SAÜ Fen Bil Der Cilt 19 Sayı 1 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 Nisan 2015 / April 2015 Cilt 19, Sayı 1 / Volume 19, Issue 1 Baskı / Printed at Sakarya Üniversitesi / Sakarya University

Dergimizin Nisan 2015 tarihli Cilt 19 1. Sayısının kapak resmi, yazarları ”Erkan Yavçin ve Akın Oğuz Kaptı “ olan “ Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması”isimli makaleden alınmıştır.

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ Sakarya University Journal of Science

Sahibi / Owner Genel Yayın Yönetmeni / General Publication Director

Muzaffer ELMAS

Baş Editör / Editor in Chief

Emrah DOĞAN

Ali Osman KURT

Editörler / 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.)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 1-6, 2015

24 bit renkli hareketli resimler (video) üzerinde geliştirilen sırörtme yöntemi Yasemin Yıldız1* , Ahmet T. Özcerit2

08.01.2014 Geliş/Received, 18.04.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Gelişen teknolojiyle birlikte sayısal olarak iletilmek istenen verilerin (ses, görüntü, video vb.) ortam güvenliğinin azalması nedeniyle koruma ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Güvenlik ihtiyaçlarının giderek artmasıyla veriyi şifreleme ve veriyi taşıyıcı bir dosyaya gizleme alanında yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Şifreleme mesajın içeriğinin korunmasıyla ilgilenirken, sırörtme (steganography) mesajın varlığının gizlenmesi ile ilgilenmektedir. Bu çalışmada ise AVI formatındaki video dosyalarının üzerine şifrelenen mesaj klasik veri gömme tekniği olan LSB’den farklı olarak RGB ağırlık tabanlı veri gizleme ile gerçekleştirilmiştir. Algoritmalar, Matlab hazır fonksiyonları yerine C# programlama dilinde gerçekleştirilmiştir. Bu kodlama tekniğiyle veri gömme kapasitesi nispi olarak oldukça artmıştır. Anahtar Kelimeler: steganography, sırörtme, RGB kodlama, veri gizleme, histogram

24-bit color moving pictures (video) on the method developed steganography ABSTRACT Since communication channels are insecure, techniques for information hiding (steganography) have nowadays become increasingly more sophisticated and widespread. Crytptography and steganography have devised technologies for needs of data security. While cryptography is used to encrypt the message, steganography is used to hide the mesasage. In this study, an encrypted message has been embedded into an AVI video file based on RGB weight based algorithm in contrast to classical LSB algortihm. The algorithms are implemented in C# language other than Matlab libraraies. This technique has considerably increased relative data embedding capacity. Keywords: steganography, RGB method, kriptology, digital video, histogram 1

* Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Kaman Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi, Kırşehir -yasemintiryaki86@hotmail.com 2 Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği, Sakarya – aozcerit@sakarya.edu.tr

Y. Yıldız, A. T. Özcerit

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) İnsanoğlunun içinde bulunduğu ve iletişimin olmadığı hemen hemen hiçbir durum yoktur. İnsan varsa iletişim mutlaka vardır. İletişim sadece günlük iletileri kapsamak zorunda değildir. Kimi zaman bir şirketin özel bilgileri, kimi zaman bir devletin sırları, kimi zamansa bir eylemin ayrıntıları diğer kullanıcıya iletilmek istenebilir. İletişimde verinin gizliliği arttıkça güvenliği de o doğrultuda azalmaktadır. Yetkisiz kişilerden gelebilecek saldırılar artabilir. Tüm bu güvensizliklerin giderilmesi çalışmalarının temeli antik çağlara kadar dayanmaktadır. Çağlar değiştikçe gelişen ve değişen teknolojiyle birlikte güvenlik için kullanılan tekniklerde de önemli farklılıklar kendini göstermektedir. Her yöntemde amaç mesajın üçüncü kişilerin eline geçmeden ilgili noktalara ulaştırmak olsa da şekil ve metotlar konusunda ayrılıklar yaşanmaktadır. Bu çalışmada, gizli verilerin saldırılardan korunarak iletişimin gerçekleştirilmesi için sırörtme algoritmaları geliştirilmiştir. Sayısal medyada iletişimin güvenliği için sayısal damgalama (watermarking) ve sırörtme (steganography) teknikleri geliştirilmiştir. Geliştirilen bu iki teknik amaç bakımından benzerlik gösterse de aralarında bazı farklar bulunmaktadır. Sayısal damgalama herkes tarafından bilinen bir medya dosyasının (film, müzik parçası vb.) korunması için kullanılırken, sırörtme yöntemi ise bilinmeyen bir dosyanın içerisinde gizli verinin ilgili yerlere iletilmesini amaçlar. Damgalamada damgalama yapıldığını herkes görebilir (örneğin televizyon kanallarının logoları), fakat sırörtme de verinin varlığından kimsenin haberi yoktur. Sırörtme (steganography) kullanım alanları açısından üçe ayrılmaktadır:   

Metin (text) steganografi, Görüntü (image) steganografi, Ses (audio) steganografi,

Gizli haberleşme teknikleri ilk olarak resim dosyaları üzerine uygulanmış fakat resim dosyalarının gizli mesajları sınırlaması ve bu sınırı aşabilecek veriler için gömme işlemi yapılamaması gibi sebeplerden dolayı araştırmacılar video dosyaları üzerine yoğunlaşmıştır. Video dosyaları çok sayıda resmin peşi sıra sürekli olarak akmasıyla ve aynı zamanda görüntünün yanı sıra ses dosyalarının akışıyla da oluşur. Bu sebepten dolayı hem resim hem de ses dosyasına veri gömme teknikleri video içerisine veri gömmede kullanılabilir. Video içerisine veri gömmek için dönüşüm boyutu yöntemleri (Discrete Cosine Transform–DCT, Discrete Wavelenght Transform-DWT) kullanılır.

24 bit renkli hareketli resimler (video) üzerinde geliştirilen sırörtme yöntemi

Sırörtme’de videonun kullanılmasının temel nedeni videonun gizlenecek veriyi sınırlamamasıdır. Yani mesaj ne kadar uzun olursa olsun ona uygun uzunlukta bir videonun seçilmesi ile veri güvenli bir şekilde gömülebilir. Örneğin, saniyede 25 resim geçebilen (25 fps-frame per seconds) 10 saniyelik bir videoya normal tekbir resim üzerine gömülebilecek mesajın 250 katı daha uzun veri gömülebilir. Videolar üzerinde yapılan ilk veri gömme denemeleri ham videolar üzerinde olmuştur. Bu çalışmada da temel olarak ham videolar hedeflenmiştir.

Örtü Dosyası(video, ses, resim vb.) Gizlenecek Veri

Sırörtme Algoritma

Sırlı

İletişim Ortamı (internet) Gizlenmiş Veri

Sıraçma Algoritması

Sırlı Dosya

Şekil 1. Steganografik sistem (Steganographic system)

Şekil 1’de gösterildiği üzere bir veri gizleme işlemi yapılması için öncellikle taşıyıcı bir dosyanın bulunması gerekir. Gizlenecek verinin boyutuna uygun olarak seçilen dosya ile birlikte gizlenecek veri bir gömme algoritmasına tabi tutulur. Gömme işlemi sonucunda oluşan dosya sırlı dosyadır. Bu dosya internet gibi bir iletişim ortamında alıcı noktaya ulaşır. Alıcı sırlı videoya bir çıkarma algoritması uygular ve orijinal veri geri elde edilmiş olur. 2. SAYISAL GÖRÜNTÜ, PİKSEL VE SAYISAL VİDEO KAVRAMLARI (DIGITAL IMAGE, PIXEL AND DIGITAL VIDEO CONCEPTS)

Sayısal görüntüyü oluşturan en küçük yapı taşına piksel denir. Piksel İngilizce “Picture cell” resim hücresi anlamına gelen kavramın kısaltılmasıyla oluşmuştur. Bir piksel ilgili resmin tüm renk özelliklerini taşır. Bu sebeple sayısal görüntünün temel yapı taşı denilmektedir. Bir görüntüyü oluşturan piksel sayısı ne kadar fazla ise görüntü gerçek rengine o kadar yakın olur. Piksel sayısı azaldıkça bulanık, donuk, rengi bozuk görüntüler oluşur. Bir görüntüdeki kaç piksel olduğu bilgisi ise çözünürlüğü ifade eder. Çözünürlük bir görüntüdeki yatay ve dikey olarak toplam kaç pikselin olduğunu veren değerdir. Bir görüntüdeki piksel sayısı fazla ise görüntü o kadar net olacağı daha önce belirtilmişti. Bu ifadeden yararlanarak çözünürlük ne kadar fazla ise görüntü gerçek rengine o SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 1-6, 2015

24 bit renkli hareketli resimler (video) üzerinde geliştirilen sırörtme yöntemi

kadar yakındır denilebilir. Örneğin bir görüntünün yatayda 640, dikeyde 480 pikseli var ise bu görüntü 640 x 480 çözünürlüğe sahiptir denir. Sayısal bir videonun oluşması için, bir ışık kaynağına, bir nesneye ve nesnenin ışığı yansıtmasına gerek vardır. Tüm bu şartlar oluştuğunda önce görüntü ve ardından sayısal video oluşur. Bir videonun bellekte kapladığı alanı hesaplamak için: Video boyutu x Çerçeve sayısı x Renk yoğunluğu x video süresi (1) Yukarıdaki denklemden elde edilen sonuca göre ise videonun bellekte kapladığı alan bulunur. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND DISCUSSION)

