Depreme Dirençli Kentlerin Oluşumunda Deprem Mühendisliğinin Rolü
Deprem riski, bölgeye ait deprem tehlikesinin, sistemlerin hasar görebilirlikleri ile beraber işlenmesi sonucu oluşacak yapısal hasarların derecelerinin, hasarlı yapı sayılarının, can kayıpları, yaralı sayısı, mali kayıplar cinsinden belirlenmesidir. Kentlerde olası bir depreme hazırlıklı olmak için deprem senaryo çalışmaları ile risk tahminleri yapmak sıklıkla başvurulan bir yöntemdir.
* Bu yazı Boğaziçi Üniversitesinden Doç. Dr. Gülüm Tanırcan'ın Şehir & Toplum dergisinin Nisan - Temmuz 2018 tarihli "Afetlere Dirençli Kentler" sayısında yayınlanmıştır.
Türkiye’de yoğun nüfuslu pek çok şehir aktif fay hatlarının yakınında yer almaktadır. Son yüzyılın istatistiklerine bakıldığında ortalama her 7 yılda bir büyüklüğü 7’den fazla olan bir deprem Türkiye’yi etkilemiştir. En yoğun nüfusa sahip olan Marmara’da 15. Yüzyıldan bu yana en az sekiz kez büyük deprem meydana gelmiştir. 1999 Kocaeli ve Düzce depremlerinden sonra Marmara Bölgesi’nde yer alan aktif fayların deprem üretme potansiyeli üzerine, çok disiplinli pek çok değerli çalışma yapılmıştır. Bunlar arasında Ergintav ve ark. (2014) İstanbul Adalar açığındaki fay kolu ile Tekirdağ-Çanakkale aralığındaki Ganos fayının yüksek tehlikesine işaret etmiştir. Bir başka çalışmada Murru ve ark. (2016) çeşitli fay kırılma senaryolarına bağlı olarak İstanbul'da M>7 depreminin olma olasılığının %47’ye kadar çıkabileceğini ifade etmiştir. Senaryo depremlerin yerleşim yerlerinde deprem yönetmeliğinde belirtilen tasarım değerlerinin üzerinde yer hareketi üretebileceği de belirtilmiştir (örn. Tanırcan, 2012, Akıncı ve ark., 2017). Tüm çalışmaların birleştiği nokta İstanbul başta olmak üzere Marmara Bölgesi’ndeki pek çok yerleşim yerinin deprem tehlikesi altında olduğudur.
Deprem tehlikesi kentlerin bulunduğu coğrafi konum ile ilişkili olduğundan, tehlikenin azaltılması mümkün değildir. Deprem riski ise kent sistemini oluşturan riske maruzbileşenlerin hasar görebilirlik seviyesinin azaltılması ile büyük ölçüde azaltılabilir. Burada temel bileşenler her türlü üstyapı (her türlü bina vb.) ve altyapı-ulaşım (yollar, köprüler, viyadükler, her türlü enerji dağıtım, su ve kanalizasyon vb.) sistemleridir. Bu bileşenlerin belediyelerin izin verdiği konumlarda, ilgili yönetmelikler ve şartnamelere uygun olarak projelendirilmesi, inşasının yapılması ve aynı zamanda bu aşamaların bir denetim sürecinden geçmesi depreme dirençli kentlerin oluşmasında en önemli unsurlardır. Şüphesiz bu sistem farklı disiplinlerin ve devlet organlarının bir arada çalışmasını gerektirmektedir. Bunlar arasında önemli bir yeri olan deprem mühendisliği; yapı, geoteknik ve mühendislik sismolojisi bilgilerini göz önünde bulundurarak depreme dayanıklı yapı tasarımını amaçlayan bir bilim dalı olarak ifade edilebilir.
Bu yazıda depreme dayanıklı kentlerin oluşabilmesi için deprem mühendisliği kapsamındaki konular özetlenecektir. Deprem mühendisliği deprem risk yönetimi döngüsü içerisinde, deprem tehlikesinin ve olası risklerin belirlenmesi, risk azaltma ve hazırlık çalışmalarında, deprem sonrasında ise iyileştirmeye yönelik çalışmalarda aktif rol oynamaktadır. Bu çalışmalar ilgili alt başlıklarda tanıtılacaktır.
