Cilt 18 Sayı 3 by SAUJS

Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Sakarya University Journal of Science

Bu dergi Nisan, Ağustos ve Aralık aylarında olmak üzere yılda 3 defa yayımlanan uluslararası indeksli ve ulusal hakemli bir dergidir.

Tarandığı Veri Tabanları (Indexed in Databases) Journal Index Cite Factor Open Access Journal Index (OAJI) International Impact Factor Services (IIFS) Elton B. Stephens Co. (EBSCO) Directory of Open Access Journals (DOAJ) Bielefeld Academic Search Engine (BASE) Directory of Research Journal Index (DRJI) Google Scholar Arastirmax Akademik Dizin Yazı İşleri Müdürü / Editorial Director Arzu ERSÜZ

Sekreterya / Secretery Caner ERDEN

aersuz@sakarya.edu.tr

cerden@sakarya.edu.tr

Teknik Sorumlu / Technical Assistants Mehmet Ali YAR myar@sakarya.edu.tr

Yazışma Adresi / Contact Address saujs@sakarya.edu.tr, 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 Aralık 2014 / December 2014 Cilt 18, Sayı 3 / Volume 18, Issue 3 Baskı / Printed at

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

Dergimizin Aralık 2014 tarihli 18. Cilt 3. Sayısının kapak resmi, yazarları ”Kasım Armağan Korkmaz, Pınar Zabin, Asuman Işıl Çarhoğlu, Ayhan Nuhoğlu “ olan “Rize Merkez Kurşunlu Camisi’nin deprem davranışının incelenmesi” isimli makaleden alınmıştır.

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ Sakarya University Journal of Science

Sahibi / Owner Genel Yayın Yönetmeni / General Publication Director

Muzaffer ELMAS

Editör / Editor in Chief

Emrah DOĞAN

Ali Osman KURT

Yardımcı Editörler / Associate Editors

Uğursoy OLGUN

emrahd@sakarya.edu.tr uolgun@sakarya.edu.tr

Cüneyt BAYILMIŞ cbayilmis@sakarya.edu.tr

Beytullah EREN beren@sakarya.edu.tr

Yayın Danışma Kurulu / Editorial Advisory Board* A. HİLMİ ÇON

E. ÇELEBİ

On Dokuz Mayıs Uni. ahcon@pau.edu.tr

Sakarya Uni. ecelebi@sakarya.edu.tr

M. ÇALIŞKAN Sakarya Uni.

S. OKUR

caliskan@sakarya.edu.tr

İzmir Katip Çelebi Uni. salih.okur@ikc.edu.tr

A. PINAR

F. DİKBIYIK

M. KURT

S. SALUR

Boğaziçi Uni. pinara@boun.edu.tr

Sakarya Uni. fdikbiyik@sakarya.edu.tr

Ahi Evran Uni. mkurt@ahievran.edu.tr

Rochester Uni. sema.salur@rochester.edu

A. S. DEMİR

H. AKBULUT

M. ÖZEN

S. TEKELİ

Sakarya Uni. alparslanserhat@sakarya.edu.tr

Sakarya Uni. akbulut@sakarya.edu.tr

Sakarya Uni. ozen@sakarya.edu.tr

Gazi Uni stekeli@gazi.edu.tr

A. S. E. YAY

H. AKSOY

M. TUNA

T. OGRAS

Sakarya Uni. erses@sakarya.edu.tr

Sakarya Uni. haksoy@sakarya.edu.tr

Sakarya Uni. tuna@sakarya.edu.tr

TÜBİTAK tijen.ogras@tubitak.gov.tr

A. TUTAR

H. GÖÇMEZ

M. UTKUCU

Y. BECERİKLİ

Sakarya Uni. atutar@sakarya.edu.tr

Dumlupınar Uni. h_gocmez@dpu.edu.tr

Sakarya Uni. mutkucu@sakarya.edu.tr

Yalova Uni. ybecerikli@yalova.edu.tr

B. D. BOTOFTE

İ. KIRBAŞ

Sakarya Uni. bbotofte@sakarya.edu.tr

Mehmet Akif Ersoy Uni. ismkir@gmail.com

M. van de VENTER Nelson Mandela Metropol. Uni

C. YAVUZ

K. KÜÇÜK

Sakarya Uni. cyavuz@sakarya.edu.tr

Kocaeli Uni. kkucuk@kocaeli.edu.tr

maryna.vandeventer@nmmu.ac.za

N. BALKAYA İstanbul Uni. nbalkaya@istanbul.edu.tr

C. YİĞİT

L. KALIN

Ö. KELEŞ

Sakarya Uni. cyigit@sakarya.edu.tr

Auburn Uni. latif@auburn.edu

Istanbul Technical Uni ozgulkeles@itu.edu.tr

D. ANGIN

M. BEKTAŞOĞLU Sakarya Uni.

Sakarya Uni. angin@sakarya.edu.tr

mehmetb@sakarya.edu.tr

Z. BARLAS Sakarya Uni. barlas@sakarya.edu.tr

R. MERAL Bingöl Uni. rmeral@bingol.edu.tr

*Alfabetik olarak sıralanmıştır. (Alphabetically listed.)

İçindekiler (Contents) Mühendislik Bilimleri (Engineering Science) Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi The investigation of thermal residual stresses formed on borided high-alloy steels using finite elements method Yasin Kuddusi Kutucu, Ahmet Oğur, Yaşar Kahraman

131-137

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri Mac protocols for wireless body area networks Abdullah Sevin, Akif Akgül, Murat Çakıroğlu

139-147

Rize Merkez Kurşunlu Camisi’nin deprem davranışının incelenmesi A simplified sensor node energy consumption computation approach for WSN lifetime estimation Kasım Armağan Korkmaz, Pınar Zabin, Asuman Işıl Çarhoğlu, Ayhan Nuhoğlu

149-156

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması Multi-criteria performance mapping of unit step response in closed loop PID controller design Furkan Nur Deniz, Cemal Keleş, Barış Baykant Alagöz, Nusret Tan

157-165

Türkiye internet ağ altyapısının performans analizi Performance analysis of internet network infrastructure in Turkey Ahmet Turan Özcerit, Hakan Can Altunay

167-170

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

171-182

The interrogation of settlement suitability by using GIS, a case study in Esenler (Istanbul) Fikret Kurnaz, Şefik Ramazanoğlu Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonun mekanik özelliklerine etkisi Effects of waste marble paste to mechanical behaviors of reactive powder concrete Metin İpek, Rıdvan İyiliksever, Kemalettin Yılmaz

183-192

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 131-137, 2014

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi Yasin Kuddusi Kutucu*1, Ahmet Oğur2, Yaşar Kahraman3

08.04.2013 Geliş/Received, 18.08.2013 Kabul/Accepted

ÖZ Borlanan parçalarda oluşan kalıntı ısıl gerilmelerin kaplamalarda çatlama, ayrılma gibi olumsuz etkileri olmaktadır. Bu sebeple borlama neticesinde oluşan gerilmelerin ne boyutta olduğunun ve kaplama tabakasının kalınlığına bağlı olarak nasıl değiştiğinin belirlenmesi önem arz etmektedir. Bu çalışmada, yüksek alaşımlı çeliklerde borlama işlemi esnasında oluşan tek katmanlı borür tabakasının (Fe2B) , parça üzerinde belirli bölgelerde oluşturduğu gerilmeler ve bu gerilmelerin tabaka kalınlığına bağlı değişimi sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Yapılan analizler neticesinde, oluşan gerilmelerin sıcaklık düşüşüne bağlı olarak arttığı görülmüştür. Fe2B tabakasında basma gerilmeleri, buna karşılık çelik parçada çekme gerilmeleri oluştuğu gözlemlenmiştir. Ayrıca Tabaka kalınlığının artmasıyla borür tabakasında oluşan basma gerilmelerinin azaldığı, çelik parçada oluşan çekme gerilmelerinin ve borür tabakası ile altlık malzeme arasında oluşan kayma gerilmelerinin arttığı tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: borlama, sonlu elemanlar, ısıl artık gerilme

The investigation of thermal residual stresses formed on borided high-alloy steels using finite elements method ABSTRACT Thermal residual stresses occuring in borided materials has some adverse effects like boride cracks and delaminations. Therefore it is important to detect level of stresses occured after boriding and change mechanism depend on layer thickness. In this study, boride layer (Fe2B) formation on high-alloy steels and effect of layer thickness on residual stress distribution have been investigated by using finite elements method systematically. The result of the FEM analysis revealed that, the thermal-induced residual stresses increas with decreasing temperature of the cooling process. The occurance of compressive stresses on the boride layer and tensile stresses on the steel workpiece was deduced. It is also found that, with increasing layer thickness. The compressive stress on the boride layer decreses while tensile stress on steel workpiece and shear stress in the interlayer increases. Keywords: boriding, finite elements method, thermal residual stress

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya - ykutucu@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya - ogur@sakarya.edu.tr 3 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya - kahraman@sakarya.edu.tr

Y. Kutucu, A. Oğur, Y. Kahraman

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Bilindiği gibi, borlama termokimyasal bir yüzey sertleştirme işlemi olup, bor atomlarının demir ve demir dışı metaller ile sermet malzeme üzerine yayındırılması temeline dayanmaktadır [1]. İşlem 700 ila 1000 0 °C sıcaklık aralığında 1 ila 12 saat süreyle uygulanmakta ve çelik malzeme üzerine yayınan bor atomları sert demir-bor fazı oluşturmaktadır. Borlama; katı toz, pasta, sıvı ve gaz ortamlarda yapılabilmektedir. Bu yöntemlere ilaveten son yıllarda plazma borlama ve iyon implantasyon borlama yöntemleri de geliştirmiştir [2]. Borlama işlemi ile parça yüzeylerinde işlem şartları ve çeliğin kimyasal kompozisyonuna bağlı olarak 2000 –2500 VSD sertlik değerlerine ulaşılabilmektedir [3]. Bu işlem, yüksek alaşımlı çelikler, yapı çelikleri, sementasyon çelikleri, korozyona dayanıklı çelikler, Armco demiri, gri dökme demir, küresel grafitli dökme demir, nikel ve sinterlenmiş demir gibi farklı malzeme gruplarına uygulanabilmektedir [3]. Malzeme yüzeyinde yüksek sertlik elde edilmesi yanında, düşük sürtünme katsayısı ve yüksek korozyon direnci sağlaması ve borlama sonrası ana malzemeye ısıl işlem uygulanabilmesi borlamanın diğer yüzey sertleştirme yöntemlerinden üstün taraflarıdır. Bunun yanında plazma nitrürleme ve gaz karbürleme gibi diğer termokimyasal yüzey sertleştirme yöntemlerine nazaran daha maliyetli olması, dönen parçalarda yüzey yorulma karakteristiklerinin zayıf olması bu işlemin dezavantajları olarak sayılabilir [1]. Literatürde yüksek alaşımlı çeliklerin yanı sıra yüksek hız çeliklerinin borlanma davranışı üzerine kapsamlı çalışmalar yer almaktadır. Bu çalışmalarda çeliğin kimyasal bileşimi ve miktarına bağlı olarak borür tabakasının morfolojisi ve kalınlığının değiştiği ifade edilmektedir [4-6]. Borlama neticesinde parça yüzeyinde Fe2B ve FeB şeklinde farklı özelliklerde iki borür tabakası

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi

oluşmaktadır. Bu tabakalardan yüzeye yakın bölgede oluşan FeB tabakası diğerine nazaran daha serttir fakat gevrek yapıda olması ve çekme türünde artık gerilmeler içermesi nedeniyle mekanik zorlanmalar altında çalışan parçalarda istenmemektedir [1, 7]. FeB tabakasının gevrekliği yanında çelik malzeme ve diğer borür tabakasından daha yüksek ısıl genleşme katsayısına sahip olması bu tabakada çatlak oluşma riskini arttırmaktadır. Bu sebeple FeB tabakasının oluşmasını engellemeye yönelik borlama sonrası vakum ve tuz banyosunda ısıl işleme tabi tutma gibi yöntemler geliştirilmiştir [8]. Borlama işlemine tabi tutulan çelik malzeme ile yüzeyde oluşan tek katmanlı Fe2B bor tabakası arasında ısıl genleşme katsayısı farkından dolayı ısıl gerilmeler oluşmaktadır [9]. Bu ısıl gerilmelerin değerinin yapılan çalışmalarda 470-700 MPa aralığında basma yönünde olduğu saptanmıştır [10, 11]. Söz konusu fazın ısıl genleşme katsayısının çeliğe göre küçük olması nedeniyle soğuma sırasında çelik malzemeyle uyumlu olarak şekil değişimi gösterememekte bu durum hem kaplama tabakası hem altlık (çelik) tabakada artık gerilmelerin oluşumuna yol açmaktadır. Literatürde bazı tabaka kalınlıkları için borlanmış parçalarda oluşan termal artık gerilmelerin deneysel yöntemlerle tespit edilen değerleri bulunmaktadır. Fakat sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak bu gerilmelerin incelenmesi ve gerilme değerlerinin tabaka kalınlığına bağlı olarak nasıl değiştiğinin saptanması üzerine çalışmaların eksikliği göze çarpmaktadır. Bu çalışmada yüzeyinde tek katmanlı Fe2B tabakası bulunan yüksek alaşımlı çelik için tabaka kalınlığının termal artık gerilmeye olan etkisi sonlu elemanlar tekniği kullanılarak sistematik bir şekilde incelenmiştir.

2. SONLU ELEMANLAR MODELİ (FINITE ELEMENTS MODEL)

Çelik iş parçasının borlanması sonrası yüzeyinde oluşan Fe2B borür tabakasındaki artık gerilmelerin incelenmesi amacıyla bir sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Sonlu eleman analizi için Ansys 14.0 yazılımı kullanılmıştır. Hem ısıl hem gerilme analizini aynı model üzerinde yapma imkanı sağlayan 4 noktalı 4 serbestlik dereceli, yüzey gerilmeli Plane 13 eleman tipi kullanılmasına karar verilmiştir (Şekil 1). Bu eleman tipi, zamana bağlı (transient) analiz yapılmasına da olanak sağlamaktadır bu sayede gerilmelerin zamanla nasıl değiştiğini inceleme imkanı doğmaktadır.

132

Şekil 1. Plane 13 eleman tipi (Plane 13 element type)

Analizin basitleştirilmesi için 5x5 mm2 boyutlarında iki boyutlu (düzlemsel), çeyrek model hazırlanmıştır (Şekil 2). SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 131-137, 2014

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi

olmasından dolayı oluşmakta ve iki boyutlu model için şu formül ile ifade edilmektedir [14]:

Fe2B 5 mm.

Y. Kutucu, A. Oğur, Y. Kahraman

(1)

Formülde , , ∆ , ∆ ve sırasıyla ısıl gerilme, kaplama malzemesinin elastiklik modülü, iki malzeme arasındaki ısıl genleşme katsayısı farkı, soğuma boyunca olan sıcaklık düşüşü ve kaplama malzemesinin poisson oranını temsil etmektedir.

Çelik x 5 mm.

Şekil 2. Model boyutları (Model dimensions)

Bu boyutlar deneysel borlama çalışmalarında kullanılan numune ebatlarına (10x10) karşılık gelmektedir [12, 13]. En doğru sonucu alabilmek için tüm model düzgün dörtgen (quadrilateral) elemanlara bölünmüştür (mapped mesh). Borür tabakasının hassas bir şekilde incelenmesi amacıyla bu tabaka daha sık ağ yapısı ile örülmüştür (Şekil 3). Borlama üzerine yapılan deneysel çalışmalar incelenmiş, yüzeyde oluşan borür tabaka kalınlıkları (t) 20, 40, 60, 80 ve 100 µm için analizler yapılmasına karar verilmiştir. Belirli bölgelerdeki değişimi izlemek amacıyla, sonlu elemanlar modelinde, borür tabakası üst yüzeyinde A noktası, borür tabakası ile çelik arayüzeyinde B noktası ve çelik malzeme iç kısımlarına uzanan bölgede yüzeyden 1 mm. içeride C noktası tanımlanmıştır (Şekil 3).

∆ ∆

DETAY K A

Borlama işlemlerinde çelik ile borür tabakası arasında testere dişi görünümüne sahip bir profil oluşur. Modeli basitleştirmek amacıyla iki tabaka arayüzeyinin düz bir doğru şeklinde olduğu varsayılmıştır. Çelik ve Fe2B borür tabakasının mekanik ve ısıl özellikleri Tablo 1 ve Tablo 2’de verilmiştir. Literatürde yeterli bilgi olmaması nedeniyle borür tabakasının özelliklerinin zamanla değişmediği kabul edilmiştir. Hem borür tabakası hem çelik malzemenin elastik bölgede kalacağı kabul edilerek tüm modeller için elastik analiz yapılmıştır. Tablo 1. Fe2B mekanik ve ısıl özellikleri [7, 15] (Mechanical and thermal properties of Fe2B) Elastisite Modülü (GPa) 285 Isı iletim katsayısı (W/mK) 17,4 Poisson Oranı 0,28 Yoğunluk (Kg/m3) 7430 Isıl Genleşme Katsayısı (10-6 m/mK) 9,2 Isı Kapasitesi (J/kgK) 650 Tablo 2. Yüksek alaşımlı DIN/ISO 1,2344 çeliğin mekanik ve ısıl özellikleri [16, 17] (Mechanical and thermal properties of high alloy steel DIN/ISO 1,2344) Sıcaklık (K) Özellik 293 423 593 753 210

Elastisite Modülü (Gpa)

205

195

170

Sıcaklık (K)

Özellik Isı iletim katsayısı (W/mK)

2.1. Matematiksel model ve kabuller (Mathematical model and assumptions)

Kaplamalarda oluşan ısıl gerilmeler kaplama malzemesi ve altlık malzemenin ısıl genleşme katsayılarının farklı

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 131-137, 2014

623

973

33 0,3

Poisson Oranı Yoğunluk (Kg/m )

780

Isıl Genleşme Katsayısı (10-6 m/mK)

13,3

Isı Kapasitesi (J/kg.K)

4600

Şekil 3. Sonlu elemanlar modeli şematik gösterimi (Schematic view of finite element model)

293

2.2. Sonlu Elemanlar Formülasyonu ve Sınır Şartları (Finite Elements Formulation and Boundary Conditions) Kalıntı ısıl gerilmelerin hesaplanmasında kullanılan, temeli virtüel işler prensibine dayanan sonlu elemanlar formülasyonu şu şekildedir [18]: { } = [ ][ ]{ } − [ ]

{∆ }

(2) 133

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi

Y. Kutucu, A. Oğur, Y. Kahraman

Bu denklemde { } gerilme vektörünü, [ ] elastiklik matrisini [ ] gerinme-uzama interpolasyon matrisini, { } gerilme vektörünü, ısıl genleşme katsayısını ve ∆ soğuma boyunca olan sıcaklık düşüşünü göstermektedir.

600

Gerilme (MPa)

Modelin sol ve alt kenar çizgilerine simetri sınır koşulu tanımlanmıştır. Model üst yüzeyine uygulanan sıcaklığın zamanla değişimini gösteren grafik Şekil 4’te görülmektedir. Grafikten de anlaşılacağı gibi sıcaklık 3600 saniye içerisinde 823 K’den, oda sıcaklığı olan 293 K’e düşmektedir.

700

500 400 300 Fe2B kalınlığı 20m 200 t= 3600. sn 100 1000

2000 Eleman sayısı

3000

4000

Şekil 5. A noktasındaki von mises gerilmesinin eleman sayısına bağlı değişimi (Change of von-misses stress in the point A depend on total element number)

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (CONCLUSIONS AND DISCUSSION)

Analizlerde kullanılacak eleman sayısının uygunluğunu belirlemek adına ağ yapısı iyileştirme (mesh convergence) çalışmaları yapılmıştır. Ansys modelinde eleman sayısı artırılarak 20 mm tabaka kalınlığına sahip modelde A noktasındaki von-misses gerilmesinin değişimi izlenmiştir (şekil 5). Sonuç olarak bu tabaka kalınlığı için uygun eleman sayısı 3000; buna bağlı olarak nokta sayısı 3111 olarak karar verilmiştir. Diğer tabaka kalınlıklarındaki modeller de 20 m ile orantılı olacak şekilde; 40 µm için 3621 nokta, 3500 eleman; 60 µm için 4131 nokta, 4000 eleman; 80 µm için 4641 nokta, 4500 eleman; 100 µm için 5241 nokta, 5000 elemana ayrılmıştır.

900 A

800 B

700 Sicaklik (K)

Şekil 4. Sonlu elemanlar modelinde parça üst yüzeyine uygulanan sıcaklık-zaman grafiği (Time-temperature diagram exposed to model upper surface)

100 µm tabaka kalınlığındaki parçanın, A, B ve C noktalarındaki sıcaklığın zamanla değişimi gösteren grafik Şekil 6’da görülmektedir. Parça boyutlarının küçük olması parça içerisinde sıcaklık farkının önemsiz mertebede kalmasına yol açmıştır. Parça dış yüzeyi ile iç kısımları arasındaki sıcaklık farkının 0,65 K civarında olduğu görülmüştür. Diğer tabaka kalınlıklarında ise beklendiği gibi sıcaklık farkları yok denecek kadar azdır. Dolayısıyla oluşan gerilmelerin tamamen bor tabakası ile çelik malzemenin ısıl genleşme katsayılarının farklılığından kaynaklandığı anlaşılmaktadır. Bu durum benzer çalışmalardaki sonuçlara da uymaktadır [18, 19].

600 500 400

Fe2B kalınlığı 100m A Noktası B Noktası C Noktası

300 200 0

1000

2000 Zaman (s)

3000

4000

Şekil 6. A, B ve C noktalarındaki sıcaklıkların zamanla değişimi (Tabaka kalınlığı 100 µm) (Temperature change depend on time on A, B and C points for 100 µm layer thickness)

134

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 131-137, 2014

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi 200 150

Arayüzey kayma gerilmesi

100 Gerilme (MPa)

Şekil 7’de 100 m tabaka kalınlığı ve t=3600 s için x yönünde gerilme dağılımı verilmiştir. Gerilmelerin borür tabakasında basma, çelik malzemede çekme şeklinde oluştuğu görülmektedir. Simetri ekseni olmayan uç serbest şekil değiştirebildiği için gerilmenin işareti doğal olarak değişmiştir. Çelik malzemenin ısıl genleşme katsayısının borür tabakasından yüksek olması nedeniyle, soğuma esnasında daha fazla büzülmekte bunun sonucunda çelik malzeme, borür tabakasına basma gerilmeleri uygulamaktadır.

Y. Kutucu, A. Oğur, Y. Kahraman

50 0

Fe2B kalınlığı 100m

-250 X doğrultusundaki normal gerilme

-500

A Noktası B Noktası C Noktası

-750 0

1000

2000 Zaman (s)

3000

4000

Şekil 9. Gerilmelerin zamanla değişimi (tabaka kalınlığı 100 m) (Stress change depend on time) (Layer thickness 100 µm)

Görüldüğü gibi en yüksek gerilmeler 3600. saniyede oluşmaktadır. Bu sebeple tabaka kalınlığına bağlı gerilme analizi için 3600. saniyedeki gerilme değerlerinin alınması uygun olacaktır.

Şekil 8 ise xy düzlemindeki kayma gerilmesi dağılımını göstermektedir. Şekil 8 incelendiğinde gerilmenin, simetri ekseni olmayan serbest uçtaki ara yüzeyde en yüksek değerine ulaştığı görülmektedir. Böylelikle zamana ve tabaka kalınlığına bağlı kayma gerilmesi değerlerinin bu noktadan alınması uygundur.

200

100

0 Gerilme (MPa)

Şekil 7. x Yönündeki gerilme dağılımı (Tabaka Kalınlığı 100 µm, t=3600. sn.) (Stress distribution in x direction)

Analiz sonuçlarından, A, B, C noktalarında x yönündeki gerilmeler ve Şekil 8’de gösterilen nokta için kayma gerilmesinin en yüksek değerleri (t=3600. sn.) alınmış ve tabaka kalınlığına bağlı değişimi grafiğe dökülmüştür (Şekil 10).

X doğrultusundaki normal gerilme

-100 -500

Arayüzey kayma gerilmesi

A Noktası B Noktası C Noktası

-600

-700

Şekil 8. XY düzlemi kayma gerilmesi dağılımı (Tabaka Kalınlığı 100 µm, t=3600. sn.) (Shear stress distribution on xy plane) (Layer thickness 100 µm, t=3600. s)

Şekil 9’da görüldüğü gibi, A noktasında basma yönünde olmak üzere tüm gerilmelerin değeri soğumaya bağlı olarak zamanla artmaktadır. Bunun sebebi; borür tabakası ile çelik malzemenin ısıl genleşme katsayılarının farklı olması sonucu, parça soğudukça büzülme miktarları arasındaki farkın artmasıdır.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 131-137, 2014

t= 3600. sn

-800 20

100

Tabaka kalınlığı (m)

Şekil 10. Gerilmelerin tabaka kalınlığına bağlı olarak değişimi (t=3600 sn.) (Stress change depend on layer thickness)

Şekil 10’daki grafikte görüldüğü gibi borür tabakası üzerindeki A noktası için hesaplanan artık gerilmenin büyüklüğü artan tabaka kalınlığıyla azalmaktadır. Tabaka kalınlığının 20 mikrondan, 100 mikrona değişmesi durumunda, basma gerilmesinin büyüklüğü 690 MPa değerinden 614 MPa düşmektedir. Literatürde, yüzeyinde tek katmanlı borür tabakası içeren çelikler 135

Y. Kutucu, A. Oğur, Y. Kahraman

üzerinde yapılan deneysel çalışmalardan borür tabakasındaki basma gerilmesinin 471 ile 700 MPa değerleri arasında değiştiği görülmüştür [10, 11]. Bu çalışmada 100 mikron kalınlığındaki borür tabakası için basma yönünde 614 MPa olarak bulunan gerilme değeri, aynı kalınlıktaki borür tabakası için literatürde deneysel çalışmalarla basma yönünde 600 MPa olarak tespit edilen gerilme değerine olukça yakındır [20]. Borür tabakasında basma gerilmelerinin oluşması beklenen bir durum olup, ısıl genleşme katsayısı yüksek olan çelik malzemenin soğuma esnasında x yönünde borür tabakasına göre daha fazla büzülmeye çalışması ve bunun sonucu olarak üstteki tabakayı sıkıştırması ile açıklanabilir [21]. Borür tabakası ile çelik ara yüzeyindeki B noktasında ise, gerilmenin çekme türünde olduğu ve büyüklüğünün tabaka kalınlığıyla artarak 15 MPa’dan 69 MPa’a ulaştığı görülmektedir (Şekil 10). C noktası da B noktasına benzer şekilde ancak büyüklüğü nispeten daha düşük olan gerilmelerin etkisi altındadır. Arayüzey kayma gerilmesi ise tabaka kalınlığı arttıkça 109 MPa’dan 162 MPa değerine yükselmektedir. 4. GENEL SONUÇLAR (CONCLUSION) Yüksek alaşımlı çeliğin borlanması sonucu oluşan tek fazlı borür tabakasına ait yukarıda incelenen sonlu eleman analizlerinden başlıca şu sonuçlar çıkarılabilir: 1- Yapılan analizler neticesinde borür tabakasında basma, çelik malzemede çekme artık gerilmeleri oluştuğu saptanmıştır. 2- Tabaka kalınlığının artmasıyla borür tabakasında basma gerilmelerinin azaldığı ve arayüzeyde kayma gerilmelerinin arttığı görülmüştür. Kayma gerilmesinin artması tabaka ayrılması riskini doğurabilmektedir. Bu nedenle, bu tür yüzey işleminde tek fazlı borür tabakası oluşturulmuş olmasına rağmen, kalınlığın aşırı değerler almaması önerilir. 3- Modelleme ve sınır şartlarının doğru tanımlanması durumunda, borlanmış parçalarda soğuma esnasında oluşan ısıl gerilmelerin simüle edilebileceği anlaşılmıştır. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] A. Sinha, «Boriding (Boronizing),» J. Heat Treating, American Society for Metals, Metals Park,OH, 1991. [2] S. Ünlü ve S. Yılmaz, «Bor ve borlamanın kullanım alanları’,» Mühendis ve makina, cilt 47, no. 552, 2005. [3] F. Karakullukçu, K. Genel ve M. İpek, «Dekarbüriazsyonun AISI H13 çeliğinin borlanma 136

