Effects Of Building Collapse Direction And Bridge Functionality On Road Networks Following An Earthquake

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Asırlar boyu farklı uygarlık ve kültürlere ev sahipliği yapmış olan İstanbul, 15 milyona yaklaşan nüfusu ile dünyanın en önemli mega şehirlerinden biridir. Kültür, sanayi, ticaret ve eğitim merkezi olan bu kentte yaşayan insan sayısı her geçen gün artmaktadır. Türkiye İstatistik Kurumu tarafından yayınlanan "İllerin aldığı, verdiği göç, net göç ve net göç hızı, 1980, 2013" tablosu incelendiğinde, Istanbul'un en çok göçü 1985 – 1990 yılları arasında aldığı görülmektedir. Nüfus bu yıllar arasında 656677 kişi artmıştır. İstanbul göç almaya devam etmektedir. 2013-2014 yılları arasında İstanbul'a net göç 14336 kişidir. Göç karşısında bina talebini karşılamak adına oluşan plansız, sağlıksız ve ilgili yönetmeliklerden uzak yapılaşma, İstanbul için kentsel yerleşim alanlarında afete karşı dayanıksız, projesiz, kayıtsız yerleşim çevreleri ve yapı stoğunun oluşmasına sebebiyet vermiştir. Tarihi boyunca deprem nedeniyle büyük yıkımlar yaşayan İstanbul, en son 1999 Kocaeli depreminden etkilenmiş ve özelikle Avcılar ve Büyükçekmece ilçelerinde ciddi hasar meydana gelmiştir. 1999 depremleri (Kocaeli ve Düzce depremleri) büyük bir farkındalık yaratmış, İstanbul için ulusal ve uluslarası ölçekte afet risk yönetimi odaklı, birçok önemli bilimsel çalışmalar yapılmıştır ve yapılmaya devam etmektedir. Bu çalışmalar göstermektedir ki İstanbul büyük bir deprem tehlikesi ile karşı karşıyadır. Bunula birlikte olası depremin; Istanbul'un mevcut yapı stoğu, altyapısı ve sahip olduğu kaynakları ile baş edemeyeceği sonuçlar yaratması beklenmektir. Tektonik hareketler sonucunda oluşan deprem, bir doğa olayıdır. Bugünkü koşullar ile deprem engellenemeyeceği gibi, depremin kontrol edilmesi imkansız, tahmin edilmesi ise oldukça zordur. Bu durumda yapılması gereken tek şey depreme dayanıklı ve hazırlıklı şehirler oluşturmaktır. İstanbul binaları ve altyapısı ile depreme hazır bir şehir değildir. İstanbul ile ilgili bazı çalışmalar, bina hasarlarına bağlı olarak deprem sonrasında olası can kayıpları ve yaralanmalar ile ilgili tahminlerde bulunmuştur. 2009 yılında İstanbul Büyükşehir Belediyesi ve Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü tarafından yapılan "İstanbul'un Olası Deprem Kayıpları Tahminleri Güncellenmesi İşi" sonucunda yayınlanan rapora gore; İstanbul'da potansiyel depremin gerçekleşmesi durumunda; 10,000 – 30,000 arası kişinin hayatını kaybedeceği, 20,000 – 60,000 arası kişinin hastanede tedavi göreceği, 50,000 -140,000 arası kişinin ise hafif yaralanacağı tahmin edilmektedir. Hasarlı binalar sadece sebep olduğu can kayıplarından dolayı değil, aynı zamanda oluşturduğu enkaz ile binayı çevreleyen yolları kapatmasından dolayı da deprem karşısında önemli bir risk unsuru oluşturmaktadır. Yolların kullanılabilirliği etkileyen diğer bir unsurda ulaşım yapılarında oluşabilecek hasardır. Yolların deprem sonrasında kullanılamaması afet bölgesine veya bölgelerine erişimi engelleyerek, kayıpların sayısının artmasına sebep olabilir. Bu çalışmanın amacı; olası İstanbul Depremi'nin gerçekleşmesi durumunda, hasar alması muhtemel binaların yıkılma yönlerini ve ulaşım yapılarındaki hasarı tahmin etmek böylece İstanbul'un mevcut yollarının deprem sonrası kullanılabilirliğini ortaya koymaktır. Çünkü yol ağları deprem sonrasında arama kurtarma ve tahliye çalışmalarında, yangın söndürme operasyonlarında, ilk yardım ve medikal ulaştırma işlemlerinde en önemli rollerden birini üstlenmektedir. Bina yıkılma yönlerinin belirlenmesi için öncelikle İstanbul için güncel bina veri seti oluşturulmuş, bu bina veri seti kullanılarak bina hasar analizleri gerçekleştirilmiş ve hasar alması muhtemel binaların yıkılma yönleri tahmin edilmiştir. Ulaşım yapılarındaki hasarın hesaplanması için ana yol üzerinde bulunan köprülerin hasarı sonrasında bu hasara bağlı kullanılabilirliği ortaya konmuştur. Bu iki veri daha sonra ArcGIS programında entegre edilmiş İstanbul'daki yolların deprem sonrasında kullanılabilirliği tahmin edilmeye çalışılmıştır. Çalışmanın birinci bölümünde amaçlanan, güncel ve doğru verilerle İstanbul için bina veri setinin oluşturulmasıdır. İstanbul'un, hasar tahmin çalışmaları için en büyük dezavantajı gerçek bina sayılarının ve bu binalarının yaşlarının bilinmemesinden kaynaklanmaktadır. Bir diğer dezavantaj ise Istanbul için var olan bina veri setlerinin bina dışında yapı verisinide içeriyor olmasıdır. Bu çalışma kapsamında Istanbul bina veri seti oluşturulurken