Bu çalışmada insan göz sisteminin görme özelliklerinden faydalanılarak C# programlama dilinde algoritmalar tasarlanmıştır. Önceki çalışmalarda veri gizleme ve elde etme işlemleri Matlab tabanlı hazır fonksiyonlarla gerçekleştirilirken, bu çalışmada algoritmalar bir programlama dili ile en temele seviyeden başlayarak tasarlanmıştır. Gizlenecek olan verinin video içerisinde uygun olan alanlara gömülebilmesi için klasik tekniklerden farklı olarak histogramlar yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemle video içerisindeki hareketli ya da hareketsiz, renk yoğunluğunun fazla ya da az olduğu alanların tespitinde kullanılır. Histogramlar yönteminde, ardı sıra gelen video çerçevelerinin her bir pikselinin ayrı ayrı histogram değerleri hesaplanır ve olay bu değerler üzerinde yorumlanır. Bu yöntemde öncelikle içerisine veri gömülebilecek piksellere sahip olan çerçeveler belirlenir. Elde edilen bu çerçevelerde bulunan piksellerin histogram değerleri bulunur. Histogram, bir videoyu oluşturan her bir hareketsiz görüntüyü (resim) oluşturan piksellerinin sahip oldukları renk bileşenlerinin koyuluk bilgilerine göre dağılımlarını gösteren değerler dizisidir. Genel olarak 24-bit renkli resimler için histogram 256 elemanlı pozitif tam sayılar dizisidir başka bir ifadeyle resmi oluşturan her bir pikselin 0 ile 255 arasında bir renk koyuluk değerine sahiptir. Geliştirilmiş olan histogramlar yönteminde, öncelikle video kendisini oluşturan hareketsiz görüntülere ayrılıyor. Bunların her biri genel olarak çerçeve (frame) olarak adlandırılıyor. Videoyu oluşturan çerçevelerin her bir pikseli için o pikselin renk tonunu oluşturan renk bileşenleri (R,G,B) için ayrı ayrı bulunduktan sonra bulunan bu değerin ortalaması alınır. Örneğin; n. pikselin R=255, G=24, SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 1-6, 2015

Y. Yıldız, A. T. Özcerit

B=45 bulunmuş olsun bu n. pikselin histogramı, (R+G+B)/3 ‘den bulunur. Ardışık çerçevelerde de bu işlem gerçekleştirildikten sonra birbirini takip eden her bir çerçevenin aynı pikseli için bulunan histogramlar arasındaki fark hesaplanır. Böylece değerlendirilecek olan tek bir değer elde etmiş olunur. Örneğin; birinci çerçevedeki üçüncü pikselin histogramı 156 değerinde, bir sonraki çerçeve olan ikinci çerçevenin yine aynı pikselinin (üçüncü piksel) histogramı 147 değerindedir. Bu iki histogram arasındaki farkın mutlak değeri alınır ve değerlendirme yapmak için tek bir değer elde edilmiş olunur. Elde edilen bu değer ne kadar az ise resim çerçeveleri arasındaki fark o kadar azdır, ne kadar fazla ise de resimler arasındaki renk ve ton o kadar birbirinden farklıdır denilir. Böylece hangi çerçevenin hangi pikseline veri gömüldüğünde insan göz sisteminin bu değişimi algılamasının en az olacağını yorumlayabiliriz. Eşik değeri ardışık çerçeveler arasında bir değişim veya benzerlik algılanmasında kullanılan, maksimum alabileceği değer histogramın maksimum alabileceği değerle aynıdır ve maksimum 255 değerini alabilir. Eşik değer kullanıcı tanımlı bir algılama kıstasıdır. Çalışmada geliştirilen veri gizleme programında bu eşik değeri algılanabilirlik – kapasite parametresi ile kullanıcı tarafından ayarlanabilmektedir. Bununla kullanıcıya bir esneklik sağlamak amaçlanmıştır. Eşik değerinin yüksek seçilmesi ile çerçeve geçişlerindeki algılama hassasiyetin arttırılmasına karşılık bölümlenebilecek çerçeve sayısında düşme olur. Çerçeve sayısının azalması ise gömülebilecek veri uzunluğunun azalması anlamına gelmektedir. Eşik değerinin düşük seçilmesi durumunda ise hassasiyet azalacak fakat bölümlenebilecek çerçeve sayısı artacaktır. Dolayısıyla gömülebilecek veri uzunluğu da artacaktır. Bu bilgiler ışığında kullanıcı tarafından girilecek bir eşik değer ile ardışık çerçevelerin histogram farkları karşılaştırılarak veri gizlenebilecek video çerçeveleri ve pikselleri belirlenir. Eşik değerin üzerinde kalan pikselleri seçilirse, ardışıl video çerçevelerinin renk bakımından karışık bir yapıya sahip olduğu anlaşılır ki bu Farklı Histogramlar yöntemi olarak adlandırılır. Eşik değerin altında kalan bileşenlerin seçilmesi durumunda ise ardışıl video çerçevelerinin renk bakımından tekdüze olduğu anlaşılır ki bu da Benzer Histogramlar yöntemi olarak adlandırılır.

24 bit renkli hareketli resimler (video) üzerinde geliştirilen sırörtme yöntemi

Y. Yıldız, A. T. Özcerit

dosyasının uygun pikseline gömülmüş olur. Gizli verinin çıkarılması evresinde ise yapılan işlemlerin sağlaması yapılır. Yani pikselin RGB değerleri alınır (159, 88, 239). Son basamaklarındaki sayıları 10’dan çıkarılır. (10-9=1, 10-8=2, 10-9=1). Böylece “y” harfinin tekrar ASCII kod karşılığını bulmuş oluruz.

Örtü videosunun okunması

Çerçevelere ayrılması

Her bir çerçevenin histogram değişim değerlerinin hesaplanması

Eşik değerinden küçük ise benzer histogramaları

kullan

Kapasite ve algılanabilirlik Uygun çerçevelerin belirlenmesi Gizli veri Gömme algoritmasının seçimi

Geri elde etmede parametreleri belirleme

Gömme İşlemi

orijinal piksel ağırlığı,

RGB son rakamlarının sıfırlanması,

“y” kodunun gömülmesi,

Elde edilen yeni RGB ağırlıklı piksel

Şekil 3. Bir piksel içine ASCII kodunun gömülmesi (Embedding of ASCII code in to a pixel)

Sırlı video

Şekil 2. Benzer histogram yöntemi akış diyagramı (Similer histogram method flow diagram)

Şekil 2 ‘de benzer histogramlar yönteminin akış diyagramı görülmektedir. Veri gömme tekniklerinde en temel amaç, görüntünün en az bozulmayla maksimum veri gömme kapasitesinin elde edilmesidir. Bu amaçla RGB ağırlıklı kodlama tekniği kullanılmıştır [1]. RGB değerleri için; R=156, G=86, B=235 rengine sahip olan piksele “y” harfini gömmek istersek; Öncelikle “y” harfini ASCII kod değerine çevirmemiz gereklidir. “y” harfinin ASCII kodu ‘121’dir. R=156, G=86, B=235 gömülen bilginin yeniden elde edilmesi aşamasında sorun yaşamamak için son rakamlar sıfırlanır. Buna göre elimizde R=150, G=80, B=230 değerleri oluşur. Bir sonraki aşama ise “y” harfinin ASCII kodunun her bir rakamı ‘10’ sayısından çıkarılır (10-1=9, 10-2=8, 101=9). Elde edilen bu rakamlar her bir RGB değerlerinin son basamağına yerleştirilir. Bu yüzden RGB’nin rakamlarına bakıldığında anlamlı bir değişikliğin olduğu anlaşılmaması için, gizlenecek bilginin ASCII kodunun her bir rakamı ‘10’ sayısından çıkarılır. Son aşamada ise R=150+9=159, G=80+8=88, B=230+9=239 değerleri elde edilir. Böylelikle gizlenecek olan veri örtü 4

Kodlu RGB ağırlıklı,

RGB son rakamlarının alınması,

“y” gömülü karakterin elde edilmesi.

Şekil 4. Bir piksel içinden ASCII kodunun çıkarılması (Removing the ASCII code for a pixel)

4. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Çalışmanın bu bölümünde önerilen sırörtme tekniklerinin bozulan piksel sayıları ve algılanabilirlik gibi parametrelere bağlı başarımları değerlendirilecektir. Çalışmada kullanılan video 100 x 100 boyutlarında ve çerçeve sayısı 6’dır. Deneysel çalışmaların değerlendirilmesi aşamasında, sırlı videoların istatiksel kalitelerini ölçmek için Tepe Sinyal Gürültü Oranı (Peak Signal to Noise RatioSAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 1-6, 2015

24 bit renkli hareketli resimler (video) üzerinde geliştirilen sırörtme yöntemi

Y. Yıldız, A. T. Özcerit

PSNR) ölçütü kullanılmıştır. PSNR, orijinal görüntü ile sırlı görüntü arasındaki benzerlik kalitesini hesaplar. Hesaplama sonucunda PSNR tek bir değer üretir. Bu değerin yüksek olması kalitenin de yüksek olduğu anlamına gelir. Aslında PSNR değeri, insan görme sistemi ile birebir uyuşan sonuç vermemektedir. Çünkü insanların renkleri ve tonları algılama davranışı tamamen birbirlerinden farklıdır. Bu durum göz önüne alınarak bir başka görsel kalite değerlendirme kıstası olan görsel ölçüm yöntemi de geliştirilen tekniklerin başarım değerlendirmesinde kullanılmıştır. İki görüntü arasındaki PSNR değerini hesaplamak için öncelikle Ortalama Kare Hatası (Mean Squared ErorMSE) değeri hesaplanmalıdır [10]. MSE değerinin hesaplanması için Denklem 1 kullanılabilir. MSE değerinin hesaplanmasının ardından Denklem 2’ye göre PSNR hesaplanır [9].

∑ , [ (, )

( , )]

(1)

Denklem 1’de kullanılan I ve K birbiriyle kıyaslanan görüntülerdir. I veri gömülmeden önceki yani orijinal görüntüdür. K ise veri gömüldükten sonraki orijinal görüntüdür. M x N ile temsil edilen ise videonun görüntü boyutlarıdır.

= 10 log

(2)

Denklem 2’de kullanılan MAX görüntüye ait bir pikselin kaç bit ile ifade edildiğini gösterir. Örneğin bir pikseli ifade etmek için 8 bit kullanılıyorsa o zaman MAX 255’tir. Genellikle de işlemlerde sabitliği sağlamak için 255 değeri kullanılır.