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi

davranışına etkisi,» Sakarya Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 1992. [4] K. Genel, «Boriding kinetics of H13 steel,» Vacuum, cilt 80, no. 451-457, 2005. [5] S. Taktak, «Some mechanical properties of borided AISI H13 and 304 steels,» Materials & Design, cilt 28, pp. 1836-184, 2007. [6] V. Sista, O. Kahvecioğlu, L. Eryılmaz ve A. Erdemir, «Electrochemical boriding and characterization of AISI D2 tool steel,» Thin Solid Films, cilt 520, pp. 1582-1588, 2001. [7] M. Kulka ve A. Pertek, «Gradient formation of boride layers by borocarburizing,» Applied surface science, cilt 254, pp. 5281-5290, 2008. [8] İ. Özbek, Borlama yöntemiyle AISI M50, AISI M2 yüksek hız çeliklerinin ve AISI W1 çeliğinin yüzey performansının geliştirilmesi, Sakarya: Sakarya Üniversitesi, 1992. [9] T. Ericsson, «Residual stresses caused by thermal and thermochemical surface treatments,» Advances in Surface Treatments, cilt 4, pp. 110-112, 1985. [10] I. Campos-Silva, E. Hernández-Sánchez, G. Rodríguez-Castro, A. Rodríguez-Pulido, C. LópezGarcía ve M. Ortiz-Domínguez, «Indentation size effect on the Fe2B/substrate interface,» Surface and Coatings Technology, cilt 206, pp. 1816-1823, 2011. [11] L. Zhenzhan, W. Ziming ve S. Xichen, «The influence of internal stress and preferred orientation on the abbrasive wear resistance of a boronized medium carbon steel,» Wear, cilt 138, pp. 285-294, 1990. [12] K. Genel, L. Özbek ve C. Bindal, «Kinetics of boriding of AISI W1 steel,» Materials Science and Engineering, cilt 347, pp. 311-314, 2003. [13] İ. Özbek ve C. Bindal, «Kinetics of borided AISI M2 high speed steel,» Vacuum, cilt 86, pp. 391397, 2011. [14] Y. Wang, W. Tian, Y. Yang, G. C. Li ve L. Wang, «Investigation of stress field and failure mode of plasma sprayed Al2O3–13%TiO2 coatings under thermal shock,» Materials Science and Engineering, cilt 516, pp. 103-110, 2009. [15] B. Xiao ve J. Feng, «The elasticity,bondhardness and thermodynamic propertiesof X2B (X=Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Mo,W) investigated by DF ttheory,» Physica B, cilt 405, pp. 1274-1278, 2010. [16] «Material Properties Data available on website,» [Çevrimiçi]. Available: http://www.matweb.com. [Erişildi: 20 Mayıs 2013]. [17] «Material Properties Data available on website,» [Çevrimiçi]. Available: http://www.schmolzSAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 131-137, 2014

Borlanmış yüksek alaşımlı çeliklerde oluşan artık ısıl gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle belirlenmesi

Y. Kutucu, A. Oğur, Y. Kahraman

bickenbach.de. [Erişildi: 20 Mayıs 2013]. [18] F. Şen, O. Sayman, E. Çelik ve M. Toparlı, «Stress analysis of high temperature ZrO2 insulation coatings on Ag using finite element method,» Journal of Materials Processing Technology, cilt 80, pp. 239-243, 2006. [19] F. Sen, E. Çelik ve M. Toparlı, «Transient thermal stress analysis of CeO2 thin films on Ni substrates using finite element methods for YBCO coated conductor,» Materials and Desing, cilt 28, pp. 708712, 2007. [20] R. Prümmer ve W. Pfeiffer, «Residual stresses in borided layers,» Journal of the Less Common Metals, cilt 117, pp. 411-414, 1986. [21] A. Waheed ve F. Soliman, «Effect of Differantial Thermal Expansion on Stress Generated in Coating,» Journal of Material Science Technology, 1999.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 131-137, 2014

137

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

Abdullah Sevin1, Akif Akgül2, Murat Çakıroğlu*3

02.08.2013 Geliş/Received, 08.10.2013 Kabul/Accepted

ÖZ Kablosuz ortamda haberleşen, küçük boyutlu ve zeki aygıtlardan oluşan Kablosuz Vücut Alan Ağlarının (KVAA) önemi, insanların sağlık verilerinin günlük hayatta takip edilmesine olanak sağlaması sebebiyle gün geçtikçe artmaktadır. KVAA’ların gerekli hizmet kalitesini verebilmesi ve enerji etkinliğinin sağlanması için en önemli etken ortam erişim protokolleridir. Bu sebeple, literatürde konuyla ilgili gerçekleştirilmiş birçok çalışma bulunmaktadır. Sunulan çalışmada bu konuda yapılmış bazı temel çalışmalar geliştirme faaliyetleri hakkında değerlendirme yapmak ve gelecek çalışmalara yardımcı olmak amacıyla özetlenmiştir. Anahtar Kelimeler: kablosuz vücut alan ağları, ortam erişim protokolleri

Mac protocols for wireless body area networks ABSTRACT The importance of Wireless Body Area Networks (WBAN), composed of small and intelligent devices, and capable of communicating in wireless medium, is increasing recently due to their allowing the monitoring of people health in daily life. The most important factor to provide required quality of service and ensure the energy efficiency is medium access protocol. Therefore, many studies on them were conducted in the literature. Some basic studies on this topic are summarized in this study to supply review of development activities and help for future studies. Keywords: wireless body area networks, medium access protocols

* Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümü, Sakarya - asevin@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümü, Sakarya - aakgul@sakarya.edu.tr 3 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Sakarya - muratc@sakarya.edu.tr

A. Sevin, A. Akgül, M. Çakıroğlu

GİRİŞ (INTRODUCTION)

Dünya sağlık örgütüne göre dünya nüfusunun yaşlanması önemli bir problem olmakla beraber milyonlarca kişinin hareketsiz yaşam tarzı obezite ve kronik hastalıklara neden olmaktadır. Bu durum, zaten aşırı iş yükü bulunan sağlık sistemini daha zora sokacağı öngörülmektedir [1]. Buna karşı sağlık hizmetlerinin verimli bir şekilde görülebilmesi için artık hastaların takibinin sadece sağlık merkezlerinde değil, gün boyunca normal hayatına devam ederken de sürdürülmesi için gerekli teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır. Bunların yanında sağlık hizmetlerinin ücretlerinin pahalı olması da yeni teknoloji odaklı gelişmelerin başlangıcını tetiklemiştir. Bu konu odaklı çalışmalar sonucu, elektronik alanındaki gelişmeler ile vücudun üzerine veya içine yerleştirilebilen, küçük ve zeki biyomedikal algılayıcıların gelişimi sağlanmıştır. Bu algılayıcıların elde ettikleri verileri analiz etmesi ve saklanmak üzere uzaktaki bir sunucuya göndermesi gerekmektedir. Bunun için de kablosuz bir bağlantının kullanılması maliyet ve uygulanabilirlik açısından daha verimli olacaktır [2] Kablosuz Vücut Alan Ağları (KVAA), vücudun üzerine veya içine yerleştirilen, kablosuz ortamda haberleşebilen küçük ve zeki aygıtlardır. Bu aygıtlar kesintisiz bir şekilde kişinin sağlık durumunun gözlemlenmesini ve gerçek zamanlı olarak geri dönüt alınmasını sağlamaktadır. Dahası, ölçümler uzun bir süre boyunca saklanarak elde edilen değerlerin kalitesinin artması sağlanabilmektedir [3]. KVAA sistemi günümüzdeki diğer elektronik hasta izleme sistemlerine karşılaştırıldığında iki önemli avantaja sahiptir; seyyar izleme cihazların kullanılmasından dolayı hastalarında hareketliliğinin sağlanması ve konumdan bağımsız izleme kolaylığının sağlanmasıdır [4]. KVAA’lar birbirine bağlı birçok sayıda algılayıcıdan oluşur. Bu algılayıcılar nispeten geniş bir ölçekte yaklaşık 1kb/s-1Mb/s arasında veri iletimine ihtiyaç duyarlar. Çünkü vücuttan okunacak sıcaklık, Elektroensefalografi (EEG), Elektrokardiyografi (EKG), Elektromiyografi (EMG) vb. verilerin aktarılabilmesi için gerekli veri iletim hızları birbirinden farklıdır [5]. Medikal verilerin farklı iletim hızında iletilmesi gerekmektedir. Çünkü gereğinden fazla iletim hızının kullanılması enerji verimliliği açısından sistemi olumsuz yönde etkileyecektir. Gereğinden az veri iletim hızı seçilirse verinin kalitesinde bozulmalar olacaktır. KVAA’larda öncelikli hedef güç tüketiminin azaltılması ve gerekli servis kalitesinin sağlanmasıdır. Ortam erişim katmanı ise bu iki konuyu ele almak için en uygun seviyedir. Bu katman düğümlerin paylaşılan kablosuz ortama erişimini hangi düğümün ne zaman sağlayacağını belirleyen katmandır [6].

140

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

KVAA’larda enerji etkinliği ve servis kalitesinin sağlanması bu katmanın tasarımı ile gerçekleştirilebilmektedir. KVAA’ların öneminden dolayı bu alandaki çalışmalara son zamanlarda ilgi artmıştır. Bundan dolayı yapılan çalışmalara genel bir çerçevede bakılması ve karşılaştırılması ileride yapılacak çalışmalar için ihtiyaç olmuştur. Bu ihtiyaçtan yola çıkarak literatürde [6, 7] birçok farklı çalışma mevcut KVAA’lar için gerçekleştirilen ortam erişim protokollerini özetlemekte ve karşılaştırmasını gerçekleştirilmektedir. Çalışmamızda ise yapılan karşılaştırmalardan farklı olarak mevcut protokollerin enerji verimliliği, servis kalitesi, zaman senkronizasyonu ve ortam erişim mekanizmaları açısından karşılaştırılması yapılmıştır. Makalenin sonraki bölümleri şu şekilde düzenlenmiştir. Bölüm 2’de ortam erişim protokolleri sunulmaktadır. Bölüm 3’de ise KVAA’lar için önerilen ortam erişim protokolleri tanıtılmaktadır. Bölüm 4’te ise çalışmamızın değerlendirilmesi yapılmaktadır. 2. ORTAM ERİŞİM KATMANI (MEDIUM ACCESS LAYER)

KVAA’ lar için düşük güç tüketimli ortam erişim protokolleri son yıllarda yeni bir araştırma konusu olmuştur. Bazı uygulamalar ise enerji-verimliliğinden ziyade güvenilir iletişim veya düşük bekleme zamanı gerektirmektedir. KVAA’ların farklı kritik ihtiyaçlarına cevap verebilecek yeni bir Ortam Erişim Protokolünün (OEP) önerilmesi veya araştırılması konusunda birçok incelemeler yapılmıştır [7]. Literatürde Kablosuz Algılayıcı Ağlar (KAA) için geliştirilmiş protokoller mevcuttur; S-MAC [8], T-MAC [9], BMAC [10], WiseMAC [11], PACT [12], SIFT [13], FLAMA [14] ve DMAC [15]. Ama KVAA’lar KAA’lardan bazı yönleriyle farklılık göstermektedir. Bu yüzden KAA için geliştirilen ortam erişim protokolleri KVAA’lar için uygun olmamaktadır. Tablo 1’de görüldüğü gibi KVAA’lar için gerekli özellikler dikkate alınarak geliştirilen yeni bir ortam erişim protokolü geliştirilmesi üzerinde çalışmalar yapılmaktadır; Omeni [16], MedMAC [17], PB-TDMA [18], BodyMAC [19], Marinkovic [5], H-MAC [20], DQ-MAC [21] ve BodyQos [22].

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

Tablo 1. KAA ile KVAA arasındaki farklara genel bir bakış (Overview of the differences between WSN with an WBAN) [23]

Özellikler Ölçek Düğüm boyutu Veri Hızı Ağ topolojisi Düğüm sayısı

Güvenlik

Kablosuz teknoloji

Ağlar KAA KVAA Çevre (m/km) Vücut (cm/m) Küçük olması Küçük olması öncelikli ama şart çok önemli değil Genelde Genelde homojen heterojen Genelde sabit Vücut ile birlikte veya statik hareketli Geniş alan Sınırlı alandan kapsamı için dolayı daha az gereksiz düğüm sayısı düğümler bulunur Düşük Hastanın bilgilerini korumak için daha yüksek Bluetooth, Düşük güç Zigbee, GPRS, teknoloji gerekli …

Literatürdeki KVAA’lar için geliştirilmiş ortam erişim protokolü çalışmaları temelde çekişme tabanlı, çizelge tabanlı ve zaman-bölmeli ortam erişim olarak gruplayabiliriz. Bunların dışında frekans-bölmeli ortam erişim tabanlı protokoller kompleks bir donanım gerektirdiği ve kod-bölmeli ortam erişim tabanlı protokoller ise yüksek işlem gereksinimi ve enerji sarfiyatının fazla olmasından dolayı tercih edilmemektedir [6]. 3. ORTAM ERİŞİM KATMANI PROTOKOLLERİ (MEDIUM ACCESS LAYER PROTOCOLS)

3.1. PB-TDMA Protokolü (PB-TDMA Protocol) PB-TDMA protokolü zaman-bölmeli ortam erişim mekanizmasına dayanır. Bu protokolde düğümler kendilerine tahsis edilmiş, çekişmenin olmadığı zaman dilimlerinde veri iletimi gerçekleştirirler. Bu zaman dilimleri her sabit çevrimde tekrarlanır. Zaman dilimlerinin tam bir çevrimi çerçeve olarak adlandırılmaktadır. PB-TDMA protokolünde her bir çerçeve Şekil 1’de görüldüğü gibi bir öntakı ve veri iletim aralıklarından oluşmaktadır [7].

A. Sevin, A. Akgül, M. Çakıroğlu

Bir düğüm öntakı boyunca kanalı dinler ve kendisine tahsis edilen zaman diliminde ise veri iletimini gerçekleştirir. Öntakıda her düğüm için ayrılmış alt zaman aralıkları vardır ve düğüm bu zaman aralığında ortamı dinler. Bu alt zaman aralıkları, hedef düğümü etkinleştirmek için kullanılır. Düğüm öntakıda kendi ID’sini gördüğü zaman aktif hale gelir. Öntakı alındıktan sonra hedef düğüm, kaynak düğümün kimliğini tanır. Düğümler göndermesi gereken veri paketi olmadığı zaman ise Alıcı/Vericisini kapatır. Bu mekanizma algılayıcı düğümlerin gereksiz güç tüketimini engeller. Düğümün göndermesi gereken bir veri olduğu zaman veya öntakıda kendi numarasına rastladığı zaman alıcı ve vericisini tekrar açar. Simülasyon sonuçları, enerji tasarrufu bakımından PB-TDMA’nın S-MAC ve IEEE 802.15.4 protokolüne göre daha iyi olduğunu göstermiştir [7]. 3.2. BodyMAC Protokolü (BodyMAC Protocol) BodyMAC protokolü zaman-bölmeli ortam erişimi sağlayan bir protokoldür ve birincil tasarım hedefi bant genişliği tahsisi ve uyku modunu desteklemesi açısından esnek bir yapı sunması ve enerji-verimliliğini sağlamasıdır. KVAA’lar yıldız topolojisine sahip olduklarını varsayabiliriz. KVAA’lar yaşam süresi öneminin ve veri hızı değişik olduğu birçok farklı uygulama tipini desteklemek zorundadır. Bu gibi hususlar dikkate alınarak KVAA’ların yaşam sürelerini uzatmak için BodyMAC protokolü 3 temel konuda katkı sağlamıştır; Çerçeve yapısı, bant genişliği yönetimi, uyku modu. Zaman-bölmeli ortam erişim tabanlı yukarı-bağlantı ve aşağı-bağlantı alt çerçevesini içeren bir Ortam Erişim Kontrolü (OEK) çerçeve yapısı oluşturulmuştur (Şekil 2). OEK çerçeve yapısının uyarlanabilir ve esnek olması sayesinde uyku moduna imkân sağlamaktadır. Bunun sonucunda uyku modunun verimliliği artmaktadır. Buradaki temel hedef paket çarpışma olasılıklarını, radyo iletim zamanını, ortamı boş yere dinlemeyi ve kontrol paket yükünü azaltarak düğümlerin enerji-verimliliğini arttırmak için esnek bant genişliği tahsis yapısı kullanmaktır [19].

Şekil 2. BodyMAC Çerçeve yapısı (BodyMAC Frame structure) [19]

Şekil 1. PB-TDMA çerçeve yapısı (PB-TDMA frame structure) [7]

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

BodyMAC’deki OEK çerçeve yapısı 3 kısımdan oluşmaktadır; işaret sinyali, aşağı-bağlantı, yukarıbağlantı. İşaret sinyal aralığı, OEK katmanı 141

A. Sevin, A. Akgül, M. Çakıroğlu

senkronizasyonu ve OEK çerçeve yapısının tanımlanması için kullanılmaktadır. Bu kısım ayrıca ağ hakkında bilgi içermektedir. Aşağı-bağlantı aralığı ise ağ geçidinden düğümlere doğru olan veri akışı için ayrılmıştır. Bu veri iletimi, ağdaki herhangi bir düğüme doğru bir yayın olabileceği gibi tüm düğümlere de yayın olabilir. Yukarı-bağlantı aralığı ise çekişmenin olduğu ve olmadığı 2 alt kısımdan oluşmaktadır. Çekişmeli Erişim Süresinde (ÇES) düğümler OEK kontrol paketlerini göndermek için birbirleriyle çekişirler. Bu arada ufak boyuttaki OEK veri paketleri de iletilebilir. Çekişmenin Olmadığı Sürede (ÇOS) ise zaman aralıklarının düğümlere tahsisi ağ geçidi tarafından kontrol edilir. Aşağı-bağlantı kısmındaki çekişme olan ve olmayan kısımların süresi ise ağ geçidi tarafından ağın trafik karakteristiğine bakılarak belirlenir [19]. BodyMAC’de veri iletiminin temel karakteristiği yukarıbağlantı ve aşağı-bağlantı aralıklarının asimetrik olmasıdır. Normalde düğümler verileri toplayıp merkezi düğüme gönderirler. Bu yüzden zaman tahsisinde yukarıbağlantı kısmı aşağı-bağlantı kısmının süresinden genelde daha uzun olur. Aşağı-bağlantı kısmı ise sadece kontrol komutları ve sistem bilgilerinin iletilmesi için kullanılır. Düğümler kontrol paketleri iletimi ve veri paket gönderimi için 2 türlü istekte bulunur ve bu düğümlerin isteklerine göre merkezi düğüm tarafından kanal tahsisi gerçekleştirilir. İletilmesi gereken veri miktarının farklı olabileceğinden 3 farklı veri paket gönderim isteği tanımlanmıştır; periyodik veri iletimi, ayarlanabilir veri iletimi ve çok yüksek veri iletimleri için patlamalı (burst) veri iletimi. Böylelikle veri iletimleri kategorize edilerek en uygun şekilde kanal tahsisi gerçekleşmekte ve enerji verimliliği sağlanmaktadır [19]. Verimli bir uyku modu hattın boş yere dinlenme süresini azaltır ve özelliklede düşük görev çevrimi olan düğümler için enerji-verimliliğini arttırır. Bir düğümün uyku moduna geçmesi için 3 aşama gerekmektedir (Şekil 3); uyku modu isteği, onay verilmesi ve uyanma aşaması. Uyku moduna geçmek isteyen düğüm yukarı-bağlantı kısmının çekişme olan zaman diliminde istek paketini merkezi düğüme gönderir. Bu pakette uykuya geçeceği çevrim zamanı ve uyku süresi parametreleri vardır. Eğer istek merkezi düğüme başarılı bir şekilde ulaşırsa bir sonraki çevrimde düğüme onay paketi gönderilir. Onay paketini alan düğüm uyku moduna geçer [19].

142

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

Şekil 3. Uyku modu prosedürü (Sleep mode procedure) [19]

BodyMAC protokolü, IEEE 802.15.4 MAC protokolü ile karşılaştırıldığında uçtan-uca gecikme ve enerjiverimliliği açısından daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir [19]. 3.3. Enerji-verimli Ortam Erişim Protokolü (Energyefficient Medium Access Protocol) Omeni ve ark. [16] tarafından özellikle yaygın sağlık uygulamaları için geliştirilmiş bir protokoldür. Geliştirilen protokol tek-atlamalı haberleşmeye göre tasarlanmış ve merkezi düğüm tarafından uyanma/uyku zamanları kontrol edilerek enerji tüketiminin azalması sağlanmıştır. Zaman-bölmeli ortam erişim tabanlı bir protokoldür. OEK protokolünün işleyişinin temelinde 3 mekanizma vardır (Şekil 4); bağlantı kurulumu, uyandırma hizmeti ve alarm prosesi. Bu 3 haberleşme mekanizmasının başlayabilmesi birincil merkezi düğüm tarafından olmaktadır [6]. Bağlantı kurulumunda düğümler kendi aralarında bir küme oluşturmaya çalışır. Birincil merkez düğüm ilk aktif olduğunda ortamdaki boş kanalları tarayarak küme oluşturmak için diğer ikincil düğümleri tespit etmeye çalışır. Eğer bir düğüm tespit edilirse, o düğüme bir iletişim paketi gönderilir. İletişim paketini alan ikincil düğümler kabul paketi göndererek kümeye dâhil olurlar. Birincil düğüm ile diğer düğümler arasında bağlantı kurulumu bittikten sonra merkezi düğüm tarafından diğer düğümlere tekil bir adres, konfigürasyon bilgisi ve uyku zamanını bildiren bir bilgi verilir [16]. Bağlantı kurulumu bittikten sonra belirlenen zamanda birincil ve ikincil düğümler beraber uyku moduna geçerler ve zamanlayıcıları çalıştırarak uyanma süresine kadar birincil düğüm alıcısını ve diğer düğümler vericilerini kapalı konumda tutar. Birincil düğüm uyandıktan sonra sorgu paketleri göndererek kümedeki güncel durum hakkında bilgi toplar ve bir sonraki uyku zaman dilimini ayarlar. Böylelikle düğümler arası senkronizasyonu sağlar. Eğer ikincil düğümlerden herhangi biri acil bir durum tespit ederse (ölçümlerin sınırı aşması veya düğümde bellek taşması olabilir) uyanma zaman dilimini beklemeden birincil düğümle haberleşebilir. Alarm durumu aktif olduğunda birincil

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

düğüm gerekli paketleri yayımlayarak ağdaki diğer düğümlere gönderir [16].

A. Sevin, A. Akgül, M. Çakıroğlu

sağlanmaktadır. Uyarlanabilir bant koruma algoritması her bir zaman dilimi için koruma bandını tanımlamasıyla düğümlerin uyumasına olanak sağlar. Bu koruma bandı zamanı boyunca düğümler uyku modunda kalırlar (Şekil 6). Algoritma koruma bandını her bir düğüm için ayrı hesaplar [6].

Şekil 6. MedMAC zaman dilimleri ve koruma bantları (MedMAC time slots and guard bands) [17].

3.5. Marinkovic OEK (Marinkovic MAC)

Şekil 4. (a) bağlantı kurulumu (b) uyandırma hizmeti (c) alarm işlemi ((a) connection setup (b) wake-up service (c) alarm operation) [16]

3.4. MedMAC (MedMAC) MedMAC ayarlanabilir bir OEK protokolüdür. Ayarlanabilir denmesinin sebebi ise çevrim zamanında opsiyonel olarak çekişmenin serbest olduğu bir zaman dilimi ayrılmasıdır. Bu özellik sayesinde protokolün farklı uygulamalara (düşük dereceli veri uygulamaları, acil senaryolar, ağın kurulum aşaması vb.) adaptasyonuna olanak sağlamaktadır. Her bir çevrim düğüm sayısına bağlı olarak 2-256 arasında zaman dilimine ayrılabilir (Şekil 5). Bu özelliği ile bir çevrimdeki zaman dilimlerinin boyutlarını heterojen uygulamalar için değiştirebilmektedir [17].

Marinkovic ve ark. [5] KVAA’ların özelliklerini dikkate alarak özellikle düşük iş hacmi olan uygulamalar için enerji-verimli bir OEK protokolü geliştirmişlerdir. Birçok KVAA uygulamasının mimarisi hiyerarşik bir yapıdadır. Düğümler ortamdan algıladıkları verileri bir merkezi düğüme gönderir ve bu düğüm topladığı verileri gözlem istasyonuna gönderir. Bundan dolayı merkezi düğüm ile diğer düğümlerin özellikleri ve görevleri farklıdır. Merkezi düğümler senkronizasyonu koordine etmek ve verileri gözlem istasyonuna göndermek için kullanılır. Geliştirilen protokolde her bir düğüm kendine ayrılan zaman diliminde uyanır ve iletişimini gerçekleştirir. Merkezi düğüm ise bu verileri alarak kendine ayrılan zaman diliminde bunları gözlem istasyonuna iletir. Bunlara ek olarak bir çevrimin içinde ekstra zaman dilimleri ayrılmıştır. Bu ekstra zaman dilimleri, haberleşmede problem olduğunda paketleri yeniden göndermek için kullanılarak gerçek zamanlı iletişimin sürdürülmesine olanak sağlar ve kaybolan paketlerin yeniden gönderilmesine olanak sağladığı için haberleşmenin dayanıklılığını arttırır [5].

Şekil 7. TDMA zaman çevrimi (TDMA time cycle) [5]

Şekil 5. MedMAC çerçeve yapısı (MedMAC frame structure) [17].

Koordinatör ile diğer düğümlerin senkronizasyonu zaman bilgisini temizleme ve uyarlanabilir bant koruma algoritması ile sağlanır. Zaman bilgisi temizlenirken, senkronizasyon güncellenen zaman bilgisi alanları ile SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

Zaman dilimi tahsisinde iki farklı yöntem vardır. Birinci yöntemde düğümlere sabit bir zaman tahsis edilir. Bu yöntem basittir fakat esnek olmayan bir yapıya sahip olduğundan sadece önceden belirli olan sabit uygulamalarda kullanılabilir. İkinci yöntemde ise merkezi düğüm zaman dilimlerini Ağ Kontrol (AK) paketlerine göre dağıtır. Bu durumda her bir düğüme tekil bir adres ve haberleşme için tekil bir kanal tahsis edilir. Birinci yönteme göre daha esnek bir yapısıyla iş 143

A. Sevin, A. Akgül, M. Çakıroğlu

yükü önceden kestirilemeyen uygulamalar için uygundur. Bu protokolde iki tip paket tanımlanmıştır; veri paketleri ve kontrol paketleri. Veri paketi, düğümlerden gelen örneklenmiş verileri içerir. Bu paketin içinde ekstra zaman dilimi isteği gösteren EZD biti vardır. Bir düğüm ekstra zaman istemek için bu biti kurar. Kontrol paketlerinin de iki tipi vardır; transfer kontrol ve ağ kontrol paketleri. Transfer kontrol paketleri (ONY, NONY), paket iletiminin tamamlanmasını kontrol eder. Ağ kontrol paketleri ise her çevrimde ağı kontrol ederek senkronizasyonu ve zaman dilimlerinin tahsisinin kontrolünü sağlar [5]. 3.6. H-MAC (H-MAC) Heartbeat Driven (H-MAC) protokolü temelde yıldız topolojisine sahip ağlar için tasarlanmış zaman-bölmeli ortam erişim tabanlı bir protokoldür. H-MAC protokolü kalp atış ritmi bilgisinden faydalanarak enerjiverimliliğini arttırmayı hedeflemektedir. Zaman senkronizasyonunu sağlamak için periyodik senkronizasyon sinyalleri yerine kalp ritmi bilgisi kullanılır ve bu da enerji harcamalarını azaltarak ağın ömrünü arttırır. Bu yüzden koordinatör olan merkezi düğüm nabzı ölçebilen kol-saati, PDA veya akıllı cep telefonu olmalıdır. H-MAC protokolü zaman-bölmeli ortam erişim mekanizmasına benzer bir şekilde her bir düğüme ayrı bir zaman dilimi tahsis eder [20]. Enerji-verimliliği sağlamasına karşın seyrek olan uygulamalar için uygun değildir. Çünkü zaman dilimleri trafik yüküne göre tahsis edilmez. Örneğin tansiyon ölçümü yapan düğümün her zaman özel bir zaman dilimine ihtiyacı olmaz. Kalp ritmi bilgisi kişinin durumuna göre değişebileceğinden senkronizasyon için her zaman geçerli bilgiler ortaya koymayabilir. Buna çözüm ise, zaman dilimlerinin trafik yüküne göre ayarlanması ve senkronizasyon paketlerinin paket göndermeye/almaya ihtiyaç olduğu zaman yayımlanmasıdır [18].

