdir. Boşluk suyu basıncı arttıkça efektif gerilme düşer, zemin yumuşar ve rijitliğini kaybeder. Bu süreç ancak zaman tanım alanında, efektif gerilme esaslı nonlineer analizle modellenebilir.

Sıvılaşma analizi: iki tamamlayıcı yol

Sıvılaşma değerlendirmesinde pratikte iki yöntem birlikte kullanılır.

1. Basitleştirilmiş tetiklenme yöntemi (saha verisinden). Seed ve Idriss'in 1971'de önerdiği, Boulanger ve Idriss (2014) ile güncellenen gerilme esaslı yaklaşım, depremin oluşturduğu çevrimsel gerilme oranını (CSR) zeminin çevrimsel direnç oranıyla (CRR) karşılaştırır. CRR, SPT darbe sayısı (N₁,₆₀) veya CPT uç direncinden korelasyonlarla bulunur. Güvenlik sayısı FS = CRR/CSR < 1 ise o katman tetiklenmeye yatkındır. Bu yöntem TBDY 2018 Bölüm 16.4 kapsamında SPT/CPT esaslı sıvılaşma değerlendirmesinin omurgasıdır.

2. Efektif gerilme zemin tepkisi analizi (DEEPSOIL ile). DEEPSOIL'in nonlineer efektif gerilme modülü, boşluk suyu basıncı üretimini doğrudan modeller. Programa entegre edilen modifiye Vucetic-Dobry (1986) PWP üretim modeli, GQ/H+u kurucu modeliyle birleştirilerek her katmandaki boşluk suyu basıncı oranını (rᵤ = Δu/σ′ᵥ₀) deprem boyunca takip eder. rᵤ değeri 1.0'a yaklaşan katman, efektif gerilmesini tümüyle yitirmiş yani sıvılaşmış demektir.

İki yöntem birbirini doğrular: Basitleştirilmiş yöntem hangi katmanın riskli olduğunu hızlı tarar; DEEPSOIL bu katmanların deprem süresince nasıl yumuşadığını ve yüzey hareketini nasıl değiştirdiğini gösterir.

TBDY 2018 Bölüm 16 ve sahaya özel analiz

TBDY 2018'in en belirgin yeniliklerinden biri, eski bölgesel tasarım spektrumlarının yerine sahaya özel (koordinat bazlı) spektrumların gelmesidir. Bölüm 16, deprem etkisi altında temel zemini ve temellerin tasarımını düzenler.

ZF zemin sınıfı (sıvılaşabilir zeminler, hassas ve yüksek plastisiteli killer, kalın yumuşak/orta katı kil katmanları vb.) için sahaya özel zemin davranış analizi zorunludur ve yönetmelik 16.5'e yönlendirir. Sahaya özel tasarım spektrumu üretilirken 16.5.2.5 uyarınca, hedef spektrumla uyumlu, kaynak ve zemin koşullarını yansıtan en az 11 gerçek ivme kaydı seçilip uygun şekilde ölçeklenir. DEEPSOIL bu kayıtların her birini zemin profilinden geçirerek 11 ayrı yüzey hareketi ve spektrumu üretir; bunların ortalaması sahaya özel spektrumu verir.

Önemli bir vurgu: Sıvılaşma potansiyeli olan ZF sahalarda yönetmelik mantığı, frekans tanım alanındaki eşdeğer lineer modelin kullanılamayacağı, bunun yerine zaman tanım alanında nonlineer analiz gerektiği yönündedir. Bu, DEEPSOIL'in efektif gerilme modülünün neden kritik olduğunu açıklar.

Adım adım uygulama

DEEPSOIL ile tipik bir sahaya özel analiz şu sırayla ilerler:

1. Zemin profilini oluştur. Sondaj loglarından katman kalınlıkları, birim hacim ağırlıklar, kayma dalgası hızı (Vₛ) profili ve yeraltı su seviyesi girilir. Vₛ profili büyütmenin en belirleyici girdisidir.
2. Dinamik eğrileri ata. Her katmana modülüs azalım (G/Gₘₐₓ) ve sönüm (D) eğrileri tanımlanır. DEEPSOIL, Darendeli (2001) gibi yerleşik eğri kütüphaneleriyle bu adımı kolaylaştırır.
3. Analiz türünü seç. Sıvılaşma riski yoksa eşdeğer lineer veya toplam gerilme nonlineer; sıvılaşma riski varsa PWP üretimli efektif gerilme nonlineer seçilir.
4. Ana kaya hareketini gir. AFAD spektrumuyla uyumlu, seçilip ölçeklenmiş ivme kayıtları (ZF için en az 11 adet) yüklenir. Hareketin "outcrop" mu "within" mı olduğu doğru tanımlanmalıdır.
5. Çalıştır ve yorumla. Çıktı olarak yüzey ivme zaman geçmişi, tepki spektrumu, büyütme fonksiyonu ve (efektif gerilme analizinde) her katmanın rᵤ-zaman grafiği alınır.