Şekil 6. Sırlı resim ve histogram değeri (Steganography picture and the histogram value)

Şekil 5 de orijinal resim ve Histogram değeri verilirken Şekil 6 ‘da gizli veri gömülmüş video çerçevesinin Histogram değeri verilmiştir. RGB ağırlıklı kodlama tekniğiyle klasik LSB kodlama tekniğinden daha az kayıp yani bozulan piksel sayısı olmuştur denilebilir. Görüntüler içerisinde daire içerisine alınmış alanların dışındaki piksellerde herhangi bir bozulma görünmemiştir. Bu Tablo 1’de elde edilen MSE ve PSNR değerleri verilmiştir. Tablo 1. Elde edilen sırlı görüntüler için hesaplanan görüntü kalite ölçütleri (The resulting image quality metrics calculated for glazed images)

Video

Veri

MSE

PSNR

boyutu

(bayt)

90000

12.711

3.08796

43,234077

90000

16.384

10.2063

38.04212

240000

20.455

14.244

36.011

Tablo 1’de görüldüğü üzere örtü dosyasının boyutu arttıkça içerisine gömülebilecek veri uzunluğu da artmaktadır. Gömülen veri uzunluğu arttıkça da bozuşan piksel sayısında artmalar olmuştur. Fakat bu artış diğer gömme algoritmalarına oranla çok küçüktür. Bu da RGB algoritmasının üstünlüğünü göstermektedir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] Şekil 5. Orijinal resim ve histogram değeri (The original image and the histogram value)

[2]

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 1-6, 2015

Çetin Ö., “Hareketli Görüntü Uygulamaları için Sırörtme Yaklaşımı ile Veri Gömme Algoritması Tasarımı”, Sakarya Ün. Fen Bil. Ens., Dok. Tezi, 2008 F. Akar, H.S. Varol, “A New Rgb Wighted Encoding Technique For Efficient İnformatin Hiding In Images” Journal Of Naval Science And Engineering Number 2 Volume 2 July 2004.

Y. Yıldız, A. T. Özcerit

[3]

[4] [5]

[6]

[7]

[8] [9] [10]

24 bit renkli hareketli resimler (video) üzerinde geliştirilen sırörtme yöntemi

Yerlikaya T., Buluş E., Arda D., “Asimetrik Kripto Sistemler Ve Uygulamaları”, II. Mühendislik Bilimleri Genç Araştırmacılar Kongresi, İstanbul, Mbgak 2005. Krenn J. R. , “Steganography And Steganalysist,” ( Erişim Tarihi 2011). Jonathan, K. S., Hartung F., Girid, B., “Digital Watermarking Of Text, Image, And Video Documents Comput. & Graphics”, Vol. 22, No. 6, Pp. 687±695, Elsevier Science, 1999. Netravalı, A.N., Haskell, B. G. ,”Digital Pictures: Representation, Compression, And Standards(2nd Ed),” Plenum Press, New York, Ny, 1995. Amin M. F., Mohammad R., Akbarzadeh T., Farshad V.A., “A New Genetic Algorithm Approach For Scure Jpeg Stagenography” , 2006. Shali M., “Steganography İn Mms” , 2007. Gruhl, D., Bender, W., Lu A., “Echo Hiding” , Isbn 3-540-61996-8, 1996. Nedeljko C., Tapık S., “Incresing The Cappacity Of Lsb Based Audio Steganography” (Erişim Tarihi 2010).

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 1-6, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 7-14, 2015

Türk Hızlandırıcı Merkezi (THM) T.A.R.L.A. tesisi serbest elektron lazeri demet parametreleri hesapları ve enjektör benzetim çalışmaları 1* Mert Şekerci , Suat Özkorucuklu2 15.04.2014 Geliş/Received, 06.06.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Bu çalışmada, hızlandırıcı fiziği ve bu alanla ilişkili pek çok bilim dalında çalışmaların yapılabilmesine olanak sağlayacak olan, Türk Hızlandırıcı Merkezi (THM) T.A.R.L.A. (Turkish Acceleration and Radiation Laboratory at Ankara) tesisinin serbest elektron lazeri için elektron demet parametreleri hesaplamaları yapılmıştır. Ayrıca, enjektör kısmına ait benzetim çalışmaları gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: serbest elektron lazeri, hızlandırıcı, demet parametresi, enjektör, benzetim

Turkish Accelerator Center (TAC) T.A.R.L.A. facility free electron laser beam parameters calculation and injector simulation studies ABSTRACT In this study, electron beam parameter calculations have been done for the Turkish Accelerator Center (TAC) T.A.R.L.A. (Turkish Acceleration and Radiation Laboratory in Ankara) facility’s free electron laser which will allow to be carried out in accelerator physics and many branches related to this area. Also, simulation studies about the injector part were shown. Keywords: free electron laser, accelerator, beam parameter, injector, simulation.

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, 32260, Çünür/Isparta - mertsekerci@sdu.edu.tr 2 İstanbul Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, 34134, Vezneciler, Fatih/İstanbul - suat.ozkorucuklu@gmail.com

Türk hızlandırıcı merkezi (THM) T.A.R.L.A. tesisi serbest elektron lazeri demet parametreleri hesaplamaları ve enjektör benzetim çalışmaları

M. Şekerci, S. Özkorucuklu

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Serbest elektron lazerlerini geleneksel (klasik) lazerlerden ayıran en büyük fark, isminden de anlaşılabileceği gibi elektronların geleneksel lazerlerde olduğu gibi bir atoma bağlı durumda olmayıp, vakum ortamında serbest olarak hareket edebilmeleridir. Işımanın dalga boyu, geleneksel lazerlerde, elektronlar atoma bağlı olduğundan iki enerji seviyesi arasındaki geçişlerle sınırlandırılmışken, serbest elektron lazerinde elektronlar serbest olarak hareket edebildiğinden ayarlanabilir şekildedir. Bu dalga boyu; salındırıcı mıknatısların yerleştirilme sıklığı, manyetik alanları ve oluşturulan elektron demetinin enerjisi gibi çeşitli parametrelere bağımlıdır. Bu özellikleri sayesinde serbest elektron lazerleri, geleneksel lazer ışınımlarının aksine tek bir frekansta değil, geniş bir frekans aralığında üretilebilmektedir. Serbest elektron lazerlerindeki kazanç ise ortamdaki elektromanyetik alanın ve elektronun yönüne bağlıdır [1]. Serbest elektron lazerleri, geleneksel lazerlere kıyasla daha fazla karakteristik ve ayarlanabilir özelliğe sahiptirler. Bu özelliklerinden olan ve ışımanın oluşum sıklığını ifade eden tekrarlamasının yüksek olması gibi ışımanın mikro atma enerjisinin yüksek olabilmesi ve yine yüksek ortalama güç değerlerinde üretilebilmesi bu cihazların tercih sebebi olmasını sağlamaktadır. Ayrıca oluşan ışımaların esnek zaman aralıklarına sahip olabilmesi ve ışınım oluşma sıklığının modüle edilebilmesi gibi özellikleri de düşünüldüğünde, serbest elektron lazerleri araştırma merkezlerinin lazer optiği, atom ve molekül fiziği, yarı iletken yapılar ve nanoteknoloji ile malzeme bilimi alanlarda birçok ihtiyaca cevap vereceği görülmüştür. Bunlara ek olarak biyoloji, biyoteknoloji, foto-kimya ve benzeri farklı bilim dallarında da kullanılmaktadırlar. Bahsi geçen bilimsel alanlarda olduğu kadar askeri savunma sistemleri ve gelişmiş sanayi tesislerinde de kullanılmakta olan serbest elektron lazerleri örnekleri mevcuttur [2]. Bu çalışma, ülkemizin ilk serbest elektron lazeri olacak olan ve THM projesi kapsamında T.A.R.L.A. tesisinde inşa edilen ışınım kaynağı için gerçekleştirilmiştir. THM projesi, 1997 yılında Ankara Üniversitesinin öncülüğünde DPT teşviki ile başlatılmış, 2006 yılından itibaren Yaygınlaştırılmış Ulusal ve Uluslararası Proje formatına girerek, 10 üniversitenin işbirliği ile sürdürülmüştür. Tesisin aktif olarak çalışır ve hizmette olmasını amaçlayan aşama kapsamında bulunduğumuz günümüzde ise, 14 üniversiteden 168 araştırmacı bu amaca hizmet etmektedir. Kurulacak olan serbest elektron lazeri, THM’nin ileri dönem projelerinde etkin rol üstleneceği için T.A.R.L.A. tesisi kapsamındaki bu 8

ışınım kaynağının aktif ve sorunsuz olarak çalışması oldukça önemlidir [3]. 2. SERBEST ELEKTRON LAZERİ PARAMETRELERİ (FREE ELECTRON LASER PARAMETERS)

Serbest elektron lazeri ışınımının üretilebilmesi için bazı donanımlara ihtiyaç duyulmaktadır. SEL ışınımının elde edildiği ve salındırıcı bölgesini de içinde barındıran optik kaviteye kadar olan kısım, elektron demet hattının temelini oluşturmaktadır. Bu temel demet hattı sayesinde, salındırıcı bölgesini içeren optik kavite bölgesinin eklenmesi yerine farklı kurulumlar ile farklı deneylere imkân tanıyan sistemler oluşturulabilmektedir [4]. Bu duruma örnek olarak THM T.A.R.L.A. tesisinde kurulması planlanan elektron demet hattında salındırıcı bölgesine girmeden önce bir kısım elektron demetinin Bremsstrahlung deney istasyonuna ayrılması ile bu alanda deneylerin yapılacak olması gösterilebilinir. Işınım elde edilmesi ya da farklı deneyler için kurulum yapılması dâhil her durumda değişmeyen etken ise bu donanımların belirli bir sistematik sıra ile yerleştirilmeleri gerekliliğidir. Bu çalışmada, kurulacak olan serbest elektron lazeri ile elde edilecek ışınımların sahip olacakları karakteristik özellikler hesaplanmış ve ayrıca serbest elektron lazeri sisteminin ana kısımlarından biri olan ve kullanılacak serbest haldeki elektronların üretilip istenilen yapıya girmelerini sağlayan bölge olan enjektör kısmına ait benzetim çalışmalarının sonuçları da sunulmuştur. Serbest elektron lazerleri inşa edilirken dikkate alınan unsurlardan bir tanesi, üretilecek olan ışınımın sahip olacağı dalga boyu aralığıdır. Bunun nedeni yüksek üretim maliyetleri sonucu kurulacak tesislerin kullanılmayacak dalga boylarında ışınım üretmesini engelleyerek gereksiz masraftan kaçınmaktır. Geniş bir dalga boyu aralığından sadece belirli olanlarının kullanılacak olması durumunda, tüm bu dalga boyu aralığında ışınım üretebilecek bir tesisin kurulması, belirli dalga boylarında ışınım üretebilecek olan bir tesis kurulmasına göre kat ve kat yüksek maliyetli olacaktır. Bir düzlemsel salındırıcıdan elde edilen serbest elektron lazeri ışınımı için, oluşturulacak olan foton demetinin dalga boyu şu eşitlik ile hesaplanır [5]. λ sel  Ş  13, 056