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

koordinatöre olan iletişimde zaman ekseni (Şekil 8) erişim için zaman dilimlerine bölünür. Her bir zaman dilimi erişim ve veri olmak üzere iki alt kısma ayrılır. Erişim zaman dilimi de kendi içinde mini zaman dilimlerine bölünür ve buradaki iletişim çekişmesiz gerçekleşir. Buradaki temel fikir ise kullanıcı erişim isteklerinin bu mini zaman dilimlerine yoğunlaştırılması ve veri zaman diliminde ise veri iletişiminin çekişmeli olarak gerçekleştirilmesidir. DQ-MAC protokolünde ağdaki her bir düğüm dağıtık iki adet kuyruk tutabilecek şekilde modellenmiştir (Çarpışma Çözüm Kuyruğu (ÇCK), Veri İletim Kuyruğu (VİK)). Veri iletim kuyruğunda gönderilecek veriler tutulur ve çarpışma çözüm kuyruğu ise çarpışma sonucu düğümlerin ortama erişimlerini kontrol etmeyi sağlar. Bu iki adet kuyruktaki verileri tutan tamsayı değerlerine göre mini zaman dilimlerinin sayısı belirlenir ve çekişmeli/çekişmesiz kısımların oranı belli olur. Böylelikle her bir zaman diliminin trafik yükünden bağımsız olarak sabit kalmasını sağlar. Bunların sonucunda gecikme ve güvenilirlik açısından optimum bir başarım elde etmesine olanak sağlar. Koordinatörden algılayıcı düğümlere yapılan iletişimde ise merkezi düğüm onay paketi, öntakı ve geri bildirim paketi yayınlar. Geri bildirim paketi düğümler arasındaki senkronizasyonu sağlamakla beraber bütün düğümlerin doğru çalışması için gerekli kontrol bilgilerini içerir. Öntakı ise düğümler uyku moduna geçerken veya uyanırken senkronizasyonun sağlanmasına olanak tanır. Onay paketi ise, iletişim doğru olarak gerçekleştiği zaman merkezi düğüm tarafından yayınlanır [21]. Veri iletim kuyruk yapısının zaman çizelgelemesi bulanık mantık kurallarına göre yapılır (Şekil 9). Burada mantıksal sistem kendi özel ihtiyaçlarına göre bir sonraki çerçevede veri iletimini talep etme veya reddetmeye karar verir. Buradaki temel fikir, sistemin istenilen servis kalitesi kriterlerine (kanal kalitesi, batarya ömrü vb.) göre şekillendirilebilmesidir [21].

3.7. DQMAC (DQMAC) Yukarıda belirtilen enerji-verimli protokollerden farklı olarak Servis Kalitesi (SK) temelli bir protokoldür. Bu protokol, bulanık mantık karar yapılarını kullanarak enerji-verimliliği ve servis kalitesi açısından optimum bir OEK protokolü hedeflenmiştir. DQ-MAC protokolünün temel prensibi, trafik yoğunluğu düşük olduğu zaman ortama erişimin rasgele (çekişme tabanlı), trafik yoğunluğu arttığı zaman ise otomatik olarak rezervasyon tabanlı olmasıdır [21]. Genel çerçevede, algılayıcı düğümlerden koordinatöre ve koordinatörden algılayıcı düğümlere olmak üzere iki çeşit iletişim vardır. Algılayıcı düğümlerden 144

Şekil 8. DQBAN genel çerçeve yapısı (The general frame structure of DQBAN) [21].

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

A. Sevin, A. Akgül, M. Çakıroğlu

paketi gönderebilmelidir. Paket sağlam bir şekilde iletildiği veya iletim gerçekleşmediği bilgisi zaman çizelgeleyiciye geri döndürülmelidir. İkincisi; paket alındığı zaman bunu SK çizelgeleyiciye bildirmelidir. Üçüncüsü ise uyku/uyanma durumları arasındaki geçişlerin denetimi için zaman ve enerji yükünü devamlı kontrol etmelidir. VMAC’ de zaman ekseni zaman dilimlerine ayrılmıştır. Her bir zaman dilimi içinde, VMAC belirtilen yük uzunluğuna göre belirli bir sayıdaki paketleri dışarı gönderebilir [22] Şekil 9. DQBAN mantıksal sistem modeli (DQBAN logical system model) [21]

3.8. BodyQos (BodyQos) BodyQos [22], veri akış hizmetine, asimetrik SK çerçevesine, radyo-agnostik servis kalitesine ve uyarlanabilir bant genişliği çizelgelemesine öncelik vererek KVAA’larda servis kalitesini sağlamayı hedeflemiştir. BodyQos üç bileşenden oluşur; kabul kontrol, SK çizelgeleyici ve VMAC (sanal MAC). Giriş denetimi ve çizelgeleyici bileşenleri sırasıyla toplayıcı ve sensör düğümler üzerinde birincil ve ikincil olarak uygulanır. BodyQos asimetrik mimariyi (Şekil 10) benimsemektedir [24].

Şekil 11. VMAC zaman dilimi (VMAC time slots)

[22]

3.9. Ortam erişim protokollerinin değerlendirilmesi (Evaluation of media access protocols)

Mevcut protokollerin servis kalitesi, ortam erişim yöntemleri ve zaman senkronizasyonu açısından karşılaştırılması Tablo 2’ de gösterilmektedir. Mevcut protokollerden olan DQMAC ve BodyQos protokolleri servis kalitesi sağlaması yönüyle öne çıkmaktadır. PBTDMA protokolü ise ortama erişim mekanizmasında öntakıyı kullanması ile farklılık göstermektedir. BodyMAC protokolü ise enerji verimliliğini uyku modu desteği ile arttırmak ile birlikte çekişmeli ve zaman bölmeli ortam erişim sağlamasıyla dikkati çekmektedir. Omeni MAC ise uyku modu ve acil durumlar için alarm işlemi gerçekleştirebilmektedir. MedMAC protokolü opsiyonel olarak çekişmenin serbest olduğu bir zaman dilimi tahsisi ile farklı uygulama türlerine adaptasyonu sağlamaktadır. Marinkovic MAC protokolü hiyerarşik mimariye sahip olup veri paketleri ile kontrol paketlerini birbirinden ayıran bir yapıya sahiptir. H-MAC protokolü ise senkronizasyon için kalp ritimlerini kullanması ile diğer protokollerden farklılık göstermektedir.

Şekil 10. BodyQos mimarisi (BodyQos architecture) [22]

VMAC’de SK desteği için ve genel OEK protokollerinde bulunması gereken üç ana özellik tanımlanmıştır. Birincisi; OEK katmanı istek geldiği zaman istenilen SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

145

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

A. Sevin, A. Akgül, M. Çakıroğlu

Tablo 2. Mevcut ortam erişim protokollerinin karşılaştırılması (Comparison of current media access protocols)

Servis Kalitesi

Ortam Erişimi

PB-TDMA

Hayır

BodyMAC

Hayır

Omeni MAC

Hayır

MedMAC

Hayır

Marinkovic MAC H-MAC

Hayır

DQMAC

Evet

BodyQos

Evet

Zaman paylaşımlı Çekişmeli ve Zaman bölmeli Zaman bölmeli Çekişmeli ve Zaman bölmeli Zaman bölmeli Zaman bölmeli Çekişmeli ve Zaman bölmeli Çekişmeli ve Zaman bölmeli

Hayır

Zaman Senkron izasyon Hayır Evet

Evet Evet

Evet Evet Evet

Hayır

4. SONUÇLAR (CONCLUSION) Çalışmamızda literatürde ortam erişim protokolü tasarımı gerçekleştirmiş çalışmalara değinilmiştir. Bu çalışmalar temel olarak iki kısma ayrılmıştır. Gerekli hizmet kalitesini sağlamayı temel hedef edinmiş uygulamalar ve enerji etkinliğini hedefleyip ağın yaşam süresini arttırmaya çalışan uygulamalar geliştirilmiştir. Makalemizde bazı temel çalışmalar özetlenmiştir. Mevcut protokoller servis kalitesi, enerji verimliliği, ortam erişimi ve zaman senkronizasyonu gibi yönleriyle karşılaştırılmıştır ve öne çıkan yönleri belirtilmiştir. Böylelikle bu konuda ileride yapılacak çalışmalara yardımcı olunmakta ve mevcut protokollerin değerlendirilmesi gerçekleştirilmiştir. Bu değerlendirmeler çerçevesinde bundan sonraki yapılacak olan ortam erişim protokollerinde, uygulama alanının tespiti gerçekleştirilmeli ve ihtiyaçlar doğrultusunda protokolün, enerji verimliliği ve servis kalitesi gibi özellikleri oluşturulmalıdır. Sonraki araştırma çalışmalarda ise literatürdeki diğer çalışmalarda dahil edilerek mevcut protokollerin performans karşılaştırmaları eklenebilir. KAYNAKÇA (REFERENCES) [1] M. Patel ve J. Wang, «Applications, challenges, and prospective in emerging body area networking Technologies,» IEEE Wirel Commun Mag, cilt 17(1), p. 80–88, 2010. 146

[2] D. Cypher, N.Chevrollier, N. Montavont ve N. Golmie, «Prevailing over wires in healthcare environments: Benefits and challenges,» IEEE Communications Magazine, cilt 44(4), p. 56–63, 2006. [3] S. Park ve S. Jayaraman, «Enhancing the quality of life through wearable technology,» IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, cilt 22(3), p. 41–48, 2003. [4] J. Y. Khan, M. R. Yüce, G. Bulger ve B. Harding, «Wireless Body Area Network (WBAN) Design Techniques and Performance Evaluation,» Journal of Medical Systems, pp. 1-31, 2010. [5] S. Marinkovic, C. Spagnol ve E. Popovici, «Energy-Efficient TDMA-Based MAC Protocol for Wireless Body Area Networks,» %1 içinde Proceedings of the 2009 Third International Conference on Sensor Technologies and Applications, 2009. [6] S. Gopalan ve J. Park, «Energy-efficient MAC protocols for wireless body area networks: Survey,» International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems, 2010. [7] S. Ullah, B. Shen, S. R. Islam, P. Khan, S. Saleem ve K. S. Kwak, «A Study of MAC Protocols for WBANs,» Sensors, cilt 10(1), pp. 128-145, 2010. [8] W. Ye, J. Heidemann ve D. Estrin, «An Energy efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,» Proceedings of the IEEE Irifocom, New York, USA, 2002. [9] K. V. D. T. Langendoen, «An Adaptive Energyefficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,» In ACM Coriference on Embedded Networked Sensor Systems (Sensys), Los Angeles, USA, 2003. [10] J. Polastre, J. Hill ve D. Culler, «Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks,» In ACM Coriference on Embedded Networked Sensor Systems (Sensys), Baltimore, Maryland, USA, 2004. [11] El-Hoiydi, J. Decotignie ve J. Hernandez, «Low Power MAC Protocols for Infrastructure Wireless Sensor Networks,» Proceedings of the fifth European Wireless Conference, Barcelona, Spain, 2004. [12] G. Chien ve C. Pei, «Low Power TDMA in Large Wireless Sensor Networks,» IEEE Military Communications Coriference (MIL COM), 2001. [13] K. Jamieson, H. Balakrishnan ve Y. C. Tay, «Sift: A MAC Protocol for Event-Driven Wireless Sensor Networks,» MIT Laboratory for Computer Science, 2003.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

Kablosuz vücut alan ağlarında ortam erişim protokolleri

A. Sevin, A. Akgül, M. Çakıroğlu

[14] V. Rajendran, J. J. Garcia-Luna-Aveces ve K. Obraczka, «Energy-efficient, application-aware medium access for sensor networks,» Proceedings of 2nd IEEE Coriference on Mobile Adhoc and Sensor Systems Coriference, Washington, DC, USA, 2005. [15] G. Lu, B. Krishnamachari ve C. S. Raghavendra, «An adaptive energyefficient and low-latency MAC for data gathering in wireless sensor networks,» Proceedings of 18th International Parallel and Distributed Processing Symposium, 2004. [16] O. Omeni, A. C. W. Wong, A. J. Burdett ve C. Toumazou, «Energy efficient medium access protocol for wireless medical body area sensor networks,» IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, cilt 2, pp. 251-259, 2008. [17] N. F. Scanlon ve W. G. Timmons, «An Adaptive Energy Efficient MAC protocol for the Medical Body Area Networks,» 1st International Conference on Wireless communication VITAE, 2009. [18] S. Ullah, R. Islam, A. Nessa, Y. Zhong ve K. S. Kwak, «Performance analysis of preamble based TDMA protocol for wireless body area network,» Journal of Communication Software and Systems, cilt 4, no. 3, pp. 222-226, 2008. [19] G. Dutkiewicz ve E. Fang, «BodyMAC: Energy efficient TDMA-based MAC protocol for Wireless Body Area Networks,» 9th International Symposium on Communications and Information Technology, ISCIT, 2009. [20] J. D. Tan ve H. M.Li, «Heartbeat driven MAC for body sensor networks,» Proceedings of the rt ACM 1231 SIGMOBILE international workshop on systems and networking support for healthcare and assisted living environments, San Juan, Puerto Rico, 2007. [21] B. Otal, L. Alonso ve C. Verikoukis, «A New MAC Approach in Wireless Body Sensor Networks for Health Care,» in Wireless Sensor Networks, Anna Foerster and Alexander Foerster (Ed.), 2011. [22] G. Zhou, Q. Li, J. Li, Y. Wu, S. Lin, J. Lu, C. Y. Wan, M. D. Yarvis ve J. A. Stankovic, «Adaptive and radio-agnostic QoS for body sensor networks.,» ACM Trans. Embed. Comput. Syst, cilt 48, p. 34, 2011. [23] G.-Z. Y. (eds), «Body Sensor Networks,» plus 0.5 em minus 0.4 em, 2006. [24] M. Chen, «Body Area Networks: A Survey,» ACM/Springer Mobile Networks and Applications, cilt 16, no. 2, pp. 171-193, 2011. SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 139-147, 2014

147

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 149-156, 2014

Rize Merkez Kurşunlu Camisi’nin deprem davranışının incelenmesi

Kasım Armağan Korkmaz1*, Pınar Zabin2, Asuman Işıl Çarhoğlu3, Ayhan Nuhoğlu4

30.10.2011 Geliş/Received, 27.01.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Tarihi yapıların mevcut yüklere ve ileride olabilecek zorlanmalara karşı yapısal davranışlarının belirlenmesi, korunması, sağlamlaştırılması, restorasyon ve mühendislik açısından oldukça önemlidir. Bu kapsamda, tarihi yapılar bilgisayar programları ile modellenerek analizleri yapılmakta ve davranışları belirlenmektedir. Bu çalışmada, SAP2000 programı kullanılarak Rize Merkez’de bulunan ve 1570 yılında İskender Cafer Paşa tarafından yaptırılan Kurşunlu Camisi üzerinde Cape Mendocino, Düzce ve Landers depremleri uygulanarak, zaman tanım alanında dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Yığma taşıyıcı sisteme sahip olan tarihi yapıda her bir ivme kaydı için ortaya çıkan yer değiştirme ve gerilme değerleri elde edilmiş ve analiz sonuçları doğrultusunda bir değerlendirme yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: tarihi yığma yapılar, Rize Kurşunlu Camisi, zaman tanım alanı

Investigation of seismic behavior of Rize Kursunlu Mosque ABSTRACT Investigation of structural behavior of historical building’s under exisiting loads and stresses is important for conservation, restoration and engineering. Therefore, historical buildings are modelled with computer softwares for their analyses to get information about their structural behaviors. In the present study, Sap2000 program is used to condact time history analyses with the data of Cape Mendocino, Düzce and Landers earthquakes to understand seismic behavior of kurşunlu mosque, built by Iskender Cafer Pasha in 1570 AD, located in Rize down town. Displacemet and stress values are calculated for each acceleration records. According to calculated results, an evaluation was done for the mosque. Keywords: historical masonry buildings, Rize Kursunlu Mosque, time history

Sorumlu Yazar / Corresponding Author

1 İstanbul Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Bölümü, İstanbul - korkmazar@itu.edu.tr 2 Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Isparta - pinarusta@sdu.edu.tr 3 Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Isparta - carhoglu@mmf.sdu.edu.tr 4 Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, İzmir - anuhoglu@eng.ege.edu.tr

K. A. Korkmaz, P. Zabin, A. I. Çarhoğlu, A. Nuhoğlu

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Geçmiş kültürlerin günümüze yansıması olan tarihi yapıların birçoğu karşılaştığı olumsuzluklara rağmen hala varlıklarını sürdürmektedir. Günümüzde birçok yeni yapı depreme karşı yeterli dayanım gösteremezken, eski yapıların depremlere karşı dayanım göstermesi oldukça ilgi çekicidir. Tarihi yapıların deprem güvenliğini belirlemek için, yapının depreme karşı dayanımının bilinmesi gerekmektedir, bunun için tarihi yapılar üzerinde gerekli bilimsel çalışmalar arttırılarak, tarihi yapıların gerek mevcut taşıyıcı sistem özelliklerinin gerçekçi olarak belirlenebilmesi gerekse özellikle deprem yüklerine karşı dayanımlarının artırılması için pratik ve uygulanabilir yöntemler geliştirilmelidir. Türkiye, tarihi yapılar bakımından zengin bir ülkedir. Geçmişten günümüze miras kalan ve geleceğe miras olarak iletilmesi gereken tarihi yapılar, toplumların tarihini ve kültürünü yansıtan en önemli görsel ve manevi unsurlardandır. Aynı zamanda bu tür eserler, turizm sektörünün önemli unsurlarındandır. Bu yapıların günümüz koşullarında korunması, güvenle ayakta kalmalarının ve sürekliliklerinin sağlanması gereklidir. Özellikle Karadeniz bölgesinde yer alan çeşitli ve çok sayıda olan tarihi nitelikteki yapıların içinde camiler önemli yere sahiptir. Günümüzde de topluluklar tarafından halen kullanılıyor olmaları ve bulundukları bölgede bir sembol haline gelmiş olmaları bu tür yapıları daha da ön plana getirmektedir. Bu nedenle tarihi yapıların korunmaları ve gereken önemin verilmesi oldukça önemlidir. Tarihi yapılar ayrıca büyük kültürel öneme de sahiptir. Dolayısıyla tarihi yapıların korunması çok önemli bir konudur. Tarihi yapılar çoğunlukla yığma yapım tekniği ile inşa edilmişlerdir. Yığma yapıların basınç dayanımı göreceli olarak yüksek, çekme dayanımı düşüktür. Bu yüzden, yığma yapılarda çekme gerilmesi oluşan bölgeler önemlidir. Deprem ve zemin oturmaları, tarihi yığma yapılarda iki temel hasar nedenidir. Tarihi yapıların onarım ve güçlendirilmesi çok özel bir konudur. Dolayısıyla bu konuda yapılan çalışmalar çok değerlidir. Günümüze kadar konuyla ilgili çok sayıda çalışma yapılmıştır. Yılmaz, çalışmasında tarihi yapıların deprem analizleri ile ilgili kapsamlı bilgiler vererek mevcut bir tarihi cami yapısını detaylı olarak ele almıştır. Tarihi yapıların modellenmesi ve deprem güvenliklerinin belirlenmesi adlı tezinde Sakarya ilinde bulunan Rahime Sultan Camisi’nin deprem analizini yapmış ve tarihi yapıların deprem davranışı açısından malzeme özelliklerini incelemiştir [1]. Bilgin, günümüzde halen

150

Rize Merkez Kurşunlu Camisinin deprem davranışının incelenmesi

ayakta olan Mimar Sinan camilerindeki kubbe sistemlerinin yapısal davranışlarını incelemiştir [2]. Karaesmen ve Ünay deprem kuşağı üzerindeki Mimar Sinan yapılarından Şehzade Mehmet ve Edirnekapı Mihrimah Sultan Camisi’ni sonlu elemanlar yöntemi ile modellemiş ve bu yapıların deprem altındaki durumunu incelemiştir [3]. Erdik ve Durukal, ileride olması muhtemel şiddetli bir depreme karşı, Ayasofya’nın deprem güvenliği için gerçekçi bir model oluşturarak yapının analitik ve deneysel davranışı ile ilgili veriler vermiş, karşılaştırmalar yapmıştır [4]. Bartoli ve Blasi, tarihi yapıların deprem yükleri altındaki davranışlarını ele almış şekil değiştirmiş bir kemerli yapı, bir kilise ve Florance’daki bir köprüyü sonlu elemanlar yöntemi ile incelemiştir [5]. Ayasofya Müzesi ile ilgili diğer bir çalışmada Çakmak vd., söz konusu tarihi yapının deprem davranışını sonlu eleman yöntemiyle incelemiştir [6]. Selahiye vd., 1549-1557 yılları arasında Mimar Sinan tarafından Kanuni Sultan Süleyman adına inşa edilmiş Süleymaniye Camisini sonlu elemanlar yöntemiyle teorik olarak ele almışlardır [7]. Yüzügüllü vd., M.S. 527-536 yılları arasında inşa edilmiş ve İstanbul’da kullanılabilir durumdaki en eski yapılardan biri olan Küçük Ayasofya Camisini incelemiştir [8]. Timur, 15621565 yılları arasında inşa edilmiş Edirnekapı Mihrimah Sultan Camisini incelemiştir [9]. Teomete ve Aktaş, Urla Kamanlı Camisi üzerinde sonlu eleman yöntemi ile analiz yapmıştır [10]. Akan ve Özen, 1421 yılında Yıldırım Beyazıt’ın oğlu Çelebi Sultan Mehmed tarafından yaptırılmış olan, sekizgen planlı Yeşil Türbe’yi incelemiştir [11]. Özkul ve Kuribayashib çalışmalarında, İstanbul’daki Ayasofya Camisinin statik analizini eğrisel trapez sonlu eleman kullanarak incelemişlerdir. Çalışmada önerilen teorik yaklaşımla, kesme etkilerinden kaynaklanan şekil değiştirmelerin hesaplara daha gerçekçi olarak dahil edilebildiği vurgulanmıştır [12]. Doğangün ve arkadaşları, yükseklikleri 20m 25m ve 30m olan farklı geometrik boyutlardaki yığma taş minarelerin dinamik analizlerini teorik olarak incelemişlerdir. Çalışmada her bir minare tipi için elde edilen yer değiştirme ve gerilme davranışları değerlendirilerek, bu tür yapıların tasarımında ve güçlendirilmesinde esas alınabilecek çeşitli kriterler önermişlerdir [13]. El-Attar ve arkadaşları, Mısırda 1992 yılında meydana gelen deprem sonucunda birçok tarihi yapının çeşitli oranlarda hasara uğradığını belirterek, bu yapıların önemlilerinden biri olan ve Memluk tarzında inşa edilmiş Manjag-al Yusuf minaresinin geometrik, malzeme özelliklerini ve dinamik davranışını incelemişlerdir. Yazarlar, mevcut haliyle depreme karşı yetersiz dayanımda sahip olduğunu ifade ettikleri yapının güçlendirilmesi için çeşitli öneriler sunmuşlardır [14].

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 149-156, 2014

Rize Merkez Kurşunlu Camisinin deprem davranışının incelenmesi

2. SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ VE ZAMAN TANIM ALANINDA ANALİZ( FINITE ELEMENTS METHOD AND TIME HISTORY)

Zaman tanım alanında hesap yöntemi son dönemlerde yapısal analizlerde ve teknolojideki artan gelişmelerle birlikte yapıların tasarımında, analizinde ve sismik analizlerde yaygın olarak kullanılmaktadır [15]. Zaman tanım alanında yapılan analizlerde deprem yükleri doğrudan binaya uygulanır ve yapı davranışının en doğru şekilde temsil eder. Bu analizlerde belli yön ve belli bir aralıktaki gerçek deprem ivme kayıtları kullanılarak analiz yapılmakta ve mod sayısına göre yapının periyodu bulunmaktadır. Yapıların analizinde, zaman tanım alanında hesap yöntemi; zaman tanım alanında doğrusal elastik veya zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan analiz olmak üzere iki şekilde uygulanabilmektedir [16]. Zaman tanım alanı analizlerinde en önemli konu uygun deprem kayıtlarının seçilmesi ve bu kayıtların analizlerde kullanılacak şekilde ölçeklenmesidir. Yapıların deprem analizlerinde kullanılan bu yöntemin başarılı olması depremin meydana geldiği bölgelerdeki deprem ivmelerinin düzgün bir şekilde kayda alınması ile gerçekleşir. Deprem kayıtları yapay yollar kullanılarak oluşturulan tasarım ivme spektrumu uyumlu kayıtlar, kaynak ve dalga özellikleri fiziksel olarak benzeştirilmiş kayıtlar ve gerçek depremlerden elde edilen kayıtlar olmak üzere üç farklı kaynaktan elde edilebilir. Bu kaynaklar arasında gerçek depremlerden elde edilen kayıtlar, depremin oluşumunu ve depremin belli başlı özelliklerini içerdiğinden diğer kayıtlardan elde edilen sonuçlara göre gerçeğe daha fazla yaklaşmamızı sağlar. Bu nedenle gerek deprem esnasında alınan kayıtların sayısının teknolojinin ilerlemesiyle artması gerekse bunlara erişimin kolaylaşması analizlerde gerçek kayıtların kullanılmasını arttırmıştır [17-19]. Sonlu elemanlar yöntemi yapıların statik ve dinamik yükler altındaki davranışının belirlenmesinde, yapı elemanlarının gerilme tespitinde, çeşitli yapıların tasarımında ve çözümünde sıklıkla kullanılan, sayısal faktörleri çözüme katmaya olanak sağlayan yöntemlerden biridir. Mühendislikte birçok problemin çözümünde kullanılan sonlu elemanlar yönteminde yapı sonlu boyutta çok sayıda elemana bölünmekte ve sonrasında düğüm noktası adı verilen elemanlarla birleştirilmektedir. Sonlu elemanlar metodunda esas karmaşık bir problemi basite indirgemek ve probleme çözüm bulmaktır. Doğrusal ve doğrusal olmayan Statik ve dinamik analizlerin yapılabildiği sonlu elemanlar yöntemi çeşitli malzeme özelliklerinde ve düzensiz geometriye sahip yapılarda kolayca uygulanmaktadır [20, 21]. Sonlu elemanlar yönteminde bölge veya cisim çok sayıda küçük ve sonlu elemana bölünebilmektedir. Bu elemanlar bir, iki veya üç boyutlu olabilmektedir ve SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 149-156, 2014

K. A. Korkmaz, P. Zabin, A. I. Çarhoğlu, A. Nuhoğlu

düğüm ya da düğüm noktalarıyla birbirlerine bağlanmaktadırlar. Sonlu elemanlar yöntemi ile yapılacak analizlerde cismin geometrisi ve analizin tipi eleman seçiminde önemlidir. Zaman ve ekonomi yönünden tercih edilen bu yöntemde çeşitli yapı eleman modellerini bir arada kullanmak da (çubuk, kabuk, plak, prizma) mümkün olmaktadır [21]. Sonlu elemanlar yönteminde kullanılabilecek eleman türleri şekil 1’de görülmektedir.

Şekil 1. Sonlu elemanlar yönteminde kullanılan elemanlar (Elements using of finite elements method)

3. TARİHİ KURŞUNLU CAMİSİ (HISTORICAL KURSUNLU MOSQUE)

Kurşunlu Cami, zemin sınıfı Z3 olan Rize ilinde bulunmakta olup H.978/M.1570 yılında Cafer Paşa tarafından yaptırılmıştır. Cami 10.40x10.40 m ölçülerinde kare planlı, ahşap malzemeden yapılmış bir son cemaat yeri, taş duvarlar ve kubbe ile örtülü bir harim kısmından meydana gelmektedir. Caminin duvarları moloz taşlarla örülmüştür. Harimin kuzeybatı köşesinden minareye çıkılmakta ve kare planlı harimin kuzey cephesinde bir kapı bulunmaktadır. Caminin aydınlatılmasını sağlamak için her cephede düz lentolu iki pencere ve sekizgen kubbe kasnağı üzerinde yuvarlak kemerli pencereler bulunmaktadır. Kubbe dıştan kurşun kaplıdır, tromplara oturan kubbenin içinde demir parmaklıklı bir kandillik bulunmaktadır. Mihrap taştan yapılmış olup sade bir görünüme sahiptir [22]. Kurşunlu Camisinin görünümü ve Caminin planı Şekil 2’de görülmektedir.

Şekil 2. Kurşunlu Camisi’nin görünümü ve caminin Planı (Kurşunlu Mosque and plan)

151

K. A. Korkmaz, P. Zabin, A. I. Çarhoğlu, A. Nuhoğlu

4. KURŞUNLU CAMİSİNİN DEPREM DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ (DETERMINATION OF KURSUNLU MOSQUE

Rize Merkez Kurşunlu Camisinin deprem davranışının incelenmesi Tablo 2. Analizlerde kullanılan depremlerin özellikleri (Earthquake properties used in the analysis) Deprem

Tarih

Düzce Landers Cape Mendocino

12/11/1999 28/06/1992 25/04/1992

EARTHQUAKE RESPONSE)

Çalışmada örnek olarak kurşunlu camisi sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiş ve model üzerinde zaman tanım alanında dinamik analiz yapılmıştır. Hazırlanan yapı modelinde 2067 adet düğüm noktası kullanarak 2031 alan oluşturulmuştur. Kurşunlu Cami Modeli Şekil 3’te görülmektedir. Sonlu elemanlar yöntemi ile modellenen yapıda kullanılan malzeme özellikleri de Tablo 1’de görülmektedir. Model üzerinde Cape Mendocino, Düzce ve Landers deprem ivme kayıtları kullanılarak zaman tanım alanında doğrusal analizler yapılmıştır. Kullanılan deprem ivme-zaman grafikleri Şekil 4-5 ve 6’da, ivme kayıtları ise Tablo 2’de verilmiştir.