DEPREM TEHLİKESİNİN VE RİSKİN BELİRLENMESİ
Deprem tehlikesinin tanımlanması için genel olarak bilinen iki yaklaşım vardır. Bunlardan biri, tehlike sonuçlarını etkileyebilecek olası tüm deprem senaryolarını hesaba katan, ihtimal hesabına dayanan, olasılıksal sismik tehlike analizidir. Diğeri ise deterministik deprem tehlikesi değerlendirmesidir. İhtimal hesabına dayalı yöntemde tüm deprem senaryoları değerlendirilerek, referans zemin koşullarındaki en büyük yer ivmesi ve yapı tepki (spektral) ivmeleri gibi yer hareketi parametreleriyle ifade edilen yer hareketi seviyelerine karşılık gelen aşılma olasılıkları elde edilir. Olasılıksal deprem tehlike değerlendirmesinin temel bileşenleri, bölgenin sismotektonik yapısına uygun deprem kaynakları, her bir kaynak için deprem oluşum karakteristikleri ve yer hareketleri tahmin denklemleridir. Bu bilgi, belirli bir bölgedeki farklı yer hareketi parametrelerinin aşılması ihtimalini elde etmek üzere, olasılığa dayalı bir model kullanılarak, sayısal olarak entegre edilir. Geçmişteki Türkiye deprem bölgeleme haritaları olasılıksal deprem tehlikesi analizlerinin sonucunda çizilmiştir.
Dünyada yıllar içinde artan yer hareketi kayıt cihazları sayesinde kaydedilen ve paylaşılan deprem sayısının da artması, yer hareketi hakkında daha fazla bilimsel çalışma yapılmasını ve bu konudaki bilginin artmasını sağlamıştır. Bu bağlamda Türkiye Ulusal Deprem Stratejisi ve Eylem Planı (UDSEP-2023) kapsamında Türkiye Deprem Tehlike Haritası da güncellenmiştir (Akkar ve ark, 2014). Kapsamlı bir çalışmanın ürünü olan bu haritalar, değişik deprem seviyeleri için referans zemin koşullarında olasılıksal deprem tehlikesini sayısal olarak ifade eden yer hareketi ivmeleri ve spektral ivmeleri vermektedir (Şekil 2). Bu değerler 2018 Mart ayında Resmi Gazetede yayınlanan ve 2019 yılı itibariyle yürürlüğe girecek Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY, 2018) tasarım spektrumlarının hesaplanmasında kullanılmaktadır. Tehlike değerlerine https://tdth.afad.gov.tr/ adresinden ulaşılabilir. Aynı internet adresinde yer alan interaktif sistem, nokta bazlı tasarım spektrumlarını otomatik olarak üretmekte ve tasarım mühendislerine kolaylık sağlamaktadır.
Deprem riski, bölgeye ait deprem tehlikesinin, sistemlerin hasar görebilirlikleri ile beraber işlenmesi sonucu oluşacak yapısal hasarların derecelerini, hasarlı yapı sayılarını, can kayıpları, yaralı sayısı, mali kayıplar cinsinden belirlenmesidir. Kentlerde olası bir depreme hazırlıklı olmak için deprem senaryo çalışmaları ile risk tahminleri yapmak sıklıkla başvurulan bir yöntemdir.
Gerek deprem senaryoları ve gerekse gerçek bir deprem meydana geldikten hemen sonra ampirik yer hareketi bağıntıları, bölgesel zemin, yapı ve nüfus envanteri ile yapılacak kayıp tahminleri hasarın ve can kayıplarının miktarı konusunda yetkili mercilere fikir vermektedir. Bu tahminleri, yapan programlar arasında Amerikan PAGER sistemi (Wald ve ark., 2008), dünyada büyüklüğü 5.5’ten fazla olan depremler için sarsıntı haritaları üretebilmektedir.
Sarsıntı haritalarının oluşturulmasında deprem kaynak çözümlerini ve ivme verisini etkin olarak kullanabilmektedir. ELER (Demircioğlu ve ark., 2009), Avrupa – Akdeniz ülkeleri için deprem kayıp haritalarının hazırlanması için oluşturulmuş bir rutindir.