λ u  cm   K 2  (1)  1   E 2  GeV   2 

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 7-14, 2015

Türk hızlandırıcı merkezi (THM) T.A.R.L.A. tesisi serbest elektron lazeri demet parametreleri hesaplamaları ve enjektör benzetim çalışmaları

M. Şekerci, S. Özkorucuklu

Burada λ ; düzlemsel salındırıcının periyot uzunluğu, E; elektron demetinin enerjisini, K ise salındırıcı kuvvet parametresini tanımlayan sembollerdirler. Pratik birimler cinsinden ifade edilen bu denklemde dalga boyunun birimi angströmdür [5]. Elektron demetlerinin kalitesini belirlemek için kontrol edilen iki özellik mevcuttur. Bunlardan ilki demetlerinin enine olan boyutlarının ne kadar küçük olduğu ve değişmediği, diğeri ise elektronların eşit bir şekilde paketçik içerisine dağılmaları sayesinde homojen bir yapı oluşturmalarıdır [6]. Elektron demetleri, parçacıkların x − x , y − y ve aynı zamanda γ − ct faz uzayında istatistiksel dağılımları gibi davranırlar. Bu dağılımda, parçacıkların etrafında, bu parçacıkların %50 sini kapsayacak şekilde bir elips çizebildiğinde; bu elipsin alanı, faz uzayında rms (root mean square) yani etkin elektron yayılımının bir ölçüsü olur. Etkin yayınım ise bu elips alanının π ile bölünmesiyle elde edilir [6]. Üretilecek olan lazer ışınımının dalga boyunun, dolayısıyla enerjisinin ayarlanması; elektron enerjisinin değişmesine ya da salındırıcı parametresi olan ve salındırıcıdaki mıknatısların kutupları arasındaki mesafenin veya manyetik alanın değişmesi ile değişebilecek olan K parametresinin değişmesine bağlıdır [5]. Serbest elektron lazerlerinde, salındırıcı içerisinde hareket etmekte olan elektronların kullanılması ile elde edilecek serbest elektron demetinin enerjisi Denklem (2)’de gösterildiği gibi hesaplanmaktadır [7]. E 2  GeV  (2) Esel  eV   950 2  K  λ u  cm  1  2   Elektron demetinin gücü ise; Lu, metre cinsinden salındırıcı uzunluğu, Ie, amper cinsinden elektron demetinin akımı, Ee, GeV cinsinden elektron demet enerjisi ve Bu, Tesla cinsinden salındırıcı mıknatısların pik manyetik alanı olmak üzere Denklem (3)’de gösterildiği şekilde hesaplanmaktadır [7]. 2 2 P  kW   0, 632 L u I e  E e   B u  (3) Hızlandırıcı gerilimin bir dalga boyu kadar veya bu dalga boyu değerinin katlarında bir değere sahip olan mikro paketçikler; elektron demeti için en küçük birimlerdirler. Hızlandırılmış olan elektronların, bu mikro paketçik yapıya sahip olacak şekilde oluşturdukları akımın pik SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 7-14, 2015

değeri; q, paketçik yükü, c, ışık hızı ve σ , paketçik uzunluğu olmak üzere şu şekilde tanımlanır [6]. qc (4) I  2,35 σ z  Demetteki elektronlar; ortak bir referans noktası etrafında faz salınımları yaparlar ve bunun neticesinde boyuna kararlı bir dağılım oluştururlar. Buna da paketçik uzunluğu denir. Elektron paketçiklerinin, hızlandırıcı sonunda oluşturdukları ortalama demet akımına ise ortalama akım denir. 〈I〉 ile sembolize edilen ortalama akım hesaplanırken; q, paketçik yükü, n , bir atma içindeki mikro paketçik sayısı ve T , ise ardışık iki mikro atma arasındaki zaman farkı olarak kabul edilir ve ortalama demet akımı Denklem (5)’de gösterildiği şekilde hesaplanır [6].

I 

nμq

(5)

Üretilen lazer ışınımının kalitesini belirlemede; akı, aydınlık ve parlaklık en önemli niceliklerdendirler. Birim zamanda, yani saniye başına, belirli bir enerji aralığında yayılan foton sayısı, akı olarak isimlendirilir. Bu enerji aralığını; kullanılabilir foton enerjisinin %0.1 bant genişliği oluşturur. Belirtilen bu enerji aralığındaki foton akısı (F) genellikle 1 A’lik demet akımına normalizedir ve Denklem (6)’da gösterildiği şekilde, “s” ile ifade edilen birim alana düşen foton sayısı ile ilişkildir [6].

F

foton (6) s %0,1 bantgenişliği

Parlaklık ise; akı değerinin kaynak ile ilgili açısal alana bölünmesiyle elde edilir ve aynı zamanda parlaklık, demetin kesit alanı olan (enine demet boyutu) , = , ifadesine bağlıdır. Bu ifadede kullanılan

, , demetin x – z eksenindeki yayınımını gösterirken, , ise demetin odaklandığı noktayı açıklayan pozisyon bağımlılık ifadesidir. Parlaklık hesabı için Denklem (7)’de gösterilen ifade kullanılır [6].

B

F F (7)  2 ' ' 4π σ x σ y σ x σ y 4π ε x ε z 2

Bu eşitliklerde belirtilen, alanını belirtirken;

ifadesi, etkin kaynak ifadesi, faz uzayı alanını

tanımlamaktadır. Pratik birimler cinsinden,

paketçik 9

Türk hızlandırıcı merkezi (THM) T.A.R.L.A. tesisi serbest elektron lazeri demet parametreleri hesaplamaları ve enjektör benzetim çalışmaları

M. Şekerci, S. Özkorucuklu

uzunluğu olmak üzere, doygun parlaklık Denklem (8)’de gösterildiği şekilde ifade edilir [6]. 4

 E  GeV   σ z  mm Bs  3,977.1042    N  λ u  cm .  kf b  k  



(8)



Bu eşitlik, kavite içi parlaklık için bir referans değer olarak kullanılabilir. Genel anlamda, doygun parlaklık değeri (B ), ışınımdaki doymuş yoğunluğu (I ) veren Denklem (9) yardımı ile Denklem (10)’da gösterildiği şekilde tanımlanabilir [6]. 4 1 (9)  W  22 E  GeV  Is  2   10  cm 

 λ cm . kf u

 k   

BL  6.4.1037

IA N

E  GeV 

σ z  mm (10) λ u  cm.Lc  cm 1  K 2 2

3. BULGULAR (RESULTS) TARLA tesisinde farklı bilim alanlarındaki bilim insanlarına hizmet etmesi amacıyla iki farklı salındırıcı bölgesi sayesinde farklı iki aralıkta SEL ışınımı üretilmesi mümkün kılınacaktır. Bu salındırıcılardan ilki olan U90 ile 18–250 µm dalga boyu aralıkları taranabilecek iken ikinci salındırıcı olan U25 sayesinde elde edilebilecek olan ışınım ile 3–19 µm dalga boyu aralığı taranabilecektir [8]. Dalga boyu aralığının maksimum ve minimum değerleri hesaplanırken Denklem (1) ile gösterilen eşitlik kullanılmıştır. Maksimum dalga boyu değeri için maksimum salındırıcı periyodu ve maksimum K değerleri ile minimum elektron demet enerjisi kullanılmış iken; minimum dalga boyu değeri için minimum salındırıcı periyodu ve minimum K değerleri ile maksimum elektron demet enerjisi değerleri kullanılmıştır. Dolayısıyla maksimum dalga boyu 9 cm salındırıcı periyodu ile 2.77398 K parametresi ve 15 MeV’lik elektron demetleri ile 253.12 µm olarak hesaplanmışken; minimum dalga boyu 2.5 cm salındırıcı periyodu ile 0.81725 K parametresi ve 38.5 MeV’lik elektron demetleri kullanılarak 2.94 µm olarak hesaplanmıştır. Denklem (2)’de gösterilen eşitlik ile ise maksimum ve minimum ışıma enerjileri hesaplanmıştır. Bu işlemlerde maksimum ışıma enerjisi değerini elde edebilmek için minimum K değeri 0.817 ve minimum salındırıcı periyodu 2.5 cm olarak kabul edilmiş ve maksimum ışıma enerjisi 0.413 eV olarak hesaplanmıştır. Minimum 10

ışıma enerjisi değeri ise maksimum K değeri 2.773 ve maksimum salındırıcı periyodu 9 cm olarak kabul edilerek 0.0049 eV olarak hesaplanmıştır. TARLA tesisinde üretilecek olan elektron demetinin enerjisi, hedeflenen dalga boyu aralığına ulaşabilmek amacıyla 15–38.5 MeV aralığında olacaktır. Bunun neticesinde U90 salındırıcısı ile elde edilecek olan ışınımın maksimum atma enerjisi yaklaşık olarak 8 µJ ve U25 salındırıcısı ile elde edilecek olan ışınımın maksimum atma enerjisi ise, yaklaşık olarak 10 µJ olacaktır. U90 salındırıcısı ile elde edilecek olan ışınımın maksimum paketçik gücü yaklaşık olarak 2.5 MW iken ortalama gücü ise 0.1–30 W aralığında, U25 salındırıcısı ile elde edilecek ışınım maksimum paketçik gücü ise 5 MW iken ortalama gücü 0.1–40 W aralığında olacaktır. Denklem 4 ile gösterilen eşitlikte 0.5 ps ve 0.8 ps uzunluklu demetler düşünüldüğünde 77 pC yüklü bu yapılar için pik paketçik akımı hesaplamaları yapılmıştır. Paketçik uzunluğu hesabı paketçiklerin ışık hızı ile hareket ettikleri varsayılarak basit bir hesap ile 0.5 ps için 2.4 x 10-3 m ve 8 ps için 1.5 x 10-4 m olarak hesaplanmış ve bu değerler ile pik paketçik akımı 0.5 ps’lik yapılar için 65.48 A ve 8 ps’lik yapılar için 4.093 A olarak hesaplanmıştır. Paketçik yükünün 77 pC olması ve TARLA tesisindeki paketçiklerin 13 MHz tekrarlama frekansına sahip olması sayesinde ise 1.001 mA değerinde ortalama akıma sahip demetler elde edilebilineceği Denklem (5) ile hesaplanmıştır. Bu analitik hesaplamaların yanı sıra elektron demet hattının en önemli parçalarından olan enjektör sistemi PARMELA isimli benzetim programı ile analiz edilmiştir. PARMELA, bir demet hattının tasarımında kullanılacak pekçok çeşitli hızlandırma ve odaklama bileşenlerini ön tanımlı olarak içermektedir. Oluşturulmak istenen demet hattının yapısı, bu ön tanımlı bileşenlerin özelliklerinin istenilen yapınınkine göre programlanması ile kullanıcının üzerinde çalışacağı demet hattı tanımlanabilmektedir. PARMELA programında parçacıkların takip edilmesi için kullanılan koordinat sistemi 6 eksenlidir. Bunlardan üçü; yatay (x), dikey (y) ve boyuna (z) eksenlerdir. Diğer üçü ise boyutsuz momentum koordinatları olan x , y , ve z dir [9, 10].

