Rezonans ve Depremle İlgili Kavramlar

Kuşlar uçarken kanatlarını, vücut yapılarına ve kanat genişliklerine uygun doğal bir frekansta çırparlar; bu uyum, kuşların uzun süre havada kalmasını ve daha az enerji harcamasını sağlar. Benzer şekilde salıncakta sallanan bir kişiye düzenli aralıklarla kuvvet uygulandığında salıncağın salınım genliği artar. Deprem sırasında ise aynı zemin üzerinde bulunan bazı binaların sağlam kalıp bazılarının yıkılması da benzer bir fiziksel ilkeyle açıklanır: rezonans.

Rezonans

Bir sisteme dışarıdan gelen titreşim veya dalgaların, o sistemin doğal frekansındaki titreşim genliğini artırarak maksimum değere ulaştırmasına rezonans denir. Başka bir deyişle rezonans, bir maddenin doğal frekansına dışarıdan uygulanan etkinin frekansı ile maddenin frekansının eşit olması sonucunda maddenin genliğinin sürekli artma eğilimi göstermesidir. Rezonans tıpta ve elektronik devrelerde faydalı olabileceği gibi zararlı sonuçlar da oluşturabilir; örneğin bir köprüde rezonans oluşması titreşimlerin yapının çökmesine neden olabilir. Bu nedenle rezonans, binaların, köprülerin ve diğer mühendislik yapılarının tasarımında dikkate alınır.

Rezonans Türleri

• Mekanik rezonans: Katı, sıvı veya gaz hâlindeki nesnelerin titreşimiyle ilgilidir (örnek: hareket eden bir arabanın bazı sürat değerlerinde daha çok titreşmesi).
• Akustik rezonans: Ses dalgalarıyla ilgilidir (örnek: opera sanatçısının sesiyle cam bardağı kırması; bardağın kenarına vurulduğunda havanın titreşerek tınlama sesi oluşturması).
• Elektriksel rezonans: Elektronik devrelerle ilgilidir (örnek: radyo vericisinin belirli frekansta sinyal göndermesi).
• Nükleer rezonans: Atom çekirdeğindeki parçacıkların titreşimiyle ilgilidir (örnek: manyetik rezonans cihazlarının atom çekirdekleriyle rezonansa girerek görüntüleme yapması).
• Optik rezonans: Işık dalgalarıyla ilgilidir.

Mikrodalga fırınların su moleküllerinin doğal frekansında titreşmesini sağlayarak yiyecekleri ısıtması ise elektriksel enerjiyi mekanik/ısıl rezonansa dönüştüren bir örnektir.

Deprem Dalgaları ve Temel Kavramlar

Yer kabuğundaki hareketlerin meydana getirdiği enerjinin boşalmasıyla oluşan sarsıntılar sonucunda deprem dalgaları (sismik dalgalar) meydana gelir. Yer kabuğundaki levhaların hareketleri sonucunda açığa çıkan enerjinin kayaçlarda oluşturduğu kırılma hatlarına fay hattı denir. Deprem dalgaları, mekanik dalga çeşitlerinden olup hem enine hem de boyuna yayılabilir.

• Odak noktası: Depremin yer altında meydana geldiği, kırılmanın gerçekleştiği noktadır; depremin enerji salınımının başladığı yerdir ve depremin büyüklüğü/şiddeti üzerinde önemli etkiye sahiptir.
• Merkez üssü: Depremin yer yüzeyindeki en yüksek sarsıntı seviyesinin meydana geldiği noktadır; odak noktasının yüzeye en yakın noktasıdır ve coğrafi koordinatlarla tanımlanır.

Depremin Şiddeti (Değiştirilmiş Mercalli Şiddet Ölçeği)

Depremin şiddeti, bir depremin yer yüzeyinde neden olduğu sarsıntının hissedilme derecesini ve etkilerini tanımlar. Depremin odak noktasına olan uzaklığı, zemin koşulları ve yapıların dayanıklılığı gibi faktörler depremin şiddetini belirler. Şiddet, genellikle Değiştirilmiş Mercalli Şiddet Ölçeği (MMI) ile ölçülerek I'den XII'ye kadar derecelendirilir: I "hissetmeme" (sadece aletlerle algılanır) ile başlar, VI-VII civarında binalarda ciddi hasarlar görülmeye başlar, XII "tam yıkım" ile biter (görsel ve yapısal büyük değişimler).