Moment Büyüklük (Mw) 7.1 7.3 7.1

Yer ivmesi (g) 0.822 0.146 0.754

Odak Uzaklığı (km) 10 7.0 9.6

Şekil 4. Düzce depremi ivme-zaman grafiği (Duzce earthquake acceleration-time graph)

S33

J8 Face 2 Face 3 J6 J7 Face 6

S13

S23 S22

J4 S11

Face 4

S23

S13 S12

Z (3)

Face 1 J2

J3 J1 Sekiz Düğümlü Solid Eleman

Şekil 5. Cape Mendocino depremi ivme-zaman grafiği (The Cape Mendocino earthquake acceleration-time graph)

S12

Y (2)

Face 5 X (1)

Global koordinatlar

Şekil 3. Kurşunlu Camisi’nin yapısal modellemesi ve analizde kullanılan yönler (Kurşunlu Mosque's structural modeling and direction used in analysis) Tablo 1. Modellemede kullanılan malzeme özellikleri properties used in the modeling) Elastisite Birim Kütle modülü hacim (KN) (KN/m2) ağırlık (KN/m3) Duvarlar 450000 24.0 2. 4473 (Taş ve Sıva) Örtü 13000000 2.20 0. 2243 Malzemesi

152

(Material Poisson Oranı Şekil 6. Landers depremi ivme-zaman grafiği (The Landers earthquake acceleration-time graph) 0. 20

5. ANALİZ SONUÇLARI (ANALYSIS RESULTS) 0. 16

Yapılan doğrusal analizler sonucunda ilk 4 periyot değeri dikkate alınmıştır. Bunun yanı sıra her bir deprem ivme kaydı için modelde meydana gelen x ve y yönü maksimum yer değiştirme ve maksimum gerilme değerleri bulunmuştur. Modal analiz sonucunda oluşan periyot değerleri Tablo 3’de gösterilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 149-156, 2014

Rize Merkez Kurşunlu Camisinin deprem davranışının incelenmesi

K. A. Korkmaz, P. Zabin, A. I. Çarhoğlu, A. Nuhoğlu

Tablo 3. Modelden elde edilen periyot değerleri (period value obtained from model) Peryotlar Peryot değerleri (sn) T1 0. 598035 T2 0. 590750 T3 0. 324908 T4 0. 318214

Cape Mendocino, Düzce, Landers deprem ivme kayıtlarından elde edilen yer değiştirme ve gerilme değerleri sayısal olarak Tablo 4 ve 5’de verilmiştir. Ayrıca yer değiştirme değerleri grafik olarak Şekil 7’de, normal gerilme değerleri Şekil 8’de kayma gerilme değerleri şekil 9’da gösterilmiştir. Şekil 10’da zaman tanım alanı analizi sonucu elde edilen yer değiştirme grafiği, Şekil 11 ve Şekil 12’de ise Cape Mendocino depreminin model üzerinde meydana getirdiği x ve y yönü gerilme değeri ise gösterilmiştir. Tablo 4’te yer alan an yüksek yer değiştirme değerleri yapının minarenin tepe noktasından elde edilmiştir.

Şekil 7. Analiz sonuçlarından elde edilen maksimum yer değiştirme değerleri (Maximum displacement obtained from analysis values)

Tablo 4. Modelden elde edilen yer değiştirme değerleri (displacement obtained from model) Yer Değiştirme Değerleri Deprem

X (mm)

Y (mm)

Düzce

271.53

266.30

Cape Mendocino Landers

101.89 55.21

101.02 60.82

Tablo 5. Modelden elde edilen normal ve kayma gerilme değerleri (normal stress and shear stress obtained from model) Normal Gerilme Kayma Gerilme Değerleri Değerleri X(MPa) Y(MPa) X (MPa) Y(MPa) Düzce

9.997

10.672

6.914

7.633

Cape Mendocino Landers

5.689

5.651

3.683

3.879

2.151

2.41

1.477

1.752

Şekil 8. Analiz sonuçlarından elde edilen maksimum normal gerilme değerleri (Maximum normal stress obtained from analysis values)

Şekil 9. Analiz sonuçlarından elde edilen maksimum kayma gerilme değerleri (Maximum shear stress obtained from analysis values)

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 149-156, 2014

153

K. A. Korkmaz, P. Zabin, A. I. Çarhoğlu, A. Nuhoğlu

Rize Merkez Kurşunlu Camisinin deprem davranışının incelenmesi

Şekil 10. Düzce depreminin uygululanması ile elde edilen zamana bağlı yer değiştirme değerleri (Time-dependent displacement values obtained from Düzce earthquake)

Şekil 11. Düzce depreminin x yönü maksimum gerilmeleri (X-direction maximum stress of the Duzce earthquake)

Şekil 12. Düzce depreminin y yönü maksimum gerilmeleri (Y-direction maximum stress of the Duzce earthquake)

Duvarın kayma emniyet gerilmesi Denklem 1 dikkate alınarak hesaplanmıştır. Bu denklemde;

değeri 0.5 alınmaktadır, σ: düşey gerilme değeridir [23, 24].

τem: Duvarın kayma emniyet gerilmesi, τo: Duvarın çatlama emniyet gerilmesi ve μ: sürtünme katsayısı olup

τem=τo+μ.σ

154

(1)

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 149-156, 2014

Rize Merkez Kurşunlu Camisinin deprem davranışının incelenmesi

τo değeri taş duvar malzeme için 0.1 MPa olarak alınabilir. Taş duvarlar için kayma emniyet gerilmesi τem= 0.1+0.5 σ şeklinde hesaplanacaktır. Düşey gerilme değeri kritik kesitler için 10.672 MPa elde edildiği görülmektedir. kayma emniyet gerilmesi 5.436MPa elde edilmektedir. Yapıya uygulanan depremlerden en büyük etki gösteren deprem Düzce depremi olup yapının kayma emniyet gerilmesi 5.436 MPa elde edilmiştir. Analizler sonucu elde edilen kayma gerilmelerinin emniyet gerilmesini aştığı görülmektedir. Bu durum bu özellikteki bir depremin meydana gelmesi durumunda yapıda hasarlar oluşabileceğini göstermektedir. 6. SONUÇLAR (CONCLUSION) Bu çalışmada, kesme taştan yapılan ve tarihi camilere tipik bir örnek teşkil eden Kurşunlu Camisinin deprem etkisindeki davranışı incelenmiştir. Tarihi yapı hakkında genel bilgiler elde edilmiş ve literatürde verilen değerler dikkate alınarak Kurşunlu Camisi bilgisayar ortamında modellenmiştir. Zaman tanım alanında Cape Mendocino, Düzce ve Landers deprem ivme kayıtları uygulanarak deprem etkisinde yapısal analizler geçekleştirilmiştir. Doğrusal analizler sonucunda Düzce depreminde 271.53 mm değeri ile en fazla yer değiştirmenin, Landers depreminde ise 55.21 mm değeri ile en az yer değiştirmenin meydana geldiği görülmüştür. Cape Mendocino depremi yer değiştirme değerleri iki deprem arasında yer almıştır. Gerilme değerleri incelendiğinde ise en büyük gerilme değerinin yine Düzce depreminde 10.672 Mpa, en düşük gerilme değerinin ise Landers depreminde ve 2.151 Mpa olduğu görülmektedir. Analizlerden elde edilen yer değiştirme ve gerilme değerleri incelendiğine Düzce depremi değerleri diğer depremlere kıyasla daha büyük çıkmıştır. Değerler arasındaki farkın depremlerin tanımlanmasında önemli rol oynayan; etkin yer ivmesi, odak noktası uzaklığı ve yer hızındaki fark nedeniyle ortaya çıktığı düşünülmektedir. Basınç dayanımı oldukça yüksek olan taş malzemesinden yığma tarzında inşa edilmiş yapılar uzun yıllar ayakta kalabilmektedir. Bu tür yapılarda deprem etkisinde meydana gelen hasarların başlıca nedeni taşıyıcı duvarlardaki bağlayıcı malzemelerin taş malzemesi kadar iyi dayanıma sahip olamamalarıdır. Özellikle kesme taş malzemesinden inşa edilen yapılarda harç ve çeşitli metal kenetler bağlayıcı olarak kullanılmaktadır. Aynı zamanda taşlar arasındaki sürtünme kuvvetleri de taşıyıcı sistemin bütünlüğünün sağlanmasında rol almaktadır. Deprem etkisindeki tarihi yapıların stabilitesinin bozulmasında en önemli etken taşlar arasında bütünlüğü sağlayan harç ve metal kenet gibi bağlayıcıların dayanımlarının taş malzemesinin dayanım değerlerinden oldukça düşük olmasıdır. Özellikle bağlayıcı malzemelerin çekme ve kayma dayanımları SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 149-156, 2014

K. A. Korkmaz, P. Zabin, A. I. Çarhoğlu, A. Nuhoğlu

yapı stabilitesi için öncelikli belirleyicilerdir. Yığma yapılar, betonarme veya çelik yapılar gibi büyük yer değiştirme yapabilme kabiliyetine sahip değildir. Olası bir deprem durumunda, elde edilen bu değerler camide hasarların oluşabileceğini göstermektedir. Sonuçlar değerlendirildiğinde tarihi ana yapıyı oluşturan duvarlarda ve minarede büyük gerilme oluşmaktadır. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] P.Yılmaz, Tarihi yapıların modellenmesi ve deprem güvenliklerinin belirlenmesi, Sakarya: Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2006. [2] H.Bilgin, Sinan Yapılarında Kubbeli Örtü Sistemlerinin Yapısal Analizi, Isparta: Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2003. [3] E.Karaesmen ve A. Ünay, «A Study of Structural Aspects of Domed Buildings with Emhasis on Sinan’s Mosques,» %1 içinde Proceedings of the IASS-MSU International Symposium, Turkey/İsatanbul, 1998. [4] M.Erdik ve E. Durukal, «Ayasofya’nın Deprem Davranışı,» %1 içinde 2. Ulusal Deprem Mühendisligi Konferansı, Turkey-İsatanbul, 1993. [5] G. Bartoli ve C. Blasi, «Masonary Structures, Historical Buildings and Monuments, In: Advances in Eartquake Engineering,» cilt 3, 1997. [6] A. Çakmak, A. Moropoulou ve C. Mullen, «Interdisciplinary Study of Dynamic Behavior and Earthquake Response of Hagia Sophia, Department of Civil Engineering and Operations Resarch, Princeton Universty,» %1 içinde USA National Technical Universty of Athens, Greece, 1994. [7] A. Selahiye, N. Aydınoglu ve M. Erdik, Süleymaniye Camisinin Dinamik özelliklerinin Deneysel ve Analitik Yöntemlerle Belirlenmesi, Turkey-İtanbul, 1994. [8] Ö. Yüzügüllü ve E. Durukal, «The Effects of the Train Traffic on the Küçük Ayasofya Mosque in İstanbul,» International Conference on Studies in Ancient Structures, YTÜ, Faculty of Architecture, İstanbul, 1997. [9] T. Timu, Edirnekapı Mihrimah Sultan Camisinin Taşıyıcı Sistem Davranışının incelenmesi, F. B. E. İ. M. B. Yıldız Teknik Üniversirtesi, Dü., İstanbul, 2001. [10] E. Teomete ve E. Aktas, «Structural Assessment of a Historical Masonry Structure: Urla Kamanlı Mosque,» Sixth International Congress on Advances in Civil Engineering, 2004. 155

K. A. Korkmaz, P. Zabin, A. I. Çarhoğlu, A. Nuhoğlu

Rize Merkez Kurşunlu Camisinin deprem davranışının incelenmesi

[11] A. E. Akan ve Ö. Özen, «Bursa Yeşil Türbe’nin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Deprem Analizi,» Deprem Sempozyumu, Kocaeli, 2005. [12] O. T. Aksu ve E. Kuribayashib, «Structural Characteristics Of Hagia Sophia: A Finite Element Formulation for Static Analysis,» Building and Environment, 2007. [13] A. Doğangün, R. Acar, H. Sezen ve R. Livaoğlu, «Investigation of Dynamic Response of Masonry Minaret,» Bull Earthquake Eng, 2008. [14] A. El-Attar, A. Saleh ve A. Zaghw, «Conservation of a Slender Historical Mamluk-Style Minaret by Passive Control Techniques,» Structural Control and Health Monitoring, cilt 17, pp. 157-177, 2005. [15] T. Seçme, Zaman Tanım Alanında Davranış Spektrumunun İncelenmesi, Eskişehir: Fen Bilimleri Enstitüsü,, 2009, p. 86. [16] M. Ergün, Deprem Yer Hareketlerinin Ölçeklendirilmesi Ve Uygulanışı, Trabzon: Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013. [17] M. Doğan, Depreme Dayanıklı Tasarım Dersi, Eskişehir, 2005, pp. 81,84,259,365,366,367,381389 . [18] N. Erdemir ve V. Okur, «Kazık Gruplarının Sismik Etki Altındaki Performansı,» Journal of Engineering and Architecture Faculty of Eskişehir Osmangazi University, cilt 24, no. 1, 2011. [19] S. M. A. Ankan, «Sonlu Elemanlar Metodunun Mühendislikte Uygulamaları,» 2013. [Çevrimiçi]. Available: http://www.arsiv.mmo.org.tr/pdf/10944.pdf. [Erişildi: 17 12 2013]. [20] A. Soyluk, Asismik Taban İzolatörü Kullanımının Mimari Tasarıma Etkisi, Ankara: Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2010. [21] Ö. Dabanlı, Tarihi Yığma Yapıların Deprem Performansının Belirlenmesi, İsatnbul: İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2008, p. 170. [22] «TGD,» [Çevrimiçi]. Available: http://www.tgdturkey.com/turkey/rize/iskender_c afer_pasa_camisi.html. [Erişildi: 10 09 2011]. [23] N. Batur, Yığma yapı tasarımı ve analizi, İstanbul Üniversitesi, 2006. [24] Deprem Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, Resmi Gazete, 1997.

156

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 149-156, 2014

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması Furkan Nur Deniz*1, Cemal Keleş2, Barış Baykant Alagöz3, Nusret Tan4

19.11.2013 Geliş/Received, 03.02.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Bu çalışmada, (kp, ki, kd) hiperküpünden örneklenen PID kontrolörleri için kapalı çevrim birim basamak cevabı çoklu ölçüt ortalama performans haritalaması sunulmuştur. Kontrol sistemlerinin birim basamak cevaplarının analizi için; karesel hata, maksimum aşım, yükselme ve yerleşme zamanları ölçütlerinin ağırlıklı ortalaması ile ifade edilen çoklu ölçüte dayalı bir performans değerlendirmesi kullanılmıştır. Böylece, (kp, ki, kd) PID tasarım hiperküpü örneklemesi ile elde edilen performans haritaları değerlendirilerek, bu hiperküp içinde en iyi PID tasarımı elde edilmiştir. Performans haritalamasının, bir PID tasarım hiperküpü için çoklu ölçüte dayalı performans durumlarını ortaya koyabildiği ve bu haritalarının kontrol sisteminin performans analizi ve tasarımı için önemli bilgiler sağlayabildiği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: PID kontrolör, birim basamak cevabı, performans haritası

Multi-criteria performance mapping of unit step response in closed loop PID controller design ABSTRACT In this study, a multi-criteria average performance mapping of closed-loop unit step response for PID controllers sampled from (kp, ki, kd) hypercube is presented. A multi-criteria performance evaluation method based on the weighted average of mean squared error, maximum overshoot, rise and settling time criteria is used for the analysis of unit step responses of control systems. Thus, the best PID controller is designed by evaluating the performance maps obtanined from sampled (kp, ki, kd) design hypercube. It is observed that the performance mapping demonstrates the performance status of PID controllors for a PID design hypercube, and it can provide useful information for performance analyses and the design of control systems. Keywords: PID controller, unit step response, performance mapping

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Malatya - furkan.deniz@inonu.edu.tr 2 İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Malatya - cemal.keles@inonu.edu.tr 3 İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Malatya 4 İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Malatya - nusret.tan@inonu.edu.tr

F. N. Deniz, C. Keleş, B. B. Alagöz, N. Tan

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Kontrol sistemi tasarım problemleri genellikle iki açıdan ele alınmaktadır; kararlılık ve optimizasyon [1]. Gelişmiş kontrol sistemleri tasarımı için birçok çalışmada çözüm yolları önerilmesine karşın pratikte endüstriyel kontrol sistemlerinin büyük bir kısmı hala geleneksel PID kontrolör yapısı tasarımına dayanmaktadır [2]. Bunun başlıca nedeni, geleneksel PID kontrolör yapısının basit ve kararlı çözümler sunabilmesidir. Buna rağmen, pratik PID kontrol tasarımı uygulamalarında çözüm bekleyen sorunlar güncelliğini korumaktadır. Endüstriyel proseslerin kontrolü için tasarlanan PID kontrolör parametrelerinin optimal değerlerde seçilmiş olması ve mümkün olduğunca geniş bir parametre değişim aralığında sistemin kararlığını sürdürebilmesi gerekmektedir. Özellikle parametre belirleme yöntemlerinin birçoğunda manuel tekniklerin kullanılması, en iyi parametrelerin belirlenmesini hem zor, hem de zaman alıcı kılmaktadır [3]. Kontrol sistemi devreye girmeden önce kontrolör parametrelerinin güvenilir olarak ayarlanması gerekebilmektedir [4]. Bu itibarla, PID kontrolörlerin performanslarını iyileştirebilecek pratik yöntemlerin geliştirilmesi önem arz etmektedir. Kontrolör parametrelerini hesaplama ve ayarlama (tuning) teknikleri için önerilen yöntemler, analitik ve nümerik çözümlemelere dayanmaktadır. Analitik çözüm yöntemleri, kağıt üstünde yapılabilecek kontrolör tasarım uygulamalarında büyük öneme sahiptir. Ancak bilgisayar destekli tasarım yapılırken nümerik yöntemler ön plana çıkar. Nümerik yöntemlerin işlem maliyeti analitik çözümlere kıyasla fazla olmasına rağmen, bilgisayarların bilgi işlem hızının artmış olması, nümerik çözüm tekniklerinin gelişimini mümkün kılmıştır. Analitik çözümler sınırlı sayıda değişkenin, belirli değer ve koşulları için analiz olanağı sunmakta iken nümerik çözümler çok sayıda değişkenin çok sayıda durumu ve değeri için analiz imkânı sağlar. Bu ise tasarımda etkin rol oynayan parametrelerin, geniş bir aralıktaki değişimleri için kontrol performansının değişimini değerlendirmeye imkân sağlar. Performans haritaları, kontrolör tasarım katsayılarının belirli bir değişim aralığında kontrolör performansının dağılımını gösterir. Bu dağılım, performansın düştüğü ya da yükseldiği bölgelere işaret eder. Böylece, katsayıların en iyi performans sergilediği katsayı değişim bölgeleri elde edilebilir ve kontrolör tasarımı bu bölgeden seçilen katsayılar ile gerçekleştirilebilir. Sezgisel (heuristic) optimizasyon yöntemleri, iyi sonuca yakınsayabilen fakat optimal çözümü verebilmesi her zaman kesin olmayan yöntemlerdir. Çünkü bir çok optimizasyon tekniğinin en önemli yetersizliği, çalıştığı optimizasyon bölgesi içinde verdiği çözümün en iyi çözüm olduğunu 158

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması

garanti edememesidir. Diğer bir ifade ile, arama bölgesi içinde global ekstremum noktaları yerine yerel ekstremumlara takılma riski her zaman söz konusudur. Kontrolör performans haritaları ise, katsayıların değişim bölgesini düzenli olarak örneklediği için, optimal performans noktalarını daha yüksek bir doğrulukla tespit edebilmektedir. Bu nedenle, bilgisayar destekli kontrolör tasarımında, çok karmaşık sistem fonksiyonlarına dahi kolaylıkla uygulanabilen performans haritalaması, aranan bölge içinde en iyi kontrolör parametrelerine daha etkili ve güvenilir olarak ulaşılabilmesini sağlamaktadır. PID kontrolöre ait parametrelerin ayarlanmasına ilişkin maksimum yüzde aşım, yerleşme zamanı, yükselme zamanı, ortalama karesel hata gibi birim basamak cevabı performans ölçütlerini dikkate alan birçok yöntem önerilmiştir. Bu yöntemlerden bazıları optimizasyon işleminde bu ölçütlerden sadece birini dikkate alırken, bazıları da bahsedilen ölçütlerden bir kaçını birlikte göz önünde bulundurur. Bu yöntemlerin çoğu önceden belirlenmiş kriterlere bağlı olarak sistem için en iyi olan PID parametrelerinin belirlenmesini sağlamaktadır [5]. Literatürde, PID kontrolör parametreleri iyileştirme yöntemi olarak Ziegler-Nichols ve CHR (Chien-HronesReswick) kuralları sıklıkla kullanılmıştır [2]. Ancak bu yöntemler daha çok temel PID kontrol yapıları için önerilmiş olup, doğrusal olmayan kontrolör yapıları için optimal çözümler sunmamaktadır. Referans [6]’da optimal PID parametrelerinin bulunması için Parçacık Küme Optimizasyonu (Particle Swarm OptimizationPSO) önerilmiştir. Bu yöntemde yüzde aşım, yerleşme zamanı, yükselme zamanı gibi ölçütler için optimizasyon işlemini gerçekleştirilmiştir. Referans [7]’de Genetik algoritma yardımı ile çoklu ölçütlü PID kontrolör optimizasyonu gösterilmiştir. Diğer bir çalışmada kontrolör performansının değerlendirilmesi ile PID kontrolörün otomatik olarak katsayılarını ayarlaması sağlanmıştır [8]. Bu çalışmada, bilgisayar destekli analiz ile PID kontrol sistemi birim basamak cevabının maksimum aşım, yerleşme zamanı, yükselme zamanı ve ortalama karesel hata ölçütlerine dayalı ağırlıklı ortalama performans haritası çıkarılmıştır. Önerilen performans haritalama metodu, sistem karmaşıklığından bağımsız olarak karmaşık kontrol sistemine kolaylıkla uygulanabilmektedir. Bu avantaj, kontrolör tasarım problemini önemli ölçüde kolaylaştırmış ve sisteme göre analitik çözümleme ihtiyacını ortadan kaldırmıştır. Bu makalede, önem derecesine bağlı ağırlıklandırılmış performans ölçütlerine göre katsayıların değişim bölgesi içinde en iyi (kp, ki, kd) katsayılarının elde edilmesi gösterilmiştir. Çalışma içerisindeki bölümler şu şekilde düzenlenmiştir: 2. Bölümde birim basamak performans ölçütlerinin SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması

belirlenmesi ve ağırlıklı ortalama performans haritasının çıkarılması için önerilen yöntem anlatılmıştır. 3. Bölümde yöntem, bir örnek üzerinde uygulamalı olarak gösterilmiş, performans haritaları çıkarılmış ve elde edilen en uygun PID katsayıları için birim basamak cevabı sunulmuştur. 4. Bölümde önerilen yöntemin işlem maliyetinin analizi yapılmış ve işlem maliyetini azaltmaya dönük çözümler önerilmiştir. 2. YÖNTEM (METHOD) 2.1. Birim Basamak Performans Ölçütleri (Unit Step Performance Criteria)

Kontrol sisteminin birim basamak cevabı performansının değerlendirilmesinde yaygın olarak dört temel performans ölçütü kullanılmaktadır. Bunlar, yükselme zamanı, maksimum aşım, yerleşme zamanı ve birim basamak ortalama karesel hata parametreleridir. Örneklenmiş bir birim basamak sistem cevabı için, bu dört performans parametresinin bilgisayar destekli analizi, istenen performans özelliklerini sergileyebilen kontrolör tasarımında önemli kolaylıklar sağlamaktadır. Bu bölümde, bu performans ölçütlerine ait hata fonksiyonları tanıtılmıştır.

y (t ) Amax

1 0.9

tolerans bandı

0.1

ile hesaplanır [9]. Burada n s birim basamak cevabı örnek sayısıdır. Mutlak fark hata ölçütü ile aşım hatası ( E A ) ise maksimum aşım hatasına ( Amax ) bağlı olarak,

E A  H A  Amax

(2)

ile ifade edilmiştir. Burada, H A hedeflenen aşım miktarını gösterir. Maksimum aşım Şekil 1’de temsili olarak gösterilmiştir. Bilgisayar destekli hesaplama için programlama dili bağımsız (raw) örnek kod Program 1’de sunulmuştur: MaksimumAşım=(max(y)-1); MaksimumAşımHatası= Mutlak_Deger (HedefAşım-MaksimumAşım); Program 1: E A hesaplaması için programlama dili bağımsız örnek kodu

b) Yerleşme Zamanı Ölçütü Kontrol sistemi çıkışının hedeflenen yerleşme bandına girene kadar geçen zaman periyodunu ölçer [9, 10]. Kontrol uygulamalarında maksimum aşım için yerleşme bandı genellikle %105-%95 olarak kabul görür. Yerleşme zamanı, sistem cevabının arzu edilen noktaya yerleşebilmesi için ihtiyaç duyulan zamanı ölçer ve kontrol sisteminin cevap süresi hakkında bilgi verir. Hızlı cevap gereken kontrol uygulamalarında yerleşme zamanı mümkün olduğunca küçük belirlenmelidir. Birim basamak cevabı için yerleşme zamanı,

Ty  (ns  nz )t , burada 0.95  y (n)  1.05  n  nz (3) 0 T R

Şekil 1. Birim basamak cevabı performans ölçütü parametrelerinin temsili gösterimi (Representation of performance criteria parameters for unit step response)

F. N. Deniz, C. Keleş, B. B. Alagöz, N. Tan

Maksimum Aşım Performans Ölçütü

Kontrol sistemi çıkışının hedeflenen noktaya yerleşmeden önce, maksimum aşım miktarını ölçer. Kontrol uygulamalarında maksimum aşımın %20 den küçük olması istenir [9, 10]. Ancak, aşımın tolere edilemediği kritik kontrol uygulamalarda, aşımın mümkün olduğunca küçük olması istenir. Bir kontrol sisteminin birim basamak cevabının ( y(t ) ), t örnekleme periyodu ile örneklenmesi durumun da, ayrık domainde y (n)  y ( nt ) ile gösterilsin. Bu birim basamak cevabı için maksimum aşım,

Amax  max{ y (n)}  1 ,

n  1,2,3,...., ns

ile ifade edilebilir. Burada n z , kontrol sistemi cevabının hedeflenen yerleşme bandına yerleşene kadar geçen örnek sayısıdır. Yerleşme zamanı Şekil 1’de temsili olarak gösterilmiştir. Yerleşme zamanı hatası ( E z ) ise mutlak fark hata ölçütü kullanılarak,

EZ  H Z  Ty

(4)

ile ifade edilmiştir. Burada H Z hedeflenen yerleşme zamanını göstermektedir. Yerleşme zamanı hatası, bilgisayar destekli hesaplamak için programlama dili bağımsız (raw) örnek kod aşağıda sunulmuştur:

(1)

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

159

F. N. Deniz, C. Keleş, B. B. Alagöz, N. Tan

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması

nz=0; Döngü t=1:ns Eğer y(t)>0.95 ve y(t)<1.05 nz= nz+1; Diğer nz= 0; EğerSonu Eğer nz==0 YerleşmeZamani= ToplamBirimBasamakSüresi; Diğer YerleşmeZamani= ToplamBirimBasamakSüresi -nz*ÖrneklemePeriyodu; EğerSonu DöngüSonu YerleşmeHatası= Mutlak_Değer (HedefYerleşme-YerleşmeZamanı);

alt=0; % Kontrolor cevabının %10 ilk geçiş durumu Döngü t=1:length(y) Eğer y(t)>0.10 ve alt==0 nd=t; alt=1; EğerSonu Eğer y(t)>0.90 nu=t: break; EğerSonu DöngüSonu YükselmeZamanı=(nu-nd)* BirimBasamakÖrneklemeAdımı; YükselmeHatası(i,j,k)=abs (HedefYükselme-YükselmeZamanı); Program 3: E R hesaplaması için programlama dili bağımsız örnek kod

Program 2: E Z hesaplaması için programlama dili bağımsız örnek kod

Yükselme Zamanı Ölçütü

Kontrol sistemi çıkışının hedeflenen değerin %10’dan %90’a ulaşıncaya kadar geçen süre yükselme zamanı olarak [9, 10]. Yükselme zamanı, sistem cevabının hızlı değişimlere uyum kabiliyetini ölçer. Sürekli değişkenlik gösteren kontrol işaretlerinin başarılı bir şekilde takibi için sistemin yükselme zamanın mümkün olduğunca küçük olması istenir. Birim basamak cevabı için yükselme zamanı,

