saufbe dergİsİ cilt: 17 sayı: 2

© 2013 Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

YAYIN İLKELERİ / PRINCIPLES OF PUBLICATION

1. Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Ocak 1997’de kurulmuş bir dergidir. Dergimiz 2012 yılından itibaren fen, mühendislik ve doğa bilimleri alanlarında olmak üzere düzenli olarak Nisan, Ağustos ve Aralık aylarında yılda üç sayı halindeyayımlanan bir dergidir. Yayınlanmak üzere gönderilen bütün makaleler, editör, yayın danışma kurulu ve hakemlerce değerlendirilir.

2. Dergimizde Türkçe veya İngilizce yazılmış orijinal araştırma makalesi, teknik not, editöre mektup ve derleme türünde bilimselçalışmalar yayınlanır.

3. Yalnızca özgün niteliği olan bilimsel araştırma çalışmalarına yer verilir. Bilimsel çalışmada üretilen bilginin yeni olması, yeni bir yöntem öne sürmesi ya da daha önce var olan bilgiye yeni bir boyut kazandırmış olması gibi niteliklerin aranması esastır.

4. Yayımlanmak üzere gönderilen makaleler iki veya üç hakem tarafından değerlendirilir; kabul‐ret kararı Yayın Kurulu tarafından verilir. Yazıları değerlendiren hakemlerin adları yazarlara bildirilmez. Hakemlerde yazarların adlarını göremez. Yeterli görülmeyen yazıların hakem önerileri doğrultusunda geliştirilmesi genel esastır. Amaçlanan düzeye varamayan yazılar, bilimsel açıdan yeterli görülmeyen çalışmalar gerekçesi açıklanmadan reddedilir.

5. Yayınlanması istenilen eserlerin herhangi bir yerde yayınlanmamış veya yayınlanmak üzere herhangi bir dergiye gönderilmemiş olması zorunludur. Bunun için yazarlardan makaleyi gönderdiklerinde bu durumu açıklayıcı bir ön yazı talep edilir.

6. Eserlerin tüm sorumluluğu ilgili yazarlarına aittir. Eserler uluslararası kabul görmüş bilim etik kurallarına uygun olarak hazırlanmalıdır. Gerekli hallerde, Etik Kurul Raporu'nun bir kopyası eklenmelidir.

7. Dergimize yayınlanmak üzere gönderilen makaleler 01.08.2013 tarihinden itibaren bir benzerlik kontrol programı olan ithenticate ile kontrol edilecektir. Benzerlik raporu ilgili yayın danışma kurulu üyesine kontrol etmesi için gönderilecektir.

8. Dergimizde yayınlanması kabul edilen eserler için, imzalı Telif Hakkı Devir Formu sisteme yüklenmeli ya da [email protected] e‐posta adresine gönderilmelidir.

9. Dergimizde yayımlanmak üzere gönderilen eserler dergi yazım kurallarına göre hazırlanmalıdır. Yazım kuralları ve ilgili şablon www.saujs.sakarya.edu.tr adresinde mevcuttur.

10. Yayınlanan her sayının ön kapağında, o sayıdaki makalelerden yayın danışma kurulunca belirlenen bir görsel bir şekil veya grafik yer alır.

11. Makale kabulünde verilen minör revizyondan sonra 30 gün, majör revizyondan sonra 60 gün, yeniden yazılması gerekli revizyonundan sonra 90 gün içinde gerekli değişiklikler yazar tarafından yapılmalıdır.

Yazı İşleri Müdürü / Editorial Director Sekreterya / Secretary

Arzu ERSÜZ Caner ERDEN

[email protected] [email protected]

Teknik Sorumlu / Technical Assistants

Mehmet Ali YAR

[email protected]

İnternet Sorumlusu / Webmaster

Sümeyye ŞEN

[email protected]

Yazışma Adresi / Contact Address

[email protected], Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 54187, Esentepe Kampüsü, Serdivan, Sakarya, Türkiye

Basılı / Printed ISSN: 1301‐4048 Elektronik / Online ISSN: 2147‐835X

www.saujs.sakarya.edu.tr

SAKARYA AĞUSTOS 2013 / AUGUST 2013

Baskı / Printed at

Sakarya Gelişim Ofset, Adnan Menderes Cad. No.22/A Adapazarı, +90 264 273 52 53, www.sakaryagelisim.com

Dergimizin Ağustos 2013 tarihli 17. Cilt 2. Sayısının kapak resmi, yazarları ”E. Eker, İ. Taymaz” olan “Akış kanalı genişliğinin

pem tipi yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi” isimli makaleden alınmıştır.

SAKARYAÜNİVERSİTESİFENBİLİMLERİENSTİTÜSÜDERGİSİ

SakaryaUniversityJournalofScience

Sahibi / Owner Muzaffer ELMAS Editör / Editor in Chief Emrah DOĞAN [email protected]

Genel Yayın Yönetmeni / General Publication Director

Ali Osman KURT Yardımcı Editörler / Associate Editors

Uğursoy OLGUN [email protected]

Cüneyt BAYILMIŞ [email protected]

Beytullah EREN [email protected]

Yayın Danışma Kurulu / Editorial Advisory Board*

A. AYAR Sakarya Uni. [email protected]

E. ÇELEBİ Sakarya Uni. [email protected]

M. UTKUCU Sakarya Uni. [email protected]

T. ENGİN Sakarya Uni. [email protected]

A. Ç. MEHMETOĞLU Sakarya Uni. [email protected]

H. AKBULUT Sakarya Uni. [email protected]

M. van de VENTER Nelson Mandela Metropol. Uni [email protected]

T. OGRAS TÜBİTAK [email protected]

A. DEMİRİZ Sakarya Uni. [email protected]

H. GÖÇMEZ Dumlupınar Uni. [email protected]

M. ÖZEN Sakarya Uni. [email protected]

U. KULA Sakarya Uni. [email protected]

A. PINAR Boğaziçi Uni. [email protected]

K. KÜÇÜK Kocaeli Uni. [email protected]

N. BALKAYA İstanbul Uni. [email protected]

Y. BECERİKLİ Yalova Uni. [email protected]

A. S. E. YAY Sakarya Uni. [email protected]

K. YILDIRIM Sakarya Uni. [email protected]

N. YUMUŞAK Sakarya Uni. [email protected]

Z. BARLAS Sakarya Uni. [email protected]

A. TUTAR Sakarya Uni. [email protected]

L. GÜLEN Sakarya Uni. [email protected]

Ö. KELEŞ İTÜ [email protected]

B. D. BOTOFTE Sakarya Uni. [email protected]

L. KALIN Auburn Uni. [email protected]

R. MERAL Bingöl Uni. [email protected]

C. YAVUZ Sakarya Uni. [email protected]

M. BEKTAŞOĞLU Sakarya Uni. [email protected]

S. OKUR İzmir Katip Çelebi Uni. [email protected]

C. YİĞİT Sakarya Uni. [email protected]

M. KURT Ahi Evran Uni. [email protected]

S. SALUR Rochester Uni. [email protected]

*Bilimsel danışma kurulu alfabetik olarak sıralanmıştır.

SAKARYAÜNİVERSİTESİFENBİLİMLERİENSTİTÜSÜDERGİSİ

SakaryaUniversityJournalofScience

Cilt (Vol.): 17 Sayı (No): 2 Ağustos (August) 2013 SAKARYA

İÇİNDEKİLER (Contents)

Facts cihazlarının gerilim kararlılığına etkisinin incelenmesi Effects of facts devices voltage stability Talha Enes Gümüş, Mehmet Ali Yalçın

Punica granatum linn. (nar) bitkisinin antibakteriyel etkisinin araştırılması Antibacterial activity of punica granatum Linn. Kenan Tunç, Tuğba Konca, Ayşegül Hoş

Teneke kutu kurutma fırınlarının AHP tekniğiyle değerlendirilmesi Consideration of can drying ovens using ahp technique Hüseyin Pehlivan, Engin Keskinocak

Aktif süspansiyon sistemli çeyrek araç modelinin gözlemleyiciyle optimal kontrolü Optimal observer control of quarter car model with active suspension Ayhan Özdemir, Dinçer Maden

İnternet Ortamındaki Tüketici Yorumlarından Özet Bilgi Çıkarımı Development of a mechanical model to analysis motion of standing up from the sitting position Kasım Serbest, Murat Çilli, Osman Eldoğan

Akış kanalı genişliğinin pem tipi yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi Analysis of the effect of flow channel width on the performance of pemfc Elif Eker, İmdat Taymaz

Sac şekillendirme prosesinde kullanılan süzdürme çubuğu frenleme kuvvetinin modellenmesi Modeling of drawbead restraining force in sheet metal forming Derya İriç, Sedat İriç, Recep Kozan

Bir rüzgar türbini tasarımı ve geliştirilmesi Design and development of a wind turbine Davut Keleş, Vezir Ayhan, Adnan Parlak, İdris Cesur, Barış Boru, Tufan Koç

Betonda silis dumanı ve polipropilen lif kullanımının beton özellikleri üzerine etkilerinin incelenmesi Investigation of polypropylene fiber effect to the silica fume concrete Betül Sümer, Mehmet Sarıbıyık

Agrega katkılı seramik bünye özelliklerinin araştırılması The investigation on the properties of ceramic bodies having aggregate additives Buket Acartürk, Şeyma Kaya

2 kanatlı radyal tipteki bir çamur pompası çarkının optimizasyonu ve analizi The optimization and analysis of a centrifugal slurry pump impeller with 2 blades Mehmet Salih Cellek, Tahsin Engin

161- 166

167-172

173-179

181-187

189-193

195-200

201-205

207-216

217-224

225-229 231-239

Ciğertaze otu (salvia officinalis) bitkisinin antioksidan aktivitesinin belirlenmesi Determination of antioxidant activities in freshliver (salvia officinalis) plant Rana Arıduru, Gülnur Arabacı

Sofalıca bölgesi (Gaziantep) krom madeni üzerinde mikrogravite anomalilerinin normalize tam gradyent ve doğrusal olmayan ters çözümle modellenmesi Sofalica region (Gaziantep) chromium on microgravity anomalies modelling of normalized full gradient and nonlinear inversion Birgül Kınalıbalaban, Günay Beyhan, Can Karavul

Erciş kültür merkezi binasının sahada gözlenen ve 2007 deprem yönetmeliği’ne göre hesaplanan deprem performanslarının karşılaştırılması Comparison of seismic performance of Erciş cultural center building with observed and calculated by turkish earthquake code-2007 Recep Ali Dedecan, Mustafa Kutanis

P-laplasyen terim içeren bir dalga denklemi için phragmen-lindelöf tipi kestirimler For a wave equation involving p-laplacian term phragmen-lindelof type estimates Yalçın Yılmaz, Emel Aydın

Benzin nitrometan karışımlarının özgül yakıt sarfiyatı ve emisyonlara etkisinin incelenmesi The investigation of effects specific fuel consumption and emissions fuel mixtures nitro methane İsmet Çevik, Samet Çelebi

Medikal görüntü içerisine tıbbi bilgilerin gömülmesi için yeni bir yaklaşım A new approach to embed medical information into medical images Ferdi Doğan, Esra Ayça Güzeldereli, Özdemir Çetin

Sodyum humat/sles/bitkisel yağların karışımı A blend of sodium humate/sles/herbal oils Yeliz Akyiğit, Mümin Dizman, Ahmet Tutar

Üçlü faz sistemi ile saflaştırılan invertaz enziminin termal kararlılığının incelenmesi Purification of invertase by three-phase partitioning systems and determination of thermal stability Büşra Kat, Semra Yılmazer Keskin

241-246

247-255

257-266

267-270

271-276

277-286

287-290

291-294

SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 2. Sayı, s. 161-166, 2013 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 161-166, 2013

Facts cihazlarının gerilim kararlılığına etkisinin incelenmesi

Talha Enes Gümüş 1*, Mehmet Ali Yalçın1

1*Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Elk-Elektronik Mühendisliği, SAKARYA

15.05.2012 Geliş/Received, 13.12.2012 Kabul/Accepted

ÖZET

Bu çalışmada, STATCOM ve SVC denetleyicilerinin güç sistemi gerilim çökmelerine karşı etkisi incelenmiştir. İncelemeler IEEE 5 baralı sistemde yapılmıştır. Bilgisayar similasyonu için PSAT programı kullanılmıştır. Sürekli güç akışı analizi yöntemi kullanılarak elde edilen PV eğrileri ile STATCOM ve SVC’nin gerilim çökmelerine karşı etkisi incelenmiştir. Benzetim çalışmaları SVC ve STATCOM un sistemin yüklenebilirlik sınırlarını arttırdığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: FACTS, Sürekli Güç Akışı, PSAT

Effects of facts devices voltage stability

ABSTRACT

In this study, the effect of STATCOM and SVC controllers are examined against the power system voltage collapse. Investigations were made IEEE 5 bus system. The computer simulation program was used for the PSAT. PV curves obtained using the method of continuous power flow analysis with the STATCOM and SVC are examined against voltage collapse. Simulation studies of SVC and STATCOM system was to increase the limits of chargeability. Keywords: FACTS, Contination Power Flow, PSAT

* Sorumlu Yazar / Corresponding Author

T. E. Gümüş, M. A. Yalçın Facts cihazlarının gerilim kararlılığına etkisinin incelenmesi

162 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 161-166, 2013

1. GİRİŞ (INTRODUCTION)

Gelişen teknoloji ile birlikte elektrik enerjisine olan talep de her geçen gün artmaktadır. Enerji talebindeki artış güç sistemlerini kararlılık sınırlarına yakın bölgelerde çalışmaya zorlamaktadır. Bu durum kararlılık sınırlarının azalmasına yol açtığından dolayı gerilim kararlılığının önemi de enerji ihtiyacının artmasıyla birlikte artmaktadır [1]. Gerilim kararlılığı, bir güç sisteminin yük baralarının, gerilim genlik değerlerini tüm koşullarda belirli limitler arasında tutabilme yeteneği olarak tanımlanabilir [2]. Gerilim kararlılığında en önemli problem olan gerilim çökmelerinin önüne geçebilmek için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Kademe değiştiricili trafo denetimi, hızlı arıza temizleme iletim hatlarına seri ve paralel kompanzasyon yapılarak gerilim kararlılığı sınırlarını arttırmak mümkündür[3]. Kademe dönüştürme oranları sayesinde yük baralarındaki gerilimi istenilen seviyede tutmaya yararlar[4]. İletim hatlarına seri kompanzasyon yapılarak hattın seri reaktansı kompanze edilir ve bu sayede hattın taşıyabileceği maksimum güç sınırları arttırılabilir. İletim hattına seri kompanzasyon yapılarak sisteme reaktif güç verilmesi sistemden reaktif güç çekilmesi ile gerilim değeri istenilen değerde tutmak mümkündür. Elektrik enerjisine olan talep arttıkça güç sistemleri de büyüyerek karmaşık hale gelmektedir. Büyüyen ve karmaşıklaşan sistemlerde gerilim kararsızlığı ve çökmelerini önlemek için kullanılan klasik yöntemler bazen sistem ihtiyaçlarını karşılayamaz hale gelmiştir. Günümüzde gelişen güç elektroniği elemanları tabanlı FACTS cihazları sayesinde karmaşıklaşan ve büyüyen sistemlerin gerilim problemleri daha hızlı ve etkin şekilde çözülmektedir. Bunun yanı sıra FACTS cihazları uygun olarak kullanıldıkları zaman güç sistemlerinin kararlılık sınırlarını arttırarak mevcut kaynakların en iyi şekilde kullanılmasını sağlamaktadır[5]. FACTS cihazlarının temel olarak iki işlevi vardır. Bunlardan ilki bulundukları güç sisteminin taşıma kapasitesini arttırmak ikincisi de sistemdeki güç akışını kontrol etmektir[6]. Bu çalışmada 5 baralı test sisteminde tanjant vektör analizi yapılarak sistemin zayıf baraları belirlenmiştir. Daha sonra sistemin en zayıf barasına FACTS cihazları bağlanarak sistemin kararlılık limitleri incelenmiştir ve farklı senaryolar altında sistemdeki değişimler incelenmiştir.

2. SVC VE STATCOM (SVC AND STATCOM) İlk olarak 1980’li yıllarda geliştirilmeye başlanan FACTS cihazları güç sistemlerine hızlı ve etkin müdahale eden, güç sisteminin yeni koşullara hızlı uyum

sağlamasını sağlayan denetim sistemleridir. FACTS cihazları genel olarak düşünülürse, daha hızlı ve etkin denetim yapan, bozucu etkinin olduğu koşullarda sistemin kararlılığını sağlayan ve güç iletim sisteminin kapasitesini arttıran güç elektroniği tabanlı denetim sistemleridir[6]. En çok bilinen FACTS cihazları SVC, STATCOM, TCSC ve SSSC’dir. 2.1. Svc (Svc) SVC güç sistemlerinde bağlı bulunduğu baranın gerilimini kontrol edebilmek için reaktif ve endüktif akım alışverişi yapan bir statik denetim cihazıdır. Statik denmesinin nedeni senkron generatörde reaktif güç sağlar ve dönen parçası vardır fakat SVC’nin dönen parçası olmadığı için statik denmektedir. SVC’nin yapısı iki farklı şekilde olabilmektedir. Bunlardan birincisi tristör kontrollü reaktör (TCR) ve buna paralel bağlı bir kapasiteden oluşmaktadır. İkinci yapıda ise tristör anahtarlamalı reaktör (TSC) yine tristör kontrollü reaktör ve buna seri bağlı bir kapasiteden meydana gelmektedir. Kullanımı daha yaygın olan SVC türü ilk yapıdaki SVC’dir. Şekil 2.1. ve Şekil 2.2.’de SVC’nin yapısı ve kararlılık modeli görülmektedir.

Şekil 1.1 SVC nin temel yapısı (The basic structure of SVC)

Şekil 2.2 SVC nin kararlılık modeli (Stability model of SVC)

Facts cihazlarının gerilim kararlılığına etkisinin incelenmesi T. E. Gümüş, M. A. Yalçın

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 161-166, 2013 163

SVC kontrol edilebilen şönt reaktör ve kapasitelerden oluşmaktadır. SVC güç sisteminde bara gerilimini kontrol etmektedir. Şekil 2’de görüldüğü gibi SVC’nin suseptansı tristörlerin uygun açı aralığında ateşlemesi ile kontrol edilir(açı aralığı genellikle 90~180) . Sonuçta SVC açı değişmesiyle elde edilen değişken empedanslı bir kontrolör özelliği gösterir[5].

2.2. Statcom (Statcom) Statik Var Kompanzatörün yapısı basitçe doğru gerilim kaynağı olarak kullanılan dolu bir kondansatör, bir dönüştürücü ve bir bağlantı trafosundan oluşmaktadır. Dönüştürücü çıkışındaki gerilimin genliği değeri değiştirilerek sisteme reaktif güç verme veya sistemden reaktif güç çekerek sistem denetimi sağlanır. STATCOM ile güç sistemi arasındaki aktif güç alışverişi de dönüştürücü çıkışındaki gerilimin faz açısı ile kontrol edilir. Dönüştürücü çıkışı ileri fazda ise sisteme aktif güç verir, geri fazda ise sistemden aktif güç çeker. Genellikle STATCOM sisteme reaktif güç alıp verir. Şekil 2.3.’de STATCOM un yapısı ve Şekil 2.4. V-I karakteristiği görülmektedir.

Şekil 3.3 Statcomun yapısı[10] (Structure of Statcom)

Şekil 2.4 Statcom V-I karakteristiği[10] (Statcom V-I Characteristic)

STATCOM kontrol etmek için iki farklı yöntem kullanılmaktadır. Birincisi faz kontrolüdür. Faz kayması olan β nin kontrolü ile çıkış gerilim genliği kontrol edilir. İkinci yöntemde darbe genişlik modülasyonudur. Bu yöntemle çıkış gerilim genliği ve faz kayması bağımsız kontrol edilebilir. Bu durumda DC gerilim AC gerilimden ayrı kontrol edilebilir[5].

3. BENZETİM ÇALIŞMALARI (SIMULATION MODEL)

Bu çalışmada PSAT [7] programı ile IEEE 5 baralı test sistemde ilk olarak sürekli hal güç akışı yapılarak sistemin tanjant vektörleri hesap edilmiş ve sistemin en zayıf barası tespit edilmiştir. Güç sistemi şekil 3.1 de gösterilmiştir.

Şekil 3.1. IEEE 5 baralı sistem (5 IEEE bus system)

Yapılan tanjant vektör analizine göre sistemin yük baralarının tanjant vektörleri aşağıdaki gibidir.


164 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 161-166, 2013

Tablo 3.1. Baraların tanjant vektörleri (Tangent vectors of busbars)

Bara |Tanjant Vektör|5. Bara |0,0842| 4. Bara |0,0726| 3. Bara |0,0727|

Tanjant vektör analizine göre tanjant vektörü en büyük olan bara sistemin en zayıf barasıdır. Bu sistemde en zayıf bara 5 numaralı baradır. Sürekli hal güç akışı analizinde sistemdeki temel yükler başlangıç kabul edilerek bu yükler belirli bir yüklenme parametresi ile arttırılarak gerilimdeki değişimler elde edilerek PV eğrilerine ulaşmak mümkündür. Sürekli hal güç akışı analizinde P=P0(1+λ) ve Q=Q0(1+λ) kabulü yapılarak λ-V eğrileri çizdirilir. Burada λ yüklenmedeki değişimler olduğu için λ-V eğrileri PV eğrileri olarak kabul edilir. Temel durumda yapılan sürekli hal güç akışı sonucunda sistemin en zayıf barasının λ-V eğrisi aşağıdaki olmaktadır.

Şekil 3.2. Temel durum λ-V eğrisi (The base case λ-V curve)

Burada Vkritik = 0.55922, Pkritik = 2.8871 pu ve λ = 4.8119 olmaktadır. Sistemin kritik barasına sistemin kararlılık limitlerini arttırmak için sistemde hiçbir bozucu etki yokken STATCOM eklenmesi durumunda sistemin kritik değerleri Vkritik = 0.62972, Pkritik = 3.0696 ve λ = 5.1161 değerini almaktadır. Bu durumda λ-V eğrisi aşağıdaki gibi olmaktadır.

Şekil 3.3. STATCOM eklenmesi durumu λ-V eğrisi (Λ-V curve in the case of added as STATCOM)

Sistemde bozucu etki yokken SVC eklenmesi durumunda sistemin kritik barasına ait değerler Vkritik = 0.61381, Pkritik = 3.0174 ve λ = 5.0295 değerini almaktadır. Bu durumda λ-V eğrisi aşağıdaki gibi olmaktadır.

Şekil 3.4.SVC eklenmesi durumu λ-V eğrisi (In the case SVC added situation of Λ-V curve)

Sistemde kritik barayı besleyen hatlar göz önüne alındığında birinci hat 2-5 numaralı baralar arasındaki hat diğer hat ise 4-5 numaralı baralar arasındaki hattır. Sistemin kritik barasını besleyen hatların kopması halinde sistemin kararlılık limitlerindeki değişimler incelenmiştir. 2-5 numaralı baralar arasındaki hattın devre dışı kalması halinde sistemin kritik barasına ait değerler Vkritik = 0.54133, Pkritik = 0.8255 ve λ = 1.3761 değerini almaktadır. Bu durumda kritik baraya ait λ-V eğrisi Şekil 3’teki gibi olmaktadır.

0 1 2 3 4 50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Yüklenme Parametresi (p.u.)

Ger

ilim

(p.

u.)

0 1 2 3 4 5 60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2


Ger

ilim

(p.

u.)

0 1 2 3 4 5 60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2


Ger

ilim

(p.

u.)

Facts cihazlarının gerilim kararlılığına etkisinin incelenmesi T. E. Gümüş, M. A. Yalçın

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 161-166, 2013 165

Şekil 3.5. 2-5 hattı devre dışı λ-V eğrisi (Λ-V curve of line 2-5 disabled)

Hattın devre dışı kalması durumunda kritik baraya STATCOM eklenmesi durumunda sistemin kritik barasına ait değerler Vkritik = 0.70358, Pkritik = 1.0972 ve λ = 1.8286 değerini almaktadır. Kritik baraya ait λ-V eğrisi aşağıdaki gibi olmaktadır.

Şekil 3.6. 2-5 hattı devre dışı STATCOM eklenmesi durumu λ-V eğrisi (λ-V curve in the case of addition of 2-5 disabled STATCOM)

Hattın devre dışı kalması durumunda kritik baraya SVC eklenmesi durumunda sistemin kritik barasına ait değerler Vkritik = 0.57877, Pkritik = 0.99234 ve λ = 1.6546 değerini almaktadır. Kritik baraya ait λ-V eğrisi aşağıdaki gibi olmaktadır.

Şekil 3.7. 2-5 hattı devre dışı SVC eklenmesi durumu λ-V eğrisi (λ-V curve in the case of addition of 2-5 disabled SVC)

4. SONUÇLAR (CONCLUSION)

Güç sisteminde hiçbir bozucu etki yokken ve 2-5 hattı devre dışı kaldığında sistemin kritik barasına eklenen SVC ve STATCOM ile kritik baranın yüklenebilirlik değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Tablo 4.1.Kritik bara değerleri (p.u.) (Critical values of the bar)

Kritik Bara λ P V Denetleyicisiz 4.8119 2.8871 0.55922 STATCOM 5.1161 3.0696 0.62972 SVC 5.0295 3.0174 0.61381

Tablo 4.2. 2-5 hattı devre dışı kritik bara değerleri(p.u.) (2-5 line off the critical values of the busbars)

Kritik Bara λ P V

2-5 Hattı yok 1.3761 0.8255 0.54153

STATCOM 1.8286 1.0972 0.70358

SVC 1.6546 0.99276 0.57877

Elde edilen sonuçlardan FACTS cihazlarının güç sisteminin yüklenebilirlik sınırlarını arttırdığı görülmektedir. Sistemde bozucu etki yokken SVC ve STATCOM sistemin yüklenebilirlik sınırlarını arttırarak sistem gerilim çökmelerine karşı daha güvenilir hale gelmiştir. Reaktif güç kompanzasyonu yaparak aşırı yüklü durumlarda gerilim çökmesini engellemektedir. Sistemde STATCOM’ un SVC’ ye göre daha iyi sonuçlar verdiği görülmektedir.

KAYNAKLAR (REFERENCES)

[1] Taylor, W. (1994) ‘Power System Voltage Stability’, McGraw-Hill, New York

[2] Yalçın, M.A. ‘Enerji Sistemlerinde Gerilim Kararlılığının Yeni Bir Yaklaşımla İncelenmesi’,

0 1 2 3 4 5 60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2


Ger

ilim

(p.

u.)

0 1 2 3 4 5 60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4


Ger

ilim

(p.

u.)

0 1 2 3 4 5 60

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9


Ger

ilim

(p.

u.)


166 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 161-166, 2013

Doktora Tezi, İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi, İstanbul

[3] Dirik H. ‘Statcom Ve Sssc Denetleyicilerinin Güç Sistemi Gerilim Kararlılığı Üzerine Etkisinin İncelenmesi’, Yüksek Lisans Tezi,OMÜ, FBE.

[4] Balanathan R. ‘Techniques to efficiently improve power system voltage stability’, Doctor thesis, The university of Auckland, New Zealand, [December 1998]

[5] Mithulananthan, N., Sode -Yome, A., and Acharya, N., Application of FACTS Controllers in Thailand Power Systems, School of Environment, Resources and Development Asian Institute of Technology,Thailand [2005]

[6] Hasanovic A., ‘Modeling and Control of The Unified Power Flow Controller (UPFC)’, MA Thesis, West Virginia Uni [2000]

[7] Documentation for PSAT version 2.0.0 [February 14, 2008]:


Punica granatum Linn. (nar) bitkisinin antibakteriyel etkisinin araştırılması

Kenan Tunç1*, Tuğba Konca1, Ayşegül Hoş1

1Sakarya Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Biyoloji Bölümü, Sakarya *E-posta: [email protected]


ÖZET

Bu çalışmada, Punica granatum L. (Nar) bitkisi meyve kabuklarından elde edilen ekstraktların (etanol, aseton, metanol, etil asetat), Streptococcus mitis CNCTC 4/77, Streptococcus salivarius CNCTC 64/59, Streptococcus mutans CNCTC 8/77, Staphylococcus epidermidis ATCC 12228, Staphylococcus aureus ATCC 29213, Escherichia coli ATCC 25922, Salmonella abony NCTC 6017, Salmonella typhimurium ATCC 14028, Enterococcus faecalis ATCC 29212, Bacillus subtilis ATCC 6633 bakteri suşlarına karşı in vitro ortamda antibakteriyel etkisi araştırılmıştır. Ekstraktların antibakteriyel aktivitesinin belirlenmesinde disk difüzyon metodu kullanılmıştır. Meyve kabuk ekstraktlarının meydana getirdiği en yüksek inhibisyon zon çaplarının (18-30 mm) S. aureus ve S. epidermidis bakterilerine karşı olduğu gözlenmiştir. Viridans streptokoklardan Streptococcus mitis bakterisine karşı bitkinin antibakteriyel etkisinin olduğu ilk kez bu çalışmada belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Punica granatum L. nar, antibakteriyel aktivite, disk difüzyon, viridans streptokoklar

Antibacterial activity of Punica granatum Linn.

ABSTRACT

In this study, it was investigated that the extracts (ethanol, aceton, methanol, ethyl acetat) obtained from fruit peels of the plant to whether has antibacterial effect against Streptococcus mitis CNCTC 4/77, Streptococcus salivarius CNCTC 64/59, Streptococcus mutans CNCTC 8/77, Staphylococcus epidermidis ATCC 12228, Staphylococcus aureus ATCC 29213, Escherichia coli ATCC 25922, Salmonella abony NCTC 6017, Salmonella typhimurium ATCC 14028, Enterococcus faecalis ATCC 29212, Bacillus subtilis ATCC 6633 bacteria strains in vitro. The antibacterial activity of extracts was evaluated according to disc diffusion method. It has been determined that pomegranate peel’s extract had the highest inhibition zone diameters ( 18-30 mm) against S. epidermidis and S. aureus bacteria strains. The antibacterial activity of plant against Streptococcus mitis is determined in this study for the first time. Keywords: Punica granatum L., pomegranate, antibacterial activitiy, disc diffusion, viridans streptococci


K. Tunç, T. Konca, A. Hoş Punica granatum linn. (nar) bitkisinin antibakteriyel etkisinin araştırılması

168 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 167-172, 2013


Tıbbi bitkilerden elde edilen ekstraktlar ve uçucu yağlar; ham veya işlenmemiş gıdaların muhafazası, farmasötik, alternatip tıp ve doğal tedavilerde kullanımı dahil pek çok uygulamanın temelini oluşturmaktadır [1]. Bitkilerin tedavi amaçlı kullanımı insanlık tarihi kadar eskidir. Geleneksel ilaç olarak kullanılan birçok bitki bulunmaktadır [2]. Mikroorganizmaların antibiyotiklere karşı direnç kazanmaları ve yeni patojen mikroorganizmaların keşfinden dolayı günümüzde araştırmacılar, tıbbi bitkilerin antimikrobiyal özelliklerini araştırmaya yönelmişlerdir [3]. Üzümsü meyve olarak kategorilendirilen nar; sarı, koyu pembe veya kırmızı renkte olabilen derimsi bir kabuğa sahiptir. Meyve kabuğunun önemli farmakolojik aktivitesinin çoğu polifenol bileşiklerin varlığından kaynaklanmaktadır. Bu bileşikler; doğal koruyucu ve güçlü antioksidan olan tanen ve flavonoidlerdir. Nar kabuğunda bulunan spesifik ellagitanenler; punicalin ve punicalagin’dir. Meyvede bulunan flavonoidler; antosiyanin, flavan-3-ols, flavon ve flavonollerdir [4]. Narda major organik asitlerden sitrik asit, L-malik asit, okzalik asit olduğu; suksinik, tartarik ve kinik asitin ise daha az miktarda bulunduğu düşünülmektedir [5]. Meyve kabuğu ekstraktlarının antibakteriyel, antifungal, antiviral, antihelmintik aktivite gösterdiği bildirilmiştir [6]. Bu çalışmada; farklı çözücülerde hazırlanan Punica granatum L. (Nar) meyve kabuk ekstraklarının, çeşitli bakteriler üzerinde disk difüzyon metodu ile antibakteriyel etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır.

2. MATERYAL VE METOT (MATERIAL AND METHOD)

2.1. Materyal (Material) Çalışmada kullanılan Punica granatum L. ‘Nar’ meyveleri Düzce ilinin Çiçekpınar köyünden 2011 yılının Ekim ayında toplanmıştır. Punica granatum L., Punicaceae familyasına ait bir bitkidir. Familyada sadece bir cins (Punica) ve baskın bir tür (P. granatum L.) mevcuttur [4]. Nar ağacı; Mayıs-Haziran aylarında çiçek açan, 2-5 m. yüksekliğinde, çalımsı bir ağaçtır [7].

2.2. Test Mikroorganizmaları (Test Microorganisms) Çalışmada kullanılan mikroorganizma suşları; Streptococcus mitis CNCTC 4/77, Streptococcus salivarius CNCTC 64/59, Streptococcus mutans CNCTC 8/77, Staphylococcus epidermidis ATCC 12228, Staphylococcus aureus ATCC 29213, Escherichia coli ATCC 25922, Salmonella abony NCTC 6017,

Salmonella typhimurium ATCC 14028, Enterococcus faecalis ATCC 29212, Bacillus subtilis ATCC 6633 olup, İstanbul Üniversitesi Mikroorganizma Kültür Koleksiyonları Araştırma ve Uygulama Merkezinden (KÜKENS) ve Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Biyoloji Bölümü Mikrobiyoloji Laboratuarı Kültür Koleksiyonu’ndan temin edilmiştir. 2.3. Bitki Ekstraktlarının Hazırlanması (Preparing Extracts of the Plant) Punica granatum L. meyve örneklerinin kabukları 7 gün boyunca gölgede kurutulduktan sonra toz haline getirilmiştir. Toz materyalden 15 gr tartılarak 150 ml çözücüde 2 gün boyunca bekletilmiştir. Kimyasal çözücü olarak aseton (MERCK), etanol (MERCK), metanol (MERCK) ve etil asetat (MERCK) kullanılmıştır. Elde edilen ekstraktlar, vakum altında 40-45ºC’de rotary evaporatörde (HEIDOLPH LABOROTA 4000 EFFICIENT) buharlaştırılmıştır. 2.4. Antimikrobiyal Aktivitenin Belirlenmesi (Determination of Antimicrobial Activity) Bakteri suşları Triptik Soy Broth (MERCK) besiyerine aşılanmış, 37°C’de 24 saat inkübe edilerek aktifleştirilmiştir. İnkübasyon sonunda bakteri yoğunluğu densitometre (BIOSAN) kullanılarak 0.5 MacFarland’a ayarlanmıştır. Hazırlanan ekstraktların antibakteriyel aktivitesi disk difüzyon metodu kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen kabuk ekstraktlarına belirlenen oranlarda DMSO (Dimetil Sülfoksit) eklenerek istenilen konsantrasyonlar (6400 µg/10µl, 3200 µg/10µl, 1600 µg/10µl, 800 µg/10µl ve 400 µg/10µl) disklere emdirilmek üzere hazırlanmıştır. 6 mm çapındaki steril disklere (ROTILABO) hazırlanan ekstraktlardan 10 µl/disk emdirilerek diskler kurumaya bırakılmıştır. Negatif kontrol olarak DMSO emdirilmiş diskler, pozitif kontrol olarak Klindamisin (10 µg), Tetrasiklin (10 µg) ve Amoksisilin-Klavulanat (30 µg) antibiyotik diskleri kullanılmıştır. Mueller Hinton Agar ve % 5 koyun kanlı Mueller Hinton Agar besiyerlerine yoğunluğu ayarlanmış bakteri süspansiyonundan steril eküvyon çubuk ile ekim yapılmıştır. Agar üzerine diskler hafifçe bastırılarak aseptik koşullarda yerleştirilmiştir. Bu şekilde hazırlanan petriler, viridans streptokoklar için anaerobik inkübasyon koşullarında (% 5-10 CO2) ; diğer test mikroorganizmaları için ise aerobik inkübasyon koşullarında 37 ºC’de 24 saat boyunca bekletilmiştir. İnkübasyon sonunda meydana gelen inhibisyon zon çapları ölçülerek antibakteriyel aktivite tayini yapılmıştır.

Punica granatum linn. (nar) bitkisinin antibakteriyel etkisinin araştırılması

K. Tunç, T. Konca, A. Hoş

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 167-172, 2013 169

3. BULGULAR (FINDINGS) Punica granatum L. meyve kabuklarından hazırlanan ekstraktların antibakteriyel aktivitesinin araştırıldığı bu çalışmada, test mikroorganizmalarına karşı meydana gelen inhibisyon zon çapı ölçümleri Tablo 1’de verilmiştir. Deney sonuçlarına göre ekstraktların gösterdiği en yüksek inhibitör etkinin Staphylococcus aureus ve Staphylococcus epidermidis bakterilerine karşı olduğu gözlenmiştir. Ekstraktlar; Salmonella abony, Escherichia coli, Streptococcus mitis ve Streptococcus salivarius bakterilerine karşı sınırlı antibakteriyel etki göstermiştir. Streptococcus mutans, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis ve Salmonella typhimurium bakterilerine karşı ise inhibitör etki göstermediği belirlenmiştir.

Şekil 1. Punica granatum L. ekstraktlarının (6400 μg/10 μl) Staphylococcus epidermidis’e karşı oluşturdukları inhibisyon zon çapları [ A- Etanol ekstraktı (30 mm), B- Aseton ekstraktı (29 mm), C- Metanol ekstraktı (28 mm), D- Etil asetat ekstraktı (24 mm) ] ( Inhibition zone diameters of Punica granatum L. fruit skin extracts (6400µg/10 µl) to Staphylococcus epidermidis [A-Ethanol extract (30 mm), the B-acetone extract (29 mm), C-methanol extract (28 mm), D-ethyl acetate extract (24 mm)])

Şekil 2. Punica granatum L. ekstraktlarının (6400μg/10 μl) Staphylococcus aureus’a karşı oluşturdukları inhibisyon zon çapları [ A- Etanol ekstraktı (22 mm), B- Aseton ekstraktı (24 mm), C- Metanol ekstraktı (20 mm), D- Etil asetat ekstraktı (18 mm)] ( Inhibition zone diameters of Punica granatum L. fruit skin extracts (6400µg/10 µl) to Staphylococcus aureus [A-Ethanol extract (22 mm), the B-acetone extract (24 mm), C-methanol extract (20 mm), D-ethyl acetate extract (18 mm)])

A

A B

C D

A B

C D


170 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 167-172, 2013

Tablo 1. Punica granatum L.meyve kabuk ekstraktlarının oluşturduğu inhibisyon zon çapları [Sm1, Streptococcus mitis; Ss, Streptococcus salivarius; Sm2, Streptococcus mutans; Se, Staphylococcus epidermidis; Ec, Escherichia coli; Sa1, Staphylococcus aureus; Bs, Bacillus

subtilis; Sa2, Salmonella abony; St, Salmonella typhimurium; Ef, Enterococcus faecalis. (Inhibition zone diameters of Punica granatum L. fruit skin extracts

[Sm1, Streptococcus mitis, Ss, Streptococcus salivarius, SM2, Streptococcus mutans, Se, Staphylococcus epidermidis, Ec, Escherichia coli; Sa1, Staphylococcus aureus, Bs, Bacillus subtilis, Sa2, Salmonella abony, St, Salmonella typhimurium, Ef, Enterococcus faecalis)

Test Mikroorganizmaları

Ekstrakt Sm1 Ss Sm2 Se Ec Sa1 Bs Sa2 St Ef

İnhibisyon zonları (mm)

Etanol 6400 µg 3200 µg 1600 µg 800 µg 400 µg Kontrol

12 9 7 0 0 0

8 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

30 24 20 16 14 0

10 8 0 0 0 0

22 20 17 16 14 0

0 0 0 0 0 0

10 8 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

Aseton 6400 µg 3200 µg 1600 µg 800 µg 400 µg Kontrol

12 10 7 0 0 0

9 7 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

29 25 20 19 15 0

0 0 0 0 0 0

24 22 20 15 9 0

8 0 0 0 0 0

8 7 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

Metanol 6400 µg 3200 µg 1600 µg 800 µg 400 µg Kontrol

10 8 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

28 24 20 15 12 0

0 0 0 0 0 0

20 18 17 15 12 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

Etil asetat 6400 µg 3200 µg 1600 µg 800 µg 400 µg Kontrol

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

24 19 15 10 0 0

0 0 0 0 0 0

18 15 9 0 0 0

9 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

Klindamisin (10 µg)

34 40 48 35 7 31 10 7 0 14

Tetrasiklin (10 µg)

31 28 26 8 17 19 8 15 0 8

Amoksisilin-Klavulanat (30 µg)

42 45 5 32 24 30 38 30 29 24

Punica granatum linn. (nar) bitkisinin antibakteriyel etkisinin araştırılması

K. Tunç, T. Konca, A. Hoş

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 167-172, 2013 171

4. SONUÇ VE TARTIŞMA (CONCLUSION AND DISCUSSION)

Punica granatum L. ‘Nar’, Citrus paradisi Mc. Fad. ‘Greyfurt’, Cydonia oblonga Miller ‘Ayva’, Musa sapientum L. ‘Muz’ meyve suları ile kabuk ekstraktlarının antibakteriyel ve antifungal aktivitelerinin Dağcı ve arkadaşları tarafından araştırıldığı çalışmada; P. granatum aseton, etil alkol ve sulu ekstraktlarının test edilen mikroorganizmalar üzerinde 12-34 mm inhibisyon zonu ile en etkili bitki olduğu tespit edilmiştir. P. granatum etil alkol, aseton ve sulu ekstraktlarının E. coli’ye karşı sırasıyla 12, 14, 0 mm, E. faecalis’e karşı 20, 19, 15 mm ve S. aureus’a karşı 17, 16, 24 mm inhibisyon zonu meydana getirdiği belirlenmiştir [8]. Punica granatum L. bitkisinin kurutulmuş yapraklarının ve meyve kabuklarının antimikrobiyal aktivitesinin belirlendiği bir çalışmada; hazırlanan hekzan, etil asetat, metanol ve su ekstraktlarının Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Bacillus subtilis, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae bakterilerine karşı inhibitör etkileri incelenmiştir. Meyve kabuğu metanol ve etil asetat ekstraktlarının S. aureus’a karşı 27-30 mm, B. subtilis’e karşı 28-32 mm, S. typhimurium’a karşı 27-30 mm inhibisyon zonu oluşturduğu belirtilmiştir. E. coli’ye karşı metanol ekstraktında inhibisyon zonu gözlenmemişken etil asetat ekstraktında 30 mm’lik zon çapı gözlenmiştir. Ayrıca S. aureus’a karşı yaprak etil asetat ekstraktının (27 mm) ve su, metanol ekstraktının (32 mm) en yüksek inhibisyon zon çapını oluşturduğu belirtilmiştir [9]. Bu çalışmanın sonuçları ile bizim çalışmamızın sonuçları bazı bakteriler için paralellik gösterirken bazıları için paralellik göstermemiştir. Çalışmamızda etil asetat ve metanol ekstraktları S. aureus’a karşı sırasıyla 18, 20 mm inhibisyon zonu oluşturmuş; fakat S. typhimurium, B. subtilis ve E. coli bakterilerine karşı inhibitör etki gözlenmemiştir. Taze nar meyve kabuklarının antibakteriyel etkisinin incelendiği bir başka çalışmada, ellagitanen punicalagin’i elde etmek için kromatografik teknikler kullanılarak etil asetat ekstraktı fraksiyonlarına ayrılmıştır. Metisiline dirençli Staphylococcus aureus bakterisine karşı punicalagin maddesinin aktif olduğu gözlemlenmiştir. Punicalagin maddesinin, narın antimikrobiyal aktivitesinden sorumlu madde olduğu ileri sürülmüştür [10]. Nar meyve kabuğunun yapısındaki fenolik bileşiklerin antibakteriyel etkilerinin araştırılması amacı ile yapılan bir çalışmada [11], elde edilen % 13 ellagic asit içeren standardize kuru nar kabuğu ekstraktının gram pozitif bakterilerden S. aureus’a karşı 15.2 -19.4 mm ve S.

epidermidis’e karşı 19.1 mm inhibisyon zon çapı oluşturduğu, gram negatif bakterilerden E. coli ve S. typhimurium’a karşı inhibitör etki göstermediği saptanmıştır. Bu çalışmanın sonuçları ile bizim çalışmamızın sonuçları paralellik göstermiştir. Çalışmamızda S. aureus’a karşı 18-24 mm ve S. epidermidis’e karşı 24-30 mm inhibisyon zon çapı gözlenirken, S. typhimurium’a karşı inhibitör etki gözlenmemiştir. Dahham ve arkadaşları tarafından nar meyve kabuğu metanol ekstraktının antibakteriyel etkisinin araştırıldığı çalışmada [12], Staphylococcus aureus bakterisine karşı (25 mm) belirlenen inhibisyon zon değeri bizim çalışmamızdaki metanol ekstraktı değeri (20 mm) ile paralellik göstermiştir. Buna karşılık çalışmada elde edilen ekstraktın Bacillus subtilis ve Escherichia coli bakterilerine karşı antibakteriyel etki gösterdiği ileri sürülürken, bizim çalışmamızda ise bu bakterilere karşı antibakteriyel aktivite gözlenmemiştir. Gıda kaynaklı bakterilere karşı, aralarında Punica granatum L. bitkisinin de bulunduğu 46 baharat ve tıbbi bitkiden hazırlanan metanol ekstraktlarının antibakteriyel etkileri incelenmiştir. Shan ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada Punica granatum L. bitkisinin S. aureus (32.3 mm) ve E. coli (14.5 mm) bakterilerine karşı güçlü inhibitör etki gösterdiği belirtilmiştir. Çalışmada, kullanılan diğer bitkiler arasında Punica granatum bitkisinin en yüksek toplam fenolik bileşik içeriğine (22.6 gr gallik asit/100 gr kuru ağırlık) sahip olduğu belirlenmiş ve antibakteriyel aktivite ile fenolik bileşik içeriği arasında bir ilişkinin var olduğu ileri sürülmüştür [13]. Çalışmamızda Punica granatum L. bitkisinin meyve kabuklarından hazırlanan ekstraktların, özellikle cilt florası ve burun mukozasında bulunan Staphylococcus aureus ve Staphylococcus epidermidis bakterilerine karşı güçlü antibakteriyel etki gösterdiği gözlenmiştir. Ayrıca ağız ve boğaz florasında bulunan viridans streptokoklardan Streptococcus mitis bakterisine karşı bitkinin antibakteriyel etkisinin olduğu ilk kez bu çalışmada belirlenmiştir. İlerideki çalışmalarda, Punica granatum L. ham bitki ekstraktının etken maddesi elde edilerek farklı bakteriler üzerindeki antibakteriyel etkisi araştırılabilir. Nar meyve suyu ve konsantresi üretiminde ortaya çıkan meyve kabuğu posalarının antimikrobiyal madde üreticileri için ekonomik ham madde kaynağı olabileceği düşüncesindeyiz.


172 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 167-172, 2013


[1] Dulger, B., Gonuz, A., Antimicrobial Activity of Certain Plants used in Turkish Traditional Medicine, Asian Journal of Plant Sciences, 3 (1): 104-107, 2004.

[2] Parseh, H., Hassanpour, S., Emam-Djome, Z., Lavasani, A.S., Antimicrobial Properties of Pomegranate (Punica granatum L.) as a Tannin Rich Fruit: a Review, The 1th International and The 4th National Congress on Recycling of Organic Waste in Agriculture, Iran, 2012.

[3] Naz, S., Ahmad, S., Rasool, S.A., Siddiqi, R., Sayeed, S.A., In vitro Antibacterial Activity of the Extracts Derived from Terminalia catappa, Research Journal of Microbiology, 2 (2): 180-184, 2007.

[4] Newman, R. A., Lansky, E. P., Pomegranate: The Most Medicinal Fruit, Basic Health Publications, sf. 1-10, America, 2007.

[5] Poyrazoğlu, E., Gökmen, V., Artık, N., Organic Acids and Phenolic Compounds in Pomegranates (Punica granatum L.) Grown in Turkey, Journal of Food Composition and Analysis, 15: 567-575, 2002.

[6] Bele, A. A. Jadhav, V. M., Nikam, S. R., Kadam, V. J., Antibacterial Potential of Herbal Formulation, Research Journal of Microbiology, 4 (4): 164-167, 2009.

[7] Davis, P.H., Flora of Turkey and the East Aegeans Islands, vol. 4, Edinburgh University Press, pp. 173-174, Edinburgh, 2008.

[8] Dağcı, E. K., Dığrak, M., Bazı Meyve Ekstraktlarının Antibakteriyel ve Antifungal Aktiviteleri, KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2), 2005.

[9] Omoregie, E. H., Folashade, K. O., Ibrahim, I., Nkiruka, O. P., Sabo, A. M., Koma, O. S., Ibumeh, O. J., Phytochemical Analysis and Antimicrobial Activity of Punica granatum L. (fruit bark and leaves), New York Science Journal, 3(12), 2010.

[10] Parashar, A., Gupta, C., Gupta, S. K., Kumar, A., Antimicrobial Ellagitannin from Pomegranate (Punica granatum) Fruits, International Journal of Fruit Science, 9: 226-231, 2009.

[11] Panichayupakaranant, P., Tewtrakul, S., Yuenyongsawad, S., Antibacterial, Anti-inflammatory and Anti-allergic Activities of Standardised Pomegranate Rind Extract, Food Chemistry, 123: 400-403, 2010.

[12] Dahham, S. S. Ali, M. N., Tabassum, H., Khan, M., Studies on Antibacterial and Antifungal Activity of Pomegranate (Punica granatum L.),

American-Eurasian J. Agric. & Environ. Sci. 9 (3): 273-281, 2010.

[13] Shan, B., Cai, Y-Z., Brooks, J. D. Corke, H., The in vitro Antibacterial Activity of Dietary Spice and Medicinal Herb Extracts, International Journal of Food Microbiology, 117: 112-119, 2007.


Teneke kutu kurutma fırınlarının AHP tekniğiyle değerlendirilmesi

Hüseyin Pehlivan 1*, Engin Keskinocak 2

1*Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya

2 Adensa Mühendislik, İstanbul


ÖZET

Bu çalışmada teneke kutu üretimi yapan bir fabrikada conta kurutma fırını seçimi yapılmıştır. Fabrikanın teneke kutu üretim sürecinde kullanmak için satın almayı düşündüğü conta kurutma fırını türleri olan yatay, dikey ve indüksiyon fırınları arasından işletmenin çıkarlarını en uygun fırın türü belirlenmiştir. Analitik Hiyerarşi Prosesi (AHP) tekniği ile fırın seçimi sırasında dikkat edilmesi gereken kriterlerin önem değerleri hesaplanmış ve tercih edilmesi gereken conta kurutma fırını türü belirlenmiştir. Son kısımda, metal ambalaj sektöründe uygulanan bu çalışmadan elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Teneke kutu imalatı, Conta kurutma fırınları, Analitik Hiyerarşi Prosesi (AHP).

Consideration of can drying ovens using ahp tecnique

ABSTRACT

In this study, the selection of drying ovens for can gaskets is made at a production plant of tin cans. Among the available three drying oven types, i.e. horizontal, vertical and induction, the optimum type is determined for purchase with the objective of the best suiting the needs of the can production plant. Analytic Hierarchy Process (AHP) is employed, and the importance of the critical and dominant criteria is determined. In this way, the optimum type of the drying oven is identified. Results are discussed and summarized based on the current practices used in the tin can production industry. Keywords: Manufacture of tin can, tin can cover drying, Analytic Hierarchy Process (AHP.)


H. Pehlivan, E. Keskinocak Teneke kutu kurutma fırınlarının AHP tekniğiyle değerlendirilmesi

174 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 173-179, 2013


Günümüzde enerji kullanımının verimliliği üretim maliyetlerini önemli ölçüde etkileyen faktörlerin başında gelmektedir. Çalışmamızın temelini oluşturan kurutma sistemleri sanayide çok yaygın olarak kullanılmakta ve enerji girdilerinin büyük kısmını oluşturmaktadır. Kurutma sistemlerinde kullanılan enerji kaynakları petrol ve bunun türevini oluşturan kaynaklar olduğundan optimum kullanımları çevre kirliliği ve maliyet açısından önem taşımaktadır. Kurutma işlemi gıda, kimya, tarım, ilaç, çimento, ağaç, makine gibi birçok sektörde ara işlem veya son ürün üretimi için her bir kademede yaygın olarak kullanılmaktadır. Buradaki sistemlerde yaygın olarak akışkan olarak sıcak hava kullanılmaktadır. Sıcak hava için doğal gaz, elektrik gibi enerji kaynakları kullanılmaktadır. Şekil 1’de gösterilen teneke kutu ilk olarak 1700 li yıllarda Fransız aşçı Niccolas Appert tarafından geliştirilmiştir [1]. Fransız aşçının geliştirdiği bu yöntemin temel prensibi hava almadan kapatılan kutunun içinde bulunan ürünün ısı yardımıyla sterilize edilmesiydi. Amacı bu yeni yöntemle gıda ürünlerini besin değerleri kaybolmadan uzun süre saklayabilmekti. Hala kullanılmakta olan teneke kutu ambalajlama o tarihten bu günlere kadar hızlı bir gelişim süreci geçirdi ve önemli bir sektör haline geldi. Artık teneke ambalaj büyük fabrikalarda son teknolojinin kullanıldığı bilgisayar kontrollü makinalar ile üretilmektedir. Gıda dışında bir çok sektörün ilk tercihi olan teneke ambalajın kullanımı her geçen gün daha da artmakta ve günümüzde dünya genelinde her yıl yaklaşık olarak 80 Milyar teneke üretilmektedir.

Şekil 1. Teneke kutu (Can)

Yapılan literatür taraması sonucunda teneke kapak conta kurutulmasıyla ilgili çok fazla yayına rastlanamamıştır. Aşağıda yer alan literatür taramasının önemli kısmını conta tedarikçisi firmalar tarafından yapılan teknik bültenler oluşturmaktadır. Su bazlı contaların kurutulmasıyla ilgili ilk yayınlanan bültenlerde bu tip contaların kullanımını artmasıyla birlikte uygun kullanımı için bazı ana başlıklar verilmiştir. Contanın kapak kapama öncesi %98 kuruluk oranına ulaşmış olması ve fırınlama sonrası 2 gün bekletilip sonrasında kapama işlemi uygulanmalıdır. Fırınlama sonrası uygulanan plastik ambalajlar kurutmayı engellediği için tercih edilmemektedir [2]. DAREX [3] firmasının ürettiği teneke kutu imalatında kullanılan su bazlı contaların depolanması, karıştırılması, kullanılması, kurutulması ile ilgili bilgileri içerir. Ayrıca bu tip contaların kullanıldığı yerlerde meydana gelebilecek problemler ve bunlara ait çözüm önerileri yer almaktadır. Proses sonundaki katı madde oranının %85-95 arasında olması hedeflenmiş ve bir günlük depolama sürecinin sonunda bu oranın %98 e ulaşması öngörülmüştür. Diğer bir çalışmada [4] ise, hat hızı, kapak boyutları, çeşitleri, conta miktarı ve katı madde oranı, üretim sonrası ambalajlama, stok alanı havalandırması, ambalajlama öncesi kapakların ayrıştırılması gibi kuruma hızını etkileyen faktörler üzerinde durulmuştur. Kurutma işleminden sonra kalan nemim belirlenmesinde kullanılabilecek bir test prosedürü önerilmiştir. Diğer teknik bültende [5] ise, Toplam katı madde oranı %55 ve altında olan su bazlı contalar incelenmiştir. Bunlarının kurutulmasında yatay tip kurutma fırınında 15 ila 20 dakika arasında 90 oC ila 120 oC ye Sıcaklıkları arasında kurutulması gerektiği, dik fırınlarda ise bu sürenin 4 ila 6 dakika arasında ve 70 oC ila 90 oC sıcaklıkları arasında olabileceğini ortaya koymuştur. Contalanmış kapağın maksimum depolanma süresinin iki sene olduğu belirtilmiştir seçilen su bazlı contaların kimyasal ısıl işlemler esnasında ortama uçucu madde vermemesi gerekmektedir. Çünkü bu tip sistemler gıda ürünlerine karışabileceği önlenmelidir. Teneke kutu üretiminde kullanılan kurutma fırınlarının performanslarının iyileştirilme gerekliliği konserve ve teneke kutu içerisinde ambalajlanmış ürünlerin tüketiminin artmasıyla ihtiyaç haline gelmiştir. Teneke kapak ihtiyacı yüz milyon adetlerle ifade edilirken günümüzde sadece Türkiye’de yıllık çeşitli çap ve şekillerde yaklaşık olarak 1 milyar kutu, 2 milyar kapak ihtiyacı vardır dolayısıyla üretimi de gerekmektedir. Bu çalışmada teneke kutu üretimi yapan fabrikalarda kapak kurutma fırınlarının kurutma performansını arttırmada kullanılabilecek belirleyici kriterler incelendi ve araştırıldı. Teneke kutu üretiminde kullanılan


H. Pehlivan, E. Keskinocak

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 173-179, 2013 175

fırınların tasarımında gerekli olan birçok konu ile ilgili çok az yayınlanmış bilgi bulunmaktadır. Pazar koşulları ve rekabetten dolayı daha belirgin olan bu eksikliği bir ölçüde telafi etmek amacıyla bu tez çalışmasının gerekliliği ortaya çıkmıştır. Teneke kutu imalatı ve bu alanda kullanılan kurutma fırınlarının seçiminin önemine değinilip, bu seçiminde etkili olan kriterler belirlenmiştir. Çalışmanın devamında bu kriterler dikkate alınarak AHP tekniği ile fırın seçimi sırasında dikkat edilmesi gereken kriterlerin önem sırası belirlenmiştir. Elde edilen bu veriler çok amaçlı karar verme yöntemlerinden biri olan AHP tekniği ile değerlendirilmiş ve örnek işletme için en uygun kurutma fırının seçiminin yapılması sağlanmıştır.