AFAD-RED, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı (AFAD) tarafından geliştirilmiş deprem hasar ve kayıp tahmini yapan benzeri niteliklerde bir programdır.
Kentsel deprem riskinin ortaya çıkarılması için bir başka yaklaşım olan senaryo deprem simülasyon parametreleri, yerel zemin parametreleri ve detaylı üst yapı bilgileri kullanarak bütünleşik deprem simülasyonları yapılmasıdır. Yüksek performanslı bilgisayarlar ile gerçekleşen bu tür simülasyonlar sonucunda seçili tüm alandaki yapıların yatay yer değiştirme, kat öteleme değerleri gibi yapısal davranışları tahmin edilebilmektedir. Bu tür çalışmalar Marmara Bölgesi’nde deprem ve tsunami zararlarının azaltılması ve Türkiye’de afet eğitimi projesi (MarDiM, 2018) kapsamında İstanbul Zeytinburnu ilçesindeki pilot alan için başarı ile gerçekleştirilmiştir (Şahin ve ark., 2016). Çalışmanın diğer kentsel alanlar için de tekrarlanması mümkündür.
Geçmişte İstanbul ve İzmir için yapılan deprem senaryo çalışmaları bu kentlerdeki riskin ne kadar yüksek olduğuna işaret etmiştir (IBB,2009, IDSDMP, 1999). Bu çalışmaların sonucu olarak İstanbul’da pek çok ulusal ve uluslararası destekli proje başlatılmıştır. T.C. Çalışma ve Sosyal Güvenlik Bakanlığı verilerine göre Türkiye’deki 20 milyona yakın yapı stokunun yaklaşık 6-7 milyonunun depreme dayanıksız olduğu bilinmektedir. Yoğun nüfuslu ve deprem tehlikesine maruz pek çok başka şehir bulunmakla beraber, hemen hiçbirinde senaryolara dayalı kapsamlı deprem risk çalışması maalesef yapılmamıştır/uygulamaya koyulmamıştır. Risk çalışmalarının yapılabilmesi için elzem olan yapı envanterleri, nüfus bilgileri, yerel jeoloji ve zemine ait geoteknik vb. bilgiler artık neredeyse tüm belediyelerde bulunmaktadır. Benzeri çalışmaların vakit geçirmeden başlatılması, sonuçların değerlendirilerek depreme daha dayanıklı kent dokusunun oluşturulabilmesi için karar verici mercilerin politikalarını belirlemesi gerekmektedir.
RİS AZALTMA VE HAZIRLIK ÇALIŞMALARI
• Deprem Yönetmelikleri
Kuvvetli deprem yer hareketi özellikleri, yapıların bu hareket sırasında davranış biçimleri, geçmiş depremlerde gözlemlenen hasar tipleri, bilimsel araştırmalar ile artan bilgi ve deneyimler birleştirilerek depreme dayanıklı yapı tasarımı ilkeleri ve hesap tekniklerini içeren deprem yönetmelikleri hazırlanmıştır.
Yönetmelikler zaman içerisinde dünya ile birlikte Türkiye’de de evrilmiştir. 1944’te deprem zararlarının azaltılmasına dair çıkartılan ilk kanun ve akabinde 1947’deki ilk deprem yönetmeliğinden bu yana deprem yönetmeliği 6 kez değişmiş ve deprem bölgeleri haritası 4 kez güncellenmiştir.
Halen yürürlükte olan “Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik (ABYYHY,2007)” hem üniversitelerde ilgili meslek dallarındaki öğrencilere okutulmakta hem de çeşitli vesileler ile inşaat sektöründe çalışan mühendislere aktarılmaktadır. 2019 yılından itibaren yürürlüğe girecek çok daha geniş kapsamlı “Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY,2018)” bilgilendirme eğitimleri de meslek odaları, üniversiteler kanalları vasıtasıyla devam etmektedir.