TR  (nu  nd )t , burada 0.90  y (nu )  0.10  y (nd ) (5) ile ifade edilebilir. Burada nu ve nd hedeflenen değerlerin %10 ve %90 ulaşılabilmesi için gereken örnekleme sayısıdır. Yükselme zamanı Şekil 1’de temsili olarak gösterilmiştir. Yükselme zamanı hatası ( E R ) ise mutlak fark hata ölçütü kullanılarak,

E R  H R  TR

(6)

ile ifade edilmiştir. Burada H R hedeflenen yükselme zamanı hatasını göstermektedir. Yükselme zamanı hatası, bilgisayar destekli hesaplama için programlama dili bağımsız (raw) örnek kod aşağıda sunulmuştur:

d) Birim Basamak Cevabı Ortalama Karesel Hata Ölçütü Kontrol sistemi çıkışının birim basamak fonksiyonuna göre ne ölçüde farklılaştığını gösteren ve optimizasyon probleminlerinde yaygın olarak kullanılan bir hata ölçütüdür. Kontrolör optimizasyon algoritmalarında, minimize edilmeye çalışılan ortalama karesel hata ölçütü, minimum değer olan sıfır değerinde kontrol sistemi çıkışının ideal birim basamak cevabı olduğuna işaret eder. Pratikte bu durum sistem gecikmeleri nedeni ile olanaksızdır. Sürekli değişkenlik gösteren kontrol işaretlerinin başarılı takibi ortalama karesel hatanın minimize edilmesi ile sağlanabilmiştir [3, 6]. Ortalama karesel hata ( E 2 ),

E2 

1 ns

 ( y(n)  r (n))

(7)

n 0

ile ifade edilebilir. Birim basamak cevabı ortalama karesel hatayı bilgisayar destekli hesaplamak için programlama dili bağımsız (raw) örnek kod aşağıda sunulmuştur: OrtalamaKareselHata= Toplam((y(t)-1).^2)/ns; Program 4:

E 2 hesaplaması için programlama dili bağımsız örnek kod

2.2. Ağırlıklı Ortalama Performans Haritasının Çıkarılması (Mapping of Weighted Average Performance) PID kontrolörler tasarımı, (kp, ki, kd) katsayıları ile temsil edilen üç boyutlu bir parametre uzayıda gerçekleştirilir. Bu parametre uzayı   R 3 ile gösterilsin.  uzayında, (kp, ki, kd) parametrelerinin bir alt ve üst değer ile 160

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması

F. N. Deniz, C. Keleş, B. B. Alagöz, N. Tan

~ ~ sınırlanması durumunda ( k p  [ k p k p ] , k d  [k d k d ] , ~ ki  [ki ki ] ) aşağıda ifade edilen bir PID tasarım parametreleri hiperküpü ( ) elde edilir: ~ ~ ~

Adım 4: Üç boyutlu E uzayından 2 boyutlu kesitler alınarak, PID kontrolörünün performans haritaları elde edilir. 3. ÖRNEK UYGULAMA (APPLICATION EXAMPLE)

  {(k p , ki , kd )  , k p  [k p k p ]  k d  [ kd k d ]  ki  [ki ki ]}

(8) Burada,  hiperküpü içinde elde edilmiş örneklenmiş PID tasarım ızgarası (grid) için ~ ~ ~ (k p , k i , k d )  (ix, jx, vx) i, j, v  1,2,3,.. yazılabilir. Parametre  x hiperküp örnekleme adımıdır. PID tasarım ızgarası (~ ) alınan bir parametre için ağırlıklandırılmış çoklu ölçüt performans hatası şöyle tanımlanmıştır: ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ E ( k p , ki , k d )   R E R ( k p , k i , k d )   Z E Z ( k p , k i , k d ) ~ ~ ~ ~ ~ ~   A E A ( k p , k i , k d )   2 E2 ( k p , k i , k d )

(9)

Burada  R ,  Z ,  A ve  2 parametreleri, birim basamak ağırlık katsayıları E R , EZ , E A ve E 2 performans ölçütleridir. Denklem 9, her bir ölçütün ortalama hatadaki önemini ağırlık parametreleri ile belirler.  hiperküpünden örneklenmiş her nokta için, hataların hesaplanması sonucu örneklenmiş ortalama hata uzayı elde edilir. Bu uzaydan elde edilen her iki boyutlu kesit, bir çoklu ölçüt performans haritasını teşkil eder. Performans ölçütü haritası, çoklu ölçüt performans hatasının, parametre hiperküpü içinde örneklenmiş (ayrık uzay) dağılımını gösterir. Bu dağılım, PID kontrolörün hedeflenen ortalama birim basamak cevabı performansına,  hiperküpü ile tanımlı katsayı bölgesinde ne ölçüde yaklaşabildiğini gösterir ve  içinde en iyi PID tasarımı,

(k p , ki , kd )  min k~ ,k~ ,k~ {E ( )} p

Örnek: Bu örnekte, ikinci dereceden transfer fonksiyonu 1 ile modellenmiş bir sistem için, ( G( s)  2 s  2s  1 ~ ~ ~ k p  [0,10] , k d  [0,10] , ki [0,10] ) hiperküpü içinde

 R  0.5 ,  Z  0.3 ,  A  0.4 ve  2  0.2 ağırlıklı performans haritaları elde edilmiş ve bu hiperküp içinde optimal PID katsayıları belirlenmiştir. Yükselme zamanı hatası ağırlığını (  R ) çoklu ölçüt performans hatası hesaplamasında en yüksek tutmak sureti ile yükselme zamanı kriterinin performans ölçümlemesinde önemi artırılmış ve böylece elde edilen en iyi PID kontrolörünün hızlı cevap vermesi istendiği vurgulanmıştır. Burada, izin verilebilir ölçüt hataları, H A  0 , H R  0 ve H Z  0 alınmıştır. Bu hiç bir birim basamak performans ölçütü için hata toleransımızın olmadığını ifade etmiştir. Şekilde 2’de k p eksenini üzerinde alınan kesit düzlemlerine göre örnekleme periyodu x  0.5 için elde edilmiş olan performans haritaları görülmektedir. Bu örnek sistemde k p parametresinin artan düzlemlerinde çoklu ölçüt performans hatasının düzlem üzerinde azaldığı görülmektedir. Şekil 3’de hiperküp içinde elde edilen en iyi performansı veren PID katsayıları için birim basamak cevabı görülmektedir. Bu performans için E R  0.35 ,

E Z  0.55 , E A  0.028 ve E 2  0.002 dir. Toplam ortalama performans hatası E  0.352 olarak elde edilmiştir.

(10)

ile elde edilebilir. Bilgisayar destekli PID tasarımı ve performans haritalaması için basit işlem adımları şöyle özetlenebilir: Adım 1: PID tasarım hiperküpünden ( ), parametrelerin belirli bir aralıkta x adımı ile örneklenmesi ~ ızgarası teşkil edilir. Adım 2: ~ nin her elemanı için Denklem 9 yardımı ile ağırlılandırılmış çoklu kriter hata uzayı ( E ) hesaplanır. Adım 3: Denklem 10 ile  hiperküpü içinde en iyi PID katsayıları hesaplanır.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

161

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması

F. N. Deniz, C. Keleş, B. B. Alagöz, N. Tan

kp  2

4 ki

kp  8

1.5

6 1 8

8 5

10 2

0.5 2

E 4

~ ~ ~ Şekil 2. k p  [0,10] , k d  [0,10] , ki  [0,10] ile belirli PID tasarım ~ hiberküpü içinde k p =2,4,5,6,10 kesit düzlemleri üzerinde elde edilen ~ performans haritaları (Performance maps on k p =2,4,5,6,10 section ~ ~ planes in PID design hypercube defined with k p  [0,10] , k d  [0,10] ~ , ki  [0,10] )

1.2

8 10

1 4

kp  4

0.8

1 0.8

0.6

kp  6

0.6

0.4 0.4

2.5

0.2

0.2 0

0 0

2 t

10 2

~ ~ ~ Şekil 3. k p  [0,10] , k d  [0,10] , ki  [0,10] ile belirli PID tasarım hiberküpü içinde elde edilen en iyi PID kontrolör katsayıları ( k p  10 , ki

8 t

1.5

9

, k d  7.5 ) için birim basamak cevabı (The unit step response

for the best PID controller coefficients ( k p  10 , k i  9 , k d  7.5 ) obtained from PID design hypercube)

kp  8

2 2

1.5

4. İŞLEM MALİYETİ ANALİZİ VE İŞLEM MALİYETİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ (COMPUTATION COMPLEXITY ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF COMPUTATION COMPLEXITY)

PID tasarımı uzayı (k p , ki , k d ) ile teşkil edilen 3 boyutlu

6 1 8

0.5 2

uzayda gerçekleştirilmesi nedeni ile performansı hesaplanacak nokta sayısı, sınırları belirlenmiş bir hiperküpün boyutlarının örneklenme sayısına bağlı olarak şöyle ifade edilebilir:

162

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması

ile örneklenir ise, her bir iç hiperküpün örnekleme adımı xi  x0 / m i ile azalır. E

(a)

 k p  k p  k  k  k  k  d   i i  d (11) N       x   x  x       En iyi PID katsayını daha hassas belirleyebilmek için x azaltılmalıdır. Bu durum örnekleme sayısını üstel olarak artıran bir işlem maliyeti getirmektedir. En iyi PID katsayısını daha düşük işlem maliyeti ve daha yüksek çözünürlük ile elde edebilmek için daralan hiperküp arama yöntemi kullanılabilir. Bu yöntemin adımları şöyle özetlenmiştir: (i) Hiperküp  0 , x0 örnekleme adımı ile örneklenir.

F. N. Deniz, C. Keleş, B. B. Alagöz, N. Tan

1.2

0.8

En İyi PID

 0 hiperküpünün en iyi PID noktası belirlenir.

0.6 0.4

10 2

(ii) En iyi PID noktası yakın civarında bir  1   0 hiperküpü alınır ve x1  x0 ile örneklenir.  1 hiperküpünün en iyi PID noktası belirlenir ve bu katsayı etrafında alınan yeni bir  2   1 hiperküpü x2  x1 örnekleme adımı ile örneklenir. (iii) Bu işlem istenilen xi çözünürlüğüne ulaşılana kadar tekrarlanır.

(b) 1

0.5

(a)

0

1

2 t

2

En iyi PID En iyi PID

N örnekleme

0.36

0.35

En iyi PID

1

N örnekleme

0

6.5

2

0.34

7.5

(k p , ki, kd )

N örnekleme

Toplam=3N örnekleme

8.5

9 kd

örnekleme sayısının toplamsal artması ( (a) Nested narrowing PID hypercubes  0 ,  1 ve  2 in narrowing hypercube search method (b)

Şekil 4(a)’da daralan hiperküpler temsili olarak gösterilmiştir. Şekil 4(b)’de her bir  i alt hiperkünün aynı miktarda örneklendiği varsayıldığında, toplam örnek sayısının toplamsal artışı görülmektedir. Daralan hiperküp yöntemininde toplam örnekleme sayısı için n

NT 

N

yazılabilir.

Her

bir

i

hiperküpü

i 0

0.32

8.5

Şekil 4. (a) Daralan hiperküp yönteminde iç içe seçilen PID hiperküpleri  0 ,  1 ve  2 (b) işlem adımlarının temsili gösterimi ve

Representation of the narrowing process and additive increase of sampling number)

0.33

En İyi PID

9.5

(d) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

4 t

xi  xi 1 / m , ( m  1 bölme oranı) örnekleme adımı SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

163

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması

F. N. Deniz, C. Keleş, B. B. Alagöz, N. Tan

7.8

azaltılabilmiştir. PID tasarım hiperküpüde, en iyi PID katsayılarını arama probleminde, daralan hiperküp arama yöntemi ile işlem maliyetinde kayda değer oranda azalma sağlanmıştır.

(e)

En İyi PID

8.2

0.32

5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) 0.315

8.4

Bu çalışmada, PID tasarım hiperküpü içinde çoklu ölçüte dayanan birim basamak performans analizleri çalışılmış ve en iyi PID’nin belirlenmesine dönük yaklaşımlar sunulmuştur. Performans haritalaması, kontrolör tasarımında ve analizinde önemli veriler sağlamaktadır. Optimal PID katsayıları, örnekleme adımı genişliğine bağlı bir duyarlılıkta kesin olarak elde edilebilmektedir. Yöntemin işlem maliyeti analizleri sunulmuştur. Çoğu optimizasyon tekniği, daha az işlem maliyeti karşılığında optimal PID katsayılarını verebiliyor olsa da, bu katsayıların optimizasyon araştırma bölgesi içinde en optimal değer (global extrumum) olmasını garanti edememektedir. Günümüzde gelişen teknoloji, yüksek işlem yüklerini makul sürelerde tamamlayabilmeye imkan sağlamaktadır. Bu nedenle, optimal çözümlerin kesinliği ve güvenilirliği, işlem yükünden daha öncelikli bir durum haline gelmiştir. Bu durum, bilgisayar destekli kontrolör tasarımı için bu çalışmanın önemini artırmaktadır.

8.6 0.31 8.8 9.2

9.4

9.6 kd

9.8

(f) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

2 t

Şekil 5. (a)-(b)  0 hiperküpünün x  0 .5 ve N  8000 örnekleme için performans haritası ve en iyi PID için step cevabı. (c)-(d)  1 hiperküpünün x  0 .1 ve N  8000 örnekleme için en performans haritası ve en iyi PID için step cevabı. (e)-(f)  2 hiperküpünün x  0 .05 ve N  8000 örnekleme için performans haritası ve en iyi PID için step cevabı ( (a)-(b) Performance map and step response of the best PID controller for x  0 .5 and N  8000 sampling of  0 . (c)(d); Performance map and step response of the best PID controller for x  0 .1 ve N  8000 sampling of  1 . (e)-(f) Performance map and step response of the best PID controller for x  0 .05 ve N  8000 sampling of  2 )

Şekil 5’de daralan hiperküp yöntemi ile seçilen PID hiperküpleri  0 ,  1 ve  2 için en iyi PID katsayılarını veren performans haritaları ve en iyi PID katsayısı için birim basamak cevapları gösterilmektedir. x  0.05 örnekleme sıklığında en iyi PID katsayısına, toplamda N T  3  8000  24000 örnekleme ile ulaşılmıştır. Toplam performans hatası  0 için x  0.5 ile elde edilmiş olan E  0.352 den ,  2 için x  0.05 ile elde edilen E  0.295 ’e düşürülmüştür. Eğer sadece

0

x  0.05 örnekleme adımı ile hiperküpünün örneklenmesi durumunda ise toplam N T  (10 / 0.05) 3  8.10 6 nokta için hesaplama yapılması gerekmektedir. Daralan hiperküp yöntemi ile ihtiyaç duyulan örnekleme sayısı 8.106 / 24.103  333 kat 164

Önerilen performans haritalama metodu, sistem karmaşıklığından bağımsız olarak her kontrol sistemine uygulanabilmektedir. Bu avantaj, her yeni kontrol sistemi için analitik çözümleme ihtiyacını ortadan kaldırmış ve kontrolör tasarımını önemli ölçüde kolaylaştırmıştır. PID tasarım hiperküpünde en iyi PID katsayısını arama problemini makul işlem maliyetlerinde gerçekleştirebilmek için daralan hiperküp arama yöntemi önerilmiş ve yöntemin etkinliği gösterilmiştir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] X.-M. Liang, S.-C. Li ve A. Hassan, «A novel PID controller tuning method based on optimization tecnique,» Journal of Central South University of Technology, cilt 17, no. 5, pp. 1036-1042. [2] K. Aström ve T. Högglund, «PID Controllers: Theory, Design and Tuning,» %1 içinde Instrument Society of America, New York, 1995. [3] H. Zhang, Y. Cai ve Y. Chen, «Parameter Optimization of PID Controllers Based on Genetic Algorithm,» Interational Conference on E-Health Networking, Digital Ecosystems and Technologies, Shenzhen, China, 2010. [4] Y. Zhi ve W. Jingling, «Auto-tuning of PID parameters based on switch step response,» IEEE SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

Kapalı çevrim PID kontrolör tasarımında birim basamak cevabı çoklu ölçüt performans haritalaması

F. N. Deniz, C. Keleş, B. B. Alagöz, N. Tan

International Conference on Intelligent Processing Systems, Beijing, China, 1997. [5] B. Ayaz, PID kontrolörlerinin optimal parametrelerinin belirlenmesi amacıyla bir bulanık mantık karar mekanizması tasarımı, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2011. [6] Z. Gaing, «A Particle Swarm Optimization Approach For Optimum Design of PID Controller in AVR system,» IEEE Trans. on Energy Conversion, cilt 19, no. 2, pp. 384-391, 2004. [7] M. Rani, H. Selamat, H. Zamzuni ve Z. Ibrahim, «Multi-Objective Optimization For PID Controller Tunning Using The Global Ranking Genetic Algorithm,» International Journal of Innovative Computing, Information and Control, cilt 8, pp. 269-284, 2012. [8] M. Tokuda ve T. Zamamoto, «Self-Tuning PID Controller Based on Control Performance Evalutions,» International Journal of Innovative Computing, Information and Control, cilt 6, pp. 3751-3762, 2010. [9] K. Ogata, Modern control engineering,, Prentice Hall PTR, 2002. [10] A. Visioli, Practical PID control, London, 2006.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 157-165, 2014

165

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 167-170, 2014

Türkiye internet ağ altyapısının performans analizi

Ahmet Turan Özcerit1, Hakan Can Altunay2*

22.01.2014 Geliş/Received, 09.03.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Bilgisayarlar iletişim aracı olarak kullanılmaya başlandıktan sonra bilgisayar ağı kavramı ortaya çıkmıştır. Bilgisayarların ağ yapısı üzerinde birbirleriyle haberleşmesini sağlayan kavrama internet denir. İnternet kavramının genişlemesi veri aktarımı sağlanan bilgisayar ağının da genişlemesi demektir. Genişleyen bilgisayar ağlarının yüksek maliyeti, farklı coğrafi bölgelerdeki kurulum zorlukları ve ağ yönetiminin güçlüğü bilgisayar ağlarının modellenmesi ihtiyacını doğurmuştur. Bu çalışmada Türkiye internet ağ altyapısının başarım analizi incelenmiştir ve OPNET Mode1er 14.5 ile Türkiye Internet ağı modellemesi gerçeklenmiştir. Modelleme sırasında ağ üzerindeki mevcut durum değerlendirilmiş ve ağ yapısının geliştirilmesi için ileriye dönük öneriler sunulmuştur. Anahtar Kelimeler: internet altyapısı, OPNET, modelleme, bilgisayar ağları

Performance analysis of internet network infrastructure in Turkey ABSTRACT Once computers are used as communication means, the computer network concept has emerged. The concept which enables the computers to communicate through a number of network structures is called Internet. Expansion of the Internet means the expansion of the computer networks on which data communication is performed. High cost of installation difficulties in various geographical areas and difficulties in network management of extended computer networks have created the need for modelling of the computer networks. In this study, performance analysis of Internet infrastructure of Turkey has been examined. Internet modelling has been performed by the OPNET 14.5. During the modelling, present situation on networks has been assessed and prospective recommendations have been provided in order to improve the network structure.

Keywords: internet infrastructure, OPNET, modelling, computer networks

Sorumlu Yazar / Corresponding Author

1 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği, Sakarya - aozcerit@sakarya.edu.tr 2 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Çarşamba Tic. Bor. MYO, Bilgisayar Teknolojileri, Samsun - hakancan.altunay@omu.edu.tr

A. T. Özcerit, H. C. Altunay

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Günümüzde bilgi ve bilgiye erişimin önemi hızla artmaktadır. Teknolojinin ilerlemesi ile birlikte bilgiye ulaşmak için en büyük araçlardan birisi olan bilgisayarlar hayatımızın pek çok alanına girmiş bulunmaktadır. Fakat bunların içerisinde en önemlisi iletişim alanıdır [1]. İletişim teknolojilerinin en önemli aracı olan internet, bilgisayarların ağ yapısı üzerinde birbirleriyle haberleşmesini sağlayan bir yapıdır. İnternet kontrol edilemeyen bir hızla genişleyip büyümektedir [2]. Ülkemizde internetin önemi çok kısa sürede fark edilip, hızlı bir ivme ile kullanım alanı ve kullanıcı sayısı artmıştır. 2012 Kasım ayı verilerine göre ülkemizde internet kullanıcı sayısı 36 milyonu geçmiştir. Ancak internet abone sayısı toplam kullanıcı sayısına göre farklılık göstermektedir. Bu durumu internet kafeler veya bir abonelik üzerinden birden fazla kullanıcının internete girmesi etkilemektedir. Yine 2012 Kasım verilerine göre ülkemizde toplam abone sayısı 19 milyonu geçmiştir [3]. 2013 Ağustos ayı verilerine göre ise ülkemizde ortalama internet hızı 3.1Mbps seviyesindedir. Bu hız oranı ile Türkiye dünya sıralamasında 61. sıradadır [4]. İnternet kavramının yaygınlaşması veri aktarımı sağlanan bilgisayar ağlarının da yaygınlaşması demektir. Yaygınlaşan bilgisayar ağlarının yüksek maliyeti, farklı coğrafi bölgelerdeki kurulum zorlukları ve ağ yönetiminin güçlüğü bilgisayar ağlarının modellenmesi ihtiyacını doğurmuştur [1]. Bilgisayar ağlarının modellenmesi, büyük çaptaki ağların sembolik olarak küçültülerek gerçeğe benzer görüntülerle gösterilmesi olarak tanımlanır [5]. Benzetim ise belirli bir zaman çerçevesinde herhangi bir sistemin yapısının taklit edilmesidir. Benzetim, mevcut işlemler hakkında geçmişten günümüze, hatta geleceğe dair gerçekçi bilgiler sunan bir araçtır. Simülatör kullanmak işlemler üzerindeki testlerin daha ucuz ve daha kısa sürede bitirilmesi olanağını sağlar. Bu sebeple günümüzde teknolojik gelişmelerin etkisiyle sanayi ve endüstride benzetim kullanımı artmıştır [6]. Gün geçtikçe genişleyen bilgisayar ağları ve internet teknolojisi, benzetim kullanma zorunluluğunu ve gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Bilgisayar ağlarının gerçek hayatta kurulması maliyetli ve zaman alıcı olması nedeniyle bu alanda tasarlanmış OPNET, OMNET, NetworkII.5, Network Simülatör 2 VE Network Simülator 3 gibi bazı programlar ortaya çıkmıştır [7].

168

Türkiye internet ağ altyapısının performans analizi

Türkiye internet ağ altyapısının performansını incelemek için kullanılan modelleme yazılımı OPNET’tir. Ayrıca OPNET iletişim protokollerinde, ağ yapılarının modellenmesinde, benzetim ve başarım işlemlerinin gerçekleştirilmesinde kullanılan bir yazılımdır [8]. Bilgisayar ağlarının modellenmesinde yaygın olarak kullanılan OPNET hem Windows hem de Unix ortamında çalışabilen bir programdır. 2. MATERYAL VE YÖNTEM (MATERIAL AND METHOD)

Bu çalışmada Türkiye internet ağ altyapısının başarım analizi çıkartılmıştır. Bu amaçla TCP işleyişi ve dört farklı iç içe tıkanıklık kontrolü için kullanılan algoritmalar üzerinde durulmuştur. Bunlar yavaş başlangıç, tıkanıklık kaçınma, hızlı iyileşme ve yeniden hızlı iyileşme olarak oluşturulmuştur. OPNET yazılımı ile NoDrop, Tahoe ve Reno senaryoları kurularak analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. İlk olarak NoDrop senaryosu hazırlanmıştır. Bunun için çalışma alanına birer adet Application Config (Uygulama Yapılandırma) ve Profile Config (Yanay Yapılandırma) nesneleri eklenir. Application Definitions (Uygulama Tanımları) özelliği FTP_Application olarak ayarlanır. Description özelliğindeki değerler ise Tablo 1’ de gösterildiği gibi ayarlanır. Ve application nesnesi kapatılır. Tablo 1. Tanımlama özellikleri (Description properties)

Attribute

Value

Command Mix (Get/Total) Inter Request Time (seconds) File Size (bytes)

100%

Symbolic Server Name

FTP Server

Type of Service

Best Effort (0)

RSVP Parameters

None

Back – End Custom Application

Not Used

Constant(3600) Constant(9000000)

Profile Config nesnesinde ise name özelliği FTP_Profile olarak değiştirildikten sonra operation mode (çalışma modu) seçeneği Serial (Order) olarak düzenlenir. Start Time değeri için constant (100), Duration değeri için End of Simulation seçilir. Repeatabilitiy özelliği için Once At Start time seçilir.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 167-170, 2014

Türkiye internet ağ altyapısının performans analizi

A. T. Özcerit, H. C. Altunay

eklenir. İstanbul subneti ile Ankara subneti IP Cloud’a PPPDS3 kablo ile bağlanır. Server_İstanbul nesnesinin TCP Congestion Window Size (bytes) (Tıkanıklık Pencere Boyutu) özelliği seçilerek benzetim çalıştırılır. Genel ağ görünümü ise aşağıda gösterilmiştir.

Şekil 1. Profil konfigürasyon tablosu (Profile configuration table)

Çalışma alanına İstanbul isimli bir subnet eklenir ve İstanbul subnetinin içerisine bir adet router ve bir adet ethernet server yerleştirilir. Ve bu iki ağ elemanı birbirine 100BaseT kablo ile birbirlerine bağlanır.

Şekil 4. Modellemenin genel görünümü (General view of modelling)

Şekil 2. İstanbul subnetinin iç yapısı (Internal structure of Istanbul subnet)

Server İstanbul nesnesinin TCP parametresinin altında yer alan Fast Retransmit (Yeniden Hızlı) ve Fast Recovery (Hızlı Kurtarma) özellikleri Disable olarak ayarlanır. Çalışma alanına bir subnet daha eklenerek name özelliği Ankara olarak değiştirilir. Ankara subnetinin içerisine bir adet Ethernet Workstation ve bir adet Router eklenir. Bu iki ağ elemanı birbirine 100BaseT kablo ile birbirine bağlanır. Client_Ankara nesnesinin Actual Name özelliği Server_İstanbul olarak ayarlanır ve Ankara subneti kapatılarak çalışma alanına geri dönülür.

Şekil 5. Benzetim sonucu (Simulation result)

Ardından Duplicate Scenarios komutu ile Tahoe senaryosu oluşturulur. Packet Discard Ratio oranı %0.5 olarak ayarlanır. Server_İstanbul nesnesinin TCP parametresinin altında bulunan Fast Retransmit özelliği Enabled olarak değiştirilir.

Şekil 3. Ankara subnetinin iç yapısı (Internal structure of Ankara subnet)

Tekrar Duplicate Scenarios komutu ile Reno senaryosu hazırlanarak Server_İstanbul nesnesinin TCP parametresinin altında bulunan Fast Recovery özelliği Reno olarak değiştirilir. Ardından benzetim tekrar başlatılır. Ve aşağıdaki grafikler elde edilir.

Harita üzerine diğer iller için subnet’ler eklenerek Ankara subnet’in de olduğu gibi ayarlar tekrarlanır. Ardından çalışma alanına bir adet IP Cloud 32 nesnesi SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 167-170, 2014

169

A. T. Özcerit, H. C. Altunay

Türkiye internet ağ altyapısının performans analizi

3. SONUÇ VE ÖNERİLER (CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS)

Simülasyon sonucunda elde edilen birinci grafik NoDrop senaryoyu göstermektedir. Ve bu senaryoda paket kaybı yaşanmaktadır. İkinci grafik Tahoe senaryosuna ait grafiktir. Ve %0.5 paket kaybı yaşanmaktadır. Congestion Window Size (tıkanıklık pencere boyutu) özelliği sıfırın altına düşmektedir. Bu senaryo incelendiğinde yavaş başlangıç özelliğinin performanslı çalıştığı görülmektedir. Üçüncü grafik ise Reno senaryosuna ait grafik olup, bu senaryoda da %0.5 paket kaybı yaşanmaktadır. Ancak bu senaryoda Congestion Window Size(tıkanıklık pencere boyutu) özelliği Tahoe senaryoda olduğu gibi sıfırın altına düşmez. Bu senaryoda Fast Recovery (Hızlı kurtarma) özelliğinin yavaş başlangıca göre daha performanslı olarak çalıştığı görülmektedir. Svensson ve Popescu (2003) yaptıkları çalışmada elde ettikleri paket kaybı değerleri ve uygulanan iç içe tıkanıklık kontrollerinin sonuçları bu çalışma ile örtüşmektedir.