2. KURUTMA VE TENEKE KAPAK CONTASI (DRYING AND TIN COVER GASKET)

Kurutmada amaç ürünün içindeki nemin belli bir değerden alınarak istenilen değere getirilmesidir. Nem alma işlemi değişik usullerle yapılabilir. Kurutma güneşte, açık havadaki doğal kurutmayla başlamış ve yerini çeşitli makinelerle yapılan kurutma sistemlerine bırakmıştır. Bu çalışmanın konusunu oluşturan kurutma fırınları metal ambalaj üretimi sektöründe ki teneke kutu ve bunların kapakların kurutulduğu sistemlerdir. Kutu gövdelerinin ve kapakların birbirleriyle birleştirilmesinde conta kullanılır. Burada kullanılan contalar su bazlı ve solvent bazlı olmak üzere iki ana guruba ayrılır. Solvent bazlı contalar maliyetlerinin yüksek olmasından ve ambalajlandığı ürüne kimyasal geçişi (migrasyon) dolayı daha az tercih edilirler. Su bazlı contalar sektörde maliyet ve gıda güvenliğinden dolayı daha yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Su bazlı contaların katı madde oranları %50-65 seviyelerindedir. Kurutma sonrası, uygulama öncesi en az %85 kurulukta olmaları istenmektedir. Kapak contalarının depolama süresince katı madde oranlarının %90-95 seviyelerine ulaştığı görülmektedir. Uygun depolama şart ve süresi sonunda kurumanın %98 seviyelerine ulaştığı görülmüştür. Bu tip işletmelerde 3 farklı tip kurutma fırını kullanılmaktadır. Bunlar; Yatay, dikey ve İndüksiyondur. 2.1. Yatay fırınlarda kurutma (Horizontal furnaces, drying) Yatayda ilerleyen 40-80 cm eninde, 300-450 cm boyunda çelik esaslı bir konveyörün kapalı bir hazne içinden geçmesi prensibine dayanır. Haznenin üst kısmında bulunan yanma odası fan yardımı ile sıcak havayı fırın içerisine basar. Konveyör üstüne konan kapaklar fırın içerisinden geçerek kururlar. Yatay fırınlarda kapağın istenilen şekilde kuruması 10-15 dakika sürer. Fırın içerisi 90-100 derecedir. 20-40 cm yüksekliğinde 100-200 adet kapağın üst üste durarak ilerlemesi sırasında kapakların birbiri üstünde titreşimleri çizilmelere neden

olur bu kalite açısından istenmeyen bir durumdur. Kapaklar üst üste durduğu için buharlaşan suyun iki kapak arasından çıkıp uzaklaşması tamamen gerçekleşmez. Ortamdan uzaklaşamayan su buharı kapakların depoda bekleme sürecinde yoğuşarak kapak üstünde su birikintileri oluşturur, bu çok rastlanan bir durum olmasa da dezavantajdır. Su kapaklarda korozyona neden olur ve kapaklar kullanılmaz hale gelir. En üstteki 2-3 adet kapak sıcak havanın giriş bölgesinden etkilenerek hızlı kuruma nedeni ile contada kabarmalar hatta contanın özelliğini kaybetmesine neden olur. Bu kapaklar kullanılamazlar, ayrılarak %0,4 ıskartaya neden olurlar. Yatay fırınlarda fırın girişinde kapakları dizmek ve yerleştirmek için fazladan 1 personele ihtiyaç duyulur. Bu fırınların konveyör giriş ve çıkış aralıkları fazla olduğu için sıcak havanın fırın dışına çıkışı kolaylıkla olmakta bu nedenle doğalgaz tüketimini arttırarak 10-15m3/h yapmaktadır.

2.2. Dikey fırınlarda kurutma (Vertical drying ovens) Dikey düzlemde ilerleyen cepli bir zincir sisteminden oluşmaktadır. Zincir alt ve üst tarafta bulunan kasnak sistemi vasıtası ile dönüşünü tamamlar. Kapaklar contalama makinesi ile senkronize çalışan fırın tahrik sistemi vasıtası ile otomatik olarak ceplere girer ve fırın içinde ilerler. Genellikle 1 inçlik zincirde 4 adet cep bulunmaktadır. Kapak derinliğine bağlı olarak 1 inçteki kapak adedi artıp azalabilir. Kurutma işlemi daha hızlı, daha ekonomik ve daha hijyenik olarak gerçekleştirilir. Kurutma işlemi daha kısa sürede gerçekleşecektir. Enerji kullanımında azalma dolayısıyla ülke ekonomisine katkı sağlanacaktır. Kurutma işlemi kapalı bir ortamda hijyenik olarak gerçekleşecektir. Bakım giderleri yatay fırınlara göre düşüktür. Kapaklar yatay fırınlarda olduğu gibi üst üste konmadığı için çizilme olmaz. Kurutma süresi 4 dakika olup fırın içi sıcaklığı 70-90 derecedir. Yüksek katı maddeli, kuru maddesi %65 olan contaların kuruma süresi 2 dakikadır. Fırın içerisinden yan yana 2 veya daha fazla 4 adet dikey cepli zincir sayesinde fırın kapasitesi 2 ye katlayabilir. Dik fırınlar contalama makineleri ile birlikte senkronize çalışırlar. Contalanan kapaklar her bir fırın cebine bir adet olacak şekilde otomatik olarak dizilirler. Bu işlemin otomatik yapılması önemli işçilik tasarrufu sağlamaktadır. Fırın cepleri ısıya dayanaklı plastik malzemeden yapılmalıdırlar.


176 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 173-179, 2013

2.3. İndüksiyon fırını ile kurutma (Induction furnace and drying) Sistem cam pyrex bir boru ve dışında indüksiyon oluşturacak bir bobin mekanizmasından oluşur. Akımın bobinden geçmesiyle indüksiyon oluşur ve sadece teneke metal kapaklar ısınır. Yatay düzlemdeki boru içerisine dikey konumda birbiri arkası gelen kapaklar birbirlerini ittirerek ilerlerler. Buharlaşan su buharını dışarı atmak için ayrıca bir fan sistemi mevcuttur. Bu sistem 2010 senesinde Nordson firması tarafından geliştirilmiş, patentlenmiş, kullanılmaya başlanmış olup denemeleri devam etmektedir. Henüz yaygın kullanım alanına sahip değildir. Bu nedenle gerekli ölçümler yapılamamıştır. Az yer kaplar, sadece metal kapakları ısıtır, ortam havasını ısıtmaz. Bu nedenle verimliliği yüksek fırınlardır. Diğer fırınlarda sıcak hava contanın üst kısmını öncelikle kurutmaktadır. Üst kısmı önce kuruyan contanın iç kısmından buharlaşan su buharı conta yüzeyinde kabarcıklar oluşturmaktadır. Bu sistemde önce kapak ısınır, conta içten dışa doğru kuruduğundan bu etki görülmez.

Şekil 2. Teneke ambalajın kenet bölgesindeki Contanın görüntüsü (In view of the seal seam tin packaging)

Contaların ana işlevi teneke kutuların içindekileri negatif basınca karşı dışarıdan gelen etkilere karşı korumak için dayanıklı, hava geçirmez bir kaplama oluşturmaktır. Bu işlevi gerçekleştirmede birçok özellik ve değişken kritik öneme sahiptir. İşlevsellik ürüne, kutulara ve üretim sürecine bağlıdır [6]. Su bazlı contalar uygun şekilde kurutulduklarında ve kapatıldıklarında gövde ve kapak arasında hermetiklik sağlarlar. Su bazlı contalar uçucu solventler (VOC) içermezler [7]. Contalar genel olarak Solvent bazlı ve su bazlı contalar olmak üzere iki çeşittirler. Contalar kauçuk esaslı yapıya sahiplerdir. Yapılarındaki su veya solventin uçması ile kapak eteğinde katılaşırlar ve yapılarındaki çeşitli maddeler neticesinde kapak yüzeyinde iyi bir tutuculuk sağlarlar. Aşağıdaki Şekil 2’de Sarı bölge contayı göstermektedir.

Bu contaların kapaklara monta edilmesi ise Şekil 3’ de yer alan conta tabancası ile yapılmaktadır. Contanın kurutma sonrası, depolama öncesi en az %85 kurulukta olmaları istenmektedir. Bu durumda conta içindeki mutlak nem %15’dir. Kapak contalarının depolama süresince katı madde oranlarının %90-95 seviyelerine ulaştığı görülmektedir.

Şekil 3. Conta tabancası resmi [8] (Gasket gun picture) Tablo 1. Contaya ait teknik bilgiler (Technical information of gasket)

Hammadde sentetik kauçuk

Katı madde oranı % 50-65

Kuru yoğunluk 1,34 g/cm3

Yaş yoğunluk 1,18 g/cm3

Viskozite 360 mPas

Renk gri

pH 10

Depolama süresi max. 12 ay

Depolama sıcaklığı +7 0C - +32 0C, dona karşı d l d

3. MATERYAL VE YONTEM (MATERIALS AND

METHODS) 3.1. Giriş (Introduction) Günümüzdeki hızlı değişim ve globalleşme organizasyonların etrafındaki belirsizlikleri arttırmış, yönetim işlevini karmaşıklaştırmış yöneticilerin karar vermelerini daha da zorlaştırmıştır. Karar verme yöneticiler için en önemli ve zor görev haline gelmiştir [9]. Günümüzde çok kriterli karar verme (ÇKKV) problemleri hayatın her alanında her an karşımıza çıkmaktadır. Farklı kriterlere göre değerlendirmeler yaparak kendisine göre en uygun çözümü tercih etmektedir. ÇKKV problemleri, birden fazla kritere ve en az iki alternatife sahip olan problemlerdir. Ancak alternatiflerden birisi bütün kriterlerde en iyi değere



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 173-179, 2013 177

sahipse bu, ÇKKV problemi olarak değerlendirilemez. Böyle bir durumda karar problemi yoktur [10]. 3.2. Analitik Hiyerarşi Süreci (Analytic Hierarchy Process) Analitik Hiyerarşi Süreci (Analytical Hierarchy Process-AHP) karmaşık karar problemlerinde karar alternatif ve kriterlerine göreceli önem değerleri verilmek suretiyle yönetsel karar mekanizmasının çalıştırılması esasına dayanan bir "çok kriterli karar verme" yöntemidir. AHP, karar teorisinde zengin uygulamaları olan, nitel ve nicel faktörleri birleştirme olanağı sunan güçlü ve kolay anlaşılır bir yöntemdir. Thomas L. Saaty tarafından geliştirilen yöntem belirlilik ya da belirsizlik altında çok sayıda alternatif arasından seçim yaparken, çok sayıda karar vericinin bulunduğu, çok kriterli ve çok amaçlı bir karar verme durumunda kullanılır. AHP, Tecrübe ve bilginin de en az kullanılan veriler kadar değerli olduğu prensibine dayanır [10]. AHP ile karar problem çözme aşamalarından ilki, problemin irdelenerek daha kolay anlaşılmasını sağlamak için hiyerarşik yapıyı oluşturacak amaç, kriter, alt kriterlerin ve alternatiflerin ortaya konmasıdır. AHP’nin ilk adımı, bir karar probleminin daha kolay kavranmasını, analiz edilmesini ve değerlendirilmesini sağlayacak hiyerarşik bir bir yapının oluşturulma sürecidir. Bu aşamada, kararı etkileyecek tüm faktörleri içeren ve genel hedeften kriterlere daha sonar alt kriterlere ve en sonunda alternatiflere kadar yukarıdan aşağıya uzanan bir hiyerarşik yapı geliştirilir. AHP yönteminin adımları aşağıdaki gibidir: 1. Karar verme problemi tanımlanır. 2. Faktörler arası karşılaştırma matrisi oluşturulur. 3. Faktörlerin yüzde önem dağılımları hesaplanır. 4. Faktör kıyaslamalarındaki tutarlılık ölçümü yapılır. 5. Her bir faktör için, m karar noktasındaki yüzde önem dağılımları belirlenir 6. Karar noktalarındaki sonuç dağılımları bulunur ve sıralama yapılır. Bu çalışmada AHP tekniği kullanılarak yatırım kararı konusu çözülmeye çalışılmıştır. Bunun için teneke kapak conta kurutma fırını yatırımında etkili olan parametreler belirlenmiştir. Bu parametreler aşağıdaki şekilde sıralanabilir. 1. Yatırım Maliyeti 2. Tamir Bakım ve İşçilik Maliyeti 3. Kapasite 4. Kurutma Süresi 5. Iskarta Oranı 6. Enerji Tüketimi

4. UYGULAMA (APPLICATION)

Bu kısımda piyasada kullanılan teneke kutu kapak kurutma fırınlarının 3 farklı tipi olan; dikey, yatay ve indüksiyon fırınları için mukayese yapılacaktır. Teneke kutu imalatında yüksek üretim kapasitesine sahip bir firma için mevcut durumun incelenmesi ve uygun olması durumunda diğer tip fırının kullanılmaya başlanması kararının alınması araştırılmıştır. Ayrıca bu çalışmada elde edilen bilgiler ışığında bu tip ve benzeri üretim kapasitesindeki teneke kutu üretimi firmalarında kullanılabilecek fırınlar için uygun bir performans kriterinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Tablo 2. Kriterlerin kendi aralarındaki ikili karşılaştırma matrisi(Pairwise comparison matrix of criteria, among them)

A

Yatırım

M

aliy

eti

Tam

ir

Bakım

ve

işçi

lik

Kap

asit

e

Ku

rutm

a sü

resi

Isk

arta

or

anı

En

erji

tü

ket

imi

Yatırım Maliyeti

1 3 1/2 2 1/7 1/8

Tamir Bakım ve işçilik

3 1 2 4 1/3 1/6

Kapasite 2 1/2 1 3 1/5 1/7

Kurutma süresi

1/2 1/4 1/3 1 1/9 1/9

Iskarta oranı

7 3 5 9 1 1/4

Enerji tüketimi

8 6 7 9 4 1

İkili karşılaştırma matrisleri oluşturulurken önceki bölümde de belirtilen Saaty tarafından önerilen karar ölçeği kullanılmıştır. Konuyla ilgili teneke kutu imalatı alanında uzmanlaşmış, bu kutuların üretim sürecinde kullanılan kurutma fırınları hakkında bilgi sahibi olan 6 kişinin görüşleri alınarak, her bir kritere göre alternatiflerin kendi arasında ve kriterlerinde kendi aralarında ikili karşılaştırma matrisleri elde edilmiştir. Bu karşılaştırmalar Tablo 2’ de yer almaktadır. AHP yönteminde ilk olarak karar verme probleminin tanımı yapılır. Daha sonra Tablo 2. de yer alan kriterler farklı tip kurutma fırınları için karşılaştırıldığı karşılaştırılma matrisleri elde edilir. İlgili bağıtılar kullanılarak önem dağılımları bulunur. Daha sonra bunların tutarlılığı kontrol edilir. Buradan uygun sonuç alınırsa önem dağılımları bulunur. Son olarak da karar noktalarındaki sonuç dağılımının bulunması ve sıralamanın yapılması yapılır.


178 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 173-179, 2013

5. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME (CONCLUSION AND EVOLUATION)

Ülkemizdeki tek teneke üreticisi firma Ereğli Demir Çelik Fabrikasıdır. Fakat mevcut talebi karşılayamamaktadır. Bu nedenle, Çin, Fransa, Almanya; Hollanda, Hindistan, Amerika, Rusya gibi ülkelerden teneke ithal edilmektedir. Bu nedenden dolayı kesin bir rakam belirlemek mümkün olmamakla birlikte bu sektörde yer alan firmalardan alınan bilgilere göre 2011 yılında Türkiye’de bu rakamın 340.000 ton teneke kullanılmış olduğu öngörülmüştür. Bu miktarın %60’ı teneke kapak üretiminde kullanılmıştır. Çeşitli kalınlık ve çapta 200.000 ton kapaklık teneke contalanmış ve kurutulmuştur. 2011 yılı ortalama teneke fiyatı 1200 usd/ton dur. Toplamda 240.000.000 usd tutarında teneke kapaklık olarak kullanılmıştır. Kapak ağırlıkları 10 g ile 100 g aralığında değişmektedir. Ortalama 2,5 milyar kapak üretilmiş, contalanmış ve kurutulmuştur. Bunun için toplam 1000 ton conta kullanılmıştır. Contanın maliyeti 5 usd/kg dır. Bu miktar toplamda 5.000.000 $ dır. Yukarıda bahsedilen rakamsal veriler dikkate alındığında pazarın büyüklüğü daha net görünmektedir. Teneke kutu üretimi yapan işletmelerin kurulması veya yeniden yapılandırılması sırasında öncelik sıralarının belirlenmesi esnasında bir metoda veya yönteme ihtiyaç vardır. Bu çalışmada yapılan AHP uygulaması Expert Choice programında yapılmıştır. Daha önce belirtilen 6 parametre bu programda uygulandığında elde edilen sonuçların önem dağılımları aşağıdaki Şekil 4’de gösterildiği gibidir.

Şekil 4. Kriterlere ait önem değerleri yüzdeleri (The percentages of the important values of the criteria Buradaki bilgiler ışığında en büyük öneme sahip olan enerji yüketiminin üç farklı fırın tipi için önem dağılımları aşağıdaki Şekil 5’de gösterilmiştir.

Şekil 5. Enerji tüketimi kriterine göre alternatiflerin yüzde önem dağılımları (Importance of the distribution of the energy consumption of alternatives according to the criteria)

Diğer 5 etken için ise bu değerlere ait yüzdesel önem dağılımları aşağıdaki Tablo 3 de yer almaktadır. Tablo 3. Teneke kapak conta kurutma fırını yatırımında etkili olan parametrelerin yüzdesel önem dağılımları (Tin drying oven door gasket override important parameters affecting the distribution of investment)

Yatay Dikey İndiksiyon

Yatırım maliyeti 9 9 82 Tamir Bakım ve İşçilik Maliyeti

8 34 58

Kapasite 7 33 60

Kurutma Süresi 6 34 60

Iskarta Oranı 6 47 47

Her bir fırın için parametrelerin öneminin belirlenmesinden sonra alternatiflerdeki sonuç dağılımının bulunması ve en iyi alternatifin belirlenmesine geçilir. Bu işlem için her bir kriter için alternatiflerin yüzde önemlerini gösteren sütun vektörleri hesaplandıktan sonra bu sütun vektörleri birleştirilerek karar matrisi oluşturulur. Uygulamada elde edilen sütun vektörlerinin birleştirilmesi ile elde edilen karar matrisi şöyle bulunur. Bu karar vektörü öncelik vektörü ya da diğer bir ismi ile göreli önem vektörü ile çarpıldığında sonuç dağılımlarını ifade eden, alternatiflerin (karar noktalarının) yüzde önem dağılımlarını içeren sütun vektörünü verir. Bu vektörlerin elde edilmesi ile genel sonuca ulaşılmış olur. Bu değer Şekil 6’da yer almaktadır. Bir fabrikadaki üretim maliyetleri genel olarak; hammadde, işçilik, işletme ve enerji maliyetlerinden oluşur. Enerji maliyetleri bu maliyet kalemleri arasında incelendiğinde; enerji tüketim yüzdelerinde metal sanayi %35 lik oranı ile en başta yer almaktadır. Karar vericinin kurutma fırını seçiminde kriterleri gösteren grafikten, en büyük öneme sahip kriterin enerji tüketimi olduğu ve

4,310,3

6,6

2,9

25,1

50,9

Önem derecesi

YatırımMaliyeti

Tamir Bakımve işçilikmaliyeti

15

79

6

Enerji Tüketimi

Yatay

Dikey

İndüksiyon



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 173-179, 2013 179

diğer 5 kriterlerin toplamına eşit olduğu görülmektedir. İşletmeler kendilerine gelen talepler doğrultusunda yatırımlarını belirlemelidirler. Hangi kapak tiplerinde üretim yapılacağı, hangi tip conta kullanılması gerektiği ve adetleri yatırımın belirlenmesinde temel parametre görevi oluştururlar.

Şekil 6. Genel sonuç (General result)

Doğru conta seçimi konusunda ilk parametre kullanılacak ürün tipini bilmektir. Daha sonra kapağın yuvarlak yada köşeli olması üretim hız ve uygulama şeklini belirlemektedir. Conta spektinde yazan kuru madde oranı ve kullanım miktarı direkt kuruma için gerekli enerji ihtiyacını belirleyicidir. Conta kullanımları takip edilmeli, yaş conta gramajları işletmelerin belirleyeceği günlük periyodlar 2 saatte bir ölçülmelidir. Üretim hızı, conta uygulama miktarı enerji tüketimi için belirleyici unsurdur Bu çalışmada, teneke kutu üretimi yapan bir fabrikadaki conta kurutma fırını seçimi AHP yöntemi kullanılarak belirlenmeye çalışılmıştır. Öncelik belirleme, seçenekler arasında seçim yapma, performans ölçme gibi karar almayı gerektiren her türlü problemde uygulanabilir. Bu yöntemle, seçeneklerin birbirine göre nasıl performans gösterdikleri görülmektedir. Bu amaçla gerçekleştirilen çalışmada teneke kutu kapağı üretiminde kullanılan kurutma fırınları incelenmiştir. Yatırım kararı alınırken nelere dikkat edilmesi gerektiği vurgulanmıştır. Contanın yeterince kuruması depolama koşullarında oluşan contanın akmasını engellemekte ve kapanması sırasında kenet bölgesinde conta taşması problemini ortadan kaldırabilecektir. Böylece, aşırı ya da hızlı kurumadan kaynaklı conta kabarma problemini yok edilerek yaklaşık olarak %0,3 lük ürün kaybını engellenebilmektedir Sonuçta bu yöntemin kullanılmasıyla teneke kutu üretimi yapan bir fabrikada conta kurutma fırını seçimi kararını kolaylaştırmıştır. Aynı zamanda, çok ölçüte bağlı verilen kararlarda etkinliği arttıracaktır.


[1] www.saribekir.com.tr [2] Darex Tecnical Bulletin, Water based drying

advisory, 06 March 2000. [3] Darex Water based can sealing compounds,

Grace Davison Materials &Packaging Tecnologies Tecnical Bulletin, Tb-008 metric/version nov. 2011

[4] Grace Davison Materials &Packaging Tecnologies Tb-012 version , nov. 2011..

[5] Darex Tecnical Bulletin Issue, Handling of water based compounds, 14 octeber 2001.

[6] Wakol GmbH, Pirmasens, Almanya, sızdırmazlık ürünleri eğitim kitabı, Ocak 2009

[7] Darex Water based can sealing compounds, Grace Davison Materials & Packaging Tecnologies Tecnical BulletinTb-008 metric/version, nov. 2011.

[8] Wakol GmbH, sızdırmazlık ürünleri eğitim kitabı, Pirmasens, Almanya, Ocak 2009

[9] Doğan,B., Karar vermede çok kriterli bir yaklaşım modeli olanrak analitik hiyerarşi süreci ve mayın avlama gemisi seçiminde analitik hiyerarşi süreci yönteminin uygulanması, TC Deniz Harp Okulu Deniz Bilimleri ve Mühendisliği Anabilim Dalı, 2004

[10] Karabacak,G., Analitik hiyerarşi prosesi ile topçulukta mühimmat seçimi. Y.Lisans, Atatürk Üniversitesi Fen bilim. Enst. 2011

12,4

58,6

28,9

Genel sonuç

Yatay

Dikey

İndüksiyon


Aktif süspansiyon sistemli çeyrek araç modelinin gözlemleyiciyle optimal kontrolü

Ayhan Özdemir 1*, Dinçer Maden2

1*Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Sakarya 2Düzce Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü , Düzce


ÖZET

Otomotiv sektöründeki teknolojik gelişim ve karayolu inşaat tekniklerindeki ilerleme ulaşımı oldukça hızlandırarak yeni konfor ve güvenlik problemlerini mühendislik konusu haline getirmiştir. Seyir halinde aracın iç dinamiği ve dış etkenlerden kaynaklı konfor ve güvenliği olumsuz etkileyen birçok titreşim hareketi oluşmaktadır. Bu titreşimlerin bastırılması için karmaşık yapılarından dolayı kontrolör gerektiren aktif süspansiyonlar yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada aktif süspansiyon içeren ¼ araç modeli durum değişkenlerinin tam olarak ölçülemediği alanlarda kullanılan Luenberger gözlemleyicisiyle modellenmiştir. Daha sonra sistem belirli performans kriterlerine göre optimal geribesleme kontrolör ile birleştirilmiştir. Bu yeni kontrolör MATLAB/SIMULINK ortamında tasarlanmış; çeşitli yol bozucu girişleri uygulanarak sistemin cevabı gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: aktif süspansiyon sistemi, durum geri besleme, luenberger gözlemleyici, optimal control

Optimal observer control of quarter car model with active suspension

ABSTRACT

As technological advances in automotive industry and roads construction techniques have made transportation faster, new comfort and safety matters have become the subject of engineering. Many vibrations caused by internal and external factors affect comfort and safety in negative ways. To damp these vibrations, active suspensions requiring controllers because of their complex structures are widely used. In this study, firstly ¼ car model having active suspension has been modeled with Luenberger observer, used on the occasions state variables cannot be determined efficiently. Then, the system has been combined with optimal feedback controller according to certain performance criteria. This new controller has been designed in MATLAB / SIMULINK environment, and the system response has been evaluated after applying roads disturbance inputs. Keywords: active suspension system, state feedback, Luenberger observer, optimal control


A. Özdemir, D. Maden Aktif süspansiyon sistemli çeyrek araç modelinin gözlemleyiciyle optimal kontrolü

182 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 181-187, 2013


Karayolu ile ulaşımın başladığı dönemlerden beri, gerek içten yanmalı veya elektrik tahrikiyle çalışan; gerekse bir canlının kas gücüyle hareket ettirilen araçlarda iki önemli sorun ortaya çıkmıştır. Bunlar sürüş konforu ve güvenliği olarak tanımlanmaktadırlar. Marka rekabetinin yoğun bir şekilde yaşandığı otomotiv piyasasında konfor ve güvenlik unsurları pazarlama ve yatırım için oldukça önemli bir unsurlardır [1-2]. Seyir halindeki bir taşıt motor, şaft, vites kutusu gibi kendinden kaynaklı titreşimlere ek olarak rüzgâr ve bozuk yol zemini şartlarından oluşan titreşimlere maruz kalmaktadır[3-4]. Araç içi dinamiklerden oluşan titreşim frekansının 1 Hz civarında olduğu tespit edilmiştir[5]. Diğerlerine oranla en büyük problem kaynağı yol kusurlarından dolayı oluşan mekanik salınımlardır[6]. Bu titreşimler zaman içerisinde yürüyen aksam aşınmalarına, araç lastiğinin yola temasının kesilebileceği durumlarda savrulmalara ve aracın kararlı bir frenleme yapamama durumlarına sebep olabileceği gibi günümüzde önemli bir müşteri talebi olan konfor konusunda önemli bir sorun teşkil etmektedir. Uzun seyahat süreleri göz önüne alındığında insan sağlığını olumsuz etkileyebilecek yol kökenli bu titreşimlerin kısa sürede güvenli bir biçimde sönümlenmesi gerekmektedir. Bu işlevi yerine getirecek olan donanımların sistematik olarak bir araya getirilmiş; tekerlek, aks ve gövdeyi sırasıyla birbirine bağlayan yapıya süspansiyon denilmektedir[5-10] Süspansiyon sistemlerinin daha iyi bir sönümleme yapabilmeleri için çeşitli kontrol stratejileri kullanılmıştır. Literarürde yapılan incelemeler bu alanda PID kontrolör, Skyhook kontrol, Bulanık Mantık Kontrolü, H_∞ Kontrol, Adaptif gibi kontrol sistemlerinin uygulandığını göstermiştir[1]. Dinamik taşıt hareketlerinin etkilerinin en iyi şekilde kontrol altına alınması; helezon yayların yolu doğru okumasının sağlanması, tekerleklerin yola tam temasının sağlanması, araç gövdesinin devrilmesinin önüne geçilebilmesi, doğru ve verimli bir şekilde frenleme yapılması, gövdenin ağırlık dağılımının sağlanabilmesi süspansiyonların başlıca görevleridir[5]. Mekanik ve kontrol düzeneğine göre süspansiyonlar, pasif, yarı aktif ve tam aktif süspansiyonlar olarak üçe ayrılsalar da amaçları aynıdır. Bu çalışmada tam aktif süspansiyon sistemleri modellenmiştir[2].

2. SÜSPANSİYON SİSTEMLERİ (SUSPENSION SYSTEMS)

Yol titreşimlerini ve gürültülerini sürüş güvenliğinden ödün vermeden bastırmak için aks ile araç gövdesine yerleştirilmiş damper, helezon yay, bazı sistemlerde bir kuvvet üreteci gibi mekanik parçalar bütünü olarak tanımlanırlar. Dinamik taşıt hareketlerinin etkilerinin en iyi şekilde kontrol altına alınması; helezon yayların yolu doğru okumasının sağlanması, tekerleklerin yola tam temasının sağlanması, araç gövdesinin devrilmesinin önüne geçilebilmesi, doğru ve verimli bir şekilde frenleme yapılması, gövdenin ağırlık dağılımının sağlanabilmesi süspansiyonların başlıca görevleridir. Mekanik ve kontrol düzeneğine göre süspansiyonlar, pasif, yarı aktif ve tam aktif süspansiyonlar olarak üçe ayrılsalar da amaçları aynıdır. Bu çalışmada tam aktif süspansiyon sistemleri modellenmiştir[6]. 2.1. Tam Aktif Süspansiyon Sistemleri (Full-Active Suspension Systems) Gelişen malzeme bilimi ve taşıtlarda harici bir kuvvet uygulayıcısının kullanılması, pasif ve yarı aktif süspansiyon sistemlerinden daha iyi sürüş ve konfor parametrelerine sahip tam aktif süspansiyon sistemlerinin kullanılmasını sağlamıştır[10]. Şekil 1. de görüleceği üzere ¼ araç modelinde pasif süspansiyonlardaki yay ve dampere ek olarak bir harici kuvvet üreticisini de içinde barındırmaktadır. Diğerlerine gore daha karmaşık yapılı olmaları ileri kontrol stratejilerini kullanmalarını gerektirir. Virajlarda içteki tekerleğin dıştakine oranla daha fazla yana yatmasını sağlayarak savrulmanın önlenmesi; yüksek süratte rüzgar direncini azaltabilecek şekilde aracın alçalabilmesi ve bozuk yollarda aracın yükseltilerek altının sürtünmesinin önüne geçilmesi gibi avantajlara sahiptir. Bütün bu kontrol kuvveti hidrolik bir sıvı ya da otobüslerde yaygın bir şekilde kullanılan pnömatik hava basıncı kullanılmaktadır.


A. Özdemir, D. Maden

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 181-187, 2013 183

Şekil 1. Çeyrek araç modelinde tam aktif süspansiyon şeması (Fully active suspension scheme of quarter car model)

3. SİSTEMİN MODELLENMESİ (MODELING

SYSTEM) Bir çeyrek araç modeli, üzerine yüklenen dörtte birlik kütle, aks kütlesi, matematiksel modelleme için sertlik derecelerini sabit kabul ettiğimiz yaylar ve aktif ya da pasif sönümleyicilerden oluşmaktadır. Aktif süspansiyonlu sistemlerde şasi ile aks arasına yerleştirilmiş bir elektrohidrolik aktuatörün her iki yönde de üreteceği kuvvet kontrol edilecek şekilde durum denklemleri yazılabilir. Bu bağlamda serbest cisim diyagramı olarak düşündüğümüz modele Newton’un ikinci kanunu uygulanarak diferansiyel hareket denklemleri elde edilebilir[8]. Çeyrek taşıt modeli üzerinden mimarisi verilen modelde k1 lastiğin rijitliğini, k2 yayın rijitlik katsayısını, c süspansiyon sönüm katsayısını, m2 ¼ araç gövdesinin ağırlığını, m1 ise aks ağırlığını temsil etmektedir. Bu çalışmada kullandığımız sistem parametreleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Çeyrek Araç Modelinin Parametreleri (Quarter-Car Model Parameters)

m1 Aks Kütlesi 36 kg

m2 ¼ Gövde Kütlesi 240 kg

k1 Tekerlek Sertlik

Katsayısı

1,6x105 N/m

k2 Süspansiyon ve Aks

Arası Yayın Sertlik

Katsayısı

8000N/m

amF (1)

fxxcxxkxykxm 212121111 (2)

fxxcxxkxm 2121222 (3)

Durum değişkenlerini aşağıdaki gibi seçecek olursak,

z1= x1 , 12 xz , 23 xz , ve 24 xz

1 2z z (4)

2 1 1 2 1 2 2 3 41

1[ ( ) ]z k y k k z cz k z cz f

m (5)

3 4z z (6)

4 2 1 2 2 3 42

1[ ]z k z cz k z cz f

m (7)

(4), (5), (6) ve (7) denklemlerine göre durum uzayı

matrisleri aşağıdaki gibi elde edilmektedir.

1 2 2

1 1 1 1

2 2

2 2 2 2

0 1 0 0

0 0 0 1

k k c k c

m m m mA

k c k c

m m m m

(8)

1

1 1

1

0 0

1

0 0

10

k

m mB

m

(9)

0100C (10)

olur

x2

x1

y

k1

m2

f

f

m1

c k2


184 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 181-187, 2013

4. SİSTEMİN KONTROLÜ (CONTROL SYSTEM)

Aracın zemindeki pürüzlülükten izole edilmesi için yumuşak süspansiyonlar tercih edilebilirler. Ancak yüksek hızlarda virajlarda savrulmanın önlenebilmesi ve hakim bir yol tutuş için sert süspansiyonlar gereklidir. Bu iki durumu en iyi şekilde kararlı kılacak süspansiyon sistemleri için duruma göre karar verebilen otomatik kontrol sistemleri gerekmektedir. Bunun için aşağıda değinilecek olan modern kontrol sistemleri kullanılmıştır. Aracın zemindeki pürüzlülükten izole edilmesi için yumuşak süspansiyonlar tercih edilebilirler. Ancak yüksek hızlarda virajlarda savrulmanın önlenebilmesi ve hakim bir yol tutuş için sert süspansiyonlar gereklidir. Bu iki durumu en iyi şekilde kararlı kılacak süspansiyon sistemleri için duruma göre karar verebilen otomatik kontrol sistemleri gerekmektedir. Bunun için aşağıda değinilecek olan modern kontrol sistemleri kullanılmıştır. 4.1. Durum Geri Besleme Kontrol (Status Feedback Control) En genel haliyle Şekil 2. de gösterilen durum geribesleme kontrolü lineer zamanla değişmeyen bir sistem için sistemin tüm durumlarının ölçülebildiği hallerde sistemin öz değerleri istenilen kutup değerlerine uygun kazanç değerleri ile çarpılıp geri besleme yapılarak getirilebilir[9]. Bunun için sistemin durum kontrol edilebilir bir sistem olması şarttır. Bu şekilde kontrolü yapılan sistemin sistemin dinamik davranışına müdahale edilebilir; eğer sistem kararsızsa kararlı hale getirilebilir[11].

Şekil 2. Durum Geri Beslemeli Kontrol Şeması (Under state feedback Control Scheme )

Kazanç matrisi K ‘nın elde edilmesi için literatürde kullanılan en yaygın yöntemler Bass-Gura ve Ackerman yöntemleridir[7]. Bu çalışma için önce sistemin açık-çevrim kutupları elde edilmiş ardından aşağıda verilen kapalı-çevrim kutuplar için Optimal kontrolör tasarlanmıştır. p =[-20 -20 -40+40i -40-40i];

Bu seçilen kapalı-çevrim karakteristik denklem kökler için K geribesleme kazanç matrisi aşağıda verildiği gibi hesaplanmıştır.

K= [-427257,983578324 508,106475733075 [1103304,38359681 51249,8885101637];

4.2. Durum Gözleyiciler (Status Watchers) Bir sistemin durum uzayı matrisleri (A,B) durum denetlenebilir olmak üzere geri besleme ile özdeğerler normal bir şekilde yerleştirilebilinmektedir. Ancak durum geribesleme için sistemin durum değişkenlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Uygulamalarda sistemlerin durum değişkenleri her zaman ölçülemeyebilineceğinden; giriş ile çıkış değişkenlerinin ölçümü dahilinde durum değişkenleri hesaplanabilir. Şekil 3’te gösterilen durum gözleyici sistem için gerçek sistemin modeli bilinerek dijital bir ortama aktarılmış olması gerekmektedir. Böylelikle hesap edilmiş olan kontrol işareti ve ölçüleblen sistem cevabından diğer tüm durum değişkenleri hesap edilebilir.

Şekil 3. Durum Gözleyici Sistem (Status Observer System)

Gözleyici cevap hızı durum değişkenleri kestirilecek sistem cevap hızından 3 ile 10 kat daha hızlı olacak şekilde seçilmesi tavsiye edilir. Gözleyici kazanç matrisi L’nin elde edilmesi için literatürde sıkça rastlanan Bass-Gura ve Ackerman yöntemleri oldukça kullanışlıdır[9]. Bu çalışmada amaçlanan araç gövdesi yer değişiminin gözlenebilmesi ve giriş baz alınarak uygun çıkışın doğru kestirilebilineceğinin gösterilmesidir. Ayrıca uygun K geri besleme kazanç katsayıları doğrultusunda sistemin kontrol edilirliği test edilmiştir 4.3. Optimal Kazançlı Gözleyici Kontrol (Optimal Observer Gain Control) LQR problemlerinde sistemin K geri besleme kazanç matrisi performans ölçütüne bağlı olarak bulunur. Durum geri besleme kontrolünde anlatılan lineer durum geri besleme kavramında bahsedilen K geri besleme kazanç matrislerinin önceden seçilen köklere rastgele yerleşimi

K

+ -

Referans Giriş y

Durumlar



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 181-187, 2013 185

kontrolörün performansı açısından her zaman iyi sonuçlar vermeyebilir. Bu yüzden sistem giriş ve çıkışına bağlı J performans ölçütü minimize edilecek şekilde Q ve R matrisleri belirlenir[12].

Tipik karesel performans fonksiyon formu aşağıdaki gibi ifade edilir:

Tk

TT dttRututQxtxuJ0

)()()()(2

1)( (11)

Q matrisi Q 0 ise kesin yarı artı matris

R matrisi R >0 ise kesin artı matris

BA, ( sistemin durum matrisleri) çifti

denetlenebilir.

Ağırlıklandırma matrisleri olan R ve Q kontrol sistem

tasarımcısı tarafından seçilir;fakat bu matrisler

yukarıdaki durumları karşılamak zorundadır. Q matrisi

diagonal elemanlarının sıfır veya pozitif olmalıdır. Bazı

pozitif bileşenler ( 0R ) kontrol tarafından

seçilir;aksi takdirde çözüm sonsuz kontrol kazancı içine girebilir.

( ) ( )x Ax t Bu t (12)

Olmak üzere

( )U Kx t (13)

Denklem 11’de bahsedilen performans indeksini minimize edecek yöntem literatürde bahsi geçen Hamilton optimizasyon yöntemidir. Bu yönteme gore aşağıdaki Riccati denklemi çözülebilmeli ve bu denklemdeki kesin pozitif hermityen ya da reel simetrik matris olan P matrisi bulunmalıdır.

1 0T TA P PA PBR B P Q (14)

Denklem 14 doğrultusunda geri besleme kazanç matrisi K aşağıdaki gibi hesaplanır.

1 TK R B P (15)

Bu şekilde R ve Q değerleri aşağıdaki gibi belirlendikten sonra optimum geri besleme kazanç katsayıları matrisi hesaplanabilir.

R=[0,1] ,

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 10000 0

0 0 0 0

Q

1248,32782045862 131,506808767706992031,999483018 22226,4791751419

Optimal olarak elde ettiğimiz kazanç katsayılarını Şekil 3’ te gösterilen gözlemleyiciye yerleştirerek sistemin kontrol edilmesi amaçlanmıştır.

5. SİMÜLASYON ÇALIŞMASI (SIMULATION STUDY)

Bir çeyrek taşıt modelinde aktif süspansiyon kullanılarak araç ¼ araç gövdesinin değişimi 3. Durum değişkeni olarak seçilmiş ve değişimi yol bozucu girişine karşı simüle edilmiştir. Öncelikle Şekil 4’ de gösterilen simülasyon diyagramında tasarlanan gözleyicinin performansını test etmek üzere gerçek sistemin durum değişkeniyle hesaplanan arasındaki farkın ne kadar kısa sürede sıfırlandığı araştırılmıştır. Bunun için Z1=0, Z2=0, Z3=0,2 ve Z4=0 başlangıç değerleri verilerek sıfır giriş için Z3 yani araç gövdesinin konumunun durumu Şekil 5’te incelenmiştir.

Şekil 4. Simulasyon Diyagramı (Diagram Simulation)


186 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 181-187, 2013

Şekil 5. Gözlemleyici Hata Grafiği (Observer error graph)

Yukarıdaki grafikte görülen hata dinamiği gözleyicinin iyi bir performansa sahip olduğunu göstermektedir. Aşım ve yerleşme zamanı öngörülen sınırlar içindedir. 5.1. Kontrolcüsüz Sistem Davranışı (Uncontrolled System Behavior) Simulasyon için sisteme sıfır referans giriş değeri ve yaklaşık 25 cm yüksekliğinde tümseğe benzer bir bozucu uygulanarak sistemin kontrolcüsüz cevabı Şekil 6’ da incelenmiştir.

Şekil 6. Kontrolcüsüz Sistem Cevabı (Uncontrolled System

Response)

5.2. Durum Geri Besleme Kontrollü Sistem (System with Status Feedback Control) Yukarıda ele alınan durum geri besleme kontrolü için hesaplanan K değerleri ile 25cm yüksekliğinde bir tümsek yol bozucu girişi sisteme uygulanarak Şekil 7’de verilen sonuç grafiği elde edilmiştir.

Şekil 7. Geri Besleme Kontrollü Sistem Cevabı (Feedback Control System Response)

Yukarıdaki grafikten görüleceği üzere bozucu girişe karşı sistem cevabı genliği azaltılarak hızlı bir şekilde denge noktasına gelmiştir. 5.3. Gözleyici ile Optimal Kontrollü Sistem (Optimal Control System with Observer) Tasarımı hakkında daha önce detaylı bilgi verilen optimal gözleyici kontrolörlü sistemin simülasyonu hesaplanan geri besleme kazanç değerlerine göre gerçekleştirilmiş ve Şekil 8 deki sonuç grafiğine ulaşılmıştır.

Şekil 8. Gözleyici İle Optimal Kontrol Cevabı (Optimal Control reply

with Observer)

Yukarıdaki simülasyon sonucu tümsek şekilli yol bozucu girişine karşı aşımı oldukça az ve çabuk sönümlenen bir kontrol cevabı elde edilmiştir. Aynı durum bir kez de 25cm derinliğindeki çukur şeklinde bir yol bozucu girişi için test edilerek Şekil 9’ daki grafik elde edilmiştir.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Zaman

Hat

a G

en

liği

Üçüncü Durum Değişkeninin Gözlenme Hızı

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Zaman

Gen

lik

Kontrolcüsüz Sistem Cevabı

Yol Girişi

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Zaman

Gen

lik

Sistem Cevabı

Yol Bozucu Girişi

Geri Besleme Cevabı

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Zaman

Gen

lik

Optimal Gözleyici Kontrol Cevabı

Yol Girişi

Optimal Gözleyici Cevabı



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 181-187, 2013 187

Şekil 9. Çukur Şekilli Yol Girişi İçin Optimal Kontrol Cevabı

(Optimal Control Response For Pit Shaped Road Access)

6. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (CONCLUSIONS

AND DISCUSSION) Çeyrek araç gövdesiyle aks kütlesi arasına yerleştirildiği varsayılan bir aktif kuvvet üreticisine modern kontrol teknikleri uygulanarak bu kontrol kuvvetinin etkisine dair bir simülasyon çalışması yürütülmüştür. Simülasyon sonuçları incelendiğinde kontrolcüsüz sistemin oldukça fazla bir aşım yaptığı ve sönümleme zamanının olması gerektiğinden daha uzun sürdüğü görülmüştür. Bu durum bir kontrolcü kullanımını zorunlu kılmıştır. Sistemin tüm durumları ölçülebilir kabul edilerek belirlenen öz-değerlere getirilecek şekilde durum geri besleme kontrölü yapılmış ve iyi bir sonuç elde edilmiştir. Ancak durum değişkenlerinin belirlenemeyeceği haller için gözleyici ile optimal kontrol yapılmış ve optimal kazanç katsayılarının belirlenmesiyle durum geri besleme cevabına gore aşım %80 daha azdır. Aynı şekilde referans değerine oturma süresi %60 daha düşüktür. Gözleyici ile optimal kontrolü yapılan aktif süspansiyonlu çeyrek taşıt modelinin sadece tümsekli yollarda değil aynı zamanda çukur şartlarında da araç gövdesi yer değişiminin referans değerden fazla uzaklaşmadığı belirlendi.


[1] Bilgiç, B., Yüksek Lisans Tezi, Taşit Süspansiyon Sistemlerinin Mr Sönümleyici Kullanarak Kontrolü, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007.

[2] Yagız, N., Yüksek, İ., Robust Control Of Active Suspensions Using Sliding Modes., Turk J. Engin Environ Sci – Tübitak., 25, Sayfa 79-87, 2001.

[3] Janeway, R.N., Human Vibration Tolerance Criteria And Applications To Ride Evaluation,. Sae Technical Papers, Warrendale, Pa, Usa, Pp:750166. 1975.

[4] Grıffın, M.J., Whole-Body Vibration. In: S. Braun, D. Ewins, S.S. Rao (Editors),

Encyclopedia Of Vibration (2002). Academic Press, San Diego, Usa. Vol.3, P.1570-1578, 2001

[5] Ekrem, D., Doktora Tezi, Taşıtlar İçin Aktif Süspansiyonların İyileştirilmesi, Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007

[6] Okan, A., Yüksek Lisans Tezi, Mr Damperli Süspansiyon Sisteminin Skyhook Kontrolü, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009

[7] Dorf, R., Bıshop, R., Modern Control Systems, Tenth Edition,Prentice Hall, Pp: 881, New Jersey, Usa, 2005

[8] Palm, W., J., System Dynamics Second Edition, Mcgraw-Hill,Newyork, Usa, Pp: 807, 2010

[9] Özdemir, A., Otomatik Kontrol Sistemleri Ders Notları, Sakarya Üniversitesi,2011

[10] Eski, İ., Doktora Tezi, Yapay Sinir Aği Denetim Organi Kullanarak, Taşitlarda Aktif Süspansiyon Sistemi Kontrolü, Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007

[11] Ogata, K., Modern Control Engineering, Fourth Edition, Prentice Hall, Pp: 964, New Jersey, Usa, 2002.

[12] Yazıcı, İ., Özdemir, A., Optimal Kazanç Tablolamalı Güç Sistem Kararlayicisi Tasarimi, Saü Fen Bilimleri Enst. Dergisi, Vol:12 Pp:38-44, 2008

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

Zaman

Gen

likOptimal Gözleyici Cevabı

Optimal Gözleyici Cevabı

Yol Girişi


Oturulan yerden kalkma hareketinin analizi için mekanik model geliştirilmesi

Kasım Serbest1*, Murat Çilli2, Osman Eldoğan3

1*Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi, Sakarya 2Sakarya Üniversitesi, Beden Eğitimi ve Spor Yüksekokulu, Antrenörlük Eğitimi, Sakarya

3Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği, Sakarya


ÖZET

Bu çalışmada insan vücudunun ayak, bacak, uyluk, gövde, kol ve ön koldan oluşan 6 katı uzuvlu açık zincir modeli oluşturulmuştur. Uzuvların antropometrik özelliklerinin belirlenmesinde antropometrik modellerden ve bilgisayar yazılımlarından faydalanılmıştır. Eklemlerin konum verilerinin elde edilmesi için üzerine işaretleyiciler yerleştirilen deneğin hareketleri kamera ile izlenmiş ve sayısallaştırma işlemi yapılmıştır. MATLAB (7.6.0) yazılımı kullanılarak eklemlerin açısal yer değiştirmeleri, açısal hızları ve açısal ivmeleri hesaplanmıştır. Elde edilen kinematik veriler SimMechanics (2.7.1) yazılımında oluşturulan ters dinamik modelin tahrikinde kullanılmıştır. Oturulan yerden kalkma hareketinin benzetimi SimMechanics yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. SimMechanics yazılımı ile hesaplanan yer tepki kuvveti, hareket analizi sırasında kuvvet platformuyla ölçülen yer tepki kuvveti ile karşılaştırılmıştır. Sonuçların bir birine çok yakın olduğu görülmüştür. Bu çalışma, gerçek boyutlardaki mekanik sistemlerin dinamik analizleri için geliştirilmiş SimMechanics yazılımının insan hareketi analizlerinde de kullanılabileceğini göstermiştir. Ayrıca, yapılan benzetim işlemi hareketin kinetik davranışlarını açıklamada faydalı olmuştur. Anahtar Kelimeler: Biyomekanik analiz, ters dinamik yöntem, hareket analizi

Development of a mechanical model to analysis motion of standing up from

the sitting position

ABSTRACT

In this study, a human body has been composed as a 6 rigid-open loop-body model which is consisted of a leg, a foot, a thigh, a trunk, an arm and a fore arm. To determine the anthropometric characteristics of the bodies has been benefited from anthropometric models and the computer software. The movements of the subject markers placed on body was viewed with a video camera in order to get location data of joints and the digitization process was made. It was computed the angular displacement, angular velocity and angular acceleration of the joints using by MATLAB (7.6.0). The obtained data was used to actuate inverse dynamics model which is created by SimMechanics (2.7.1). Motion of standing up from the sitting position was simulated by using SimMechanics software. It was compared ground reaction force calculated by SimMechanics with ground reaction force measured by force platform. This study was also shown that SimMechanics software which is developed to analyse mechanical systems in real dimensions dynamically can be used for human motion analysis. Furthermore, the simulating process has been useful to explain kinetic behaviour of the human movement. Keywords: Biomechanical analysis, inverse dynamics method, motion analysis


K. Serbest, M. Çilli, O. Eldoğan Oturulan yerden kalkma hareketinin analizi için mekanik model geliştirilmesi

190 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 189-193, 2013


Canlıları cansızlardan ayıran en büyük özelliklerden biri olan hareket, birçok araştırma alanın ilgisini çekmektedir. İnsan hareketinin tanımlanabilmesi; biyomekanik analizler, hareket bozuklarının belirlenmesi, ortez ve protez tasarımları, ergonomik çalışmalar, insansı mekanizmalar, bilgisayar uygulamaları ve sportif faaliyetler gibi alanlarda önemli rol oynamaktadır. İnsan hareketinin biyomekanik olarak modellenmesine yönelik modern araştırmalara, Winter tarafından gerçekleştirilen çalışmalar öncülük etmektedir. Bu çalışmalardan bir tanesi, tek kamera ile gerçekleştirilen 2 boyutlu bir yürüme analizi deneyidir. Kütlesi 56.7 kg olan bir kişinin kuvvet platformu üzerindeki yürüyüşü saniyede 70 kare görüntü elde eden kamera ile görüntülenmiştir. Daha sonra bu görüntülerin işlenmesiyle, anatomik noktalara yerleştirilen işaretlerin koordinatları belirlenmiştir [1]. Çağımızda gelişen bilgisayar sistemleri ve bunlara bağlı yazılımlar sayesinde hareketlerin izlenmesi, görüntülerin işlenmesi ve hareketin biyomekanik olarak analiz edilmesi daha kolay hale gelmiştir. Biyomekanik, güvenlik, ergonomi ve sportif çalışmalar için geliştirilmiş bazı yazılımlara örnek olarak TASS (TNO Automotive Safety Solitiouns, Hollanda); LifeMOD, ABD; The AnyBody Modelling System, Danimarka; OpenSim, ABD ve CATIA, Fransa ergonomik tasarım ve analiz modülü gösterilebilir [2]. Ayrıca pazarda çok sayıda ticari hareket analizi sistemi mevcuttur. Bunların en çok bilinenleri; APAS (Ariel Dynamics, Inc., ABD), CODA (Charnwood Dynamics Ltd., İngiltere), ELITE (Bioengineering Technology and Systems, İtalya), OPTOTRACK (Northern Digital, Inc., Kanada), PEAK (Peak Performance Technologies, Inc., ABD), QUALISYS (Qualisys Medical AB, İsveç) ve VICON (Vicon Motion Systems Ltd., İngiltere) tarafından geliştirilen sistemlerdir [3]. Nispeten karmaşık olmayan insan hareketlerinin modellenmesinde kullanılan bir diğer uygulama da SimMechanics yazılımıdır. SimMechanics, Simulink ve MATLAB araçlarından da faydalanarak fiziksel sistemlerin blok diyagramları şeklinde modellendiği, katı cisimlerin ve bu cisimlere ait hareketlerin Newton dinamiği yasalarına göre çözümlendiği bir yazılımdır. Bu yazılımla, uygun araçlar seçilerek mekanik sistemlerin fiziksel ve kütlesel özellikleri belirlenebilir, bu özelliklere uygun hareketler tanımlanabilir ve cisimlerin hareketi dinamik olarak incelenebilir. SimMechanics, mekanik sistemler için geliştirilmiş bir yazılım olmasına

rağmen insan hareketinin incelenmesinde de kullanılmaktadır [4-11]. Bu çalışmada, insan vücudu SimMechanics yazılımı kullanılarak modellenmiştir. Oluşturulan modelin benzetimi gerçekleştirilerek elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve modelin doğruluğu ölçülmüştür.

2. YÖNTEM (METHOD) 2.1. Eklem-Uzuv Modelinin Oluşturulması (Establishment of Joint-Body Model) Bu çalışmada insan vücudu; ayak, bacak, uyluk, gövde, kol ve ön koldan oluşan ve açık zincir mekanik yapıya sahip bir eklem-uzuv modeli ile temsil edilmiştir. Şekil 2.1’de insan vücudunun sagital düzlemdeki eklem-uzuv modeli görülmektedir. Dinamik analizler için gerekli uzuv boyları, uzuv ağırlıkları, uzuv atalet momentleri ve uzuv kütle merkezlerinin yeri gibi verilerin elde edilmesi için Dempster [12] ve Chandler ve diğ. [13] tarafından geliştirilen antropometrik modellerden ve bilgisayar yazılımlarından faydalanılmıştır.

Şekil 2.1. İnsan vücudunun sagital düzlemdeki eklem-uzuv modeli (joint-limb model in sagittal plane of the human body)

Uzuvların antropometrik özelliklerinin belirlenmesinde 26 yaşında, 174 cm boyunda, 70.2 kg kütleli ve herhangi bir sağlık sorunu bulunmayan erkek deneğin boy ve kütle özellikleri referans alınmıştır. Tablo 2.1 uzuvların farklı çalışmalardan ve bilgisayar yazılımlarından faydalanılarak elde edilen antropometrik özelliklerini göstermektedir. Antropometrik özellikleri belirlenen model, SimMechanics (2.7.1) yazılımının sağladığı blok diyagramları kullanılarak oluşturulmuştur. 6 uzvu


K. Serbest, M. Çilli, O. Eldoğan

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 189-193, 2013 191

birbirine bağlayan 7 eklemin her biri, z ekseni (bilgisayar ekranından dışarı yönde olan eksen; x ekseni yatay; y ekseni dikey yöndedir) etrafında dairesel hareket yapacak şekilde tek serbestlik derecesine sahip olarak modellenmiştir. Vücudu oluşturan uzuvlar, katı cisimler olarak kabul edilmiştir. Hareket esnasında meydana gelen yer tepki kuvvetlerinin etki noktasının ayak ucu olduğu varsayılmıştır. Modelin, yer çekimi ektisini oluşturan zemin ile bağlantısı da ayak ucundan gerçekleştirilmiştir. Tablo 2.1. Uzuvların antropometrik özellikleri (Anthropometric characteristics of the limbs)

SimMechanics yazılımında oluşturulan modelin blok diyagramları yapısı Şekil 2.2’de verilmiştir. Oluşturulan yapı, ayakta dik olarak durmakta olan deneğin uzuvlarına ait koordinat değerlerinin girilmesiyle belirlenmiştir. Bu duruş aynı zamanda başlangıç pozisyonunu göstermektedir.

Şekil 2.2. Eklem-uzuv modelinin SimMechanics yapısı(SimMechanics structure of the joint-limb model)

2.2. Hareket Analizi (Motion Analysis) SimMechanics yazılımı kullanılarak oluşturulan model ters dinamik yöntem kullanılarak çözüleceğinden, modeldeki her bir eklemin hareketinin tam olarak bilinmesi gerekmektedir. Eklemleri harekete geçirmek için gerekli olan açısal yer değiştirme, açısal hız ve açısal ivme değerlerinin tespit edilebilmesi için antropometrik özellikleri SimMechanics yazılımı ile oluşturulan modele de aktarılan gönüllü deneğin oturmakta olduğu 20 cm yüksekliğindeki platformdan kalkış hareketinin analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analiz için saniyede 25 kare görüntü yakalama özelliği olan bir dijital kamera, aydınlatma sistemi ve dikey yöndeki tepki kuvvetlerini ölçen bir kuvvet platformu (Kistler Group, İsviçre) ve bu platforma ait yazılım, bilgisayar ve yansıtma özelliği olan işaretleyiciler kullanılmıştır. Şekil 2.3’de deney ortamının CAD yazılımında oluşturulmuş modeline yer verilmiştir.

Şekil 2.3. Deney ortamının CAD modeli. 1; gönüllü denek, 2; işaretleyici, 3; kuvvet platformu, 4; ışık sistemi, 5; dijital kamera, 6; bilgisayar seti (CAD model of the test environment. 1; volunteer subjects, 2; marker, 3; force platform, 4; lighting system, 5; digital camera, 6; computer kit) Ayakucu, ayak bileği, diz, kalça, omuz, dirsek ve el bileği noktalarına yerleştirilen işaretleyiciler üzerine ışık etki ettirilmiş ve bu sayede kameradaki görüntülerinin belirginleşmesi sağlanmıştır. Ayrıca kameranın enstantane hızı artırılarak hareket halindeki görüntünün daha net hale gelmesi amaçlanmıştır. Denek, önceden planlanmış hareketi yaparken görüntüler kameraya kaydedilmiştir. Aynı zamanda hareketler esnasında oluşan yer tepki kuvvetleri, kuvvet platformu aracılığıyla ölçülmüştür. 2.3. Hareketin Sayısallaştırılması (Digitization of movement) 7 antropometrik noktaya yerleştirilen işaretleyicilerin koordinat değerlerinin elde edilmesi için görüntünün sayısallaştırılması gerekmektedir. Kamera görüntülerindeki işaretleyicilerin konumlarının tespit

K. Serbest, M. Çilli, O. Eldoğan Oturulan yerden kalkma hareketinin analizi için mekanik model geliştirilmesi

192 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 189-193, 2013

edilebilmesi için MATLAB (versiyon 7.6.0) yazılımında oluşturulan bir programdan yararlanılmıştır. Bu program çalıştırıldıktan sonra sayısallaştırılacak görüntü seçilmekte, koordinatları belirlenecek noktaların sayısı belirlenmekte ve ışık yoğunluğuna olan duyarlılık ayarlanmaktadır. Program, hareket halindeki görüntüde işaretleyicilerin yerini algılayarak her bir görüntü karesindeki koordinat değerlerini tespit etmektedir. Ardından bu koordinat verilerinin hangi noktalara ait olduğunu belirtmek için görüntü üzerindeki noktaların yeri fare yardımıyla tıklanarak belirlenmektedir. Seçme işlemi bir kez yapıldıktan sonra elde edilen koordinat değerleri bir dosyaya yazdırılarak kullanılabilir hale gelmektedir. 2.4. Sayısallaştırılan Hareketin Filtrelenmesi (Filtering Digitized Motion) Sayısallaştırılarak koordinatları elde edilen noktaları gürültüden kurtarmak ve konum verilerini hareketin doğasına uygun hale getirmek için filtreleme işlemi uygulanmıştır [14]. Bu işlem, MATLAB ortamında konum verilerine "Low-pass digital filter” tekniğinin uygulanmasıyla gerçekleştirilmiştir. Bu sayede sayısallaştırma işlemi sırasında oluşan hataların yumuşatılması da sağlanmıştır. 2.5. Bulgular (Findigs) Bu çalışma kapsamında incelenen hareketin SimMechanics yazılımında gerçekleştirilen benzetimi sonucunda hesaplanan dikey yöndeki yer tepki kuvveti ile hareket analizi sırasında kuvvet platformu aracılığıyla ölçülen dikey yöndeki yer tepki kuvvetinin karşılaştırması Şekil 2.4’de görülmektedir. 20 cm yükseklikten kalkış hareketi esnasında meydana gelen yer tepki kuvvetinin ölçülen ve hesaplanan değerlerinin çok yakın olduğu görülmektedir. SimMechanics yazılımında oluşturulan modelin benzetimi sonucu hesaplanan yer tepki kuvvetinin maksimum değerinin yaklaşık olarak %7 daha fazla olduğu anlaşılmaktadır. Bu durum, model oluşturulurken hesaplanan antropometrik özelliklerin tam olarak belirlenememesinden ve hareket analizinden elde edilen konum verilerinin yeterince hassas olmayışından kaynaklanmaktadır. Oluşan kuvvetin davranışı incelendiğinde kuvvet platformu verileri ile SimMechanics yazılımından elde edilen verilerin anlamlı bir benzerlik gösterdiği görülmektedir.