Bütün bu gelişmeler göz önünde bulundurulduğunda günümüzde yeni yapıların halen deprem sırasında hasar görmelerinin ana sebepleri;
1) Yapı tasarımında deprem yönetmeliklerinde belirtilen kuralların eksik/yanlış uygulanması,
2) Proje arazisindeki sığ zemine ait geoteknik çalışmaların yapılmaması/yeterli hassasiyette yapılmaması,
3) İnşaatın tasarıma uygun olarak gerçekleştirilmemesi olarak sıralanabilir. Bunun yanı sıra çevresel etkiler altında malzemelerinin dayanımı azalmış ve ekonomik ömrünü tamamlamış eski yapıların deprem sırasında hasar görme ihtimalleri yüksektir.
Bu sorunlar muhtemelen yapı tasarımının deprem yönetmeliği kurallarına hâkim nitelikli mühendisler tarafından yapılmamış olmasından ileri gelmektedir. Ülkemizde mühendisler üniversiteden mezun olduklarından itibaren bilgi düzeyi ve tecrübesine bakılmaksızın tüm yetkilere sahip olmaktadır. Ancak
Türkiye’deki üniversitelerde mühendislik eğitimleri, gerek laboratuvar kapasiteleri vb. gibi altyapı yetersizlikleri ve gerekse öğretim kadrosu yetersizliği sebebiyle aynı düzeyde yapılamamaktadır.
Depreme dayanıklı tasarım ile ilgili derslere verilen ağırlığın değişken olması ve Türkiye’de yetkin mühendislik kavramı olmaması, yukarıda sayılan sorunları gündeme getirmektedir. İki numaralı sorun geoteknik mühendislerinin de üstüne basa basa ifade ettikleri, 2005 yılında Zemin ve Temel Etüdü Raporu'nun hazırlanmasına ilişkin esasların oluşturulması ile bir miktar çözümlenen önemli bir problemdir.
Kuvvetli deprem yer hareketi yüzeye yakın sığ zemin tabakalarından geçerken, zeminin özelliklerine bağlı olarak değişebilir. Yüzeye ulaşan deprem hareketinin genliği büyüyebilir, küçülebilir, süresi uzayabilir. Öte yandan deprem dalgaları zeminin mukavemet ve şekil değiştirme özelliklerini etkileyebilir. Bunun sonucunda zeminin taşıma gücü azalabilir ve izin verilen limitlerin ötesinde oturmalar meydana gelebilir.
Deprem yönetmelikleri, zeminleri ilk 30 metredeki ortalama kayma dalgası hızlarına göre belirli sınıflara ayırmakta ve bu sınıflara göre spektrum değerlerinin verilen katsayılar ile çarpılmasını istemektedir. Ancak temel seviyesi altındaki ilk 30 metre derinliğin zemin yapısı ile sınıflandırma yapmak, derin deprem ağları ile zemin davranışlarını incelenebildiği günümüz bilgisi ile çelişmektedir. Bu sebeple yumuşak zemin üzerinde yapılması planlanan özel yapılarda sondajın 30 metreden daha derin yapılması önerilmektedir. Kaldı ki yönetmelikteki en zayıf F tipi zemin için mutlaka detaylı geoteknik araştırma yapılması gerekmektedir.
Genel olarak yukarıda verilen yapısal hasara gerekçe olarak sıralanan üç maddenin de sebebi yapı denetim sisteminin etkin çalışmamasıdır. Bu konu, yazının sonunda özel olarak ele alınmıştır.
• Deprem İzleme Ağları
Risk tahmini yapan algoritmalar bölgeye ait deprem kaynak parametrelerini, küçük ölçekte yayınım ve yüzeysel zemin etkilerini yeteri kadar gerçekçi temsil edemediklerinden dolayı, hasarın yoğunlaştığı bölgeyi tespit etmekte henüz yetersiz kalmaktadırlar. Bu tür algoritmalar ancak deprem ivme verileriyle zenginleştirildiğinde gerçekçi bir sarsıntı dağılımı elde edilebilmektedir. Örneğin; PAGER programı 2011 yılında meydana gelen Van Depremi can kayıplarını, merkez üssü tahminlerindeki belirsizlikten dolayı 10.000’leri bulan rakamlar ile tahmin etmiştir. ELER programı ise sarsıntı haritasını nokta kaynak kabulü yapılması sebebiyle merkez üssünde en büyük olacak şekilde tahmin etmiş, ancak gerçekte hasar, yönlenme etkileri sebebiyle merkez üssünün yaklaşık 50 km kuzey batısında bulunan ve depremde en çok can kaybı veren Erciş ilçesinde odaklanmıştır (toplam can kaybının %74’ü). Deprem erken uyarı sistemleri, depremi yaratacak faya en yakın konumda çalışan istasyonlar aracılığı ile deprem hareketini saniyeler öncesinden haber verebilmektedir. Alarm sistemi sayesinde deprem sebebiyle patlama, yangın gibi ikincil tehlikelere gebe tesislerde enerjinin, gazın vb. otomatik olarak kesilmesi ya da üretimin durdurulması sağlanabilmektedir.