öncelikle bina ve yapı verisi birbirinden ayrılmıştır. Istanbul Büyükşehir Belediyesi'nden bu çalışma kapsamında kullanılmak için temin edilen yapı veri seti, 1,439,981 adet yapı verisini içermekteydi. Yapılan çalışma ile bina ve yapı verisi 3194 sayılı İmar Kanunu'nda geçen bina ve yapı tanımlasına gore ayrılmıştır. Buna gore İstanbul'daki bina sayısı 2013 yılı itibari ile 990,584 adettir. Birçok hasar tahmin çalışması olası deprem senaryosu karşısında, analizi gerçekleştirebilmek için binanın yaş, yapım cinsi ve binanın yükseklik bilgisine ihtiyaç duyar. Bu tür hasar tahmin çalışmalarının sonuçlarının doğruluğu, girdi olarak kullanılan bilgilerin güvenirliğine bağlıdır. Güvelinir hasar tahmin çalışması yapabilmek için, bina veri setinin en azından bina yaşı, yapım türü ve kat bilgisini içermesi gerekmektedir. Çalışma kapsamında oluşturulan veri setinin binanın kullanım tipini, yapım türünü, kat bilgisini ve en önemli olarak bina yaş bilgisini bina bazında kapsaması sağlanmıştır. Bu çalışma sonuçlarına göre İstanbul'daki binaların %80 i konut olarak kullanılmaktadır ve bu şehirde yaklaşık 5000 adet eğitim tesisi ve 1500 adet sağlık tesisi bulunmaktadır. İstanbul'daki binaların her biri için bina yaş bilgisi, Türkiye'de yürürlüğe girmiş bina yönetmeliklerinin tarihleri baz alınıp, sayısal olarak üretilmiştir. Türkiye'de ilk deprem yönetmeliği yürürlüğe 1940 yılında girmiştir, en son yürürlüğe giren deprem yönetmeliğinin tarihi ise 2007'dir. Mevcut yönetmeliğin günün şartlarına ve ihtiyaçlarına göre güncellenmesi çalışmaları, Başbakanlık Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı (AFAD) tarafından devam ettirilmektedir. Yönetmelik tarihleri ile uyumlu hava fotoğrafı, ortofoto mozaik ve uydu görüntüleri kullanılarak sayısal ortamda üretilecek bina yaş bilgisi için 1966 ve 1982 yıllarına ait hava fotoğrafları, 1996 ve 2013 yıllarına air ortofoto mozaik haritalar ve 2004 ve 2007 yıllarına ait uydu görüntüleri kullanılmıştır. Böylece İstanbul'daki yapıların değil binaların kesin sayıları ve lokasyonları ve her bir binanın yaş bilgisi tanımlanmış olacak ve CBS ortamında üretilmiştir. Bu da yapılacak deprem hasar analiz çalışmasının gerçek veriler ile yapılmasını sağlamıştır. Bu çalışmaya gore İstanbul'da 1996 yılından once inşa edilen 794,325 adet bina bulunmaktadır. Bina stoğu 1996 ve 2013 yılları arasında %24.71 oranda artmıştır. 1982 ve 2013 tarihleri arasında bina stoğu en fazla yükselen ilçe 33,688 adet bina ile Silivri ilçesi olup, en az yükselen ise 2,914 bina ile Bakırköy İlçesidir. Çalışmanın ikinci bölümünde güncellenmiş bina verileri ile Istanbul için olası deprem senaryosu ışığında bina hasar analizleri gerçekleştirilmiştir. Bina hasar analizleri HAZTURK programı ile senaryo bazlı PGA ve Sa deterministik deprem haritaları kullanılarak yapılmıştır. Sonuç bölümünde bina bazlı hasar tahmin sayılarının yanında diğer çalışmalar ile karşılaştırılabilmesi için sonuçlar ilçe ve mahalle bazlı olmak koşulu ile de paylaşılmıştır. Hasar analizi Sa deterministik deprem haritası kulllanılarak yapıldığında; İstanbul'daki binaların %21.52 sinin hafif hasar, %35.55 nin orta hasar, %28.21 nin ağır hasar alması % 14.68 inin yıkılması, %35.23 nün ise ortalama hasar görmesi beklenmektedir. Hasar analizi PGA deterministik deprem haritası kulllanılarak yapıldığında ise; İstanbul'daki binaların % 50.37 sinin hafif hasar, % 31.85 nin orta hasar, % 13.99 nin ağır hasar alması % 3.80 inin yıkılması, %15.6 sının ise ortalama hasar görmesi beklenmektedir. Çalışmanın üçüncü bölümünde hasar görme potansiyeli taşıyan binaların; bina yıkılma yönleri ve oluşturdukları enkazların çapları tanımlanmıştır. Bu bilgi ile Istanbul'daki yolların kapanma olasılıkları ortaya konmuştur. Bina yıkılma yönü tahmininde kullanılan method , 1994 ve 1999 yıllarına ait Gölcük hava fotoğraflarının sayısal olarak analizi ile üretilen 1999 Kocaeli Depremi'nde Gölcük'te yıkılan binalardan üretilmiştir. Geliştirilen metoda göre, yol kenarında bulunan binaların deprem esnasında yıkılmasıyla, etrafa saçılan enkaza ait parçalar, etrafta bulunan yolların kullanılabilirliklerin düşmesine sebeb olmaktadır. Binaların yıkılma yönlerinin tanımlanması; acil durum operasyonları sırasında kullanılabilirliği devam edecek yollar hakkında önemli bilgiler verecektir. Bina yıkılma yıkılma yönlerinin tanımlanması deprem sonrasında hangi yolların açık hangi yolların kapalı olacağı hakkında bilgi verecektir. Rotalar, tahliye ve kaçış yollarının tanımlanmasında, acil durum yollarının belirlenmesinde çok önemlidir. Bu çalışma ulusal ve uluslarası literatürde