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 7-14, 2015

Türk hızlandırıcı merkezi (THM) T.A.R.L.A. tesisi serbest elektron lazeri demet parametreleri hesaplamaları ve enjektör benzetim çalışmaları

M. Şekerci, S. Özkorucuklu

4. TARTIŞMA VE SONUÇ (DISCUSSION AND CONCLUSION)

THM TARLA SEL tesisi için gerçekleştirilen bu çalışmada, parametre tanımlamaları yapılarak hesaplamalar tamamlanmış ve kurulacak olan tesisin donanımlarına uygun olan elektron demet parametreleri Tablo 1.’de ışınım demet parametreleri ise Tablo 2.’de sunulmuştur. Bu parametre çalışmalara ek olarak, TARLA SEL tesisinde kullanılacak olan serbest haldeki elektron demetlerinin üretilip paketlendiği yapı olan enjektör sistemi için PARMELA benzetim çalışmaları yapılmıştır. Tablo 1. Elektron demet parametreleri (Electron beam parameters)

Parametreler Enerji (MeV) Paketçik Yükü (pC) Ortalama Demet Akımı (mA) Mikro Demet Tekrarlama Oranı (MHz) Makro Demet Devam Süresi (µs) Makro Demet Tekrarlama Oranı (Hz) Paketçik Uzunluğu (ps) Norm. RMS Enine Yayınım (mm mrad) Norm. RMS Boyuna Yayınım (keV.ps)

Değerleri 15 – 38.5 80

Bu grafikte görüldüğü gibi normalize olmamış Z-Zp yayınımını simgeleyen Zun değerinin, demetin ilerleme ekseni üzerinde 107–166 cm aralığında Xun ve Yun’dan büyük olması, demetin ilerleme ekseninde yayınımının arttığı ve buna bağlı olarak da fiziksel büyüklüğünün küçüldüğünü göstermektedir. Bu durum, demetin ilerleme ekseninde bu artışın görüldüğü noktada bulunan 260 MHz’lik alt harmonik paketleyicinin etkisi ile gerçekleşmektedir [11].

1.0 13 – 26 10 – Sürekli Mod 1 – Sürekli Mod 0.5 – 8 < 12 < 40

Şekil 1. Xun- Z, Yun-Z, Zun-Z grafiği (Graphic of Xun- Z, Yun-Z, Zun-Z)

Tablo 2. Işınım demet parametreleri (Radiation beam parameters)

Parametre

U 25

U 90

Dalga Boyu (µm) Micro Atma Tekrarlama Oranı (MHz) Maksimum Tepe Gücü (MW) Ortalama Güç (W) Maksimum Atma Enerjisi (µJ) Atma Uzunluğu (ps)

3 – 19

18 – 250

~ 2.5

0.1 – 40

0.1 – 30

~ 10

~ 8

1 – 10

Yapılan benzetim çalışmalarının yorumlandığı grafiklerde, hareket ekseni kabul edilen z ekseni yatay eksen olarak atanmış iken, dikey eksende normalize ve normalize olmayan yayınım, enine rms büyüklüğü ile rms paketçik uzunluğu ve ortalama enerji gibi değerler SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 7-14, 2015

atanmıştır. Tüm grafiklerde yatay eksen, aynı zamanda demetin ilerleyişini gösterdiği için zaman ekseni olarak da kabul edilebilir. Şekil 1 ile gösterilen grafikte Xun normalize olmamış XXp yayınımını, Yun normalize olmamış Y-Yp yayınımını ve Zun normalize olmamış Z-Zp yayınımını temsil etmektedir. Normalize olmamış yayınım; demetin momentumu ile ters orantılıdır. Demetin momentumu arttığı sürece yayınım değeri düşecek dolayısıyla demetin fiziksel büyüklüğü de azalacaktır.

Şekil 2’de gösterilen ve aynı eksenler için normalize olmuş yayınımın şekillendirildiği grafikte ilerleme ekseni üzerinde Şekil 1 ile aynı noktalarda atmalar olduğu görülmektedir. Şekil 1’de ve Şekil 2’de gösterilen iki grafik arasındaki en önemli farkı ise; Z–Zp eksenlerindeki yayınımın normalize ve normalize olmayan durumlardaki büyüklük farklarıdır. Bunun nedeni; bu yayınımların tanımlarıyla alakalıdır. Normalize yayınım, normalize olmayan yayınımın beta ve gamma Lorentz faktörleri ile çarpımı ile elde ilişkilidir ve demetin momentumu ile doğrudan bir orantı içinde olmayıp, demet enerjisinin bir fonksiyonu olarak değerlendirilmemektedir. Bu nedenle, Şekil 1 ve Şekil 2’de gösterilen grafiklerde, demetin ilerleme ekseni üzerinde SHB (Subharmonic Buncher–Altharmonik Paketleyici)’nin bulunduğu noktadaki sayısal büyüklükler farklı olarak gözlemlenmektedir. 11

Türk hızlandırıcı merkezi (THM) T.A.R.L.A. tesisi serbest elektron lazeri demet parametreleri hesaplamaları ve enjektör benzetim çalışmaları

M. Şekerci, S. Özkorucuklu

Şekil 2. Xn- Z, Yn-Z, Zn-Z grafiği (Graphic of Xn- Z, Yn-Z, Zn-Z)

Şekil 3 ile gösterilen grafikte Xrms olarak ifade edilen büyüklük demetin x eksenindeki büyüklüğünü ve Yrms ise benzer şekilde y eksenindeki büyüklüğünü ifade etmektedir. Her iki büyüklükte mm cinsinden tanımlanmıştır. Grafikten de görüldüğü gibi; elektron tabancasında parçacıkların üretilmesinden itibaren tüm tanımlı demet hattı boyunca x ve y eksenlerinde demetin büyüklüğü eşit olarak artmakta veya azalmaktadır. Bunun nedeni, demet hattı üzerindeki elemanların, kuadropoller gibi demeti bir eksende şekillendirmek amacıyla kullanılan elemanlar olmamasıdır. Bu nedenle tanımlı demet hattı boyunca kullanılan elemanlar demeti eşit oranda açıp kapatmakta yani büyütüp küçültmektedir. Bu durumdan demetin şekli x ve y eksenlerinde birlikte değişecektir ve benzetim sonucunda beklenen bu durum Şekil 3 ile gösterilmiştir.

Şekil 4. Xn- Z, Yn-Z, Zn-Z grafiği (Graphic of Xn- Z, Yn-Z, Zn-Z)

Yapılan bu benzetim çalışması ile elde edilen verilerden; ifade edilen eksenlerdeki normalize olmayan yayınımları belirten Xun, Yun ve Zun; benzer şekilde ifade edilen eksenlerdeki normalize yayınımı ifade eden Xn, Yn ve Zn; ve demet boyutunu rms olarak ifade eden Xrms, Yrms ve Zrms ile ortalama enerji değerini ifade eden kE; demetin ilerleme ekseninde benzetim programı tarafından kullanılan referans parçacığın konumuna göre demet hattında tanımlı olan bazı elemanların başlangıç, orta ve sonuç noktalarında sahip oldukları değerleri içerecek şekilde elde edilerek gerekli hesaplamalarda kullanılmak üzere arşivlenmiştir. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGMENT) Yazarlar, HZDR araştırma merkezi Radyasyon Fiziği ile ELBE birimlerine, 3403-YL1-12 nolu BAP projesi için Süleyman Demirel Üniversitesi’ne ve Türk Hızlandırıcı Merkezi ekibine teşekkür ederler. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] [2]

[3]

Şekil 3. Xn- Z, Yn-Z, Zn-Z grafiği (Graphic of Xn- Z, Yn-Z, Zn-Z)

İlerleme ekseni boyunca demet hattı elemanlarından yalnızca Tesla kavitesinin bulunduğu bölgede demete enerji aktarımı yapılabilecektir. Bunun nedeni, diğer demet hattı elemanlarının demeti sadece şekillendirmek ve yapılandırmak için kullanılıyor olmasından ve karakteristik özelliklerinden dolayıdır [11]. Şekil 4’de gösterilen grafik bu durumu ifade etmektedir. 12

[4]

[5]

[6]

Marshall, T. C. (1985) Free-Electron Lasers, New York, Macmillan Pub. Co. Saldin, E. L., Schneidmiller E. A., Yurkov, M. V. (2000) The Physics of Free Electron Lasers, Heidelberg: Springer Yavaş, Ö. (2005) “Türk Hızlandırıcı Merkezi projesi: Geçilen ve Kalan Yolun Haritası” 23. Ulusal Fizik Kongresi, Bodrum. Yavaş, Ö. (2004) “Türk Hızlandırıcı Kompleksi Projesi. II. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi”, Ankara. Wille, K. (1996) The Physics of Particle Accelerators; An Introduction, New York: Oxford University Press. Nguyen, D. C., Russell, S., Moody, N. (2009) Free Electron Lasers – Theory and Practice, USPAS 2009, Los Alamos National Laboratory, New Mexico.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 7-14, 2015

Türk hızlandırıcı merkezi (THM) T.A.R.L.A. tesisi serbest elektron lazeri demet parametreleri hesaplamaları ve enjektör benzetim çalışmaları

M. Şekerci, S. Özkorucuklu

[7] [8]

[9]

[10]

[11]