Şekil 2.4. Oluşan dikey yer tepki kuvvetinin karşılaştırılması (The comparison of the resulting vertical reaction force)

Şekil 2.5’de SimMechanics yazılımı ile hesaplanan eklem momentlerine yer verilmiştir. Şekilde diz, ayak bileği, kalça, omuz ve dirsek eklemlerinin moment değerleri görülmektedir. Omuz ve dirsek eklemleri, incelenen bu harekette çok fazla zorlanmamaktadırlar. Değerler incelendiğinde en büyük zorlanmanın diz ekleminde oluştuğu gözlemlenmektedir.

Şekil 2.5. SimMechanics yazılımında hesaplanan eklem

momentleri(SimMechanics joint torques calculated by software)

3. SONUÇ VE TARTIŞMA (CONCLUSIONS AND

DISCUSSION) İnsan hareketinin sagital düzlemdeki hareketi 2 boyutlu olarak incelenmiş, oluşturulan model ile benzetim işlemi gerçekleştirilmiş ve elde edilen bulgular karşılaştırılmıştır. Oturulmakta olan 20 cm yükseklikten kalkış esnasında oluşan ve SimMechanics yazılımı ile hesaplanan dikey yöndeki yer tepki kuvvetinin, vücut ağırlığının yaklaşık 1.4 katına denk geldiği görülmüştür. Bu sonuç Hang ve Zhaoli tarafından gerçekleştirilen çalışma ile benzerlik göstermektedir. Bu çalışmada, oturmakta olduğu yaklaşık 40 cm’lik yükseklikten ayağa kalkan deneğin hareketi esnasında oluşan dikey yöndeki yer tepki kuvveti, vücut ağırlığının yaklaşık 1.25 katı kadar hesaplanmıştır[10]. Oturma yüksekliği azaldıkça oluşan yer tepki kuvvetinin artması, hareketin doğal bir sonucudur. Hem SimMechanics ile hesaplanan hem de kuvvet platformuyla ölçülen minimum yer tepki kuvvetinin,


K. Serbest, M. Çilli, O. Eldoğan

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 189-193, 2013 193

hareketin belli bir aralığında vücut ağırlığının altına düştüğü gözlemlenmektedir. Bu durum yukarı doğru kalkan vücudun, hareketin belli bir anından sonra yavaşlaması ile birlikte, oluşan kuvvetin de düşüş gösterdiğini açıklamaktadır. Hızın azalması ve ivmenin negatif olarak değişmesi hareket analizi verilerinden de anlaşılmaktadır. İnsan hareketinin incelenmesinde eklemlere etkiyen kuvvet ve momentler, harici bir araç ile direk olarak ölçülememektedir. Ancak bir takım dinamik hesaplamalar ve yaklaşımlar kullanılarak hesaplanabilmektedir. SimMechanics yazılımı ile eklemlere gelen kuvvet ve momentlerin hesaplanması da mümkün olmuştur. İncelenen harekete bakıldığında en büyük eklem momentinin diz ekleminde oluştuğu görülmektedir. Diz ekleminin ekstansiyon ve fleksiyon hareketleri sırasında oluşan momentleri taşıyabilme kabiliyetinin yüksek olduğu anlaşılmaktadır. MATLAB ve Simulink araçları insan hareketlerinin modellenmesinde de faydalı ve esnek çözümler sunmaktadır. İleriki çalışmalar olarak, hareketlerin çok sayıda kamera ile izlenerek 3 boyutlu modeller ile analiz gerçekleştirilmesi ve modelin ileri dinamik yaklaşım (forward dynamics) ile çözümlerinin yapılarak kuvvet ve momentlerin hareketlerin kinematiğine olan etkilerinin incelenmesi gösterilebilir.

TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGEMENT) Bu çalışma Sakarya Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu tarafından desteklenmiştir (Proje no: 2012-50-01-006).


[1] Winter, D., A., Biomechanics And Motor Control Of Human Movement, 2nd Edition, John Wiley & Sons, Canada, 1990.

[2] Lee, K., Cad Systems For Human –Centered Design, Computer-Aided Design & Applications, 3, 5, 615-628, 2006.

[3] Civek, E., Comparison Of Kinematic Results Between Metu-Kiss & Ankara University-Vicon Gait Analysis Systems, Y. Lisans Tezi, Odtü, Makina Mühendisliği Bölümü, 2006.

[4] Mehmood, A., Camescasse, B., Ouezdou, F., B., Cheng, G., Simulation And Design Of 3-Dof Eye Mechanism Using Listing’s Law, International Conference On Humanoid Robots, Korea, 429-434, 2008.

[5] Hernandez-Santos, C., Soto, R., Rodriguez, E., Design And Dynamic Modeling Of Humanoid Biped Robot E-Robot, Electronics Robotics And Automotive Conference, 191-196, 2011.

[6] Franchi, D., Maurizu, A., Placidi, G., A Numerical Hand Model For A Virtual Glove Rehabilitation System, International Workshop On Medical Measurement And Applications, Italy, 41-44, 2009.

[7] Jamshidi, N., Rostami, M., Najarian, S., Saadatnia, M., Firooz S., Modelling Of Human Walking To Optimise The Function Of Ankle-Foot Orthosis In Guillan-Barre Patients With Drop Foot, Singapore Med J, 50, 4, 412-417, 2009.

[8] Hajny, O., Farkasova, B., A Study Of Gait And Posture With The Use Of Cyclograms, Acta Polytechnica, 50, 4, 48-51, 2010.

[9] Winder, S., B., Esposito, J., M., Modeling And Control Of An Upper-Body Exoskeleton, 40th Southeastern Symposium On System Theory, Usa, 263-268, 2008.

[10] Hang, S., Zhaoli, M., Kinematics Simulation Of Sit To Stand Based On Simmechanics, International Conference On Future Computer Science And Education, China, 59-61, 2011.

[11] Kailai, W., Tagawa, Y., Shiba, N., Simulation Of Human Body Motion Under The Condition Of Weightlessness, International Joint Conference, Japan, 3835-3839, 2009.

[12] Gordon, D., Robertson, E., Caldwell, G., E., Hamill, J., Kamen, G., Whittlesey, S., N., Research Methods In Biomechanics, Human Kinetics, Usa, 2004.

[13] Chandler, R., F., Clauser, C., E., Mcconville, J., T., Reynolds, H., M., Young, J., W., Investigation Of Inertial Properties Of The Human Body, Aerospace Medical Research Laboratory, Dot-Hs-017-2-315-1a, 1-162, Washington D.C., 1975.

[14] Gourgoulis, V., Aggeloussis, N., Kalivas, V., Antoniou, P., Mavromatis, G., Snatch Lift Kinematics And Bar Energetics In Male Adolescent And Adult Weightlifters, J. Sports Med. Phys. Fitness, 44, 126-131, 2004.


Akış kanalı genişliğinin pem tipi yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi

Elif Eker 1*, İmdat Taymaz1

1*Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya


ÖZET

Bu çalışmada farklı kanal genişliklerinin, PEM tipi yakıt hücresi performansına etkisi incelenmiştir. Akım yoğunluğu,25 cm² aktif alana sahip paralel akışlı plakanın tek bir hücresi için üç farklı kanal genişliğinde ölçüldü. Hücre genişliği ve kanal yüksekliği sabit tutuldu. Sonuçlar, hücre genişliği sabit tutularak kanal genişliği arttıkça akım yoğunluğunun azaldığını gösterdi. Anahtar Kelimeler: PEM yakıt hücresi, kanal genişliği, akım yoğunluğu

Analysis of the effect of flow channel width on the performance of pemfc

ABSTRACT

In this work, it was analysed the effect of different channel width on performance of PEM fuel cell. Current density were measured on the single cells of parallel flow fields that has 25 cm² active layer, using three different kinds of channel width. The cell width and the channel height remain constant. The results show that increasing the channel width while the cell width remains constant decreases the current density. Keywords: PEM fuel cell, channel width, current density


E. Eker, İ. Taymaz Akış kanalı genişliğinin pem tipi yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi

196 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 195-200, 2013


Yakıt hücreleri, kesintisiz olarak dışarıdan sağlanan yakıta ait enerji ile reaksiyonların gerçekleşmesi için yine dışarıdan devamlı olarak beslenen oksitleyiciye ait enerjinin elektrokimyasal reaksiyonlar neticesinde elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. [1] Yakıt hücresinde hidrojen sisteme verildiği sürece elektrik üretimi devam eder. Kullanılacak hidrojen doğrudan doğalgaz ve benzeri yakıtlardan elde edilebilir. Atık olarak sadece su buharı ürettiğinden çevre kirliliği yapmaması avantaj olarak görülürken, maliyetinin yüksek olması başlıca dezavantajıdır. Özellikle son 10 yıldır PEM tipi yakıt hücreleri üzerine çalışmalar hızla artmıştır. Dolayısıyla, yakıt hücresinin performansını etkileyen işletme parametrelerinden (basınç, sıcaklık, bağıl nem, debi vb.),tasarım parametrelerine (akış kanalı tipi, geometrisi, membran, katalizör, gaz difüzyon tabakası kalınlıkları, malzemeleri, yakıt hücresi yığını tipi, sayısı vb.) kadar birçok parametrenin gerçekte ne gibi sonuçlara neden olacağı bilgisayar ortamında simülasyonu yapılabilmekte ve bu sonuçlar deney verileriyle kıyaslanabilmektedir. [2] Bu çalışmada yakıt hücresi performansını etkileyen tasarım parametrelerinden kanal geometrisi incelenmiştir. Literatürde yakıt hücreleri, özellikle PEMYH ile ilgili olarak kanal geometrisinin incelendiği; bir boyuttan üç boyuta, tek fazdan çift faza kadar, farklı işletme parametrelerinde çok sayıda çalışma vardır. He ve arkadaşları oluşturdukları iki boyutlu iki fazlı modelde difüzyon tabakası ve membran kalınlığının, giriş gazları basıncının ve farklı kanal geometrilerinin hücre performansına etkisini incelemiştir. [3] Yoon ve arkadaşları akış kanalı genişliğini sabit tutarak kanal çubuklarının genişliğinin PEM tipi yakıt hücresi performansına etkisini incelemiştir. Çubuk genişliği 0,5 mm ile 3 mm arasında seçmiş ve sonuç olarak dar çubukların düşük hücre potansiyelinde performansını iyileştirdiğini göstermiştir. [4] Güvenlioğlu ve arkadaşları zamanla değişmeyen izotermal iki boyutlu bir model geliştirmiştir. Modelinde kanal genişliğinin, akım toplayıcı plaka boyutlarının, gaz difüzyon tabakası geçirgenliğinin ve giriş gazları bağıl neminin hücre performansına etkisini incelemiştir. Sonuç olarak da küçük genişlikte kanallardan daha yüksek akım yoğunluğu elde edildiğini göstermiştir. [5]

Shimplee ve arkadaşları serpantin akış kanalı tipi için kanal genişliği-uzunluğu-derinliğini değiştirerek, akım yoğunluğu, sıcaklık ve oluşan su gibi etkenlerin oluşturduğu gerilimleri incelemiştir. Çalışmasında ayrıca otomotiv ve yerleşik uygulamalar için kullanılan pem hücresinde farklı kanal-kanal çubuğu oranlarının yakıt hücresi performansını nasıl etkilediğini araştırmıştır. Sonuç olarak dar kanal-geniş kanal çubuğu oranlarının yerleşik uygulamalar için daha yüksek performans gösterdiğini elde etmiştir. [6] Wang ve arkadaşları paralel ve içiçe geçmiş kanallarda katot tarafı akış kanalının genişlik-yükseklik değişiminin hücre performansına etkisini incelemiştir. Hücre potansiyelinin 0,7 V değerinden büyük olduğu durumlarda akış kanalı genişlik-derinlik oranının hücre performansına çok az etkisi olduğunu, 0,7 V ‘dan dan küçük değerlerde ise performansta olan etkisini arttığını gösterdi. Çalışmasında uzun ve dar, geniş ve kısa, farklı sayılarda kanal tasarımlarını karşılaştırmıştır. Çalışma sonucunda en iyi performans değerlerinin paralel akışlı kanal tasarımı için 0,3mm x0,3mm, içiçe geçmiş kanal için ise 1 mmx1 mm olan genişlik ve derinlik ölçülerinde olduğunu göstermiştir. [7] Bu çalışmada hücre boyutu ve kanal derinliği sabit tutularak, kanal genişliği 0,6 mm, 0,7 mm ve 0,8 mm olan üç ayrı model hazırlandı. Modellerin 333K ve 353K işletme sıcaklığında hücre performansına etkisi incelendi. 2. SAYISAL MODELLEME (NUMERICAL MODEL) Bu çalışmada FLUENT' in PEM Yakıt Hücresi (PEMFC) modülü kullanıldı. Modelde kütle, momentum, enerji ve elektrokimyasal eşitlikler çözüldü. Elektriksel yük dengesini ve PEM yakıt hücresindeki potansiyel dağılımını tanımlamak için yüklerin korunumu denklemi kullanıldı. PEM tipi yakıt hücresi için temel 3 boyutlu gaz iletim denklemleri aşağıda verilmiştir: Süreklilik denklemi:

0 (1)

Momentum denklemi:

(2)


E. Eker, İ. Taymaz

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 195-200, 2013 197

(3)

(4)

Enerji denklemi:

(5)

Yüklerin korunumu denklemi:

∅ ∅ ∅∅ (6)

Yukarıdaki formüllerde , , , , ∅ kaynak terimleri, ε gözeneklilik, ∅ oluşan potansiyeldir.

3. MODEL ANALİZİ (MODEL ANALYSIS) Modelde, üç boyutlu kararlı halde çalışan bir yakıt hücresi modeli kurularak kanal geometrisinin ve işletme sıcaklığının yakıt hücresi performansı üzerindeki etkilerini incelemiştir. Analiz için kullanılacak katı model ve sonlu eleman modeli Gambit programı kullanılarak hazırlanmıştır. Simülasyon sonuçları FLUENT' in PEM Yakıt Hücresi (PEMFC) modelinde çalıştırılarak elde edilmiştir. Yakıt hücresi, eleman sayısının fazla olmasından dolayı, düz bir kanal şeklinde modellenmiştir. Şekil 1’ de orijinal modele ait paralel akışlı akım toplayıcı plaka, Şekil 2’ de ise düz bir kanal halinde modellenmiş yakıt hücre modeli görülmektedir. Şekil 3’de ise analizde kullanılan tek kanallı paralel- karşıt akışlı yakıt hücresi kesitine ait sonlu elemanlar yapısı verilmiştir. Özellikle sınır tabakalardaki sonuçları daha iyi gözlemlemek için gaz giriş ve çıkışlarında daha sık elemanlar kullanılmıştır.

Şekil 1. Paralel akışlı akım toplayıcı plaka(Parallel-flow current collector plate)

Modellemede aşağıdaki kabuller göz önüne alınmıştır. -Üç boyutlu inceleme yapılmıştır. -Reaktan gazlar karşıt akışlıdır. -Model yedi bölgeden oluşmaktadır: akım toplayıcı plaka(anot ve katot),katalizör(anot ve katot),gaz difüzyon tabaka (anot ve katot) ve membran. -Sabit kütlesel debi ve basınçta hidrojen anot girişine, sabit kütlesel debi ve basınçta hava katot girişine verilmiştir. -Sistem kararlı halde çalışmaktadır -Tek faz da inceleme yapılmıştır. -Gazlar için ideal gaz kanunları uygulanmıştır. -Akışın laminer olduğu kabul edilmiştir. -Akım toplayıcıları, gaz kanalları, katalizörler ve membran izotropik kabul edilmiştir.


198 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 195-200, 2013

Şekil 2. Örnek tek kanallı paralel akışlı yakıt hücresi modeli(Sample single-channel parallel flow fuel cell model)

Şekil 3. Modelde kullanılan yakıt hücresi kesitine ait sonlu elemanlar yapısı(Finite element structure of fuel cell section that used in the model)

Modellemede kullanılan geometrik özellikler Tablo 1’ de verilmiştir. Tablo 1. Modele ait geometrik özellikler (Geometrical model specifications

Büyüklük Değer(mm) Akış kanalı derinliği 0.6 Akış kanalı genişliği 0.6, 0.7 ve 0.8 Akış kanalı uzunluğu 50 Gaz difüzyon tabakası kalınlığı 0.175 Katalizör tabakası kalınlığı 0.02 Membran kalınlığı 0.05

Modellemede kullanılan fiziksel ve elektrokimyasal özellikler ise Tablo 2 ’ de verilmiştir.

Tablo 2. Modele ait fiziksel ve elektrokimyasal özellikler (Pyhsical and electrochemical spesifications of the model)

Gaz difüzyon tabakası gözenekliliği 0.5 Gaz difüzyon tabakası viskoz direnci

1e+12 1/m²

Katalizör tabakası gözenekliliği 0.5 Katalizör tabakası viskoz direnci 1e+12 1/m² Katalizör tabakası yüzey /hacim oranı

200000 1/m

Referans H₂ yayınımı 3e-05 m²/s Referans O₂ yayınımı 3e-05 m²/s Referans H₂O yayınımı 3e-05 m²/s Referans akım yoğunluğu (anot) 7500 A/ m² Referans akım yoğunluğu (katot) 20 A/ m² Hesaplanan elektrolit alanı 0.003 m² Açık devre voltajı 0.95 V İşletme basıncı 2 atm. İşletme sıcaklığı 333K, 353

K Hava giriş debisi 5.0e-6 kg/s Yakıt giriş debisi 6.0e-7 kg/s

4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME

(CONCLUSION AND EVALUATION)

Analizlerde anot gerilimi 0, katot gerilimi 0.45V,0.50V, 0.55V, 0.60V, 0.65V, 0.70V, 0.75V, 0.80V, 0.85V ve 0.90 V değişken değerlerinde alındı. Her bir gerilim için 333K ve 353 K sıcaklıklarında, 0.6 mm,0.7 mm ve 0.8 mm kanal genişliğine sahip yakıt hücresi modellerinde akım yoğunluğu ölçüldü. Anotta reaktan gazın yani hidrojenin kütlesel debisi 0.8 hidrojen-0.2 su kütle kesri ile 6.0e-7 kg/s, katotta reaktan gazın yani havanın kütlesel debisi 0.2 oksijen-0.1 su kütle kesri ile 5.0e-6 kg/s olarak alındı. Açık devre voltajı ise 0.95 V kabul edildi. Sınır şartları olarak kanal girişi sabit kütlesel debi, çıkış şartı olarak sabit basınç alındı. 4.1. Kanal Genişliklerinin Hücre Performansına Etkisi (The effect of the channel width to cell performance) Şekil 4’de T =353 K, P =2 atm. çalışma şartlarında 0.6 mm kanal genişliğindeki tek hücre modelinin orta noktasındaki (25mm) kesitte, akım yoğunluğunun kesit boyunca değişimi verilmiştir. Şekilden de görüleceği üzere anottan ayrılan elektronların yoğunluğu akım toplayıcı plaka kanal köşelerinde fazladır. Sebebi ise elektronlar en yakın yoldan devreyi tamamlamak istemektedir. Kanal kesiti üzerinde ise elektronların transferi için gerekli alan geniş olduğu için buralarda akım yoğunlukları daha az, gaz kanallarının iki yan bölgelerinde ise yine elektron transferi için alan dar olduğu için akım yoğunluğu buralarda biraz daha fazladır.


E. Eker, İ. Taymaz

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 195-200, 2013 199

Şekil 4. T =353 K, P =2 atm, 0.6 mm kanal genişliğindeki hücrenin 0.65V potansiyelinde, verilen kesitte akım yoğunluğunun değişimi(T =353 K, P =2 atm, cell with 0.6 mm channel width and 0.65V potential, change of the density of the cross section)

Şekil 5’de T =353 K, P =2 atm. çalışma şartlarında 0.8 mm kanal genişliğindeki tek hücre modelinin orta noktasındaki (25mm) kesitte, akım yoğunluğunun kesit boyunca değişimi verilmiştir. Yine şekilden de görüleceği üzere anottan ayrılan elektronların yoğunluğu akım toplayıcı plaka kanal köşelerinde fazladır. Ancak artan kanal genişliğinin, gaz kanallarının iki yan bölgelerindeki çubuk alanının daraltması sebebiyle daha düşük akım yoğunluğu elde edilmiştir.

Şekil 5. T =353 K, P =2 atm, 0.8 mm kanal genişliğindeki hücrenin 0.65V potansiyelinde verilen kesitte akım yoğunluğunun değişimi(T =353 K, P =2 atm, cell with 0.8 mm channel width and 0.65V potential, change of the density of the cross section)

Şekil 6’da T =333 K, P =2 atm. çalışma şartlarında kanal derinliği sabit tutularak, 0.6 mm, 0.7 mm ve 0.8 mm kanal genişliklerinin değişen hücre potansiyeli

değerlerinden elde edilen akım yoğunlukları verilmiştir. Kanal genişliği azaldıkça gaz kanallarının yan bölgelerinin alanı arttığında elde edilen akım yoğunluğu artmıştır.

Şekil 6. T =333 K, P =2 atm çalışma şartları ve farklı kanal genişliklerinde V-I eğrisi(T =333 K, P =2 atm VI curve in working conditions and different channel width)

Şekil 7’de ise T =353 K, P =2 atm. çalışma şartlarında kanal derinliği sabit tutularak, 0.6 mm, 0.7 mm ve 0.8 mm kanal genişliklerinin değişen hücre potansiyeli değerlerinden elde edilen akım yoğunlukları verilmiştir.

Şekil 7. T =353 K, P =2 atm çalışma şartları ve farklı kanal genişliklerinde V-I eğrisi(T =333 K, P =2 atm VI curve in working conditions and different channel width)


200 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 195-200, 2013

4.2. Sıcaklığın Hücre Performansına Etkisi (The effects of temperature to cell performance) Şekil 8’ de P =2 atm. çalışma şartında, T= 333K ve T=353 K olmak üzere iki farklı sıcaklık değerlerinde V-I eğrisi verilmiştir. Düşük akım yoğunluklarında sıcaklığın etkisi çok fazla değil iken yüksek sıcaklıklarda daha fazladır. Artan sıcaklıkla birlikte elektrokimyasal reaksiyonlar ve dolaysıyla akım yoğunluğu ve hücre performansı da artar. Ayrıca sıcaklık arttıkça limit akım değeri de artar. [8]

Şekil 8. 0.8 mm kanal genişliğinde farklı sıcaklıklarda V-I eğrisi(VI curve in 0.8 mm channel width and different temperature)

Yapılan modelleme sonucunda kanal genişliğinin artmasıyla birlikte sabit basınç ve verilen sıcaklık değerlerinde elde edilen akım yoğunluğu azalmıştır. Çalışma sıcaklığı T =333 K ve T =353 K değerlerinde iki ayrı analiz yapılmış, sonuçlar kıyaslanmıştır. Grafiklerden de görüleceği yüksek sıcaklıkta daha yüksek akım yoğunluğu elde edilmiştir.


[1] Gevorkıan,P.,Sustainable Energy Systems Engineering, Mc Graw Hill, Usa, 233-234, 2007.

[2] Taymaz,I.,Benli,M., Numerical Study Of Assembly Pressure Effect On The Performance Of Proton Exchange Membran Fuel Cell,Enegy,35, 2134-2140,2010.

[3] He,W., Yi, J.S., Nguyen, T.V., Two Phase Flow Model Of The Cathode Of Pem Fuel Cells Using Interdigitated Flow Fields, Aıche Journal, 46,2053-2064, 2000.

[4] Yoon,Y.-G., Lee,W.-Y., Park,G.-G., Yang,T.-H., Kım,C.-S, Effects Of Channel Configurations Of Flow Field Plates On The Performance Of A Pemfc, Electrochimica Acta,50, 709–712, 2004.

[5] Güvenlioğlu,G.H.,Stenger,H.G.,Computational Fluid Dynamics Modeling Of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, Journal Of Power Sources, 147, 95–106, 2005.

[6] Shimpalee,S., Van Zee, J.W., Numerical Studies On Rib&Channel Dimension Of Flow-Field On Pemfc Performance” International Journal Of Hydrogen Energy, 2006.

[7] Wang,X.-D., Duan,Y.-Y., Yan,W.-M., Peng ,X.-F, Effects Of Flow Channel Geometry On Cell Performance For Pem Fuel Cells With Parallel And İnterdigitated Flow Fields, Electrochimica Acta, 53, 5334-5343, 2008.

[8] Yuan, W., Tang, Y., Pan, M., Lı, Z., Tang, B., Model Prediction Of Effects Of Operating Parameters On Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance, Renewable Energy , 35, 656–666, 2010.


Sac şekillendirme prosesinde kullanılan süzdürme çubuğu frenleme kuvvetinin modellenmesi

Derya İriç1*, Sedat İriç2, Recep Kozan2

1*Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Kocaeli 2Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya


ÖZET

Süzdürme çubukları, sac şekillendirme prosesinde ortaya çıkan yırtılma, kırışma ve geri esneme gibi kusurları ortadan kaldırmak veya minimuma indirmek için malzemenin kalıp boşluğuna akışını belirli bölgelerde sac üzerine frenleme (gergi) kuvveti oluşturarak düzenleyen bir tür kontrol mekanizması olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada sac levhanın dişi kalıp ile baskı plakası arasından akışı esnasında farklı batma miktarına sahip süzdürme çubuğu üzerinden geçirilerek elde edilen frenleme kuvveti ölçülmüştür. Elde edilen veriler kullanılarak süzdürme çubuğu batma miktarına bağlı frenleme kuvvetini veren matematiksel bir model geliştirilmiştir. Model sonuçları, deneysel veriler ile ve PAM-STAMP programında yapılan simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmış ve oldukça uyumlu olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Süzdürme çubuğu, Matematik Model, Sac metal şekillendirme

Modeling of drawbead restraining force in sheet metal forming

ABSTRACT

Drawbeads are used as control mechanism regulated the flow rate at certain locations of the sheet to minimize or prevent defects such as tearing, wrinkling and springback that occur on sheet during a sheet metal forming process. In this study, drawbead restraining force was measured for the sheet metal through blankholder and lower die with a round drawbead with various penetration. This experimental data were used and the mathematical model calculated drawbead restraining force as a function of bead penetration was developed. Comparison of the results of mathematical model with the corresponding experimental results and PAM-STAMP model was showed in excellent agreement. Keywords: Drawbead, Mathematical Model, Sheet metal forming


D. İriç, S. İriç, R. Kozan Sac şekillendirme prosesinde kullanılan süzdürme çubuğu frenleme kuvvetinin modellenmesi

202 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 201-205, 2013


Sac metal malzemeler, günümüz modern toplumunun artan ihtiyaçlarını karşılama doğrultusunda çok büyük öneme sahiptir. Kara, deniz, hava ve uzay taşıtları, çeşitli ev eşyaları ve makineleri, endüstriyel araç-gereçler, endüstriyel yapılar ile makine imalatı, inşaat sektörü ve daha birçok alandaki uygulamalarda karşımıza çıkmaktadır. Bu şekilde yaygın kullanılmalarındaki ön önemli etkenlerden bazıları, diğer alternatif malzemelere nazaran daha dayanımlı, ucuz, kolay işlenebilme, şekillendirilebilme ve birleştirilebilme özellikleri olmaları şeklinde sıralanabilir [1]. Günümüzde sac metal şekillendirme işlemi, başta otomotiv sektörü olmak üzere birçok sektörde kullanılmaktadır. Günlük hayatta kullanılan bir binek araç ortalama 4000 kadar mekanik elemandan oluşmakta [3] ve bu ihtiyaçlar oldukça karmaşık üretim ve montaj süreçlerini içermektedir. Montajda ve nihai ürün performansında oluşacak problemlerden kaçınmak için şekillendirilen parçanın kalitesi önemlidir. Sac levhanın plastik deformasyona uğrayarak şekillendirilmesi sırasında kalınlığında istenenden daha farklı bir değişim olursa sacda buruşmalar ya da yırtılmalar görülmektedir. Başarılı olarak yapılmış bir şekillendirme işleminden sonra karşılaşılan diğer bir problem ise; şekillendirilmiş parça geometrisi üzerinde bulunan elastik yer değişimlerinin, şekillendirmeyi sağlayan yüklemenin kaldırılması ile parçanın şekillendirme yönünün aksine yer değişimi göstermesidir. Geri esneme olarak adlandırılan bu durum, sac parçaların şekillendirme işleminin ardından oluşan, çoğu zaman istenmeyen ya da oluşması halinde değerinin bilinmesi istenen bir problemdir. Sac malzemede şekillendirme sırasında oluşan ve en sık rastlanan bu şekillendirme kusurları Şekil 1’de görülmektedir.

Şekil 1. Sac metal şekillendirmede en sık rastlanan kusurlar [2] (The most common defects in sheet metal forming)

Sac malzemenin kalıp boşluğuna kontrolsüz veya istenmeyen orada akışından kaynaklanan buruşma, yırtılma, aşırı incelme ve geri esneme gibi kusurları ortadan kaldırmak için değişken baskı plakası kuvveti, kalıp ile sac yüzey arasındaki sürtünmenin azaltılması

veya kalıp geometrisinin değiştirilmesi gibi bir dizi önlemler alınmaktadır. Ancak bu yöntemler sadece sac malzemenin tamamının akışını düzenleyebilir. Sac malzemede oluşacak kusurları engellemek veya minimuma indirmek için malzeme akışını belirli bölgelerde düzenlemek için süzdürme çubuğunun kullanımı fikri ortaya atılmıştır [4]. Sac şekillendirme prosesinde kullanılan süzdürme çubuğunun kalıp içerisindeki yerleşimi Şekil 2’de gösterilmiş.

Şekil 2. Süzdürme çubuğunun kalıp içerisindeki yerleşimi [5] (Stripping rod placement within the mold)

Süzdürme çubukları, sac üzerinde malzeme özelliklerine ve çubuk geometrine bağlı olarak bükme-doğrulma çevrimleriyle malzeme akışına ters yönlü frenleme kuvveti oluşturmaktadır Şekil 3 [6].

Şekil 3. Süzdürme çubuğundan akan malzemede oluşan frenleme kuvveti ve bükme doğrulma çevrimi [7] (Braking force and bending straightening cycles of flowing material of draining bar)

Bu çalışmada, süzdürme çubuğunun oluşturduğu frenleme kuvveti, batma miktarına bağlı olarak ölçülmüştür. Ölçüm için bilgisayar kontrollü atölye tipi bir pres hazırlanarak süzdürme çubuğu simülatörü sisteme entegre edilmiştir. Bu sistemde süzdürme çubuğu batma miktarı değiştirilerek sac malzeme çekilmiş ve


D. İriç, S. İriç, R. Kozan

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 201-205, 2013 203

elde edilen frenleme kuvveti eş zamanlı olarak sistemi kontrol eden bilgisayar programı tarafından kaydedilmiştir. Elde edilen veriler kullanılarak matematiksel bir model geliştirilmiş ve deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. İkinci aşamada ise model sonuçları sac şekillendirme simülasyon programlarından olan PAM-STAMP programında bulunan süzdürme çubuğu modülünden elde edilen frenleme kuvveti değerleri ile karşılaştırılmıştır.

2. DENEYSEL ÇALIŞMA (EXPERİMENTAL STUDY)

Süzdürme çubuğu frenleme kuvveti şekil 4’te görülen bilgisayar kontrollü çekme düzeneğinde ölçülmüştür. 40 tonluk atölye tipi pres üzerine konum ölçer ve yük hücreleri yerleştirilmiş ve cihazların bilgisayar ile iletişimi sağlanmıştır. Bu cihazlardan gelen bilgiler yardımıyla MATLAB programında hazırlanan program, presi kumanda etmekte ve elde edilen verileri kaydetmektedir.

Şekil 4. Deneylerde kullanılan pres ve kalıp seti(Filtration and die set used for experiments)

Deneylerde tablo 1’de mekanik özellikleri verilen 50 mm genişliğinde ve 1 mm kalınlığında soğuk haddelenmiş sac malzeme 100 mm çekilmiştir Tablo 1. Soğuk haddelenmiş çelik sacın mekanik özellikleri (Erdemir) (Metalic spesification of Cold-rolled steel sheet)

Malzeme üzerinde oluşan süzdürme çubuğu frenleme kuvvetinin ölçülmesi için, malzeme şekil 5.b’de görülen yatay yük hücresine bağlı tutucu çene yardımıyla sabitlenmiştir. Düşey silindir yardımıyla kapatılan kalıp setinde bulunan yük hücresi ve kalıp yayları yardımıyla kapatma kuvveti istenilen miktarda ayarlanabilmekte ve bilgisayar yardımıyla kaydedilmektedir. Kalıp seti kapatıldıktan sonra Şekil 5.a’da görülen yatay silindir yardımıyla sac malzeme, süzdürme çubuğu üzerinden geçirilerek çekilmektedir. Çekim esnasında yatay silindirdeki konum ölçer ve tutucu çenedeki yük hücresi yardımıyla konum ve kuvvet bilgileri kaydedilmektedir

Şekil 5. Çalışmada kullanılan pres ve ekipmanların şematik gösterimi(Schematic representation of presses and equipment used in the study)

Çalışmada, şekil 6’da ölçüleri gösterilen, üç bükme-doğrulma çevrimine sahip süzdürme çubuğu kullanılmıştır.

Şekil 6. Deneylerde kullanılan süzdürme çubuğunun ölçüleri (stripping bar size used in experiments)

Süzdürme çubuğunun farklı batma sevileri için yapılan deneylerde oluşan kuvvetin etkisiyle saclarda meydana gelen deformasyonlar Şekil 7’de gösterilmiştir.

Şekil 7. Deneyler sonucunda sac malzemelerde oluşan deformasyonlar(Deformations of metal meterials as a result of experiments)

3. MATEMATİK MODEL (MATH MODEL)

Gerçekleştirilen deneylerden elde edilen veriler kullanılarak batma miktarına bağlı frenleme kuvvetinin hesaplanabildiği matematiksel bir bağıntı elde edilmiştir. Matematik model için farklı polinom tipleri denenmiş, hesaplama yükü en az ve optimum sonucu veren polinom kübik olarak görülmüştür. Kübik polinomun matematiksel ifadesi aşağıdaki şekildedir;

dxcxbxaxf 23)( (1)

D. İriç, S. İriç, R. Kozan Sac şekillendirme prosesinde kullanılan süzdürme çubuğu frenleme kuvvetinin modellenmesi

204 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 201-205, 2013

burada, f(x) : Süzdürme çubuğu frenleme kuvveti (N/mm), x: Batma miktarı (mm) olarak gösterilmiştir. Deneysel veriler ile kübik polinom modelden elde edilen sonuçlar arasındaki hata, hata=Deneysel Veri-Polinom Model şeklinde hesaplanmıştır. Ayrıca kübik polinom modelin performansı hakkında bilgi veren Korelasyon Katsayısı R2 ve Hataların Karelerinin Ortalamasının Karekökü (RMSE) hesaplanmıştır. Süzdürme çubuğunun batma miktarına bağlı çelik sacda oluşturduğu frenleme kuvvetini hesaplayabilmek için geliştirilen matematiksel bağıntı eğri uydurma yöntemi yardımı ile hesaplanmış ve kübik polinom denklemdeki a, b, c, d katsayıları için aşağıdaki değerler bulunmuştur. Süzdürme Çubuğu Frenleme Kuvveti = 0,095*x3 - 2,103*x2 + 24,17*x – 9,269 (2) Soğuk haddelenmiş 1 mm kalınlığındaki çelik sacın, süzdürme çubuğu batma miktarına göre değişen, frenleme kuvvetine ait deneysel verileri ile geliştirilen model sonuçları Şekil 8.a’da karşılaştırılmıştır. Deneysel veriler ve model sonuçları arasındaki hata ise Şekil 8.b’de görülmektedir. Grafik incelendiğinde deneysel veriler ile matematik model arasındaki hata 3 N arasında kalmaktadır.

Şekil 8. Deney sonuçları ile matematik modelin karşılaştırılması(Comparison of test results and mathematical model)

Eğri uydurma yöntemi ile elde edilen kübik polinom modelin performansını belirleyen ölçütler; Korelasyon katsayısı, R2 = 0,9978, hataların karelerinin ortalamasının karekökü, RMSE = 2,179 olarak hesaplanmıştır.

4. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Bu çalışmada dairesel süzdürme çubuğu içinden geçirilen sac malzemede oluşan frenleme kuvvetinin süzdürme çubuğunun yüksekliğine bağlı değişimi

incelenmiştir. Malzeme akışına ters yönde oluşan frenleme kuvvetinin süzdürme çubuğunun batma miktarı ile doğru orantılı olarak arttığı görülmüştür. Çalışmanın ikinci aşamasında elde edilen deneysel veriler kullanılarak, süzdürme çubuğunun oluşturduğu frenleme kuvvetini kestirmek için eğri uydurma yöntemi kullanılarak batma miktarının değişimine bağlı kübik bir polinom model elde edilmiştir. Geliştirilen matematiksel model incelendiğinde deneysel sonuçlar ile oldukça uyumlu olduğu ve modelin performansı hakkında bilgi sahibi olduğumuz korelasyon katsayısının (R2) 0,9978 olduğu görülmüştür. Güvenirlik katsayısı da denen bu değerin 1’e oldukça yakın olması hesaplanan polinom modelin başarılı sonuç verdiğini ve modelin kullanılabilirliğini göstermektedir. Çalışmanın devamında elde edilen verilerin karşılaştırılması için ESI firması tarafından geliştirilen PAM-STAMP sonlu elemanları programının Drawbead Calibrator modülü kullanılmıştır Şekil 9. Bu modül, süzdürme çubuğu geometrisi, malzeme özellikleri ve batma miktarı değerlerini alarak literatürde kabul görmüş ve virtüel işler prensibini kullanarak süzdürme çubuğu frenleme kuvvetinin hesaplanabildiği Stoughton modelini kullanmaktadır [8].

Şekil 9. PAM-STAMP Drawbead Calibrator modülü ve sactaki incelmeler(AM-STAMP Drawbead Calibrator module and hair thinning)

Simulasyon sonucunda elde edilen veriler deneysel sonuçlarından elde edilen matematik model ile karşılaştırılmıştır. Model sonuçları ile simülasyon sonuçları karşılaştırıldığında verilerin birbirine %4 gibi çok düşük hatalar ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir Şekil 10.

Şekil 10. Matematik model sonuçları ile Sonlu elemanlarının karşılaştırılması (Comparison with the results of mathematical model of finite elements)

Bu sonuçlar çerçevesinde hazırlanan matematik modelin seçilen malzeme özellikleri için sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılan hesaplamalara bir alternatif oluşturabileceği görülmüştür. Sonlu elemanlar yöntemi


D. İriç, S. İriç, R. Kozan

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 201-205, 2013 205

ile yapılan analizlerde süzdürme çubuğu frenleme kuvvetinin hesaplanma süresi yaklaşık 90 sn civarında iken elde edilen matematik modelde bu süre 1 sn’den çok daha kısa sürmektedir.


[1] Tiryaki, A.E., Kozan, R., Çift Fazlı Çelik Sacda Kare Süzdürme Çubuğunun Oluşturduğu Frenleme Kuvvetinin Kestirimi, Mühendis ve Makina, Cilt 51, Sayı 609, 2010.

[2] Hsu, C.W., Ulsoy, A.G., Demeri M.Y., Development of Process Control in Sheet Metal Forming, Journal of Materials Processing Technology, 127, pp. 361-368, 2002.

[3] Çiçek, O., Effect of Drawbeads in Sheet Metal Forming, MSc Thesis, Istanbul Technical University, Department of Mechanical Engineering, August, 2005.

[4] Tiryaki, A.E, Sac Metallerin Şekillendirilmesinde Kullanılan Süzdürme Çubuğunun Modellenmesi ve Kontrolü, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü, 2010.

[5] http://www.hellotrade.com/interlaken-technology-corporation-usa/product3.html

[6] Demeri, M.Y., Drawbeads in Sheet Metal Forming, Journal of Materials Engineering and Performance, 2/6, pp. 863-866, 1993.

[7] [7]http://www.globalspec.com/reference/70325/203279/ chapter-16-stamping

[8] [8] PAM-STAMP user manual


Bir rüzgar türbini tasarımı ve geliştirilmesi

Davut Keleş1*, Vezir Ayhan2, Adnan Parlak3, İdris Cesur2, Barış Boru4, Tufan Koç4

1Yiğit İnşaat, Sakarya 2Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi, Sakarya

3Yıldız Teknik Üniversitesi, Gemi İnşaat ve Denizcilik Fakültesi, Gemi Makineleri ve İnşaat Mühendisliği, İstanbul 4Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği, Sakarya


ÖZET

Yenilenebilir enerji kaynakların içerisinde yüksek bir potansiyele sahip olan rüzgar enerjisi, hızla büyüyen enerji ihtiyacını karşılayabilecek bir kapasiteye sahiptir. Bu potansiyelin değerlendirilmesi, sınırlı olan yenilenemeyen enerji kaynaklarına bağımlılığın azalmasını ve aynı zamanda ekolojik denge açısından da olumlu sonuçlar getirecektir. Ülkemiz rüzgar enerjisi potansiyeli olarak zengin ve teknolojik olarak yeterli bir seviyededir. Rüzgarın enerjisinden yararlanabilmek için rüzgar türbinleri kullanılmaktadır. Bu makalede, bir rüzgar türbini hesaplamaları, modellenmesi ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Rüzgar Türbini, Rüzgar Türbini Hesaplamaları, Tasarım, İmalat

Design and development of a wind turbine

ABSTRACT

Which have a high potential in renewable energy sources wind energy has the capacity to meet the rapidly growing energy needs. This assessment of potential environmental problems of our country and to minimize the need to preserve the ecological balance. At the same time as the wind energy potential in Turkey is a country rich and technologically adequate. In this article, wind energy design, modeling and has been manufactured. Wind speed of 5 m/s has been adopted, the calculations carried out to meet the energy needs of a house. Keywords: Wind Turbine, Wind Turbine Calculations, Design, Manufacturing


D. Keleş, V. Ayhan, A. Parlak, İ. Cesur, B. Boru, T. Koç Bir rüzgar türbini tasarımı ve geliştirilmesi

208 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Dünya ekonomisinde söz sahibi ülkeler yenilenebilir enerji kaynaklarına önemli yatırımlar yapmakta ve kullanımını arttırmak için büyük çaba sarf etmektedirler. Yaşantımızın vazgeçilmezi haline gelen enerji, üretilmesi, taşınması ve tüketimi esnasında çevre kirliliğine yol açmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının çevreyi kirletmemesi ve ömrünün uzun olması enerji ihtiyacının karşılanması açısında büyük bir avantajdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından en avantajlı olanlarından biri de rüzgar enerjisidir. Rüzgâr; güneş enerjisinin yeryüzüne ulaşması sonucunda ortaya çıkan bir doğa kuvvetidir. Güneş enerjisinden dolayı yeryüzünde oluşan sıcaklık farkı, basınç değişimlerini meydana getirmektedir. Bu değişimler sonucu da rüzgâr meydana gelir [1-8]. Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli Atlasına (REPA) göre Türkiye’deki teorik rüzgâr enerjisi potansiyeli 48.000 MW civarındadır. Mevcut elektrik şebeke alt yapısı dikkate alındığında ise elektrik şebekesine bağlanabilir rüzgar enerjisi potansiyeli 10.000 MW düzeyinde hesaplanmıştır. 2020 yılına kadar Türkiye’de rüzgâr kurulu gücünde 20.000 MW seviyelerine ulaşılması öngörülmektedir [9]. Türkiye’de 2005 yılında 20,1 MW olan rüzgâr kurulu gücü 2012 itibariyle 2041,35 MW’a yükselmiş durumdadır. Şekil 1’ de Türkiye de rüzgar enerjisinden sağlanan elektrik üretiminin yıllara göre gelişimi görülmektedir [10]. Şekil 1’ den de görüldüğü gibi ülkemizde rüzgâr enerjisine yönelim hızla artmaktadır. Rüzgar enerjisine artan bu eğilim, özellikle enerji üzerine çalışma yapan arge firmaları ve araştırmacıların ilgi alanı haline gelmiştir. Yapılan araştırmalarda, genellikle rüzgarın ülkedeki enerjiye dönüştürülebilme potansiyelleri, sağlayabileceği faydalar, maliyet analizi ve en önemlisi de rüzgar türbini veriminin kanatçık tasarımı ve malzeme tekniğiyle arttırılması üzerinedir.

Şekil 1. Türkiye rüzgar enerjisinin yıllara göre gelişimi[10] (Over the years the development of wind energy in Turkey)

Karadağ [11], yaptığı çalışmada, enerji çevre ilişkisine kapsamlı bir şekilde yer vermiştir. Rüzgar enerjisinin ülkemiz için uygun bir kaynak olduğunu saptamıştır. Şen [12], rüzgar enerjisinin temel kriterlerinden yola çıkarak Gökçeada’nın elektrik enerjisi ihtiyacının rüzgar enerjisi ile karşılanması konusunda genel

prensipleri araştırmış ve De Wind firmasının ürettiği türbinler arasında bir karşılaştırma yapmıştır. Gökçeada’nın elektrik enerjisi ihtiyacı ve bu ihtiyacı karşılamak için türbin sayısı, bunların ürettikleri enerji miktarlarını hesaplanmıştır. Tasarımı yapılan santralin maliyet analizi ve geri ödeme süresini hesaplamıştır. Önder [13], aerodinamik esaslar ve kanat elemanı tasarım esasları ışığında istenilen bölge ya da rüzgâr koşullarına bağlı olarak yatay eksenli rüzgâr türbinleri için pratik ve görsellik taşıyan bir kanat tasarımı programı geliştirilmesini amaçlamıştır. Çalışmada, rüzgar hızı sabit tutulmuştur. Kanat elemanı tasarımı hesaplamalarında momentum teorisi ve kanat elemanı teorisini kullanmış ve bu teorilerin birlikte kullanılması gerektiğini vurgulamıştır. Bu makalede, rüzgar enerjisinden yararlanmak amacıyla rüzgar türbini hesaplamaları, modellenmesi ve üretimi üzerinde durulmuştur. İlk olarak rüzgar türbini hesaplamaları gerçekleştirilmiş, hesaplamalar doğrultusunda bilgisayar ortamında katı modellenmesi ve imalat resimleri oluşturulmuştur. Daha sonra modellenmesi yapılan rüzgar türbini imalatına geçilmiştir. İmalatı tamamlanan rüzgar türbini gerekli alt yapı işlemleri gerçekleştirildikten sonra 6 metre çelik boru üzerine montaj edilmiştir.

2. RÜZGAR TÜRBİNİ MODELLENMESİ VE DİZAYNI (MODELING AND DESIGN OF WIND

TURBINE) Rüzgar türbini tasarımı için öncelikler gerekli güç, ortalama bir evin enerji ihtiyacı dikkate alınarak seçilmiştir. Bu güç değerinde ortalama rüzgar hızının sabit bir hızda (5 m/s) olduğu kabul edilip, üç kanatlı 3,2 m çapında bir rüzgar türbini tasarımı ve rüzgar türbini bileşenlerinin hesaplamaları yapılmıştır. Bu hesaplamalar doğrultusunda rüzgar türbini bilgisayar ortamında üç boyutlu olarak tasarlanmış ve katı modeli oluşturulmuştur. Tasarım aşamasından ardından imalat resimleri çizilmiş ve imalat safhasına geçilmiştir. Güç ihtiyacı doğrultusunda kanat çapı belirlenmiş ve rotor hesaplamaları yapılmıştır. Yapılan hesaplamalar doğrultusunda gerekli devir hesaplanmış ve kanat profili seçilmiştir. Türbin kanat profili olarak Naca 4415 kullanılmıştır. Elektrik üretimi açısından uygun devire ulaşmak için dişli kutusu tasarımı ve imalatı yapılmıştır. Türbin sisteminin aşırı rüzgarlardan korunması ve türbin sisteminde meydana gelen bir arıza durumunda sisteme müdahale etmek için fren mekanizması türbine montaj edilmiştir. Tasarımın gerçekleştirilmesi için elektrik üreteci olarak doğru akım çıkış veren jeneratör kullanılmıştır. Jeneratör çıkışında kullanılan elektrik taşıyıcı kabloların türbinin dönmesi durumunda birbirine dolanmasını önlemek amacı ile fırça sistemi kullanılmıştır. İmalatı tamamlanan rüzgar türbini gerekli alt yapı işlemleri gerçekleştirildikten sonra 6 metre çelik boru üzerine montaj edilmiştir. Tasarım hesaplamaları Betz

Bir rüzgar türbini tasarımı ve geliştirilmesi D. Keleş, V. Ayhan, A. Parlak, İ. Cesur, B. Boru, T. Koç

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013 209

teoremine göre yapılmıştır ve değerler aşağıda verilmiştir. 2.1. Gerekli Güç (Required Power) Kurulacak rüzgar türbini bir evin ortalama aylık 244 KWh olan enerji ihtiyacının karşılamak üzere tasarlanmıştır. Rüzgar hızı 5 m/s saabit kabul edilmiştir. Hava akımındaki kinetik enerjiden kaynaklanan güç denklem 1' de verilmiştir [14].

2 3. .2pP C R V (1)

2.2. Rotor Hesaplamaları (Calculations of Rotor) P gücünün t süresince etkimesi durumunda enerji denklemi denklem 2 ile ifade edilir [14].

.E P t (2) Rüzgar türbininden bir yılda (8760 saat) elde edilecek elektrik enerjisi 2928 Kwh kabul edildiğinde denklem 1’ den rüzgar türbini yarıçapı; 1,6R m olarak bulunur. İmalatı gerçekleştirilen kanatlar, rotor miline kestamid malzemeler ile bağlanmış ve rotor merkezine gelen rüzgarın kanatlara yönlendirilmesi ve kanat bağlantılarının estetiği açısından hub tasarımı yapılmış ve imal edilmiştir. Şekil 2’ de kanat bağlama elemanları gösterilmiştir.

Şekil 2. Kanat bağlantı elemanları(Wing fasteners)

Rotor mili köprü yataklar ile iki noktadan yataklanmıştır. Yataklanan rotor mili redüktöre ara bağlantı mili ile bağlanmıştır. Şekil 3’ te rotor mili bağlantı noktaları görülmektedir.

Şekil 3. Rotor mili bağlantı şeması (Wiring diagram of the rotor shaft)

Bir rüzgar türbini tasarımında en önemli noktalardan biriside rotorda oluşan gücün jeneratöre aktarımında kullanılan güç aktarma milidir. Bu mil kendisini etkileyen farklı kuvvetlere karşı dayanabilecek özelliklerde seçilmeli ve çapı bu özelliklere uygun olmalıdır. Denklem 3’de rotor mili çapının seçiminde kullanılan denklem verilmiştir [14].

3.32d

R

Wd

(3)

30Rd mm seçilmiştir.

2.3 Kanat Seçimi (Choice of Wing) Aerodinamik açıdan optimum dizayn için ise α (hücum açısı) ve L/D (kaldırma/sürüklenme) oranlarının dikkatle seçilmesi gerekmektedir. α açısı küçük, buna karşılık L/D oranı ise maksimum değerlerinde seçilmelidir. Yüksek λ’ lı (λ= kanat uç hız oranı) rüzgar türbinlerinde CL/CD oranının büyüklüğünden dolayı tercih edilen kanat profil tipleri NACA 4415 ve NACA 23012’dir. Şekil 4’ de CL ve CD nin α’ ya göre değişimini veren eğriler verilmiştir [15,16]. Hesaplamalar sonucunda Naca 4415 profilinin 100 bağlama açısının CL/CD değeri maksimumdur. Tablo 1’ de CL/CD oranının hücum açısına göre değişimleri verilmiştir [15]. Kaldırma ve sürüklenme katsayıları doğrultusunda denklem 4 ve 5’ de kaldırma ve sürüklenme kuvvetleri hesaplanmıştır.

21

2

D

DC

V A (4)

21

2

L

LC

V A (5)

Bu veriler doğrultusunda rüzgar türbininde NACA 4415 kanat profili 100 hücum açısı kabulü ile tasarlanmıştır [15].

Şekil 4.a. NACA 4415 profili CL – α eğrisi(NACA 4415 profile CL - α curve)

200 150

Ø30

100

-16 -8 0 8 16 24

-0.8

-0.4

0

0.4

1.2

0.8

1.6

CL


210 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013

Şekil 4.b. NACA 4415 profili CL – CD eğrisi(NACA 4415 profile CL - CD curve) Tablo 1. Naca 4415 profili kanat değerleri(Values of the wing profile Naca 4415) α CL CD CL/CD L (N) D

(N) -4 -

0,038 0,08 -5,07 -4,68 0,92

8 1,102 0,012 95,00 135,67 1,43

10 1,280 0,012 106,66 157,58 1,48

20 1,304 0,013 99,54 160,54 1,61

Hesaplamalar sonucunda kanat bağlama açısı ve kanat kiriş boyu hesaplanmış ve kanat tasarımı gerçekleştirilmiştir. Kanat bağlama açısı denklem 6 ve denklem 7 ile hesaplanmıştır [15].

2arctan

3 .b

R

r

(6)

21 16 1. . .sin .arctan

3 .l

Rc r

B C r

(7)

Kanat bağlama açısı ve kiriş boyu hesaplanırken kanat boyu belirli aralıklarla bölünmüş ve her istasyon için r değerleriyle hesaplamalar yapılmıştır. Kanat açılarının hesaplanmasında gerekli olan bu r değerinde aralıklarının fazla olması tasarım açısından faydalıdır. Tasarımı düşünülen kanadın rotor miline bağlanması gerekmektedir. Bu bağlantı için rotor merkezinden r = 0,20 m. lik mesafe kullanılmıştır. Tablo 2’ de kanat hesaplamaları sonucunda bulunan bağlama açıları ve kiriş boyları verilmiştir. Hesaplamalar neticesinde elde edilen veriler ile üretimi yapılacak kanadın katı modeli oluşturulmuştur. Şekil 5’ de modellenmiş kanadın şekli verilmiştir.

Tablo 2. Kanat hesaplamaları sonucunda bulunan bağlama açıları ve kiriş boyları(As a result of the wing calculations, beam angles and dimensions of mount)

İstasyon r Bağlama açısı kiriş boyu

b c (m)

1 0,20 25,42 0,2412

2 0,32 16,54 0,2197

3 0,48 9,37 0,1770

4 0,64 5,08 0,1436

5 0,8 2,29 0,1195

6 0,96 0,35 0,1018

7 1,12 -1,07 0,0884

8 1,28 -2,15 0,0781

9 1,44 -3,01 0,0698

10 1,6 -3,69 0,0631

Rüzgar türbin kanadını cam elyaf takviyeli poliester esaslı kompozit malzeme ile üretiminin yapılabilmesi için türbin kanat modelinin imal edilmesi gerekmektedir. İmal edilen kanat modelinden poliester döküm kalıbı çıkarılmış ve 3 adet kanat dökülmüştür. Kanat modelinin belirlenen tasarım değerlerinde (Tablo 2) üretilebilmesi için CNC dik işlem merkezi kullanılmıştır. Mevcut tezgahın tabla ölçülerinden dolayı kanat 2 parça olarak işlenmiş ve işleme sonunda montaj edilmiştir. Kanat yarıları Şekil 5’ de görülmektedir. Kanat modelinin imal edilebilmesi için Şekil 6’ da görülen MDF model kütüğü hazırlanmıştır. Hazırlanan kütükler CNC dik işlem merkezinde işlenmiştir.

Şekil 5. Modellenen kanat profili ve tasarlanan kanat yarıları

(Modelled airfoil and designed wings)

DC

CL-0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6

0

0.004

0.008

0.012

0.020

0.024

0.016


SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013 211

Şekil 6. Hazırlanan bir model kütüğü ve kanat 1. yarısının işlenmesi(Prepared model index and processing of first half of wing)

İmal edilen kanat modelinden poliester döküm için kalıp çıkarılmış ve 3 adet kanat dökülmüştür. Şekil 7’ de kalıp çıkarılması ve dökümü gerçekleştirilen kanatlar gösterilmiştir.

Şekil 7. İmal edilen model ve poliester kalıp yarıları (the made model and polyester stereotypes)

Rüzgar türbinlerinde kullanılan kanat sayısı 2–24 adet arasındadır. Düşük hızlı türbinlerdeki kanat sayısının çok, yüksek hızlı türbinlerde kanat sayısının az olduğu düşünüldüğünde kanat sayısı ile uç hız oranı arasında ters orantı olduğu anlaşılmaktadır. Rüzgar türbinlerinde, kanat sayısının seçimi önem arz etmektedir. Tablo 3. Kanat sayısı ve uç hız oranı arasındaki ilişki (Relation between wing number and speed rate)

Kanat sayısı Uç hız oranı ()

24 1 5 2 3 6 2 8 1 11

Dönme momentinin daha düzgün olması nedeniyle genellikle üç kanat kullanımı tercih edilmektedir. Bu türbinlerde, türbinin yapısı üzerinde depolanan yüklerden dolayı salınım yapan atalet momenti yoktur. Tablo 3’ de kanat sayısı ve uç hız oranı arasındaki ilişki gösterilmiştir [15]. Tasarım hesaplamalarında, rotor 3 kanatlı seçildiği için = 6 alınmıştır. 2.4. Dişli Kutusu Tasarımı (Gearbox Design) Dişli kutusu tasarımda, kullanılan jeneratör sistemi tasarıma yön vermektedir. Jeneratörün hangi devir aralıklarında istenen voltaj ve akım değerlerini ürettiği tespit edilmeli ve sistem bu yönde tasarlanmalıdır. Dişli kutusu kullanılması, sistemin verimini düşürmekle beraber AC çıkışlı jeneratörlerin kullanıldığı rüzgar türbinlerinde kaçınılmaz bir sistem elemanı olarak karşımıza çıkmaktadır. Jeneratör 650 – 700 dev/dk’ da yeterli enerji çıkışı verdiği için rotor giriş devri olan 35 dev/dk değeri, 650 ile 700 dev/dk aralığında olması gerektiği tespit edilmiştir. Dişli kutusu tasarımında 700 dev/dk değerine ulaşmak için 3 kademeli ve helisel dişlilerden oluşmuş bir dişli kutusu tasarımı yapılmıştır. Bilgisayar ortamında modellenen dişli kutusunun imalat detayları çıkarılmış ve imal edilmiştir. Şekil 8.1 ve Şekil 8.2’ de dişli kutusunun katı modeli ve imal edilmiş hali görülmektedir.


212 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013

Şekil 8.1 Tasarlanan dişli kutusu (Designed gearbox)

Şekil 8.2 İmal edilen dişli kutusu (Manufactured gearbox)

2.5. Platform ve Kule (Platform and Tower) Tasarımı yapılan türbinde kule için 6 metre boyunda çelik boru kullanılmıştır. Borunun her iki başına bağlantı flanşı kaynatılmıştır. Zemin bağlantısı için çevrede 6 adet M16 cıvata bağlantısı kullanılmıştır. 2.6. Fren (Brake) Devir sayısının belirli bir değerden sonra sabit tutulması, belirli bir sınırı aşmasına engel olması, çarkın ve kanatların korunması yönünden çok önemlidir. Tasarımı gerçekleştirilen rüzgar türbininde jeneratör devri 700 dev/dk sınırını aştığında fren sistemi devreye girecektir. Aynı zamanda türbinde bir arıza meydana geldiğinde sistemi tamamen durdurmak için kullanılmıştır. Şekil 9’ da rüzgar türbini tasarımında kullanılan fren mekanizması gösterilmiştir.