bu konuda yapılan ilk çalışmadır. Çalışmanın dördüncü bölümünde, ulaşım yapılarında deprem tehlikesi karşısında oluşabilecek olası hasar analizleri yapılmıştır. Çünkü sadece yıkılan binaların oluşturdukları enkaz değil, ulaşım yapılarında oluşabilecek hasar da yol ağlarının kullanılabilirliğini azaltmaktadır. Bu bölümde köprü (üstgeçit, altgeçit) ve viyadüklerde deprem nedeni ile oluşabilecek hasar, HAZTURK program ile senaryo bazlı PGA deterministik deprem haritası kullanılarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada ana yollar üzerinde bulunan 247 adet köprü çalışılmıştır. Hasar analizini takiben ulaşım yapılarının deprem sonrası kullanılabilirlikleri belli zaman periyotları için paylaşılmıştır. Buna göre 194 adet köprü olası depremin hemen sonrasında kullanılabilir değildir. Deprem gününden 3 gün sonra ise 33 köprünün kullanılamaz olduğu tahmin edilmektedir. Çalışmanın son bölümünün İstanbul için önemli olmasının sebebi yolların deprem sonrası müdahele ve uzun dönem için iyileştirme çalışmalarında kritik derecede önemli olmasından kaynaklanmaktadır. Çalışmanın sonucunda bina yıkılma yönleri, enkaz alanları ve ulaşım yapılarındaki hasar birlikte değerlendirilmiş ve İstanbul'daki mevcut yol ağlarının kullanılabilirlikleri, olası Istanbul depremi sonrası için ortaya konmuştur. Çalışma çıktılarına gore yaklaşık 3500 km lik yol ağı deprem sonrasında kullanılamaz olduğu tahmin edilmektedir. Bu çalışmanın sonuçları karar vericiler için risk azaltma, hazırlıklı olma, müdahele ve iyileştirme çalışmalarında kullanılacabilecek önemli bir veritabanını içermektedir. Sonuçlar ve önerilen metodlar; karar vericilere, risk azaltma stratejilerini geliştirirken, olası tehlikelerin baş edilemeyecek afetleri dönüşmesini engellerken, olası risklerin azaltırken ve deprem odaklı kentsel dönüşüm çalışmalarında; temel ve dayanak bilgi olarak kullanabilecekleri önemli katkılar sunmaktadır.Istanbul is one the most important megacities in the world with a population approaching 15 million in the world. Migration from all over Turkey to Istanbul is still ongoing because, Istanbul is the industrial, commercial, cultural and educational centre of Turkey. However, those migrations caused unplanned construction and these led to the formation of vulnerable and undocumented building stock in Istanbul. Besides this, Istanbul is located in one of the most active seismic zones in the world. Many scientific studies estimate that Istanbul is expecting a major earthquake and the possible damage to the structures will be extensive. The occurrence of earthquakes cannot be prevented by human efforts. If an earthquake were to occur in a populated area, especially one covered with vulnerable building stock such as the city of Istanbul, it could cause a serious impact on human life. Besides this, if the road's functionality decreases due to damage to the transportation structures, the level of damage gets even higher and earthquake impacts may not be managed properly. Therefore, road network also plays an important role in activities of search and rescue, evacuation, firefighting operations and medical services after an earthquake. This study aims to estimate road functionality in Istanbul following the potential Istanbul Earthquake by taking into account the direction of the collapsed buildings and damaged transporation structures. One of the major disadvantages of Istanbul case is the lack of knowledge about the absolute number of buildings and the ages of those buildings. The various instances of earthquake loss asssessment software require the age, the construction type and the height of the buildings to estimate the possible damage of a scenario earthquake. The accuracy of such an estimation also depends on the reliability of the input data. To make a reliable earthquake damage estimation, a building database containing at least the; building age, construction type, and number of floors is required in most of the earthquake loss assessment software. For this reason, the first part of this study aims to create a recent and accurate building data of Istanbul including the occupacy classes, construction types, the number of floors and the most important one of all, their age. Firstly, in order to create the recent building dataset of Istanbul, the structure data and the building data were separated from each other. The building dataset was then classified but this data set did not include the building age. This is why the building age data was determined for every single building in Istanbul, according to structural codes