Dattoli, G., Renieri, A. (1997) Free Electron Lasers, Italy: Elsevier. Özkorucuklu, S., Aksoy, A. (2011) The Technical Design Report of Turkish Accelerator and Radiation Laboratory at Ankara (TARLA-TDR), Ankara. Young, L.M. (2004) Parmela, Los Alamos National Laboratory report, LA-UR-96-1835, California. Young, L.M., Billen, J.H. (2003) The Particle Tracking Code Parmela, Proceedings of the 2003 Particle Acceleration Conference. Portland, Oregon. Aksoy, A. (2014) Özel görüşme.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 7-14, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

Bulanık −

diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi Halenur Soysal1*, Semra Boran2

17.04.2014 Geliş/Received, 06.06.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Süreç yeterlilik analizi, müşteri ihtiyaçlarını karşılamak için sürecin yeteneğini değerlendiren bir istatistiksel süreç kontrol tekniğidir. Ancak, gözlemlerin ve spesifikasyon limitlerinin dilsel ifadeler içerdiği veya kesin değerler olarak ifade edilemediği durumlarda, geleneksel yeterlilik indisleri yanıltıcı sonuçlara sebep olabilir. Bu çalışmada, daha detaylı ve esnek analiz sağlanması için bulanık sayılar kullanılmıştır. Bu amaçla, bulanık gözlem değerlerine sahip bir sürecin bulanık mantıkla analizi yapılmıştır. Bulanık kontrol diyagramlarıyla sürecin kontrol durumu test edilmiş, bulanık spesifikasyon limitleri ile sürecin yeterlilik indisleri hesaplanmıştır. Bu çalışmada, süreç yeterlilik indisinin aldığı üçgensel bulanık değere göre, süreç “yeterli-yetersiz” ifadelerine ek olarak süreç “kısmen yeterli-kısmen yetersiz” gibi kararlar da mümkün kılınmıştır. Süreç yeterliliğinin yorumlanması için “Direkt Bulanık Yaklaşım” esas alınarak bazı bulanık kurallar önerilmiş ve uygulanmıştır. Anahtar Kelimeler: süreç yeterlilik analizi, kontrol diyagramları, bulanık kurallar, üçgensel bulanık sayılar

Fuzzy process capability analysis by using fuzzy −

control charts

ABSTRACT Process capability analysis, which assesses the ability of a process to meet customer needs, is a statistical process control technique. However, when measurements and specification limits have linguistic definitions or cannot be defined with crisp numbers, traditional capability indices would cause misleading results. In this study, fuzzy numbers are used to provide more flexible and deep analyses. For this aim, a process with fuzzy measurements is analyzed with fuzzy logic. Control situation of the process is tested by fuzzy control charts, and capability indices are calculated based on fuzzy specification limits. Regarding triangular fuzzy numbers of the capability indices, this study makes “rather capable-rather incapable” statements possible in addition to “capable-incapable”. On the basis of “Direct Fuzzy Approach”, some fuzzy rules are proposed and applied to interpret the capability of the process. Keywords: process capability analysis, control charts, fuzzy rules, triangular fuzzy numbers

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği Bölümü, Sakarya - halenursoysal@gmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği Bölümü, Sakarya- boran@sakarya.edu.tr

H. Soysal, S. Boran

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Müşterinin istediği spesifikasyonlarda üretim yapılabilmesi için, şirketlerin kurdukları süreçleri sürekli kontrol etmesi ve yüksek performanslı istikrarlılık sağlaması gerekir. Bu amaçla, örnekleme yapılarak periyodik ölçümlerle kalitenin sürekli izlenmesi ve kontrolüne yardımcı olan istatistiksel süreç kontrol teknikleri geliştirilmiştir. İstatistiksel süreç kontrolü değişimin özel nedenlerini ortadan kaldırarak süreci sürekli kontrol altında tutmayı amaçlar. Süreçteki değişkenlikleri tespit etmenin bir yolu kontrol diyagramlarıdır. Kontrol diyagramları, belirli ve eşit zaman aralıklarında örneklemlerden elde edilen değerlerin zaman içindeki değişimlerinin gösterildiği grafiklerdir [1]. İstatistiksel süreç kontrolüyle kararlı ve kontrol altında olan bir sürecin performansı ve gelecekteki durumu hakkında tahminler yapılabilir. Sürecin değişkenliğini ölçmede, istenen spesifikasyonlarda üretim sağlamada sürecin potansiyel ve gerçek yeteneği süreç yeterlilik analizi ile ölçülebilir. Süreç yeterlilik analizi, bir bakıma istenen spesifikasyonlarla sürecin doğal değişkenliği arasındaki ilişkinin derecesidir, sürecin istenen spesifikasyonları karşılamadaki yeterliliğidir. Süreç yeterlilik analizi yapılırken sürecin yeterliliği süreç yeterlilik indisleriyle özetlenir. Sürecin yeterli denebilmesi için, analizin başında belirlenen süreç yeterlilik değerine göre sürecin geleceği hakkında kararlar alınır, gerekli düzenleme ve iyileştirmeler yapılır. Normal dağılıma uyan veya benzeyen bir sürecin etkili ve doğru şekilde yeterliliğinin ölçülebilmesi için sürecin istatistiksel olarak kontrol altında olması gerekir. Kararlılık veya sürecin istatistiksel kontrolü süreç yeterlilik indislerinin doğru tercüme edilmesinde önemli rol oynar. Süreç kontrol altında değilse, parametreler de sabit olmayacaktır ve bu parametrelerin gelecekteki değerleri de belirsiz olacaktır [2]. İşletmelerde her bir süreçten çıkan parçaların kalite kontrolü yapılırken, ölçüm sisteminden ya da işçi faktöründen kaynaklanan bazı ölçüm hataları olabilmektedir. Sürecin performans ve yeteneğinin analizi yapılırken, bu ölçüm hataları dikkate alınarak gözlem verilerinin belirsiz ifadeler içermesi analizin yapılmasında sıkıntılara yol açabilmektedir. Belirsizlik altındaki durumlarda karar analizleri genellikle olasılık teorisi ve/veya bulanık kümeler teorisi kullanılarak yapılmaktadır. Zadeh [3] tarafından geliştirilen bulanık kümeler teorisi, ne rassal ne de stokastik olan insanın zihinsel yapısından kaynaklanan belirsizliğin modellenmesinde mükemmeldir [4]. Bu çalışmada, bulanık gözlem değerlerine sahip bir sürecin kontrol altında olup olmadığının belirlenmesinde 16

Bulanık ̅ −

diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

bulanık kontrol limitlerine sahip kontrol diyagramları kullanılmıştır. Kontrol diyagramları oluşturulurken, bulanık kontrol limitleri ve örneklem değerleri klasik sayılara dönüştürülmeden bulanık sayılar olarak değerlendirilmiştir. Böylece bulanık sayıların taşıdıkları bilgilerin kaybolması önlenmiştir. Sonrasında süreç yeterliliği, bulanık spesifikasyon limitleri üzerinden yeterlilik indisleri aracılığıyla analiz edilmiştir. Bu analiz yapılırken bu çalışmada geliştirilen bulanık kurallar kullanılmıştır. Genelde bulanık süreç yeterlilik analizi, literatürdeki çalışmalarda bulanık değerlerin temsili değerlere dönüştürülmesiyle ya da elde edilen bulanık yeterlilik indislerinin kalite uzmanlarının yorumuna bırakılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Ancak bulanık sayılar temsili değerlere dönüştürüldüğü zaman taşıdığı bilgileri kaybetmektedir. Bu da, kalite uzmanlarının süreç yeterliliğini yanlış veya eksik değerlendirmelerine neden olabilmektedir. Bu değerlendirmedeki belirsizlikler, sürecin yeteneği hakkında doğru karar verilmesini zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada, bulanık sayıların klasik sayılara dönüştürülmeden kullanılmasına olanak tanıyan “Direkt Bulanık Yaklaşım” [4] esas alınarak, süreç yeterliliğinin yorumlanmasında kullanılmak üzere yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu yaklaşımla, bulanık elde edilen süreç yeterlilik indislerinin, bulanık kurallar yardımıyla temsili değerlere dönüştürülmeden incelenmesiyle yeterlilik analizine farklı bir bakış açısı getirilmiş ve literatürdeki eksiklik kapatılmaya çalışılmıştır. Süreç yeterlilik indisleri için geliştirilen bu kurallar; yeterlilik indisinin aldığı üçgensel bulanık değeri baz alarak, süreç “yeterli” ya da “yetersiz” gibi katı ifadelerden ziyade, süreç “kısmen yeterli” ya da süreç “kısmen yetersiz” gibi ara ifadeleri de mümkün kılmaktadır. Bu şekilde, bulanık gözlem değerlerine ve spesifikasyon limitlerine sahip süreçlerin daha esnek ve doğru olarak yeterliliğinin tespit edilmesi amaçlanmıştır. Bölüm 2’de geleneksel kontrol diyagramları ve süreç yeterlilik analizi, Bölüm 3’te bulanık kontrol diyagramları ve bulanık süreç yeterlilik analizi anlatılmıştır. Bölüm 4’te bulanık gözlem değerlerine sahip bir sürecin bulanık yeterlilik analizi uygulaması yapılmıştır. Bölüm 5’te bu analizin sonuçları ve gelecek çalışma önerilerinden bahsedilmiştir. 2. GELENEKSEL KONTROL DİYAGRAMLARI VE SÜREÇ YETERLİLİK ANALİZİ (TRADITIONAL CONTROL CHARTS AND PROCESS CAPABILITY ANALYSIS)

̅ diyagramı belirli bir zaman aralığında süreçteki her bir örneklemin ortalamasının ana kütle ortalaması içerisindeki değişimlerinin gözlenmesinde kullanılır. R değişim aralığı diyagramıdır ve her bir örneklemin SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

Bulanık ̅ − diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

H. Soysal, S. Boran

içindeki en büyük ve en küçük değerin farkının, ana kütle değişim aralığı ortalamasına göre değişkenliğinin izlenmesinde kullanılır. ̅ − kontrol diyagramları, kalite karakteristiğinin ortalamasını oluşturan bir orta çizgi (merkez çizgisi-MÇ) ile sürecin sınırlarını belirten alt kontrol limiti (AKL) ve üst kontrol limitinden (ÜKL) oluşur. Süreçten alınan herhangi bir örneklem bu limitlerin dışına çıktığında süreç kontrol dışındadır. Denklem (1)-(8) ̅ ve diyagramları için kontrol limitlerini, süreç ortalamasını ve standart sapmasını göstermektedir. Ü