Şekil 6. NoDrop senaryo (NoDrop Scenario)

Şekil 8. Reno senaryo (Reno scenario)

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] H. Çetin, Türkiye’nin Otonom Sistem Seviyesinde İnternet Haritasının Çıkarımı ve İncelenmesi, Muğla Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009. [2] İ. C. Arkut ve R. C. Arkut, İnternet ve Ağlarda Kaotik Büyüme, Journal of Kultur University, 2006, pp. 135-139. [3] [Çevrimiçi]. Available: http://www.slideshare.net/mooncrown/trkiyeinternet-raporu-2013. [Erişildi: 12 2013]. [4] [Çevrimiçi]. Available: http://www.webrazzi.com/2013/08/23/dunyada-enhizli-internet-kullanan-ulkeleri-ve-turkiyenindurumu/. [Erişildi: 12 2013]. [5] V. Adamos, Greek Business Network, Master, University of Portsmouth, Department of Electronic & Computer Engineering, 2004. [6] X. Chang, «Network Simulations With Opnet,» Proceedings of the 1999 Winter Simulation Conference, 1999. [7] H. Develi, Süleyman Demirel Üniversitesi Kampüs Ağının Opnet ile Modellenmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009. [8] T. Svensson ve A. Popescu, Development of Laboratory Exercises Based on Opnet Modeler, Blekinge Instute of Technology, electrical Engineering, 2003.

Şekil 7. Tahoe senaryo (Tahoe scenario)

170

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 167-170, 2014

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği T. Fikret Kurnaz*1, Şefik Ramazanoğlu2

24.02.2014 Geliş/Received, 28.03.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Yerleşim alanlarının planlamalarında, zemin özellikleri açısından güvenli ve riskli olan bölgelerin tespit edilmesinin gerekliliği, özellikle deprem, heyelan vb. doğal afetler göz önüne alındığında oldukça önem arz etmektedir. Özellikle 1999 Marmara depreminde yaşanan kayıpların ardından, ülkemizde yeni yerleşim alanlarının seçiminde ve mevcut yerleşim alanlarının kullanım açısından planlanmasında, Coğrafi Bilgi Sistemleri’nden (CBS) yararlanılarak hazırlanan çalışmalar etkin bir rol almaktadır. CBS’nin sağladığı en önemli avantajlarından birisi, oluşturulan veri tabanları içinde farklı türde sorgulamalar yapılabilmesidir. Bu çalışmada, İstanbul’un Avrupa yakasında yer alan Esenler ilçesinin zemin özellikleri jeolojik, jeofizik ve jeoteknik verilerin bir arada kullanımı ile araştırılmış ve yerleşime uygunluk durumu CBS’nin sorgulama özelliği ile değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmede, ilçe zeminlerine ait SPT-N30 darbe sayıları, kayma dalgası hızları (Vs), yerel zemin sınıfları, taşıma gücü (qnet), zemin büyütme ve yamaç stabilite durumları kullanılmıştır. Araştırma sonuçlarına göre, ilçenin kuzey kesimleri, yerleşime uygunluk açısından güney kesimlere oranla çok daha güvenilir jeoteknik koşullara sahiptir. Anahtar Kelimeler: Esenler, CBS, sorgulama, yerleşime uygunluk

The interrogation of settlement suitability by using GIS, a case study in Esenler (Istanbul) ABSTRACT The determination of the safe and risky areas in terms of soil properties is highly important in the planning of residential areas considering the earthquake, landslide, etc. natural disasters. The studies prepared by utilizing from Geographic Information Systems (GIS) take an effective role in our country in the selection of new residential areas and in the planning of the existing residential areas in particularly the losses suffered in after the 1999 Marmara earthquake. Different types of interrogations can be made in the created database that is one of the major advantages of GIS. In this study, the soil characteristics of the Esenler town located in the european side of Istanbul province have been investigated with geological, geophysical and geotechnical data the settlement suitability conditions was evaluated by the interrogation capability of the GIS. The SPT-N30 blow counts, shear wave velocity (Vs), local soil classes, bearing capacity, soil amplification and slope stability conditions belonging to the study area were used in this evaluation. According to the research results, the northern parts of the study area have much more reliable geotechnical conditions compared to the southern parts in terms of the settlement suitability. Keywords: Esenler, GIS, interrogation, settlement suitability

Sorumlu Yazar / Corresponding Author

1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Sakarya - fkurnaz@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Sakarya - sefikr@sakarya.edu.tr

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Ülkemiz, aktif bir tektonik kuşak üzerinde bulunmakta olup, deprem, heyelan vb. doğal afetlere elverişli bir topoğrafyaya sahiptir. Bu da, yerleşim alanlarının planlamalarında, zemin özellikleri açısından güvenli ve riskli olan bölgelerin tespit edilmesi gerekliliğini ortaya koymaktadır. Özellikle 1999 yılında meydana gelen İzmit ve Düzce depremlerinde yaşanan ağır kayıplar ve zararlar, ülkemizde deprem bilincinin ve olası depremlere karşı alınacak önlemler konusundaki duyarlılığın gelişmesine vesile olmuştur. Kentsel planlama, mevcut ve beklenen problem çözümleri için, veri toplama, analiz ve sentez yöntemleri ile kısa, orta ve uzun vadeli hedefler belirlemekte ve bu hedeflere ulaşmak için uygulanabilir yöntemler tanımlamaktadır [1, 2]. Kentsel planlamada yer seçimi etkileyebilecek en temel kısıtlamalar, jeolojik ve fiziksel kısıtlamalardır. Bu kısıtlamalar, topografya, jeolojik yapı, iklim koşulları, sismoloji, hidrojeolojik özellikler, yapı malzemeleri, zemin kalitesi, mineralojik ve jeokimyasal özelliklerdir. Tüm dünyada, şehirlerin jeolojik ortamlarının planlanması ve haritalanmasında, kentsel planlamanın önemli bir yeri vardır. Bazı durumlarda çevresel jeoloji ile eş anlamlı olarak bile kabul edilmektedir [3]. Ayrıca kentsel alanların gelişmesi ve kalkınmasında arazi kaynakları ve jeolojik tehlikelerin çalışması olarak da tanımlanır [4]. Kent jeolojisi, akılcı bir arazi kullanım planlaması ve kentsel gelişim için planlamacılar ve politikacılara jeolojik bilgi sağlar. Bu konuda, dünya genelinde bazı şehirler için, planlamaya yönelik olarak yapılmış bir çok kentsel jeoloji çalışması mevcuttur [3-16]. Arazi planlamasına yönelik zemin araştırmalarında, yerel zemin koşullarını açıklayan parametrelerin bölgedeki değişiminin belirlenmesi ve bu parametrelerin analizi sonucu elde edilen veri tabakalarının birleştirilerek aralarındaki ilişkilerin anlaşılması gerekmektedir. Ayrıca, elde edilen tüm veriler coğrafi koordinatlar ile ilişkilendirilmelidir. Bütün bu işlemlerin gerçekleştirilebilmesi ve uygulanabilmesi için istatistiksel veya matematiksel coğrafi analizlere ve verilerin görsel olarak sunumlarının yapılmasının gereksinimi vardır. Bu amaç için kullanılan en iyi araçlardan birisi de Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS)’dir [17]. Bu sistem, coğrafi konumu olan nesne ve olaylara ait tüm verilerin toplanmasının ve depolanmasının yanı sıra güncelleştirilmesini, sorgulanmasını, sentezlenmesini ve yeni seçenekler üretilmesini çok kısa bir sürede yapabilecek nitelikte bir teknolojik sistemler bütünüdür [18]. Kentsel planlama amaçlı zemin araştırma çalışmalarında büyük hacimli veri tabanları ile çalışılmakta ve bu veri tabanlarının hızlı bir şekilde

172

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

değerlendirilmesi, görüntülenmesi ve sorgulamaların yapılması ancak Coğrafi Bilgi Sistemleri ile sağlanabilmektedir. Günümüzde coğrafya ve coğrafyayı tanımlayan veriler günlük yaşantımızın bir parçasıdır. Hemen hemen her konudaki kararlarımız bu verilerden etkilenmekte, bu veriler ile sınırlanmakta ve yönetilmektedir. Tıpkı makro ölçeklerdeki kararların alınmasında olduğu gibi, günlük kent yaşamında da elektrik, su, altyapı gibi minimum kentsel yaşam standartlarının sağlanması ve yönetilmesi ile gerek doğal, gerekse insan nedenli afetlerin etkilerinin azaltılmasında, bilim adamları ve karar vericiler tarafından bu önemli veriler hızla anlaşılmak zorundadır. Esas amaç, karar verme süreci içerisinde gerek alternatifler üretmek, gerekse de aynı anda farklı senaryoları değerlendirerek tüm süreci hızlandırmaktadır. Bu ise ancak Coğrafi Bilgi Sistemleri sayesinde gerçekleşebilir. Coğrafi Bilgi Sistemleri, coğrafi verilerin söz konusu olduğu her alanda uygulanabilir bir yapı sunmaktadır. Coğrafi verinin tanımının ne kadar geniş olduğu hatırlanırsa, CBS uygulama alanlarının da o denli uzun bir liste oluşturacağı sonucuna varılır. Hatta CBS için, kullanıcı sayısı ile doğru orantılı kabul edilebilecek kadar değişik kullanıcısı vardır denilebilir. Bu çalışmaya konu olan Esenler ilçesi İstanbul’un Avrupa Yakası’nda yer almaktadır (Şekil 1). Yaklaşık 11 km2’lik bir alana sahip olmasına rağmen 2008 nüfus sayımına göre, ilçede yaklaşık yarım milyon (464.557) kişi yaşamaktadır. Muhtemel İstanbul depreminden asgari düzeyde etkilenmek ve ilçeyi kaçak yapılaşmadan arındırmak için Esenler Belediyesi tarafından kentsel dönüşüm projesi hayata geçirilerek, ilçede mahalle bazında kademeli olarak yeniden yapılaşmaya gidilmesi planlanmaktadır. Bu çalışmada, Esenler ilçesinin mühendislik açısından önem arz eden temel zemin özelliklerini ortaya koyarak, yerleşime uygunluğunun değerlendirilmesi amacı ile, toplam 370 adet sondaj ve 150 adet sismik kırılma çalışmasına ait veriler ile 908 adet örselenmiş, 174 adet örselenmemiş zemin numunesi ve 39 adet kayaç örneği üzerinde yapılan deney sonuçlarından yararlanılmıştır. Çalışmada kullanılan veriler, başta Esenler Belediyesi olmak üzere, İstanbul Büyükşehir Belediyesi ve bölgede zemin etüd vb. faaliyetler gösteren çeşitli firmalardan temin edilmiştir. Eldeki veriler ve araştırma bulgularının sonuçları kullanılarak, CBS tabanlı tematik haritalar oluşturulmuş ve yerleşime uygunluğun değerlendirilmesinde CBS’nin sorgulama yeteneğinden yararlanılarak, amaca yönelik farklı türde sorgulamalar yapılmıştır. Çalışma kapsamında “MapInfo Professional” ve “Vertical Mapper” olmak üzere iki CBS yazılımı kullanılmıştır.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

Şekil 1. İnceleme alanı yer bulduru haritası (Location map of the study area)

2. İNCELEME ALANININ JEOLOJİSİ ( THE GEOLOGY OF THE STUDY AREA)

Çalışma alanında, alttan üste doğru Trakya Formasyonu, Gürpınar Formasyonu, Güngören Formasyonu, Bakırköy Formasyonu ve vadilerde alüvyon mevcuttur. Bunun yanında, arazinin çeşitli yerlerinde, yer yer yapay dolgu alanlar mevcuttur. Şekil 2’ de inceleme alanında yapılan sondajlardan ve çeşitli kaynaklardan yola çıkılarak oluşturulan çalışma alanının jeoloji haritası görülmektedir. İnceleme alanının temeli Paleozoik yaşlı Trakya Formasyonu ile kaplıdır. Trakya Formasyonu, inceleme alanının kuzey kesimlerinde yüzeylenmektedir. Arazide Trakya Formasyonu, çoğunlukla kumtaşı, kiltaşı ve grovak (köşeli kuvars ile feldspat taneleri içeren kumtaşı türü) ardalanması şeklinde istiflenmiştir [19, 20]. Oligosen yaşlı Gürpınar formasyonunun ana litolojisi ise, grimsi yeşil renkli, aşırı konsolide killerden oluşmaktadır. Miyosen yaşlı Güngören Formasyonu, genelde yeşilimsi renkli, çok katı, sert kıvamlı killerden oluşmaktadır. İnceleme alanında geniş bir yayılım göstermektedir [21]. Güngören formasyonunun üst seviyelerini oluşturan Üst Miyosen yaşlı Bakırköy Formasyonu’nun hakim litolojisi, gölsel ortamda çökelmiş, kirli beyaz-krem renkli, yatay katmanlı, genellikle yeşil kil ara tabakalı, zayıf-orta dayanımlı, mactralı kireçtaşları ile marnlardan oluşmaktadır. Alüvyonlar, geç Kuvaterner’de İstanbul yarımadasında mevcut olan çeşitli akarsu ortamlarında depolanmış, gevşek blok–çakıl-kum-silt-kilden oluşan çökellerdir. Bununla birlikte, çalışma alanının bazı kesimlerinde litolojisi heterojen kaya parçaları, bloklar, kumlar ve killerden oluşan yapay dolgu alanları mevcuttur.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

Şekil 2. İnceleme alanının jeoloji haritası (Jeolojik map of the study area)

3. İNCELEME ALANININ JEOTEKNİK ÖZELLİKLERİNİN CBS İLE HARİTALANMASI (THE MAPPING OF THE GEOTECHNICAL PROPERTIES OF THE STUDY AREA BY USING GIS)

İnceleme alanının jeoteknik özelliklerinin belirlenmesinde, çalışma alanında yapılmış olan 370 sondaj ve 150 adet jeofizik sismik kırılma çalışmasına ait veriler ile sondajlar sırasında alınmış olan 908 adet örselenmiş, 174 adet örselenmemiş zemin numunesi ve 39 adet kayaç örneği üzerinde yapılan deney sonuçları kullanılmıştır. Oluşturulan veri tabanı ile amaca yönelik CBS tabanlı haritalar oluşturulmuş, zemin özelliklerinin inceleme alanındaki değişimleri incelenmiştir. Mevcut ve yeni yapılan binalarda temel derinliği olarak genelde 2-3 m derinlik seçilmesinden ötürü, bu çalışmada yüzeyden itibaren ilk 5 m derinliğe ait jeoteknik özellikler araştırılmıştır. Bunun yanında, inceleme alanının jeoloji haritasında görülen (Şekil 2) yapay dolgu alanlar, yapılacak analizlerde ve oluşturulacak haritalarda hatalı yorumlara sebebiyet verebileceğinden ötürü çalışma alanı dışında tutulmuştur. Şekil 3’de bu çalışmada verilerinden yararlanılan sondaj ve sismik uygulamalarına ait lokasyon haritaları görülmektedir.

173

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

Şekil 3. a) Sondaj çalışmalarına ait lokasyonlar, b) Sismik çalışmalara ait lokasyonlar (a) the locations of the drill holes, b) locations on the seismic study)

3.1 SPT-N30 Darbe Direnci (SPT-N30 Blow Count) Standart Penetrasyon Deneyi (SPT) dinamik bir penetrasyon deneyi olup, dünya genelinde yapılan zemin incelemelerinde, en sık kullanılan ve en eski arazi deneylerinden biridir [22]. Bu deney, dikkatli yapıldığı zaman zeminin fiziksel ve mekanik özellikleri hakkında faydalı bilgiler sağlamaktadır. Esas olarak kumlu zeminlerde kullanılan bu deney, yumuşak killerden zayıf kayalara kadar değişiklik malzemelerde farklı amaçlar için uygulanabilmektedir. İnceleme alanında, yüzeyden itibaren 5 m derinliğe kadar SPT-N30 değerlerinin dağılımını ve derinlik artışı ile birlikte değişimini görebilmek amacıyla 370 adet sondaja ait verilerden yararlanılarak 3 m ve 4.5 m derinlikleri için haritalar oluşturulmuştur. Yüzeyden itibaren ilk 1-2 m’lik dilimde örtü toprak varlığından ötürü 1.5 m’deki SPT-N30 değerleri dikkate alınmamıştır. SPT deneyi, ince taneli zeminlerde kıvam, iri taneli zeminlerde ise sıkılığın araştırılması için geliştirilmiş bir yöntem olduğu için haritalar oluşturulurken her araştırma derinliğinde ayrışmamış kaya özelliğinde olan alanlar ayrı bir renkle simgelenerek zemin - kaya ayrımı da ortaya konmuştur. Şekil 4’de 3 m ve 4.5 m derinliğe ait SPT-N30 değerlerini gösteren harita görülmektedir. 3 m derinlikte bazı lokal alanlarda SPT-N30 değerinin 10’dan düşük olduğu görülmektedir. Bu seviyede inceleme alanı genelinde ise SPT-N30 değerleri ağırlıklı olarak 20 – 30 arasında değerler almaktadır. Güneyde ayrışmış kireçtaşının egemen olduğu alanlarda SPT-N30 değerleri 30 – 50 arasında değişirken, kuzey kesimlerde ayrışmış kumtaşı ve grovaktan oluşan alanlarda SPT-N30 değerlerinin 40’dan büyük olduğu görülmektedir. 4.5 m derinlikte ise zemin olarak nitelenen alanlarda SPT-N30 değerleri yine 20 – 30 arasında değişmektedir. Temel kaya seviyesine yaklaşılan alanlarda ise SPT-N30 değerlerinin 50 civarına yaklaştığı görülmektedir.

174

Şekil 4 Yüzeyden 3 m ve 4.5 m derinlikte SPT-N30 dağılımı haritası (3 m and 4.5 m depth from the surface distribution map SPT-N30)

3.2 Kayma Dalgası Hızı (Vs) (Shear Wave Velocity) Dinamik yükler altında zemin davranışlarının önceden kestirilebilmesi, depreme dayanıklı yapı tasarımı için son derece önemlidir. Dalga genliğinin periyoda bağımlı olarak elde edilmesi, yapı-yeri tepkisinin hesaplanması ile olanaklıdır. Bu hesaplama için inceleme yerine ait kayma dalgası hızlarına ve yer altı hız dağılımına gereksinim bulunmaktadır [23]. Kayma dalgası hızı, zeminin dinamik analizinde kullanılan en önemli parametrelerden biridir. İnceleme alanında kayma dalgası hızının ilk 5 m derinlikteki dağılımının belirlenebilmesi için toplam 150 profil boyunca yapılan sismik kırılma çalışmasına ait veriler kullanılmış ve ilgili derinliğe ait kayma dalgası hızı haritası oluşturulmuştur (Şekil 5). Bu seviyede çalışma alanında ölçülen en düşük kayma dalga hızı 160 m/sn’dir. Haritaya bakıldığında genel görünüm olarak kayma dalgası hızlarının 150 – 300 m/sn arasında değiştiği görülmektedir. Kuzey kesimlerde ise diğer alanlara göre oldukça yüksek hız değerleri göze çarpmaktadır. Kuzey kesimlerde 5 m derinlikte kimi yerlerde temel kaya olan kumtaşı – grovak birimine ulaşılmış olması ya da yaklaşılması, kayma dalgası hızlarının yüksek çıkmasına neden olmaktadır.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

alanını kaplarken, çok küçük bir alanda da olsa çakıllı birimlere rastlanılmaktadır (Şekil 6).

Şekil 6. Yüzeyden 3 m ve 4.5 m derinlikte zemin sınıflarının dağılım haritası (3 m and 4.5 m depth from the surface of the ground-class distribution map)

Şekil 5. Yüzeyden 5 m derinlikte kayma dalgası (Vs) hız dağılımı haritası (5 m depth from the surface shear wave (Vs) velocity distribution map)

3.3 Zemin Sınıfları (Soil Classes) Zeminlerin sınıflandırılması mühendisler arasında kullanılan ortak bir dil olarak düşünülebilir. Bir zemine atanabilecek birkaç harf veya sayı, mühendise ya da teknikere zeminin olası fiziksel özellikleri, hatta mekanik davranışları hakkında çok hızlı bir fikir sağlamaktadır. Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırma Sistemi (Unified Soil Classification System: USCS), günümüzde kullanılan en yaygın zemin sınıflandırma sistemidir. İnceleme alanında ilk 5 m derinlik için zemin sınıflarının belirlenmesinde 908 adet örselenmiş numuneye ait elek analizi ve kıvam limitleri deney sonuçlarından yararlanılmıştır. Yüzeyden itibaren ilk 1-2 m’lik dilimde örtü toprak varlığından ötürü 1.5 m derinliğe ait sonuçlar dikkate alınmamıştır. Çalışma alanında Birleştirilmiş Zemin Sınıflamasına göre yapılan sınıflamada 8 adet farklı zemin sınıfı tespit edilmiştir. Bunlar ML, CL, CH, SM, SC, GM, GC ve GW-GM’dir. Zemin sınıflarına ait haritalar oluşturulurken bu 8 farklı zemin sınıfı için ayrı ayrı renkler seçilmiştir. Çalışma alanının çeşitli bölgelerinde, yüzeyde veya derinlere inildikçe kaya birimlerin (kireçtaşı, kumtaşı, grovak gibi) yer almasından ötürü ve çalışma alanında zemin-kaya sınırlarının ayrımını daha net görebilmek amacıyla, oluşturulan haritalarda kaya birimler de sabit bir renk ile simgelenmiştir. 3 m derinlikte yer yer kumlu birimler bulunmakla beraber yüksek plastisiteli killerin kapladığı alanlar çoğunluktadır. 4.5 m derinlikte ise düşük ve yüksek plastisiteli killer dengeli bir şekilde çalışma

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

İnceleme alanında yerel zemin sınıfları ise Türkiye Deprem Yönetmeliği’ne (2007) göre belirlenmiştir. Bu yönetmeliğe göre zemin grupları belirlenirken çeşitli parametrelere göre sınıflandırma yapılmaktadır. Bu parametreler Standart Penetrasyon Deneyi sonuçları (N30), kayma dalgası hızı değerleri (Vs), eksenel basınç deneyleri ve kumlu zeminler için relatif sıkılık değerleridir. Bu çalışmada inceleme alanına ait yerel zemin sınıfları belirlenirken zemine ait SPT-N30 değerlerinden yararlanılmıştır. Türkiye Deprem Yönetmeliği’ne göre yerel zemin sınıfları, yapı temeli altında kalan zeminin karakterini temsil etmektedir. Buradan hareketle, çalışma alanı için yerel zemin sınıflaması yapılırken yapılar için temel derinliği 3 m olarak alınmıştır. SPT-N30 sonuçlarına göre sınıflama yapılırken zemin gruplarının belirlenmesinde, temel derinliği noktasından itibaren 5 m’lik derinliğin ortalama SPT-N30 değeri kullanılmıştır. SPT-N30 verilerine göre yapılan yerel zemin sınıfları haritasında (Şekil 7) Trakya formasyonu ile temsil edilen alanların büyük kısmı ile birlikte Bakırköy formasyonu ile temsil edilen alanların bir kısmı ve bazı lokal alanların Z1 sınıfı, geri kalan alanların ise yer yer Z3 sınıfı da olmakla beraber genelde Z2 sınıfı olduğu görülmektedir.

175

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

(1987)’e göre hesaplanmış ve elde edilen sonuçlarla Şekil 8’de verilen zemin büyütme haritası oluşturulmuştur. Zemin büyütme değerinin 0 - 2 arasında olduğu durumlar düşük tehlike, 2 - 4 arasında olduğu durumlar orta tehlike ve 4’den büyük olduğu durumlar yüksek tehlike işaret ettiğinden, inceleme alanının kuzey kesimleri, kumtaşı – grovak etkisinden dolayı büyütme açısından düşük seviyede tehlikeye sahiptir. Güney kesimlerde ise orta düzeyde tehlike işaret eden alanların varlığı dikkat çekmektedir. Tablo 1. Kayma dalgası hızına (Vs30) bağlı zemin büyütme ilişkileri (Shear wave velocity (Vs30) amplification dependent relationships) Araştırmacı Bağıntı Midorikawa (1987) A = 68V1-0.6 (V1<1100 m/s) A=1 (V1>1100 m/s) Joyner and Fumal (1984) A = 23V2-0.45 AHSA=700/V1 (Zayıf Yer Hareketi) Borcherdt et al. (1991) AHSA=600/V1 Hareketi

Şekil 7. İnceleme alanının yerel zemin sınıfı haritası (Local ground class map of the study area)

(Kuvvetli

Yer

A: En büyük yer hızına göre relatif büyütme kaysatısı AHSA: 0.4-2 s spektral aralığında ortalama yatay büyütme V1: 30 m. Derinlik için ortalama kayma dalgası hızı (m/s) V2: 1 sn. periyotlu dalganın dalga boyunun 0.25’i kadar mesafedeki derinlik için hesaplanan ortalama kayma dalgası hızı.

3.4 Zemin Büyütme Durumu (Soil Amplification Condition)

Yumuşak zemin tabakalarının gelen deprem dalgalarını önemli oranda büyüttüğü ve yeryüzünde meydana gelen hasarlarda önemli rol oynadığı uzun süredir bilinmektedir [24, 25]. Yer içinde bir deprem meydana geldiğinde, sismik dalgalar kaynaktan yola çıkarlar ve yer içinde hızla yayılırlar. Sismik dalgaların zemin tabakaları içinde geçirdiği değişimlerin tümüne "yerel zemin etkisi" adı verilir. Genellikle bu değişim, genliklerin artması şeklinde gözlendiğinden, yerel zemin etkisi terimi; zemin büyütmesi, zemin transfer fonksiyonu veya zemin tepkisi olarak da adlandırılır [27]. Yerel zemin etkisinin belirlenmesinde en çok istenilen, doğrudan deprem kayıtlarının kullanılmasıdır. Fakat bu veriyi toplamak zaman gerektirir ve depremselliği, sinyal-gürültü oranı yüksek bölgeler için uygundur. Bu nedenle yerel zemin etkisinin belirlenmesinde alternatif yöntemler kullanılabilmektedir. Bunlardan bir tanesi de ortalama kayma dalgası hızına dayalı çalışmalardır. Yer hareketinin gözlemi ve analizlerine dayanan incelemeler ile açığa çıkmıştır ki; belirli bir derinlik için yüzey tabakasının ortalama kayma dalgası hızı, bağıl büyütme ile güçlü bir ilişki göstermektedir [28-30]. Araştırmacılar yüzeysel zeminler için belirli bir derinliğe kadar kayma dalgası hızı ile relatif zemin büyütmesi arasında Tablo 1’de verilen bağıntıları geliştirmişlerdir. Bu bağıntılardaki kayma dalgası hızı, genellikle ilk 30 m’lik zemin profilindeki ortalama değerlerdir. Bu çalışmada, inceleme alanının zemin büyütme durumu Midorikawa 176

Şekil 8. İnceleme alanının zemin büyütme haritası (Amplification map of the study area)

3.5 Yamaç Stabilite Durumu (Slope Stability Condition)

Özellikle depremler ve aşırı yağışlar sonucu meydana gelen yamaç yenilmeleri, büyük zararlara neden olabilmektedir. Meydana gelebilecek kitle hareketi nedeniyle, yamaçlar üzerinde veya yamaç eğiminin son bulduğu alanlarda inşa edilmiş yapılarda, farklı boyutlarda yapısal hasarlar meydana gelebilmektedir. Yamaç duraylılığı; dış hareket ettirici kuvvet ve hareket SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

etmeyen malzemenin direnci olmak üzere iki faktöre bağlıdır. Dış hareket ettirici kuvvet gravite ve sismik kuvvetler olurken, malzemenin direnci yersel (jeolojik, jeofizik ve jeoteknik) koşullar tarafından kontrol edilmektedir. Günümüzde yamaç yenilmeleri için geliştirilmiş farklı analiz yöntemleri bulunmaktadır. İnceleme alanında yamaç duraylılığının haritalama amaçlı değerlendirmesinde, Uluslararası Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Birliği’nin mikrobölgeleme konusunda hazırladığı Elkitabı’nda [31] önerilen yöntemlerden, Siyahi ve Ansal (1993) tarafından önerilen yöntem kullanılmıştır. Koppula (1984) tarafından önerilen bir yöntemi, Siyahi ve Ansal (1993) geliştirerek, yamaç duraylılığı için bir bölgeleme yöntemi önermişlerdir. Yöntem, sismik bir katsayı kullanarak, yamaç duraylılığının bir değerlendirmesini içermektedir. Araştırmacılar sonuç olarak, GK = tan Ø Nı

(1)

denklemi ile güvenlik parametresi tanımlamışlardır. Güvenlik faktörü (GK); kayma mukavemeti (Ø) açısı ve yamaç ile yenilen yüzeyin konfigürasyonunu temsil eden duraylılık sayısı Nı’ e bağlıdır. Nı’ in ivme ve yamaç açısına bağlı olarak değişimi Şekil 9’da verilmiştir.