Şekil 9. Kullanılan mekanik fren düzeneği (The mechanical brake assembly)

2.7. Yönlendirici (Router) Çeşitli yönlerden esen rüzgarlardan yararlanabilmek için türbin gövdesinin, her an rüzgar doğrultusuna dikey konumda olması istenir. Bu yöneltme, ya çark düzlemine dikey olan büyük düzeyli bir dümenle veya yardımcı bir çarkla otomatik olarak sağlanabilmektedir [15]. Tasarımda kullanılan yönlendirici Şekil 10’ da gösterilmiştir.

Şekil 10. Yönlendirici (Router)

2.8. Gövde (Body) Rüzgar türbinlerinde kullanılan rotor, dişli kutusu, jeneratör, bağlantı elemanları, elektriksel kontrol elemanları ve bağlantı elemanlarını üzerinde taşıyan yapıdır. Tasarımı yapılan Rüzgar türbini çalışmasında gövde hareket elemanları ve jeneratörü içinde barındıracak şekilde tasarlanmıştır. Gövde içindeki elemanları herhangi bir arıza durumunda dışarı alınması gerekmektedir. Bunu sağlamak için gövde parçalı olarak imal edilmiştir. Montaj için cıvata ve somun kullanılmıştır. Şekil 11.1 ve Şekil 11.2’ de tasarlanan ve imal edilen türbin gövdesi görülmektedir.


SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013 213

Şekil 11.1. Tasarlanan türbin gövdesi (Designed turbine housing)

Şekil 11.2 İmal edilen türbin gövdesi(Manufactured turbine housing)

2.9. Rüzgar Türbin Montajı (Wind Turbine Installation) Rüzgar türbini tasarımında montaj önemli bir adımı teşkil etmektedir. Türbinin dikilmesinde ağırlık merkezinin tespit edilmesi gerekmektedir. Türbin verimliliğinin artmasında kanatların rüzgardan en uygun şekilde yararlanmasını sağlamak amacıyla türbin dikildiği direk ekseninde dönmesi gerekmektedir. Ağırlık merkezi türbin montajı bitirildikten sonra bulunmuştur. Türbinin direk ekseni etrafında dönmesini sağlamak amacı ile araç poryesi kullanılmıştır. Porye üzerine elektrik kablolarının dolanmaması için fırça sistemi giydirilmiştir. Tasarımda porye ile fırça sisteminin yer kaplamasının önüne geçmek için porye tornalanmıştır. Şekil 12’ de ağırlık merkezine montaj edilen porye ve poryeye giydirilen fırça sistemi gösterilmiştir.

Şekil 12. Porye ve fırça sistemi (Hub and brush system)

Rüzgar türbini montajında öncelikle rotor mili montaj edilmiş ardında dişli kutusu ile akuple edilmiştir. Dişli kutusu çıkışına fren tertibatı bağlanmış ve jeneratör montajı gerçekleştirilmiştir. Fren tertibatı kumandası için çelik fren teli kullanılmış ve porye merkezinden geçirilmiştir. Türbin içindeki elemanlar montaj edildikten sonra kanatlar ve yönlendiricinin montajı gerçekleştirilmiştir. Türbin elemanlarının olumsuz hava şartlarından korunması amacı ile branda sistemi ile kaplanmıştır. Şekil 13.1’ de montaj edilmiş türbin gövdesi ve Şekil 13.2' de rüzgar türbinin montajlı hali görülmektedir. Şekil 14’ de üretimi yapılan rüzgar türbininin son hali görülmektedir.

Şekil 13. Rüzgar türbinin montajlı hali (Wind turbine mounted

version)

Şekil 13. Sistemin ankraj zeminine montaj edilmesi (Anchor to the floor of the assembly system)


214 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013

Şekil 14. Montaj işlemi tamamlanan türbin (Turbine completed assembly process)

3.SONUÇLAR (CONCLUSIONS)

Bu çalışmada bir evin enerji ihtiyacını karşılayabilecek kapasitede rüzgar türbini tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Türbin gücü ve diğer türbin elemanlarının hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Kanat profili olarak NACA 4415 seçilmiştir. Tasarım hesaplamalarında türbinin üreteceği güç belirlenip kanat hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Rüzgar türbin kanadının performansı, kanat profilinin doğru seçilmesi ile birlikte kanat imalatındaki hassasiyet ve kanat malzemesinin seçimi ile yakından ilgilidir. Bu sebeple kanat imalatında poliester üretim metodu kullanıldı. Kanadın poliester üretiminde kanat içi boş, rotora bağlandığı kısım dolu olarak imal edildi. Kanatların bağlandığı rotor ve rotor mili kanatlardan gelen hareketi dişli kutusuna aktarır. Bu aktarmada rotor, rotor miline 900 derece dik açı ile bağlanmalıdır. Aksi halde rotor yatakları hızlı bir şekilde bozulur ve sistemde önemli verim kayıpları oluşur. Bunun önüne geçmek için rotor mili ve rotora kaynatılmış alın flanşı kullanılmıştır. Açıyı sağlamak için mil ile flanş tek parça olarak işlenmiştir. İmal edilen dişli kutusuda dişli malzemesi olarak kestemid kullanılmıştır. Bu malzeme talaş kaldırmaya elverişli olmakla birlikte pahalıdır. İşleme avantajı için tercih edilmiştir. Dişli kutusunun dış gövdesi için sac malzeme kullanılmıştır. Bu malzemeler CNC lazer sac kesim tezgahında imal edilmiştir. Mil yataklamaları için tornada rulman yatakları imal edilmiştir. Rüzgar türbininin rüzgarda en verimli şekilde yararlanması kanatların rüzgara dik

konuma gelmesi gerekir. Türbin ağırlık merkezine porye sistemi montaj edilmiş ve türbinin kule ekseninde serbest dönmesi sağlanmıştır. Türbin gövdesi imalatından sonra tasarlanan bu sistem rüzgar türbini için kullanışlı olmuş fakat estetik açıdan olumsuz bir görüntü oluşturmuştur. Rüzgar türbini tasarımında tüm detayların dikkate alınması estetik görünüm için gereklidir. Rüzgar türbini kulesi için 6 metre boyunda çelik boru kullanılmıştır. Kullanılan boru 4 adet ankraj ile sabitlenmiştir. Ankrajlar 100x100x100 cm ebatlarından donatılı betona montaj edilmiştir. Yaklaşık olarak 2.5 ton gelen bu beton kütle türbin sistemi için rijitlik sağlamış ve 6 metrelik çelik boru için çelik halat germeye ihtiyaç kalmamıştır. Kule yüksekliği arttıkça çelik halatlar ile kule rijitliği sağlanmalıdır. Rüzgar türbininin yerine nakli ve türbinin montajı sırasında gerekli güvenlik tedbirleri alınmalı, montaj sırası önceden belirlenmelidir. Bir Rüzgar türbini hesabı ve üretim basamakları yukarıda adım adım verilmiştir. Bu bilgiler doğrultusunda, rüzgar türbini üretimi için izlenecek hesaplama, modelleme ve imalat aşamaları Şekil 15’ de verilen akış diyagramı ile gösterilmiştir.


SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013 215

Şekil 15. Akış diyagramı (Flow chart)

Rüzgar Hızı Türbin Yükseklik

Hesaplamaları

Jeneratör Hesaplamaları

Rotor Hesaplamaları

Hücum Açısı

Kaldırma Katsayısı Seçimi

Kaldırma ve Sürüklenme

Hesaplamaları

AC

Jen

erat

ör

Dc

Jene

ratö

r

Redüktör Hesaplamaları

Gerekli Güç

Türbin Verimi ve Mekanik Verim İle Birlikte Elde Edilecek Güç

Fren Sistemi Tasarımı

Nakil ve Montaj

Gövde Tasarımı ve İmalatı

Kule Tasarımı ve İmalatı

Yönlendirici Tasarım ve İmalatı

Kanat Profili Hesaplamaları ve

İmalatı

Sürüklenme Katsayısı Seçimi

Kanat Sayısı Uç Hız Oranı


216 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 207-216, 2013

Semboller (Symbols) P Türbin Gücü

Hava yoğunluğu

R Türbin yarıçapı

V Rüzgar hızı

dR Rotor mili yarıçapı

Wd Direnç momenti

L Kaldırma kuvveti

D Sürüklenme kuvveti

CL Kaldırma katsayısı

CD Sürüklenme katsayısı

A Rotor kanatlarının kapladığı alan

b Kanat bağlama açısı

Kanat uç hız oranı

Hücum açısı

c Veter uzunluğu

r Rotor radial mesafesi

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] Ağçay, M., “Türkiye’nin Elektrik Enerjisi Arz

Talep Dengesinin Tespiti, Üretim Projeksiyonuna Yönelik Rüzgar Elektrik Santrali Tasarımı RES’ in Kurulum Maliyetlerinin ve Üretim Parametrelerinin Analizinin Matlab&Simulink İle Yazılan Programda Yapılması”, Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektronik Mühendisliği Bitirme Tezi, 2007.

[2] Anonim, Sürdürülebilir Kalkınma ve Nükleer Enerji, TAEK, 2000.

[3] Aydın, İ., “Küçük Güçlü Bir Otonom Rüzgar Enerjisi Çevrimi İle Elektrik Eldesi”, Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği, 2008.

[4] Aygun, E., “Güneş Enerjisi Nedir, Nasıl Faydalanılır?”, Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi, Sayı 257, Sayfa 22, 1989.

[5] Demir, F.N., “Rüzgar Türbinleri”, Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 2007.

[6] Ergür, Ö., “Rüzgar Türbinleri İle Enerji Üretimi”, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006.

[7] Şentürk, U., “Bir Rüzgar Türbininin Performansının Analitik ve Nümerik Olarak İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007.

[8] Rapor, “Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi”, Enerji Raporu, 2010.

[9] Dündar, C., “Rüzgar Enerjisi ve Türkiye Atlası”, ww.atmosfer.itü.edu.tr/ bildiriler/431.pdf, 2003.

[10] Tureb, http://www.tureb.com.tr, 2012. [11] Karadağ, H.İ., “Yenilenebilir Enerji Kaynakları

Arasında Rüzgar Enerjisinin Önemi ve Rüzgar Türbini Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009.

[12] Şen, Ç., “Gökçeada’nın Elektrik İhtiyacının Rüzgar Enerjisi İle Karşılanması”, Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2003.

[13] Önder, M., “Yatay Eksenli Rüzgar Türbini Kanadının Bilgisayar Destekli Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006.

[14] Köm, L., “Rüzgar Türbininin Bilgisayar Destekli Tasarımı ve Prototip İmalatı”, Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Eğitimi, 2004.

[15] Emniyetli, G., “Evsel Elektrik İhtiyacının Karşılanması İçin Rüzgar Türbini Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Trakya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007.

[16] Onat, C., Çetin, Ş., “Rüzgar Tünelindeki Kanat Profilinin Dikey Hareketinin Modellenmesi”, Mühendis ve Makine, Sayı 522, 2003.


Betonda silis dumanı ve polipropilen lif kullanımının beton özellikleri üzerine etkilerinin incelenmesi

Betül Sümer1*, Mehmet Sarıbıyık1

1Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Bölümü, SAKARYA


ÖZET

Betonların bazı özeliklerini iyileştirmek için çeşitli mineral katkılar ve lifler katılmaktadır Bunlardan biride silis dumanıdır Betona optimum miktarda silis dumanı eklenmesi hidratasyon ısısını düşürmesi, yüksek hedef dayanımı ve düşük permeabilite sağlaması, alkali silika reaksiyonunu ve sülfat etkisini kontrol altına alması gibi birçok yararlar sağlamaktadır. Silis dumanı katkısı agrega-hamur ara yüzey bölgesini sıkılaştırarak daha boşluksuz ve daha mukavemeti yüksek betonlar elde edilmesini sağlar. Buna karşın silis dumanının işlenebilirliği düşürmesi gibi olumsuz etkileri de vardır. Betondaki optimum silis dumanı miktarı bu etkilerin göreceli değerlerine bağlı olarak belirlenir ve çimento, agrega, akışkanlaştırıcı katkı tip ve miktarları ile bakım koşulları gibi faktörlerden de etkilenir. Polimer liflerden betona katılan ve en iyi sonucu veren ve en yaygın kullanılanı polipropilen liflerdir. Polipropilen lif betonun içinde üç boyutlu bir mikro donatı ağ oluşturarak, betonda doğal olarak varlığı kabullenilen eksiklik ve zaafları azaltıp betonun bazı özelliklerini iyileştirebilirler. Bu çalışmada endüstriyel bir atık malzeme olan silis dumanının saha betonunda kullanımının beton özellikleri üzerine etkileri incelenmiş ve silis dumanının beton üzerindeki olumsuz etkilerini iyileştirmek için polipropilen lif katılarak beton özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Beton teknolojisi, Endüstriyel Atık, Silis Dumanı, Polipropilen Lif.

Investigation of polypropylene fiber effect to the silica fume concrete

ABSTRACT

Some of the characteristics of concretes of a variety of mineral additives to improve and participate in threads.The optimum amount of heat of hydration to reduce the addition of silica fume concrete, high strength and low permeability to provide the target, the effect of alkali-silica reaction and sulfate provides many benefits like getting under control. Optimum silica fumes may be added to concrete, high strength and low heat in the hidratasyon destination, alkali silica reaction and to provide permeability under control provides many benefits such as receiving the effect of sulfate. Search surface area silica fumes contribution aggregates-paste without spaces and more than high strength concretes. However, there are also negative effects such as silica exposure by being streamed. The amount of the relative values of these effects optimum silica smoke and cement, aggregates, is determined based on the type and quantities such as the terms of maintenance with plasticizer additive factors are also affected. Polymer fibers, giving the best results and to participating in, and the most widely used polypropylene fiber blends. Polypropylene fiber concrete in three dimensions by creating a micro accessory network, reduce the deficit and the presence of natural concrete to be pumped some properties. In this study, exposure to silica, which is a waste material in theindustrial field on theproperties of concrete betonunda and silica exposure by joining concrete to improve the effects of the adverse effects on properties of polypropylene fiberconcrete. Keywords: Concrete Technology, Industrial Waste, Silica Fume, Polypropylene Fibers.


B. Sümer, M. Sarıbıyık Betonda silis dumanı ve polipropilen lif kullanımının beton özellikleri üzerine etkilerinin incelenmesi

218 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 217-224, 2013


Beton sürekli çimento hamuru ile dağılı agrega fazı ile bu iki fazın temas yüzeyinin oluşturduğu arayüz fazından meydana gelen kompozit bir malzemedir [1]. Bu haliyle beton son yıllarda en çok kullanılan en önemli ve popüler yapı malzemesidir [2-11]. Türkiye’deki yapı üretiminin %90’ının betonarme taşıyıcı sistem olarak gerçekleştirildiği bilinmektedir [12]. Bu durumda, betonarme ve yapı malzemelerine ilişkin bilgilerin önemi artmaktadır. Beton katkı maddeleri; su, agrega ve çimento dışında betonlara çimento kütlesinin % 5’ini geçmemek üzere, katılan organik ve inorganik kimyasal maddelerdir. Çimentonun sahip olduğu özelikleri, iyi yönde ve belirli bir ölçüde değiştirmek amacı ile beton üretilirken veya üretildikten sonra katılarak taze ve sertleşmiş betonun özeliklerini geliştirirler. Mineral ve kimyasal olarak iki guruba ayrılırlar. Kimyasal katkılar betonun akışkanlığının artırılması, erken ve yüksek dayanıma ulaşılması, geçirimsizliği ve dona dayanımın sağlanması yanında priz sürelerini değiştirmek gibi amaçlarla kullanılmaktadırlar. Akışkanlaştırıcılar, uygulamada su/çimento oranını azaltarak daha yüksek dayanım kazanabilmek, kütle betonlarında hidratasyon ısısını düşürmek için çimento miktarının azaltılması veya aynı işlenebilmeyi sağlayabilmek ve kolay yerleşmeyi sağlamak amacıyla kullanılmaktadırlar. Akışkanlaştırıcılar su içerisinde eriyen boşluklu kimyasal dizilişleri ile suyun yüzey gerilimini düşüren organik maddelerdir ve beton içine hava sürükleyerek çimento topaklaşmasını önleyerek etkili olmaktadırlar. Su indirgeyiciler negatif elektriksel yüke sahip olup, su yüzeyinde hareket etme eğilimindedirler. Su ve çimento reaksiyona girdiğinde çimento taneleri su moleküllerini çevreleyerek floküller bir yapı oluştururlar. Suyun bu şekilde kapanması istenen akışkanlığa ulaşabilmek için daha fazla su ilavesini gerektirir. Akışkanlaştırıcı madde ilave edildiğinde çimento tanecikleri tarafından adsorbe edilerek negatif yüklü katkı partikülleriyle birleşirler ve aynı yüklü olduklarından birbirlerini iterler. Sonuçta kapanmış olan su açığa çıkar. Katkının defloküller etkisi sonunda çimento flokülleşmesi önlenmekte ve açığa su çıkmaktadır. Bu maddelerin topaklaşmayı önlemeleri ve aynı zamanda tanelerin birbiri üzerinde kaymalarını kolaylaştırarak yağlayıcı etki göstermeleri betonun iç sürtünmesini azaltmakta ve işlenebilirliği artırmaktadır. Çok düşük sıcaklıklarda yüksek kalitede beton dökümünü sağlayan özelikle hafif don halinin gün boyu devam ettiği durumlarda, gece boyunca don olması ve ani sıcaklık düşüşü beklenen hallerde, dondan koruyan katkı

kullanılmaktadır. Beton antifrizi olarak kullanılan bu katkıların özeliği betonun donma noktasını düşürmeleridir. Antifriz sıvısı olarak çoğunlukla alkol, alkol esaslı sıvılar ve etilen glikol kullanılmaktadır. Etilen glikol cinsi bir antifriz suyun içine edildiğinde oluşan çözeltinin birim yüzeyindeki su molekülü sayısı dolayısıyla da buhar faza geçen su molekülü miktarı azaltmaktadır. Kolligatif özelik olarak bilinen bu durumda suyun buhar basıncı buna paralel olarak da suyun donma noktası düşmekte, suyun buharlaşma ısısı yükselmektedir. Katkının cinsi ve miktarı donma noktasındaki değişimi etkilemektedir. Kullanılan katkının su miktarını artırmadan işlenebilirliği artırdığı, işlenebilirliği azaltmadan su miktarını azalttığı ve dona karşı dayanımı ve basınç dayanımını artırdığı belirtilmektedir. Kışın –10C ısıya kadar beton dökümünde kalıp ve donatı suya, kara ve buza karşı korunarak gerektiğinde ısıları önceden 0C’ ye getirilerek ve beton ısısı en az 5C’ de tutularak kullanılması öngörülmektedir. Bu gün beton sektöründe birçok değişik katkı maddesi kullanılmaktadır. Bunlar sektörün hizmetini büyük ölçüde kolaylaştırmaktadır. Bundan dolayı beton katkıları, beton bileşenleri içerisinde önemli bir yer tutmaktadır. Beton katkı maddeleri taze betonun işlenebilme, kıvam, su ihtiyacı ve priz süreleri gibi özelliklerini istenildiği yönde değiştirmek, terlemesini azaltmak için kullanılmaktadır. Taze betonun özellikleri, başta dayanım ve dayanıklılık olmak üzere, sertleşmiş betonun tüm özelliklerini ve ekonomikliğini etkilemektedir. Katkı maddeleri kullanarak gerek ilk günlerde ve gerekse nihai olarak daha yüksek beton dayanımı elde edebilmektedir. Ayrıca, beton katkı maddelerinin kullanımları ile sertleşmiş betonun çevreden veya ortamdan kaynaklanan yıpratıcı etkenlere karşı (donma-çözülme olaylarına, aşınmaya, alkali-agrega reaksiyonuna ve sülfat hücumlarına, korozyona diğer yıpratıcı etkenlere karşı) daha dayanıklı olabilmesi sağlanmaktadır. Bilindiği gibi betonların daha dayanımlı ve daha geçirimiz olması için çeşitli puzolonik maddeler kullanılmaktadır. Bunlardan biride silis dumanıdır. Ayrıca betonun çekme dayanımı zayıf olduğundan çekme dayanımını arttırmak amacı ile çeşitli lifler kullanılmaktadır. Bu çalışmada da silis dumanının betonun basınç dayanımına etkilerinin araştırılması ve hava alanı betonları, yol betonları gibi, yüzey alanı fazla olan betonlarda yüzeyde oluşacak çekme gerilmelerinden dolayı betonun çatlamasının önlenebilmesinde Polipropilen Liflerin etkinliğinin araştırılması


B. Sümer, M. Sarıbıyık

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 217-224, 2013 219

amaçlanmıştır. Bu nedenle C25/30 betonu karışımı yapılarak katkısız beton üretimi yapılmıştır. Bu beton karışımına çeşitli oranlarda silis dumanı ve polipropilen lifler katılarak silis dumanlı ve lifli betonlar üretilmiştir. Bu betonlar üzerinde basınç dayanım, su emme ve çekme deneyleri yapılmıştır.

2. KULLANILAN MALZEMELER (METARIALS USED)

Deneysel çalışmalarda beton üretimine giren agregalar Sakarya bölgesinden sağlanan (0-4 mm) Kum , (4-12mm) kırmataş ve PÇ42.% N çimento kullanılmıştır. Süper Akışkanlaştırıcı olarak Sikacret PP1-H12 kullanılırken, Polipropilen lif olarak ta (polimerize Olofin) kullanılmıştır. Agregaların özellikleri Tablo1’de, Polipropilen liflerin özellikleri Tablo 2’de, Çimentonun ve Silis dumanının özellikler Tablo 3’de verildiği gibidir. Tablo 1. Agregaların Özelikleri(Properties of aggregates)

Malzeme

Elekten Geçen % Özgül ağırlık kg/dm3

16 8 4 2 1 0.5 0.25

Kum(0-4)

100

100

100

80 65 50 33 2.65

1No Mıcır (4-12)

100

55 32 2 0 0 0 2.72

Tablo 2. Polipropilen Liflerin Özelikleri(Properties of Polypropylene Fibers)

Tablo 3. Çimento ve Silis dumanının Özelikleri(Properties of cement and silica füme)

Bilesen Çimento %

Silis Dumanı %

SiO2 20.63 94

Fe2O3 3.41 0.7

AI2O3 4.71 1.2

CaO 63.64 0.8

MgO 1.24 1.3

SO3 2.98

CI- 0.04

Kızdırma Kaybı 1.25 0.7

K2O 0.91 0.9

Na2O 0.23 0.3

Serbest kireç CaO 1.1

Fiziksel Özelikleri

Özgül ağırlık 3.12

İncelik (Blaine ) (cm2/g) 3545

2.2. Beton Karışım Hesapları(Concrete Mixing Calculations) Yukarıda özelikleri verilen agrega ve çimento kullanılarak C25/30 şahit beton karışım oranları hesaplanmıştır. Hesaplarda çökme değeri 15 cm sabit tutulmaya çalışılmıştır. Çimento miktarı 250 kg/m3 olarak alınmıştır. Teorik malzeme miktarları kullanılarak su miktarı 15 cm lik çökmeye göre ayarlanmıştır. Daha sonra şahit beton için belirlenen miktarlara çimentonun %5, %10,ve %15 oranında silis dumanı ilave edilerek betonlar üretilmiştir. Üretilen silis dumanlı betonlardan % 10 silis dumanı ilaveli beton karışımlarına % 01, % 05 ve % 1 oranında polipropilen lif ilave edilerek betonlar üretilmiştir.Lif miktarı çimento hacmi yerine konulmuştur. Her seriden 6 adet 10 cm lik küp numuneler ve 1 adet 30x30x10 cm’ lik plak numuneler üretilmiştir. Her karışımda 20 lt beton üretilmiştir.. Üretilen betonlarda kullanılan malzeme miktarları ve kodlama aşağıda Tablo 4’de verilmiştir.

Malzeme Sembolü MF20

Uzunluk (mm) 20

Çap (μ) 34

Malzeme Polimerize olefin

Yoğunluk 0,910 g / cm³

Erime noktası 160°C - 170°C

Renk Beyaz

Çekme dayanımı 300 - 400 N / mm²

Kimyasal dayanım Mükemmel


220 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 217-224, 2013

Tablo 4. 1 m3 ‘e Giren Malzeme Miktarları ve Beton Kodlamaları(Concrete encodings and Substitution Metarial to 1 m3 concrete)

2.3. Deneylerin Yapılması ve Sonuçlarının İrdelenmesi(Making experiments and analysis of the results) Üretilen plak numuneler oda sıcaklığında saklanarak yaklaşık 90 gün boyunca takip edilmiştir. Bu süreç içerisinde betonların yüzeylerinde herhangi bir nedenle çatlak olup olmayacağı gözlenmiş, ancak herhangi bir yüzeysel çatlağın oluşmadığı belirlenmiştir. Genelde yüzey alanı büyük olan betonlarda sıcaklık ve su kaybı nedeniyle çekme gerilmelerinin oluşması nedeniyle yüzeysel çatlamalar görülebilmektedir. Çalışmamızda yüzeysel çatlak görülmesi ve bunların polipropilen liflerle önlenebilmesinin mümkün olduğunu görmek amaçlanmıştır. Ancak deneysel çalışmalarımızın sonbahar ve kış aylarına rastlaması bunu engellediği görüşülmüştür. Ancak betonlarda silis dumanı ve polipropilen liflerin etkisini görmek için üretilen betonlar üzerinde basınç, su emme ve eğilme deneyleri yapılmıştır. Küp numuneler üzerinde 28 gün sonra yapılan basınç ve su emme deneyleri yapılmıştır ve sonuçları Tablo 5. ve Tablo 6.’ da verildiği gibi saptanmıştır. Plaklar ikiye bölünerek 15x30x10 cm lik çubuklar üzerinde eğilme

deneyleri yapılmış bulunan değerler Tablo 7’ de verilmiştir. Tablo 5. Beton basınç dayanımları(Compressive strength of concrete)

Numune NO Kırılma Yükü

(N)

Basınç Dayanımı (N/mm2)

Ortalama Basınç

Dayanımı (N/mm2)

Şahit Beton 229500 22.90 23.65 272800 27.28 207600 20.76

% 5 Silis Dumanlı

Beton

313400 31.34 29.27 293000 29.30 271800 27.18

% 10 Silis Dumanlı

Beton

300400 30.00 31.98 372400 37.20 287500 28.75

% 10 Silis Dumanlı %

0.1 Polipropilen Lifli Beton

342900 34.29 34.09

315900 31.59

363900 36.39

% 10 Silis Dumanlı %

0.5 Polipropilen Lifli Beton

350400 35.04 33.45

327200 32.72

324600 32.46

% 10 Silis Dumanlı % 1 Polipropilen Lifli Beton

308000 30.80 30.60

317000 31.70

293000 29.30

Tablo 6. Betonların su emme değerleri(Water absorption values of concretes)

Numune NO Kuru ağırlığı (gr)

Su emmiş ağırlığı

(gr)

Emilen su Miktarı

(gr)

Ağırlıkça Su Emme oranı

%

Ortalama Ağırlıkça Su Emme oranı %

Şahit Beton 2220

2272

52 2.34 2.61

2396

2460

64 2.67

2196

2258

62 2.82

% 5 Silis Dumanlı Beton

2232

2280

48 2.15 2.06

2356

2404

48 2.04

2218

2262

44 1.98


2304

2342

38 1.65 1.70

2394

2434

40 1.67

2260

2300

40 1.77

% 10 Silis Dumanlı % 0.1

Polipropilen Lifli Beton

2244

2290

50 2.23 2.03

2204

2248

44 2.00

2348

2392

44 1.87

% 10 Silis Dumanlı % 0.5


2216

2266

50 2.26 2.06

2342

2388

46 1.96

2230

2274

44 1.97

% 10 Silis Dumanlı % 1


2292

2345

53 2.31 2.18

2252

2302

50 2.22

2386

2438

48 2.01

Numune Cinsi

Numune

Kodu

Çimento (kg)

Kum (kg)

I No kırma

taş (kg)

Su (kg)

Silis Dumanı (kg)

Polipro-pilen Lif(kg)

Şahit Beton

ŞB 250

912 1070 175 0 0


ŞBS5 250

912 1070 180 12.5

0

%10 Silis Dumanlı Beton

ŞBS10 250

912 1070 190 25.0

0

%15 Silis Dumanlı Beton

ŞBS15 250

912 1070 205 37.5

0

%15 Silis Dumanlı %0.1 Polipropilen Lifli Beton

ŞBS15P.01

250

912 1070 195 25.0

0.9

%15 Silis Dumanı % 0.5 Polipropilen Lifli Beton

ŞBS15P.05

250

912 1070 207 25.0

4.5

% 15Silis Dumanlı %1 Polipropilen Lifli Beton

ŞBS15P.10

250

912 1070 210 25.0

9



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 217-224, 2013 221

Tablo 7. Betonların eğilme deneyi sonuçlar(Bending test results for concretes)

Deneylerin yapılışları ile ilgili resimler Şekil 1 ‘de verildiği gibidir. Lif konulmamış betonlarda çatlaktan sonra yük taşıması sona ermiştir. Kiriş iki parça halinde parçalanmıştır. Lifli kiriş kırılmasında çatlak büyümesine karşılık yükleme tablasında yük birden sıfıra düşmemiş, yük taşımaya devam etmiştir.

Şekil 1. Lifsiz kiriş eğilme deneyi(Lint-free beam bending test)

Deneyde elde edilen sonuçlar irdelendiğinde betonlarda silis dumanının kullanılması olumlu etkisinin olduğu belirlenmiştir. Genelde % 10 0ranında silis ilaveleri yeterli olmaktadır. Daha fazla silis kullanımı uygun olmamaktadır. Çünkü silis dumanı miktarı arttıkça işlenebilirlik azalmaktadır. İşlenebilirliği attırmak için akışkanlaştırıcı kullanılmaktadır. Aynı zamanda silis dumanının maliyeti çimentodan daha fazladır bu nedenle silis dumanı oranı arttıkça maliyette artmaktadır. Bu sebeple silis dumanı deneylerde en fazla %10 oranında katılmıştır. Çalışmamızda silis dumanının artmasıyla basınç dayanımlarının arttığı ve su emmelerin azaldığı, dolayısıyla geçirimsizliğin arttığı görülmüştür. (Şekil 1. Şekil 2.)

Şekil 2. Basınç dayanımlarının değişimi (Change in compressive strength)

Elde edilen basınç dayanımları analiz edilmis ve grafiklerde farklı oranlarda silis dumanının ve

Numune NO

Açıklık L (cm)

Eni b (cm)

Kalınlık h

(cm)

Eğilme Yükü P (kg)

σ=3PL/2bh2

(N/mm2)

Ortalama Eğilme Dayanımı (N/mm2)

Şahit Beton (k1)

25 15 10 1800 4.50 4.38

25 15 10 1700 4.25

% 5 Silis Dumanlı Beton (k2)

25 15 10 2050 5.13 4.82

25 15 10 1800 4.50

% 10 Silis Dumanlı Beton (k3)

25 15 10 1950 4.88 5.19

25 15 10 2200 5.50

% 10 Silis Dumanlı %0.1 Polipropilen Lifli Beton (L1)

25 15 10 2200 5.50 5.70

25 15 10 2300 5.75

% 10 Silis Dumanlı %0.5 Polipropilen Lifli Beton (L2)

25 15 10 2450 6.13 6.09

25 15 10 2450 6.13

% 10 Silis Dumanlı %1 Polipropilen Lifli Beton(L3)

25 15 10 1900 4.75 4.84

25 15 10 2050 5.13


222 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 217-224, 2013

polipropilen lifin betona katılmasıyla, basınç dayanımında meydana gelen degisiklikler izlenmistir. %0.1 %0.5 ve %1 Polipropilen lifle güçlendirilmiş % 10 silis dumanı içeren betonların basınç dayanımlarının tayini 28 günlük küp numuneler üzerinde yapılmıştır. Şekil 2’ deki grafikte görüldüğü gibi polipropilen lif ve silis dumanı miktarı arttıkça basınç dayanımlarının artmıştır. % 5 ve % 10 Silis dumanı katkılı betonların basınç dayanımları şahit betona kıyasla yaklaşık sırasıyla % 23 ve %35 oranlarında artmıştır. En yüksek basınç dayanımını % 10 silis dumanı katkılı betonda görüldüğü için polipropilen lif % 10 silis dumanı katkılı betona %0.1, % 0.5 ve %1 oranlarında katılmıştır. Polipropilen lifin basınç dayanımına etikisi şahit betona kıyasla yaklaşık sırasıyla % 44, %41 ve %30 oranlarında artış görülmüştür. Polipropilen lif arttıkça basınç dayanımının azaldığı görülmektedir. Çünkü polipropilen lif oranı arttıkça buna bağlı olarak işlenebilirlik azalmakta ve matris bazında homojen bir karışım sağlanmadığından betondaki kusurlar artabilmektedir. Ancak polipropilen liflerin miktarı arttıkça daha sünek davrandığı patlamadıkları ve basınç altında da enerji yutma özelliğinin arttığı görülmüştür.

Şekil 3. Betonlarda su emme oranının değişimi (Change in the rate of water absorption of concrete)

Silis dumanı ve polipropilen lifle güçlendirilmiş betonların su emme oranlarının tayini 28 günlük küp numuneler üzerinde yapılmıştır. Silis dumanı miktarı arttıkça su emme oranlarının azaldığı polipropilen lif miktarı arttıkça su emme oranlarının arttığı görülmüştür.( Şekil 3.) %5 ve % 10 silis dumanı katkılı betonların su emme oranlarına etkileri şahit betona kıyasla sırasıyla yaklaşık %21 ve %35 oranlarında azalma görülmüştür. % 10 silis dumanı katkılı betona %0.1, %0.5 ve %1 oranlarında polipropilen lif katılmış ve su emme

oranlarına etkileri %10 silis dumanı katkılı betona kıyasla sırasıyla yaklaşık olarak %20, %21 ve %28 oranlarında artış ve şahit betona kıyasla sırasıyla yaklaşık olarak %22, %21 ve %15 oranlarında azalma görülmüştür.

Şekil 4. Eğilme dayanımlarının değişimi (Change in flexural strength)

Polipropilen liflerle güçlendirilmiş ve silis dumanı katkılı betonların eğilme dayanımı deneyleri 30x30x10 cm’lik plak numuneler ortandan ikiye bölünerek 15x30x10 cm’lik çubuklar üzerinde yapılmıştır. %5 ve %10 silis dumanı katkılı betonların eğilme dayanımları şahit betona kıyasla sırasıyla yaklaşık olarak %10 ve %18 oranlarında artış görülmüştür. En fazla eğilme dayanımı %10 silis dumanı katkılı betonda görülmüş ve %10 silis dumanı katkılı beton %0.1, %0.5 ve %1 oranlarından polipropilen lif katılmıştır. Polipropilen lif ve silis dumanı katkılı betonların eğilme dayanımları şahit betona kıyasla sırasıyla yaklaşık olarak %30, %39 ve %10 oranlarında artış görülmüştür.(Şekil 4.) Silis dumanı ve polipropilen lif miktarı arttıkça eğilme dayanımının arttığı görülmektedir. Ancak % 1 oranında lif kullanımının betonun sıkıştırılmasını zorlaştırdığı için uygun olmadığı görülmüştür. Eğilme dayanımını etkileyen faktörler, lifin şekli, lif görünüm oranı, lif hacmi, deney numunesi boyutları ve liflerin beton içerisindeki dağılımları ve esas olarak betonla lif arasındaki aderans gerilmesinin arttırılmasıdır. Betonlarda lif kullanımının %0.1 ve %0.5 oranında kullanılmasının basınç dayanımlarını arttırdığı ve su emme oranlarını azalttığı saptanmıştır. Plaklarda yüzeysel çatlaklarını önlemesi de olasıdır. Çünkü yapılan eğilme deneylerinde eğilme dayanımlarının arttığı saptanmıştır. % 1 oranında lif kullanımının betonun sıkıştırılmasına olumsuz katkısı olduğundan uygun olmayacağı görülmüştür.



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 217-224, 2013 223

Silis dumanı katkılı betonlarda su emme oranı azaldıkça eğilme ve basınç dayanımlarının arttığı görülmektedir. Polipropilen lif ve silis dumsnı katkılı betonlarda ise su emme oranı azaldıkça eğilme dayanımının arttığı görülmüş fakat %10SD+%1PL katkılı betonda su emme oranında artış eğilme dayanımında azalma görülmüştür. 3. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME (CONCLUSION

AND EVALUATION) Deneysel çalışmaların ışığı altında aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. 1. Silis dumanının ince olması nedeniyle yapılan deneylerde de görüldüğü gibi su ihtiyacı aynı çökme değeri için artmıştır. Çok ince madde olan silis dumanı betonun en küçük boşluklarını doldurmakta ve betonu iyileştirmektedir. Ancak silis dumanı betonlarda fazla su nedeniyle kusmanın fazla olması ve sıcak havalarda buharlaşma hızının çok olması yüzeysel çekme gerilmeleri nedeniyle çatlamalar olmaktadır. Bu yüzey alanı büyük olan hava alanı gibi betonlarda olmaması istenir ve çeşitli tedbirler alınır. Bunlardan biride lif kullanımıdır. %10 silis dumanı katkılı betonlara %0.1, %0.5 ve %1 oranlarında polipropilen lif katılmış ve su ihtiyacı aynı çökme değeri için artmıştır. Farklı dozlarda ve değişik katkı içeriklerinde hazırlanan numunelerde kontrol karışımına kıyasla, karışım suyu %2 ile %20 arasında artmıştır. 2. Silis dumını aşırı ince malzeme olmasından dolayı su ihtiyacını arttırmaktadır. Silis dumanlı betonların islenebilmesi azdır. Betona katılan silis dumanının oranı çimento ağırlığının %5’inden daha yukarılara çıktıkça, beton daha yapışkan olmakta, yüzey düzeltme işlemlerinde kullanılan malzemelere yapışarak güçlük çıkarmaktadır. Polipropilen lif kullanımıda işlenebilirliği azalttığı görülmüştür. Bu nedenle yapılan deneylere işlenebilirliği arttırmak için süper akışkanlaştırıcı katılmıştır. 3. Silis dumanı ve polipropilen lif kullanımı katkı içeriğine bağlı olarak şahit numunelerine nazaran basınç dayanımında %23 ile %44 arasında artış sağlamıştır. %10 silis dumanına % 0.1 ve %0.5 oranında katılan polipropilen lifler basınç dayanımını arttırmış fakat %1 polipropilen lif oranında artan lif hacimleri ile beton basınç dayanımını azaltma eğiliminde olduğu görülmüştür. 4. Eğilme dayanımı sonuçlarına göre %5 ve % 10 silis dumanı katkılı betonlarda ve %10 SD+%0.1 PL ile %10 SD+%0.5 PL katkılı betonlarda şahit betona kıyasla eğilme dayanımı %10 ile %39 arasında artış görülmüştür. %10SD+%1 PL katkılı betonlarda ise eğilme dayanımında azalma görülmüştür. % 1 oranında

polipropilen lif kullanımı beton karışımına fazla gelmiş ve olumsuz etkileyerek eğilme dayanımın azaltmıştır. 5. Betona katılan silis dumanı artıkça şahit betona kıyasla su emme oranları azalmıştır. %10 silis dumanı katkılı betona belirli oranlarda polipropilen lif katılmış lif oranı arttıkça su emme oranının %10 silis dumanı katkılı betona kıyasla arttığı şahit betona kıyasla azaldığı görülmüştür. Polipropilen lifin silis dumanıyla kullanımında, polipropilen lif oranı arttıkça silis dumanının su emme oranlarına olan olumsuz etkilerinin azaldığı görülmüştür. Bu çalışmada da silis dumanlı betonlara lif ilavesinin basınç ve eğilme dayanımını arttırdığı saptanmıştır. Polipropilen liflerin saha betonlarında kullanılmasının uygun olacağı deneysel çalışma ile vurgulanmıştır. Yapılan deneyler sonbahar ve kış aylarına denk geldiği için yüzeysel çatlak olup olmadığı izlenememiştir. Bu deney yaz aylarında yapılarak silis dumanlı betonlara lif ilavesinin betonda yüzeysel çatlakları ne yönde etkilediği görülebilir.


[1] Çelik, Ö., “Uçucu Kül, Silis Dumanı Ve Atık Çamur Katkılarının Çimento Dayanımlarına Etkileri” Beton 2004 Hazır Beton Kongresi Bildiriler Kitabı.

[2] Yeğinobalı A, 1993. Silis Dumanının Betonda Katkı Maddesi Olarak Değerlendirilmesi. Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu

[3] Bildirileri, Ankara, S.149-167. [4] Özbek, R., 1998. Silis Dumanın Betonun Fiziksel

Ve Mekanik Özelliklerine Etkisi, Gaziüniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Ankara, 86s.

[5] Erbaş, M. (2003) Polipropilen Lifler Ve Betonun Dürabilitesine Etkisi., 5. Ulusal

[6] Beton Kongresi, Mmo Yayınları, İstanbul, S.82-86.

[7] Erdoğan, T.Y.(2003), Beton, Odtü Geliştirme Vakfı Yayıncılık Ve İletisim A.S.,

[8] Ankara. 54 S. [9] Türker, S., Balanlı, A., (1992).Yapı Malzemeleri,

Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, S. 45-72. [10] Temiz, H. Ve Yeğinobalı, A.,1995. "Uçucu Kül

Ve Silis Dumanı Katkılı Çimento Hamur Ve Harçlarının Bazı Özellikleri", Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu, Bildiriler Kitabı, 213-226, İmo, Ankara.

[11] Yetgin, Ş. Ve Çavdar, A., 2005, Doğal Puzolan Katkı Oranının Çimentonun Dayanım,


224 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 217-224, 2013

İşlenebilirlik, Katılaşma Ve Hacim Genleşmesi Özelliklerine Etkisi, Fırat Üniv. Fen Ve Müh. Bil. Der.,17 (4): 687-692.

[12] Arslan, A. Ve Aydın A.C., 1999, Lifli Betonların Genel Özellikleri, Hazır Beton Dergisi, (36): 67-75.

[13] Yıldırım, S.T., 2002. Lif Takviyeli Betonların Performans Özelliklerininaraştırılması. Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi,Elazığ, 193s.

[14] Ünal, B., Köksal, F., Eyyubov, C, 2003. Polipropilen Ve Çelik Liflerindonma Çözülme Ve Aşınma Dirençlerine Ortak Etkisi. 5. Ulusal Betonkongresi, Betonun Dayanıklılığı, İstanbul, S.345-354.

[15] Ünal, B., 2003. Çelik Tel Ve Polipropilen Lif İçerikli Beton Yolların Mekanikselözelliklerinin Araştırılması. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,Yüksek Lisans Tezi, Kayseri, 71s.

[16] Uyan, M., 1985. Lifli Betonların Genel Özellikleri Ve Gelişimi. İtüinşaatfakültesi Malzeme Semineri, İstanbul, S.121-132.


Agrega katkılı seramik bünye özelliklerinin araştırılması

Buket Acartürk1, Şeyma Kaya2*

1Sakarya Üniversitesi, Güzel Sanatlar Fakültesi, Seramik ve Cam ,SAKARYA 2Sakarya Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, Seramik ve Cam, SAKARYA


ÖZET

Seramik, gündelik yaşamdan uzay teknolojisine kadar yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Seramik bünyeyi oluşturan hammaddelerin özellikleri, ürünün şekillendirme yöntemleri ve üretim teknolojisinin kullanımı nihai ürünün niteliklerini belirleyen en önemli faktörlerdir. Endüstriyel seramik üretiminde konvansiyonel teknik ve malzemelerin kullanımı süreklilik ve randıman açısından tercih edilmektedir. Seramik endüstrisinde tek düzelikten uzaklaşabilmek, görsel olarak yeniliklere olanak sağlamak için farklılık oluşturabilmek gerekir.Agrega terimi, birçok alanda, kimyasal, yapısal ve benzeri konularda farklı olan ve bir arada kullanılan malzemeleri ifade etmekle birlikte seramik sektöründe küçük kayaç veya mineral parçacıklara verilen isimdir. Bu malzemelerin geleneksel seramiklerde kullanımı ile ilgili literatürde sınırlı sayıda kaynak mevcuttur. Bu çalışmada farklı seramik çamurlara doğal agregalar kullanılarak elde edilen seramik bünyelerin pişirim sonrası özellikleri araştırılmıştır. Elde edilen bulgular, agrega katkı ilaveli karışımlarla üretilen seramik bünyelerin sanatsal uygulamalarda kullanılabilir olduğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Seramik, Agrega, Hammadde, Kayaç

The investigation on the properties of ceramic bodies having aggregate additives

ABSTRACT

Ceramic materials are widely used from everyday life to space technology. Properties of ceramics are widely affected by the type of their raw materials, their shaping and production methods. The use of conventional techniques and materials in the production of traditional ceramics are preferred in terms of continuity and their productivity. To avoid monotonous and to open different visual effects in traditional ceramic industry, one needs to have a look at different area of use. The term of aggregate describes materials, which are different in chemical and structural feathers but hold together in one body. However, in ceramic sector, aggregate is defined as particulates of rocks and mineral pieces. There are limited results reported in literature about the use of these materials in the traditional ceramic bodies. Therefore, in this work, the properties of the ceramic bodies having natural aggregates in to different ceramic pastes were investigated after firing. Findings showed that ceramics produced with aggregate additives could be useful in using them at artistic applications. Keywords: Ceramic, Aggregate, Raw Materials, Igneous Rock


B. Acartürk, Ş. Kaya Agrega katkılı seramik bünye özelliklerinin araştırılması

226 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 225-229, 2013


Tasarımcılar ve sanatçılar için, malzeme seçimi, kullanımı ve bilgisi, bir tasarımcının tasarı halindeyken şekillenen, renklenen düşüncesinin gerçek durumunu ortaya koymasında en önemli unsurlardan birisidir. Seramik üretiminde ise, malzeme seçimi sadece tasarımı etkilemekle kalmaz, aynı zamanda ürünün boyut, çevre ve sağlık koşulları gibi birçok kriteri de belirler. Plastik sanatlarda, farklı malzeme kullanımı oldukça yaygındır. Günümüzde sanat dalları sadece kendi disiplinleri içerisinde değil, farklı birçok sanat dalları ile birlikte çalışabilmektedir. Sanatçılar malzeme olarak sonsuz çeşitlilikte farklı malzemeyi sanatsal üretimlerinde kullanmaktadırlar. Seramik çamuruna kağıt [1], ahşap, plastik, kül, metal parçaları [2], pişmiş seramik (şamot), renk veren oksitler [3] ve pigmentler [4-5] gibi farklı bir çok katkı malzemesi ilave edilmektedir. Agrega katkılı seramik bünye, seramik çamuruna katkı malzemesi eklenerek elde edilen, farklı yapıda ki bünyeler için genel bir tanımlamadır. Bu eylem, temelde iki şekilde uygulanır. Ya benzer hammaddelerden oluşturulmuş karışıma farklı bir malzeme eklenmesi ya da farklı özellikte hammaddelerle yeni bir bünye ortaya koyarak hazırlanmasıdır. Bu konu ile ilgili literatürde sadece bir çalışmaya ulaşılabilmiştir. Bu çalışma David Binns ve Alasdair Bremner (2000) tarafından yapılmış ve sadece atık malzemelerin kullanımıyla sınırlandırılmıştır.[6]. Mevcut çalışmada ise atık malzeme yerine doğal agregalar kullanılarak elde edilen seramik bünyelerin, fiziksel veya kimyasal değişimleri ile kazandıkları doku ve renk değişimleri incelenmiştir.

2. MALZEME VE YÖNTEM (METARIAL AND METHOD)

Çalışmada üç farklı bünye, akçini çamuru, kırmızı çamur ve şamotlu çamur kullanılmıştır. Akçini çamuru endüstriyel olarak kullanılan toz halde hazırlanan, kırığı beyaz, gözenekli bir yapıdadır. Bu çamurun ana hammaddelerini, beyaz ve sarı renkte bağlayıcı özelliği yüksek killer oluşturmaktadır. Çömlekçi çamuru olarak da bilinen kırmızı çamur, yüksek oranda demir cevheri içeren bağlayıcı killerden oluşur. Bu malzeme yüksek ısıya dayanıklı değildir. Şamotlu çamur ise, bağlayıcı özelliğini kaybedinceye kadar pişirilmiş seramiğin granül hale getirilip kil ile karıştırılması sonrası elde edilmektedir. Bu çamur yüksek ısıya dayanıklı refrakter özellikli, su emmesi düşük ve mukavemeti çok yüksek ürünler verir. Doğal bir agrega olan kayaçlar mineral içerikli oluşumlardır. Ortaya çıkışlarına göre 3 ana grupta

toplanmaktadır. Malzeme seçiminde kayaçların yapısal özellikleri incelenmiş olup, içeriğinde kalsiyum karbonat bulunan türler pişirim sırasında veya sonrasında dağıldığından dolayı tercih edilmemiştir. Bu çalışmada, püskürük kayaç grubundan bazalt, başkalaşım kayaç grubundan arduvaz ve tortul kayaç grubundan ise kumtaşı seçilerek seramik bünye örnekleri hazırlanmıştır. Kullanılan kayaçların, tür, bileşim ve renk özellikleri Tablo 1`de verilmiştir. Tablo 1: Kullanılan kayaçların özellikleri [7](Properties of used rocks)

Doğal taş çeşidi

Tür Bileşim Renk

Bazalt Püskürük kütle,

Volkanik

Feldispat, Piroksen, Manyetit

Koyu yeşil,

Kurşuni Arduvaz Başkalaşmış

kütle, Magmatojen

Pirit Siyah, Koyu mavi

Kum taşı Tortul kütle, Fiziksel

SiO2,

Limonit, Hematit

-

Bu çalışmada seçilen kayaçların en büyük parçası 10mm tane iriliğinde olacak şekilde kırılmıştır. Kırmızı çamur, şamotlu çamur ve akçini çamurlarına katkı malzemesi olarak kullanılan kayaçlar (agregalar) ağırlıkça %35 ve %50 oranlarında karıştırılmıştır. Agreganın karışım oranı, çamurun plastikliğini koruması esas alınarak belirlenmiştir. Agregalar çamur bünye içerisine homojen olacak şekilde elle karıştırılmış, bu karışımlar alçı kalıp kullanılarak plastik tokmak ile preslenmiştir. Şekillendirilen bünyeler kurutulduktan sonra, bisküvi pişirimi atmosferik ortamda 1040oC`de 8 saat süre ile gerçekleştirilmiştir. Agrega uygulamasının etkisini ortaya çıkarmak için pişirim sonrası, seramik bünyelerin yüzeyleri taşlama makinesi ile aşındırılarak uygulamanın etkisi ortaya çıkarılmıştır. Taşlanmış yüzeyler daha sonra su emme, yüzde küçülme ve derin aşınma testlerine tabi tutularak katkı ilavelerine bağlı olarak sonuçları raporlanmıştır.

3. BULGULAR VE TARTIŞMA (FINDINGS AND DISCUSSION)

3.1. Agrega Katkılı Bünyelerin Görsel Etkileri ( Visual Effects of Aggregate Additive Position) 3.1.1 Bazalt Katkısı (Basalt Contribution) Pişirim sonrası görsel etkilerinin incelenebilmesi amaçlı seramik bünyeler aşındırılmış ve genel görünümleri ince-lenmiştir. Bazalt katkılı seramik bünyelerin 1040oC`de 8 saat süre ile pişirimi sonrası elde edilen bünye

Agrega katkılı seramik bünye özelliklerinin araştırılması B. Acartürk, Ş. Kaya

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 225-229, 2013 227

görünümleri ağırlıkça %35 ve %50 bazalt ilavesi olacak şekilde sırasıyla Şekil 1 ve Şekil 2`de verilmektedir.

Şekil 1: %35 Bazalt katkılı agrega bünyeler (%35 Basalt usage to form an aggregate body)

Şekil 2: %50 Bazalt katkılı agrega bünyeler (%50 Basalt usage to form an aggregate body)

Katkı ilavesinin artışının (%50 bazalt, Şekil 2`de) malzeme görünümleri üzerine etkileri net bir şekilde gözlemlenebilmektedir. Tane boyutu farkı, görünümü etkileyen diğer sebep olarak belirlenmiştir. Örneğin, Şekil 1`de akçini çamurunda kullanılan bazaltlar (1-10mm) daha iri iken Şekil 2`de kullanılanların nisbeten daha küçük olması (1-5mm) bu malzemenin daha homojen bir doku görünümüne sahip olduğunu göstermektedir. Yapılan çalışmada bünyeye ilave edilen agregaların elde edilen seramik bünyelerin daha homojen ve estetik bir görünüm kazanmasına neden olması açısından tane boyutunun 10mm den daha küçük tutulmaları önerilmektedir. 3.1.2 Arduvaz Katkısı (Slate Contribution) Arduvaz katkısı ile elde edilen seramik bünyelerin pişirim sonrası görünümleri ağ.%35 ve %50 arduvaz ilavesi olacak şekilde sırasıyla Şekil 3 ve Şekil 4’te verilmiştir.

Şekil 3: %35 Arduvaz katkılı agrega bünyeler (%35 Slate usage to form an aggregate body)

Şekil 4: %50 Arduvaz katkılı agrega bünyeler(%50 Slate usage to form an aggregate body)

Katkı ilavesinin artış etkisi malzeme görünümleri üzerinde net bir şekilde gözlemlenebilmektedir. Örneğin, Şekil 4`de akçini çamurunda kullanılan arduvaz daha iri iken (1-10mm) Şekil 3`de kullanılanların nisbeten daha küçük (1-5mm) olması bu malzemenin daha homojen bir doku görünümüne sahip olduğunu göstermektedir. Yapılan çalışmada bünyeye ilave edilen agregaların elde edilen seramik bünyelerin daha homojen ve estetik bir görünüm kazanmasına neden olması açısından tane boyutunun 10mm den daha küçük tutulmaları önerilmektedir. 3.1.3 Kum Taşı Katkısı (Sandstone Contribution) Kum taşı katkısı ile elde edilen seramik bünyelerin pişirim sonrası görünümleri ağ.%35 ve %50 kum taşı ilavesi olacak şekilde sırasıyla Şekil 5 ve Şekil 6’da verilmiştir.

Şekil 5: %35 Kum taşı katkılı agrega bünyeler (%35 Sandstone usage to form an aggregate body)

Şekil 6: %50 Kum taşı katkılı agrega bünyeler(%50 Sandstone usage to form an aggregate body)

Katkı ilavesinin artış etkisi verilen şekiller incelendiğinde net olarak izlenebilmektedir. Örneğin, Şekil 5`de akçini çamurunda kum taşı belirgin bir dağılım göstermezken Şekil 6`da daha homojen bir dokunun var olduğu görülmektedir. Kum taşı katkısı ile elde edilen bünyelerde, kum taşının daha kolay parçalanması ve tane iriliğinin sabitlenmesi mümkün olabilmiştir. Bu durum,

Şamotlu Çamur Kırmızı Çamur Akçini Çamuru






B. Acartürk, Ş. Kaya Agrega katkılı seramik bünye özelliklerinin araştırılması

228 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 225-229, 2013

karışımın daha homojen olmasına ve dokunun daha estetik görülmesine neden olmuştur. Kum taşı şekillendirilme sırasında plastik davranmış ve dağılma göstermemiştir. Ancak bu malzeme bünye ile karıştırıldığında hızlı bir şekilde kuruma göstermiştir. 3.2. Toplam Küçülme Sonuçları (Total Shrinkage Results) Deneyler sonucu, elde edilen bünyelerin toplam küçülmesi 1/10mm hassasiyetli kumpas kullanılarak geometrik yöntemle belirlenmiştir. Agrega katkılı seramik bünyelerin kuruma ve pişme küçülmeleri ile birlikte toplam küçülmeleri belirlenmiş ve sonuçlar Şekil 7’de sunulmuştur.

Şekil 7: Bünyelerin toplam küçülmeleri (Total shrinkage of the positions)

Agrega katkısı öncesi ana bünyelerde toplam küçülmeleri; şamotlu çamurda %6,3, kırmızı çamurda %8,02 ve akçini çamurunda ise %4 olacak şekilde gerçekleşmiştir. Toplam küçülme oranları, katkısız bünyelere göre tüm agrega katkılı bünyelerde %1 ila %4 arasında azalmaktadır (Şekil 7). Şamotlu ve kırmızı çamurda agrega miktarı artışı benzer şekilde %1 ila % 3 oranlarında küçülme sonucu vermiştir. Akçini çamurunda ise en düşük küçülme sonuçları arduvaz katkısında görülmüştür. Agrega katkılı bünyelerin düşük küçülme sonucu vermelerinin sebebi agregaların / kayaçların su emme kabiliyeti olmadığındandır. Söz konusu katkıların seramik bünyelere ilave oranları arttıkça bünye içerisinde yer alan su emme kabiliyeti yüksek killerin hacimsel oranlarını da azalmaktadır. Diğer bir ifade ile özsüz seramik katkı ilavelerinin katkı oranları arttıkça buna bağlı bünye su miktarları azalacak ve pişme küçülmesi de düşük kalacaktır. Bu durum mevcut çalışma ve bulgularla da teyit edilmiştir.

3.3. Su Emme Testi (Water Absorption Test) Su emme testi için deney numuneleri 110oC`de kurutulup 0,01g hassasiyetinde tartılmıştır. Isı kaynağından 5cm uzaklıkta ve dik bir şekilde yerleştirilen numunelerin bir birine değmemesi sağlanmıştır. 2 saat kaynatılan su 4 saatlik soğumanın ardından nemli bir güderi ile fazla suyu alınan numuneler bekleme yapılmadan tartılmıştır. Bu ölçümler sonucunda ortaya çıkan değerler Şekil 8’de verilmektedir.

Şekil 8: Bünyelerin su emme sonuçları (Water absorption results of the positions) Bu sonuçlara göre agrega katkılı bünyeler katkısız bünyelere kıyasla çok düşük miktarlarda da olsa (%1-3) su emme değerleri vermiştir. Mevcut çalışmada, agrega katkısı artışı ile su emme değerleri değişimi arasında herhangi bir ilişkisi olmadığı görülmüştür. Bunun nedeni tüm katkı ilaveli bünyelerin aynı pişirim koşullarında (ortam, sıcaklık ve sürede) ve aynı miktarlarda (%50 veya %35) ana bünye malzemesinden oluşmuş olmasıdır. %50 ve %35 bünye malzeme oranlarının farkı mevcut sonuçlar üzerinde kayda değer bir farklılık oluşturmamıştır. 3.4. Derin Aşınma Testi (Deep Abrasion Test) Derin aşınma testi sırsız karolara uygulanan bir seramik bünye inceleme yöntemidir. Bu yöntemde kullanılan aşınma cihazında numune dönen bir diskin bütün çevresi numuneye değecek şekilde yerleştirilmektedir. Disk döndükten sonra numuneden kord boyu ölçüsü alınarak aşınma miktarı hesaplanır. Hesaplama işleminden sonra standartlara göre eşdeğeri bulunur ve diskin açtığı oluğun kiriş uzunluğu ve hacmi belirlenir [8]. Bu ölçümler özellikle endüstriyel anlamda üretilmesi söz konusu

02468

1012141618

Şamot

Kırmızı

Akçini

% Su emme

0123456789

Şamotlu

Kırmızı

Akçini

%Küçülme

Agrega katkılı seramik bünye özelliklerinin araştırılması B. Acartürk, Ş. Kaya

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 225-229, 2013 229

sırsız yer karoları için önem arz eder. Bu çalışmada elde edilen seramik numunelerin derin aşınma testi sonuçları Tablo 2`de verilmiştir. Genel olarak bakıldığında agrega katkı ilaveli bünyelerin, katkısız bünyelere kıyasla derin aşınma dayanımı daha yüksek olmuştur (Tablo 2). Bu durum kum taşı katkılı kırmızı çamurda ve bazalt katkılı şamotlu çamurla yapılan seramik bünyelerde azalma şeklinde görülmüştür. Dokuz bünyeden ikisinde görülen bu durumun agregaların tane boyutunun tüm numunelerde sabitlenebilmesindeki zorluktan kaynaklanmış olabileceği düşünülmektedir. Bu durum derin aşınma testinde disk büyük taneciklere geldiğinde tanecikler yüzeyden derin boşluklar açarak uzaklaşmakta ve dolayısıyla sonuçlar yaklaşık olarak alınabilmektedir. Agregaların (kayaçların) pişmiş seramik malzemenin yapısına göre daha az kırılgan olduğu belirlenmiştir.