= ̿+ Ç̅= ̿ ̅ = ̿ −

(1) (2) (3)

= Ç =

(4) (5)

(6) (7)

= ̿ σ=

(8)

Sürecin istatistiksel olarak kontrol altında olduğu belirlendikten sonra, sürecin potansiyel ( ) ve gerçek ( ) yeterlilik indisleri hesaplanır. basit olarak, spesifikasyon genişliği ile altı sigma genişliğinin ilgisinin bir ölçüsüdür (Denklem 9). Dolayısıyla bu indeks, sürecin merkezlenmesi ile ilgilenmemektedir. Süreçlerin durumunu daha sağlıklı bir şekilde ifade edebilmek için yeni bir süreç yeterlilik oranının dikkate alınması gerekmektedir [5]. Bu yeni oran ile gösterilir (Denklem 12). =

(9)

indisi sürecin hem yayılımını hem de süreç ortalamasının hedef değerden sapmasını kontrol ederek sürecin spesifikasyonlar arasında gerçekleşen performansını özetler. alt spesifikasyon limitindeki (ASL), üst spesifikasyon limitindeki (ÜSL) süreç yeterliliğini hesaplayarak sürecin spesifikasyon limitlerinin ortasında merkezlenip merkezlenmediğini belirler (Denklem 10-11). Süreç ortalaması merkezden kayma gösterdiğinde ürünler spesifikasyon limitlerine yakın üretilecek, kusurlu ürün oranı da artacaktır. Çoğu süreçlerde sürecin spesifikasyonların tam orta noktasında merkezlenmesi çok zordur, ancak yine de sürecin merkezden kayması en az olacak şekilde üretim sağlanmalıdır. Birçok uygulamanın kritikliği ve süreç ortalamasının spesifikasyon genişliğinin orta noktasında sürekliliğini sağlayamayacak olması, devam eden süreçler için süreç yeterlilik değerinin en az 1.33

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

olmasını gerektirmiştir [6]. Sonuç olarak ve ’nin 1.33’’ten büyük olması durumunda proses yeterliliği sağlanmış olduğundan İPK(istatistiksel proses kontrol)’nin “yetenek oluşturma” fazı bitirilmiş, “yeteneğin korunması” aşamasına geçilmesi için gerekli ortam sağlanmış olacaktır [7]. = =

(10) Ü

= min {

(11) ,

}

(12)

Kararlı ve iyi bir sürecin yeterlilik hesaplamasında = olması gerekir. Bu eşitlik sürecin spesifikasyonları aynı oranda kullandığını ve spesifikasyonların ortasında merkezlendiğini gösterir [8]. < olduğunda ise sürecin ortalamasının merkezlenmediği anlaşılır. 3. BULANIK KONTROL DİYAGRAMLARI VE BULANIK SÜREÇ YETERLİLİK ANALİZİ (FUZZY CONTROL CHARTS AND FUZZY PROCESS CAPABILITY ANALYSIS)

Kontrol şemalarının sürecin genel davranışını örnekleme esasına dayanarak göstermesi, süreçten alınan örneklerin çok hassas ölçü aletleriyle yapılamaması ya da ölçüm sonuçlarının işçi farklılıklarına göre değişmesi gözlem değerlerinin kesin olmayan yaklaşık değerler ifade etmesine sebep olacaktır. Bu belirsiz değerler, geleneksel Shewart kontrol diyagramlarının [9], sürecin kontrol altında olduğunu belirlemesi açısından yetersiz kaldığını göstermektedir. Bu yetersizliği gidermek amacıyla, bulanık küme teorisinin kullanıldığı, daha hassas istatistiksel süreç kontrolü sağlayan bulanık kontrol diyagramları geliştirilmiştir. Son yıllarda geliştirilen bulanık kontrol diyagramları sayesinde geleneksel kontrol diyagramları kesin sınırlarından arındırılmıştır. Kontrol diyagramlarında bulanık kümelerin kullanımı Wang ve Raz [10] ve Raz ve Wang [11] ile önem kazanmıştır. Bu çalışmalarda kontrol diyagramlarına olasılık ve üyelik yaklaşımlarını kazandırmış, dilsel verilere sahip kontrol diyagramlarının klasik kontrol diyagramlarına göre daha hassas olduğunu tespit etmişlerdir. Ancak kullandıkları modelde bulanık verileri temsili değerlere dönüştürdükleri için bulanık veriler taşıdıkları önemi kaybetmiştir. Gülbay ve Kahraman [4] kontrol diyagramlarına alternatif bir yaklaşım geliştirmişlerdir. “Direkt Bulanık Yaklaşım” ile, mevcut kontrol şeması modeli α-kesimle geliştirilerek bulanık veriler temsili değerlere dönüştürülmeden bulanık ortamda değerlendirilmiştir. Böylece bulanık verilerin taşıdığı özelliklerin kaybolması önlenmek istenmiştir. Yakın zamandaki çalışmalardan Şentürk ve Erginel [12] α-kesim kullanarak bulanık ̅ − ve ̅ − kontrol diyagramlarını geliştirmişlerdir. Böylece klasik kontrol 17

Bulanık ̅ −

H. Soysal, S. Boran

limitlerinin esnekliğini artırmışlardır. Kaya ve Kahraman [13] bulanık gözlem değerlerine sahip süreçlerin istatistiksel kontrol altında olup olmadığının belirlenmesi için bulanık kontrol diyagramlarını yeniden düzenlemişlerdir. Bu çalışmalarında, bulanık ̅ − diyagramı üzerinde üçgensel ve yamuksal bulanık sayılar kullanarak bulanık orta ve bulanık kural yaklaşımlarını geliştirmişlerdir. Süreç yeterlilik indisleri, spesifikasyonların 6σ süreç doğal yayılımı tarafından ne kadarının kullanıldığını gösterir. Ancak geleneksel süreç yeterlilik indisleri, süreçten alınan örneklerin, spesifikasyon limitlerinin ve varyansın bulanık değerler olduğu durumlarda daha detaylı ve esnek analiz konusunda yetersiz kalmaktadır. Bu eksikliği gidermek amacıyla, süreç yeterlilik indisleri üzerinde bulanık küme teorisi geliştirilmiştir. Literatürde bulanık küme teorisinin kullanıldığı birçok yeterlilik indisi çalışmaları bulunmaktadır. Lee [14] gözlem değerleri bulanık sayılarken bulanık yeterlilik indisi ’yı değerlendirmiştir. Parchami vd. [15] spesifikasyon limitleri üçgen bulanık sayılarken bulanık süreç yeterlilik indislerini önermiş ve bulanık süreçleri karşılaştırmışlardır. Parchami vd. [16] süreç yeterlilik indisi için bulanık güven aralıklarını tanımlamışlardır. Parchami ve Mashinchi [17] Buckley tarafından geliştirilen bulanık tahmin yaklaşımı üzerine bir algoritma geliştirmişlerdir. Chen ve Chen [18] bulanık çıkarsama yöntemi kullanarak süreç yeterlilik indislerini incelemişlerdir. Kaya ve Kahraman [19] Buckley’in tahmin yaklaşımını kullanarak spesifikasyon limitleri ve varyansın bulanık olması durumunda ve indekslerini verecek üyelik fonksiyonlarını üçgen ve yamuk bulanık sayılar için elde etmişlerdir. Kaya ve Kahraman [20] süreç yeterlilik indislerini bulanık altı sigma yaklaşımı çerçevesinde değerlendirmişlerdir. Chen vd. [21] süreç yeterlilik indisini bulanık verilerle güven aralıkları kullanarak değerlendirmişlerdir. Abdolshah vd. [22] süreç yeterlilik indisini bulanık verilerle güven aralıkları kullanarak değerlendirmiş, diğer bulanık yeterlilik indisleriyle sonuçlarını karşılaştırmışlardır. Abdolshah [23], Taguchi kayıp fonksiyonunu ve süreç yeterlilik indisini entegre etmiş, sonuçları bulanık olarak değerlendiren yeni bir Taguchi kayıp tabanlı bulanık süreç yeterlilik indisi geliştirmiştir. Literatürde bulanık verilere sahip süreç yeterlilik indislerinin geliştirilmesi konusunda birçok çalışma mevcutken sürecin yeterli-yetersiz kararının verilmesine ilişkin yöntemler geliştirilmemiştir. Çoğunlukla bulanık süreç yeterlilik analizi, bulanık değerlerin temsili değerlere dönüştürülmesiyle gerçekleştirilmiştir ya da sürecin yeterli-yetersiz kararı çalışmayı yapan kişi ve kalite uzmanlarının yorumuna bırakılmıştır. Bu yüzden, 18

diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

bulanık veriler taşıdığı bilgileri kaybederek anlamını yitirmektedir. Halbuki sürecin yeterlilik indislerinin bulanık sayılar olarak elde edilmesiyle, bu değerleri yorumlamada sıkıntı oluşturabilecek bazı durumlar söz konusudur. Bu durumlar: bulanık verileri durulaştırma ya da dönüştürme işlemiyle temsili değerler elde ederek bilgi kaybı oluşumu, farklı durulaştırma yöntemlerinin farklı sonuçlar vermesi, örneğin Ü ( , , ) ile gösterilen üçgensel bulanık süreç yeterlilik oranının bulanık sayı genişliğinin büyük olması (c ve a’nın farkının), bulanık süreç yeterlilik oranı içerisinde hem yeterli hem yetersiz denebilecek değerler bulunmasıdır. Bu durumlar üçgensel ve yamuksal sayılar için ortak problemlerdir. Örneğin, Ü ( , , ) ile gösterilen bulanık sayı genişliği içerisinde, yeterlilik sınırı olan 1.33 değerinin altında kalan ve 1.33 değerini aşan ve değeri olabilir. Aynı zamanda bu bulanık sayı, yapılan dönüştürme işlemine göre aldığı temsili değer 1.33’ü geçemeyebilir. Bu durumda analizi yapan kişi, süreç hem “yeterli” hem “yetersiz” gibi bir durum söz konusu olduğundan, sürecin yeterliliğini yorumlamada güçlük çekecektir. Bu sıkıntıları gidermek için, bu çalışma kapsamında bulanık sayıların klasik sayılara dönüştürülmeden kullanılmasına olanak tanıyan “Direkt Bulanık Yaklaşım” [4] esas alınarak, süreç yeterliliğinin yorumlanmasında kullanılmak üzere yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu yaklaşımla, bulanık elde edilen süreç yeterlilik indislerinin, bulanık kurallar yardımıyla temsili değerlere dönüştürülmeden incelenmesiyle yeterlilik analizine farklı bir bakış açısı getirilmiş ve literatürdeki eksiklik kapatılmaya çalışılmıştır. 3.1. Üçgen Bulanık Sayılar İçin Bulanık Kontrol Diyagramları (Fuzzy Control Charts For Triangular Fuzzy Numbers)