Dikkat edilecekler

• Vₛ kalitesi her şeydir. Yetersiz veya tahmini Vₛ profili tüm analizi geçersiz kılar; mümkünse sismik kuyu logu (PS logging) veya MASW kullanın.
• Ana kaya tanımı. Sert kaya yoksa "elastik yarı uzay" (kompliyant taban) ile rijit taban arasındaki fark sonucu önemli ölçüde değiştirir. Taban Vₛ'i ve sönüm parametresi dikkatle girilmelidir.
• Hareket türü. Kaydın outcrop mu within mı olduğunun yanlış tanımlanması büyütmeyi sistematik biçimde hatalı verir.
• PWP model kalibrasyonu. Vucetic-Dobry parametreleri (F, p, s, v vb.) zemine göre kalibre edilmelidir; varsayılan değerlerle çalışmak yanıltıcı sonuç doğurabilir.
• Tek bir kayıtla karar verme. Spektral şekil kayıttan kayda büyük değişir; TBDY 2018'in 11 kayıt kuralı tam da bu belirsizliği yönetmek içindir.
• 1B sınırı. DEEPSOIL 1B'dir; havza kenarı, topografik etki ve 2B/3B odaklanma etkileri ihmal edilir. Karmaşık geometrilerde 2B analiz (ör. sonlu eleman) düşünülmelidir.

Örnek: Alüviyal sahada büyütme

İstanbul-Avcılar veya Adapazarı tipi bir alüviyal havzada, üst 20 m'de gevşek-orta sıkı kum ve yumuşak kil, altında daha sert formasyon bulunan bir profil düşünün. Yeraltı su seviyesi 2 m'dedir. SPT esaslı basitleştirilmiş yöntem, 6-14 m arası gevşek kum katmanlarında FS < 1 verir; yani tetiklenme beklenir.

Bu profil DEEPSOIL'de efektif gerilme nonlineer modülüyle, AFAD spektrumuna ölçeklenmiş 11 kayıtla çalıştırıldığında tipik olarak iki sonuç gözlenir: (1) Gevşek kum katmanlarında rᵤ deprem ortasında 1.0'a yaklaşır, yani katmanlar sıvılaşır ve rijitliklerini yitirir. (2) Sıvılaşma sonrası zeminin yumuşaması, yüzey hareketinin yüksek frekanslarını filtreler ama uzun periyotlu spektral ivmeleri artırır; sonuçta spektrumun tepe noktası daha uzun periyotlara kayar. Bu kayma, üst katlı binalar için TBDY standart spektrumunun yetersiz kalabileceği, sahaya özel spektrumun ise gerçek riski daha doğru yansıttığı anlamına gelir.

Saha notu: Pratikte basitleştirilmiş tetiklenme ile DEEPSOIL sonuçları çoğunlukla aynı katmanları işaret eder; ancak ikisi çeliştiğinde önce girdileri (Vₛ, su seviyesi, ince dane düzeltmesi, kayıt seçimi) sorgulayın. Çelişki çoğu zaman bir veri hatasının ilk sinyalidir, modellerin eksikliği değil.

Kaynaklar

• DEEPSOIL V7 User Manual, Hashash ve diğerleri, University of Illinois at Urbana-Champaign (deepsoil.cee.illinois.edu).
• Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY) 2018, Bölüm 16 – Deprem Etkisi Altında Temel Zemini ve Temellerin Tasarımı, AFAD.
• Boulanger, R.W. ve Idriss, I.M. (2014), "CPT and SPT Based Liquefaction Triggering Procedures", Center for Geotechnical Modeling Report No. UCD/CGM-14/01, University of California, Davis.
• Seed, H.B. ve Idriss, I.M. (1971), "Simplified Procedure for Evaluating Soil Liquefaction Potential", Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE.
• Vucetic, M. ve Dobry, R. (1986), boşluk suyu basıncı üretim modeli; DEEPSOIL GQ/H+u efektif gerilme modülünde uygulanan formülasyon.

Sources:

• https://deepsoil.cee.illinois.edu/Files/DEEPSOIL_User_Manual_v7.pdf
• https://www.afad.gov.tr/kurumlar/afad.gov.tr/2309/files/TBDY_2018.pdf
• https://www.imo.org.tr/Eklenti/8165,bolum16-02-08-2022-imo-ankarapdf.pdf
• https://faculty.engineering.ucdavis.edu/boulanger/wp-content/uploads/sites/71/2014/09/Idriss_Boulanger_SPT_Liquefaction_CGM-10-02.pdf
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0267726117302865