4. SONUÇLAR (CONCLUTIONS) Agregalar (kayaçlar) elde edilmesi kolay ve ekonomik hammaddelerdir. Yapılan çalışmada, agrega katkısı olarak kullanılan bazalt, arduvaz ve kum taşının seramik çamuru ile hazırlanan bünyelerin pişirim sonrası fiziksel ve görsel özellikleri araştırılmıştır. Araştırma sonucu ulaşılan sonuçlar bu katkı ilaveli karışımlarla elde edilen seramik bünyelerin sanatsal uygulamalarda kullanılabilir olduğunu göstermektedir. Yapılan test sonuçlarına göre, doğru şekillendirme ve uygun tane iriliği ile hazırlanan agrega katkılı seramik bünyelerin, trafiği yoğun olmayan zeminlerde kullanımı düşünülebilir. Elde edilen sonuçlar, farklı çeşit ve tane iriliklerinde agregalar kullanılarak değişik estetik ve dokularda ürünlerin elde edilebileceğini göstermiştir. Bununla birlikte belli tane iriliklerinin üzerine çıkılması durumunda pişmiş seramik bünye mukavemetinin zayıflayabileceği ve bünyelerin kolaylıkla kırılabileceği tespit edilmiştir. Bu nedenle seramik bünyeye agrega ilavesinin homojen olması, uygun tane irilikleri ve tane boyutu dağılımının belirlenmesi önem taşımaktadır.

Agregalar, seramik bünyelere farklı doku ve renk olarak değer katmıştır. Bu malzemelerle üretilen seramiklerin görsel ve estetik gerektiren alternatif sanatsal üretimlere kaynaklık edebileceği sonucuna varılmıştır.

Yapılacak yeni araştırmalarla, bu çalışmada kullanılan malzemelerin farklı sıcaklıklarda pişim uygulanması ve farklı tane iriliklerinde katkı ilaveleri ile daha kullanışlı ve görsel olarak zengin yeni seramik bünyelerin elde edilebileceği ve ayrıca bu bünyelerin üzerine şeffaf sır uygulamalarının denenmesi suretiyle de seramik kaplama uygulamalarında değerlendirilebileceği düşünülmektedir.

TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGMENT) Bu çalışma Sakarya Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğünce (SAÜ-BAP Proje no. 2012-60-01-001) desteklenmiştir.


[1] http://www.grahamhay.com.au/2003tscollectorsh

tml.#top, (03/11/2012) [2] Güder Ümit, Seramik Heykellerde Karışık

Malzeme Olarak Metalin Kullanımı, Yayınlanmamış Yüksek Lisans Tezi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi S.B.E Seramik Ana Sanat Dalı 2008.

[3] Bosworth Joy, Ceramic with Mixed Media, London: A&c Black Yayınevi, 2006,s.20.

[4] Shino Kota, Ceramics: Art and Perception dergisi, No: 67, 2007.

[5] Heierli Zsuzsa Füzesi, Neue Keramık Dergisi, Heft 6/2004

[6] Binns David, Alasdair Bremner, Architectural Review, Cilt, 207 Sayı:1239, 2000

[7] Eriç M, Yapı Fiziği ve Malzemesi, Literatür Yayınları, İstanbul, s.28, 2002.

[8] www.kimmuh.com/evcin/sms.pdf, (21.12.2012) [9] Karakaya M. Ç,“Seramik Hammaddelerinin

Mineralojisi, Kimyası ve Tüflerin Değerlendirilmesi”, SERES, Eskişehir, s.230-240, 2007.


2 kanatlı radyal tipteki bir çamur pompası çarkının optimizasyonu ve analizi

Mehmet Salih Cellek1*, Tahsin Engin1

1Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya Email: [email protected]


ÖZET

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı olan Fluent ile karmaşık akışlı pompa, fan gibi türbo makinaların performanslarını belirlemek mümkün hale gelmiştir. HAD destekli tasarım maliyeti düşürmekle beraber zamandan da tasarruf sağlar. Bu çalışmada radyal ticari bir çamur pompası çarkının optimizasyonu hedeflenmiştir. Bu amaçla pompa performansını belirleyen en önemli bileşen durumundaki pompa çarkında kanat açısının, kanat uzunluğunun ve ara kanatçığın kullanıldığı 4 farklı çark tasarlanmıştır. Analizler sonucunda her bir çarkın farklı debi aralıklarında pompa performansını etkilediği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: HAD, çamur pompası, kanat, optimizasyon

The optimisation and analysis of a centrifugal slurry pump impeller with 2 blades

ABSTRACT

With FLUENT, which is Computational Fluid Dynamics (CFD) software, it becomes possible to define the performance of complicated flow in turbo machines like pumps and blowers. It is not only reduced costs but also saves time. This study is aimed to optimize a commercial slurry pump impeller. Therefore, four different types of impellers were designed with using various blade angles, blade length and splitter blade on the impeller, which is the most crucial component of the pump. As a result of analysis it was seen that every impeller affected on the pump performance at different flow rate. Keywords: CFD, slurry pump, blade, optimization


M. S. Cellek, T. Engin 2 kanatlı radyal tipteki bir çamur pompası çarkının optimizasyonu ve analizi

232 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 231-239, 2013


Pompalar akışkana enerji verip basıncını artırarak bir noktadan başka bir noktaya iletilmesini sağlayan makinalardır. Radyal (santrifüj) pompalar sıvı ve sıvı-katı iletiminde yaygın olarak kullanılan bir türbo makina elemanıdır. Radyal tipli çamur pompaları da iki fazlı akış transferinde yüksek debi, nispeten düşük maliyet, bakım ve onarımın kolay olması gibi avantajlarından dolayı katı-sıvı transferinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır [1]. Önceleri su pompası kullanılarak katı-sıvı karışımı transfer ediliyorken, pompaların verimsiz ve hızlı bir şekilde aşınmaya maruz kalması ayrıca çalışma şartlarına bağlı olarak ihtiyaçların giderek şekillenmesi yeni arayışları ve yeni tasarımları beraberinde getirmiştir. Yeni tasarımlardan biri de çamur pompaları olmuştur. Kalın kanatları ve kendine özgü salyangoz tasarımı ile maden ocaklarında kömür ve minerallerin iletilmesinde, termik santrallerde kimyasal tasfiye, inşaat alanında biriken çamurlu suyun uzaklaştırılmasında, gıda sektöründe, nehir ve göl yataklarının temizlenmesinde, endüstriyel tesislerde uçucu külün uzaklaştırılmasında ve kâğıt hamurunun nakledilmesi gibi birçok alanda ihtiyaçlara karşılık vermektedir [2]. Çamur pompalarında, diğer çarklara oranla nispeten yüksek verimleri ve düzenli bir akış şekli oluşturmalarından dolayı kapalı çarklar geriye eğimli kanatlarla birlikte tercih edilmektedir. Çarklar su pompalarında olduğu gibi çamur pompalarında da pompa performansına etki eden en önemli pompa bileşenidir. Bu nedenle çark üzerindeki küçük bir iyileştirme pompa verimine doğrudan olumlu yönde etki edecektir [2]. Son zamanlarda teknolojinin ilerlemesiyle bilgisayar destekli tasarım ve HAD uygulamaları sayesinde prototip üretimine gerek duyulmadan sonsuz sayıda deney imkanı doğmuştur. Böylece hem zaman hem de maliyet açısından tasarım süresi daha avantajlı bir hal almaktadır [3].

2. ÇAMUR POMPASI MODELİ VE ÇARKLAR (SLURRY PUMP MODEL AND IMPELLERS)

2.1. Çamur Pompası Geometrisi (Geometry of Slurry Pump) Literatürde radyal su pompası üzerine yapılan çalışma sayısı oldukça fazla olmasına karşı radyal çamur pompası için aynı şey söylenemez. Bunun nedeni radyal pompaların aynı zamanda çamur pompası yerine kullanılıyor olmasıdır. Sıvı-katı iletimi durumunda radyal pompa ve çarkında yüksek aşınmaların ortaya

çıkması, çark kanatlarının kırılması gibi olumsuzluklar nedeniyle yeni çark tasarımları ihtiyaç haline gelmiştir. Bu çalışmada ele alınan kapalı çarklı radyal çamur pompasının CAD modeli ticari bir firma tarafından sağlanmıştır [4]. HAD analizi için CAD modeli ANSYS 14.0 aktarılmış gerekli düzenlemelerden sonra akışkan hacmi elde edilmiştir.

Tablo 1. Tasarımı yapılan radyal çamur pompasının temel boyutları ( The basic dimensions of the radial mud pump designed)

z

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

2 30 30 130 355 130 101.6

Bu tabloda z kanat sayısını, ve kanat giriş ve çıkış genişliklerini, ve çark kanat başlangıç ve bitiş dairesel çaplarını, ve pompa girişi ve salyangoz çıkışı dairesel çaplardır. 2.2. Çark Tasarımları (Impeller Designs) Pompa performansını belirleyen en önemli bileşen durumundaki pompa çarkında kanat açısının, kanat uzunluğunun ve ara kanatçık uygulamasınının çark performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesi amacıyla dört farklı çark oluşturulmuştur.

Şekil 1. Çamur pompasının katı model bileşenleri (Mud pump solid model components)


M. S. Cellek, T. Engin

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 231-239, 2013 233

20° 25°

Ara kanatçık ekli (A.K) Uzun kanatlı (U.K)

Şekil 2. Analizi yapılacak farklı çark modelleri (Different impeller models to be analyzed

3. SAYISAL YÖNTEM (NUMERICAL METHODS)

Farklı kanat profilleriyle tasarlanan 4 farklı çarka sahip çamur pompasının analizi için ticari HAD yazılımı olan ANSYS® 14.0 [5] kullanılmıştır. Analiz için geometrik modeller önce 3-B bir katı modelleme programı yardımıyla oluşturulmuş ardından ANSYS 14.0’ a aktarılıp gerekli düzenlemelerden sonra sonlu sayıda hacimsel elemana bölünerek üç-boyutlu sayısal ağ yapısı oluşturulmuştur. HAD yazılımı Reynolds-ortalamalı Navier-Stokes denklemlerini yapılandırılmamış sonlu-hacim metodunu kullanarak çözmektedir. Sayısal algoritma olarak SIMPLE kullanılmıştır. 3.1. Matematiksel Model (Mathematical Model) Üç boyutlu, daimi olmayan, sıkıştırılamaz, zaman-ortalamalı Reynolds süreklilik momentum denklemleri aşağıdaki gibi yazılabilir:

Süreklilik: . 0 (1)

Momentum: (2)

Burada ρ akışkanın yoğunluğu, hızı, dönmeden kaynaklanan etkileri hesaba katan değiştirilmiş basınç, μ efektif vizkozite ve S aşağıdaki gibi tanımlanan kaynak terimdir :

burada ve sırasıyla konum ile sabit dönme hızını göstermektedir. Türbülans modeli olarak standart türbülans modeli kullanılmıştır. Denklem (2)’ deki efektif vizkozite moleküler vizkozite μ ve türbülanslı girdap viskozitesi μ ’nin toplamı olarak tanımlanmıştır, μ μ μ . Burada μ ρc L √k ‘dir. Türbülanslı girdap viskozitesindeki c bir sabit, L uzunluk ölçeğidir. L ile

türbülans yayınım oranı arasında √k L şeklinde bir matematiksel ilişki vardır, k ve değerleri, türbülans kinetik enerjisi ve türbülans yayınım oranı için olan diferansiyel transport denklemlerinden doğrudan elde edilebilir.

. . 2 .

. . 2 .

Denklemlerde C c , c , σ and C olmak üzere beş tane değiştirilebilir sabit vardır. Standart modelinde bu değerler, c 0.09, c 1.00, σ1.30, C 1.44 ve C 1.92 şeklindedir. Denklemler (4) ve (5)’daki E zaman-ortalamalı şekil değiştirme hızı tensörünü göstermektedir ve zamana-bağlı şekil değiştirme hızı ile aralarında e t E e şeklinde bir ilişki vardır. Burada e zamana bağlı şekil değiştirme hızı e t ’nin çalkantı bileşenidir [6], [7]. 3.2. Ağ Yapısının Oluşturulması (Generating the Unstructured Mesh) Üç ana bölüme ayrılmış olan sayısal katı model de en önemli kısmın çark olduğu bilinen bir gerçektir. Bu nedenle, pompa da akışın daha detaylı bir biçimde gözlenebilmesi için diğer iki bölümle birlikte çark bölümünde yeterince sayısal ağ elemanına ihtiyaç duyulmaktadır. Sayısal katı modelin her üç bölümü için tetrahedral (dörtyüzlü) elemanlar kullanılmıştır. Bunun nedeni tetrahedral ağ yapısı türbo makinalar gibi karmaşık geometrilerde daha hızlı ve otomatik olarak uygulanabilme kabiliyetine sahip olmasıdır. [5].


234 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 231-239, 2013

Şekil 3. Çamur pompasına ait sonlu hacim ağı (Finite volume mesh of mud pump)

Şekil 4. Kanatlları çıkarılmış çark hacmine ait sonlu hacim ağı (Finite volüme mesh of volume of the impeller blades removed)

3.3. Sınır Şartları ve Kabuller (Boundary Conditions and Acceptances) Dönel çark bölgesi hareketli olup diğer tüm kısımlar statik kabul edilmiştir. Pompa hareketli çarkı ile statik olan diğer kısımlar arasındaki etkileşimi sağlayabilmek için literatürde sıkça kullanılan “frame motion” modeli kullanılmıştır [8]. Analizler için çark 1000 d d⁄ açısal hızla döndürülmüştür. Pompa giriş sınır şartı olarak serbest kütle girişi “mass flow inlet”, çıkışta ise çıkış basıncı “pressure outlet” sınır şartı tanımlanmıştır [9]. Diğer tüm yüzeylerde kaymama sınır şartı “no-slip” tanımlanmıştır. Her bir analizin yakınsama kriteri olarak son iki iterasyon arasındaki farkın 10 mertebesine inmesi beklenmiş ve yaklaşık olarak 1250 iterasyon civarında yakınsayan analizler, 3000 iterasyona kadar devam ettirilip sonlandırılmıştır. HAD analizleri için Intel Core i7-2670QM işlemcili 16 GB RAM ön bellek kapasitesine sahip bir adet diz üstü bilgisayar, Intel Xeon işlemcili, 16 GB RAM ön bellek kapasitesine sahip bir adet HP xw 6400 Workstation kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir.

4. ANALİZ SONUÇLARI VE TARTIŞMALAR (ANALYSIS RESULTS AND DISCUSSIONS)

3.4. Giriş (Introduction) Bu bölümde bir önceki bölümde belirtilen modeller ve sınır şartları kullanılarak kapalı ve yarı açık çarklı radyal çamur pompasının analiz sonuçları elde edilmiştir. Pompa içerisinde meydana gelen karmaşık akış, yüzeylerde oluşan statik basınç dağılımının yanı sıra hız vektörleri ve akım çizgileri sayesinde görselleştirilmiştir. Çark içerisinde akış alanını görselleştirmek amacıyla çarkın girişe bakan diski bir düzlemle kesilmiş ve görünmez kılınmıştır. 3.5. Basınç Dağılımları (Pressure Distributions) HAD analizinde pompa sınır şartları belirlenirken çıkış basıncı 0 (Pa) olarak alınıp analizler yapılmıştı. Bu nedenle, pompa giriş basıncı sıfırın altında olması beklenen bir durumdur. Burada asıl önemli olan pompa çarkının akışkana aktardığı kinetik enerjisinin pompa çıkışında basınç enerjisine dönüşmesi sonucunda giriş ve çıkış arasında basınç farkı oluşturmasıdır. Hesaplamalar yapılırken giriş ve çıkış arasındaki basınç farkı dikkate alınır.

Şekil 5. β 20° olduğu durumda çamur pompası ve çarkında oluşan basınç dağılımları (Pressure distributions on mud pump and Wheel when β 20)

Yukarıdaki şekilde β 20° olduğu durum için basınç dağılımı görülmektedir. Pompa içerisinde en düşük basıncın çark iç bölgesinde oluştuğu görülmektedir. Bunun nedeni dönen çarkın pompa giriş bölgesinde düşük basınç alanı oluşturmasıdır. En yüksek basıncın pompa salyangoz çıkışında meydana geldiği şekilde görülmektedir. Ayrıca kanadın her iki yakasında oluşmuş basınç alanları da belirgin bir şekilde görülmektedir. Bunlar basınç tarafı (pressure side) ve emme tarafı (section side) olarak bilinir.



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 231-239, 2013 235

Şekil 6. β 25° olduğu durumda çamur pompası ve çarkında oluşan basınç dağılımları(Pressure distributions on mud pump and Wheel when β 25)

Yukarıdaki şekilde β 25° olduğu durum için basınç dağılımı görülmektedir. β 25° ’li çarkta β 20° ‘li çarka benzer bir basınç dağılımı söz konusudur. Çark üzerinde kanat çıkış kenarı üzerinde basıncın yüksek olduğu görülmektedir. Pompa giriş ve çıkışı arasında basınç farkı olduğu şekilden de görülmektedir. Pompa bu basınç farkını akışkana aktarılıp gerekli basma yüksekliğini sağlayacaktır.

Şekil 7. Uzun kanatlı (U.K) kullanılması durumunda pompa ve çarkında oluşan basınç dağılımları (Pump in case of using long-winged (UK) and the pressure distribution of Wheel)

Yukarıdaki şekilde uzun kanatlı çark kullanılması durumunda basınç dağılımı görülmektedir. Uzun kanatlı çark kullanılması durumunda diğer çarklar gibi çark bölgesinden salyangoz bölgesine doğru basıncın arttığı görülmektedir.

Şekil 8. Ara kanatçık (A.K) kullanılması durumunda pompa ve çarkında oluşan basınç dağılımları

Şekil 8 ara kanatçık ekli çamur pompasında oluşan basınç dağılımını vermektedir. Kanat çıkış kenarlarında basınç değerlerinin yüksek olduğu görülür. Ara kanatçık ekli çark kullanılması durumda basınç dağılımı diğer pompalara yakın görülse de ara kanatçık dolayısıyla salyangoz çıkışında daha yüksek basınç değeri elde edilir. Bunun nedeni, çark akış koridorunda ara kanatçıklar akışkana kinetik enerji kazandırır. Bu enerjinin bir kısmı salyangoz çıkışında basınç enerjisine dönüşür. 4.3. Akım Çizgileri (Steamlines) Akım çizgileri, akış alanı boyunca akışkan hareketinin anlık yönlerini göstermeleri bakımından oldukça kullanışlıdır. Örneğin sürekli dolanımlı akış bölgeleri ve akışkanın katı bir çeperden ayrılması akım çizgileri deseni yardımıyla kolaylıkla saptanabilir. Akım çizgileri renksiz olabileceği gibi renkli olarak da görülebilmektedir. Akım çizgileri üzerinde basınç, hız veya sıcaklık dağılımını görmek mümkündür [10]. Bu çalışmada akım çizgileri üzerinde hızın gösterilmesi tercih edilmiştir.


236 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 231-239, 2013

Şekil 9. β 20° olduğu durumda pompada oluşan akım çizgileri (In case of β 20°stream lines of the pump)

Şekil 10. β 25° olduğu durumda pompada oluşan akım çizgileri(In case of β 25°stream lines of the pump)

Şekil 9 ve şekil 10 ’ da β 20 ve β 25° çark durumunda çamur pompalarında oluşan akım çizgileri görülmektedir. Her iki pompada akım çizgilerinin birbirine yakın yönlerde hareket ettikleri görülmektedir. Her iki çarkın kanat girişlerinde akış ayrılmaları görülmektedir. Kanat sayısı azlığından dolayı geniş akış koridorunda çarkı terk eden akışkan salyangoza yönelmektedir. Böylece akışkanın salyangoza daha fazla teması söz konusudur. Bu durum sürtünmelerin artmasına dolayısıyla enerji kaybına neden olmaktadır.

Şekil 11. Uzun kanat kullanılması durumlarında çamur pompasında oluşan akım çizgileri (In case of the use of the long wind of the mud pump, flow lines)

Şekil 12. Ara kanatçık kullanılması durumunda çamur pompasında oluşan akım çizgileri (In case of the use of december aileron , flow lines)

Uzun kanatlı çark kullanılması durumunda pompa ve çarkında daha düzenli bir akışın meydana geldiği görülmektedir. Ayrıca kanat girişinin yeniden tasarlanması ile girişte akış ayrılması ve ikincil akışları en aza indirmiştir. Ara kanatçık kullanılması durumunda ise çark çıkışlarında hızların yüksek olduğu şekilden de görülmektedir. Bu avantajın yanında bir dezavantaj olarak da yüksek basınç ve hızlarda sıvı içerisinde bulunan katı partikülleri nedeniyle bu bölgelerin aşınmaya daha fazla maruz kalacağı unutulmamalıdır. 4.4. Hız Vektörleri (Velocity Vectors) Akım çizgileri anlık hız alanının yönünü gösterirken, hem deneysel hem de hesaplamalı akışlar için anlık



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 231-239, 2013 237

vektörel bir özelliğin hem yönünü hem de şiddetini gösteren oklar dizisinden oluşan vektör çizimleri de kullanışlı bir akış desenidir. Hız vektörleri, akışın yönü ve şiddetinin yanında sıcaklık, basınç gibi diğer özellikleri de eş zamanlı olarak kolaylıkla görselleştirilebilmektedir.

Şekil 13. β 20° olan çarkta hız vektörleri (Velocity vectors in case of β 20° wheel)

Şekil 14. β 25° olan çarkta hız vektörleri(Velocity vectors in case of β 25° wheel)

Şekil 15. U.K kullanılması durumunda çarkta hız vektörleri (Velocity vectors in case of the use of U.K)

Şekil 16. A.K kullanılması durumunda çarkta oluşan hız vektörleri(Velocity vectors in case of the use of A.K)

Her bir pompa da salyangoz dil bölgesinde akışın bir kısmı tekrar çark bölgesine yönelmektedir. Bu durum pompanın fazla mil gücü tüketmesine neden olmaktadır. Hız vektörleri yardımıyla kanat girişinde β 20 ve β 25°olduğu çarklarda ikincil akışlar net olarak görülmektedir. Ayrıca kanat üzerinde akış ayrılmaları uzun kanatlı çarkta daha belirgin olduğu gözlenmektedir. Hız vektörleri yardımıyla çark kanat çıkışında akışkanın kinetik enerji kazanıp hız artışını görmek mümkün olmaktadır. 4.5. Pompa Performans Eğrileri (Pump Performance Curves) Yapılan analizler sonucunda radyal çamur pompasının su iletmesi durumunda pompa performans eğrileri elde edilmiş ve karşılaştırılmıştır.


238 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 231-239, 2013


Analiz sonuçlarıyla oluşturulmuş debi-yük eğrilerinin karşılaştırılması yukarıdaki şekilde verilmektedir. Bu sonuçlara göre; Kanat çıkış açısının pompa basma yüksekliğine de etkili olduğu görülmüştür. Büyük kanat açılı çarkın (β25°) akışkana daha fazla basınç enerjisi kazandırdığını söyleyebiliriz. Uzun kanat ve ara kanatçık kullanılması durumlarında pompa basma yüksekliklerinin daha yüksek olduğu görülmektedir. Uzun kanatlı çarkta artan debiyle birlikte basma yüksekliğindeki düşük daha keskindir. Ara kanatçıkların pompa basma yüksekliğini belirgin bir şekilde artırdığı görülmektedir.


Analiz sonuçlarıyla oluşturulmuş debi- mil gücü eğrilerinin karşılaştırılması yukarıdaki şekilde verilmektedir. Bu sonuçlara göre; β 25°’li kanat açısına sahip çarkın daha fazla mil gücü tükettiği, dolayısıyla β 20° çıkış açısına sahip çarka göre daha düşük verime sahip olduğu şekilden de görülmektedir.

Ara kanatçık ekli çarkın en fazla mil gücü tüketen çark olduğu, çalışma noktası civarında ise uzun kanatlı çarkın düşük mil gücü tükettiği grafikten anlaşılmaktadır.

Şekil 19. Farklı kanat profillerinde pompa debi-verim eğrileri (Pump flow-yield curves in different blade profiles)

Çamur pompasının farklı çark tasarımlarıyla su ile yapılan analizleri sonucunda debi-verim eğrilerinin değişimi şekil 19’ da görülmektedir. β 20° ve β 25° kanat çıkış açılarına sahip çarklardan küçük açılı çarkın düşük debilerde daha verimli olduğunu öte yandan yüksek debi değerlerinde ise kanat çıkış açısı büyük olan çarkın daha verimli olduğunu debi-verim eğrisinden görebilmekteyiz. Uzun kanatlı çark kullanılması durumunda çamur pompasının çalışma debisi 100 m h⁄ olmaktadır. Bu debi değerinde pompa verimi yaklaşık olarak % 64 olmaktadır. İki kanatlı çark için bu performans gayetiyidir. Çalışma debisinden sonra artan debiyle birlikte pompa verimi düşmektedir. Ara kanatçık ekli çarkın çalışma noktası 150 ⁄ olarak belirlenebilir. Çalışma noktasından daha düşük debilerde pompanın en düşük verime sahip olduğu görülmektedir. Fakat çalışma noktası debisinde ise en yüksek verime sahiptir.

5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı olan Fluent ile karmaşık akışlı pompa, fan gibi türbo makinaların imalattan önce performanslarını tahmin etmek mümkün hale gelmiştir. HAD destekli tasarım maliyeti düşürmekle beraber zamandan da tasarruf sağlar. Çarklar su pompalarında olduğu gibi çamur pompalarında da pompa performansına etki eden en önemli pompa bileşenidir. Bu nedenle çark üzerindeki küçük bir iyileştirme pompa verimine doğrudan olumlu yönde etki ettiği görülmüştür.



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 231-239, 2013 239

Çamur pompası çarkının kanat çıkış kenarında yüksek basınç ve hızlar oluşur. Bu nedenle katı-sıvı iletimi esnasında çarkın bu bölgeleri katı partikülleri dolayısıyla ilk olarak aşınacağı düşünülmektedir. Kanat çıkış açısının pompa performansı üzerinde etkili olduğu teyit edilmiştir. Düşük debilerde küçük kanat açılı (β 20°) çarkın daha verimli olduğu, yüksek debilerde ise büyük kanat açılı (β 25°) çarkın daha verimli olduğu anlaşılmıştır. Çalışma noktasında ise verimler birbirine yakın olduğu (% 56.4 - % 56.2) anlaşılmıştır. Büyük kanat açılı çarkın (β 25°) akışkana daha fazla basınç enerjisi kazandırması sonucu yük değerleri daha yüksektir. Uzun kanatlı çarkın, 100 m h⁄ debide pompa performansını β 25° ‘lik çarka göre % 13 artırmıştır. Bu debi değerinde bu çarkın en verimli çark olduğu anlaşılmıştır. Ara kanatçık ekli çarkın çalışma noktası 150 m h⁄ olarak belirlenmiştir. Çalışma noktasından daha düşük debilerde bu çarkın en düşük verime sahip olduğu fakat çalışma noktası debisinde ise en yüksek verime sahip olduğu görülmüştür. Bunun nedeni akışkanın daha çark üzerindeyken ara kanatçıklar tarafından hızlandırılıp salyangozda enerji kaybına uğramadan çıkışa yönlendirilmesi olarak düşünülmüştür. Ayrıca ara kanatçıkların pompa basma yüksekliğini belirgin bir şekilde artırdığı görülmüştür. Bununla birlikte mil gücü de tüketimi artmaktadır.


[1] Engin,T., "Radyal Pompaların Katı-Sıvı Karışımı İletiminde Kullanılmasının Deneysel İncelenmesi. Doktora Tezi, SAÜ, 2000.

[2] Cellek, M.S., “Radyal Tipteki Bir Çamur Pompası Optimizasyonu ve Analizi ”, Yüksek Lisans Tezi, SAÜ, 2013.

[3] Kaya, M., “Santrifüj Pompa Performansının Sayısal Analizi. Yüksek Lisans Tezi”, ITU, 2009.

[4] Tufekçioğlu Kaucuk Sanayi ve Ticaret Limited Şirketi.

[5] Ansys 14.0 , www.ansys.com, 2012. [6] Engin, T., “Çeşmeci Ş., Atlı Z., Gür M., “Yarı-

Açık Kanatlı Endüstriyel Sıcak Gaz Fanlarındaki Aralık Kayıplarının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği İle Modellenmesi” ANOVA Kullanıcılar Konferansı Bildiriler Kitabı, 5-7 Temmuz 2006, Bilkent Otel, Ankara, 2006.

[7] Engin T, “Study of Tip Clearance Effects in Centrifugal Fans with Unshrouded Impellers Using Computational Fluid Dynamics”, Proc.

IMechE Vol. 220 Part A: Journal of Power and Energy, January 1, (2006), 599-610.

[8] Açıkgöz, A., Gelişli, M.Ö., Ertürk, E., “ Çok kademeli pompa performansının CFD yöntemleriyle belirlenmesi”, 5. Pompa Vana Kongresi, Hilton, İstanbul, 22-24 Kasım, sf. 34-39, 2004.

[9] Atlı, Z., “Yarı Açık Çarklı Merkezkaç Fanların Aralık Kayıplarının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği İle Simülasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, SAÜ, 2006.

[10] Cengel Y, A., Cimbala J, M., Fluid Mechanics Fundamentals And Applications, Mc. Graw-Hill Higher Educaton, 2006.


Ciğertaze otu (salvia officinalis) bitkisinin antioksidan aktivitesinin belirlenmesi

Rana Arıduru1*, Gülnur Arabacı1

1Sakarya Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, Sakarya


ÖZET

Yaptığımız çalışmada Ciğertaze Otu (SalviaOfficinalis) bitkisinin etanol, metanol, aseton ve etil asetat çözücüleri ile antioksidan aktiviteleri belirlenmiştir. Bunun için serbest radikal giderici 2,2-dipenil-1-pikrilhidrazil hidrat (DPPH) and Folin-Ciocaltaeu metodları kullanıldı. Ciğertaze otu bitkisinin ekstrelerinin toplam fenolik madde miktarları en iyi olarak etanol ekstraktı 43.55 (mg GAE/g ekstrakt) daha sonra metanol ekstraktı 23.62 (mg GAE/g ekstrakt), etil asetat ekstraktı 18.29 (mg GAE/g ekstrakt) ve aseton ekstraktı 11,58 (mg GAE/g ekstrakt) olarak belirlendi. DPPH serbest radikali giderim aktiviteleri % inhibisyon değerleri olarak bütün ektraktlarda hemen hemen benzer yüzdede belirlendi. Sonuçlar sırası ile metanol ekstraktı % 90.89, etil asetat ekstraktı % 90.48, etanol ekstraktı % 86.31 ve aseton ekstraktı % 84.78 değerlerinde kaydedildi. Anahtar Kelimeler: Antioksidan aktivite, Ciğertaze Otu, Adaçayı, SalviaOfficinalis.

Determination of antioxidant activities in freshliver (salvia officinalis) plant

ABSTRACT

In this study, we determined the antioxidant activities of four different solvent fractions (ethanol, methanol, acetone and ethyl acetate) obtained from Freshliver plant leaves (Salvia officinalis) by employing two different assays such as 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl hydrate (DPPH) and Folin-Ciocaltaeu method. The results showed that ethanol-extract of freshliver plant exhibited the highest total phenolic contents (43.55 mg GAE/g extract), followed by methanol-extract of freshliver plant (23.62 mg GAE/g extract), ethyl acetate extract (18.29 mg GAE/g extract) and acetone extract (11.58 mg GAE/g extract). All the extractions showed almost similar free radical removal activities as % inhibition of DPPH method. The values were found for methanol extract % 90.89, ethyl acetate extract, % 90.48, ethanol extract % 86.31 and acetone extract % 84.78. Keywords: Freshliver, Sage tea, Salvia Officinalis


R. Arıduru, G. Arabacı Ciğertaze otu (salvia officinalis) bitkisinin antioksidan aktivitesinin belirlenmesi

242 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 241-246, 2013


Organizmada normal metabolik yolların işleyişi sırasında veya çevresel ajanlar (pestisidler, aromatik hidrokarbonlar, toksinler, çözücüler vb.), stres, radyasyon gibi çeşitli dış faktörlerin etkisiyle serbest radikaller meydana gelmektedir. Serbest radikaller dış orbitallerindeortaklanmamış elektron bulunduran, kısa ömürlü, reaktif moleküllerdir. Serbest radikallerin en önemlileri süperoksit radikali (O2

-), hidroksil radikali (OH), singlet oksijen (1O2) ve radikalik olmayan hidrojen peroksit (H2O2) ve peroksinitrit (ONOO-) olup “reaktif oksijen türleri (ROT)” olarak bilinirler. ROT’lar organizmada lipidler, nükleik asitler, proteinler ve karbonhidratlar gibi biyolojik moleküllerle kolayca reaksiyona girebilirler. Bu yüzden yaşlanma, kanser, kardiyovasküler hastalıklar, immün sistem hastalıkları, katarakt, diyabet, böbrek ve karaciğer hastalıkları gibi pek çok hastalıktan sorumlu tutulurlar [1]. Oksidasyon, bir atom ya da molekülün bir alıcıya elektron vermesi ile meydana gelen yülseltgenme prosesidir. Yükseltgenme potansiyeli yüksek olan madde yükseltgenirken diğer madde indirgenir. İnsan vücudunda ve besinlerde bulunan lipidler, proteinler, karbonhidratlar, nükleik asitler de oksidasyona uğrayabilmekte ve canlı organizma için zararlı olabilecek oksidasyon ürünleri oluşabilmektedir [2]. Bu durum oksidatif stres olarak ifade edilir. Reaktif türlerin zararlı etkilerinin temel sebebi radikal olmaları, radikal oluşumuna sebep olabilmeleri veya yükseltgenme potansiyallerinin daha yüksek olmalarından kaynaklanmaktadır. Oksidatif stres sürecinde meydana gelen reaktif oksijen türleri nükleik asitleri, proteinleri ve lipitleri oksitleyebilir [3]. Reaktif oksijen türleri ile biyomoleküller arasındaki reaksiyon, radikalik zincir reaksiyonu şeklinde olduğu için, oksidatif hasar da zincirleme şeklindedir. Bu zincirleme reaksiyon, yeni reaktif türler oluşturmakta ve bunlar da başka biyomoleküllere zarar vermektedir. Bu durum organizmada ilerleyen dönemlerde daha belirgin hal almaktadır. Oksidatif stres süresince üretilen reaktif türlerin yukarıda da belirtildiği gibi yaşlanmaya sebep olduğu bilinmektedir. Çünkü yaşlanmayla beraber reaktif oksijen türlerinin biyomoleküller üzerindeki oksidatif hasarında bir artış söz konusudur [3-7]. Organizmada oksidatif stres oluşturan değişik oksidanlara karşı antioksidan savunma sistemi vardır. Bu antioksidan savunma sistemi; serbest radikallerin aşırı üretilmesini engelleyerek, oluşan serbest radikallerin etkisini azaltarak veya oluşan oksidatif hasarı ya azaltarak ya da onararak etkisini gösterir. Bu sistemler, SOD, CAT ve GPX gibi endojen antioksidan enzimleri,

GSH’ı, seruloplazmin ve transferrin gibi metal bağlayıcı proteinleri, Zn ve Cu gibi antioksidan özellikteki bazı elementleri ve A, C, E gibi antioksidan vitaminleri içermektedir [8]. Antioksidan savunma sistemlerine sahip olan aerobik organizmalar, aerobik solunum ve substrat oksidasyonu sonucu olarak ürettiği reaktif oksijen türlerinin (ROT) oluşumunu engellemektedir. Hidroksil radikallerini (•OH), süperoksit anyonlarını (O2

• −) ve hidrojen peroksiti (H2O2) içeren reaktif oksijen türlerinin küçük miktarları, hem iç hemde dış uyarıcılara karşılık olarak aerobik organizmalarda sürekli olarak üretilmektedir [9, 10]. Antioksidanlar radikal oluşumunun sınırlandırılması, radikal reaksiyonlarının sona erdirilmesi, oluşan radikallerin etkisiz hale getirilmesi ve hasarlı moleküllerin ortadan kaldırılmasından sorumlu moleküllerdir. Reaktif oksijen türlerinin üretimi ve çeşitli antioksidan savunmaları arasındaki dengesizlik, antioksidanların yetersizliğinden ve/veya reaktif oksijen türlerin artan oluşumundan ortaya çıkan yukarıda bahsedilen oksidatif stresle sonuçlanır [11]. Antioksidanlar, genel olarak serbest radikal oluşumunu engelleyen maddeler olarak tanımlanmışlardır. Antioksidan savunma sistemi hücre içi ve hücre dışı olarak ikiye ayrılır. Hücre içi savunma sisteminin enzimatik antioksidanları, SOD, CAT ve GPX’tir. Enzimatik olmayan hücre içi antioksidanlar; GSH, membranlara bağlanabilen α-tokoferol ve β-karoten, askorbat, transferin, seruloplazmin ve bilirubindir. Hücre dışı savunma sistemi ise; metallotionin gibi serbest radikal yok edicileri ve Zn gibi iz elementlerden oluşur [8]. Bitkilerde farklı antioksidan bileşiklerin meydana geldiği bilinmektedir [12]. Doğal antioksidanlar bitkilerin yaprak, gövde ve tohumları başta olmak üzere bütün dokularında meydana gelebilmektedir. Doğal antioksidanların başlıcaları karetenoidler, vitaminler, fenoller, flavonoidler, glutatyonin ve endojen metabolitleridir. Bitki türevli antioksidanlar singlet ve triplet oksijen kuençeri, serbest radikal gidericisi, peroksit parçalayıcı, enzim inhibitörleri ve sinerjistler olarak görülürler [13]. Sebze ve meyveler birçok antioksidan bileşik içerirler [14,15]. Bu antioksidan bileşikler, tohumlarda, yapraklarda, çiçeklerde, köklerde ve kabuklarda bol miktarda bulunmaktadır [16]. Yapılan araştırmalarda bol miktarda sebze ve meyve tüketimi sonucu, hastalıklara yakalanma riskinin azaldığı, kalp-damar hastalıklarında, kanser vakalarında ve ölüm oranlarında kayda değer azalmalar olduğu bildirilmiştir [17].


R. Arıduru, G. Arabacı

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 241-246, 2013 243

Ciğertaze otu (Ada çayı) Salvia officinalis, Ballıbabagiller (Lamiaceae) familyasına ait türdür. 30-70 cm boyunda olan bitkinin menekşe renkli çiçekleri halka dizilişlidir. Karşılıklı olan beyaz keçeli yaprakları gümüş gibi parıldar ve acımtırak, ıtırlı bir koku yayarlar18. Bileşimlerinde antioksidan özellik gösteren Flavonlar vardır. Adaçayı aydınlatılmış bileşenleri, fenolik bileşenlerin üç sınıfı şeklinde gruplandırılabilir: Fenolik asitler (kaffeik asit ve rosmarinik asit), flavonoidler (apigenin), fenolik diterpenler (karnosik asit, rosmadial) 19. Türkiye’de genellikle Akdeniz Bölgesi’nde ve Ege Bölgesi’nde yetişen, başlık biçiminde çiçek açan, güzel kokulu bir bitkidir. Sadece Anadolu’da 90 kadar değişik türü yetişir. Dünyada, Orta Avrupa ve Balkanlar’da bulunur 20. Balkanlarda doğal olarak yetişen türüne yöresel olarak Ciğertaze otu denir. Adını karaciğer ve akciğer hastalıklarında tedavi amaçlı ‘Ciğeri tazeleyen’ anlamından alır. Bitkinin bazı önemli tibbi etkileri şöyle sıralanabilir: Mide bulantısını kesip, sindirimi düzenler. Karaciğer ve Akçiğer hastalıklarına şifadır. Göğsü yumuşatır, bademcik ve dişeti iltihaplarına iyi gelir. En etkili nezle ilacıdır. İçerdiği cineol gibi etkili maddeler sebebiyle öksürüğü engeller, tabii bir antibiyotiktir. Astımdaki sıkıntıları geçirir, kan temizleyici etkileri vardır. Yüksek tansiyonu düşürür, gece terlemelerin en aza indirir. Menopoz sıkıntılarını azaltır, iltihap kurutucu özelliği vardır 20. Ciğertaze otu, yapısında yukarıda bahsettiğimiz antioksidan fenolik bileşikleri içerdiğinden, yaptığımız çalışmada kaynak bitki olarak seçilmiştir. Şifa amaçlı da kullanılan birçok bitkinin fenolik açıdan zenginliği ve antioksidan aktivite taşıdığı bugüne dek birçok yayında yer almıştır [21-28].Bizde bu çalışmada; Türkiye’de de yetişebilen ve hastalıklara karşı çeşitli formlarında şifa amaçlı kullanılan halk bitkilerinden Adaçayı (Salvia officinalis)’nın Balkanlarda yetişen türü Ciğertaze Otu bitkisinin belirli sıcaklıkta kurutularak hazırlanan farklı çözeltilerdeki ekstraktlarının antioksidan aktivitelerini belirlemek amacıyla Folin Cioceltau reaktifi ile toplam fenolik madde içeriklerini ve DPPH serbest radikali giderim aktivitelerini belirledik.

2. MATERYAL VE METOD (METARIAL AND METHOD)

2.1. Kullanılan Materyal (Used Metarial) Ciğertaze otu (Ada çayı, Salvia officinalis),Sakarya’nın Yazlık köyünde Yugoslavyadan köküyle alınmış ve ekilip yetiştirilmiş bir bahçeden taze olarak temin edilmiştir. Temininden hemen sonra bitkinin yaprak kısımları ayrılıp yaprak kısımlarının analizine başlanmıştır. Kullanılan kimyasallar Sigma-Aldrich,

Merck firmalarından temin edilmiştir. Enzim aktivite çalışmaları Shimatzu UV-2401 PC UV-VIS model UV-Visspektrofotometre ile gerçekleştirilmiştir. 2.2. Bitkinin Ekstraksiyonlarının Hazırlanması (Preparation of the Plant's Extraction) Bitkisel materyal ortalama 45 ºC sıcaklık olmak üzere etüvde kurutulduktan sonra doğrayıcı ile iri toz haline getirilmiştir. Bitki:çözücü oranı 1:20 olacak şekilde çözücüleri eklenmiş ve 8 saat çalkantılı su banyosunda Süre sonunda çözelti Whatman tipi süzgeç kağıdından süzülmüştür. Süzüntülerin evaparatörde 50 ºC sıcaklıkta çözücüleri uçurulmuş, kalan katı maddenin tartımı alınarak stok çözeltiler hazırlanmıştır. Bu stok çözeltiler de 5000 rpm ‘de 15’er dakika santrifüjlenmiş ve çökeltilerinden ayrılıp buzlukta saklanmıştır. Stok çözeltilerin hazırlanması: Evaparatörde çözücülerin uçurulması işleminden sonra bitkinin kalan katı maddesi ekstrakte edildiği dört farklı çözeltisinde çözülerek hazırlanmıştır. Bu stok çözeltilerden istenilen konsantrasyonlarda seyreltmeler ise etil asetat ve metanol çözeltilerinde metanol ile etanol ve aseton çözeltilerinde ise etanol ile yapılmıştır. 2.3. Folin Yöntemiyle Toplam Fenolik Madde Tayini (Determination of Total Phenolic Content by Folin Method) Ekstreler içerisindeki toplam fenol miktarı Folin-Ciocaltaeu yöntemine göre yapılmıştır [29]. Yöntem modifiye edilerek kullanılmıştır veetil asetat ve metanol ekstraktlarının çözeltileri metanol ile etanol ve aseton ekstratlarının çözeltileri etanol ile hazırlanmıştır.0.5 ml örnek, 2.5 ml Folin Ciocaltaeu reaktifi (%10’luk, h/h, suda) ve 7.5 ml sodyum karbonat çözeltisi (%20’lik, a/h, suda) deney tüpüne karıştırılarak 2 saat 30 dakika oda sıcaklığında bekletilmiş ve süre sonunda numune çözeltilerin absorbansları UV Spektrofotometresi’nde 750 nm’de okutulmuştur. Standart olarak bir fenolik madde olan gallik asit kullanılmıştır ve fenolik madde miktarı gallik asite eşdeğer mg fenolik madde/g ekstre olarak hesaplanmıştır.Her aktivite tayininde ölçümler 3 kez tekrarlanmıştır. 2.4. DPPH Serbest Radikali Giderim Aktivitesi (DPPH Free Radical Activity) Bitki ekstrelerinin ve standart maddelerin serbest radikali giderim aktiviteleri DPPH serbest radikali kullanılarak belirlenmiştir [30]. Yöntem modifiye edilerek kullanılmış ve standart olarak Troloks ve BHT kullanılmıştır. 1 mL örnek içeren numunelerin üzerine DPPH’ın etanoldeki çözeltisinden (4 mg/100 ml) 4 mL


244 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 241-246, 2013

ilave edilmiştir. Kontrol olarak 1 mL etanol kullanılmıştır. Oda sıcaklığında 30 dk inkübasyondan sonra 517 nm’de absorbansları ölçülmüş ve örneklerin absorbans değerleri kontrole karşı değerlendirilmiştir. Serbest radikal giderim aktivitesi aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanılmıştır:

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (CONCLUSIONS AND DISCUSSIONS)

Yapılan çalışma sonucunda Ciğertaze Otunun antioksidan aktivitesi iki farklı tayin yöntemi ile belirlenmiştir. Tablo 1’de bitki ekstrelerinin toplam fenolik madde miktarları gallik esdeğere eşdeğer olarak verilmiştir. Toplam fenolik madde miktarı her ekstrakt için ayrı olup gallik asite eşdeğer mg fenolik madde / gram ekstre olarak bulunmuştur. Toplam fenolik madde tayini olarak en yüksek değer etanol ekstratında gözlenmiştir ve çözücü farklılığına göre etanol ekstraktı > metanol ekstraktı > etil asetat ekstraktı >aseton ekstraktı şeklinde sıralanmıştır. Fenollerin hidroksil gruplarının serbest radikalleri yok etme gücü sebebiyle çok önemli bitki bileşenleri olduğu açıklanır [31]. Çalışmalar çok çeşitli türde toplam fenol ve antioksidan aktivite arasında paralel bir ilişki olduğunu gösteririr [32].

Tablo 1. Bitki Ekstrelerinin Toplam Fenolik Madde Miktarları ( Fenolik madde miktarı: Standart gallik asite eşdeğer olupmg fenolik madde / gram ekstre olarakifade edilmiştir. )

DPPH serbest radikali giderim aktivitesinin incelendiği çalışmada DPPH serbest radikali giderim aktivitesi 1000 μg / mL konsantrasyonda tayin edilmiştir ve standart olarak kullanılan BHT ve Troloksa göre aktivite karşılaştırılmaları yapılmıştır. Sonuçlara göre en yüksek DPPH giderim aktivitesini, BHT % 91, 64 (± 0,15) değerinde göstermiştir. İkinci sırada gelen Ciğertaze otu metanol ekstraktı % 90,89(± 0,12) değeri ile % 90,32 ( ± 0,11) değerinde aktivite göstermiş olan Troloks standartından daha yüksek bir aktivite göstermiştir. Bununla beraber % 90,48 ( ± 0,23) değerinde antioksidan aktivite gösteren etil asetat ekstraktının da Troloks standardıdan daha yüksek aktivite gösterdiği görülmüştür. Şekil 1’de görüldüğü gibi Ciğertaze otunun

tüm çözücü ekstraklarının yüksek DPPH giderim aktivitesi gösterdiği ve sonuçların çözücü farklılığına bağlı olarak değiştiği görülmüştür. DPPH serbest radikali giderim aktivitesinin çözücü farklılığına göre sıralaması metanol ekstraktı > etil asetat ekstraktı > etanol ekstraktı > aseton ekstraktı şeklinde kaydedilmiştir.

Şekil 1. Bitki Ekstrelerinin DPPH Serbest Radikali Giderim Aktivitesi % İnhibisyon Değerleri

4. TARTIŞMA (DISCUSSION)

Bu çalışma ile, Ciğertaze otu bitkisinin, çeşitli çözgenlerdeki ekstraksiyonlarında toplam fenolik madde içeriklerive fenolik madde profilleri ortaya konularak antioksidan aktiviteleri belirlenmiştir. Ciğertaze otunun fenolik yapı miktarı 2 farklı spektrofotometrik yöntemle analiz edilmiş ve hesaplanan değerler kaydedilmiştir. Örneklerin içeriğindeki fenolik bileşiklerin eldesinde ve buna bağlı olarak maksimum antioksidan aktivitesine ulaşılmasında ekstraksiyon yönteminde kullanılan çözgen farklılığının, sonuçları ne oranda etkileyip etkilemediği araştırılmasında varılan en genel sonuç bitkinin etanol ekstre analiz ile metanol ekstre analiz değerlerinin, etil asetat ekstre analiz ve aseton ekstre analiz değerlerinden daha yüksek aktiviteler gösterdiğidir. Bitkisel örneklerin yapısal farklılıkları nedeniyle ektraksiyon yöntemlerinde her örnek için tek bir çözgen sisteminin kullanımından bahsetmek mümkün olmamaktadır. Elde edilen sonuçların da açıkça ortaya koyduğu gibi, analizlerde farklı çözgenlerle çalışarak en uygun çözgen seçibilir ki bu sayede, bitkilerin antioksidan kapasitesi hakkında doğru ve yüksek sonuçlar elde edilebilir. Miliauskas vd. bazı aromatik bitki ekstraktlarıyla yaptıkları çalışmada aseton, metanol ve etil asetat ekstraktları arasında DPPH radikali gidermede en etkili ekstraktın metanol ekstraktı olduğunu bildirerek, antiradikalik aktiviteyi TFC içeriği ile ilişkilendirmişlerdir [33]. Benzer şekilde Shon vd. da sıcak su ve metanolekstraktlarının bütanol, etil asetat ve kloroform ekstraktlarından daha iyi DPPH


R. Arıduru, G. Arabacı

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 241-246, 2013 245

radikalgiderdiğini bildirmişlerdir [34]. Çalışmamızın yukarıdaki çalışmalar ile benzer özellik göstermiş metanol ekstraktı etanol, etil asetat ve aseton ektraktlarından hatta standart Trolokstan bile iyi aktivite gösterdiği görülmüştür. Kuzukulağının yapraklarından elde edilen ekstraktların DPPH giderme aktiviteleri analizlendiği bir çalışma ile karşılaştırma ise Kuzukulağını 1000 μg/mL konsantrasyonu için su ekstraktında % 45,21, etanol ekstraktında % 79,68 ve aseton ekstraktında % 43,94 olarak bulunurken çalışmamızda aynı konsantrasyonda etanol ve aseton ekstraklarında daha iyi sonuçlar gözlenmiştir [21]. Toplam fenolik madde miktarı Chen vd.’in dört çeşit nutrosötik bitki yapraklarının su ekstraktlarıyla yaptıkları antioksidan aktivite çalışmalarında 64,95-185,04 GAE mg/g aralığında [35], Wong vd.’in 30 çeşit medikal bitkide yaptıkları çalışmada ise su ektraktları için 2.4-50,8 mg GAE/g, metanol ekstraktı için 1,3-36,4 mg GAE/g olarak [36] tayin edilmiştir. Çalışmamıza benzer olarak yapılan çalışmalardan da anlaşılacağı gibi bitki farklılıkları, çalışmamızda etkisini gördüğümüz çözücü farklılıkları fenolik madde miktarını doğrudan etkilemektedir. Fenolik madde ve flavonoid miktarları ile antioksidan kapasitesi tayin yöntemleri arasında ilişki mevcut olabilir. Özellikle radikal yakalama temeline dayalı DPPH gibi metotların toplam fenolik madde ve flavonoid miktarları ile ilişkisi bazı bitkisel yapılarda önemli olabilir. Fenolik asitler ve flavonoidler polar çözücülerde çözünürler ve polar sistemlerde güçlü aktivite gösterirler. DPPH radikal süpürücü etki testleri de polar ortamlarda yapılmaktadır. Bu nedenle de bu bileşiklerce zengin ekstraksiyonlar bu deney sistemlerinde etkili olarak bulunmuşlardır. DPPH radikali bununla birlikte antioksidan kapasiteleri ile fenolik bileşikler ve flavonoidler arasında da önemli farklılıklar söz konusu olabilir. Bitkisel kaynakların antioksidan kapasitelerini değerlendirirken bu ilişkilerin de irdelenmesi önerilmektedir. Sonuçlara göre, çalışılan bitkilerin çözücülere göre fenolik madde içeriğindeki farklılıkların, gösterdikleri antioksidan özelliklerini etkilediği açıkça görülmüştür. Bunun yanında yüksek fenolik madde miktarına ve yüksek radikal yakalama aktivitesine sahip olmanın, birbirleri ile % 100 paralel olmadığı görülmüştür. Çalışmamızda da etanol ekstraktın fenolik madde miktarının en yüksek olduğu fakat DPPH serbest radikali giderim aktivitesinin metanol ve etil asetat ekstraktlarından düşük olduğu görülmüştür. Böylelikle tek bir yöntemle antioksidan aktivitesi hakkında karar vermenin dogru bir yaklaşım olmadığı anlaşılmakta ve buna göre antioksidan aktivitesi belirlenirken, farklı yöntemler kullanılması, farklı metotların uygulanması ve

elde edilen aktivite sonuçlarının, her bir özelliğe göre verilmesinin daha doğru bir yaklaşım olacağı düşünülmektedir.


[1] Halliwell B., Gutterıdge JMC., “Role Of FreeRadicals and Catalytic Metal Ions in Human Disease: AnOverview.” In: Methods inEnzymology,186, 1-85, 1990.

[2] Papas, A.M., Determinants of Antioxidant Status in Humans Lipits, 31, 77-82, 1996.

[3] Şerbetçi H.,Meyan (Glycyrrhiza glabra l.) Bitkisinin Antioksidan Kapasitesinin Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum 2007.

[4] Berlett, B.S., Stadtman, E.R, Protein Oxidation in Aging, Disease, and OxidativeStres. The Journal of Biological Chemistry, 272, 20313-20316, 1997.

[5] Szweda, P.A., Friguet, B., Szweda, L.I., Proteolysis, Free Radicals, and Aging. FreeRadical Biology andMedicine, 33, 29-36, 2002.

[6] Sohal, R.S., Role of Oxidative Stress and Protein Oxidation in the Aging Process.Free Radical Biology and Medicine, 33, 37-44, 2002.

[7] Grune, T., Jung, T., Merker, K., Davies, K.J.A.,Decreased proteolysis caused byprotein aggregates, inclusionbodies, plaques, lipofuscin, ceroid, and‘aggresomes’ during oxidative stress, aging, and disease. The InternationalJournal of Biochemistry and Cell Biology, 36, 2519-2530, 2004.

[8] Düzgüner, V., Deneysel olarak diyabet olusturulan tavsanlarda çinkonun lipid peroksidasyonu ve antioksidan sistem üzerine etkisi, Yüksek Lisans Tezi, M.K.Ü. Saglık Bilimleri Enstitüsü, Fizyoloji (VET) Anabilim Dalı,2005.

[9] Hurst, R., Bao, Y., Jemth, P., Mannervık, B., Wıllıamson, G., Phospholipid hydroperoxide glutathioneperoxidase activity of rat class Theta glutathione transferase T2-2, Biochem Soc Trans, 25: S559, 1997.

[10] Mills, EM., Takeda, K., Yu, ZX., et al. Nerve growth factor treatment prevents the increase in superoxide produced by epidermal growth factor in PC12 cells, J Biol Chem,273:22165-8, 1998.

[11] Eren E., Bazı Soğansı Bitkilerin Antioksidan Aktivitelerinin Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2011.


246 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 241-246, 2013

[12] Ramarathnam, N., Osawa, T., Namiki, M. and Kawakishi, S., 1988. Chemical studieson novel rice hull antioxidants. 1. Isolation, fractionation, and partialcharacterization. J. Agric. Food Cem., 36, 732-737.

[13] Larson, R. A.,The antioxidants of higher plants. Pytochemistry, 27 (4), 969-978, 1988.

[14] Cao,G., Sofic, E. And Prior, P., Antioxidant and prooxidant behaviour off flavonoids: Structure - activity relationships.Free Radical Biol.Med., 22, 749-760.

[15] Wang, H., Cao, G. and Prior, R.L., Total antioxidant capacity of fruits. J. Aric Food Chem., 44, 701-7051996.

[16] Pratt, D.E., Hudson, B.J.F., Natural antioxidants not exploited commercially infood antioxidants.; Hudson B.J F.; Ed.; Elsevier; Amsterdam, 17-1921990.

[17] Ak T., Curcumin’in Antioksidan ve Antiradikal Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, 2006.

[18] tr.wikipedia.org [19] www.50mucizebitki.com [20] Santos-Gomes, P. C., Seabra, R.M., Andrade,

P.B., Fernandes-Ferreira, M., “Phenolicantioxidant compounds produced by in vitro shoots of sage”, Plant Science, 162: 981- 987, 2002.

[21] İşbilir Ş.S., Yaprakları Salata-Baharat Olarak Tüketilen Bazı Bitkilerin Antioksidan Aktivitelerinin İncelenmesi,Doktora Tezi, Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Edirne 2008.

[22] Prıor Rl., (1998): “Antioxidant capacity and health benefits of fruits and vegetables.” NABC Meetings in Portland, Oregon.

[23] Nehir El S., Karakaya S., Taş AA., (1999): “Bazı gıdalardaki fenolik bileşiklerin antioksidan etkilerinin in vitro koşullarda saptanması.” TÜBİTAK Projesi

[24] Frankel EN., “Naturel phenolic antioxidants and their impact on health.”Chapter 25, p.393-410 In:Antioxidant Food Supplements in Human Health, Ed: Packer L., Hiramatsu M., Yoshikawa T., Elsevier Inc, 1999.

[25] Halvorsen BL., Holte K., Myhrstad MCW., Barıgmo I., Hvattum E., Remberg Sf. vd.,: “A systematic screening of total antioxidants in dietary plants.” The Journal of Nutrition, 132(3), 461-471, 2002.

[26] Opara EC., Rockway SW.,“Antioxidants and micronutrients”. Disease aMonth, 52, 151-163, 2006.

[27] Orak HH., “Total antioxidant activities, phenolics, anthocyanıns,polyphenoloxidase activities and its correlation of some important red

wine grapevarieties which are grown in Turkey.”, Electronic Journal of Polish AgriculturalUniversities,Topic:FoodScience andTechnology,9(1),http://www.ejpau.media.pl/volume9/issue1/art-18.html, 2006.

[28] Özcan MM., Baydar H., Sağdıç O., Özkan G., “Türkiye’de ticari açıdan önemli Lamiaceae familyasına ait baharat veya çeşni olarak kullanılan bitkilerin fenolik bileşenleri ile antioksidan ve antimikrobiyal etkilerinin belirlenmesi.” TÜBİTAK Projesi, No:TOGTAG-3319, Konya, 2007.

