Determination of Soil Properties by Using Multi-Channel Analysis Method Records of Microtremor, Earthquake and Surface Waves: A Sample Implementation from AFAD Campus

Abstract

The most valid way to determine the soil amplification is to use the analysis of strong ground motion records. The Earthquake Observation Station located in Ankara AFAD campus was established in 2014. There are many official institutions such as Ankara Bilkent City Hospital, Ministry of Health, Ministry of Agriculture and Forestry, and Ministry of Trade within the working area. Since the earthquake station was established, 22 earthquake records have been registered. Multichannel analysis of surface waves (MASW) was measured to calculate the average shear wave velocity of the upper 30 and 50 meters of the soil where the station was located. 14 earthquake records of different magnitudes and distances occurring in different fault zones recorded by the station were interpreted using the horizontal / vertical ratio technique according to the single station method, and the amplification factor and dominant vibration frequency of the soil were calculated. Apart from the earthquake records, 4 hours of microtremor measurements were made with the CMG-6TD broadband seismometer, and the measurements were evaluated according to the single station method and the horizontal / vertical spectral ratio technique. The results of MASW, microtremor and earthquake records were compared, and the dynamic properties of soil were studied. According to the results obtained from the analysis of earthquake and microtremor records, it has been observed that the amplification factor and predominant frequencies are very close to each other, compatible to the soil class calculated by using the shear wave velocity.

Keywords

• Microtremor
• Earthquake
• Amplification
• MASW
• Dominant Frequency

Mikrotremor, Deprem ve Yüzey Dalgalarının Çok Kanallı Analiz Yöntemi Kayıtları Kullanılarak Zemin Özelliklerinin Belirlenmesi: AFAD Kampüsünden Örnek Bir Uygulama

Abstract

Zemin büyütmesinin belirlenmesinin en geçerli yolu kuvvetli yer hareketi kayıtlarının analizlerinin kullanılmasıdır. Ankara AFAD kampüsü içerisinde yer alan deprem gözlem istasyonu 2014 yılında kurulmuştur. Çalışma alanı içerisinde bulunan bölgede Ankara Bilkent Şehir Hastanesi, Sağlık Bakanlığı, Tarım ve Orman Bakanlığı, Ticaret Bakanlığı gibi birçok resmi kurum bulunmaktadır. Deprem istasyonun kurulduğu günden bu güne kadar 22 adet deprem kaydı kaydedilmiştir. İstasyonun bulunduğu zeminin üst 30 ve 50 metre ortalama kayma dalga hızı hesaplanması için yüzey dalgalarının çok kanallı analizi (MASW) ölçümü yapılmıştır. İstasyonun kaydettiği değişik fay zonlarında meydana gelen farklı büyüklük ve uzaklıklarda 14 adet deprem kaydı tek istasyon yöntemine göre yatay/düşey oran tekniği kullanılarak yorumlanmış ve zemine ait büyütme faktörü ve hakim titreşim frekansı hesaplanmıştır. Deprem kayıtları dışında CMG-6TD sismometre ile 4 saat mikrotremor ölçümü yapılmış, alınan ölçümler tek istasyon yöntemine yatay/düşey spektral oran tekniğine göre değerlendirilmiştir. Yapılan MASW, mikrotremor ve deprem kayıtlarının sonuçları karşılaştırılmış, yerin dinamik özellikleri incelenmeye çalışılmıştır. Deprem ve mikrotremor kayıtlarının analizleri üzerinden sonuçlara bakıldığında; büyütme faktörü ve hakim frekansların birbirine çok yakın olduğu, kayma dalga hızından hesaplanan zemin sınıfı ile uyumlu olduğu görülmüştür.

Keywords

• Mikrotremor
• Deprem
• Büyütme
• MASW
• Hakim Frekans

References

1. AFAD, (2020), Türkiye Ulusal Kuvvetli Yer Hareketi Veri Tabanı (TR-KYH), https://tadas.afad.gov.tr, [Erişim 11 Ocak 2021].
2. Akbaş B., Akdeniz N., Aksay A., Altun İ.E., Balcı V., vd., (2011), Turkey Geology Map General Directorate of Mineral Reserach and Exploration Publications, Ankara-Turkey. http://yerbilimleri.mta.gov.tr [Erişim 12 Ocak 2021].
3. Akkaya İ., Özvan A., (2019), Site characterization in the Van settlement (Eastern Turkey) using surface waves and HVSR microtremor methods, Journal of Applied Geophysics, 160(2019), 157–170.
4. Ambraseys N. N., Simpson K. U., Bommer J. J., (1996), Prediction of horizontal response spectra in Europe, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 25(4), 371–400.
5. Ateş E., Uyanık O., (2019), Jeofizik Yöntemler ile Yer ve Yapı Etkileşimi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 23, 46-60.
6. Bonilla L.F., Steidl J.H., Lindley G.T., Tumarkin A.G., Archuleta R.J., (1997), Site amplification in the San Ferdinando Valley, California: variability of site effect estimation using S-wave, coda, and H/V methods, Bulletin of the Seismological Society of America 87, 710-730.
7. Borcherdt R.D., Wentworth C.M., Janssen A., Fumal T., Gibbs J., (1991), Methodology for Predictive GIS Mapping of Special Study Zones for Strong Ground Shaking in the San Francisco Bay Region, In Proceedings of 4th Inter. Conf. On Seismic Zonation, (3), ss. 545-552.
8. Eker A.M., Koçkar M.K., Akgün H., (2015), Evaluation of site effect within the tectonic basin in the northern side of Ankara, Engineering Geology, 192(2015), 76-91.