Yüksek yapılar, barajlar gibi özel yapılar için de yapısal deprem alarm sistemi kurulabilmektedir. Halen Boğaziçi Üniversitesi, KRDAE tarafından işletilen sistem Marmaray ve İGDAŞ tarafından kullanılmaktadır. Deprem izleme ağları ile kurulacak acil müdahale ve erken uyarı sistemlerinin başarısı o bölgedeki deprem kayıt istasyon sayısına bağlıdır. İstasyon sayısının artması, gelen yer hareketi bilgisinin doğruluğunu artırmaktadır. Kalabalık şehirlerde bu istasyonlardan oluşan ağların gerekliliği kaçınılmaz bir gerçek olup, kurulum maliyetinin yüksekliği sistemlerin yaygınlaştırılmasına en büyük engeli oluşturmaktadır. Gelişen teknoloji ile bu engel de aşılmıştır. Son yıllarda, MEMS (Mikro elektro-mekanik sistemler) tabanlı kapasitörlerin geliştirilmesiyle, algılayıcıların geometrik boyutlarında elde edilen hassasiyet ve küçülme sayesinde, bu tip algılayıcılar ivmeölçerlerde de kullanılmaya başlamıştır.
Teknik donanım desteğinin ülke içinde ve hızlı olması, gelişime açık altyapısının olması ve adapte edilebilmesi sayesinde çok sayıda cihaz ile gerek sismoloji gerekse deprem mühendisliğine yönelik farklı pek çok çalışma gerçekleşebilmektedir. Düşük bütçeli bu cihazların yaygınlaşması ile bölgesel sarsıntı ve hasar haritalarının, depremin hemen sonrasında ve daha gerçekçi şekilde oluşturulması ve daha çok yapıya deprem izleme sistemlerinin kurulumu mümkün olabilecektir. Yakın zamanda Tekirdağ pilot bölge için üretilen sarsıntı haritaları başarılı örneklerden biridir (Tanırcan ve ark., 2017).
• Özel Deprem Etütleri
Yukarıda bahsi geçen tüm şartlar sağlanmış olsa da önemli yapılar için özel deprem etütleri gerekmektedir. Örneğin faya yakın bölgelerde (<15km) depremin kaynak özelliklerinden dolayı, yönlenme etkileri olarak da bilinen büyük periyotlu ve genlikli kuvvetli deprem hareketleri meydana gelebilmektedir. Ayrıca bu bölgelerde yapıların elastik ötesi davranışları yer hareketinin en büyük olduğu doğrultudaki değerine daha çok duyarlı olmaktadır. Yönlenme etkisi dolayısıyla yapılar büyük yer değiştirmeler yapmaya zorlanabilirler. Deprem yönetmeliklerinde göz önünde bulundurulmayan ya da basitleştirilmiş şekilde yer alan bu etkiler sebebiyle yapılarda hasar meydana gelebilir. Bu tür etkilerin göz önünde bulundurulması için tasarım sırasında sahaya özel deprem etütlerinin yapılması tavsiye edilmektedir. Bu etütler:
1) Deprem tehlike analizi,
2) Deprem tasarım spektrumlarının hesaplanması,
3) Yakın fay etkisinin hesaplanması ve tasarım spektrumuna yansıtılması,
4) Ölçeklendirilmiş deprem hareketlerinin üretilmesi ya da yeterli uygun kayıt bulunamıyorsa gerçekçi deprem simülasyonları yapılması (zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yapılacaksa) aşamalarını kapsamalıdır.