Şekil 9. Duraylılık sayısı N1’in ivme ve yamaç açısına göre değişimi (Number of stability, acceleration and slope angle change compared to N1)

Hesaplanan güvenlik faktörleri, tehlike seviyeleriyle ilişkili olarak üç grupta değerlendirilmektedir. Güvenlik Faktörünün 1’den küçük olması Yüksek Tehlike, 1 - 2 arasında olması Orta Tehlike ve 2’ den büyük olması ise Düşük Tehlike’yi temsil etmektedir [32]. Yöntem, özellikle mikrobölgeleme çalışmalarında yamaç stabilite değerlendirmeleri için geliştirilmiş olup, hızlı ve pratik bir değerlendirme ile depremler sırasında yamaç stabilite sorunları yaşanabilecek alanların belirlenmesi amaçlanmaktadır. İnceleme alanının yamaç tehlikesi, eğimli bölgelere ait kayma mukavemeti açısı, ivme ve eğim açısı bilgileri kullanılarak belirlenmiş ve Şekil 10’da verilen yamaç stabilite haritası oluşturulmuştur.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

Şekil 10. İnceleme alanının yamaç tehlikesi haritası (Slope hazard map of the study area)

3.6 Taşıma Gücü Durumu (Bearing Capacity Condition)

Bilindiği üzere, depremler sırasında binalarda meydana gelen hasarların bir kısmı taşıma gücü yenilmelerinden kaynaklanmaktadır. Kentsel dönüşüm projesi kapsamında gerekli alt yapının oluşturulmasının ardından inceleme alanı genelinde yeniden yapılaşmaya gidileceğinden yola çıkılarak, bu çalışmada, yüzeysel temeller ve kaya birimler için taşıma gücü değerlendirmelerinde bulunulmuştur. Çalışmada, inceleme alanını oluşturan zemin ve kaya ortamlar ayrı ayrı değerlendirilerek, zemin ortamlar için yüzeysel temellerin taşıma gücü prensibi, kaya ortamlar için ise kayaçların izin verilebilir taşıma gücü prensibi benimsenmiştir. İnceleme alanında yapılan sondajlar sırasında alınan 91 adet örselenmemiş numune üzerinde yapılan üç eksenli basınç deneyi sonucu elde edilen, kohezyon (c) ve içsel sürtünme açısı (Ø) verileri kullanılarak taşıma gücü hesapları yapılmıştır. Bu çalışma için Terzaghi’nin (1943) önerdiği taşıma gücü teorisi kapsamında aşağıda kare temeller için verilen taşıma gücü denklemi kullanılmıştır. qu = 1.3cNc+ γDfNq + 0.4γBNγ (Kare Temel)

(2)

Burada, Nc Nq Nγ, Ø’ye bağlı taşıma gücü katsayıları, c, kohezyon, γ, zeminin birim hacim ağırlığı, B, temel genişliği ve Df ise, temel derinliğidir. Taşıma gücü hesaplamalarında bir model belirlenerek, temel derinliği (Df) 3 m ve B=15 m olan kare temele sahip şekilde inşa edilecek binaların durumu araştırılmıştır. Hesaplamalarda güvenlik sayısı (GS), 3 olarak alınmıştır. 177

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

İnceleme alanında kaya birimlerin izin verilebilir taşıma gücü değerlendirmesi için 18 adet kayaç örneği üzerinde yapılan nokta yükü dayanımı deneyi ve 21 adet kayaç örneği üzerinde yapılan tek eksenli basınç dayanımı deneyi sonuçlarından yararlanılmıştır. Kayaç malzemelerinin dayanımlarının tespiti, kaya mekaniği için önemli konular arasında yer almaktadır. Özellikle laboratuar çalışmalarından elde edilen tek eksenli basınç dayanımı, kayaç malzemesinin dayanımını veren en güvenilir yöntemlerden biridir. Ancak bazı durumlarda yeter ve gerek sayıda numuneye sahip olmak mümkün olamamaktadır. Bu durumda ise, Broch ve Franklin (1972) tarafından geliştirilen ve ISRM (1985) tarafından önerilen nokta yük dayanımından faydalanmak mümkündür. Şekercioğlu (2007) tarafından kayaçlarda nokta yükü dayanımı (Is) ile tek eksenli basınç dayanımı (qu) arasında; qu = C . Is

(3)

şeklinde ampirik bir bağıntı verilmiştir. Burada, qa = Kayacın izin verilebilir taşıma basıncı, J = Kitle faktörü ve qun = Tek eksenli basma dayanımıdır. İnceleme alanında zemin ve kaya ortamlar için ayrı ayrı hesaplanan taşıma gücü değerleri, ortak veri tabanında bir araya getirilerek Şekil 11’ de görülen taşıma gücü haritası oluşturulmuştur. 4. İNCELEME ALANINDA YERLEŞİME UYGUNLUĞUN CBS İLE SORGULANMASI (THE SETTLEMENT SUITABILITY INTERROGATION BY USING GIS IN THE STUDY AREA)

Coğrafi Bilgi Sistemleri, coğrafi konumu olan nesne ve olaylara ait tüm verilerin toplanmasının ve depolanmasının yanı sıra güncelleştirilmesini, sorgulanmasını, sentezlenmesini ve yeni seçenekler üretilmesini çok kısa bir sürede yapabilecek nitelikte bir teknolojik sistemler bütünüdür.

Şekil 11. İnceleme alanında yüzeysel temeller için hesaplanan güvenli taşıma güçleri ve kaya birimler için hesaplanan izin verilebilir taşıma güçlerinin aynı haritada görünümü (The same view of the map can be calculated allowing for the safe carrying capacity carrying capacity and rocks in the study area are calculated for shallow foundations)

Her bir coğrafik nesne için veri girilebilmesi özelliği sayesinde, bu veri tabanından yararlanarak değişik türde sorgulama ve konulu haritalar üretiminde önemli kolaylıklar sağlamaktadır. İnceleme alanında yerleşime uygunluk değerlendirmeleri kapsamında, Coğrafi Bilgi Sistemleri’nin sorgulama yeteneği kullanılarak, farklı türde sorgulamalar yapılmıştır. Birinci grup sorgulamalarda, inceleme alanına ait SPT-N30, Vs hızı ve yüzeysel temeller ile kaya birimler için hesaplanan taşıma gücü (qnet) verileri kullanılarak sorgulamalar yapılırken, ikinci grup sorgulamalarda ise inceleme alanında deprem nedeni ile oluşabilecek zemin büyütme ve yamaç stabilite risklerine ait veriler kullanılarak sorgulamalar yapılmıştır. 4.1 Birinci grup sorgulamalar (The First Group Interrogations)

Türkiye Deprem Yönetmeliği’ne (2007) göre yerel zemin sınıflaması yapılırken, yapı temeli altında kalan zemine ait ortalama SPT-N30 ve Vs hız bilgilerinden yararlanılmaktadır. Öncelikle SPT-N30 ve Vs hızlarına göre zemin grupları belirlenmekte daha sonra tabaka kalınlığına göre yerel zemin sınıfları belirlenmektedir. Buradan hareketle yapı temeli altında kalan 5 m’lik derinliğe ait ortalama SPT-N30 değeri ve Vs hızı verileri kullanılarak belirlenen zemin grupları ile inceleme alanında yüzeysel temeller ve kayaçlar için hesaplanan taşıma gücü değerlerine ait veriler kullanılarak sorgulamalar yapılmıştır. 178

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

Sorgulamalar yapılırken; 1- SPT-N30 değeri ve Vs hızına göre zemin grubu C veya D, taşıma güçleri ise 150 -350 kPa arasında olanlar ile, 2- SPT-N30 değeri ve Vs hızına göre zemin grubu A veya B, taşıma güçleri ise 350 – 15000 kPa arasında olanlar ayrı ayrı sorgulanmıştır (Şekil 12). Sorgulamalar neticesinde elde edilen veri tabanları birleştirilerek Şekil 13’ de görülen sorgulama haritası

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

oluşturulmuştur. Haritadan da görüleceği üzere inceleme alanında Trakya formasyonuna ait kumtaşı ve grovak ile Bakırköy formasyonuna ait kireçtaşlarının egemen olduğu alanlar, yerleşim açısından diğer alanlara göre daha uygun bir görüntü çizmektedir.

Şekil 12. Birinci grup sorgulamalara ait sorgulama (Belonging to the first group questioning inquiry)

Şekil 14. İkinci grup sorgulamalara ait sorgulama ekranları (Screens belonging to the second group questioning inquiry)

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

179

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

Şekil 13. Birinci grup sorgulamalara göre yerleşime uygunluk haritası (Settlement suitability map according to the first group inquiry)

4.2 İkinci grup sorgulamalar (The Second Group Interrogations)

Deprem dalgalarının yayınımı sırasında yerel zemin koşullarına göre meydana gelen zemin büyütmesi ve yamaç stabilitesi sorunları yerleşim alanlarında çeşitli hasar ve zararlara neden olabilmektedir. Buradan hareketle, inceleme alanının zemin büyütme ve yamaç stabilitesi açısından değerlendirilmesi aşamasında elde edilen veri tabanları kullanılarak 6 farklı durum için sorgulama yapılmıştır. Sogulamalar, 1- büyütme riski orta, yamaç stabilite riski orta 2- büyütme riski düşük, yamaç stabilite riski düşük 3- büyütme riski orta, yamaç stabilite riski düşük 4- büyütme riski düşük, yamaç stabilite riski orta 5- büyütme riski orta, yamaç stabilite riski yok 6- büyütme riski düşük, yamaç stabilite riski yok olacak şekilde ayrı ayrı yapılmıştır. Şekil 14’te sırasıyla her sorgulama sonucunda ortaya çıkan sorgu ekranları görülmektedir. Sorgulamalar neticesinde elde edilen veri tabanları tek bir veri tabanında birleştirilerek Şekil 15’de görülen sorgulama haritası oluşturulmuştur. İnceleme alanının güney kesimlerinde kalan bazı lokal alanlarda zemin büyütme ve yamaç stabilite riskinin orta düzeyde olduğu alanlar mevcuttur. İnceleme alanının kuzey kesimleri ise zemin büyütme açından düşük riske sahiptir ve yamaç stabilite tehlikesi de bulunmadığından yerleşim açısından uygundur.

180

Şekil 15. İkinci grup sorgulamalara göre yerleşime uygunluk haritası (According to the second group questioning settlement suitability map)

SONUÇLAR (CONCLUSIONS)

Bu çalışmada, İstanbul’un Avrupa yakasında yer alan Esenler ilçesinin zemin özellikleri, jeolojik, jeofizik ve jeoteknik verilerin birlikte kullanımı ile detaylı olarak irdelenmiş ve inceleme alanının yerleşime uygunluğu Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) kullanılarak değerlendirilmiştir. Yapılan araştırma, analiz ve hesaplama sonuçları, CBS tabanlı haritalar ile sunulmuştur. CBS’nin sağladığı en büyük yararlardan birisi, eldeki veri tabanları kullanılarak istenilen amaca yönelik olarak farklı sorgulamalar yapılabilmesidir. Bu çalışmada inceleme alanının yerleşime uygunluğunun araştırılması amacıyla, hazırlanan veri tabanları üzerinde farklı türde sorgulamalar yapılarak yerleşime uygunluk haritaları oluşturulmuştur. Buna göre, inceleme alanının kuzey kesimlerinde, ayrışmamış kumtaşı ve grovak ile temsil edilen alanlar ile muhtelif kesimlerde ayrışmamış kiraçtaşı ile temsil edilen alanlar, mühendislik özellikleri ve izin verilebilir taşıma gücü değerleri göz önüne alındığında yerleşim açısından uygundur. Bazı lokal alanlarda görülen ve bu çalışmada inceleme alanı dışında tutulan kontrolsüz dolgu alanlar ise yerleşime uygun değildir. Bu alanların yerleşim amaçlı kullanılabilmesi için dolgu tabakalar kaldırılmalı, yapı temelleri, alttaki birimler üzerine oturtulmalıdır. Bunların dışında kalan alanlar ise önlemli uygun alan olarak değerlendirilebilir. İnceleme alanında zemin ortamlarının genelini kil zeminlerin oluşturmasından ötürü, zeminin şişme ve oturma karakteristikleri inşaat aşamasına geçilmeden arazi ve laboratuvar çalışmaları ile belirlenmelidir. SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

Alüvyon alanlarda yapılacak binalar için ise parsel bazında sıvılaşma risk analizi ve oturma hesapları yapılmalı, uygun temel tipi seçilmelidir. Eğim değerlerinin % 20 - % 25 arasında değiştiği veya daha fazla olduğu bazı lokal alanlardaki yapılaşmalarda meydana gelebilecek yamaç stabilitesi sorunlarına karşı, bu alanlar kalıcı iksa tedbirleriyle desteklenmelidir. Teşekkür (Acknowledgements) Bu çalışmanın hazırlanmasında, özellikle çalışmada kullanılacak verilerin temini aşamasında yardımlarını esirgemeyen Esenler Belediye Başkanı M.Tevfik Göksu, Başkan Yardımcısı O.Oğuz Türk ve belediye çalışanlarına teşekkürü bir borç biliriz. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] M. L. Costa, J. Mesones, A. D. Cin, T. Franchini ve J. Lourenzo, «Risk in planning a new paradigm. Risk Assesment and Management: Planning for Uncertain Future,» 33rd World Planning Cong, Ogaki, Japan , 1997. [2] B. S. Şengezer, «Afet Etkilerinin Azaltılması Hedefinin Planlamada Onemi ve Rolu, Kentlesme ve Jeoloji Sempozyumu,» Kentlesme ve Jeoloji Sempozyumu, İstanbul, 1998. [3] V. R. Baker, A progress report. Environmental Geology 1:75-88.Skargren, E.I. & Oberg, B. (1998) ‘Predictive factors for 1-year outcome of low-back and neck pain in patients treated in primary care: Comparison between the treatment strategies chiropractic and physioth, cilt 77, Colorado, 1975, pp. 201-208. [4] D. Fuchu, L. Yuhai ve D. Sijing, A case study of Tongchuan City, Shaanxi Province, China. Engineering Geology 38:165-175.Robinson, T. (2001), 1994. [5] E. G. Akpokodje, The importance of engineering geological mapping in the development of the Niger Delta basin. Bulletin of the International Association of Engineering Geology, 1979. [6] M. Amous, Geotechnical site investigations for possible urban extensions at Suez City, Egypt using GIS. Arabian Journal of Geosciences , 2013. [7] J. E. Bowles, «Physical and Geotechnical Properties of Soils. 2nd edn. McGraw-Hill,» New York, 1984. [8] R. Chowdhury ve P. Flentje, «Perspectives for the future of geotechnical engineering. Proceedings of the International Conference on Civil Engineering for the New Millennium: Opportunities and Challenges,» Bengal Engineering College, Shibpur, India, 2007. SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

[9] F. Dai, C. F. Lee ve X. H. Zhang, GIS-based geoenvironmental evaluation for urban land-use planning: A case study. Engineering Geology, 2001. [10] M. E. Day, J. Kacem ve M. Dlala, Liquefaction susceptibility mapping using geotechnical laboratory tests, International Journal of Environmental Sciences and Technology, 2009. [11] S. W. Edbrooke, C. Mazengarb ve W. Stephenson, «Geology and geological hazards of the Auckland urban area,» Quaternary International , New Zealand, 2003. [12] R. J. Haworth, «The urban geology of Darwin,» Quaternary International, Australia, 2003. [13] J. F. Nott, «The urban geology of Darwin,» Quaternary International, Australia, 2003. [14] A. Özsan, A. Öcal, M. Akın ve H. Başarır, «Engineering geological appraisal of the Sulakyurt dam site,» Bulletin of Engineering Geology and the Environment , Turkey, 2007. [15] C. E. Willey, «Urban geology of the Toowoomba conurbation,» Quaternary International, Australia, 2003. [16] J. Woodward, An introduction to geotechnical processes, 2005, p. 328. [17] H. Demir, Küçükçekmece-Halkalı Yerleşim Bölgesinin Yerel Zemin Koşullarına Göre Depremselliğinin İncelenmesi, İstanbul: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006. [18] P. A. Burrough, Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment, Oxford University Press, 1998. [19] O. Kaya, İstanbul’un Karbonifer Stratigrafisi, 1971. [20] M. Vardar ve H. Bayraktar, İstanbul Metrosu Araştırma Galerisi Örneğinde In-Situ Dayanım ile İTU-MJKM Sınıflaması, İstanbul: Uluslararası Mühendislik Jeolojisi Türk Milli Komitesi Büllteni, 1993, pp. 13-28. [21] C. Sayar, «The geology of the Golden Horn (Haliç) and surrounding region,» University, National Symposium on the Golden Horn, 1976. [22] H. T. Durgunoğlu ve E. Toğrol, Penetration testing in Turkey: State-of-the-art report, 1974, p. 137. [23] T. A. Başokur, «Yapı yeri incelemelerinde makaslama dalgası hız kesitinin ReMi yöntemi ile saptanması,» Kocaeli Üniv. Deprem Sempozyumu, 2005. [24] J. Milne, «Seismology, first Ed., Kegan Paul, Trench, Trube,» London , 1898. [25] B. Gutenberg, Effects on ground on earthquake motion, 1957. 181

T. F. Kurnaz, Ş. Ramazanoğlu

Yerleşime uygunluğun Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile sorgulanması, Esenler (İstanbul) örneği

[26] H. D. Wood, Distribution of apparent intensity in San Francisco, in the California earthquake of April 18, 1906, report of the State Earthquake Investigation Commission, Washington: Carnegie Institute, 1908. [27] E. Yalçınkaya, Zemin Özelliklerinin Yer Hareketine Etkisi: 1 Ekim 1995 Dinar ve 27 Haziran 1998 Adana-Ceyhan Depremi Örnekleri, İstanbul: İ.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Jeofizik Mühendisliği Anabilim Dalı, 2002. [28] S. Midorikawa, «Prediction of soseismal Map in Kanto Plain doe to Hypothetical Earthquake,» Journal of Structural Dynamics, cilt 33, pp. 43-48, 1987. [29] W. b. Joyner ve T. Fumal, «Use of measured shear wave velocity for prediciting geological site effects on strong motion,» Proc. 8th World Conf. On Earthquake Eng, 1984. [30] R. D. Borcherdt, C. M. Wentworth, A. Janssen, T. Fumal ve J. Gibbs, «Methodology for predictive GIS mapping of special study zones for strong ground shaking in the San Francisco Bay region,» Proceedings of the Fourth International Conference on Seismic Zonation, StandfordCalifornia, 1991. [31] International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering (ISSMFE) (1993) Manual for Zonation on Seismic Geotechnical Hazards, Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1993, p. 3. [32] Seismic Microzonation for Municipalities, World Institute for Disaster Risk Management, 2004.

182

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 171-182, 2014

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonun mekanik özelliklerine etkisi

Metin İpek*1, Rıdvan İyiliksever2, Kemalettin Yılmaz3

08.05.2013 Geliş/Received, 13.08.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Bu çalışmada, mermer endüstrisinde mermer işleme sırasında bulamaç olarak ortaya çıkan atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunda (RPB) kullanılması incelenmiştir. Bu atıklar RPB’de kullanılan kuvars pudrasının yerine kullanılmıştır. Numuneler üzerinde basınç ve eğilme dayanımı, kırılma tokluğu, ultrases geçiş hızı, schmidt test çekici deneyleri yapılmıştır. Sonuç olarak basınç dayanımının mermer bulamacı katılması sonucu çok az bir miktarda (%6) azaldığı görülmüştür. Eğilme parametrelerinde ise kayda değer bir etkiye sebep olmadığı gözlemlenmiştir. Birim maliyet analizleri, kuvars pudrası yerine mermer bulamacı kullanılmasının eğilme dayanımında %2,5, kırılma tokluğunda ise %6,12 oranında ekonomik olduğunu göstermektedir. Bu atığın kullanılmasıyla hem ekonomi hem de çevreye olumlu etki sağlanabilecektir. Anahtar Kelimeler: reaktif pudra betonu, mermer bulamacı, çevre, tokluk

Effects of waste marble paste to mechanical behaviors of reactive powder concrete ABSTRACT In this study, use of waste marble pastes that is emerged during production was investigated on reactive powder concretes (RPC). This waste was used instead of quartz powder. Compressive strength, flexural tensile strength, fracture toughness, ultrasonic pulse velocity, schmidt test hammer experiences were performed on all specimens. As a result of the study, a slight reduction (6%) has been observed on compressive strength by using marble paste in mixture. However, significant loss of flexural parameters is not observed arising from waste marble paste. Unit cost analysis showed that the use of marble paste instead of quartz powder is more economic 2.5% of flexural strength and 6.12% of fracture toughness. By means of this study, it was seen that the use of marble paste is available on RPB. Besides, the results referred that it may contribute economy and also disposing of a waste that harms environment. Keywords: reactive powder concrete, waste marble, environment, toughness

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Sakarya - metini@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Sakarya 3 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Sakarya -

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Reaktif pudra betonu, mikron boyutundaki taneli malzemelerden oluşan, düşük su/çimento oranı ile üretilen, yüksek mukavemete ve durabilite özelliklerine sahip yeni nesil bir betondur. Ultra Yüksek Performanslı Betonlar sınıfında bulunan ve 170 MPa’dan daha yüksek basınç dayanımına ve sünekliğe sahip çimento matrisli malzemelerin yeni bir tipi olarak da tanımlanabilir. Reaktif pudra betonu, ilk kez 1990’lı yılların ortalarında Paris’te Bouygues’in laboratuarlarında üretilmiştir. İlk çalışmalar Richard ve Cheyrezy tarafından yapılmıştır. RPB’nin mekanik özellikleri ve üretim tekniği hakkında genel bilgi Tablo 1.1’de verilmiştir [1]. Tablo 1.1. Reaktif pudra betonunun mekanik özellikleri [1] (Mechanical behaviors of reactive powder concrete)

Ön Sıkıştırma Bas. (MPa) Sıcak kür Basınç Day. (MPa)

RPB 200

RPB 800

Yok

20C ile 90C 170-230

sorunlara neden olabilmektedir. Günümüzde atık ve artık olarak ortaya çıkan malzemelerin yeniden kullanımı ve geri dönüşümü konusunda yoğun olarak çalışılmaktadır. Kaynakların sürdürülebilir ve yenilenebilir halde kalabilmesi için ortaya çıkan atıkların uygun şekilde değerlendirilip geri kazanım döngüsü içerisinde kullanılması kaçınılmazdır. Atıkların yeniden kullanımı veya geri dönüşümü; sınırlı olan doğal kaynakların kullanımını azaltarak, doğanın tahrip edilmesini önlemekte, üretimde verimliliği artırmakta ve atık depolanması sonucu oluşacak çevre problemlerini en aza indirmektedir [2]. Günümüzde RPB ile ilgili kapsamlı birçok çalışma yapılmaktadır. Fakat buna rağmen RPB kullanımının normal betonlara göre oldukça az olduğu görülmektedir. Bunun başlıca nedenlerinin arasında ham maddenin pahalı olması gelmektedir. Ham maddenin ucuzlaması veya alternatif ham maddelerin bulunması ile birlikte RPB’nin ekonomiklik kazanması mümkündür. Bu çalışmanın konusu da, bu gereksinim doğrultusunda mermer atıklarının RPB’de kuvars pudrası yerine kullanılabilirliğinin araştırılması olmuştur.

250-400C Kuv. kumu 490-680 Çelik agrega 650-810 Mermerlerin istenilen geometriye getirilebilmesi için bir Eğilme Day. (MPa) 30-60 45-141 takım kesme işlemlerinden geçmesi gerekmektedir. Kırılma Enj. (Jm-2) 20000-40000 1200-20000 Kesme işlemi sırasında, kesici uçta ortaya çıkan ısıyı azaltmak ve mermerin tozumasını engellemek için Son Def. (m.m-1) 5-7x10-9 5-7x10-9 soğutma suyu kullanılmakta ve sulu kesim Elast. Mod. (GPa) 50-60 65-75 yapılmaktadır. Su ile karışan 0-50 μ boyutundaki mermer partikülleri, ince şlam durumundaki bulamaç halini Betonun mekanik özeliklerin iyileştirilmesi için temel almaktadır. Bu bulamaç doğrudan araziye açılmış ilke, agrega-matris ara yüzeyinde iyi bir yapışma ve kuyulara doldurulmaktadır. Ayrıca bulamacın dışında, mümkün olan en yoğun matrisin elde edilmesidir. Bu, mermerlerin ocaktan çıkarılması sırasında da mermer bütün betonlarda istenilen bir durumdur. üretiminden geriye kalan bütün mermer parçalar ve tozlar atık olarak kabul edilmektedir. Mermer atıkları, Tüm dünyada çevre ve atıklar konusu önem kazanmakla boyutlarına göre molozlar, kapaklar, paledyenler ve toz birlikte, yapılan bilimsel ve endüstriyel çalışmalar atıkları olarak adlandırılıp sınıflandırılmaktadırlar [2]. maalesef yeterli düzeyde değildir. Bununla birlikte Türkiye genelinde yıllık ortalama 1.750.000 ton mermer atıkların yapı malzemesi olarak değerlendirilmesi ile işlenmekte ve tesislerde mermerlerin işlenmesi sırasında ilgili birçok çalışma vardır. Genellikle çimento ve beton oluşan toz ve kırıntı artıkları, işlenen mermerlerin üretiminde, atık olarak uçucu kül, silis dumanı, yüksek yaklaşık olarak %30’unu oluşturmaktadır [3]. fırın cürufu gibi malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. RPB’de de atık olarak silis dumanı yaygın olarak kullanılmakta ve ayrıca uçucu kül kullanımı ile ilgili çalışmalar da mevcuttur. Toz inceliğindeki malzemelerden oluşan RPB, benzer boyuttaki atıkların kullanımına daha uygundur. Özellikle teknolojik ve ekonomik değeri olan mermer atıklarının değerlendirilmesi ne yazık ki çok düşük seviyede kalmaktadır. İnşaat sektöründe de bu atıkların geri dönüşüm döngüsü içerisinde kullanım alanı ve yaygınlığı, atıkları ortadan kaldıracak düzeyde değildir. Atık ürünlerin depolanması ya da doğal çevreye atılması çevre kirliliğine ve doğal kaynakların kirlenmesi gibi

184

Mermer işleme tesislerinde üretim atığı olarak çıkan bulamaç halindeki atıklar genellikle değerlendirilememekte ve doğaya gelişi güzel olarak doğrudan atılmaktadır. Bu atıklar çevre kirliliği açısından da sorunlar yaratmakta ve ayrıca ekosistemde yaşayan canlılar için de hayati risk teşkil etmektedir. Bu atıkların çevresel olumsuz etkilerinin bertaraf edilmesi ve yeniden ekonomiye kazandırılması ülkemiz açısından oldukça önemli bir konu olarak ortaya çıkmaktadır. Bu doğrultuda, çalışmanın temel amacını RPB' de kullanılan ve çelik liften sonra en büyük maliyeti oluşturan kuvars pudrası yerine, mermer atığı olan SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

bulamacı kullanmak oluşturmuştur. Bunun için ilk olarak karışımdaki kuvars miktarı çıkarılmış ve aynı hacme sahip mermer bulamacının kullanılması hedeflenmiştir. Bu amaç için üretilmiş numuneler üzerinde, basınç ve eğilme dayanımı, kırılma tokluğu, ultrases geçiş hızı, schmidt test çekici deneyleri ile birim maliyet analizleri yapılarak mermer bulamacının kullanılabilirliği araştırılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR (EXPERIMENTAL STUDIES) 2.1. Malzemeler (Materials) 2.1.1. Çimento (Cement) Deneysel çalışmaların tamamında Nuh Çimento fabrikası tarafından üretilen, PÇ 42,5 CEM I R tipi çimento kullanılmıştır. Çimentoya ait özellikler üretici firmadan temin edilerek, kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikler Tablo 2.1’de verilmiştir. Çimentonun özellikleri incelendiğinde, çimentoya büyük oranda bağlayıcılık özelliği sağlayan C3S (3CaO.SiO2) ve C2S (2CaO.SiO2) bileşenlerinin fazla olduğu görülmektedir (Tablo 2.1). 2.1.2. Silis Dumanı (Silica Fume) Yapılan deneysel çalışmada, Norveç, Elkem firmasından alınan silis dumanı kullanılmıştır (Tablo 2.1). Silis dumanı, silikon veya demirli silisyum imalatı sırasında atık olarak ortaya çıkan şekilsiz şeffaf silisyum dioksit (SiO2) kürelerinden oluşan bir mineraldir. Bu kürelerin ortalama büyüklüğü 0,5µm altındadır, başka bir ifadeyle çimento tanesinden yaklaşık 100 kat daha küçük olduğunu söylemek mümkündür. Silis dumanının Blain değeri yaklaşık 20000 cm²/gr’dır [4-6].