9. Emre O., Duman T. Y., Ozalp S., Elmaci H., Olgun S., Saroglu F., (2013), 1/1.250.000 scaled Turkey active fault map, General Directorate of Mineral Research and Exploration Special Publication. http://www.mta.gov.tr/ [Erişim 01 Temmuz 2020].
10. Gök E., (2011), Investigation of Earthquake Hazard and Seismic Site Characteristic in The Examples of Bursa and Izmir, Doktora Tezi, DEÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Buca, Izmir.
11. Gok E., Chavez-Garcia F.J., Polat O., (2014), Effect of soil conditions on predicted ground motion: Case study from Western Anatolia, Turkey, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 229, 88-97.
12. Konno K., Ohmachi T., (1998), Ground-Motion Characteristics Estimated from Spectral Ratio between Horizontal and Vertical Components, Bulletin of the Seismological Society of America, 88, 1, 228-241.
13. Lermo J., Chavez G. F. J., (1993), Site Effect Evaluation Using Spectral Ratios with Only One Station, Bulletin Seismological Society of America, 83, 1574–1594.
14. Livaoğlu H., (2015), Kocaeli-Gölcük-Değirmendere Bölgesi için Zemin Hakim Frekansı-Sediman Kalınlığı İlişkisinin ve Zemin Özelliklerinin Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Jeofizik Mühendisliği Anabilim Dalı, Kocaeli.
15. Midorikawa S., (1987), Prediction of isoseismal map in Kanto plain due to hypothetical earthquake, Journal of Structural Engineering, 33B, 43-48.
16. Nakamura Y., (1989), A Method for Dynamic Characteristics Estimation of Subsurface Using Microtremor on the Ground Surface, Quarterly Report of the Railway Technical Research Institute, 30(1), 25-33.
17. Nath S.K., (2007), Seismic microzonation framework–principles and applications. In Proceedings of Workshop on Microzonation, 26-27 June, Indian Institute of Science, Bangalore, ss. 9–35.
18. Ozalaybey S., Zor E., Ergintay S., Tapırdamaz M.C., (2011), Investigation of 3-D basin structures in the ˙Izmit Bay area (Turkey) by single-station microtremor and gravimetric methods, Geophysical Journal International, 186, 883–894.
19. Özdağ Ö.C., Gönenç T., Akgün M., (2015), Dynamic amplification factor concept of soil layers: a case study in İzmir (Western Anatolia), Arab J Geosci, 8(11), 10093–10104.
20. Özdağ Ö.C., Gönenç T., (2020), Modeling stratigraphic structure of Menemen Plain-Izmir/Turkey by microgravity, passive seismic methods and examining its behavior under earthquake effect, Journal of Applied Geophysics, 182:104175, doi: 10.1016/j.jappgeo.2020.104175.
21. Ozer C., (2019), Erzurum ve Çevresi Yerel Zemin Etkilerinin SSR ve HVSR Yöntemleri Kullanılarak Araştırılması, DEU FMD 21(61), 247-257.
22. Pamuk E., Gönenç T., Özdağ A.C., Akgün M., (2018), 3D Bedrock Structure of Bornova Plain and Its surroundings (Izmir/Western Turkey), Pure Appl. Geophys. 175(2018), 325–340.
23. Pamuk E., (2019), Investigation of the local site effects in the northern part of the eastern Anatolian region, Turkey, Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata, 60(4), 549-568.
24. Park C.B., Miller R.D., Xia J., (1999), Multi-channel analysis of surface waves. Geophysics, 64(3), 800–808.
25. Rodriguez-Marek A., Jonathan D.B., Norman A.A. (2001), An empirical geotechnical seismic site response procedure, Earthquake Spectra, 17(1), 65-87.
26. Saraç G., (2003), Türkiye omurgali fosil yatakları (Fossil vertebrate localities of Turkey), MTA Report No 10609, 218 ss.
27. Sesame, (2004), Guidelines for the Implementation of the H/V Spectral Ratio Technique on Ambient Vibrations, Measurements Processing and Interpretation. Europan Research Project.
28. TBDY, (2018), Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Resmî Gazete Tarih: 18 Mart 2018, Sayı: 30364, http://www.resmigazete.gov.tr/ eskiler/2018/03/20180318M1.pdf, [Erişim 11 Ocak 2021].
29. Tunçel A., Özdağ Ö. C., Pamuk E., Akgün M., (2019), Calculation of the soil dynamic amplification factor values by using microtremor data: A case study in Izmir (North), Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 34(1), 43-52.
30. Türkmen İ., Özkul M., (1999), Sedimantology and evaporite genesis of Neogene continental sabkha playa complex, Karakeçili basin, central Anatolia Turkey, Carbonates and Evaporites, 14(1), 21-31.
31. Uyanık O., (2015), Deprem Ağır Hasar Alanlarının Önceden Belirlenmesi ve Şehir Planlaması için Makro ve Mikro Bölgelendirmelerin Önemi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 19(2), 24-38.
32. Yalçınkaya, E., (2005), BYT-Net (Bursa-Yalova-Türkiye İvme Ölçer Ağı) İstasyonlarında Yerel Zemin Etkilerinin İncelenmesi, Fen ve Mühendislik Dergisi, 7(2), 75-86.
33. Yalçınkaya E., (2010), Zemin neden bu kadar önemli, Jeofizik Bülteni, 63, 77-80.