Depremin Büyüklüğü (Richter Ölçeği)

Depremin büyüklüğü, bir depremin yer yüzeyinde oluşturduğu sarsıntının enerji salınımını ifade eder ve genellikle Richter ölçeği kullanılarak ölçülür; 1-9 arası bir rakamla ifade edilir. Depremin büyüklüğü, depremin derinliğine, merkez üssüne ve fayın özelliklerine bağlı olarak değişir. Richter ölçeği, Amerikalı sismolog ve fizikçi Charles Francis Richter (1900-1985) tarafından, Beno Gutenberg ile birlikte 1932'de geliştirilmiş, 1937'de bu ölçeğe "Richter ölçeği" adı verilmiştir.

Dünya çapında büyüklük aralığına göre depremlerin yıllık ortalama sayısı çok farklıdır: 2,0-2,9 büyüklüğündeki (pek hissedilmeyen ama kaydedilen) depremler yılda yaklaşık 1.000.000 kez meydana gelirken, 8,0 ve üzeri (çok büyük, yıkıcı) depremler yılda ortalama sadece 1 kez meydana gelir. Bu, büyük depremlerin nadir ama son derece yıkıcı olduğunu gösterir.

Büyüklük ile şiddet arasındaki temel fark: büyüklük, depremin kaynağında açığa çıkan enerjinin (tek bir sayısal) ölçüsüdür ve her yerde aynıdır; şiddet ise depremin yeryüzündeki etkisinin ölçüsüdür ve yerden yere (odak uzaklığı, zemin türü, yapı dayanıklılığı nedeniyle) değişir. Bu nedenle aynı büyüklükteki bir deprem farklı bölgelerde farklı şiddetlerde hissedilebilir.

Rezonans ve Deprem İlişkisi

Rezonans ve deprem arasındaki ilişki, yapıların doğal frekansı ile depremin oluşturduğu titreşimin frekansının uyumlu olması durumunda ortaya çıkar. Her yapı, zemin koşullarına ve yapısal özelliklerine bağlı olarak bir doğal frekansa sahiptir; deprem dalgasının frekansı bu frekansa uyum sağladığında rezonans meydana gelir. Bu durum binaların daha büyük genlikle salınım yapmasına, dolayısıyla hasar görmesine hatta çökmesine neden olabilir. Bu nedenle inşaat mühendisleri, binaların tasarımında rezonans etkilerini göz önünde bulundurarak depreme dayanıklı yapılar oluşturmayı hedefler.

Örnek: 1985 Mexico City Depremi

1985 yılında Meksika'nın başkenti Mexico City'den 320 km uzaklıktaki Oaxaca kıyıları açıklarında 8,1 büyüklüğünde bir deprem meydana gelmiştir. Mexico City, merkez üssüne çok uzak olmasına rağmen deprem şehirde büyük bir yıkıma neden olmuş; yüksek katlı binalar ciddi hasar görmüş veya tamamen yıkılmıştır.

Neden? Mexico City büyük ölçüde bir göl tabanına kurulmuştur; bu suya doymuş yumuşak zemin, sismik dalgaları düşük frekansta titreştirerek rezonans riskini artırmıştır. Zemin dalgaları ile binaların doğal frekansı arasındaki uyum, deprem esnasında binaların titreşimlerinin artmasına ve aşırı sarsılmasına, dolayısıyla yüksek katlı binaların rezonans nedeniyle çökmesine yol açmıştır.

Genel ilke: Frekansı yüksek olan sert ve homojen kaya zeminler deprem dalgalarını daha az iletirken, yumuşak ve heterojen zeminlerin rezonans frekansları düşüktür ve bu zeminler üzerindeki yapılar rezonans riskine daha açıktır.

Özet

• Rezonans, dışarıdan gelen bir titreşimin frekansı bir sistemin doğal frekansına eşit olduğunda o sistemin titreşim genliğinin sürekli artmasıdır; mekanik, akustik, elektriksel, nükleer ve optik olmak üzere beş türü vardır.
• Depremde odak noktası (yer altındaki kırılma yeri) ile merkez üssü (yüzeydeki en yakın/en şiddetli nokta) farklı kavramlardır; depremin büyüklüğü (Richter ölçeği, kaynaktaki enerji) ile şiddeti (Mercalli ölçeği, I-XII, yüzeydeki hissedilen etki) de birbirinden farklıdır ve büyüklük sabitken şiddet yere göre değişir.
• Rezonans, deprem sırasında bina hasarının önemli bir nedenidir: zeminin ve binanın doğal frekansı deprem dalgasının frekansıyla örtüştüğünde (Mexico City örneğinde olduğu gibi yumuşak zeminlerde sıkça), bina aşırı sarsılarak çökebilir; bu nedenle mühendisler binaları tasarlarken rezonans etkilerini hesaba katar.