[29] Gamez-Meza, N., Norıega-Rodrıguez, J.A., Medına-Juarez,L.A., Ortega-Garcia, J., Cazarez-Casanova, R., Anguloguerrero,O.: J.A.O.C.S., 76, 1445, 1999.

[30] Bloıs M. S., Antioxidant determinations by the use of a stable freeradical, Nature, 181: 1199–1200, 1958.

[31] Hatano, T., Edamatsu, R., Mori, A., Fujita, Y., Yasuhara, E.; Effect of interaction of tannins with co-existing substances. VI. Effectsof tannins and related polyphenols on superoxide anion radical and onDPPH radical. Chemical and Pharmaceutical Bulletin 37, 2016–2021, 1989.

[32] Vınson, J.A., Yong, H., Xuchuı, S., Zubik, L.; Phenol antioxidantquantity and quality in foods: vegetables. Journal of Agricultural and FoodChemistry 46, 3631–3634, 1998.

[33] Miliauskas G., Venskutonıs PR., Van beek TA., “Screening ofradical scavenging activity of some medicinal and aromatic plant extracts.” FoodChemisrty, 85, 231-237, 2004.

[34] Shon MY., Kım TH., Sung NJ.,“Antioxidants and free radical scavengingactivity of Phellinus baumii (Phellinus of Hymenochaetaceae) extracts.” FoodChemistry, 82, 593-597, 2003.

[35] Chen HY., Lın yc., Hsıeh Cl., “Evaluation of antioxidant activity of aqueous extract of some selected nutraceutical herbs.” Food Chemistry, 104, 1418-1424, 2007.

[36] Wong CC., Lı HB., Cheng KW., Chen F., “A systematic survey of antioxidant avtivity of 30 Chinese medicinal plants using the ferric reducing antioxidant power assay.” Food Chemistry, 97, 705-711,2006


Sofalıca bölgesi (Gaziantep) krom madeni üzerinde mikrogravite anomalilerinin normalize tam gradyent ve doğrusal olmayan ters çözümle

modellenmesi

Birgül Kınalıbalaban1*, Günay Beyhan2, Can Karavul2

1Adapazarı Belediyesi, Sakarya 2Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği, Sakarya


ÖZET

Bu çalışma, Gaziantep ili, Şehitkamil ilçesi, Sofalıca Köyü’nde var olduğu düşünülen krom metalik madeninin gravite yöntemiyle yerinin tespiti ve ekonomik bir rezerve sahip olup olmadığını araştırmak amacıyla yapılmıştır. Yaklaşık 189 hektarlık çalışma alanında 220 ölçüm noktası üzerinde gravite ölçüleri alınmıştır. Oluşturulan bouguer gravite haritasından rejyonal ve rezidüel ayrımı yapılarak rezidüel harita üzerinde kaynak oluşturulabilecek muhtemel bölgelerden kesitler alınmıştır. Ters çözüm öncesi uygun başlangıç modelinin seçilebilmesi amacıyla NTG yöntemi yapılmıştır. Alınan kesitler üzerinde yapılan ters çözüm uygulaması sonucu poligon yapısı şeklinde 125 metre ile 450 metre aralığında uzunlukta, 25 metre ile 70 metre aralığında kalınlığında geometrik yapıların varolduğu tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Krom, Mikrogravite, Ters Çözüm, NTG

Sofalica region (Gaziantep) chromium on microgravity anomalies modelling of normalized full gradient and nonlinear inversion

ABSTRACT

In this study, the province of Gaziantep, Şehitkamil district, there are thought to be chrome-metallic mine in the village of Sofalıca the localization of gravity and economical method was to investigate whether it has a reserve. Approximately 189 hectares of land gravity measurements over the measurement point in the study area was 220. By differentiating regional and residual Bouguer gravity map of the generated residual maps were obtained on areas likely to be created on the source. The inversion method of pre-NTG was required for the selection model is the appropriate start. On the structure of polygon slices as a result of application received in the form of the inversion in the range of 125 meters and 450 meters long, 25 meters to 70 meters in thickness in the range of existence of geometric structures have been identified. Keywords: Chromium, Microgravity, Inversion, NTG


B. Kınalıbalaban, G. Beyhan, C. Karavul Sofalıca bölgesi (gaziantep) krom madeni üzerinde mikrogravite anomalilerinin normalize tam gradyent ve

doğrusal olmayan ters çözümle modellenmesi

248 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 247-255, 2013


Bu çalışma, Gazinatep ili, Şehitkamil ilçesi, Sofalıca köyü bölgesinde çeşitli arazi gözlemleriyle var olduğu muhtemel krom madeninin yerinin tespiti ve cevherin ekonomik bir rezerve sahip olup olmadığını araştırmak amacıyla yapılmıştır. Jeofizik biliminin madenlerin aranmasında kullanılması 1640 yılına kadar uzanır. Bu tarihte İsveç’te demir madeni aramalarında pusula kullanıldığına ilişkin kayıtlar mevcuttur. Demir madeni aramaya yönelik özel mıknatıs iğnelerin kullanım tarihi ise 1860 yılına kadar inmektedir. Maden aramalarında en çok kullanılan yöntemler önem ve kullanım yoğunluğu bakımından sırasıyla; elektrik-elektromanyetik yöntemler, manyetik yöntem, gravite yöntemi, radyometrik yöntem ve kuyu ölçmeleridir. Gravite yöntemi jeofizik yöntemlerin başında gelmekle beraber, çok fazla kullanım alanı olan bir yöntemdir. Derin yapıların araştırılmasında da gravite yöntemi yaygın olarak uygulanır [1]. Yöntem ilk olarak yerin ortalama yoğunluğu ve kütlesi için hesaplamalar yapılarak ortaya çıkmıştır [2].

Gravite yönteminin düşük olan çözünürlüğü ölçüm alımı sırasında veri hassasiyetinin gereğinden daha düşük olmasıdır. Bu nedenle miligal seviyesinde ölçüm yapılan gravite yönteminden, mikrogal seviyesinde ölçüm yapabilen Mikrogravite yöntemi türemiştir. Mikrogravite yöntemi kuramsal olarak gravite yönteminden çok fazla ayrılmazken, uygulamada ve değerlendirmede çok daha

hassas ölçü alması ve yüksek çözünürlük sunması nedeni ile kullanım yerleri açısından daha geniş bir yelpazeye sahiptir. Gravite ölçülerinden elde edilen gravite değerlerinin jeolojik yorumunun yapılabilmesi için gravite anomalilerinin ayrılması ve gravite alanı dönüşümleri sıkça bir şekilde kullanılmaktadır. Bu konu üzerine yapılmış pek çok çalışma vardır [3- 12]. Normalize Tam Gradyent yöntemi yorumlamada, gözlenen anomalilerin kaynak derinliklerinin bulundukları seviyelere uzanımlarının yapılması ve böylece kaynak etkilerinin yükseltilerek ilgili derinliklerde ayrıntılı görüntülerin elde edilmesi sıkça uygulanan bir işlemdir. Bu işlem “aşağı analitik uzanım” olarak bilinir ve uzun yıllar boyunca yaygın bir şekilde kullanılan yorumlama tekniğidir. Bir ölçüm düzleminden itibaren potansiyel alan verilerinin aşağı uzanımıyla, ölçülen veriler içindeki belli dalga uzunluklarına sahip genliklerin etkilerinin yükseltilmesi amaçlanır. Yöntemin en önemli güçlüğü bu noktada başlar. Çünkü uzanım işlemi sırasında kaynak derinliklerine yaklaştıkça ve kaynak derinliği geçildikçe singülaritelerin ortaya çıkmasıdır [13]. Son yıllarda aşağı uzanımın hesaplamalarında hızlı ve etkili algoritmalar geliştirilmiştir [14–16]. NTG yöntemi 1960’lı yılların ortalarından itibaren, özellikle gravite verilerinden petrol rezervuarlarının saptanmasında etkili bir şekilde kullanılmıştır [17–28]. Jeofizik modellemede ters çözüm yöntemine ait temel ilkeler [29, 30] tarafından ayrıntılı olarak verilmiştir. Jeofizikte gravite ve manyetik verilerin ters çözümü pek çok araştırmacı tarafından başarı ile uygulanmıştır [31, 32]. 1941 yılında, Küba Adası’ndaki Camaguey krom sahasından daha fazla kromit elde etmek amacıyla bu sahada gravimetrik ve manyetik yöntemlerle araştırmalar yapılmıştır [33- 35]. Arizona, Bisse’de 1948 yılında Frost gravimetresi kullanılarak bu alanda ilk kez gravite çalışması yapılmıştır. Bu metodu seçmedeki amaç; bu bölgedeki kayaçların fiziksel özellikleri incelendiğinde yoğunluğu yüksek sülfit kütlelerinin bulunmasıydı. Bu çalışmada daha sonra da daha portatif olduğu için Worden gravimetresi kullanılarak tekrar edilmiştir. Cevherin sınırlarını belirlemek amaçlı gravite metodu uygulanmıştır [36- 39].

Şekil 1. Yer bulduru haritası ve çalışma alanı(Location map and studyarea)

Sofalıca bölgesi (gaziantep) krom madeni üzerinde mikrogravite anomalilerinin normalize tam gradyent ve doğrusal olmayan ters çözümle modellenmesi

B. Kınalıbalaban, G. Beyhan, C. Karavul

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 247-255, 2013 249

2. BÖLGENİN JEOLOJİSİ VE KROM CEVHERİ (REGIONAL GEOLOGY AND CHROME ORE)

Gaziantep Bölgesinde, en altta allokton konumlu, Karadut Karmaşığı, Koçali karmaşığı ve ofiyolitnapı; bunların üzerinde de otokton konumlu Kretase yaşlı Besni ve Germav Formasyonları, Tersiyer yaşlı Belveren, Beşenli, Aslansuyu ve Ardıçlıtepeformasyonları, Midyat grubu (Gercüş, Hoya, Gaziantep ve Fırat formasyonları), Şelmo Formasyonu, Yavuzeli Bazaltı ve Harabe formasyonu yüzeylenir. Çalışma alanı Koçali Karmaşığı içinde yer almaktadır. Koçali Karmaşığı ise ultrabazik kayalar, volkanitler, serpantinit, radyolarit, çörtlü kireçtaşı ve farklı yaşlarda kireçtaşı bloklarından oluşan bir birim olup, düzensiz bir iç yapı gösterir. Egemen kaya türü ultrabazikler ve serpantinitlerdir. Bunlar, koyu kahve-koyu yeşil renkli, oldukca parçalanmış, parlak yüzeyli, genellikle serpantinleşmişlerdir.

Şekil 2. Çalışma alanı ve çevresinin jeoloji haritası (Study area and geological map of its surroundings)

Koçali Karmaşığı, inceleme alanında Karadut Karmaşığı üzerinde yer almaktadır. Üzerinde ise Üst Maastrihtiyen -Alt Paleosen yaştaki Germav Formasyonu uyumsuz olarak gelmektedir. Karmaşığın oluşum yaşını belirleyecek veriler harita alanında elde edilememiştir. Ancak Tuna (1973)’ e göre Karmaşığın içindeki radyolaritli seviyelerle birlikte bulunan kireçtaşlarından elde edilen fosillere göre birimin yaşı, Üst Jura-Alt Kretase’dir [40]. Yer kabuğunun doğal bileşenlerinden biri olan krom; metalürji, kimya ve refrakter sanayinin temel elementlerinden biridir. Krom periyodik cetvelde IV A grubunda yer alır ve atom numarası 24’tür. Ekonomik olarak işletilen tek krom minerali kromittir. Kromit, bileşiminde krom ile demir bulunan koyu gri bir madendir. Kromun tüm bileşikleri renklidir ve bazıları renk maddesi olarak kullanılır. Kromun asgari ve azami yoğunluğu; 3.41- 4.1 gr/cm3, ortalama yoğunluğu ise 4.0 gr/cm3 olarak verilmiştir. Kromun yan kayacı olan

serpantinin asgari ve azami yoğunluğu; 2.4- 2.78 gr/cm3, ortalama yoğunluğu ise 2.50 gr/cm3 olarak delirtilmiştir [41]. Kromit minerali ve krom yatakları kökensel olarak ilişkili oldukları ultrabazik kayaçlar içinde bulunurlar. Ultrabazik kayacın (dunit, serpantinit) oluşturduğu hamura (gang) gömülü kromit kristalleri krom cevherini oluşturmaktadır. Ultrabazik hamur malzemesi içinde kromit kristallerinin ve/veya tanelerinin bulunuş yoğunluğu, sergiledikleri doku ve yapı özellikleri krom cevherinin masif, saçılmış (dissemine), nodüllü, orbiküler, bantlı, masif bantlı ve dissemine bantlı gibi nitelendirilmelerini sağlar.

3. KULLANILAN TERS ÇÖZÜM MODELLEME TEKNİKLERİ (USED REVERSE MODELING

TECHNIQUES SOLUTION)

Genel anlamda ters çözüm, yanıtı bilinen bir problemi tanımlamaktır. Temel ve mühendislik bilimlerde bir fiziksel sistem içerisinde belirli uzaklık veya zaman aralıklarında yapılan çeşitli ölçümlerden bir dizi sayısal veri elde edilmektedir. Bu verilerin kaynağına inilerek, verilere neden olan değişkenlerin bulunması işlemi temelde bir ters problem çözümüdür [42]. Ters çözüm modelleme işleminde, yanıta neden olan kaynak modellenmektedir. Sonuç olarak ters çözüm, veri ortamından bilinmeyen model ortamına bir geçiş işlemidir. Jeofizikte ters çözüm, doğrusal ve doğrusal olmayan ters çözüm olarak iki kısımda incelenir. “doğrusal” ve “doğrusal olmama” kavramları, model parametreleri ile gözlem verileri arasında ilişkiye bağlı olarak tanımlanan kavramlardır. Gözlem verileri ile model parametreleri arasında doğrusal ilişki bulunmadığında, problem doğrusal olmayan bir özellik kazanmaktadır. Doğrusal olmayan sistemlerin çözümünde sayısal analiz yöntemleri içerisinde tek ve belirli bir algoritma yoktur. Bu nedenle en ideal yaklaşım, problemin doğrusallaştırılarak çözülmesidir. Bu işlem bir başlangıç parametresi civarında Taylor serisine açılarak yapılmakta ve aranan parametreler yinelemeli olarak geliştirilmektedir [42]. Yinelemeli ters çözüm işleminde, yinelemeye başlayabilmek için bir başlangıç modeline ihtiyaç vardır. Başlangıç parametre değerlerinin seçimi ters çözümde istenen yakınsamanın sağlanması açısından önemli faktörlerden birisidir. Bu konuda yapılacak kötü bir seçim, parametre kestirim işleminde her bir yineleme adımında gittikçe artan bir ıraksamaya neden olabilir. Problemin en zor yanı böyle bir modelin seçimidir. Bu

1/100000



250 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 247-255, 2013

seçim genellikle gözlem verilerinin karakteristik değişiminden, sondaj ve jeolojik bilgilerden ve diğer jeofizik verilerin yardımıyla yapılabilir. Ayrıca probleme özgü bazı özel yöntemler veya bazı özel kabullerle de böyle bir seçim yapılabilmektedir. Kötü koşullu sistemlerle ters çözüm işleminde p

parametre düzeltme vektöründe sınırsızca ve duraysız değişimler gözlenmektdir. Bu nedenle parametre

düzeltme vektörünün elemanlarının enerjisini 2

0 gibi

sonlu bir nicelik ile sınırlamak amacıyla bir kısıtlama koşulu konulabilir. Bu yaklaşım önce Levenberg (1944) tarafından ortaya atılmış ve daha sonra Marquardt (1963 tarafından ayrıntılı bir şekilde tartışılmıştır. Yöntemin

temeli, 2

0 kısıtının etkisi ile çözüm içindeki sınırsız

titreşimleri “söndürmeye” dayandığından, Sönümlü Enküçük Kareler yöntemi olarak adlandırılır. İki boyutlu rastgele şekilli yapıların gravite anomalilerinin hesaplanmasına yönelik çözüm algoritması ilk kez Talwani ve diğ. (1959) tarafından geliştirilmiştir. Bu algoritmaya göre rastgele şekilli bir yapı silindirik bir poligonla temsil edilmektedir. Burada her bir poligon kenarı bir çizgisel elemanı temsil etmekte ve tüm poligonun bir gözlem noktasındaki gravite değeri, her bir poligon kenarının etkilerinin toplamlarından bulunmaktadır. Bu işlem tüm gözlem noktalarında yürütüldüğünde poligonun profil boyunca gravite anomalisi hesaplanmaktadır. Algoritmanın temeli, kütle yüzeyi üzerinde bir integrasyon işlemini gerektirmektedir. NTG yöntemi, gravite verilerinin normalize edilmiş tam gradyan değerlerinin aşağı doğru analitik uzanımına dayanmaktadır. Analitik uzanım, ölçülen gravite alanında birbirinden ayırt edilemeyen yapıların anomalilerini ayırt etmektedir. Gravite potansiyeli ve türevleri ise anomaliye neden olan kütle yakınındaki tekil (±) noktalarda analitiklik özelliklerini kayıp etmektedirler. Kütlenin içerisine veya kenarlarına düşen tekil noktaların bilinmesi, anomaliye neden olan kütlenin geometrisini ve konumunu belirlemeye yarar. Gözlenen gravite verilerinin aşağı doğru analitik uzanım değerlerinde anomaliye neden olan kütle geçilirken düzensiz değişimler gösterir. Bu düzensiz değişimlerin başlangıç değeri, anomaliye neden olan kütlenin üst yüzeyine olan derinliği belirtmektedir. Gravite değerlerindeki hataların aşağı doğru analitik uzanım değerlerinde derinlik arttıkça daha etkili olması ise bu yöntemin kullanımını sınırlar [13]. Potansiyel alan verilerinde küçük frekanslı bileşenleri korumak için alt harmonik çoğunlukla 1 alınır. Üst harmonik sınır değeri ise genellikle deneme-yanılma ile

bulunur [13]. Yuvarlatma terimi de NTG yöntemi için önemli bir parametredir. Bununla beraber yuvarlatma terimi büyüdükçe NTG kesitlerinde maksimum ve minimum kontur kapanımları da derinleşmektedir. Buna göre yuvarlatma teriminin seçiminin, üst harmonikle birlikte değerlendirilmesi daha yararlı olacaktır [13]. NTG kesitlerinde optimum yuvarlatma terimi ve üst harmoniğin seçilmesi durumunda elde edilecek olan maksimum NTG zonlarından, iki boyutlu poligonal ters çözüm için iyi bir başlangıç modeli seçilebilir. Doğrusal olmayan ters çözümle ilgili olarak duyarlılık matrisinin modelleme işlemi içerisinde oldukça önemli bir matris olduğu anlaşılmaktadır. Bu matris, bir model tasarımına bağlı olarak modele ait fonksiyonun modelin bilinmeyenlerine göre birinci dereceden kısmi türevlerinden oluşmaktadır. Matrisin elemanları, bilinen model fonksiyonun analitik yolla türev bağıntılarının çıkarılmasıyla hesaplanmıştır. Ancak jeofiziğin bazı alanlarında model fonksiyonlardan türevleri analitik olarak hesaplamak oldukça zor ve hata yapma olasılığı yüksek olabilir. Bu nedenle analitik türev yerine, daha kolay bir şekilde hesaplanabilen sayısal türevler kullanılabilmektedir. İleri ve geri farklarla elde edilen türev bağıntılarının hata terimlerine dikkat edildiğinde hataların merkezi farkla elde edilen türevlere göre daha büyük olduğu açıkça görülmektedir. Bu durumda sayısal türev için merkezi farklar yöntemi diğerlerine göre daha iyi bir yaklaşımla çözüm sunmaktadır [42]. Gravite anomalilerinin hesaplanması için kullanılan basit geometrik şekilli modeller (küre, silindir, v.b.), gerçek anomali kaynaklarının kabaca temsil edildiği modellerdir. Gelişen bilgisayarlar ve algoritmalarla beraber, karmaşık şekilli jeolojik yapıları olabildiğince en iyi yansıtan modellerin anomalileri hesaplanabilmektedir. 4. GRAVİTE ÇALIŞMASI, VERİLERİN YORUMU

VE MODELLENMESİ (GRAVITY WORK, DATA INTERPRETATION AND MODELLING)

Bu çalışmada metalik maden araştırma amacıyla jeofizik yöntemlerden gravite kullanılmıştır. Gravite ölçümleri CG–5 SCINTREX Autograv sistemiyle yapılmıştır. Profil aralıkları ve ölçüm noktaları arasındaki uzaklıklar 100’er metre alınmış ve toplam 220 ölçü noktası oluşturulmuştur (Şekil 3). Oluşturulan bu ölçü alanı toplam 189 hektardır.



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 247-255, 2013 251

Şekil 3. Çalışma alanında alınan mikrogravite ölçüm noktalarının krokisi (Micro-gravity measurement point got from study area)

Şekil 4. Bouguer gravite haritası (Bouguer gravity map)

Çalışma alanından alınan gravite ölçü değerlerine enlem, yükseklik ve topoğrafya düzeltmeleri uygulanmıştır. Bu düzeltmelerden yükseklik ve topoğrafya düzeltmelerinin yapılabilmesi için sahanın ortalama yoğunluğunun bilinmesi gerekir. Saha yoğunluğu 3 gr/cm3 olarak saptanmıştır. Söz konusu düzeltmelerden sonra her bir ölçü noktasının Bouguer anomali değerleri hesaplanmıştır. Bouguer değerleri 0.02 km grid aralıklarında hesaplanarak Surfer yazılımı kullanılarak haritalanmıştır (Şekil .4). Gravite anomali haritasında yüksek genlikli gravite değerleri çalışma alanınn daha çok GGD kesiminde toplanmaktadır. Batıya doğru yerel genlik yükselimleri gözlense de söz konusu kesimdeki kadar şiddetli kapanımlar oluşmamıştır. Yüksek genlikli anomalilerin kromit cevherinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Bouguer anomalileri rejyonal (trend) ve rezidüel etkilerin birleşkesidir. Rejyonal ve rezidüel anomaliler ise yeraltındaki farklı derinliklerde yer alan farklı yoğunluklu cisimlerin etkileridir. Rejyonal bileşen alçak frekanslı derin kütlelerin, rezidüel bileşen ise yüksek frekanslı sığ kütlelerin etkisinden kaynaklanmaktadır. Rejyonal anomaliler Bouguer anomali haritasında yavaş bir değişim, rezidüel anomaliler ise daha hızlı bir değişim gösterir. Araziden elde edilen Bouguer anomali haritasını daha iyi yorumlayabilmek için rejyonal ve rezidüel etkiyi birbirinden ayrılmalıdır. Bu ayırma işlemi için en küçük kareler yöntemi kullanılmıştır. Diğer bir deyişle Bouguer anomali haritasına 4. derece trend çakıştırma işlemi yapılmıştır. Bu işlem aynı zamanda rejyonal veriyi temsil eder (Şekil 5). Şekil 6 ise Bouguer anomali haritasından

trend haritasının çıkarılmasıyla elde edilen rezidüel anomali haritası çizilmiştir.

Şekil 5. Rejyonal gravite haritası (Regional gravity map)

Şekil 6. Rezidüel gravite haritası (Residual gravity map)

Rezidüel haritaya bakıldığında gravite değerlerinin -4 mgal ile 4 mgal arasında değiştiği görülmektedir. Rezidüel haritada kırmızı renkli alanlarda krom cevherinin yoğun olduğu düşünülmektedir. Bouguer haritasında olduğu gibi rezidüel haritada da gravite değerinin arttığı alan Sofalıca Köyü’ne doğrudur. Rejyonal haritaya bakıldığında gravite değerlerinin 3228 mgal ile 3233 mgal arasında değiştiği görülmektedir. Ölçü alanının küçük olmasına rağmen rejyonal haritada da cevherleşmenin olabileceği düşünülmektedir. Rejyonal haritada da cevherin yoğunlaştığı alanın Bouguer ve rezidüel haritada olduğu gibi Sofalıca Köyü’ne doğru olduğu görülmüştür. Normalize Tam Gradyent yönteminin kaynak derinliği ve modeli ile ilgili bilgi verdiği görüldü. Bu çalışmada da ters çözüm yönteminde başlangıç modelini ve modelin derinlik bilgilerini bulmak için bu yöntem arazi uygulamalarında kullanıldı.

Şekil 7. Rezidüel harita üzerindeki P1- P2 profilleri ve ocak ağızları(P1-P2 profiles on residual map and stove outlets)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 221

2

3

4

5

6

7

8

9

10



252 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 247-255, 2013

Rezidüel harita üzerinden P1 ve P2 olmak üzerek 2 kesit alındı (Şekil 7). Alınan kesitler Grapher programı kullanılarak çizdirildi ve gravite anomalileri elde edildi (Şekil 8- Şekil 9). P1 kesitinin NTG yönteminde m:1, n:20 olarak alındı ve Şekil 8 elde edildi. P1 kesitinin ters çözüm başlangıç modeli için 200-300 metre arasında, 0-50 metre derinlikte 4 köşeli bir poligon ile 750-1000 metre arasında, 50-150 metre derinlikte 4 köşeli poligon tasarlanmaya karar verildi. P2 kesitinin NTG yönteminde m:1, n:18 olarak alındı ve Şekil 9 elde edildi. P2 kesitinin ters çözüm başlangıç modeli için 50-150 metre arasında, 0-125 metre derinlikte 3 köşeli bir poligon ile 270-690 metre arasında, 50-200 metre derinlikte 5 köşeli poligon tasarlanmaya karar verildi.

Şekil 8. P1 profilinin NTG görüntüsü (m:1, n:20) (The NTG view of P1 profile)

Şekil 9. P2 profilinin NTG görüntüsü (m:1, n: 18) (The NTG view of P2 profile)

Şekil 10. P1 ve P2 profillerinin kuzey-güney yönlü görüntüsü (North and south view of P1 and P2 profiles)

Çalışma alanında alınan gravite değerlerinden elde edilen Bouguer gravite haritasından oluşturulan rezidüel harita üzerinde anomalinin belirginleştiği yerden kesitler alınmıştır. Bu kesitler üzerinde Matlab programı yardımıyla başlangıç modelleri üretilerek yeraltındaki yapıya en uygun yapı bulmaya çalışıldı. Model üretirken birden fazla kaynak ve kapanım gözlendiği için P1 ve P2 profili iki kısımda incelenmeye karar verildi ve P1 kesiti; P1-1 ve P1-2, p2 kesiti; P2-1 ve P2-2 olarak ayrıldı.

Şekil 11. P1-1 Kesitinin ters çözüm görüntüsü (Reverse solve view of P1-1 section)

NTG kesitine göre P1-1 kesintinin ters çözümünde 4 köşeli bir poligon modeli tasarlanmaya karar verildi. P1-1 kesitinin model kestirimi için maksimum yineleme sayısı; 10, toplam karesel hata; 0.042, ; 10 kullanılmıştır. Şekil 11’de gözlenen anomaliyle, kestirilen modelden hesaplanan anomalinin uyumlu olduğu görülmüştür.



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 247-255, 2013 253

Şekil 12. P1-2 kesitinin ters çözüm görüntüsü (Reverse solve view of P1-2 section)

NTG kesitine göre P1-2 kesitinin ters çözümünde 4 köşeli (paralel kenar) poligon modeli tasarlanmaya karar verildi. P1-2 kesitinin model kestirimi için maksimum yineleme sayısı; 15, toplam karesel hata; 0.272, ; 100 kullanılmıştır. Şekil 12’de gözlenen anomaliyle, kestirilen modelden hesaplanan anomalinin uyumlu olduğu görülmüştür.


NTG kesitine göre P2-1 kesitinin ters çözümünde üç kenarlı bir poligon modeli tasarlanmıştır. P2-1 kesitinin model kestiriminde maksimum yineleme sayısı; 15, toplam karesel hata; 0.10, ; 100 kullanılmıştır. Şekil 13’de gözlenen anomaliyle, kestirilen modelden hesaplanan anomalinin uyumlu olduğu görülmüştür.


NTG kesitine göre P2-2 kestinin ters çözümünde beş kenarlı bir poligon modeli tasarlanmıştır. P2–2 kesitinin model kestiriminde maksimum yineleme sayısı; 15, toplam karesel hata; 0.232, ; 100 kullanılmıştır. Şekil 14’de gözlenen anomaliyle, kestirilen modelden hesaplanan anomalinin uyumlu olduğu görülmüştür.

5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS)

Bu çalışmada, Gaziantep ili, Şehitkamil ilçesi, Sofalıca köyü civarında olup Koçali Karmaşığı içinde yer alan krom madeni araştırılması yapmak için gravite yöntemi kullanılmıştır. Bouguer haritasına ait gravite değerlerinin 3226 mgal ile 3235.5mgal arasında, rezidüel haritaya ait gravite değerlerinin -4 mgal ile 4 mgal arasında değiştiği görülmektedir. Rejyonal haritada ise gravite değerlerinin 3228 mgal ile 3233 mgal arasında değişmektedir. Rezidüel haritada izlenen kapanımlar ve uzanımların muhtemel bir fay etkisinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu haritada kırmızı renkli olan alanlarda krom cevherinin yoğun olduğu düşünülmektedir. Bouguer haritasında olduğu gibi rezidüel haritada da gravite değerinin arttığı alan Sofalıca Köyü’ne doğru uzanım sergilemektedir. Ölçü alanının küçük olmasına rağmen rejyonal haritada da cevherleşmenin olabileceği düşünülmektedir. Burada da cevherin yoğunlaştığı alanın Bouguer ve rezidüel haritada olduğu gibi Sofalıca Köyü’ne doğru olduğu izlenmektedir. Ters çözümde uygulanacak model yapısının belirlenebilmesi amacıyla NTG yöntemiyle bölgedeki cevherleşmenin kaynak derinliği ve yapısı hakkında bir ön fikir elde edilmeye çalışılmıştır.



254 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 247-255, 2013

Rezidüel harita üzerinde kapanımların belirginleştiği alanlardan seçilen P1 ve P2 profilleri ile kesitler alınmıştır. P1 ve P2 kesitlerinin NTG görüntülerinde 2 ayrı kaynak yapısı göze çarpmaktadır. P1–1 kesiti üzerinde yapılan ters çözüm uygulamasında 10 iterasyon sonucu; 0,042 karesel hata, P1–2 kesitinde ise 15 iterasyon sonucu; 0.272 karesel hata elde edilmiştir. Burada P1–1 için oluşturulan 4 köşeli poligon yapısının 300 m uzunluğunda 50 m genişliğinde, P1–2 için oluşturulan 4 köşeli modelin ise paralelkenar biçiminde ortalama 450 m uzunluğunda ve 70 m genişliğinde bir yapı sergilediği görülmektedir. P2–1 kesiti üzerinde yapılan ters çözüm uygulamasında 15 iterasyon sonucu; 0,1 karesel hata, P2–2 kesitinde ise 15 iterasyon sonucu; 0.232 karesel hata elde edilmiştir. P2–1 kesitinin genişliği 150 metreden kamalanma şeklinde ortalama uzunluğu 125 m olan üçgen bir yapı sergilediği, P2-2 kesitinde ise iki farklı kaynak görüntüsü varlığı izlenmektedir. Burada da ortalama 25 m ile 100 m aralığında genişliğe, 450 m uzunluğa sahip beşgen bir yapı olduğu görülmektedir.


[1] Chouteau, M., Geophysique Appliquee I ;7. 440: Grauimetrrie, Icolepolytechnique Montreal, 1999

[2] Clairault, A.C., The’orie De La Figure De Laterre,Tire’e Dei’hydrostalligue, 1973.

[3] Andreev, B.D., The Interpretation Of Gravity Data, Snigri Geofizika, 5, 12-20, 1938.

[4] Blakely, R.J., Potential Theory in Gravity And Magnetic Applications, Cambridge Univ. Press, 1995.

[5] Hughes, D.S., The Analitic Basis Of Gravity İnterpretation, Geophysics 7, 169, 1942.

[6] Skeels, D.C., The Value Of Quantitative İnterpretation Of Gravity Data,Geophysics 7,345, 1942.

[7] Kogbetliantz, E.G., Quantitative Interpretation Of Magnetic And Gravitational Anomalies. Geophysics 9,463-493, 1944.

[8] Griffin, W.R., Residual Gravity in Theory And Practice, Geophysics, 14: 39-50, 1949.

[9] Peters, L.J., The Direct Approach To Magnetic Interpretation And Its Practical Application. Geophysics 14,290-320, 1949..

[10] Oldham, C.H.G. And Sutherland, D.B., Orthogonal Data. Geophysics 20 2,Pp.295-306, 1955.

[11] Grant, F., A Problem in The Analysis Of Geophysical Data. Geophysics 22 2, Pp.309-344, 1957.

[12] Pick, M., Picha, J. And Vyskoci, V., Theory Of The Earth’s Gravity Fields, Elseiver Scientific Pub Co, 1973.

[13] Oruç, B., Keskinsezer, A., Normalize Tam Gradyent Yöntemi İle Petrol Sahalarindaki Manyetik Temel Kaya Ondülasyonunun Modellenmesi İpetgas 2007.

[14] Pawlowski, R.S., Preferential Continuation For Potential-Field Anomaly Enhancement, Geophysics 60, 390–398, 1995.

[15] Debeglia, N. And Corpel, J., Automatic 3-D Interpretation Of Potential Field Data Using Analytic Signal Derivatives: Geophysics 62, 87–96, 1997.

[16] Xu, S., Yang, C., Dai, S. And Zhang, D., A New Method For Continuation Of 3d Potential Fields To A Horizontal Plane. Geophysics 68, 1917–1921, 2003.

[17] Berezkin, V.M., Buketov, A.P., Application Of The Harmonical Analysis For The Interpretation Of Gravity Data. Applied Geophys. 46, 161–166, 1965.

[18] Berezkin, V.M., Application Of The Full Vertical Gravity Gradient To Determination To Sources Causing Gravity Anomalies (in Russian). Expl. Geopys., 18, 69-76, 1967.

[19] Lindner, H., Scheibe, R., Interpretationstechnik Für Gravimetrische Und Magnetische Felder. Freiberger Forschungshefte, Dv Für Grundstoffindustrie, Leipzig 1977.

[20] Strakhov, V.N., Grigoryeva, O.M., And Lapina, M.I., The Determination Of The Singular Points Of 2d Potential Fields, Prikladnaya Geofizika 85, 96–113, 1977.

[21] Mudretsova, E.A., Varlamov, A.S., Filatov, V.G. And Komarova, G.M., The Interpretation Of Detailed Gravity Data Over The Nonstructural Oil And Gas Reservoirs, 1979.

[22] Ciancara, B., Marcak, H., Geophysical Anomaly Interpretation Of Potential Fields By Means Of Singular Points Method And Filtering. Geophysical Prospecting 27, 251–260, 1979.

[23] Eliseeva, I.S., Methodical Recommendations For The Study Of Density İnhomogenities Of Cross Sections Based On Gravimetrical Research Data. İnstitute For Oil And Gas Exploration, Vinii Geofizica, Moscow, 1982.

[24] Berezkin, V.M. And Skotarenko, S.S., Application For Research Anticline And Nonanticline Oil-Gas Structures Using The Gravity Prospecting Neftegeofizica, 131–139, 1983.

[25] Eliseeva, I.S., Methodical Recommendations For The İnterpretation Of Gravity And Magnetic Data By Means Of The Quasi-Singular Points Method.



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 247-255, 2013 255

Institute For Oil And Gas Exploration, Moscow, (İn Russian), 1995.

[26] Xiao, Y., Normalized Full Gradient Method Of Gravity Anomalies (İn Chinese). Oil Geophys. Prosp. 16, 3, 47–57, 1981.

[27] Xiao, Y. And Zhang, L., Application Of Normalized Full Gradient Method Of Gravity Anomalies To Oil And Gas Exploration (İn Chinese). Oil Geophy. Prosp. 19, 3, 247–254, 1984.

[28] Zeng, H., Meng, X., Yao, C.H., Li, X., Lou, H., Guang, Z. And Li, Z., Detection Of Reservoirs From Normalized Full Gradient Of Gravity Anomalies And İts Application To Shengli Oil Field East China. Geophysics 67, 4, 1138-1147, 2002.

[29] Jackson, D.D., Interpretation Of İnaccurate, İnsufficient And İnconsistent Data, Geophysical Journal Of The Royal Astronomical Society, 28, Pp: 97 – 109, 1972.

[30] Wiggins, R.A., The General Linear İnverse Problem: Implication Of Surface Waves And Free Oscillations For Earth Structure, Rev. Geophys. Space Phys., 10, Pp: 251 – 285, 1972.

[31] Lee, T.C. And Biehler, S., Inversion Modeling Of Gravity With Prismatic Mass Bodies, Geophysics, Vol: 56, No: 9, Pp: 1365 – 1376, 1991.

[32] Buckhard, N. And Jackson, D.D., Application Of Stabilized Linear Inverse Theory To Gravity Data, Journal Of Geophysical Research, Vol: 81, No: 8, Pp: 1513 – 1518, 1976.

[33] Colley, G.C., The Detection Of Caves By Gravity Measurements. Geophysical Prospecting 11, 1 –9, 1963. [34] Neumann, R., La Gravimetrie De Hautepre´Cision. Application Auxrecherches De Cavite´ S. Geophysical Prospecting 15, 116– 134, 1967.

[34] Butler, D.K., Microgravimetri Can Gravity Gradient Techniques For Detection Of Subsurface Cavities. Geophysics 49, 1084– 1096, 1984.

[35] Hinze, W.J., The Role Of Gravityandmagneticmethods in Engineering And Environmental Studies. İn: Ward, S.H. (Ed.), Geotechnical And Environmental Geophysics, Vol. 1. Society Of Exploration Geophysicists,Tulsa, Oklahoma, Pp. 75–126, 1990.

[36] Wenjin, L., Jiajian, X., Effectiveness Of The High-Precision Gravity Method İn Detecting Sinkholes in Taianrailway Station Of Shangdong Province. in: Ward, S.H. (Ed.), Geotechnicaland Environmental Geophysics, Vol. 3. Society Of Exploration Geophysicists, Tulsa,Oklahoma, Pp. 169– 174, 1990.

[37] Camacho, A.G., Vieria, R., Montesonos, F.G. And Cuellar,V., A Gravimetric 3d Global Inversion For Cavity Detection. Geophysical Prospecting 42, 113– 130, 1994.

[38] Yule, D.E., Sharp, M.K., And Butler, D.K., Microgravity İnvestigations Of Foundation Conditions. Geophysics 63, 95– 103, 1998.

[39] Beres, M., Luetscher, M., Olivier, R., Integration Of Ground Penetrating Radar And Microgravimetric Methods To Mapshallow Caves. Journal Of Applied Geophysics 46, 249– 262, 2001.

[40] Crenn, Y. And Metzger, J., Prospecttion De Chromite À L'aide De Lagravimétrie, Annales De Géophysique, 8, 269-274, Sept. 1952.

[41] Oruç,B., Teori Ve Örneklerle Jeofizikte Modelleme Umuttepe Yayinlari 2012


Erciş kültür merkezi binasının sahada gözlenen ve 2007 deprem yönetmeliği’ne göre hesaplanan deprem performanslarının karşılaştırılması

Recep Ali Dedecan1*, Mustafa Kutanis2

1Yüksek Lisans Öğrencisi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya Üniversitesi, Sakarya

2İnşaat Mühendisliği Bölümü, Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye


ÖZET

Bu çalışmanın amacı, mevcut bir yapının deprem performansını saha gözlemlerine ve Deprem Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik esaslarına göre hesaplayarak karşılaştırlmasının yapılmasıdır. Bu bağlamda 23 Ekim 2011 Van depremini geçirmiş, Yönetmelik kriterlerine uygun 3 katlı bir bina incelenmiştir. Binanın zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan hesaplarında, depremde kaydedilen ivme kaydını Yönetmelik’te verilen spektrum’a benzeştirilerek elde edilen kayıt kullanılmıştır. Çalışma sonucunda, Yönetmelikte verilen zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan yöntemin gerçeğe yakın sonuçlar verdiği anlaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Performans Değerlendirmesi, Statik İtme Analizi, Doğrusal Elastik Yöntem, Zaman Tanım Alanında Hesap Yöntemi, Deprem Yönetmeliği

Comparison of seismic performance of Erciş cultural center building with observed and calculated by turkish earthquake code-2007

ABSTRACT

The goal of this paper is to review the validity of seismic assessment procedure given in the Turkish Earthquake Code by comparing the assessment results with cultural center building at Erciş with 3 stories, where the 2011 Van earthquake occurred. In order to compare the results of different analysis techniques, for an identical earthquake, the ground motion used in analysis was characterized by equivalent elastic earthquake spectra, which were developed from available time history at the nearest construction site. It was found that nonlinear time history analysis calculated the best estimation of the damage observed in the site. Keywords: Performance Assessments, Linear Elastic Analysis, Nonlinear Static Procedures, Nonlinear Time History Analysis, Earthquake Codes


R. A. Dedecan, M. Kutaniş Erciş kültür merkezi binasının sahada gözlenen ve 2007 deprem yönetmeliği’ne göre hesaplanan deprem

performanslarının karşılaştırılması

258 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013


Günümüzde, deprem etkisindeki yapılarda yapısal hasarın, öngörülen yapı elemanlarının şekildeğiştirme kapasitelerinin aşılması ile gerçekleştiği bilinmektedir. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYBHY-07) ‘nin [1] 7nci Bölümü’nde ise “Performansa Dayalı Değerlendirme” veya deplasmanların esas olarak alındığı hesap tarzı benimsenmiştir. Performansa dayalı değerlendirmede, mevcut bir binanın öngörülen bir deprem zorlaması sırasında ne yapacağının tahmin edilmesi söz konusu olabilmekte; binanın ne kadar yerdeğiştirme yapacağı ve bu yerdeğiştirmeler altında, hangi yapı elemanlarında ne tür hasarların oluşacağı, hasar dağılımının nasıl olacağı ve yapının muhtemel göçme mekanizmaları hakkında bilgi sahibi olmak mümkündür. Bu durum mevcut bir binanın deprem öncesinde veya sonrasındaki güvenliğini gerçekçi olarak belirlenmesine olanak tanımaktadır. Performansa dayalı değerlendirme yöntemleri ilk olarak Türkiye’de “Yönetmelik” haline getirilmiştir [DBYYHY–07]. Amerika Birleşik Devletleri’nde (SEOAC, [2]; ATC–40, [3]; FEMA 356, [4]) ve Avrupa’da (EC8), [5]) konuyla ilgili çalışmalar yapıldığı halde, bu çalışmalar tavsiye niteliğinde kalmış, “Yönetmelik” haline getirilmemiştir. Bunda en önemli etken, yeterli saha verileriyle bu çalışmaların kalibre edilmemiş olmalarıdır. Konuyla ilgili olarak, TÜBİTAK tarafından desteklenerek yapılan 108M303 nolu araştırma projesinde de, yöntemlerin saha verileriyle kalibre edilmesi gereği ortaya çıkmıştır [6]. Bu çalışmanın amacı, “yaygın olarak kullanılan yöntemler kullanılarak, 23 Ekim Van Depremi’nden bir gün önce seçilen bir binada muhtemel deprem performansı hesaplanabilir miydi?” sorusuna cevap aramaktır.

Şekil 1. İncelenen binanın konumu (39.0288oK, 43.3649oD) (Location of the examined building).

Türkiye’nin Doğu’sunda 23 Ekim 2011 tarihinde yerel saat 13.41 itibariyle, Van il merkezi (43.20oE, 38.28oN) ile Erciş ilçe merkezini (43.30oE, 38.49oN) etkileyen

Van-Tabanlı Köyü merkezli Mw=7.2 [7] aletsel büyüklüğe sahip şiddetli bir deprem meydana gelmiş ve ağır kayıplara neden olmuştur. Bu deprem, incelenen yapıların %24.52’sinde ileri derecede hasarına veya göçmesine, %7.11’inde belirgin hasara neden olurken %68.37’sine de minimum hasar veya hasarsız olarak etki etmiştir. Çalışma kapsamında incelenen Van ili Erciş Kültür Merkezi binası, Van depremini geçirmiş, Bina Hasar Değerlendirme esasları ile incelenmiş, gözlemler neticesinde, yapı taşıyıcı sistemini hasar almadığı, yapının Hemen Kullanım performans düzeyinde olduğu tespit edilmiştir (Şekil1, Şekil 2).

Şekil 2. İncelenen binanın mevcut durumu. (Current situation of the examined building)

Binada detaylı hasar incelemesi yapılmış, statik röleveleri çıkartılmış, malzeme dayanımlarını belirlemek amacıyla karot numuleri alınarak laboratuvarda testleri gerçekleştirilmiştir. Zemin etüt çalışmaları ile elde edilen verilerden, zemin sınıfı Z3 olarak belirlenmiştir. Bu çalışmalara paralel olarak binanın sonlu eleman modeli oluşturulmuş, yapı analizleri ile mevcut durum değerlendirmesi yapılmıştır. Yapılan analizlerde Türk Deprem Yönetmeliği’nin sunduğu mevcut bina değerlendirme esasları kullanılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında bina, 3 boyutlu modeli oluşturulup (Şekil 3, Şekil 4) Probina Orion [8] bilgisayar yazılımı kullanılarak Doğrusal Elastik ve Doğrusal Olmayan Elastik Yöntemleri ile analiz edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında olası tüm deprem hareketi değişimini dikkate almak amacı ile Erciş Kültür Merkezi binasına zaman tanım alanında “Artımsal Dinamik Analiz (IDA)” yöntemi [9] uygulanmıştır. Yöntemin uygulanmasında SeismoStruct [10] bilgisayar yazılımı kullanılmış, 3 boyutlu modellemesi (Şekil 5) yapılmış, bahsi geçen yöntem uygulanmıştır. Artımsal Dinamik Analiz (IDA) sonuçları statik itme eğrileri ile karşılaştırılarak, statik itme eğrileri doğrulanmıştır. SeismoStruct yazılımında, ayrıca, benzeştirilmiş Van deprem kayıtları kullanılarak yapılan zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan analizler sonucu,


R. A. Dedecan, M. Kutaniş

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013 259

yapının her iki doğrultusu için performans düzeyleri hesaplanmıştır. Belirlenen performans düzeyleri binanın gözlenen performans düzeyi ile karşılaştırılmıştır.

Şekil 3. İncelenen binanın Probina bilgisayar yazılımı ile matematik modeli. (Mathematical model of the examined building by Probina computer software)

Şekil 4. İncelenen binaya ait kalıp planı.(The plan of the examined building)

Şekil 5. İncelenen binanın SeismoStruct bilgisayar yazılımı ile matematik modeli. (Mathematical model of the examined building by SeismoStruct computer software)

2. YÖNTEM (METHOD) Türkiye Deprem Yönetmeliği’nin ilk 6 Bölümü yapı sistemlerinin deprem performanslarının belirlenmesinde önceki yönetmeliklerde de olduğu gibi ‘‘Dayanıma Göre Tasarım’’ yaklaşımını benimsemektedir [11]. Bu nedenle, ilk plastik kesitin oluşumunu takip eden süreçte yapıda değişik dinamik karakteristikler, burada, göz önüne alınamamaktadır. Son bölüm olan 7inci Bölüm ’de

ise ‘‘Şekildeğiştirmeye Göre Değerlendirme’’ ilkesi esas alınmıştır. Buradaki amaç, verilen bir deprem için sünek davranışa ilişkin plastik şekildeğiştirme istemleri ile yönetmelikçe tanımlanmış gevrek davranışa ilişkin iç kuvvet kapasiteleri karşılaştırılarak, kesit ve bina düzeyinde yapısal performans değerlendirmesinin yapılmasıdır [12]. Öngörülen Doğrusal olan yöntemde taşıyıcı sistem çözümü doğrusal ise de, sistemin elastik ötesi davranışı r = Etki / Kapasite katsayısı ile göz önüne alınmaktadır. Çözümün doğrusal olması büyük bir kolaylık getirmekte ve mevcut bilgisayar çözümleme programlarının kullanılmasını mümkün kılmaktadır [12]. Buna karşılık doğrusal olmayan değerlendirme yöntemi elastik ötesi davranışı daha gerçekçi biçimde ele almakta ise de iki bakımdan zorluk ortaya çıkmaktadır. Bunlardan birinci zorluk taşıyıcı sisteme ait daha çok parametreye ihtiyaç duyulmasıdır. Bu özellikle mevcut binalar için bazen aşılması çok zor olan büyük belirsizlikler ortaya çıkarmaktadır. İkinci zorluk ise, mevcut doğrusal çözüm programlarının kullanılamaması ve çok daha ayrıntılı çözüm tekniklerini içeren programlara ihtiyaç duyulmasıdır. Yeni yapı tasarımında taşıyıcı sistemin elastik ötesi davranışı tek bir Ra deprem yükü azaltma katsayısı ile göz önüne alınmaktadır. Doğrusal değerlendirme yöntemi bu kavramın genişletilmesi olup, öngörülen bir Ra deprem yükü azaltma katsayısı kullanılarak incelemek yerine, mevcut binada öngörülen deprem etkisi altında talep edilen r değerini hesaplanarak bunun sağlanma ve oluşacak hasarın kabul edilme imkânının bulunup bulunmadığı araştırılmaktadır. Yerdeğiştirme ve şekildeğiştirme esaslı değerlendirmenin göz önüne alındığı doğrusal olamayan yöntemde ise, belirli bir yatay deprem yükü dağılımı için binadaki yerdeğiştirme istemine ulaşıldığında, binanın beklenen performans hedefinin sağlanıp sağlanmadığı kontrol edilmektedir. 2.1. Doğrusal Elastik Hesap Yöntemi ile Bina Değerlendirmesi (Building Assesment with Linear Elastic Account Method) Türk Deprem Yönetmeliği Bölüm 7.5’de tarif edilen Doğrusal Elastik Yöntem, bina değerlendirmesinde doğrusal olmayan analiz yapmadan da bina değerlendirmesi yapmayı geçerli kılar. Yöntem, temel olarak betonarme elemanları sünek ve gevrek olarak iki gruba ayırır. Bu yaklaşımda süneklik ve gevreklik kavramı, elemanların kesme kuvveti kapasitesinin, elemanın eğilme kapasitesine ulaştığında



260 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013

elemanda meydana gelecek kesme talebinden düşük veya yüksek olmasına bağlı olarak yapılmaktadır. Elastik analizde, verilen deprem yükü azaltma katsayısının Ra=1 değeri için hesaplanan iç kuvvetler ile yapı elemanlarının artık kapasite arasındaki etki / kapasite (r) oranlarının hesaplanması ve bu değerlerin ilgili sınır değerler ile karşılaştırılması suretiyle yapı elemanlarının kesit hasar bölgeleri belirlenir, bunlardan yararlanılarak bina düzeyinde performans değerlendirmesi yapılır. 2.2. Doğrusal Olmayan Elastik Yöntem ile Bina Değerlendirmesi (Building Assesment with Nonlinear Elastic Account Method) DBYBHY-2007’de üç farklı doğrusal olmayan hesap yöntemi vardır; i) Artımsal Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemi, ii) Artımsal Mod Birleştirme Yöntemi, iii) Zaman Tanım Alanında Hesap Yönetimi’dir. İlk iki yöntem statik itme analizi olarak, üçüncü yöntem ise dinamik hesap analizi olarak gerçekleştirilir. 2.2.1 Artımsal Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemi (Incremental Equivalent Seismic Load Method) İtme analizin 1nci mod şeklini takip eden bir kuvvet takımı ile gerçekleştirildiği itme analizidir. Burada yüklerin birbirileri arasındaki oran analizin sonuna kadar sabit kalmaktadır. Analiz sonucunda elde edilen kapasite eğrisi, spektral ivme-spektral deplasman şeklinde gösterilen tasarımı spektrumu ile karşılaştırılır ve hedef deplasman tayin edilir. 2.2.2. Artımsal Mod Birleştirme Yöntemi (Incremental Mode Superposition Method) Mod Birleştirme Yönetimi’nin adım adım ve doğrusal olmayan bir sistemde gerçekleştirilmesidir. Yöntemde ardışık iki plastik oluşumu kesit oluşumu arasındaki her bir itme adımında ‘‘adım adım doğrusal elastik’’ davranış esas alınır. Modal ölçeklendirme ile monotonik olarak arttırılan modal yerdeğiştirmeler göz önüne alınarak, her adımda mod birleştime kuralları uygulanır. Analiz sonucunda da plastik kesit belirlenir, yerdeğiştirme, plastik şekildeğiştirme, iç kuvvet artımları ile bunlara ait birikimli değerler elde edilir. 2.3 Zaman Tanım Alanında Hesap Yöntemi (Time History Analysis) Zaman tanım alanında hesap yönteminde, deprem ivmesinin zamanla değişimi olarak tanımlanan sismik hareketin binaya doğrudan etkiletilerek her bir zaman artımında değişen iç kuvvet ve yerdeğiştirmeler bulunur. Bu yöntem yer kayıtları ile detaylı yapı modeli

içerdiğinden ötürü, sonuçlar diğer metotlara oranla daha az hatayla bulunur.

3. SAYISAL ÇALIŞMALAR (NUMERICAL STUDY)

3.1. İncelenen Yapı Sistemi (Researched Building System) Konumu Şekil 1’de verilen bina, 1 zemin kat ve 2 normal katlardan oluşmaktadır. Binanın oturma alanı 457m2’dir. Binanın zemin katı ve normal katları 3.4m kat yüksekliğine sahiptir. Bina her iki doğrultuda yaklaşık simetrik, burulma rijitliği zayıf, kütle ve rijitlik merkezi çakışıktır (Şekil 3). Binaya ait malzeme mekanik özellikleri, karot numune test sonuçları ile beton basınç dayanımı 8 MPa, çelik akma dayanımı 220 MPa’dır. Tablo 1. İncelenen binaya ait özet bilgiler tablosu. (Table summaries of the investigated building)

Kat Bilgisi 1 Zemin + 2 Normal Kat Bodrum Kat Çevre Perde Durumu

Yok

Taşıyıcı Sistem Türü Betonarme Perdeli Çerçeve Kısa Kolon Durumu Yok Yumuşak/Zayıf Kat Durumu

Yok

Yapıda Ağır Kapalı Çıkma Durumu

Yok

Zemin Kat Kolon Sayısı

30

Zemin Kat Perde Sayısı

4

Zemin Kat Kiriş Sayısı

47

Zemin Özellikleri Yerel Zemin Sınıfı: Z3 Köşe Periyodu, Ta: 0.15 S Köşe Periyodu, Tb: 0.60 S

Temel Sistemi Kirişsiz Radye, Döşeme Kalınlığı 100cm

Beton basınç mukavemeti, MPa

8.90

Donatı Sınıfı BÇ I (S220) Deprem Bölgesi 1.Derece

Yapı Önem Katsayısı 1.0

Binanın mevcut durumu Şekil 2.’de gösterildiği üzere, yapı taşıyıcı sisteminde ve taşıyıcı olamayan duvarlarda herhangi bir hasara rastlanmamış, zemin hareketleri görülmemiştir. Statik ve mimari projesi paftalarının olmaması nedeniyle bilgi düzeyi ‘‘Orta Bilgi Düzeyi’’ olarak seçilmiştir. Tablo 1.’de yer alan bilgiler doğrultusunda TS–500 [13], TS-498 [14] ve DBYBHY-07 [1] yönetmeliklerinin tasarım esasları göre göz önünde bulundurularak binanın sonlu eleman modeli, Probina [8] bilgisayar yazılımı (Şekil 3, Şekil 4) ve



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013 261

SeismoStruct [10] bilgisayar yazılımı ile (Şekil 5) oluşturulmuştur. 3.2 Analizlerde Esas Alınan Deprem Yükleri (Underlying the analysis Seismic Loads) Doğrusal Elastik ve Doğrusal Olmayan Elastik Yöntemlerle binan analizlerinde esas alınan deprem düzeyi Yönetmelik Bölüm 2.2.4’te açıklandığı üzere, 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan şiddetli depremlerdir. Deprem etkisi tanımlanırken doğrusal elastik (R=1) ivme spektrumu kullanılmıştır. Bina önem katsayısı I=1.0 alınmıştır. Etkin Yer İvmesi Katsayısı 1nci derece deprem bölgeleri için yönetmelikte verilen değeri 0.4 olan katsayısı kullanılmıştır. Eğilme etkisindeki betonarme elemanlarda çatlamış kesite ait etkin eğilme rijitlikleri dikkate alınmıştır. Doğrusal olmayan analizlerde yığılı plastik mafsal modeli esas alınmıştır. Binaya ayrıca ek dışmerkezlik uygulanmamıştır. Analiz kapsamında bina performansı için hedeflenen performans düzeyleri ‘‘Can Güvenliği’’ olarak belirlenmiştir. Binanın, Zaman Tanım Alanında Doğrusal Elastik Olmayan ve Artımsal Dinamik Analiz yöntemlerinde kullanılmak üzere, Van ili Muradiye ilçesinde alınan DB (Şekil 6) ve KG (Şekil 8) yönlü ivme kayıtları kullanılmıştır. Doğrusal olmayan analizin gerçekleştirilmesinde her bir yer hareketi için, ilgili binanın hâkim moduna karşı gelen spektral ivme değeri 0.05g değerinden 1.00g değerine kadar 0.15g’lik adımlar halinde arttırılmıştır. Statik itme analizi ile uyumlu olması için Muradiye kaydı DBYYHY–07 ‘de Z3 tipi zeminler için benzeştirilmiştir (Şekil 6, Şekil 7). Bu benzeştirmeler neticesinde hazırlanan spektral ivme grafikleri ve DBYYHY-07’de tanımlanan elastik tasarım spektrumu (Şekil 6c, Şekil 7c) 10’da karşılaştırmalı olarak verilmiştir.

Şekil 6a. 23 Ekim 2011 Van Depremi, Muradiye istasyonu Doğu-Batı (DB) ivme kaydı.( October 23, 2011 Van Earthquake, Muradiye station, East-West (EW) acceleration record.)

Şekil 6a. 23 Ekim 2011 Van Depremi, Muradiye istasyonu Doğu-Batı (DB) benzeştirilmiş ivme kaydı. (October 23, 2011 Van Earthquake, Muradiye station, East-West (EW) simulated acceleration records.)

Şekil 6c. 23 Ekim 2011 Van Depremi, Muradiye istasyonu Doğu-Batı (DB) kaydı orijinal ve benzeştirilmiş spektrumlar. (October 23, 2011 Van Earthquake, Muradiye station, East-West (EW) and simulated spectra of the original recording.)

Şekil 7a. 23 Ekim 2011 Van Depremi, Muradiye istasyonu Kuzey-Güney (KG) kaydı.

Şekil 7a. 23 Ekim 2011 Van Depremi, Muradiye istasyonu Kuzey-Güney (KG) benzeştirilmiş kaydı. (October 23, 2011 Van Earthquake, Muradiye station in North-South (NS) record.)

Şekil 7c 23 Ekim 2011 Van Depremi, Muradiye istasyonu Kuzey-Güney (KG) kaydı orijinal ve benzeştirilmiş spektrumlar. (October 23, 2011 Van Earthquake, Muradiye station in North-South (NS) record the original and simulated spectra.)