for the earthquake zones by using aerial and satellite images of Istanbul. The classification should be based on the regulations in order to minimise the age classes and maximise their accuracy. First, building regulations in Turkey came into force in 1940 in order to determine the essential conditions for the realisation of functional, safe and disaster-resistant building design in Turkey. The last updated building code regulations in Turkey came into force in 2007. It was also important to investigate the proper building detection method for the aim of this study and it was determined as the manual digitisation. In this study, the buildings of Istanbul and their age are determined for every single building, by digitising the selected aerial photos (1966, 1982), orthophoto mosaics (1996, 2013) and satellite images (2004, 2007) of Istanbul based on the official structural codes in Turkey. Thus, first the exact number and location of buildings in Istanbul, rather than the structures and the age of every single building were determined and the recent building data consisted of occupacy classes, construction types, the number of floors and building age were produced in GIS. The results were also validated with two separate studies of Istanbul for different periods of times. In this way, the earthquake damage analysis for the Istanbul buildings can be run for the real building data of Istanbul with any earthquake loss assessment software. The second part of this study presents a building damage analysis for every single building in Istanbul, based on updated building data. The building damage analysis was made using the scenario based deterministic earthquake hazard maps of PGA and 0,2 second Sa demand types by using HAZTURK software. Results from the damage analysis for Istanbul were also presented for districts and sub-districts, in order to compare with other studies. The third part of this study is to determine the building collapse direction and the debris area radius in order to reveal road blockages in Istanbul. The building collapse direction estimation method generated is based on the collapsed buildings data during the 1999 Kocaeli Earthquake by using 1994 and 1999 Gölcük aerial photos, before and after the earthquake. Based on the method developed, if roadside buildings collapsed during the earthquake, then the scattered parts of the buildings could cause roads to lose their functionality. After the determination of the collapse directions of the buildings, the roads still functioning were also revealed during emergency operations. Defining the collapse direction of buildings has helped us to define which roads would be open after an earthquake. Routes are important for defining evacuation or escape roads, while emergency transportation roads, and roads are urgently needed for emergency use. This is hence the first study on this subject both in the national and international literature. It is not only collapsed buildings but also transportation structures that damage that effect the functionality of the road network. For this reason, in the fourth part of this study, we will estimate transportation structures' (bridge, viaducts, tunnels, overpasses, etc.) damage analysis according to PGA demand type by using HAZTURK software. Functionalities are then determined for a certain time period. It is also very important to reveal the functionality of transportation structures based on potential Istanbul earthquake, because they have critical importance during the post-earthquake response and long-term recovery phases of the disaster management. A complete understanding of the earthquake impact on the transportation structures with damage possibility, post-earthquake functionality and retrofitted damage possibility analysis, is a very important input for the decision makers in order to mitigate, prepare for, respond to, and recover from the potential impact on the potential Istanbul earthquake. At the end of the study, we have estimated building collapse directions, building debris areas, and transportation structures' damages and then performedan overall evaluation to reveal road functionality in Istanbul following an earthquake scenario. The results and the proposed methods in this study represent very important contributions that could be used as base data for decision makers to develop important strategies for risk reduction. That is, they could be used to prevent a hazard from becoming a disaster, to mitigate possible risks and to transform urban areas based on the earthquake risk.DoktoraPh