Çökeltme destekli XGBoost tabanlı vekil teknik ile boşluk üzerindeki temelin sistem güvenilirlik analizi

Binaların altındaki gizli boşluklar neden önemlidir

Şehirler giderek eski madenler, tüneller ve diğer yeraltı boşluklarının üzerine kuruluyor. Bu gizli oyuklar zamanla zemini zayıflatabilir; bunun sonucu binalar eğilebilir, çatlayabilir veya hatta çökmeye varan hasar görebilir. Mühendisler, bu tür risklere rağmen güvenli kalan temeller tasarlamaya çalışır, ancak pek çok olası koşul altında güvenliği kontrol etmenin geleneksel yöntemleri son derece zaman alıcı olabilir. Bu çalışma, modern makine öğrenimi araçlarının bu güvenlik kontrollerini daha hızlı ve daha gerçekçi hale getirebileceğini gösteriyor; böylece boşlukların üzerinde inşa edilmiş yapıları korumaya yardımcı oluyor.

Gözle görünmeyen zemin riskleri üzerindeki temeller

Bir binanın temeli iki ana görevi yerine getirmelidir: zemini delip geçmemek (taşıma gücü) ve çok fazla oturmamak veya eğilmemek (oturma). Madencilik, tünel kazısı veya doğal süreçler sonucu yüzeyin altındaki boşluklar her iki görevi de zorlaştırır. Zemin zamanla boşluğa kayabilir veya çökebilir ve bu da temelin desteklenmesini azaltır. Geleneksel tasarım genellikle sistemin görünür dayanımını gereksinim duyulan güçle karşılaştıran tek bir “emniyet katsayısına” dayanır. Oysa gerçek zeminler yerden yere değişir ve zamanla farklılaşır; bu yüzden tek bir güvenlik katsayısı önemli riskleri gizleyebilir.

Ağır simülasyonlardan akıllı vekillere

Bu riskleri doğru şekilde araştırmak için mühendislerin idealde zemin dayanımı, boşluk şekli ve diğer faktörleri değiştirerek binlerce ayrıntılı bilgisayar simülasyonu çalıştırması gerekir. Pratikte bu çok yavaştır. Yazarlar bunun yerine dairesel bir boşluk üzerine şerit temel için uzman bir geoteknik programla 272 adet yüksek kaliteli simülasyondan oluşan büyük bir veri seti oluşturdular. Ardından XGBoost adındaki bir makine öğrenimi modelini eğiterek bu simülasyonları taklit etmesini sağladılar; model zemin birimi ağırlığı, kohezyon, sürtünme açısı, boşluğun derinliği ve rijitlik gibi girdilerden hem taşıma gücünü hem de oturmayı tahmin ediyor. Vekil model ayrıntılı simülasyonları özellikle taşıma gücü açısından yüksek doğrulukla yeniden üretti; bu da daha pahalı hesaplamaların yerine hızlı bir vekil olarak kullanılabileceği anlamına geliyor.

Düzensiz veriler ve belirsizliği anlamak

Gerçek geoteknik veriler nadiren basit istatistiksel varsayımlarla düzgün şekilde uyum gösterir—çarpık olabilirler, çoklu tepeye sahip olabilirler ve geniş saçılma gösterebilirler. Yazarlar, tahmin edilen taşıma gücü ve oturma değerlerini daha ideal çan eğrisi gibi davranır hale getirmek için birçok matematiksel dönüşümü sistematik olarak test ettiler. Hiçbiri tek başına mükemmel sonuç vermedi. En iyi dengeyi, önce logaritmik bir dönüşüm uygulayıp ardından verileri tekrar tekrar örnekleyerek ampirik bir dağılım oluşturan çökeltme (bootstrapping) tekniğini kullanarak buldular. Bu kombinasyon, verileri gerçekçi olmayan bir şekle zorlamadan belirsizliği sağlam bir şekilde tanımlamalarına izin verdi.

Bugün ve gelecekteki başarısızlık olasılıklarını hesaplamak

Vekil model ve geliştirilmiş veri işlemi ile ekip, Monte Carlo simülasyonunu kullanarak temellerin iki kritere göre ne sıklıkla başarısız olacağını tahmin etti: taşıma gücünün kaybı ve aşırı oturma. Oturma sınırının taşıma gücünden daha kritik olduğunu, yalnız başına ele alındığında başarısızlık olasılığını yaklaşık %30 artırdığını buldular. İki kriter bir sistem görünümünde birleştirildiğinde—başarısızlık herhangi birinin sağlamaması durumunda gerçekleştiğinde—toplam başarısızlık olasılığı yalnızca taşıma gücüne bakıldığından %50’den fazla arttı. Çalışma ayrıca emniyetin on yıllar boyunca nasıl bozulabileceğini, taşıma gücünü kademeli olarak azaltıp beklenen oturmayı artırarak araştırdı. Bu varsayılan eğilimler altında güvenilirlik indeksleri sürekli düştü ve yaklaşık bir yüzyıl sonra neredeyse bir yazı tura seviyesine yaklaşan risklere ulaştı.

Daha güvenli yapı tasarımı için bunun anlamı

Uzman olmayanlar için ana mesaj şudur: yeraltı boşluklarının üzerindeki yapıların güvenliği tek bir emniyet katsayısı veya yalnızca bir yıkım modunun kontrolüyle güvenilir şekilde değerlendirilemez. İyi eğitilmiş bir makine öğrenimi vekilini dikkatli istatistiksel işlemler ve Monte Carlo simülasyonu ile eşleştirerek mühendisler belirsiz zemin özelliklerini, boşluk geometrisini ve zamana bağlı değişimleri hesaba katarak binlerce “ya şöyle olsaydı” senaryosunu hızla inceleyebilir. Bu yaklaşım, taşıma gücü rahat görünse bile riski belirleyebilen oturma ve sistem düzeyindeki davranışların belirleyici olabileceğini ortaya koyuyor. Pratik açıdan bu çerçeve, kağıt üzerinde güvenli görünen fakat zeminin altında zamanla savunmasız hale gelebilecek temelleri daha hızlı ve daha gerçekçi şekilde tespit etmenin yolunu sunuyor.

Atıf: Shubham , K., Metya, S., Sinha, A.K. et al. XGBoost based surrogate technique for system reliability analysis of foundation over cavity aided with bootstrapping. Sci Rep 16, 7113 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37058-0

Anahtar kelimeler: temel güvenilirliği, yeraltı boşlukları, makine öğrenimi, Monte Carlo simülasyonu, geoteknik mühendisliği