4. ANALİZ SONUÇLARI (ANALYSIS RESULTS)

İncelenen yapının, her bir asal doğrultu için, ayrı ayrı statik itme analizi yapılmıştır. Yapıya ait x- doğrultusu



262 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013

serbest titreşim periyodu 0.276s, y- doğrultusu serbest titreşim periyodu ise 0.441s olarak hesaplanmıştır. Efektif modal kütle katılım oranı %83.826 ‘dır (Tablo 2) . Doğrusal Elastik Hesap Yöntemi ile yapılan analizler sonucu DBYYHY–07 Bölüm 7.5 ve 7.6’da tanımlanan eleman hasar durumlarına göre bina; x-yönünde göçme, y-yönünde göçmenin önlenmesi olarak yapısal performans göstermiştir. Bina performans kontrolleri Tablo 3 ve Tablo 4’te verilmiştir. Tablo 2. İncelenen binanın mevcut durum dinamik analiz sonuçları. (The results of the dynamic analysis of the current situation in the investigated building)

ETKİN KÜTLE ORANI (%)

MOD PERIYOD X-YÖN Y-YÖN Z-DÖN

1 0.44 0 83.83 2.44

2 0.40 0.08 2.50 83.84

3 0.28 79.93 0 0.03

4 0.14 0 10.47 0.41

5 0.13 0 0.28 10.43

6 0.08 0 2.90 0

Tablo 3a. Doğrusal Elastik Mod Birleştirme Yöntemi ‘ne göre x-yönü bina performans kontroller. (Linear Elastic Modal Analysis According to the x-direction controls building energy performance)

Tablo 3b. Doğrusal Elastik Mod Birleştirme Yöntemi ‘ne göre y-yönü bina performans kontroller (Linear Elastic Modal Analysis according to the y-direction controls building energy performance)

Tablo 4a. Doğrusal Elastik Olmayan Artımsal Mod Birleştirme Yöntemi ‘ne göre x-yönü bina performans kontrolleri. (Non-Linear Elastic Incremental Mode Superposition Method according to the building performance controls the x-direction.)

Tablo 4b. Doğrusal Elastik Olmayan Artımsal Mod Birleştirme Yöntemi ‘ne göre y-yönü bina performans kontrolleri. (Non-Linear Elastic Incremental Mode Superposition Method according to the y-direction controls building energy performance.)

Erciş Kültür Merkezi binasının Doğrusal Olmayan Artımsal Mod Birleştirme yöntemi ile elde edilen statik itme (pushover) eğrileri, kullanılan matematik modellerin doğrulanması amacıyla, Zaman Tanım Alanında Doğrusal Elastik Olmayan Artımsal Dinamik Analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçların statik itme eğrileri ile uyuşumlu olduğu gözlenmiştir (Şekil 8).



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013 263

Şekil 8a. Erciş Kültür Merkezi binası uzun doğrultuda (x-yönü) elde edilen statik itme eğrisinin (Pushover x), 23 Ekim 2011 Van depremi Muradiye istasyonu benzeştirilmiş DB (IDA EW) ve KG (IDA NS) ivme kayıtları ile hesaplanan Artımsal Dinamik Analiz sonuçları ile karşılaştırılması. (Cultural Center building in Ercis long direction (x-direction) obtained from the pushover curve (pushover x), 23 October 2011 earthquake in Van Muradiye station simulated DB (IDA EW) and KG (IDA NS) records the acceleration calculated by comparison with the results of Incremental Dynamic Analysis .)

Şekil 8b. Erciş Kültür Merkezi binası kısa doğrultuda (y-yönü) elde edilen statik itme eğrisinin (Pushover y), 23 Ekim 2011 Van depremi Muradiye istasyonu benzeştirilmiş DB (IDA EW) ve KG (IDA NS) ivme kayıtları ile hesaplanan Artımsal Dinamik Analiz sonuçları ile karşılaştırılması. (Cultural Center building in Ercis short direction (y-direction) obtained from the pushover curve (pushover y), 23 October 2011 earthquake in Van Muradiye station simulated DB (IDA EW) and KG (IDA NS) records the acceleration calculated by comparison with the results of Incremental Dynamic Analysis .)

Doğrusal Olmayan Elastik Yöntem ile analiz sonucu elde edilen kapasite eğrisi, modal kapasite diyagramına dönüştürülerek şartname ile verilen talep spektrumu kullanılarak her iki doğrultuda hedef deplasmanlar hesaplanmıştır (Şekil 9). ‘‘Can Güvenliği’’ hedef performansı alınarak yapılan analizde; x-yönü için deplasmanlar 0.0526m iken y-yönü içinse 0.0858m olarak elde edilmiştir (Tablo 5). Fakat bu yöntemle elde edilen sonuçlar, binanın ‘‘Can Güvenliği’’ performans düzeyini sağlamadığı göstermiştir (Tablo 5, Tablo 6).

Şekil 9a. Binanın x-yönü Artımsal İtme Yöntemi ‘ne göre performans noktası. (Push the x-direction incremental building method according to the performance point)

Şekil 9b. Binanın y-yönü Artımsal İtme Yöntemi ‘ne göre performans noktası. (Y-direction Thrust incremental building method according to the performance point.)

Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan analizlerde SeismoStruct [10] programı kullanılmıştır. Bu yazılım, Seismosoft (www.seismosoft.com) firması tarafından geliştirilen ve internet üzerinden ücretsiz olarak dağıtılan akademik bir programdır. Programda, plastisitenin eleman boyunca yayılı olduğu kabulü ve yığılı plastik mafsal kabulüne göre çalışabilmektedir. Ayrıca program kapsamında geometrik nonlinearite de dikkate alınabilmektedir. Program ile özdeğer analizi, statik yük analizi, itme analizi, deplasman kontrollü adaptif itme analizi ve zaman tanım alanında analizler yapmak mümkündür. Bu çalışma kapsamında, DBYBHY–07’ de yaygın olarak kullanılan doğrusal elastik ve artımsal mod birleştırme yöntemleri ile birlikte, 23 Ekim Van depreminde Van Muradiye istasyonunda kaydedilen deprem kaydı, Yönetmelikte verilen Z3 spektrumu ile benzeştirilerek elde edilen deprem izleme kayıtları ile bir çalışma yapılmıştır. Benzeştirilmiş Muradiye deprem kayıtları, inceleme kapsamındaki Erciş Kültür Merkezi binasına her iki doğrultuda da uygulanmıştır. DBYBHY–07



264 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013

Bölüm 7.6.9’da verilen betonarme elemanların kesit birim şekildeğiştirme kapasiteleri esas alınarak yapılan analiz sonuçlarına göre bina Hemen Kullanım performans düzeyinde kalmıştır (Şekil 10).

Şekil 10a. 23 Ekim 2011 Van depremi Muradiye istasyonu benzeştirilmiş DB ivme kaydı ile elde edilen Erciş Kültür Merkezi Binası’na ait x-yönü (uzun doğrultu) yerdeğiştirme –taban kesme kuvveti grafiği (maksimum yerdeğiştirme 7.18cm, maksimum taban kesme kuvveti 506ton). (October 23, 2011 Van earthquake Muradiye station simulated acceleration records obtained by DB Hall Cultural Center of Ercis x-direction (long direction) displacement-base shear curve (7.18cm maximum displacement, the maximum base shear 506ton).)

Şekil 10b. 23 Ekim 2011 Van depremi Muradiye istasyonu benzeştirilmiş KG ivme kaydı ile elde edilen Erciş Kültür Merkezi Binası’na ait x-yönü (uzun doğrultu) yerdeğiştirme –taban kesme kuvveti grafiği (maksimum yerdeğiştirme -11.76cm, maksimum taban kesme kuvveti -583ton). (October 23, 2011 Van earthquake Muradiye station simulated acceleration records obtained by KG Ercis Cultural Center Building, the x-direction (long direction) displacement-base shear curve (maximum displacement-11.76cm, the maximum base shear-583ton).)

Şekil 10c. 23 Ekim 2011 Van depremi Muradiye istasyonu benzeştirilmiş DB ivme kaydı ile elde edilen Erciş Kültür Merkezi Binası’na ait y-yönü (kısa doğrultu) yerdeğiştirme –taban kesme kuvveti grafiği (maksimum yerdeğiştirme +7.84cm, maksimum taban kesme kuvveti -374ton). (October 23, 2011 Van earthquake Muradiye station simulated acceleration records obtained by DB Hall Cultural Center of Ercis y-direction (short direction) displacement-base shear curve (+7.84 cm maximum displacement, the maximum base shear-374ton).)

Şekil 10d. 23 Ekim 2011 Van depremi Muradiye istasyonu benzeştirilmiş KG ivme kaydı ile elde edilen Erciş Kültür Merkezi Binası’na ait y-yönü (kısa doğrultu) yerdeğiştirme –taban kesme kuvveti grafiği (maksimum yerdeğiştirme -12.55cm, maksimum taban kesme kuvveti -488ton). (October 23, 2011 Van earthquake Muradiye station simulated acceleration records obtained by KG Hall Cultural Center of Ercis y-direction (short direction) displacement-base shear curve (maximum displacement-12.55cm, the maximum base shear-488ton).)

Tablo 5. İncelen binanın taban kesme kuvvetleri ve deprem istemleri. (Seismic base shear forces and prompts tapering building.)

Doğrultu Artımsal İtme Çok Modlu

Zaman Tanım Alanı (Max. değerler)

u (m) V (t) u (m) V (t)

X-Doğrultusu

0.053 456.95 11.76 583

Y-Doğrultusu

0.085 229.23 12.55 488



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013 265

Tablo 6. İncelen binanın taban kesme kuvvetleri ve deprem istemleri. (Seismic base shear forces and prompts tapering building.)

Performans Hesaplama Yöntemi

Yapısal Performans

x-yönü y-yönü

Doğrusal Elastik Mod Birleştirme

Sağlamıyor, Göçme

Sağlamıyor,Göçme

Artımsal İtme Çok Modlu

Sağlamıyor, Göçme

Sağlamıyor,Göçme

Zaman Tanın Alanında Hesap

Sağlıyor, HK

Sağlıyor, HK

Gözlenen Deprem Performansı

Hasarsız

5. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND

DISCUSSION) Bu çalışmada 23 Ekim 2011 Van depremini geçiren Erciş Kültür Merkezi binası incelenmiştir. Binanın sahada gösterdiği deprem performansının belirlenip, DBYBHY-07’de verilen hesap yöntemleri ile bulunan yapı performansları karşılaştırılmıştır. İncelenen binanın DBYBHY–07 Bölüm 7’de öngörülen yöntemlerle mevcut bina değerlendirmesi yapılmıştır. Erciş Kültür Merkezi binası, mühendislik pratiğinde yaygın olarak kullanılan Doğrusal Elastik Yöntem ve Artımsal İtme (Pushover) analizleri ile performans değerlendirmesi veya tahmini yapıldığında, binanın 50 yılda aşılma olasılığı %50 olan tasarım depremi altında Göçme Durumu’nda olduğu sonucu ortaya çıkmıştır. Binanın, Yönetmelikte önerilen, Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi ile analiz edildiğinde ise, binada deprem sonrası belirlenen Hemen Kullanım performans düzeyi hesaplanmıştır (Tablo 6). Yönetmelikte verilen Doğrusal Elastik Yöntem’de “kuvvetlerin yeniden dağılımı”nın ihmal edilişi, teorik altyapısı bulunmayan ve doğrulanmayan artık moment kapasitesi kavramının kullanılışı, etki kapasite oranlarının belirlenmesinde çok muhafazakâr davranılması gibi eksikliklerinin bulunmasından dolayı uyumlu sonuçların çıkması beklenmemiştir. Artımsal İtme (Pushover) analizlerinde ise, statik itme eğrileri, Artımsal Dinamik Analizi ile elde edilen sonuçlarla uyumlu olmasının yanında, hesaplanan deprem talepleri çok düşük olduğundan binada gözlenen ve Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi ile hesaplanan performans düzeyi yakalanamamıştır.


[1] T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYYHY). 2007.

[2] SEAOC [1995] Vision 2000 — Performance based seismic engineering of buildings. Structural Engineers. Association of California, Sacramento, California, USA.

[3] ATC-40, “Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings”, Applied Technology Council, Paio Alto, California, 1996.

[4] FEMA – Federal Emergency Management Agency [2000]. Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings (FEMA 356), Washington D.C.

[5] European Standard EN 1998-3:2005 Eurocode 8, “Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 3: Assessment and Retrofitting of Buildings”, Comite Europeen de Normalisation, Brusells, 2005.

[6] Kutanis, M., Beyen, K., Bal, İ.E., “Performansa Dayalı Tasarım ve Değerlendirme Yöntemlerinin Deprem Sonrası Türkiye’de Gözlenen Yapı Performansları ile Karşılaştırılarak Geliştirilmesi”, TÜBİTAK Proje No. 108M303. Eylül 2011. Sakarya.

[7] 23 Ekim 2011 Van Depremi (Mw= 7.2) Değerlendirme Raporu”, Boğaziçi Üniversitesi, Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü, http://www.koeri.boun.edu.tr/sismo/ Depremler/onemliler/23Ekim2011_VanDepremiDuyuru_vt08112011.pdf

[8] Probina Orion, PROTA YAZILIM Bilişim ve Mühendislik, Ankara, (2010).

[9] Vamvatsikos, D., and C. A. Cornell, (2005) Direct Estimation of Seismic Demand and Capacity of Multidegree-of-Freedom Systems through Incremental Dynamic Analysis of Single Degree of Freedom Aproximation, ASCE Journal of Structural Engineering, Vol.131, No.4, pp. 589-599.

[10] SeismoSoft, SeismoStruct, “A Computer Program for Static and Dynamic Nonlinear Analysis of Framed Structures”, (online), http://www.seismosoft.com., 2009.

[11] Kutanis, M., “Statik İtme Analizi Yöntemlerinin Performanslarının Değerlendirilmesi” Yapısal Onarım ve Güçlendirme Sempozyumu, YOGS-2006 Bildiriler Kitabı 7-8 Aralık 2006, PAÜ, Denizli.

[12] Aydınoğlu, M.N., An Incremental Response Spectrum Analysis Procedure Based on Inelastic Spectral Deformation for Multi-Mode Seismic



266 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 257-266, 2013

Evaluation, Bulletin of Earthquake Engineering, Vol. 1, No. 1, (2003). Pp. 3-36.

[13] TS 500, "Betonarme Yapıların Hesap Ve Yapım Kuralları" Şubat 2000, Türk Standartları Enstitüsü, Necatibey Caddesi No.112 Bakanlıklar/ANKARA

[14] TS 498 Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri, Kasım 1997, Türk Standartları Enstitüsü, Necatibey Caddesi No.112, Bakanlıklar/ANKARA


P-laplasyen terim içeren bir dalga denklemi için phragmen-lindelöf tipi kestirimler

Yalçın Yılmaz1*, Emel Aydın1

1Matematik Bölümü, Fen-Edebiyat Fakültesi, Sakarya Üniversitesi


ÖZET

Sınır-değer problemlerinin çözümlerinin uzay değişkenine ve zaman göre davranışları Phragmen-Lindelof teoremi ve Saint-Venant prensibi gibi teoriler kullanılarak incelenmektedir. Bu çalışmada p-Laplasyen terim içeren bir hiperbolik denklem için uzay değişkenine göre davranış incelenmiştir. P sabitine bağlı olarak çözümlerin ne şekilde sıfıra gittiği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: p-Laplasyen, uzaysal davranış, dalga denklemi, Saint-Venant Prensibi, Phragmen-Lindelof teoremi

For a wave equation involving p-laplacian term phragmen-lindelof type estimates

ABSTRACT

Behaviours of the solutions to initial-boundary value problems in terms of spatial or time variables are investigated by the theories such as Phragmen-Lindelof Theorem and Saint-Venant Principle. In this work, behaviours of solutions to a hyperbolic equation involving p-Laplacian term in terms of spatial variable is studied. It is showed that how the solutions decay to zero depending on the constant p. Keywords: p-Laplacian, spatial behaviour, wave equation, Saint-Venant Principle, Phragmen-Lindelof Theorem


Y. Yılmaz, E. Aydın P-laplasyen terim içeren bir dalga denklemi için phragmen-lindelöf tipi kestirimler

268 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 267-270, 2013


Saint-Venant prensibi elastisite teorisinde ve uygulamalarında merkezi bir öneme sahiptir. Lineer veya lineer olmayan kısmi türevli denklemlerin çözümlerinin uzaysal incelemesinde 40’lı yıllardan beri bir çok yazar tarafından kullanılan yöntem bir yönüyle Phragmen-Lindelof Prensibinin bir azalım kısmını oluşturmaktadır. Lineer sınır koşulları altında hiperbolik denklemlerde özellikle de dalga denklemi için Phragmen-Lindelof tipi kestirimler birçok yazar tarafından incelenmiştir [1-4]. [5] de Flavin ve Knops, lineer bir dalga denklemi için lineer olmayan sınır koşulları altında çözümlerin bir normunun üstel hızla sıfıra gittiğini göstermişlerdir. [6] de ise Quintanilla, hiperbolik bir ısı denklemi için uzaysal davranışını incelemiş, çözümlerin asimptotik kararlılığında ortaya çıkan katsayılar için bir üst sınır elde etmiştir. Literatürde p-Laplasyen terim içeren başlangıç-sınır değer problemleri için uzaysal kararlılık ve varlık çalışmaları mevcuttur [7-8].

2. ARTIM KESTİRİMİ (ESTIMATING INCREASE)

Bu incelemede p-Laplasyen terim içeren lineer bir dalga denklemiyle verilen aşağıdaki başlangıç-sınır değer problemi dikkate alınmıştır.

| | ∆ ∈ , ∈ 0, (1)

, 0 , 0 0, ∈ (2)

, 0, ∈ , ∈ 0, (3)

′, 0, , , , ∈ 0, (4) Burada Ω = x∈ : ∈ , ′ , ∈ ⊂ , z 0, ⊂ ve∂D sınırları Diverjans teoremini uygulayacak kadar yeterince düzgün olsun. Burada ∆, R deki Laplace operatörünü gösterir. ∩ ∈ : 0 , ∩ ∈ :∞ olmak üzere ile bölgesindeki, ile de

bölgesindeki integral elemanı ifade edilir. Ayrıca

aşağıdaki işlemlerde , , ,

gösterimleri kullanılır.

Teorem 1. , , (1)-(4) probleminin trivial olmayan bir çözümü ve , , ≡ 0 olsun. Bu durumda aşağıdaki eşitsizlikler geçerlidir: liminf→

⁄ 0, p 2

liminf→

0, p = 2

liminf→

⁄ 0, p 2.

İspat: Bu amaçla (1) denklemi ile çarpılır veΩ bölgesinde de integre edilirse

| |

| |

(5)

eşitsizliği elde edilir. Bu eşitsizlik t’ye göre [0,T] aralığında integre edilirse

| |

| |

(6)

elde edilir. Sol taraftaki terimi için 0

olmak üzere, Cauchy ve Poincare eşitsizlikleri kullanılırsa

| |

| | (7)

ifadesi elde edilir. Burada 1 ⟹ ve

1 λδ 0 ⟹ olarak alınır, yani ε

şeklinde seçilirse

P-laplasyen terim içeren bir dalga denklemi için phragmen-lindelöf tipi kestirimler

Y. Yılmaz, E. Aydın

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 267-270, 2013 269

| | 0

bulunur ve aşağıdaki eşitsizlik elde edilir.

| |

(8)

Sol taraftaki ifadede Poincare eşitsizliği kullanılıp

1 ελ 0 ⟹ , ε ε olarak seçildiğinde

| |

| | (9)

ifadesi elde edilir. Bu ifade (8)’de yerine yazılır ve (8) 1 ile çarpılırsa

| |

1 )

+ 1 )

(10)

elde edilir. (10)’un sağ tarafındaki ilk integral için sırasıyla Hölder, Young ve Poincare eşitsizlikleri uygulanırsa

| |⁄

| |

elde edilir. İkinci ifadeye Hölder ve Poincare eşitsizlikleri uygulanırsa

⁄ | |

elde edilir. Üçüncü ifadeye Cauchy ve Poincare eşitsizlikleri uygulanırsa

ifadesine ulaşılır. Dördüncü ifadeye de benzer şekilde

Cauchy, Poincare ve Hölder eşitsizlikleri uygulanırsa

| |⁄

elde edilir. Bu eşitsizlikler (10) denkleminde yerine yazıldığında

| | 1

) | | | |⁄

1 ⁄

| |

1

| |⁄

(11)

elde edilir.

1 ⁄

, 1

1 ) , olarak seçilir ve (11)

eşitsizliğinde yerine yazılırsa

| |

| | | |⁄

| | | |

| |⁄

(12)

elde edilir.

E(z)∶ | | | |

olarak tanımlandığında E(z) ⁄ ⁄ (13) eşitsizliğine ulaşılır. (13) için Ψ( ) fonksiyonu Ψ( ) = ⁄ ⁄ olarak tanımlanmaktadır. Burada p’nin üç farklı durumu için (13) eşitsizliği ele alınmaktadır. p 2 için,

Y. Yılmaz, E. Aydın P-laplasyen terim içeren bir dalga denklemi için phragmen-lindelöf tipi kestirimler

270 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 267-270, 2013

liminf→ ⁄ liminf

→ ⁄ =

liminf→

⁄ 0

liminf→

⁄ 0, p 2

elde edilir. p = 2 için,

liminf→

0, p = 2

elde edilir. p 2 için,

liminf→ ⁄ =

liminf→ ⁄ liminf

→⁄ 0

liminf→

⁄ 0, p 2

olarak bulunur.

3. AZALIM KESTİRİMİ (ESTIMATING DECREASE)

Bu kesimde başlangıç-değer probleminin çözümünün

bölgesinde ne şekilde değiştiği gösterilmektedir. Bunun için (1)-(4) denklemleriyle verilen problemde toplam enerji sınırlıysa çözüm → ∞ için sıfıra gider. Bunu şu teoremle ifade edelim: Teorem 2. , , (1)-(4) probleminin bir çözümü olsun. Ω bölgesindeki toplam enerji sonlu olduğunda

2 için çözümler üstel hızla 2 halinde polinomik hızla sıfıra gider. İspat: Bu amaçla yine (1) denklemi ile çarpılıp ve ’de integre edildiğinde yukarıdakine benzer işlemler yapılarak E(z) ⁄ )

⁄ (14) ifadesi elde edilir. Bu eşitsizlik için benzer şekilde p’nin üç farklı durumu incelenirse P 2 için (14) den E(z) ⁄ bulunur ki buradan

⁄ ⁄

elde edilir. P 2 için (14) den

E(z) ⁄ elde edilir ve buradan

⁄ ⁄

ifadesine ulaşılır. p = 2 için benzer şekilde (14) den

′(z) bulunur ve buradan

(z) (0) ⁄ eşitsizliği elde edilir.


[1] TOUPİN, R. A., Saint-Venant principle, Arch Rational Mech Anal, 18, 83-96 (1965).

[2] PAYNE, L. E., SCHAEFER, P.W., Phragmen-Lindelof type results for the biharmonic equation, ZAMP, 45, 414- 432 (1994).


Benzin nitrometan karışımlarının özgül yakıt sarfiyatı ve emisyonlara etkisinin incelenmesi

İsmet Çevik1*, Samet Çelebi2

1*İsmet ÇEVİK, Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Sakarya/ Türkiye, [email protected]

2Samet ÇELEBİ, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Eğitimi Bölümü Sakarya/Türkiye, [email protected]


ÖZET

Bu çalışmada, kimyasal yollarla elde edilen nitrometanın, bir benzin motorunda kullanılması sonucu elde edilen özgül yakıt tüketimi ve egzoz emisyon değerlerindeki değişmeler benzin yakıtı ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Tam yükte gerçekleştirilen motor testlerinde benzine oranla % 5 nitrometan içeren karışımın özgül yakıt tüketiminde 3200 min-1 motor hızında % 6,18'lik bir düşüş elde edilmiştir. Bunun yanında motor gücü artış göstermiştir. CO ve HC emisyonlarında benzine oranla düşüş gözlenmiş, CO2 ve NOx emsiyonlarında ise artış gözlenmiştir. Yapılan testlerde, nitrometanın benzine % 10'dan daha fazla oranda karıştırılmasında motorda aşırı vuruntu ve kararsız çalışma gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Nitrometan, Özgül yakıt tüketimi, Emisyonlar, Motor performansı

The investigation of effects specific fuel consumption and emissions fuel mixtures nitromethane

ABSTRACT

In this study, changes of specific fuel consumption and exhaust emmission values of chemical produced nitromethane are compared with values of gasoline fuel. In motor tests conducted at full load, gasoline mixture including % 5 nitromethane yield decreased specific fuel consumption value of 3200 min-1 and low engine speed of % 6,18 percentage. On the other hand, engine power is increased. While CO and HC emissions were observed to be less than gasoline, CO2 and NOx emissions remained to be increased. In performed tests, it is also observed that when mixing nitromethane with % 10 more gasoline, over knocking and unstable motor behavior is observed. Keywords: Nitromethane, Specific fuel consumption, Emissions, Engine performance


İ. Çevik, S. Çelebi Benzin nitrometan karışımlarının özgül yakıt sarfiyatı ve emisyonlara etkisinin incelenmesi

272 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 271-276, 2013

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Motorlu taşıtların tümü, petrol kaynaklı yakıtlar ile çalışmaktadır. Sınırlı enerji kaynakları ileride potansiyel bir enerji kıtlığının olabileceğini göstermektedir. Fosil yakıtların kullanımı ve çevresel bilinç, mühendisleri ve bilim adamlarını temiz, yenilenebilir ve güçlendirilebilir enerji sistemlerinin geliştirilmesinin gerektiği düşüncesine yönlendirmektedir [1]. Petrole bağımlılığın azaltılması ve gelecekte yaşanabilecek petrol krizlerinin en az sıkıntıyla atlatılabilmesi düşüncesi, alternatif yakıt arayışlarına, özellikle içten yanmalı motor yakıtlarının alternatiflerinin araştırılmasına neden olmaktadır [2,3]. Hava kirlenmesinde motorlu taşıtlardan kaynaklanan egzoz emisyonlarının önemli bir payı bulunmaktadır. Özellikle sanayileşmiş bölgelerdeki hava kirliliğinin yaklaşık % 60-70’nin motorlu taşıtlardan kaynaklandığı tahmin edilmektedir [4]. Sürekli artış gösteren motorlu taşıt sayısına bağlı olarak, artan taşıtlardan kaynaklanan egzoz emisyonları tehdit edici bir düzeye erişmektedir. Neticede dünyada birçok yerde, yönetimlerce emisyonları kısıtlayıcı yasal düzenlemeler yapılmakta ve bu düzenlemeler gün geçtikçe daha da daralan limitler ortaya çıkarmaktadır. Mevcut petrol kökenli yakıtlarla bu limitleri karşılamak için yapılan motor üzerindeki yenilikler ve yakıt sistemindeki yeni teknoloji uygulamaları artık zor bir sürece doğru gitmektedir. Dolayısıyla petrol kökenli yakıtların yerini alacak alternatif yakıtlar için istenen önemli özelliklerden biri olarak; emisyon standartlarını karşılayacak içerikte olması gösterilebilir [5, 6]. İçten yanmalı motorlara alternatif olan yakıtları şu şekilde sıralayabiliriz; metanol, etanol, hidrojen, lpg, doğalgaz, elektrik, yakıt hücreleri.

2. NİTROMETAN (NITROMETHANE) Nitrometan CH3NO2 kimyasal formülüne sahip organik bir bileşiktir.

Şekil 1.1. Nitrometanın kimyasal formülü (Chemical formula of nitromethane)

Nitrometanın kimyasal yapısı içerisindeki oksijen şu anlama geliyor ki nitrometan yanmak için çok miktarda atmosferik oksijene ihtiyaç duymaz. Nitrometan yakmak için gerekli oksijenin bir kısmı yakıtın kendi içinde mevcuttur. Nitrometan için tipik hava/yakıt oranı 1.7/1’dir. Nitrometan 11.63 Mj/kg’lık bir enerji içeriğine sahiptir [7]. Nitrometan yaklaşık olarak 0,5 m/s bir laminar yanma hızına sahiptir. Bu yanma hızı benzinden biraz daha yüksektir. Böylece yüksek hız motorları için uygundur. Aynı zamanda benzinden biraz daha yüksek yaklaşık 2400 oC bir yanma sıcaklığına sahiptir. Yüksek yakıt akışı ile birlikte 0,56 Mj/kg’lık yüksek buharlaşma ısısı sayesinde oldukça düşük sıcaklıklarla sonuçlanan şarj (metanolün yaklaşık 2 katı) önemli bir soğuma sağlar [8]. Model uçaklarda ve araç performans yakıtlarında birincil olarak kullanılan karışım genellikle çeşitli nitrometan ve metanol oranları ile % 10-20 yağlayıcılardır (genellikle hint yağı veya sentetik yağ). Nitrometanın orta derecedeki miktarları bile motor tarafından güç arttırma eğilimine neden olmaktadır (hava girişi genellikle sınırlayıcı faktörü oluşturur). Uygun hava/yakıt oranını ayarlanabilirse motor dengesini ayarlamak daha kolay hale gelir [8].

3. MATERYAL VE METOD (METERIAL AND METHOD)

Çalışmada tek silindirli, dört zamanlı, hava soğutmalı, benzin ile çalışan bir motor kullanılmıştır. Motoru frenlemek için 3600 min-1'de 7,46 kW güce sahip elektrikli bir dinamometre kullanılmıştır. Benzine % 5 ve % 10 oranlarında nitrometan katılarak hazırlanan karışımlar ile tam yükte deneyler yapılmıştır. İlk deney, karışım deneylerini karşılaştırabilmek için referans teşkil etmesi açısından % 100 benzin ile gerçekleştirilmiştir.


İ. Çevik, S. Çelebi

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 271-276, 2013 273

3.1. Deney Düzeneği (Test Setup) Motor deneyleri T.C. Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Otomotiv A.B.D. laboratuarlarında yapılmıştır. Şekil 3.1’de deney düzeneğinin şematik görünümü yer almaktadır.

1. Yakıt ölçer, 2. Motor, 3. Dinamometre, 4. Takometre, 5. Yük hücresi, 6. Egzoz sıcaklık ölçeri, 7. Hava sönümleme tankı, 8. Eğik manometre Şekil 3.1. Test düzeneğinin şematik görünümü (The schematic view of the testing set)

Deneylerde tek silindirli, karbüratörlü, dört zamanlı, hava soğutmalı bir benzinli motor kullanılmıştır. Motorun teknik özellikleri Tablo 3.1'de verilmiştir. Tablo 3.1. Deney motorunun teknik özellikleri (The engine of the test specifications)

Motor Tipi Hava soğutmalı, 4 zamanlı, benzinli, 25o eğimli silindirli, yatay milli

Silindir gömleği tipi

Dökme demir gömlek

Silindir çapı x Strok

68 x 45 mm

Silindir hacmi 163 cm3

Sıkıştırma oranı 8.5:1

Anma gücü 2.5 kW / 3000 rpm

Max. net tork 10.3 Nm / 1.05 kgm / 2500 rpm

Ateşleme sistemi Elektronik

Marş sistemi İpli (elektrikli marş opsiyonel)

Yakıt depo kapasitesi

3.1 litre

Nominal güçte yakıt tüketimi

1.4 litre/saat - 3600 rpm

Motor yağ kapasitesi

0.6 litre

Boyutlar (UxGxY) 312 x 362 x 346 mm

Kuru ağırlık 15 kg

4. BULGULAR (FINDINGS) 4.1. Yakıt Sarfiyatı (Fuel Consumption) Benzin ve benzine % 5-10 nitrometan katılarak elde edilen karışımlar ile yapılan deneyler sonucunda Şekil 4.1'deki yakıt sarfiyatı verileri elde edilmiştir. Özgül yakıt sarfiyatı değerleri genel bir karakteristik olarak motorlarda düşük ve yüksek motor hızlarında yüksek değerler göstermektedir. Orta motor hızlarında en düşük değerler elde edilmektedir.

Şekil 4.1. Motor hızına bağlı özgül yakıt sarfiyatı değişimleri. (Specific fuel consumption changes depending on engine velocity)

Şekilde görüldüğü gibi en düşük özgül yakıt sarfiyatı tüm karışımlar için 3200 min-1'de gerçekleşmiştir. Bu motor hızında benzine göre % 5 nitrometan içeren karışımın özgül yakıt sarfiyatı % 6,18'lik bir iyileşme göstermektedir. % 10 nitrometan içeren karışımın özgül yakıt tüketimi ise % 100 benzin ve % 5 nitrometan içeren karışımın özgül yakıt sarfiyatı eğrilerinin arasında yer almaktadır. Bunun nedeni büyük ölçüde karışım yoğunluklarının farklı olmasıdır. Karışım yoğunluğu, karışımın içerdiği nitrometan oranı arttıkça artmaktadır. Karışımın kütlesel debisi içerdiği nitrometan oranının artışına göre artmasına karşın yakıtın kütlesel debisi ile, ilgili motor hızındaki efektif güç oranlandığında özgül yakıt sarfiyatı sonucuna ulaşılmaktadır. % 5 nitrometan içeren karışımda benzine göre karışımın kütlesel debisinin artışının efektif güçteki artışın miktarına göre daha az olması % 5'lik karışımın özgül yakıt tüketiminin en uygun sonucu verdiğini kanıtlamaktadır.

360

380

400

420

440

460

480

500

2000 2300 2600 2900 3200 3500

be

(g/k

Wh

)

Devir Sayısı (dev/dk)

Özgül Yakıt Sarfiyatı (be)

% 100Benzin

% 95Benzin, %5Nitrometan


274 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 271-276, 2013

4.2. CO emisyonu (Co-emission) Benzin motoru eksik hava ile (zengin karışım) çalıştığında CO emisyonu hızla artmaktadır. CO emisyonunun ana nedeni, yanma sırasında yeterli havanın olmamasıdır. Az hava ile yanma durumunda yakıtın karbonunun tümü CO2’ye dönüşmemekte ve CO olarak kalmaktadır [9]. Şekil 4.2'de CO emisyonunun farklı karışımlarla tam yükte yapılan deneyler sonucunda farklı motor devirlerindeki miktarları görülmektedir. Karışım içerisindeki nitrometan oranının artmasıyla CO emisyonundaki azalma miktarının da artış gösterdiği görülmektedir. Burada % 100 benzine göre fazla oranda iyileşmenin sağlandığı karışım, 2900 min-1 motor hızında % 53,06 azalma gösteren % 10 nitrometan içeren karışımıdır. En düşük CO değeri ise 3500 min-1'de benzine göre % 32,62 düşüş elde edilen % 10 nitrometan içeren karışımda gözlenmiştir. Benzin içindeki nitrometan oranının artmasıyla karışımın benzine göre daha fakir olduğu ölçülen HFK (hava fazlalık katsayısı) miktarlarıyla gözlenmiştir. Karışımdaki nitrometan oranı arttıkça silindire alınan hava miktarı artmaktadır. Ayrıca nitrometanın içeriğinde bulunan oksijenin de yanmaya yardımcı olması yanma sonucu oluşan C atomlarının birleşecek yeterli oksijeni bulmasıyla CO2'ye dönüşmesine imkan sağlamaktadır. Böylece CO emisyonları azalmaktadır.

Şekil 4.2. Motor hızına bağlı CO emisyonu değişimleri. (Co-emission changes belonging to velocity of engine)

4.3. HC Emisyonu (HC Emission) CO emisyonu gibi HC emisyonun oluşması da eksik yanmanın bir sonucudur. Silindire yeterli oksijenin

alınamaması yanmanın tam gerçekleşememesine neden olmaktadır. Yanma tam gerçekleşemediğinde ise HC emisyonları meydana gelmektedir. Nitrometanın buharlaşma gizli ısısının benzinden daha yüksek oluşu emme zamanında silindirin sıcaklığını düşürerek, silindire alınan dolgu miktarının artmasını sağlamaktadır. Böylece nitrometan içeren karışımlarda % 100 benzine göre karışım daha fakir oluşmaktadır. Ayrıca nitrometanın oksijen içeriği yanmaya yardımcı olmaktadır. Yanma için yeterli oksijenin bulunması ile HC emisyonlarında azalmalar meydana gelmektedir. Şekil 4.3'de farklı karışımlarla yapılan deneylerde elde edilen HC emisyonu verilerinin motor hızına göre nasıl bir değişim izlediği grafik olarak gösterilmiştir.

Şekil 4.3. Motor hızına bağlı HC emisyonu değişimleri. (HC-emission changes belonging to velocity of engine)

Değerler incelendiğinde en düşük değerin 3500 min-1'de % 10 nitrometan içeren karışımda elde edildiği görülmektedir. 3500 min-1'de % 10 nitrometan içeren karışımda elde edilen değer % 100 benzine göre % 41,44 bir azalma meydana gelmiştir. 4.4. CO2 Emisyonu (CO2 Emission) Şekil 4.4. incelendiğinde bütün karışımlarda motor devrine göre artan bir CO2 emisyonu görülmektedir. CO2

emisyonu yanmanın tam gerçekleştiğinin bir göstergesidir. Yanma ne kadar iyi olursa CO2 emisyonu o kadar fazla olur denilebilir. Yakıtın içinde bulunan karbon yandıktan sonra havanın ve varsa yakıt içeriğindeki oksijenlerle birleşerek CO2 emisyonlarını oluşturmaktadırlar. Yeterli oksijen bulunamadığında

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2000 2300 2600 2900 3200 3500

CO

(%

Vol

)


CO Emisyonu

% 100Benzin

% 95Benzin, %5Nitrometan% 90Benzin, %10Nitrometan

0

50

100

150

200

250

2000 2300 2600 2900 3200 3500

HC

(p

pm

)


HC Emisyonu

% 100Benzin



İ. Çevik, S. Çelebi

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 271-276, 2013 275

emisyon CO olarak kalmaktadır. Burada etkili olan nitrometanın oksijen içerikli olması ve buharlaşma gizli ısısının benzinden daha yüksek olmasından kaynaklanan emilen hava miktarının artmasına yardımcı olmasıdır.

Şekil 4.4. Motor hızına bağlı CO2 emisyonu değişimleri. (CO2-emission changes belonging to velocity of engine)

Şekil 4.4'de yer alan sonuçlar incelendiğinde % 100 benzine göre elde edilen en fazla artış gösteren sonucun 2000 min-1 de % 16,45 oranında bir artma ile % 10 nitrometan içeren karışımda meydana geldiği görülmektedir. Ölçülen en yüksek değer ise % 10 nitrometan içeren karışımda, 3500 min-1'de, % 100 benzine göre % 3,97 oranında bir artış ile % 12,84 olarak ölçülmüştür. 4.5. NOx Emisyonu (NO2 Emission) Egzoz çıkış sıcaklıkları karışım içindeki nitrometan oranlarının artmasıyla azalmaktadır. Nitrometan benzinden çok daha hızlı yanmakta ve silindirdeki yanma sıcaklığını arttırmaktadır. Böylece yanma sonunda NOx emisyonlarının oluşması için uygun bir zemin hazırlanmış olmaktadır. Nitrometanın benzinden daha hızlı yanması, silindirdeki yanmanın egzoz zamanına sarkmasına müsaade etmeden egzoz supabı açılana kadar yanma işleminin büyük ölçüde tamamlanmasına olanak sağlamaktadır. Böylece yanmış gazlar egzoza gidene kadar soğuma fırsatı bulmakta ve egzoz çıkış sıcaklıkları düşüş göstermektedir. Şekil 4.5'te farklı karışımlarla yapılan deneylerde elde edilen NOx emisyonlarının motor devrine göre değişimleri grafik olarak görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi en olumlu NOx eğrisini % 100 benzin ile

yapılan deney sonuçları vermektedir. Karışım içerisindeki nitrometan oranları arttıkça NOx emisyonlarında ciddi bir artış olduğu görülmektedir. Değerler incelendiğinde % 100 benzine göre en fazla artışın 2000min-1 devirde % 322,66 orandaki artışla % 10 nitrometan karışımında gerçekleştiği görülmektedir.

Şekil 4.5. Motor hızına bağlı NOx emisyonu değişimleri. (NO2-emission changes belonging to velocity of engine)

NOx'in en yüksek ölçüldüğü karışım % 10 nitrometan içeren karışımdır. Değer olarak 3500 min-1'de en yüksek değer % 100 benzine göre % 82,17'lik bir artışla 3024,81 ppm olarak ölçülmüştür. Şekil 4.6'da egzoz sıcaklılarının farklı karışım oranlarında motor hızına göre nasıl değiştiği grafik olarak gösterilmiştir. Karışım içerisindeki nitrometan oranlarının artmasıyla egzoz sıcaklıklarında düşme meydana geldiği görülmektedir.

8

9

10

11

12

13

14

2000 2300 2600 2900 3200 3500

CO

2 (

% V

ol)


CO2 Emisyonu

% 100Benzin


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

2000 2300 2600 2900 3200 3500

NO

x (p

pm

)


NOx Emisyonu

% 100Benzin



276 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 271-276, 2013

Şekil 4.6. Motor hızına bağlı egzoz sıcaklıklarının değişimleri. (exhaust temperature changes belonging to velocity of engine)


% 100 benzine göre % 5 ve % 10 nitrometan içeren karışımlar ile yapılan tam yük deneyleri sonucunda özgül yakıt sarfiyatı ile ilgili en iyi sonucu % 5 nitrometan içeren karışım vermiştir. En düşük özgül yakıt sarfiyatı % 5 nitrometan içeren karışımda, 3200 min-1'de % 100 benzine göre % 6,18'lik bir iyileşme ile 392,5 g/kWh olarak ölçülmüştür . CO ve HC emisyonları % 100 benzine oranla, karışımdaki nitrometan miktarının artması ile azalmıştır. CO2 ve NOx emisyonlarında ise karışımlardaki nitrometan miktarının artması ile artışlar gözlenmiştir. CO emisyonu için, % 100 benzine göre fazla oranda iyileşmenin sağlandığı karışım, 2900 min-1 motor hızında % 53,06 azalma gösteren % 10 nitrometan içeren karışımıdır. En düşük CO değeri ise 3500 min-1'de benzine göre % 32,62 düşüş elde edilen % 10 nitrometan içeren karışımda gözlenmiştir. HC emisyonu için, 3500 min-1'de % 10 nitrometan içeren karışım ile yapılan deney sonucu elde edilen değer % 100 benzine göre % 41,44 bir azalma göstermiştir. CO2 emisyonu için, sonuçlar incelendiğinde % 100 benzine göre elde edilen en fazla artış gösteren sonucun 2000 min-1 de % 16,45 oranında bir artma ile % 10 nitrometan içeren karışımda meydana geldiği görülmektedir. Ölçülen en yüksek değer ise % 10 nitrometan içeren karışımda, 3500 min-1'de, % 100 benzine göre % 3,97 oranında bir artış ile % 12,84 olarak ölçülmüştür.

NOx emisyonu için, Değerler incelendiğinde % 100 benzine göre en fazla artışın 2000 min-1 devirde % 322,66 orandaki artışla % 10 nitrometan karışımında gerçekleştiği görülmektedir. Nitrometanın benzine % 5 oranında katılması ile elde edilen karışımın özgül yakıt sarfiyatının benzine göre daha olumlu sonuç verdiği görülmektedir. % 10 nitrometan içeren karışımın özgül yakıt sarfiyatı da benzine göre düşük çıkmasına karşın, % 5 nitrometan içeren karışıma göre da fazladır. Karışım içerisindeki nitrometan oranı % 5'ten daha fazla oranlara çıktıkça yakıt sarfiyatının arttığı görülmektedir. CO ve HC emisyonları karışımdaki nitrometanın artması ile azalırken CO2 ve NOx emisyonları artış göstermiştir.

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] Yüksel, F., Yüksel, B., The Use Of Ethanol-

Gasoline Blend As A Fuel In An Si Engine, Renewable Energy, No: 1181-1191, 2004.

[2] Çetinkaya, S., Çelik, M. B., Buji Ateşlemeli Motorlarda Yakıt Olarak Metanol-Benzin Karışımlarının Kullanılması, 5. Yanma Semposyumu, 1997.

[3] Salman, M. S., Sümer, M., “Buji Ateşlemeli Motorlarda Etanol Ve Etanol-Benzin Karışımlarının Motor Performansına Etkileri”, Politeknik Dergisi, Cilt: 2, Sayı: 2, S. 27-35, 1999.

[4] Borat, O., Balcı, M. Ve Sürmen, A., Hava Kirlenmesi Ve Kontrol Tekniği, T.E.V. Yayınları-3, Ankara, S. 60-92, 1992.

[5] Nichols, R., J., The Challenges Of Change In The Auto Industry: Why Alternative Fuels?, Journal Of Engineering For Gas Turbines, Transaction Of The Asme, Vol 116, October 1994

[6] Coup, D., Toyota’s Approach To Alternative Technology Vehicles : The Power Of Diversification Strategie, Corporate Environmental Strategy 6, Vol 258-269, 1999.

[7] http://www.klotznitromethane.com/ [8] http://en.wikipedia.org/wiki/Nitromethane [9] http://www.obitet.gazi.edu.tr/obitet/emisyon/hav

a_yakit_orani_emisyona_etkisi.htm

250

270

290

310

330

350

370

390

2000 2300 2600 2900 3200 3500

Egz

oz Sıc

aklı

kları

(oC

)


Egzoz Sıcaklıları (oC)

% 100Benzin



Medikal görüntü içerisine tıbbi bilgilerin gömülmesi için yeni bir yaklaşım

Ferdi Doğan1*, Esra Ayça Güzeldereli2, Özdemir Çetin3

1Adıyaman Üniversitesi, Meslek Yüksek Okulu, Bilgisayar Teknolojileri, Adıyaman

2Afyon Kocatepe Üniversitesi, Meslek Yüksek Okulu, Bilgisayar Teknolojileri, Afyonkarahisar 3Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği, Sakarya


ÖZET

Son yıllarda bilgisayar alanında yaşanan gelişmeler ışığında, sağlık alanında çokça ihtiyaç duyulan veri işleme uygulamalarında talepler artmıştır. Kalbin ürettiği sinyalin izlenmesi, beyin sinyallerinin takibi, elde edilen verilerin irdelenmesi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Özellikle bilgisayarların işlem gücünün artmasıyla medikal görüntüler üzerinde analizler yaparak hastalıklara teşhis koymak önem kazanmıştır. Hastalıkların teşhislerini ve hastanın şahsi bilgilerini hasta ile irtibatlandırmak için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Bu çalışmada, hastaların mahrem bilgilerinin gizli kalması istenen durumlarda, yeni bir veri gizleme/gömme yaklaşımı ortaya konmaktadır. Ayrıca yapılan çalışmada kişisel bilgilerin hafızada büyük alan kaplayarak görüntünün orijinalliğini bozmaması için geliştirilen veri sıkıştırma tekniği de veri gizlemeyle birlikte kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Medikal görüntü, dicom, veri sıkıştırma, veri gizleme

A new approach to embed medical information into medical images

ABSTRACT

In recent years, under the light of developments in the field of computer, there has been an increasing demand for data processing in the health sector. Many different methods are being used to connect the personal information or diagnosis with the patient. These methods can differ from each other according to imaging techniques. In this thesis, this kind of data hiding/embedding techniques are mostly prefered in order to provide a privacy for patients. Also, useful to use compression techniques with data compressing for preserving the originality of the image which is damaged by large size of personal information saved in memory. Keywords: Medical image, dicom, data compressing, data hiding


F. Doğan, E. A. Güzeldereli, Ö. Çetin Medikal görüntü içerisine tıbbi bilgilerin gömülmesi için yeni bir yaklaşım

278 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013


Sağlık kurumlarında çalışanların en büyük sorunlarından biri, tıbbi bilgi ve belgelere doğru, hızlı ve kolay bir şekilde erişememektir. Bu sorunları azaltmak amacıyla hastalara ait bilgilerin bilgisayar ortamında arşivlenmesi kullanılmaya başlanmıştır [1]. Sağlık hizmeti vermekte olan kurumlar, kurumlarındaki verimliliği arttırmak, maliyetleri düşürmek ve hasta bakımını geliştirmek, hastalara hak ettikleri hizmetleri zamanında ve mümkün olduğunca formalitelerden uzak bir şekilde verebilmek için bilgisayar tabanlı bilgi sistemlerine yönelmektedirler. Artık günümüzde bilgi hizmetlerinin önemli bir parçası olan bilgisayar tabanlı bilgi sistemlerine yöneliş teknolojinin de hızla gelişmesiyle birlikte zorunlu hale gelmektedir [2]. Görüntü Arşivleme ve İletişim Sistemleri (PACS - Picture Archiving and Communications System) tıbbi görüntülerin ve görüntü bilgilerinin etkin ve verimli bir şekilde yönetilmesi için bütünleşmiş bir sağlık çözümü sunmaktadır [3]. PACS içerisinde yer alan bölümlerden bir tanesi de patoloji laboratuarları oluşturmaktadır. Bir patoloji laboratuarının ürünü, bilindiği gibi “patoloji raporu” dur. Patoloji laboratuarları için ana hedef, eksiksiz, doğru ve zamanında patoloji raporu verebilmektir [4]. Bilgi gizleme ilgi gören bir çalışma alanıdır. Bugüne kadar yapılan bilimsel çalışmalar incelendiğinde görüntüye bilgi gizleme ile ilgili olarak çok sayıda çalışmaya rastlamak mümkündür. Tıbbi görüntülerde bilgi gizleme ile ilgili olarak yapılan çalışmalardan bazıları şunlardır; Öztürk, zeki optimizasyon yöntemleri kullanılarak kırılgan ve dayanıklı resim damgalama tekniklerinin iyileştirilmesi üzerine bir çalışma yapmıştır [5]. Öksüzoğlu çalışmasında sır örtme tekniği kullanılarak hasta kimlik, doktor ve sonuç raporlarının radyografik görüntü üzerinde saklandığı bir çalışma önermiş ve arşivleme karışıklıkların giderilerek işlemlerin hızlı yapılmasını sağlayacak bir uygulama kullanımı tanıtmıştır[6]. Fotopoulos ve ark., tıbbi görüntülerde manyetik rezonans görüntülerine veri gizleme üzerine bir çalışma yapmışlardır [7]. Nambakhsh ve diğerleri, tıbbi görüntü olan PET görüntülerinde veri gizleme üzerine bir çalışma yapmışlardır [8]. Saleh ve ark., hasta bilgilerinin resimlerde gizlenmesi üzerine yeni bir kayıpsız algoritma geliştirmişlerdir [9]. Ulutaş ve ark., medikal görüntülerde elektronik hasta kayıt bilgilerinin saklanabildiği bir metot üzerine çalışma yapmışlardır. Bir önceki çalışmalara göre kapasitesi daha fazla olan elektronik hasta kayıt bilgilerini görüntüye gömebilmişlerdir [10]. Osamah ve ark., DICOM görüntülere yüksek veri gizleme kapasitesi olan yeni bir

algoritma üzerine çalışmışlardır [11]. Mortazavian ve ark., tıbbi görüntülere hastaya ait metin bilgilerinin gizlenmesiyle ilgili bir çalışma yapmışlardır [12]. Görüntü arşivleme ve arşiv sistemlerindeki görüntü veritabanlarındaki tıbbi görüntülerin yasa dışı yollar ile ele geçirilmesi veya içeriklerinin kötü niyetle değiştirilmesine karşı Li ve ark. hasta bilgilerinin mamografilerin içerisine gömülmesi üzerine yeni bir sır örtme metodu önermişlerdir [13]. Bourkanis ve ark., tıbbi görüntülerde kullanılmak üzere kriptografi ve sır örtme tekniklerinin birleştirilmesiyle oluşan ve en önemsiz bit kullanılarak yapılan kayıpsız veri gizleme yöntemi sunmuşlardır[14]. Bu bildiride yukarıda verilen literatür özetindeki çalışmalara ek olarak en önemsiz bit yöntemi kullanılarak medikal görüntüye metin bilgisine ek olarak grafik bilgisinin de eklenmesini sağlayan bir yazılım gerçekleştirilmiştir. Bu yazılım sayesinde patolojik görüntü üzerinde grafiksel raporlama yapılabilmektedir. Böylelikle hasta görüntülerine veri gizlenmesiyle hastaya ait bilgilerin tek bir dosyada saklanabilmesi sağlanmıştır. 2. MEDİKAL GÖRÜNTÜLER (MEDICAL IMAGES)

Tıbbi olanakların hızla geliştiği günümüzde, teknolojik gelişmelerin tıbbi gelişimlere etkileri olumlu yönde yansımaktadır. Teknolojik gelişmelerin tıbbi alanlarda kullanılması hekimlerin işlerini de daha kolay yapmalarını, hasta teşhis ve tanılarında kısa zamanda pek çok işlemin yürütülmesini sağlamaktadır. Hekimlerin teşhis ve tanılarını koyamadıkları hastaya ait bulguların bulunması, uzman hekimlerin görsel olarak görebilmelerini sağlamak amacıyla MR, CT, Röntgen gibi medikal görüntüler kullanılmaktadır. Elde edilen medikal görüntüler hekimlerin işlerini kolaylaştırmış, daha kısa sürede hastalığın tanı, teşhis yapılmasına olanak sağlamıştır. Günümüzde NIfTI, Analyze, SPM gibi medikal görüntü formatları kullanılmaktadır. En çok tercih edilen görüntü formatı ise DICOM formatıdır.

2.1. Nifti (Nifti) NIFTI (Neuroimaging Informatics Technology Initiative), DFWG (Data Format Working Group) tarafından hazırlanan bir medikal görüntü dosyasıdır. Medikal görüntülerdeki analiz paketlerinin daha kolay veri alış verişi yapmasını sağlar. NIFTI geliştirilerek güncellenmiş ve NIFTI-1 ismini almıştır. NIFTI başlık bilgisi 348 byte uzunluğundadır. Görüntü ve başlık bilgisi birleştirilerek *.nii uzantılı bir dosya olmuştur[15].


F. Doğan, E. A. Güzeldereli, Ö. Çetin

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013 279

2.2. Analiz (Analyze) Analyze, görüntü verilerini düzenlemek ve erişmek için kullanılan dosya sistemidir. Tesis paketi ile kullanım için bir takım kaynaklardan gelen veri dönüştürme için sağlanmıştır. Bir Analayze görüntü veritabanında iki tip dosya vardır. Bunlar; görüntü dosyası ve başlık dosyasıdır. Bu dosyalar görüntü dosyası için uzantısı .img ve başlık dosyası için uzantısı .hdr olarak aynı isimde kaydedilir. 2.3. Statistical Parametric Mapping (Spm) Statistical Parametric Mapping (SPM) yazılım paketi, beyin görüntüleme verileri dizilerinin analizi için tasarlanmıştır. SPM, fonksiyonel görüntüleme verileri ile ilgili hipotezleri test etmek için kullanılan istatistik süreçlerinin yapım ve değerlendirilmesi anlamına gelir. 2.4. Dicom (Dicom) Medikal görüntü dosyalarının sayısal olarak arşivlenmesi ve verilerin daha sonra kullanmak amacıyla ortaya çıkan ortak dosya formatı sorunun giderilmeye çalışılması amacıyla DICOM standart dosya biçimi geliştirilmiştir. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) tarafından American College of Radiology (ACR) ile birlikte hazırlanılan tıbbı görüntülerin ve bu görüntüyle beraber eklenecek olan metinsel verilerin iletimi için geliştirilmiş ve şu anda dünyada en yaygın olarak kullanılan standart bir medikal görüntü dosyasıdır. DICOM standardı ile medikal görüntülerin tanımlanmasındaki karmaşıklıklar giderilmiştir. DICOM dosyası içerisinde hastaya ait pek çok bilgi de yer almaktadır. Hastanın adı, soyadı, görüntü bilgisi, çekilen cihaz bilgisi gibi her türlü metinsel veri ve MR, Röntgen, CT gibi medikal görüntüler depolanabilmektedir. Bu yapısı ile basit bir veritabanı yapısına benzemektedir [16]. Medikal görüntülerin standart hale getirilmesi ile farklı cihazlardan elde edilen medikal görüntülerin ortak bir şekilde kullanılabilmesi amaçlanmaktadır. Cihazlardan elde edilen görüntüler belirli bir standartta olmazsa görüntülerin düzenlenmesi için birçok program gerekir. Bu standart sayesinde hastanın hastaneden almış olduğu görüntüler, bir başka hastaneye gittiğinde hekimler tarafından tekrar görüntülenebilmektedir. DICOM üzerinde gerçekleştirilen okuma ve yazma işlemleri, onaltılık (Hexadecimal) sayı sistemi ile icra edilmektedir. DICOM dosya formatının daha açık ve detaylı olarak anlaşılması dosyanın onaltılık biçimdeki karşılığının elde edilmesi ile mümkün olur. Görüntü içerisindeki tüm veriler belirli bir sıra ile dosyaya eklenmektedir. Kaydedilen verilerin tekrar elde edilmesi

durumunda bu kayıt sıralamasının oldukça gerekli olduğu ortaya çıkmış olur [17]. DICOM dosya biçimi, temel olarak 3 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, DICOM dosya biçimini tanımlayıcı ön ek (Preamble), ikinci bölümde hastaya, görüntü biçimine, görüntüye ait özelliklerin yer aldığı metinsel verilerden oluşan başlık kısmı (Prefix-Data Element), üçüncü bölümde ise görüntüye ait olan piksellerin yer aldığı 16 bitlik görüntü verisi (Pixel Data) yer alır. Başlık kısmında NEMA tarafından belirlenen ve sık sık güncellenen metinsel ifadeler yer almaktadır. DICOM dosyasını oluşturan başlık ve görüntü bölümü Şekil 1’de görüldüğü gibidir.

Şekil 1. Dicom başlık ve görüntü bölümü (Dicom heading and image part)

Şekil 1’de gösterilen DICOM görüntüsü temel olarak iki kısma ayrılmıştır. Üst kısımda görülen başlık kısmı, DICOM dosya içerik bilgileri ve metinsel veriler içermekte iken alt kısımda yer alan görüntü ise, görüntünün aslını ifade etmektedir. DICOM dosyasında yer alan başlık bilgisi 794 bayt’tır. Hastaya ait bilgiler, görüntünün çekildiği cihaza ait bilgiler, hastaya ait bilgiler, hastaneye ait bilgiler, görüntü dosyası büyüklüğünü gösteren bilgiler, görüntü dosyasının yükseklik genişlik bilgileri gibi pek çok veri burada yer alır. DICOM başlık bilgisi yapısına ait bazı bilgiler aşağıda yer almaktadır. First 128 bytes: unused by DICOM format Followed by the characters ‘D’,’I’,’C’,’M’ 0002,0000,File Meta Elements Group Len: 13 0002,0001,File Meta Info Version: 256 0002,0010,Transfer Syntax UID: 1.2.840.10008.1.2.1. 0008,0000,Identifying Group Length: 152 0008,0060,Modality: MR 0008,0070,Manufacturer: MRIcro 0018,0000,Acquistion Group Length: 152 0018,0050,Slice Thickness: 2.00 0018,1020,Software Version:46\64\37


280 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013

0028,0000,Image Presentation Group Length: 148 0028,0002,Samples Per Pixel: 1 0028,0004,PhotometricInterpretation: Monochrome2. 0028,0008,Number of Frames: 2 0028,0010,Rows: 109 0028,0011,Columns: 91 0028,0030,Pixel Spacing: 2.00\2.00 0028,0100,Bits Allocated: 8 0028,0101,Bits Stored: 8 0028,0102,High Bit: 7 0028,0103,Pixel Representation: 0 0028,1052,Rescale Intercept: 0.00 0028,1053,Rescale Slope: 0.00392157 7FE0,0000,Pixel Data Group Length:19850 7FE0,0010,Pixel Data: 19838 DICOM dosyası içerisinde yer alan başlık bilgileri bir standarda göre belirlenmiş ve sırayla yerleştirilmiştir. Bu veriler DICOM dosyası içerisinde yukarıdaki numaralandırmaya göre yapılmıştır. Numaralandırma yapılırken, verilerin bütünlüğünü sağlamak için gruplar oluşturulmuş ve buna göre veriler yerleştirilmiştir. Bir DICOM dosyası içerisinde yer alan 0010,0020 etiketine bakılacak olursa, 0010 grup numarasını 0020 o gruba ait bir bilginin olduğunu gösterir. 0010 bilgisi etiketteki hastaya ait grup numarasını temsil etmektedir. 0020 ise hastanın kimlik bilgisini tutmaktadır. NEMA tarafından belirlenen bu standartlara hemen her yıl yenileri eklenmekte ve güncellenmektedir. DICOM etiket bilgisi yapısına ait bazı bilgiler aşağıda yer almaktadır. (0008,0020) AT S Study Date # yyyy.mm.dd (0008,0023) AT S Image Date # yyyy.mm.dd (0008,0030) AT S Study Time # hh.mm.ss.frac (0008,0060) AT S Modality # CT,NM,MR,US,TH,AX (0010,0010) AT S Patient Name (0010,0020) AT S Patient ID (0010,0030) AT S Patient Birthdate # yyyy.mm.dd8 (0010,0040) AT S Patient Sex # M, F, O for other (0010,1010) AT S Patient Age # xxxD or W or M or Y (0028,0010) BI S Rows (0028,0011) BI S Columns (0028,0030) AN M Pixel Size # row\col in mm

DICOM görüntüsü, siyah ve beyaz renklerden oluşmaktadır. Bu sebeple, DICOM dosyası içerisinde piksel değerlikleri, siyah bölgelerde 0 değerini, beyaz bölgelerde ise 1’den büyük 255’e kadar olan yüksek değerler almaktadır. Görüntünün sol, sağ, üst ve alt bölgelerinde daha çok 0 değerlikli pikseller yer almaktadır. Çekilen medikal görüntüye bağlı olarak bu değerlikler çoğalmakta ya da azalmaktadır.

