Seismic performance of water distribution networks: Event-based damage analysis in Kahramanmaraş and scenario-based risk assessment for Yalova

Abstract

Türkiye has experienced numerous destructive earthquakes throughout its history, and these events have caused significant damage to urban lifeline systems. This thesis investigates earthquake-induced damage to water distribution networks through two complementary and interlinked approaches: (i) an event-based assessment grounded in post-earthquake field evidence, and (ii) a scenario-based infrastructure risk assessment for a seismically vulnerable urban area. Within this scope, an integrated framework is developed that combines field observations, municipal damage records, geotechnical investigations and analyses, and empirical models to evaluate the seismic performance of water infrastructure systems. In the first part of the study, detailed observations of the drinking water system in Kahramanmaraş Province are presented, including damage to distribution lines, transmission mains, reservoirs, and related facilities based on post-earthquake inspections conducted after the 2023 Kahramanmaraş earthquakes. Liquefaction susceptibility analyses were performed for the city center, and the results were consistent with field observations, indicating no surface manifestation of liquefaction. Accordingly, the observed damage was attributed primarily to transient ground deformation (TGD), and PGV-based repair-rate relationships were developed for PVC, AC, and PE pipelines. The derived relationships indicate higher damage levels than those reported in the literature, reflecting the deteriorated condition of the network prior to the earthquake. The Kahramanmaraş case study therefore establishes a data-driven baseline for damage–ground motion relationships under predominantly TGD-controlled conditions. In the second part of the study, the same analytical workflow is transferred to Yalova as a future earthquake case study. Yalova was selected as a pilot region within the MARTEST–SATREPS project, and two alternative ground-motion scenarios were considered: a Mw 7.5 TBEC-based earthquake scenario and a Mw 7.0 stochastic scenario. Building upon the Kahramanmaraş baseline, the framework in Yalova is expanded to explicitly incorporate liquefaction-related permanent ground deformation (PGD) through the evaluation and spatial mapping of liquefaction vulnerability indices (LPI, LSI, and LSN), together with liquefaction-induced free-field settlements. These geotechnical outcomes are integrated with TGD- and PGD-induced repair-rate models to estimate expected pipeline damage, and a comparison of the two scenarios highlights differences in the relative contributions of transient and permanent ground deformations to overall infrastructure damage. Overall, this thesis emphasizes the critical importance of resilient water infrastructure systems for ensuring service continuity following major earthquakes. The repair-rate relationships and the integrated, transferable workflow developed in this study provide a practical basis for earthquake-induced damage estimation and infrastructure risk assessment in seismically active regions.Türkiye, tarih boyunca birçok yıkıcı depreme maruz kalmış ve bu depremler kentsel altyapı sistemlerinde önemli hasarlara yol açmıştır. Bu çalışma, içme suyu dağıtım şebekelerinde deprem kaynaklı hasarları iki tamamlayıcı ve birbiriyle ilişkili yaklaşım çerçevesinde incelemektedir: (i) deprem sonrası saha bulgularına dayalı olay temelli değerlendirme ve (ii) sismik açıdan kırılgan kentsel bir alan için senaryo temelli altyapı risk değerlendirmesi. Bu kapsamda, su altyapı sistemlerinin sismik performansını değerlendirmek için saha gözlemleri, belediye hasar kayıtları, geoteknik araştırmalar ve analizler ile ampirik modelleri birleştiren entegre bir çerçeve geliştirilmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde, 2023 Kahramanmaraş depremleri sonrasında yapılan deprem sonrası incelemelere dayalı olarak, Kahramanmaraş ilindeki içme suyu sistemine ilişkin ayrıntılı gözlemler sunulmaktadır. Bu gözlemler arasında dağıtım hatları, iletim şebekeleri, rezervuarlar ve ilgili tesislerdeki hasarlar yer almaktadır. Şehir merkezi için sıvılaşma duyarlılık analizleri yapılmış ve sonuçlar saha gözlemleriyle tutarlı bulunmuş, yüzeyde sıvılaşma belirtilerine dair herhangi bir bulgu tespit edilmemiştir. Bu doğrultuda, gözlemlenen hasarların temel nedeni geçici zemin deformasyonu (TGD) olarak değerlendirilmiş ve PVC, AC ve PE boru hatları için PGV tabanlı onarım oranı ilişkileri geliştirilmiştir. Elde edilen ilişkiler, deprem öncesinde sistemin yıpranmış durumunu yansıtan, literatürde bildirilenlerden daha yüksek hasar seviyelerini göstermektedir. Kahramanmaraş vaka çalışması, bu nedenle, ağırlıklı olarak TGD'nin kontrolündeki koşullarda hasar-zemin hareketi ilişkileri için veriye dayalı bir temel oluşturmaktadır. Çalışmanın ikinci bölümünde, aynı analitik süreç, geleceğe yönelik bir deprem vaka çalışması olarak Yalova'ya uygulanmıştır. Yalova, MARTEST–SATREPS projesi kapsamında pilot bölge olarak seçilmiş ve iki alternatif kuvvetli yer hareketi senaryosu dikkate alınmıştır: Mw 7,5 TBDY bazlı deprem senaryosu ve Mw 7,0 stokastik temelli senaryo. Kahramanmaraş'ta oluşturulan temel üzerine inşa edilen bu aşamada, çerçeve Yalova özelinde sıvılaşma kaynaklı kalıcı zemin deformasyonlarını (PGD) açık biçimde içerecek şekilde genişletilmiştir. Bu amaçla, sıvılaşma duyarlılığının değerlendirilmesi ve mekânsal haritalanması kapsamında LPI, LSI ve LSN indisleri ile sıvılaşma kaynaklı yüzey oturmaları hesaplanmıştır. Elde edilen geoteknik çıktılar, TGD ve PGD etkilerini temsil eden onarım oranı modelleriyle birleştirilerek beklenen boru hasarları tahmin edilmiş; iki senaryonun karşılaştırılmasıyla geçici ve kalıcı zemin deformasyonlarının toplam altyapı hasarına yönelik görece katkıları ortaya konmuştur. Sonuç olarak, bu tez büyük depremler sonrası hizmet sürekliliğinin sağlanmasında dayanıklı su altyapı sistemlerinin kritik önemini vurgulamaktadır. Geliştirilen onarım oranı ilişkileri ile bütünleşik ve başka bölgelere aktarılabilir çalışma akışı, deprem kaynaklı hasar tahmini ve sismik risk değerlendirmesi için pratik bir temel sunmaktadır.