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

Tablo 2.1. Çimento ve silis dumanının kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikleri (Chemical, physical and mechanical behaviors of cement and silica fume)

Çimento Silis Dumanı Bileşen Miktarı (%) Miktarı (%) CaO 64.47 0.50 SiO2 20.09 96 C 1.50 Al2O3 5.01 0.70 Fe2O3 2.73 0.25 MgO 1.95 0.60 K2O 0.66 0.85 Cl 0.01 0.10 Na2O 0.21 0.25 P2O5 0.10 SO3 2.65 0.50 H2O 0.80 Kızdırma kaybı 2.34 1.50 İri 1.00 Parçacıklar(>45μm) pH değeri (taze) 5.0-8.0 Özellik Değer Değer Blaine özgül yüzeyi 3830 cm²/gr 200000 cm2/gr Birim hacim ağırlık 0.650 gr/cm³ Özgül ağırlık 3.16 2.260 Priz başlangıcı 156 dakika Priz sonu 198 dakika Hacim Genleşmesi 1.1 mm 2 günlük basınç 27.3 MPa dayanımı 7 günlük basınç dayanımı 28 günlük basınç 55.3 MPa dayanımı 2.1.3. Kuvars Pudrası (Quartz Powder) Reaktif pudra betonunun isimlendirmesindeki pudra kelimesi, bu betonlarda kullanılan mikron boyuttaki silis ve kuvars pudrasından gelmektedir. Kuvars pudrası yapay, yani kırma taş agregadır. Deneylerde kullanılan kuvars pudrası, Aydın’ın Çine ilçesinden Santoz Sanayi Tozları Firmasından elde edilmiştir. Karışımda kullanılan kuvars kumu ve pudrası, mermer bulamacının kimyasal içeriği ve fiziksel özellikleri bütün olarak Tablo 2.2’de verilmiştir [6].

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

185

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

Tablo 2.2. Kuvars pudrasının ve mermer bulamacının kimyasal ve fiziksel özellikleri (Chemical and physical behaviors of quartz powder and marble paste)

Bileşen SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O+K2O TiO2 Kız. Kaybı Toplam Renk Yoğunluk Özgül Ağ. Özgül Yüz. Nem içeriği

Kuvars Mermer Kuvars Pudrası % Bulamacı % Kumu % 99.50 4.67 99.50 0.01 0.01 0.01 0.03 0.01 51.8 0,8 0.37 0.37 0.07 0.07 0.40 41.16 0.40 100 98.06 100 Beyaz Beyaz Beyaz 1.34 gr/cm³ 1.24 1.60 gr/cm³ 2.7 gr/cm³ 2.8 gr/cm³ 2.68 gr/cm³ 2142 cm2/gr 219 cm2/gr % 0.08 %42 % 0.067

2.1.4. Mermer Atığı Bulamaç (Waste Marble Paste) Deneylerde kullanılan mermer bulamacı, Kocaeli’nin Başiskele ilçesinde faaliyet gösteren orta ölçekli bir mermer işleme tesisinden doğal şartlarda depolanan stok alanından temin edilmiştir. Mermer bulamacı, işletme çevresinde belirlenen bölgede atmosfere açık bir şekilde stoklanmaktadır. Alınan numune miktarının homojen olması için stok alanın orta iç kısmından numune alınmaya özen gösterilmiştir. Mermer bulamacına ait özellikler Tablo 2.2’de verilmiştir. Mermer bulamacının kimyasal içeriği incelendiğinde, yüksek oranda kalsiyum içerdiği görülmektedir. Genellikle inşaat sektöründe kullanılan mermerin ortalama basınç dayanımı 60 MPa, brinell sertliği 350, mohs sertliği 6’ dır [7]. Mermer bulamacı üzerinde yapılan elek analizi deneyinde bulamaç 0,063 mm'lik elek üzerinde yıkanmıştır. Bulamaç ağırlığının %5'lik miktarı, 0,063 mm' lik elek üzerinde kalmış %95 elekten geçmiştir. Bu tane boyutu ile kuvars pudrasına benzer özellik göstermektedir. Bulamacın doğal su içeriği %42 olarak belirlenmiştir. Karışımlarda, bu su içeriğine dikkat edilerek karışım suyu düzenlemesi yapılmıştır. Şekil 2.1’de mermer bulamacının reaktif pudra betonunda kullanılan resmi verilmiştir. Ayrıca mermer bulamacının su etkisi ile depolandığı yere ulaştırılması bulamacın, dere agregalarına benzer şekilde, iyi bir granülometrik diziliş içerisinde olduğu düşünülmektedir. Bu durum, karışımın doluluk oranı için olumlu katkı yapabilir.

186

Şekil 2.1. Karışımda kullanılan mermer bulamacı (Marble paste that used in mixture)

2.1.5. Kuvars Kumu (Quartz Sand) Genellikle reaktif pudra betonlarında kullanılan en büyük tane boyutuna sahip olan malzeme kuvars kumudur. Kuvars kayacı diğer kayaçlara göre çok sert ve sağlamdır. Normal dayanımlı betonlarda kullanılan agregaların dayanımı yaklaşık 100 MPa iken, kuvars agregasının basınç dayanımı yaklaşık 180 MPa’a kadar ulaşmaktadır. Sertlik olarak da çok sert bir agrega olduğu için aşınma direnci yüksektir [8, 9]. RPB’de istenilen dayanımlara çıkılabilmesi için bu betonlara uygun agrega kullanılmalıdır. Kuvars kumu, RPB için uygun bir agrega olmakla birlikte, ülkemizde de bol miktarda bulunmaktadır. Kuvars kumu elde ediliş şekli ve mineralojik bakımdan kuvars pudrası ile aynı özelliklere sahiptir ve sadece tane büyüklüğü açısından farklılık göstermektedir. Deneylerde kullanılan kuvars kumu, 100–300 µm ve 300-600 µm aralıktaki iki farklı sınıfta bulunmaktadır. Kuvars kumu numunelerinin granülometri eğrisi Şekil 2.2’de, kimyasal ve fiziksel özellikleri Tablo 2.2’de verilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

yeterli bir sürede karıştırılmış, oluşan sulu süspansiyona sırası ile çimento, silis dumanı ve kuvars kumu eklenerek karışımın işlenebilir bir hale gelmesi sağlandıktan sonra mikro çelik lifler eklenmiştir. Numuneler kalıplara doldurulmadan önce kalıp ayırıcı yağ ile kalıplar yağlanmıştır. Numunelerin kalıplara yerleştirilmesinde tokmaklama yöntemi kullanılmıştır. Numuneler bir gün sonra kalıplardan çıkarılarak, 3 gün 90 ˚C sıcak buhar kürü işlemine tabi tutulmuş daha sonra ise 20 ˚C’deki suda 25 gün kür işlemine tabi tutulmuştur.

100 90 80

Geçen (%)

70 60 50 40 Silis dumanı

Çimento

Kuvars p udrası 0-100 µm Kuvars kumu 100-300 µm

Tablo 2.3. Karışım Oranları (1 m³) (Mixing ratios)

Kuvars kumu 300-600 µm

0 0

100

200

300

400

500

600

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

700

800

Tane Boyutu (µm)

Şekil 2.2. Taneli malzemelerin granülometri eğrisi (Grain size curve of granular materials)

2.1.6. Çelik Tel (Steel Fiber) RPB’nin basınç ve eğilme dayanımı ile kırılma tokluğunu arttırmak için karışıma katılacak olan lifler, BEKSA A.Ş.’den temin edilmiştir [10]. Çelik lifler, 6 mm uzunluğunda 0,16 mm çapında ve korozyona karşı pirinç ile kaplanmıştır. Çelik lifin çekme dayanımı 2250 MPa ve özgül ağırlığı 7,181g/cm3’tür. 2.1.7. Su ve Kimyasal Katkı (Water and Chemical Admixture)

Deneylerde içilebilir nitelikte olan Sakarya Büyükşehir Belediyesi şehir şebeke suyu kullanılmış, düşük suçimento oranından dolayı istenilen işlenebilirliği elde etmek için yeni nesil katkılara ihtiyaç duyulmuştur. Beton karışımlarında, istenilen özelliklere sahip yeni jenerasyon bir polikarboksilat bazlı yüksek oranda su azaltıcı süper akışkanlaştırıcı olan İksa firması tarafından üretilen Polycar 100 kullanılmıştır. 2.2. Metot (Method) Reaktif pudra betonlarının karışım oranları daha önce aynı malzemeler kullanılarak yapılan bir doktora tez çalışmasından alınmıştır [6]. Deneyde kullanılan karışım oranları Tablo 2.3’de verilmiştir. Karıştırma işleminde ise ilk olarak Referans RPB için karıştırma kovasına su ve katkı daha sonra sırası ile çimento, kuvars pudrası, silis dumanı, kuvars kumu eklenerek karışım bulamaç haline gelene kadar karıştırılmış karışım işlenebilir hale geldikten sonra ise mikro çelik lif eklenerek tekrar el mikseri ile liflerin bulamacın hacimce her noktasında yayılmasını sağlayacak şekilde karıştırma işlemi yapılmıştır. Kuvars pudrası ikameli (MRPB) ve diğer mermer bulamacı ikameli guruplar içinse; mermer bulamacı, katkı ve su konularak çözülmesini sağlayacak SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

Malzeme (Kg) Çimento Silis dumanı Kuvars pudrası Mermer Bul. (Yaş Ağ.) Kuvars kumu Toplam su miktarı Katkı Çelik lif Su/çimento oranı

Referans RPB 900 270 278 -

MRPB 900 270 288 (408.96)

504 270 27 287.24 0.30

Deney karışımlarında referans olarak RPB kodlu numune kuvars pudrası ile üretilmiş, MRPB kodlu numune ise kuvars pudrası yerine mermer bulamacı kullanılarak üretilmiştir. Bu numuneler üzerinde basınç ve eğilme dayanımı deneyleri gerçekleştirilmiştir. Mermer bulamacı içeren numunelerin karıştırılma sırası; bulamaç, su ve katkı, çimento, silis dumanı, kuvars kumu ve liflerin katılması şeklinde olmuştur. Basınç dayanımı için 10 cm boyutlarında küp, eğilme dayanımı için ise 5x5x30 cm dikdörtgen prizma şeklinde kiriş kalıpları kullanılmıştır. Numuneler bir gün sonunda kalıptan çıkarılarak 3 gün 90 °C de sıcak buhar kürüne tabi tutulmuş ve daha sonra 20 ˚C’deki suda 25 gün kür edilmiştir. Küp numunelerde basınç dayanımının belirlenmesinden önce ultrases geçiş hızı testi yapılmıştır (Şekil 2.3.). Deney sırasında geçiş süresi belirlenmiş ve bu süre geçiş yolu uzunluğuna bölünerek ultrases geçiş hızı hesaplanmıştır. Daha sonra, basınç dayanımı testi sırasında numuneler basınç altında iken schmidt test çekici deneyi uygulanmıştır (Şekil 2.4.). Basınç dayanım testleri, yükleme hızı ayarlanabilen 3000 kN kapasiteli beton presinde TSE standartlarına [11] uygun olarak yapılmıştır (Şekil 2.5.). Beton presinden alınan basınç kuvveti numune kesit alanına bölünerek basınç dayanım değerleri hesaplanmıştır.

187

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

Eğilme dayanımı ve kırılma tokluğu için numuneler üzerinde üç noktalı eğilme deneyi yapılmıştır. İki mesnet arasındaki açıklık olan 260 mm olmak üzere kiriş numunesi Şekil 2.6’daki gibi üç noktadan yüklenmiştir. Deney cihazının yükleme hızı kiriş orta noktasında, 0,050,10 mm/dak. sehim yapacak şekilde ayarlanmıştır. Numuneler bu hızda tamamen kırılıncaya kadar yüklenerek yük sehim grafikleri elde edilmiştir. Eğilme deneyi sırasında numunenin çatlak yükü ve en büyük kuvvet değeri okunarak eğilme dayanımı aşağıdaki bağıntıdan hesaplanmıştır. Kırılma tokluğu değeri bilgisayar programı yardımıyla, yük-sehim eğrisi altında kalan alanın hesaplanması ile bulunmuştur [11, 16]. Şekil 2.3. Ultrases geçiş hızı testi (Ultrasonic velocity test)

e 

3 Pe l 2 bh 2

(1)



Burada, e eğilme dayanımı (MPa), Pe kırılma yükü (N), l mesnetler arası açıklık (mm), b numune kesitinin genişliği (mm), h numune kesitinin yüksekliği (mm) ifade etmektedir.

Şekil 2.6. Üç nokta eğilme deneyi (Three point flexure strenght test)

3. DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA (EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION) Şekil 2.4. Schmidt test çekici testi (Schmidt hammer test)

Şekil 2.5. Basınç dayanımı testi (Compressive strenght test)

188

RPB’nin ve MRPB’nin ve mekanik özelliklerine ait değerler Tablo 3.1’de verilmiştir. Basınç deneyi sonucunda, lifler sayesinde numunenin bütünlüğünü koruduğu ve homojen bir deformasyon yaptığı görülmüştür (Şekil 3.1). Basınç deneyi sonuçları grafik olarak incelendiğinde (Şekil 3.2.), kuvars pudrasının mermer bulamacı ile yer değiştirilmesiyle (MRPB) birlikte, basınç dayanımının referans RPB’ye göre çok az bir miktarda, %6 oranında azaldığı görülmektedir (Tablo 3.1). Benzer durum ultrases geçiş hızı (Şekil 3.3) değerleri incelendiğinde de ortaya çıkmaktadır. Kuvars pudrasının mermer bulamacı ile yer değiştirilmesiyle (MRPB) birlikte, ultrases geçiş hızı referans RPB’ye göre % 3,95 oranında azalmıştır. Bulamaç kullanılması ile birlikte Schmidt test çekici

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

Basınç Dayanımı (MPa)

deney sonuçlarının da bir miktar olumsuz etkilendiği görülmüştür (Şekil 3.4.).

Seri 1; RPB; 163,26 Seri 1; MRPB; 153,53

Mermer bulamacı kullanılan numunelerde basınç dayanımı, ultrases geçiş hızı ve schmidt test çekici sonuçlarındaki azalmanın nedeninin, mermer bulamacının kuvars pudrasına göre dayanımının düşük, boşluklu ve yumuşak bir malzeme olmasından kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Boşluk oranı artan betonlarda dayanımın düşeceği bilinmekle birlikte, beton numuneleri içindeki boşluklar, ses dalgalarının geçişinde engel oluşturarak geçiş yolunun uzaması ile birlikte ultrases geçiş hızının düşmesine sebep olabilmektedir.

Ultrases Hızı (km/sn)

Schmidt Testi

Eğilme Day. (MPa)

Kırılma Tokl. (Nm)

RPB MRPB

Basınç Day. (MPa)

Numune Adı

Tablo 3.1. RPB’nin ve MRPB’nin mekanik özellikleri (Mechanical behaviors of RPB and MRPB)

163.26 153.53

4.55 4.37

60.00 59.00

41.09 39.40

33.31 33.55

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

Seri 1; RPB; 4,55

Seri 1; MRPB; 4,37

Şekil 3.3. Ultrases hızı değişim grafiği (Changing graphic of ultrasonic velocity)

Schmidt test çekici

Şekil 3.1. Basınç numunelerine ait örnek kırılma şekli (Example for Compressive strenght test)

Ultra Ses geçiş hızı (km/sn)

Şekil 3.2. Basınç dayanımı değişim grafiği (Changing graphic of compressive strenght)

Seri 1; RPB; 60,00

Seri 1; MRPB; 59,00

Şekil 3.4. Bulamaç oranlarının schmidt test çekici geri tepme sayısı değerleri ilişkisi (The relationship with marble paste rates and schmidt hammer test results)

Eğilme deney, sırasında, çatlağın ilk olarak kiriş alt bölgesinde başladığı ve yükün tepe noktasından sonra lineer bir şekilde düşerek numunenin kırıldığı görülmüştür (Şekil 3.5.). Kırılan parçalar incelendiğinde, mikro liflerin sıyrıldığı gözlemlenmiştir (Şekil 3.6.). RPB’nin eğilme dayanımına ait yük sehim grafiği Şekil 3.7’de verilmiştir. RPB’nin eğilme dayanımı 41,09 MPa ve kırılma tokluğu 33,31 Nm olarak bulunmuştur. Numunenin çatlaktan sonraki davranışı için hesaplanan indeks sonuçları sırasıyla I5=3,91 ve I10= 4,11 olarak belirlenmiştir. 189

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

Şekil 3.5. Eğilme numunelerine ait örnek kırılma şekli (Example for flexure strenght test)

Şekil 3.8. MRPB’nin yük sehim grafiği (Load-displacement graphic of MRPB)

Mermer işleme sırasında su kullanılması ve mermer tozlarının su ile uzaklaştırılması, dere agregalarında olduğu gibi doğal tane dizilimine yol açmaktadır. Bu durum, bulamacın kendi içindeki granülometrisinin kuvars pudrasına göre daha iyi olmasına neden taneli olmaktadır. Rıchard, Cheyrezy yaptıkları çalışmada ince malzemelerin kendi içerisindeki tane dağılımın aderansı etkilediğinden bahsetmişlerdir [1]. Bu olumlu durum matris-lif ara yüzeyinde olumlu etki yaparak kırılma tokluğunu çok az bir miktarda arttırmıştır.

Yük (N)

Şekil 3.6. Kırılmış eğilme numunesi kesiti.(Example for broken flexure test sample)

Sehim (mm) Şekil 3.7. RPB’nin yük sehim grafiği (Load-displacement graphic of RPB)

Kuvars pudrasının mermer bulamacı ile yer değiştirilmesiyle üretilen MRPB’nin yük sehim grafiği Şekil 3.8’de verilmiştir. Grafik incelendiğinde, yükün tepe noktasında sonra lineer bir şekilde düştüğü görülmektedir. Deney sırasında yükün düştüğü noktada mikro lifler sıyrılarak matris içerisinden çıkmıştır (Şekil 3.8). MRPB’nin eğilme dayanımı 39,40 MPa ve kırılma tokluğu 33,55 Nm olarak bulunmuştur. Referans numune (RPB) ile karşılaştırıldığında, eğilme dayanımı yaklaşık %4 azalmış, kırılma tokluğu ise hemen hemen benzer değer almıştır. 190

RPB numunesinin çatlaktan sonraki davranışı için hesaplanan kırılma indis sonuçları, I5 ve I10 sırasıyla 3,91 ve 4,11 değerlerini almışlardır. MRPB numunesinin kırılma indis sonuçları ise, I5 ve I10 sırasıyla 4,29 ve 4,58’dir. Standartta [12, 13] indeks değerlerinin 5, 10 ve 20 olması durumunda sünek malzeme olarak değerlendirme yapıldığı göz önüne alınırsa bu değerler, hem RPB, hem de MRPB, lifli betonlar sınıfına girmektedir. Bu da beton gibi gevrek bir malzemenin lifler sayesinde daha elastik davranış gösterebileceğinin bir göstergesidir. 3.1. Birim Maliyet Analizi (Unit Cost Analysis) Bu başlık altında; üretilen numunelerin karışım oranlarındaki farklılıklar sonucu değişen mekanik özelliklerin birim fiyat dayanımı üzerine olan etkileri hesaplanmıştır. Eğilme ve basınç deneylerinde kullanılmak üzere üretilen numunelerde; RPB’nin ve MRPB’nin 1 m3’ü için birim maliyet ile basınç dayanımı birim maliyeti, eğilme dayanımı birim maliyeti ve kırılma tokluğu birim maliyeti değerleri Tablo 3.2’de verilmiştir. Basınç dayanımı birim maliyeti, eğilme dayanımı birim maliyeti, kırılma tokluğu birim maliyetine ait grafikler ise Şekil 3.9’da verilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

Eğ. Day. Bir. Mal. (TL/Mpa)

Kır. Tokl. Bir. Mal. TL/Nm

K. Pudrası (kg) I. K. Kum (kg) II. K. Kum (kg) Mer. Bul. (kg) Su (kg) K. Katkı (kg) Çelik Lif (kg) Top. Mal. (TL) Basınç Day. Bir. Mal. (TL/Mpa)

Silis Dum. (kg) 270

278 252 252 270 27 287 1663

270

252 252 409 149 27 287 1552

900 900

0,40 0,20 0,20 0 0,002 4 4 -

RPB

0,25

Birim Fiyat (kg/TL)

MRPB

0,14

Numune adı Çimento (kg)

Tablo 3.2. Birim Maliyet Analizi (Unit Cost Analysis)

Tablo 3.2. incelendiğinde RPB’deki karışıma kuvars pudrası yerine mermer bulamacı kullanılmasının betonun basınç dayanımı birim maliyetini değiştirmediği, eğilme dayanımı ve kırılma tokluğu birim maliyeti göz önüne alındığında ise maliyeti bir miktar azaltarak daha ekonomik bir çözüm sunduğu görülmektedir.

Birim Maliyeti (TL/MPa)

Kırılma Tokluğu Birim Maliyeti

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

tokluğu parametreleri ile maliyet etkisi incelenmiştir. Çalışmalar sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. RPB’yi oluşturan malzemeler ve üretim tekniği normal betonlardan farklı olmakla birlikte, çoğunluğu ülkemizde üretilen malzemeleri kullanılarak RPB üretilebilmektedir. RPB karışımlarına mermer bulamacı katılması karışıma giren malzemelerin sırasını değiştirerek, bulamaç, su ve katkı, çimento, silis dumanı, kuvars kumu ve liflerin katılması şeklinde olmuştur. Basınç dayanımının mermer bulamacı katılması sonucu çok az bir miktarda (%6) azaldığı görülmüştür. Bu durumun; mermer bulamacının dayanımının mermer türüne göre değişkenlik göstermesi, kuvars pudrası kadar homojen olmaması ve de kuvars pudrası ile aynı dayanıma sahip olmaması ile açıklanması mümkündür. Ultrases geçiş hızı değerleri karışıma mermer bulamacı katılması ile azalmıştır. Ultrases geçiş hızındaki azalmanın sebepleri olarak basınç dayanımının düşmesine sebep olabilecek etkenlerin gösterilmesi mümkündür. Bununla birlikte, karışımda kuvars pudrası yerine mermer bulamacı konulması sonucunda schmidt test çekici değerlerinde anlamlı bir değişim gözlemlenmemiştir. Eğilme dayanımı ve kırılma tokluğu değerlerinde, karışımda kuvars pudrası yerine mermer bulamacı kullanılmasının kayda değer bir azalmaya sebep olmadığı gözlemlenmiştir. Bu sonucun, mermer bulamacının kuvars pudrası gibi maliyeti yüksek bir malzemeye benzer mekanik özellikleri sağlayabilen alternatif bir malzeme olarak değerlendirilmesini mümkün kılması beklenmektedir. Genel olarak birim maliyet analizleri, kuvars pudrası yerine mermer bulamacı kullanılmasının ekonomik olduğunu göstermektedir.

Şekil 3.9. Basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve kırılma tokluğu birim maliyeti grafiği (Unit Cost Analysis of compressive strenght, flexure strenght and fracture toughness)

4. SONUÇLAR (RESULTS) RPB’yi oluşturan malzemeler temin edilerek bu malzemelerin özellikleri ve karışım oranları belirlenmiştir. Oluşturulan karışıma, kuvars pudrası ikameli mermer bulamacı ilave edilerek mermer bulamacının basınç, eğilme parametreleri ve maliyet üzerindeki etkisini incelemiş ve optimum bulamaç oranı belirlenmiştir. Daha sonra üretilen küp ve prizmatik numunelerin; üzerinde, ultrases geçiş hızı, schmidt test çekici, basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve kırılma

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

Mermer işleme tesislerinin yoğunlaştığı bölgelerdeki mermer atık sahaları, kamuoyu gözünde çevreye ve doğa güzelliklerine zarar verdiği gerekçesiyle tepkilere neden olmaktadır. Bu çalışma ile atık mermer bulamaçların RPB’de kullanılabileceği gösterilmiştir. RPB’de mermer bulamacının kullanımıyla hem ekonomi hem de doğaya zararlı bir atığın bertaraf edilmesi sağlanabilecektir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] P. Richard ve M. H. Cheyrezy, «Composition Of Reactive Powder Concrete,» Cement And Concrete Research, cilt 25, no. 7, pp. 1501-1511, 1995.

191

M. İpek, R. İyiliksever, K. Yılmaz

Atık mermer bulamacının reaktif pudra betonunun mekanik özelliklerine etkisi

[2] M. Başpınar, G. Görhan ve E. Kahraman, «Mermer Tozu Ve Atıklarının Kullanım Alanlarının Araştırılması,» 6. Mermer Ve Doğaltaş Sempozyumu, 2008. [3] [Çevrimiçi]. Available: www.immib.org.tr. [Erişildi: 15 3 2014]. [4] Y. A., «Silis Dumanı Ve Çimento İle Betonda Kullanımı,» Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği /AR-GE Enstitüsü, pp. 18-46, 2002. [5] 2008. [Çevrimiçi]. Available: http://www.materials.elkem.com. [Erişildi: 7 3 2008]. [6] M. İpek, «Reaktif Pudra Betonlarının Mekanik Davranışına Katılaşma Süresince Uygulanan Sıkıştırma Basıncının Etkileri,» Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, pp. 175, 2009. [7] [Çevrimiçi]. Available: www.maden.org.tr. [Erişildi: 10 3 2014]. [8] M. Korkanç ve A. Tuğrul, «Beton Agregası Olarak Kullanılacak Bazaltların Alkali-Silis Reaksiyonu Yönünden İncelenmesi,» İstanbul Üniv. Müh. Fak. Yerbilimleri Dergisi, cilt 17, no. 2, pp. 161-169, 2004. [9] A. P.C., «High Performance Concrete,» E.&F.N. SPON, New York, 2004. [10] [Çevrimiçi]. Available: http:/www.beksa.com.Tr. [Erişildi: 4 7 2007]. [11] T. E. 12390-3, «Beton-Sertleşmiş Beton Deneyleri-Bölüm 3: Deney Numunelerinde Basınç Dayanımının Tayini,» Türkiye Standartları Enstitüsü, 2003. [12] T. 10513, «Çelik Teller-Beton Takviyesinde Kullanılan,» Türkiye Standartları Enstitüsü, 1992. [13] T. 1. (1992), «Beton - Çelik Tel Takviyeli - Çelik Telleri Betona Karıştırma Ve Kontrol Kuralları,» Türkiye Standartları Enstitüsü, 1992.

192

SAÜ Fen Bil Der 18. Cilt, 3. Sayı, s. 183-192, 2014

YAYIN İLKELERİ 1.

Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi (SAÜ Fen Bil Der), 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 halinde yayımlanan ulusal hakemli ve uluslararası indeksli 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 bilimsel çalışmalar 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. Hakemler de 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 i-Thenticate 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 saujs@sakarya.edu.tr eposta 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.

PRINCIPLES OF PUBLICATION 1.

Sakarya University Journal of Science (SAÜ Fen Bil Der) is a journal founded in January 1997. Our journal of science is a national journal with referees and international indexed which is published in the areas of engineering and natural sciences three times in a year including in April, August and December regularly since 2012. All articles submitted for publication, are evaluated by editor, editorial advisory board and the referees. 2. Original research paper, technical notes, letters to the editor and reviews in Turkish or English are published in our journal. 3. Only the original scientific research are included. It is essential that the information created in scientific study needs to be new, suggest new method or give a new dimension to an existing information. 4. Articles submitted for publication are evaluated by 2 or 3 referees, accept-decline decision are taken by editorial board. Names of referees evaluating studies aren’t informed to the authors. And also referees can’t see the names of authors. It’s general essential that studies which aren’t seemed enough need to be changed in accordance with suggests of referees. Studies which aren’t reached intended level or aren’t seemed enough in terms of scientific are refused with unexplained reason. 5. Studies mustn’t be published in another journal or mustn’t be sent another journal to be published. For this, a cover letter explaining this situation is asked from authors. 6. All responsibility of the studies belong to the authors. Studies should be prepared in accordance with international scientific ethics rules. Where necessary, a copy of the ethics committee report must be added. 7. Articles submitted for publication in our journal are checked with i-Thenticate which is a similarity control software since 01.08.2013. Similarity report will be sent on the advisory board to be checked. 8. For the studies accepted for publication in our journal, copyright transfer form signed must be added to the system or mail to saujs@sakarya.edu.tr. 9. Studies submitted for publication in our journal must be prepared according to the rules of spelling of journal. Spelling and template are included in www.saujs.sakarya.edu.tr 10. On the front cover of each issue, an image, a pattern or a graphic determined by editorial board is located. 11. 30 days after minor revision, 60 days after major revision, 90 days after needed to rewrite revision required changes must be done by authors