3. SIKIŞTIRMA TEKNİKLERİ (COMPRESSION TECHNIQUES)

Günümüzde disk kapasitelerinin oldukça geniş olması, genel amaçlı sıkıştırma uygulamalarının kullanım oranını azaltmıştır. Ancak, sabit disklerimizde sakladığımız ses, görüntü ve hareketli görüntü dosyalarının birçoğu çeşitli yöntemlerle sıkıştırılmış haldedir[18]. Zamandan ve yerden kazanç sağlamak için kullanılmakta olan veri sıkıştırma, verinin sayısal ortamda daha fazla yer tutup, maliyet artımına yol açtığında ve belli bir zaman diliminde iletişim kanallarından transfer edilen verinin miktarı söz konusu olduğunda, çok büyük bir önem kazanmaktadır. Bilişim teknolojilerindeki gelişmeler veri sıkıştırma yöntemlerinin hem yazılım hem de donanım elemanları ile gerçekleştirilmesini sağlamıştır. Veri sıkıştırmanın temel özellikleri, var olan verinin daha az yer kaplayacak şekilde yeniden düzenlenmesi, zaman ve boyuttan kazanım sağlayarak maliyetin minimize edilmesi olarak özetlenebilir. Veri sıkıştırma yöntemleri, kayıplı ve kayıpsız sıkıştırma yöntemleri olmak üzere ikiye ayrılır. 3.1. Kayıplı Sıkıştırma (Lossy Compression) Kayıplı sıkıştırma yöntemleri, çıkartılması verinin bütünlüğünü en az düzeyde etkileyecek olan veri kümelerini çıkartarak, geriye kalan veri kümelerinin de kayıpsız sıkıştırmaya tâbi tutulması temeline dayanır. Bir veri kayıplı bir sıkıştırma yöntemi ile sıkıştırılırsa, verinin tamamı değil, sadece belirli bir kısmı geri getirilebilir. Veri birebir aynı şekilde geri getirilemediği için bu tür yöntemlere kayıplı yöntemler denir. 3.2. Kayıpsız Sıkıştırma (Lossless Compression) Kayıpsız sıkıştırma yöntemleri, orijinal veri ile sıkıştırıldıktan sonra geri getirilecek olan verinin tamamıyla aynı olmasının gerekli olduğu durumlarda kullanılır. Örneğin metin tipinde veriler kayıpsız olarak sıkıştırılmalıdırlar, çünkü geri getirildiklerinde kelimelerinde veya karakterlerinde eksiklikler olursa, metnin okunabilirliği azalacak ve anlam kayıpları meydana gelecektir. Kısacası, insan gözünün ve kulağının direkt olarak algılayabileceği, metin belgeleri, kaynak kodları, çalıştırılabilir program dosyaları gibi dosyalar kayıpsız sıkıştırılmak zorundadırlar. İki tip kayıpsız sıkıştırma yöntemi vardır. Bunlardan ilki olasılık tabanlı kodlama, ikincisi ise sözlük tabanlı kodlamadır. Olasılık tabanlı kodlamada, sıkıştırılması istenen mesajın, tek tek tüm sembolleri veya birkaç sembolü bir araya getirilerek oluşturulan alt sembol kümelerinin



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013 281

olasılıklarının bulunur ve bulunan bu olasılık dağılımları temel alınarak mesaj tekrar kodlanır. En çok kullanılan olasılık tabanlı teknikler; Huffman Kodlaması ve Aritmetik Kodlama’dır. Sözlük tabanlı kodlamada temel prensip sık tekrarlanan sembol grupları için tek bir sembol kullanılmaktır. Bir metinde sıkça tekrar eden kelimeler, bir görüntü dosyasında tekrar eden piksel grupları gibi, yinelenen kalıplar belirlenir ve bu kalıplardan bir sözlük oluşturularak, her kalıbın sözlükteki sıra numarası kodlanır. En çok kullanılan sözlük tabanlı teknikler; LZ77, LZ78 ve LZW yöntemleridir. Sözlük tabanlı teknikleri, static, yarı-statik ve dinamik olmak üzere 3 temel kategoriye ayırabiliriz[19]. Kaynak hakkında önceden önemli oranda bilgi varsa, sözlük oluşturma masrafından kurtulmak için statik sözlük kullanılabilir. Eğer kaynak hakkında bilgi yoksa dinamik veya yarı-statik yaklaşımlardan birini kullanmak daha etkili olacaktır. Dinamik sözlük modelinde, sıkıştırma aşamasında eş zamanlı olarak hem sözlük oluşturulur, hem de sıkıştırma yapılır[19]. Dinamik sözlük yaklaşımı, hem statik sözlük yaklaşımının, hem de yarı-statik sözlük yaklaşımının avantajlı yönlerinesahiptir. Statik sözlük yaklaşımı gibi tek geçişli ve hızlıdır, yarı-statik sözlük yaklaşımı gibi kaynağa özel sözlük üretir ve sıkıştırma oranı yüksektir[20]. Dinamik sözlük tekniklerinin çoğu 1977 ve 1978 yıllarında Jacob Ziv ve Abraham Lempel tarafından yazılan makaleler üzerine geliştirilmişlerdir. 1977’deki makaleyi temel alan yaklaşımlara LZ77 ailesi, 1978’deki makaleyi temel alan yaklaşımlara ise LZ78 ailesi denir. LZ78 ailesinin en çok bilinen ve en iyi sıkıştırma oranı sağlayan üyesi LZW algoritmasıdır[19].

3.3. Lzw Sıkıştırma Algoritması (LZW Compression Algorithm) Terry Welch tarafından 1984’te, LZ78 yaklaşımını yüksek performanslı disk ünitelerine uyarlanmasıyla ortaya çıkan yeni algoritma LZW olarak kabul görmüştür. LZW hem sıkıştırma hem de açma performansı açısından LZ78 ailesinin en iyisidir. Her tip veri üzerinde iyi sonuçlar verdiği ortaya konmuştur. Bu nedenle kendisinden sonra gelen birçok algoritma LZW’yi temel almıştır. LZW yöntemi ile sıkıştırma yapılırken, başlangıçta ilk 256 elemanı (0-255) ASCII tablodaki karakterler için ayrılmış olan “dictionary” adı verebileceğimiz bir tablo tutulur. Sıkıştırma sonrası çıkışa yazılacak veriler bu sözlükten alınacak indis numaraları olduğu için, çıkış

dosyasına yazılacak her bir verinin boyu en az 9 bit (8 bitten fazla) olmak zorundadır. 12 bit için çıkış dosyasına yazılabilecek kodlar 256-4095 arası değişir. 4095’ten sonra gelen veriler kodlanmaksızın çıkış dosyasına yazılır. Bu sıkıştırma oranını bir miktar düşürür[7]. Şekil 2’de verilen sıkıştırma algoritmasında da görüldüğü üzere, veriler giriş dosyasından bayt bayt okunup bir stringe eklenir ve bu stringin tabloda mevcut olup olmadığına bakılır. Eğer mevcut ise, dosyadan bir bayt daha okunarak işlem tekrarlanır. Algoritma, sıkıştırılacak olan metin üzerinde, sözlükte olan bir kelimeyle uyuşan harfler bulduğu sürece ilerler. Farklı bir harfe rastlandığı zaman, o ana kadar uyumlu bulduğu harflerden oluşan kelimenin kodunu sonuca yazar ve yeni harfi içeren kelimeyi sözlüğe ekler.

Şekil 2. Lzw sıkıştırma algoritması (LZW compression algorithm)

Algoritma açma işlemi sırasında da, sıkıştırma işleminde olduğu gibi dinamik sözlük oluşturulur. Sıkıştırılmış mesajdan bir değer okur ve bunun karşılığını sözlükten bularak açılmış mesaj olarak çıkartır. Ayrıca sözlüğe her yeni gelen harfi, sözlükten bulduğu bir önceki kayda ekleyerek sözlüğe yeni bir kayıt olarak ekler. Şekil 3 ve Şekil 4’te bir verinin sıkıştırma ve sıkıştırma açma işlemi süreci tablosal olarak gösterilmiştir.


282 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013

Şekil 3. Lzw algoritması ile verinin sıkıştırılma aşamaları (The compression of the data with LZW compression algorithm)

Şekil 4. Lzw algoritması ile verinin sıkıştırma açma aşamaları (The compression and open tries of the data with LZW compression algorithm)

4. VERİ GİZLEME TEKNİKLERİ (METHODS OF

DATA HIDING) Bilişim teknolojilerinin hayatımıza daha fazla girmesi ve yaygınlaşmasıyla birlikte, yapılan iş ve işlemler elektronik ortamlara kaymakta, bu ortamlarda bulunan, saklanan, işlenen ve transfer edilen bilgilerin ise korunması veya güvenliğinin sağlanması çok büyük önem arz etmektedir. Bilgi gizlemenin önemli bir alt disiplini olan sır örtme, bir nesnenin içerisine bir başka verinin gizlenmesi olarak tanımlanabilir. Taşınmak istenen mesajın başka bir ortamda saklanarak, üçüncü şahısların iletilen mesajın varlığından haberdar olması engellenmektedir[22]. Tam olarak “kaplanmış yazı” anlamına gelen Sırörtme’nin amacı, önemli mesaj ya da bilginin varlığını saklamaktır. Kelime anlamı olarak gizli yazı veya örtülü yazı anlamına gelmektedir[23].Bilgi gizleme yöntemlerinin önemli bir alt dalını oluşturan sır örtme kökleri binlerce yıl öncesine dayanan bir bilim dalıdır [24].

Şekil 5. Veri gizleme blok diyagramı (The block diagram of data hiding)

Veri gizleme yapısı temel olarak Şekil 5’te görülmektedir. Gizlenecek olan veri, veri gizleme yöntem ve algoritmaları yardımıyla sayısallaştırılmış görüntü öğesine gömülür. Burada gizlenecek olan veri metin, şifrelenmiş metin ya da binary temsilli bir değer olabilir. Sonuç olarak veri gizlenmiş öğe elde edilir. Burada kullanılacak olan gizleme yöntem veya algoritmalarından, görüntüdeki bozulmanın en aza indirgenmesi ve en hızlı şekilde gerçekleşmesi için en uygunu seçilmelidir. İçerisinde gizli veri bulunan öğeden, gizlenmiş veriyi elde etmek için gizlemede kullanılan yöntem ve teknikle çözümleme yapılır. Çözümlemedeki yapı gizlemedeki yapının tersidir. Sır örtme, kullanım alanları açısından üçe ayrılmaktadır. Bunlar, metin (text) sır örtme, görüntü (image) sır örtme ve ses (audio) sırörtme’dir. 4.1. Görüntü Sır Örtme (Image Glaze Covering) Resim üzerinde gerçekleştirilen değişiklikler insan gözü tarafından algılanamamalıdır. Aksi halde en azından bir gizli metin iletilmekte olduğu anlaşılacaktır. Bu durumda üçüncü kişilerin içerisinde gizli veri olan resim üzerinde işlemler yapma olasılığı vardır. Sır örtme yöntemlerin bazı sınırlar içerisinde de olsa bu tür saldırılara karşı bir dayanıklılık göstermesi gerekir. Görüntü sır örtme bilgiyi resmin içine gizlemek için çeşitli yöntemler vardır. Bunlar; en önemsiz bite ekleme (LSB), maskeleme ve filtreleme, dönüşüm teknikleri olarak sınıflandırılabilir. En önemsiz bite ekleme yöntemi, yaygın olarak kullanılan ve uygulaması basit bir yöntemdir. Bu yöntemde, resmi oluşturan her pikselin her baytının en önemsiz biti olan son biti değiştirilerek o bitin yerine gizlenmesini istediğimiz verinin bitleri sırasıyla verinin başlangıcından itibaren birer birer yerleştirilmektedir. Burada her sekiz bitin en fazla bir biti değişikliğe uğratıldığından ve eğer değişiklik olmuşsa da değişiklik yapılan bitin baytın en az anlamlı biti olmasından dolayı, ortaya çıkan steganogramdaki (= örtü verisi + gömülü



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013 283

veri) değişimler insan tarafından algılanamaz boyutta olmaktadır. Maskeleme ve filtreleme yönteminde resmin, resim işleme teknikleri kullanılarak veri saklamaya en uygun alanları belirlenir ve saklama işlemi bu bölgelerde gerçekleştirilir. Genellikle ticari amaçlar için, 24 bitlik gri seviyeli resimlerde kullanılır[25]. Dönüşüm teknikleri ile gizlenecek veri/mesaj imgeler başka bir uzaya dönüştürüldükten sonra imgenin belirli alanlarına gömülmektedir. Dönüşüm tekniklerinde sıklıkla kullanılan yöntemlerin başında, Ayrık Kosinüs Dönüşümü (Discrete Cosinus Transform-DCT), Ayrık Fourier Dönüşümü (Discrete Fourier Transform-DFT) ve Ayrık Dalgacık Dönüşümü (Discrete Wavelet Transform-DWT) gelmektedir. 4.2. Gri Seviyeli Dört Piksel İçerisine Bir ASCII Kodunun Gömülmesi (Embedding an ASCII Code Level four pixels in a gray) Gri seviyeli resimlerde her piksel, 0 ile 255 arasında parlaklık değerleri alır. Burada 0 değeri siyah, 255 değeri beyaz, diğer değerler ise gri renkleri tanımlar. Bu çalışmada kullanılan karakter kümesi, HTML tarafından kullanılan ISO-8859-1 (Latin-1) karakter kümesi olduğundan her bir ASCII kodu dört basamaklıdır. Bu ASCII kodunu bir resim içerisine gizlemek istediğimizde, ASCII kodunda yer alan her bir karakter bir piksel içerisine gömüleceğinden, resimdeki her dört piksel içerisine bir ASCII kodu, yani bir karakter yerleştirilir. Gri seviyeli bir resimde ardı ardına gelen 4 pikselin renk değerlerinin 42,129,85,42 olduğunu düşünelim.

Şekil 6. Dört piksele ait parlaklık seviyelerin 8−bit olarak dağılımı (Four levels of brightness of pixels in 8-bit distribution)

Parlaklık seviyeleri 42,129,85,42 olan dört piksel içerisine ‘∑’ karakterinin karşılığı #8721 kodunun gömülmesi işlemi Şekil 7’de, gömülü bilginin yeniden elde edilmesi işlem süreci ise Şekil 8’de görülmektedir.

Şekil 7. Dört piksel içerisine bir ASCII kodunun gömülmesi işlem süreci (Embedding an ASCII code of the four pixels in the treatment process)

Şekil 8. Bir piksel içerisinden gömülü bir ASCII kodun çıkarılması işlemi (Removal of the ASCII code embedded within a pixel)

5. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND

DISCUSSION) Gerçekleştirilen uygulamada medikal görüntü içeren Dicom dosyaları kullanılmıştır. Medikal görüntü içerisinde yer alan hastaya ait bazı bilgiler, görüntüye ait bazı bilgiler ve beraberinde hekim tarafından eklenecek olan elde edilmiş bilgi ve bulguları gösteren teşhis ve tanı metinleri de medikal görüntü içerisinden alıp bir metin dosyasına aktarılır. Bu metin dosyası içerisinde yapılan örneklerde 470 karakterlik bilgi yer almaktadır. Yapılan denemelerde kullanılan farklı medikal görüntülere ise yerleştirilebilecek en fazla karakter sayısı 27000 karakter ile 70000 karakter arasında değişmektedir. Bu durumda hastaya, doktora, hastaneye gibi pek çok veri bu medikal görüntü içerisine yerleştirilebilme imkânı sağlamaktadır. Medikal görüntü formatı olan Dicom dosyası gri seviyeli resim dosyasına dönüştürülerek veri gizlenecek olan görüntü dosyası elde edilmiştir. Bununla beraber bir de medikal görüntü içerisinde yer alan bilgiler elde edilerek metin dosyasına kaydedilir. Medikal görüntü içerisine yerleştirilecek olan pikseller seçilirken gri seviyeli pikseller arasında bir aralık belirtilmiştir. Bu aralığa göre veri gizlenecek olan pikseller seçilir. Yapılan denemelerde medikal görüntü dosyaları içerisinde gri seviyeli pikseller olması sebebiyle 0 ağırlıklı değerlikler içermektedir. Yani görüntü de piksel yoğunlu daha çok siyah ağırlıklıdır. 0 değerliğe sahip olan piksel içerisine ver gömmek doğru


284 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013

bir yaklaşım olmayacağından belirlenen aralığımız; 0>aralık<50 ve 230>aralık<255’dır. Bu uygulamada yapılan işlemler; elde edilen metin dosyasının içerisine hekim tarafından eklentiler de yapılarak gömülecek verinin ham veri olarak gri seviyeli görüntü içerisine gömülmesi ve elde edilen metin dosyasının sıkıştırılarak elde edilen sıkıştırılmış verinin gri seviyeli görüntü içerisine gömülmesiyle gerçekleştirilmiştir. Ham veri ile sıkıştırılmış veri arasında karaktersel düzeyde farklılıklar yer almaktadır. Ham metin belgesi gri seviyeli görüntü içerisine gömülürken ASCII karakter kodları 0-255 arasındaki değerlikleri alır. Bir ASCII kodunun gri seviyeli bir görüntü içerisine yerleştirilirken 3 piksel gereklidir. Ancak LZW ile sıkıştırılmış metin belgesi içerisinde yer alan ASCII karakter kodları değerlikleri 4 basamaklı değerlikler almaktadır. bu durumda yapılması gereken 4 piksel içerisine verinin gömülmesidir. Bu durumda resim üzerindeki bozulma miktarı doğal olarak artmaktadır. Fakat yapmış olduğumuz uygulamada buna rağmen sıkıştırılmış belge görüntü içerisine kaydedilirken gerçekleşen bozulma miktarı daha azdır. Bununla beraber verinin gömülmesi ve çıkarılması işlemi de daha kısa sürmektedir. Uygulama yapılan 3 farklı DICOM görüntü dosyası için gerçekleşen bozulma miktarları Şekil 9’da görülmektedir. Uyg.1 için sıkıştırılmış verinin gömülmesi esnasındaki bozulma miktarı 1408 piksel, ham veri için ise 1960 pikseldir. Uyg.2 için sıkıştırılmış verinin gömülmesi esnasındaki bozulma miktarı 1505 piksel, ham veri için ise 2008 pikseldir. Uyg.3 için sıkıştırılmış verinin gömülmesi esnasındaki bozulma miktarı 1105 piksel,ham veri için 2040 pikseldir.

Şekil 9. Yapılan uygulamalarda gerçekleşen pixel bozulma miktarları (The actual pixel distortion amounts of applications)

Şekil 10’da ise yapılan uygulamarda verilerin gömme sürelerini gösteren graikler yer almaktadır. Uyg.1 için sıkıştırılmış verinin gömme süresi 0.0206492 ms, ham veri için gömme süresi 0.0341145 ms'dir.Uyg.2

için sıkıştırılmış verinin gömme süresi 0.07053ms, ham veri gömme süresi ise 0.09874 ms'dir. Uyg.3 için sıkıştırılmış verinin gömme süresi 0.162258 ms, ham veri gömme süresi ise 0.291212ms'dir.

Şekil 10. Yapılan uygulamalarda verinin gömme işlem süreleri (The built-in applications, data processing times)

Şekil 11’de yapılan uygulamalarda gömü verisinin geri elde edilmesi için geçen süreler görülmektedir. Uyg.1 için sıkıştırılmış verinin tekrar elde etme süresi 0.2006 ms, ham verinin tekrar elde etme süresi ise 0.4471 ms'dir. Uyg.2 için sıkıştırılmış verinin tekrar elde etme süresi 0.2339 ms, ham verinin tekrar elde etme süresi 0.6542 ms'dir. Uyg.3 için sıkıştırılmış verinin tekrar elde etme süresi 00.415658 ms, ham verinin tekrar elde etme süresi ise 00.484755 ms'dir.

Şekil 11. Yapılan uygulamalarda verinin elde edilme işlem süreleri (Data acquisition applications with processing times)

Sıkıştırılmış Veri İçin

Bozulma(pixel …


Bozulma(pixel …


Bozulma(pixel …

Ham Veri İçin Bozulma

(pixel sayısı); …





SıkıştırılmışVeri İçinBozulma(pixelsayısı)

Ham Veri İçinBozulma(pixelsayısı)

Sıkıştırılmış Veri

Elde Etme İşlem …





Ham Veri Elde

Etme İşlem

Süresi; …

Ham Veri Elde

Etme İşlem

Süresi; …

Ham Veri Elde

Etme İşlem

Süresi; …SıkıştırılmışVeri Elde Etmeİşlem Süresi

Ham Veri EldeEtme İşlemSüresi


Gömme İşlem …


Gömme İşlem …


Gömme İşlem …

Ham Veri İçin Gömme İşlem

Süresi; …


Süresi; …


Süresi; …

SıkıştırılmışVeri İçinGömme İşlemSüresi

Ham Veri İçinGömme İşlemSüresi



SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013 285


Medikal görüntüler içerisine veri gizleme çalışmalarında gizlenmek istenen bilgi çoğunlukla hastaya ait kişisel bilgileri ve hastalık teşhisini içermektedir. Bu bilgilerin gerek arşivlenerek saklanması gerekse de diğer uzmanlarla paylaşılması esnasında ortaya çıkan problemlerin başında güvenlilik gelmektedir. Hastaya ait kişisel ve özel bilgilerin istenen uzmanlar haricinde başkalarının eline geçmesi hem etik açıdan hem de hastanın mahremiyetinin korunması açısından uygun olmadığı genel kanaattir. Bu makale çalışmasında gerek bilgilerin arşivlenmesi hususunda gerekse de bilgilerin güvenli bir şekilde saklanması konusunda yeni yaklaşımlar önerilmiştir. Güvenliği sağlamak için medikal görüntüler üzerinde yeni bir sır örtme yaklaşımı sunulurken, yüksek veri kapasitesine sahip gizli bilgilerin ise sıkıştırılarak arşivlenmesi önerilmiştir. Yapılan literatür çalışmalarında görülmüştür ki günümüzde yapılan benzer çalışmalarda sıkıştırma tekniklerinin de kullanıldığı bir sır örtme yaklaşımı bulunmamaktadır.


[1] Babaoğlu İ., Aygül N., Özdemir K., Bayrak M., Koroner Anjiyografi Ve Perkütan Transluminal Koroner Anjiyoplasti Sonuçlarının Arşivlenmesi Ve Standardizasyonu Üzerine Bir Çalışma, 3. Ulusal Tıp Bilişimi Kongresi, 2006.

[2] Polatlı E.S., Zayım N., Gülkesen K.H., Saka O., Hekimlerin Sağlık Hizmetlerinde Bilgisayar Ve Bilgi Sistemlerinin Kullanımına Dair Görüşleri, 3. Ulusal Tıp Bilişimi Kongresi, 2006.

[3] Yıldırım P., Öztaner Sm., Gülkesen Kh, Radyologların Gözüyle Pacs; Bir Değerlendirme Çalışması, 3. Ulusal Tıp Bilişimi Kongresi, 2006.

[4] Yörükoğlu K., Usubütün A., Doğan Ö., Önel B., Aydın Ö., Türkiye’de Patoloji Laboratuarlarının Genel Profili, Türk Patoloji Dergisi, 25(1),19-28, 2009.

[5] Öztürk S., Kırılgan Ve Dayanıklı Resim Damgamala Tekniklerinin Başarımının Zeki Optimizasyon Yöntemleriyle Arttırılması, Erciyes Üniversitesi Fbe, 2009

[6] Öksüzoğlu S., Radyografik Görüntülere Veri Gizleme Uygulaması, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Ve Biyomedikal Mühendisliği 13. Ulusal Kongresi, 2009.

[7] Fotopoulos V., Stavrinou M.L., Skodras A.N., Dept, Medical Image Authentication And Self-Correction Through An Adaptive Reversible Watermarking Technique, Bioınformatics And Bioengineering, 2008.

[8] Nambakhsha M.S., Ahmadian A., Zaidi H., Contextual Based Double Watermarking Of Pet

Images By Patientıd, Computer Methods And Programs In Biomedicine, 2010.

[9] Saleh N.A., Boghdady H.N., Shaheen S.I., Darwish A.M., High Capacity Lossless Data Embedding Technique For Palette Images Based On Histogram Analysis ,Digital Signal Processing, 20,1629–1636,2010.

[10] Ulutas M., Ulutas G., Nabiyev V.V., Medical Image Security And Epr Hiding Using Shamir’s Secret Sharing Scheme, The Journal Of Systems And Software,84-3, 341-353, 2011.

[11] Al-Qershi O.M., Khoo B.E., High Capacity Data Hiding Schemes For Medical İmages Based On Difference Expansion, The Journal Of Systems And Software 84-1, 105–112, 2011.

[12] Mortazavian P., Jahangiri M., Fatemizadeh E., A Low-Degradation Steganography Model For Data Hiding İn Medical Images. In Proceedings Of The Fourth Iasted International Conference Visualization, Imaging And Image Processing, 452-230, 2004.

[13] Li Y., Li C.T., Wei C.H., Protection Of Mammograms Using Blind Steganography And Watermarking, Ias '07 Proceedings Of The Third International Symposium On Information Assurance And Security, 2007.

[14] Bourbakis N., Rwabutaza A., Yang M., Skodras A.N., Ewing R., Dsp'09 Proceedings Of The 16th İnternational Conference On Digital Signal Processing, 2009

[15] Http://Nifti.Nimh.Nih.Gov/ [16] Ulaş, M., Boyacı, A., Akademik Bilişim’07 - Ix.

Akademik Bilişim Konferansı Bildirileri, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya, 2007.

[17] Ulaş, M., Radyolojik Görüntülerin Sayısal Olarak Arşivlenmesi Ve Ağ Üzerinden Paylaştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi F.B.E.,Elazığ, 2007.

[18] Selçuk, A.A., Word-Based Compression In Full Text Retrieval Systems, M. Sc.Thesis, Bilkent University May, 1995.

[19] Mesut, A., “Veri Sıkıştırmada Yeni Yöntemler”, Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı, Trakya Üniversitesi, Edirne, 2006.

[20] Salomon, D., Motta, G., Handbook Of Data Compression, Fifth Edititon, 2010.

[21] Knıeser, M. J., Wolff, F. G., Papachrıstou, C. A., Weyer, D. J., Mcıntyre, D. R., A Technique For High Ratio Lzw Compression, Proceedings Of The Design, Automation And Test İn Europe Conference And Exhibition, 1530-1591/3, 2003 Ieee.

[22] Mesut, A. Ş., Mesut, A., Sakallı, M. T., Görüntü Steganografide Gizlilik Paylaşım Şemalarının Kullanılması Ve Güvenliğe Etkileri, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Trakya Üniversitesi,


286 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 277-286, 2013

Edirne 2006. [23] Esin, E. M., Güvenoğlu, E., Resim İçine Yazı

Gizlenmesi Amacıyla Kullanılan Lsb Ekleme Yönteminin Shuffle Algoritmasıyla İyileştirilmesi, Elektronik Mühendisliği Bölümü, Maltepe Üniversitesi, 2007.

[24] Şahin, A., Buluş, E., Sakallı, M. T., “24-Bit Renkli Resimler Üzerinde En Önemsiz Bite Ekleme Yöntemini Kullanarak Bilgi Gizleme”, Trakya Üniversitesi J Sci, Issn 1305-6468, 7(1): 17-22, 2006.

[25] Amın, M. M., Salleh, M., İbrahim, S., Katmin, M. R., Shamsuddın, M. Z. I., Information Hiding Using Steganography, Telecommunication Technology, 4th National Conference, Shah Alam, Malaysia, 21- 25, 2003.


Sodyum humat/sles/bitkisel yağların karışımı

Yeliz Akyiğit 1*, Mümin Dizman1, Ahmet Tutar1



ÖZET

Sodyum humatın iyonik yüzey aktif maddesi olan sodyum lauril eter sülfatla karışımı bitkisel yağ karışımlarıyla 25, 50 ve 75 °C de hazırlandı. Farklı konsantrasyon aralıklarında ve tampon çözelti içerisinde fiziksel teknikler kullanılarak karışım çalışması gerçekleştirildi. Bununla beraber, karışımın karışabilirliği, UV-visible spektrofotometresi ve Fourier dönüşümlü infrared (FTIR) kullanılarak tespit edildi. Çalışmadaki değerler humik asit miktarının %60 dan fazla olduğunda her sıcaklıkta karışabilir olduğunu gösterdi. Farklı sıcaklıklarda karışımın karakteristiğinde önemli bir değişiklik yoktu. Kompleksin oluşum mekanizmasının, karbonil gruplarıyla hidroksil gruplarının arasındaki hidrojen bağı oluşumunu içeren güçlü intermoleküler interaksiyon ile gerçekleştiği düşünülmektedir. Anahtar Kelimeler: sodyum humat, karışım, yüzey aktif madde, yağ asidi

A blend of sodium humate/sles/herbal oils

ABSTRACT

A blend of sodium humate (SH) with anionic surfactants such as sodium lauryl ether sulfate (SLES) was prepared by solution mixing at medium of herbal oils at 25, 50 and 75°C. Its miscibility studies were carried out by using physical techniques over an extended range of concentration and composition in buffer solution. In addition, to ascertain the state of miscibility of the blends, they were investigated by using UV-visible spectrophotometer and Fourier transform infrared (FTIR). These values revealed that the blend is miscible when the sodium humate content is more than %60 in the blend at all temperatures. There were no important differences in the characteristics of the blends at different temperatures. It was thought that the mechanism of the complex formation is realized by making strong intermolecular interaction like hydrogen bonds between the carbonyl groups in humic acid and hydroxyl groups in fatty acids. Keywords: Sodium humate, blend, surfactant, fatty acid


Y. Akyiğit, M. Dizman, A. Tutar A blend of sodium humate/sles/herbal oils

288 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 287-290, 2013

1. INTRODUCTION

Humic substances (HSs) have been said to be the most common polymer on Earth. They account for approximately 80% of organic carbon of the world [1]. HSs are bio-polymers based on carboxyl, hydroxyl and carbonyl units which can reach a high molecular weight (500,000-1,000,000). During humification, HSs are fragmented into small pieces and hydrophilic groups (-OH, -COOH) are produced to make it water soluble, particularly at the high pH (11-12). Their derivatives are polymeric surfactants of the grafted type. They are dispersants for solid particles, as in drilling fluids, among other uses like cosmetic. The concept of modifying humic substances is based on the methods used for the development of biopolymers with surfactant properties [2]. The sites at the occurrence of modification include the first benzene ring in phenolic structures and hydroxyl groups. The suggested modification methods are designed to enable the addition of hydrophilic sulfonic, hydroxyl or trimethylammonium functional groups, which are likely to affect the surfactant properties. Derivatives of HSs are characterized based on their elemental and functional analysis as well as their UV-vis and FTIR spectra. It is well known that the behavior of humic substances in aquatic solutions depends on their concentration, pH and the concentration of metal ions in the solutions [3] and the same factors determine the influence of humic substances on surface tension and the formation of pseudomicelles. This is because both effects are manifestations of the same solution properties. In addition, it is well known that the properties of humic substances depend on their origin [4]. The development of micellar structures is associated with changes in macromolecules in the solution phase that lead to the exterior of the molecule (molecular aggregates) becoming more hydrophilic and the interior becoming more hydrophobic. This allows a hydrophobic microenvironment that supports the ability of the HSs to solubilize hydrophobic organic molecules like fatty acids. In this study, sodium humate and water-soluble anionic surfactants with herbal oils was combined as a novel for use in cosmetic [5]. The oils employed were generally fatty acids which are very insoluble in water and tend to be immiscible when water is added. However, under the proper conditions, the oils can be dissolved in water which contains a surfactant such as a petroleum sulfate or a petroleum sulphonate/sodium humate combination.

2. EXPERIMENTAL 2.1. Materials Sodium humate (SH) was supplied from Sigma-Aldrich Chemical Company. Sodium lauryl ether sulfate (SLES, 70%) and herbal oils (mixing of olive oil, nigella sativa oil and sesame oil) was attained by the market. Other agents used were the entire analytical grade and all solutions were prepared with distilled water. 2.2. Blend Preparation of SLES/Herbal Oils/Sodium Humate One mixing procedure was to combine the anionic surfactants and the sodium humate and to add herbal oils that had been preheated to a temperature above the melting point of the surfactant. This combination of sodium humate, surfactant and oils were stirred at about 25, 50 and 75°C, respectively. Appropriate amount of SH was dissolved in 50 ml distilled water in a 250 ml four-neck flask, equipped with a mechanical stirrer, a reflux condenser, a funnel and a oxygen line. After being purged with oxygen for 30 min to remove the inert gas dissolved from the system, and certain amount of SLES was introduced to mix with certain amount of oils. Ten minutes later, the remained water was added. The water bath was kept at desired temperatures for 1 h to complete the mixing. 2.3. UV-Visible Spectroscopy To obtain the E4/E6 ratio, the absorbance at 465 nm and 665 nm was measured using SHIMADZU–UV–2401 PC (UV–VIS Recording Spectrometer) on solution of 3.0 mg of each blend in 10 mL of 0.05 mol/L NaHCO3. 2.4. Fourier Transforms Infrared (FTIR) Spectrum To analyze the chemical and/or physical interactions after producing the blend polymer, IR spectra were scanned by Shimadzu's FTIR-8000 instrument over wave number range of 4000–400 cm−1. FTIR data analysis was made by Shimadzu's Irsolution 1.30 software.

3. RESULTS AND DISCUSSION

Figure 1 illustrates the infrared spectra of some samples in the range 4000 cm-1–600 cm-1. FTIR spectrometry has been proven to be a very powerful technique to detect the intermolecular interaction between three organic materials. The intermolecular interaction through hydrogen bonding can be characterized by FTIR, because the specific interaction affects the local electron density and the corresponding frequency shift can be observed [6]. In FTIR spectra the shift of the bands derived from

A blend of sodium humate/sles/herbal oils Y. Akyiğit, M. Dizman, A. Tutar

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 287-290, 2013 289

the groups which can be involved to hydrogen bonds suggests that the interactions between SH, SLES and oils occur by it. The IR hydroxyl stretching range of SH/SLES/oils is sensitive to the hydrogen bonding formation. SHas a hydrogen donor forms hydrogen bond with sulfate group from SLES and herbal oils. The sulfate group in SLES contains a proton-accepting moiety (-SO3

-

), while SH presents carboxylic groups as side groups. Therefore, a hydrogen-bonding interaction may take place between these chemical moieties in a blend of SH, SLES and oils. The formation of hydrogen bonds between three different macromolecules competes with the formation of hydrogen bonds between molecules of the same structure. The molecular structure of SLES reveals that the 1700 and 1600 cm-1 bonds refer to the vibration of C N, and CC and the stretching vibration of the -CH is evident at 3600 and 3000 cm-1, as shown in curves (from a to f) in Figure 1.

Figure1. The FTIR spectra of (a) 5% SLES at 25°C, (b) 10% SLES at 25°C, (c) 15% SLES at 25°C, (d) 5% SLES at 50°C, (e) 10% SLES at 50°C, (f) 15% SLES at 50°C, (g) 5% SLES at 75°C, (h) 10% SLES at 75°C, (i) 15% SLES at 75°C.

The UV/Vis spectra of the blend ofSH/SLES/oilswere recorded at the range of 200–800 nm (Figure 2). The ratio E4/E6 of the diluted humic substances extracted from the peat were used in the characterization of humic (HA) and fulvic acids (FA). The E4/E6 ratio was much larger for the FA fractions than for the HA fractions. The larger E4/E6 values were associated with lower molecular weights [7]. This E4/E6 ratio is inversely related to the degree of condensation of the aromatic groups in humic substances [8], so that a high ratio would reflect a low degree of aromatic condensation and the presence of relatively large proportions of aliphatic structures. Although all samples didn’t indicate any sharp end point, they exhibited a slight projection characterizing humic substances at 450–470 nm [9]. This projection reflects the unsaturated parts of humic substances or their absorbance with double bands (C=C, C=O and N=N) of aromatic groups [10]. The changes in the projection observed in the blend of SH/SLES/oils were attributed to those in the concentration of aromatic compounds. In conclusion, these changes came from the structure of the characteristic differences in the humification process [11].

Figure 2. UV-vis spectra of blend of SH/SLES/oils.

Chromophores being responsible for the absorbance include unbound electrons such as oxygen, sulfur, halogen atoms [12]. Absorbance is mainly formed due to the aromatic ring structures [13]. Moreover, the rotation of molecules and intermolecular interactions affect the spectra [14].

4. CONCLUSIONS This paper focused on the interactions of SH/SLES/herbal oils blended as surface-active substance. SLES was miscible with SH due to intermolecular hydrogen bonding between hydroxyl and amine of humic substances and sulfate group in SLES with carboxylic group of herbal oils. The IR spectra of the blends proved that hydrogen-bonding interaction occurred between SH, SLES and oil. The temperature increased with an increase of SLES content, which indicates that these blends are able to form a miscible phase due to the formation of intermolecular hydrogen bonding between hydroxyl and amine of SH and sulfate group in SLES. Humic substances isolated from natural environments found to have a significant impact on the surface tension of the solutions as the concentration of these compounds increased. However, industrially produced humic materials had little or no impact on the surface tension of their solutions. Finally, the results of this study suggest that modification of the methods used to derive humic substances can allow significant increases in the surfactant properties of humic substances.

REFERENCES

[1] Piccolo, A.; 2002.Supramolecular Structure of Humic Substances; Advances in Agronomy; Volume 75; p. 59.

[2] Heinze T, Liebert T (2001) Unconventional methods in cellulose functionalization. Prog Polym Sci 26:1689–1762.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

465 665

nm

A

a

b

c

d

e

f

g

h

i

Y. Akyiğit, M. Dizman, A. Tutar A blend of sodium humate/sles/herbal oils

290 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 287-290, 2013

[3] Engebretson RR, von Wandruszka R (1996). Quantitative approach to humic acid associations. Environ Sci Technol 30:990–997.

[4] Lu QX, Hanna JV, Johnson WD (2000) Source indicators of humic substances: an elemental composition, solid state 13C CP/MAS NMR and Py-GC/MS study. Appl Geochem 15:1019–1033.

[5] Dizman, M. and Tutar, A., (2011). A shampoo made by mixture of humic acid/herbal oils, Turkish Patent Application: 2011/01483.

[6] Sionkowska et al. (2003). Interaction of Collagen and Poly(vinyl pyrrolidone) in Blends, European Polymer Journal, 39, 2135–2140.

[7] Christl, I., Knicker, H., Kfgel-Knabner, I., Kretzschmar, R., 2000. Chemical heterogeneity of humicsubstances: characterization of size fractions obtained by hollow-fibre ultrafiltration. Eur. J. Soil Sci. 51, 617– 625.

[8] Senesi, N., Loffredo, E., 1999. The chemistry of soil organic matter. In: Sparks, D.L. (Ed.), Soil Physical Chemistry, 2nd ed. CRC Press, Boca Raton, FL, pp. 239– 370.

[9] Schnitzer, M., 1972.inProceeding of Int. Meeting of Humic Substances, Nieuwersluis, Pudoc, Wageningen, p. 293.

[10] Domeizel, M., Khalil, A., Prudent, P., 2004. Uv Spectroscopy: A Tool for Monitoring Humification and for Proposing an Index of the Maturity of Compost, Bioresource Technol., 94, 177.

[11] Agarwal, S. P., Anwer, M. D. K., Khanna, R., Ali, A., Sultana, Y., 2010. Humic Acid from Shilajit – A Physico -Chemical and Spectroscopic Characterization, J. Serb. Chem. Soc. 75 (3) 413–422.

[12] MacCarthy, P., Rice, J. A., 1985. Spectroscopic Methods (other than NMR) for Determining Functionality in Humic Substances, In Humic Substances in Soil, Sediment and Water, eds G. R. Aiken, D. M. McKnight, R. L. Wershaw and P. MacCarthy, pp. 527–559, , Wiley, New York.

[13] Bloom, P. R. Ve Leenheer, J. A., 1989. Vibrational, electronic and high-energy spectroscopic methods for Characterizing Humic Substances, In Humic Substances II, eds M.

[14] Korshin, G. V., Li, C.W., Benjamin, M. M., 1997. Monitoring the Properties of Natural Organic Matter Through UV Spectroscopy: A Consistent Theory, Wat. Res. 31, 1787–1795.


Üçlü faz sistemi ile saflaştırılan invertaz enziminin termal kararlılığının incelenmesi

Büşra Kat1*, Semra Yılmazer Keskin1



ÖZET

İnvertaz enzimi (β-fruktofuranosidaz, EC 3.2.1.26) sükrozun fruktoz ve glukoza hidrolizini katalizleyen, endüstriyel alanda geniş uygulama alanına sahip, hidrolaz sınıfı enzimlerdendir. Günümüzde birçok enzim saflaştırma tekniği bulunmaktadır. Fakat bu yöntemler genellikle uzun ve çok sayıda işlem basamakları içermektedir. TPP (three-phase partitioning) yöntemi ise tek adımda, kısa işlem sonrası diğer tekniklere yakın oranda saflaştırma gerçekleştirebilmektedir. Endüstriyel proseslerde kullanılan enzim preparatlarının tercih edilmesinde önemli kriterlerden birisi bu preparatların kararlılığıdır. Enzim aktivitesinin zamana bağlı olarak korunmasında termik, mikrobiyal yıkım, pH, kimyasal inaktivasyon gibi faktörler etkilidir. Bu çalışmada kokulu kara üzümden (Vitis labrusca) izole edilen invertaz enziminin TPP yöntemiyle saflaştırılması sonrası termal kararlılığı incelendi. Saflaştırılan enzim 4-50 °C sıcaklık aralığında stabilitesini korudu. Anahtar Kelimeler: TPP (three-phase partitioning), invertaz, termal kararlılık

Purification of invertase by three-phase partitioining systems and determination of thermal stability

ABSTRACT

The enzyme invertase (β-fructofuranosidase, EC 3.2.1.26) is class of the hydrolase that catalyzes the hydrolysis of sucrose into glucose and fructose. The invertase has been used in a wide range of industrial applications. In spite of various methods have been developed for the separation and purification of enzymes, most of them involved a number of steps and furthermore the scale up of these methods is difficult and also expensive to produce in large scale. Therefore, the process called as three-phase partitioning (TPP) is a simple, more efficient and economical method for separation and purification of target proteins. One of the important criteria to be preferred enzyme preparations used in industrial processes, the stability of these preparations. Factors such as thermal, microbial destruction, pH, chemical inactivation are effective in maintaining the enzyme activity with time. In this work, the thermal stability of invertase that purified from Vitis labrusca by TPP process was investigated. Purified enzyme is also very stable in the temperature range from 4 to 50 °C. Keywords: TPP (three phase partitation), invertase, thermal stability


B. Kat, S. Y. Keskin Üçlü faz sistemi ile saflaştırılan invertaz enziminin termal kararlılığının incelenmesi

292 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 291-294, 2013


İnvertazlar (β-fruktofuranozidaz, Sükraz, E.C 3.2.1.26) β-D-fruktofuranozidlerin terminal indirgen olmayan β-fruktofuranozid artıklarının hidrolizini katalizleyen hidrolaz sınıfı enzimlerdir. Doğada oldukça yaygın olarak bulunan bu enzim pek çok mikrobiyal ve bitkisel kaynaktan izole edilerek saflaştırılmıştır. İnvertaz enzimi, kimliği ilk belirlenen proteinler arasında bulunmaktadır ve enzim kinetiğinin prensiplerinin çıkarılmasında model enzim olarak kullanılmıştır [1]. İnvertazlar endüstride ve genellikle gıda sanayinde geniş bir uygulama alanına sahip olan enzimlerdir. İnvert şeker şuruplarının eldesi, çikolata üretimi, şekerlemelerde kullanımı, kondense sütlerin üretimi, bebek gıda ürünlerinde tercih edilmesi ve sığır yemlerinin hazırlanmasında kullanımı örnek olarak verilebilir. Gıda sanayinde invert şeker şuruplarının hazırlanmasında ya asit hidrolizi ya da enzimatik olarak sükrozun invertaz ile hidrolizi gerçekleştirilmektedir. Asit hidrolizi oldukça yüksek şiddette renkli ürünler, kül ve istenmeyen pek çok yan ürün oluşturduğu için endüstriyel alanda enzimatik hidroliz tercih edilmektedir. Hidroliz sonucu oluşan fruktoz, kolay kolay kristalize olmadığı ve daha tatlı olduğu için gıda sanayinde sükroza tercih edilmektedir. Ayrıca invertaz enzimi, analitik alanda sükroz konsantrasyonun tayini amaçlı biyosensörlerde kullanılmaktadır [2]. Şekil 1’de invertaz enziminin reaksiyon mekanizması gösterilmiştir.

Şekil 1. İnvertaz enziminin genel reaksiyon mekanizması (The overall reaction mechanism of the enzyme invertase)

Günümüze kadar birçok araştırmacı tarafından invertazın saflaştırılması konusunda çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Fakat bu tekniklerin çoğu, çöktürme, ion-exchange kromatografi, jel filitrasyon kromatografi, ultrafilitrasyon gibi çok adımlı aşamaları içermektedir. Bu aşamadaki basamak sayılarının artması, ürün verimini olumsuz etkilemektedir. Daha da önemlisi bu basamakların çoğu, uygulaması zor ve pahalı yöntemler içermektedir [3]. Yaptığımız çalışmada kokulu kara üzümden (Vitis labrusca) izole edilen invertaz enzimi üçlü faz yöntemiyle (TPP) tek adımda saflaştırılmıştır. Üçlü faz sistemleri, son zamanlarda geliştirilmiş, protein çökelmesinin kollektif birçok basamağını kapsayan bir biyoayırım tekniğidir. TPP genellikle proteinlerin

ekstraksiyonu ve saflaştırılması prosesinde ön ya da son işlem olarak bazen de tek adımda saflaştırma amaçlı kullanılabilen, uygulaması kolay bir tekniktir [4-8]. TPP (Three-phase partitioning), iki ya da daha fazla bileşiğin ya da grubun, tek basamaklı ekstraksiyon ile ayrımını gerçekleştirir. Üç sıvı fazın farklı fizikokimyasal özelliklerinden dolayı, bu sistemler tek bir ekstraksiyonla iki ya da daha fazla bileşiğin ayrımının yeni olasılıklarını sunmaktadırlar. Konveksiyonel bir biçimde "salting out", proteinleri izoiyonik çöktürme, yardımcı çözenle çöktürme, osmolitik ve kozmotropik çöktürme gibi pek çok tekniği içeren prensipleri ortaklaşa çalıştıran bir biyoayrım tekniğidir. Üçlü faz sistemleri (TPP) biyolojik moleküllerin (örneğin; protein, hücre, organel ve biyolojik membranlar) ekstraksiyonu ve saflaştırılmasında kullanılan seçimli ve etkin bir metottur [9]. Enzimlerin içerdiği protein yapılar, yükselen sıcaklık ile denatürasyona uğrayarak aktivitede kayıplara sebep olur. Enzimlerin sıcaklık, inkübasyon gibi termal etkenlere karşı hassas olmaları, endüstriyel ve analitik alandaki uygulamalarını da birinci derecede etkiler. Bu nedenle enzimlerin stabil oldukları sıcaklık aralıkları proseslerde tercih edilir. Protein yapıları 50 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda denatüre olmaktadırlar. Üç boyutlu yapısında değişiklik olan enzimin aktivitesinde denatürasyona bağlı düşüş gözlenir. Endüstriyel proseslerde kullanılacak enzim preparatlarının aktivitelerindeki bu kayıp, enzimlerin saflaştırıldıkları kaynağa göre farklılık gösterebilmektedir [10]. Yaptığımız çalışmada TPP yöntemiyle Vitis labrusca’dan saflaştırılan invertaz enziminin termal kararlılığı incelenmiştir. Termal kararlılık enzimin sıcaklığa karşı göstermiş olduğu zamana bağımlı bir tolerans ve başlangıç aktivitesini koruyabilme yeteneğidir.

2. MATERYAL VE METOD (METARIAL AND METHOD)

2.1. Materyal (Metarial) Kullanılan kimyasal maddeler, Na/K tartarat tetrahidrat (C4H4KNaO6.4H2O), t-butanol, amonyum sülfat ((NH4)2SO4), asetik asit, o-fosforik asit, 3,5-dinitro salisilik asit, coomasie-brilliant blue, sükroz, Sigma Chemical Co. (St. Louis, CA)’den temin edilmiştir. 2.2. Metod (Method) 2.2.1. TPP Sistemlerinin Hazırlanma Prosedürü (Preparation Procedure of TPP Systems) Üçlü faz sistemleri, proteinlerin sulu çözeltisine, genellikle tuz olarak amonyum sülfat ve bir organik

Üçlü faz sistemi ile saflaştırılan invertaz enziminin termal kararlılığının incelenmesi

B. Kat, S. Y. Keskin

SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 291-294, 2013 293

çözgen olarak butanol eklenmesiyle oluşur. Uygun koşullar altında üç faz oluşur. Butanolce zengin üst faz (non-polar bileşikleri içerir), polar bileşikleri içeren sulu fazdan ara yüzey protein çökeltisi ile ayrılır. Saflaştırılmış protein dağılımı, üstteki organik çözgen fazı ile alttaki sulu fazın arasındaki çözünmeyen ara yüzeyde görünür [11]. Çalışmada, 2mL enzim ekstraktı, farklı amonyum sülfat doygunluklarına (%20, %30, %40, %50 ve %60) getirildi ve farklı enzim/t-butanol oranları (1,0:1,5, 1,0:1,0, 1,0:1,5 ve 1,0:2,0) sağlanacak şekilde t-butanol eklendi. Karışım oda sıcaklığında 1 saat bekletildikten sonra 4,000 rpm’ de 10 dakika santrifüjlenerek faz ayrımı gözlendi. Üst faz dikkatlice pipetlenerek ortamdan uzaklaştırıldı. Orta ve alt faz toplanarak aktivite ve protein değerleri tespit edildi. Amonyum sülfat konsantrasyonu, ekstraktın butanol fazına oranı, pH ve sıcaklık faktörlerinin değişik kombinleri denenerek selektif koşullar elde edilmiştir. 2.2.2. İnvertazın Aktivite Tayini (Determination of Intertase Activity) invertaz enziminin aktivite tayininde esas, substrat olarak sükroz kullanılarak enzimatik reaksiyon sonucunda açığa çıkan invert şekerin miktarının dinitrosalisilik (DNS) asit metodu ile belirlenmesidir. Aktivite tayininde inkübasyonlar Stuart Scientific çalkalamalı su banyosunda (SBS–35), spektrofotometrik ölçümler ise Perkin Elmer marka cihazla gerçekleştirilmiştir. DNS metodunun esası indirgen şekerlerdeki serbest karbonil gruplarının (C=O) varlığını test etmektir. Bununla birlikte glukozdaki fonksiyonel aldehit grubu ile fruktozun fonksiyonel keton gruplarının oksidasyonunu ve ayni anda alkali koşullar altında 3,5-dinitrosalisilik asitin 3-amino-5-nitrosalisilik asite indirgenmesini içermektedir. Reaksiyonda bir mol şeker bir mol 3,5-dinitrosalisilik asit ile reaksiyona girerek 3-amino,5-nitrosalisilik asit oluşturmaktadır. Nitroaminosalisilik asit konsantrasyonu 546 nm’de spektrofotometrik olarak ölçülebilmektedir [11]. 2.2.3. İnvertazın Protein Tayini (Bradford Metodu) (Determination of Invertase Protein) Bu yöntem Coomassie blue G-250 (organik) boyasının farklı konsantrasyonlardaki protein çözeltilerinde değişik şiddette mavi renk ortaya koymasından yararlanılarak geliştirilmiştir. Boyanın özellikle arginin gibi bazik amino asitlere ve bazı aromatik amino asitlere bağlanma eğiliminde olduğu gösterilmiştir. Dolayısıyla bu yöntemde proteinin primer yapısının önemi vardır. Duyarlılık sınırları, total reaksiyon karışımında 5-100 µg protein/mL olan bu yöntemde asidik boya proteine bağlanır ve 595 nm’de maksimum absorbans verir. Bu deneyde standart protein olarak genellikle boya bağlama kapasitesi yüksek olan BSA (sığır serum albümini)

kullanılır. Sığır serum albümininin (BSA), distile suda hazırlanmış 1 mg/mL’lik stok standart çözeltisinden 0,02-0,25 mg/mL konsantrasyon aralığı ile hazırlanan standart grafiği kullanılarak örnek protein konsantrasyonları hesaplandı. Cam küvet kullanımı boyanın cama absorplanmasına neden olduğundan polistiren küvetlerde ölçüm alınır [11]. 2.2.4. Termal Profili Ve Kararlılığı (Thermal Profile and Stability) TPP sisteminin orta fazından toplanan invertaz enziminin protein tayini yapıldı. Aynı protein konsantrasyonlarına sahip enzim solüsyonları öncelikle 0-80 °C arasındaki farklı sıcaklıklarda 30 dakika inkübe edildi. Sonrasında DNS aktivite tayin yöntemi kullanılarak aktiviteleri tayin edildi. Bağıl aktiviteleri hesaplanarak karşılaştırması yapıldı.

B. Kat, S. Y. Keskin Üçlü faz sistemi ile saflaştırılan invertaz enziminin termal kararlılığının incelenmesi

294 SAU J. Sci. Vol 17, No 2, p. 291-294, 2013

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND DISCUSSION)

3.1. İnvertaz Enziminin TPP Sistemi İle Saflaştırılması (Purification of The Enzyme Invertase TPP System) Yaptığımız çalışmada kokulu kara üzümden elde edilen enzim ekstraktı TPP sistemi ile tek adımda saflaştırıldı. Farklı enzim/t-butanol oranları (1,0:1,5, 1,0:1,0, 1,0:1,5 ve 1,0:2,0) ve farklı amonyum sülfat konsantrasyonları (%20, %30, %40, %50 ve %60) kullanılarak faz sistemi optimize edildi. Enzim ağırlıklı olarak orta fazda toplandı ve gösterdiği yüksek aktivite verimi Şekil 2’de verildi.

Şekil 2. TPP sisteminde invertaz enziminin fazlar arasında dağılımı (%50 amonyum sülfat doygunluğu, 1,0:1,0 enzim/t-butanol) (The distribution system of the phases of the enzyme invertase TPP (50% ammonium sulfate saturation, 1,0:1,0 enzyme / t-butanol))

TPP sisteminde enzim hangi fazda toplanacağı enzimin içerdiği amino asitlerin karakteristiğine ve izoelektrik noktalarına bağlı olarak farklılık göstermektedir. Bu nedenle aynı enzimin farklı kaynaklardan elde edilen ekstraktlarında da fazlar arası dağılımları değişiklik gösterebilmektedir [11]. TPP sistemi diğer çok adımlı, maliyeti yüksek kromatografik saflaştırma tekniklerine kıyasla uygulaması basit, maliyeti düşük, geniş hacimlerde kullanılabilir ve oda sıcaklığında gerçekleştirilebilen bir biyoayırım tekniğidir. 3.2. Saflaştırılan İnvertaz Enziminin Termal Kararlılığı (Thermal Stability of the Purified Enzyme Invertase) İnvertazın katalitik aktivitesine 0-80 °C aralığındaki sıcaklık değerlerinin etkisi incelendi. Enzim belirtilen sıcaklıklarda 30 dakika inkübe edildi ve sonrasında aktivite tayinleri yapıldı. Şekil 3’te görüldüğü gibi enzim 50 °C’de maksimum aktivite gösterdi ve bu sıcaklık sonrasında kademeli olarak aktivitesini kaybetmeye başladı. 4-50 °C aralığında enzim başlangıç aktivitesinin

%95’ini korurken, 60-80 °C aralığında aktivitesini hızla kaybederek 80 °C’de bu değer %0,1’e düşmüştür.

Şekil 3. TPP sistemi ile saflaştırılmış invertaz enziminin 30 dk inkübasyonu sonucunda 0-80 °C aralığındaki bağıl aktivite değerleri (Relative activity values as a result of incubation of 30 min of purified with TPP system invertase enzyme between 0-80 C)

Sıcaklığın yükselmesi ya da inkübasyon süresinin uzaması gibi termal etkenler protein yapıdaki enzimin üç boyutlu yapısında denatürasyona sebep olarak, enzim-substrat ilişkisinin sağlanamaması, aktif merkezin yapısal olarak bozulması ve fonksiyon gösterememesi gibi sonuçlara yol açarak aktivitede kayıplara sebep olmaktadır. Bu nedenle endüstriyel uygulamalarda çalışılan enzimin kararlılığını koruyabildiği sıcaklık aralıkları tercih edilmekte ve bu aralığın belirlenmesi önem taşımaktadır. Enzimin kararlılık derecesi yani zamana bağlı aktivitesini koruyabilme yeteneği, proseslerde uygulanabilirliği arttırmakta ve maliyeti önemli oranda etkilemektedir [1].

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] Karkaş, T., İkili-faz ayırma sistemlerinin

geliştirilmesi, Bornova İzmir, 61, 2009. [2] Telefoncu, A., Enzimolojiye Genel Bakış, Ege

Üniversitesi Yayınları, İzmir, 1986. [3] Wiseman A., Handbook of Enzyme

Biotechnology, TJ Pres Ltd., Cornwall, UK, 465-466, 1995.

[4] Roy, I., Gupta, M.N., Three-phase affinity partitioning of proteins, Anal. Biochem., 300, 11–14, 2002.

[5] Dhananjay, S.K., Mulimani, V.H., Three-phase partitioning of galactosidase from fermented media of Aspergillus oryzae and comparison with conventional purification techniques, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 36, 123–128, 2009.

[6] Narayan, A.V., Madhusudhan, M.C., Raghavarao, K.S.M.S., Extraction and purification of Ipomoea peroxidase employing three-phase

0

50

100

150

200

250

alt faz orta faz üst faz

Ak

tivi

te V

erim

i (%

)

Fazlar

aktivite verimi (%)

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100

Bağıl

Ak

tivi

te (

%)

Sıcaklık (°C)

Bağıl aktivite (%)

saufbe dergİsİ cilt: 17 sayı: 2

Documents