Ayrıca bu etütlere dayalı olarak bulunacak spektral değerlerin yönetmelikler tarafından önerilen deprem tehlike haritalarından bulunan değerlerin altında olmasına da izin verilmemektedir.
• Yeni İnşaat Teknolojileri Kullanımıdaha dayanıklı kentler için vazgeçilmez unsurlardır.
Bu teknolojiler arasında bu yazıda sadece deprem yalıtım sistemlerine yer verilmiştir. Deprem yalıtım sistemleri, deprem sırasında yapılara etkiyen deprem yüklerini azaltarak yapıların hasar görmelerini engelleyen, can ve mal kaybını en aza indirmeyi hedefleyen bir yöntemdir. Deprem yalıtım sisteminin maliyeti bina maliyetinin %5 ile %15’i arasında değişiklik göstermektedir.
Dünya’da deprem yalıtımı uygulamaları 1960 yılında başlamışken Türkiye’deki ilk uygulama 1990’lı yıllarda Bolu viyadüklerinde yapılmıştır. Deprem İzolasyon Derneği (DİD) 2018 verilerine göre Türkiye’de 58 hastane, 30’dan fazla köprü ve 3 havaalanında, 17 endüstri tesisi, 13 spor kompleksinde ve yalnızca 3 meskende bu teknoloji kullanılmaktadır. Bir deprem sonrasında kesintisiz kullanımı gerekli olan sağlık tesisleri, haberleşme tesisleri, afet ve acil durum merkezleri gibi önemli yapılarda özellikle kullanılması tavsiye edilmektedir. Nitekim T.C. Sağlık Bakanlığı tarafından 2013 yılından itibaren 100 yatak ve üzeri devlet hastanelerinin inşasında deprem yalıtım birimlerinin kullanılmasının zorunlu hale getirilmesi, depreme dirençli kentlerin oluşturulmasına yönelik atılmış önemli adımlardan biridir.
TBDY2018’de 14. bölümde tasarım tekniklerine dair yer alan ayrıntılı açıklamalar Türkiye’de bu konudaki yönetmelik eksiğini başarıyla kapatmıştır. Önümüzdeki yıllarda yalıtım teknolojisinin maliyeti artırıcı unsur olarak görülmesinin önüne geçilmesi, tasarım, test ve uygulama konusunda deneyimli mühendis sayısının artırılması ve denetim mekanizmasının oluşturulması bu etkin teknolojinin daha fazla kullanılmasını sağlayacaktır.
İHTİYAÇLAR VE ÖNERİLER: YAPIDENETİMİ VE YETKİN MÜHENDİSLİK
Bu yazıda pek çok kere bahsi geçtiği üzere her türlü yapıda tasarımdan, inşaat sürecinin bitişine kadar denetim mekanizmasının etkin bir şekilde çalışmaması Türkiye’deki eksikliklerin en başında gelmektedir. Yapı denetimi mekanizması, 1999 depremlerinden bu yana çeşitli aşamalardan geçmiş olmakla birlikte, işlevini yerine getirmekten çok uzaktır ve kötüye kullanıma açıktır. Üstelik yapı denetimi sadece şantiyede inşaatın denetimi olarak anlaşılmakta, depreme dayanıklı tasarım (proje) denetimi tümü ile ihmal edilmektedir. Bunun sonucu olarak, depreme dayanıklı yapı tasarımı alanı, tasarım kurallarını ve deprem yönetmeliğini otomatik olarak uyguladığını iddia eden birtakım bilgisayar yazılımlarını bilinçsizce kullanan mühendislerin eline kalmıştır. Giderek daha karmaşık, zor ve özel uygulamaları içeren depreme dayanıklı tasarım (proje) sürecinin ve etkin biçimde denetimin temel koşulu, bu hizmeti görecek mühendislerin mesleki yeterliliğe sahip olması zorunluluğudur. “Yetkin mühendislik” olarak adlandırılan mesleki yeterlilik ve belgelendirme sistemi, neredeyse 30 yıldan beri gündemde olmasına karşın bir türlü hayata geçirilememiştir. Bu konunun gecikmeksizin çözüme kavuşturulması artık elzem duruma gelmiş bulunmaktadır.