Gözlem değerleri bulanık olan süreçlerde örnek ortalamaları ve değişim aralığı Denklem (13-14)’teki gibi hesaplanır [13]. Alt grup büyüklüğü olan, adet ̅ ve değeri hesaplanmış olacaktır. Her bir gözlem ( , , ) şeklinde üçgen bulanık sayılara (ÜBS) ) değeri her bir dönüştürülür. ( , , örneklem grubunun içinde bulunan en büyük gözlem ) değeri ise her bir örneklem değerini, ( , , grubunun içinde bulunan en küçük gözlem değerini göstermektedir. Ölçülen değerler arasında kıyaslama yapabilmek için bir bulanık sıralama yöntemi kullanılmalıdır. ̅= Ü

∑

= [( ( ,

∑

), (

− ,

∑

)

=Ü

( ,

−

), (

)

(13)

−

)] = (14)

adet örneklem grubu incelendikten sonra sürecin genel ortalamaları Denklem (15)-(16) ile hesaplanacaktır [13]. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

Bulanık ̅ − diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

H. Soysal, S. Boran

, ∑

̿=

∑

, ,

∑

=Ü

( ,

=Ü

( ̅, ̅, ̅)

∑

)

(15) (16)

⎨ ⎪ ⎪ ⎩

Ü Ü

= ̿+ =( + ̅, ̅)=Ü Ü ,Ü ,Ü

̅,

)=Ü

(17) Ç ,

Ç ,

=( ̅

, ̅

( − ( − ( − ( − ( − ( −

̅)≥0 ̅)<0 ̅)≥0 (20) ̅)<0 ̅)≥0 ̅)<0

, ̅ ,

)= (21)

=( ̅, ̅, ̅)=Ü

3.1.1. ,

=( ̅ , ̅ ,Ü ,Ü

= Ü Ç =

ğ ğ ğ ğ ğ ğ

kontrol diyagramı için;

̅ kontrol diyagramı için [13];

Ç ̅= ̿=( ,

= − ̅ , = 0, − ̅ , = 0, − ̅ , = 0,

⎧ ⎪ ⎪

Kontrol limitleri analize esneklik katması açısından bulanık olarak hesaplanır (Denklem 17-23). Bazı durumlarda, ortalama diyagramında AKL’nin sıfırın altında bulunduğu tecrübe edilmiştir, Denklem (20) bu durum gerçekleştiğinde AKL’nin ne alınması gerektiğini ifade etmektedir. Süreç kontrol altında olduğu zaman sürecin yeterliliğinin analizine geçilebilir.

Ç , , ̅

Ç ,

(22)

)= (23)

Sürecin Bulanık Kontrolü (Fuzzy Control of

Process)

(18) =( ,

= ̿− ̅)=Ü ̅

−

̅,

−

̅,

Bu çalışmada, süreç kontrolünde durulaştırmayla bilgi kaybını önlemek için literatürde bulunan “bulanık kural metodu” kullanılmıştır (Denklem 24-25) [13]. Denklem (26)’da ÜBS’de tanımlanmış bulanık kurallar için sağlanan kontrol ifadeleri bulunmaktadır. örneklem genişliğinin ne oranda kontrol limiti dahilinde kalması gerektiğini gösteren bir sabittir. Bu oran her çalışmaya göre 0 ≤ < 1 arasında farklılık gösterebilir.

−

(19)

̅ diyagramı için kontrol kuralları [13]:

1, ğ ⎧ ⎪0, ğ ⎪ Ü ⎪ 1− ( , ğ ) ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

1− 1−

Ü (

)

(

,1 −

) (

, ğ )

, ğ

≤Ü

≥

>Ü

(24)

< >Ü

≤Ü

≥

>Ü

diyagramı için kontrol kuralları:

1, ğ ⎧ ⎪0, ğ ⎪ Ü ⎪ 1− ( , ğ ) ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

1− 1−

Ü (

)

(

,1−

) (

, ğ )

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

, ğ

>Ü

(25)

< >Ü

Bulanık ̅ −

H. Soysal, S. Boran

"Kontrol altında", ğ ⎧ ⎪"Kontrol dışında", ğ ⎨ "Kısmen kontrol altında", ğ ⎪ ⎩ "Kısmen kontrol dışında", ğ

=1 ˄

=0 ˅

≥

Sürecin “kontrol altında” olması için her iki diyagram için de kontrol altında olma durumunu sağlaması gerekmektedir. Sürecin “kontrol dışında” denebilmesi için herhangi bir diyagramın kontrol dışında olması gerekmektedir. Sürecin “kısmen kontrol altında” olması için her iki diyagramın kontrol durumu değerinin önceden belirlenmiş kabul edilebilir oran olan değerinden büyük veya değerine eşit olması gerekmektedir. Sürecin “kısmen kontrol dışında” olması için de herhangi bir kontrol diyagramının kontrol durumu değerinin değerinden küçük olması yeterlidir. 3.2. Üçgen Bulanık Sayılar İçin Bulanık Süreç Yeterlilik Analizi (Fuzzy Process Capability Analysis For

(26)

3.2.1. Süreç yeterliliği için bulanık kural metodu (Fuzzy rules method for process capability)

Bulanık süreç yeterlilik indisleri Ü ( , , ) olarak varsayılmıştır. Sürecin hatalı ürün oranı düşük şekilde üretim yapabilmesi ve “yeterli” olarak ifade edilebilmesi için, geleneksel süreç yeterlilik değeri en az 1.33 olmalıdır. Önerilen yeni bulanık kurallar da bu değer baz alınarak geliştirilmiştir. Denklem (35) ÜBS olarak ifade edilen bulanık süreç yeterlilik indisleri için önerilen kuralları göstermektedir. bu çalışma için yeterlilik indisini değerlendirmek amacıyla tanımlanmış olan bir simgedir.

Triangular Fuzzy Numbers)

Bulanık süreç yeterlilik indisi olan değeri hesaplaması için gerekli olan ASL ve ÜSL “civarında, yaklaşık” olarak tanımlanır ve ÜBS olarak ifade edilir (Denklem 27-28). Sürecin bulanık ortalaması ve standart sapması Denklem (29)-(30)’daki gibi hesaplanır [13]. Standart sapma hesaplamasında kullanılan değeri alt grup büyüklüğüne bağlı olarak belirlenen geleneksel kontrol diyagramı sabitidir. Ü

=Ü

(

=Ü

( , , )

= ̿=Ü =

R d2

( , ,

)

(27) (28) )

(29) ( ,

=Ü

)

(30)

Elde edilen sonuçlardan yeterlilik indisinin alması mümkün olan en küçük değer, en çok beklenen değer ve alması mümkün olan en büyük değer görülebilir. Denklem (31)-(34) bulanık , , , indislerini ÜBS olarak hesaplamaktadır. ve değerlerini kıyaslayarak minimum olan değeri bulabilmek için bir bulanık sıralama yöntemi kullanılmalıdır. =

=Ü Ü

=Ü

(31)

(32)

diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

0, ğ 1, ğ .

ğ (

≤ 1.33 ≥ 1.33

> 1.33 ˄

(35)

< 1.33)

Süreç yeterlilik indisleri için bulanık kurallar işlendikten sonra sürecin yeterliliğinin yorumlanması Denklem (36)’daki şekilde yapılır. , bu çalışma için tanımlanmış, yeterlilik değerinin “yeterli” kategorisine dahil olabilmesi için ’nın, 1.33 sınır değerini ne oranda aşması gerektiğini belirten bir sabittir. Bu oran 0 < < 1 arasında farklılık gösterebilir. = "Yeterli", ⎧ ⎪"Yetersiz", ⎨ "Kısmen yetersiz", ⎪ "Kısmen yeterli", ⎩

ğ ğ ğ ğ

=1 =0 < ≥

(36)

Kural-1’de ÜBS olan süreç yeterlilik değerinin 1.33 sınır değerinin altında kaldığı durum gösterilmektedir. Bu durumda süreç “yetersiz” olarak ifade edilir (Şekil 1). Kural-2’de yeterlilik indisinin 1.33 değerini aştığı durum gösterilmektedir. Bu durumda süreç “yeterli” olarak ifade edilir (Şekil 2). Kural-3’te yeterlilik değerinin genişliğinin bir kısmının 1.33 sınır değerinin aştığı durum gösterilmektedir. Bu durumda sürecin yorumlanması yeterlilik indisinin 1.33’ü ne oranda aştığına göre “kısmen yeterli” ya da “kısmen yetersiz” olarak yorumlanabilir (Şekil 3).

(33) (34)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

Bulanık ̅ − diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

Şekil 1. Süreç yeterliliği ÜBS için Kural-1 (Rule-1 of process capability for TFN)

H. Soysal, S. Boran

Şekil 3. Süreç yeterliliği ÜBS için Kural-3 (Rule-3 of process capability for TFN)

4. UYGULAMA (APPLICATION) Uygulamada otomotiv parçaları üreten bir şirketin üretimini yaptığı parçalardan biri olan vites kolunun boy ölçüsü analiz için kullanılmıştır. Vites kolu için ASL 421 mm, ÜSL 423 mm olarak tanımlanmıştır. Tablo 1 vites kolu boy uzunluğunun belirli bir zaman aralığında üretilmiş ve rastgele olarak seçilmiş “yaklaşık” sayısal gözlem değerlerini göstermektedir. Şekil 2. Süreç yeterliliği ÜBS için Kural-2 (Rule-2 of process capability for TFN) Tablo 1. Vites kolu boy ölçüsü değerleri (mm) (Measurement values of gearshift length)

Örnek 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x1 422.070 422.000 422.350 421.900 422.050 422.200 422.140 422.300 422.000 421.970

x2 421.500 422.150 421.780 422.460 422.200 421.480 421.820 422.410 422.050 422.000

Sürecin ilk olarak normal dağılıma uygunluk testi yapılacaktır. Normal dağılıma uygunluğu test etmek için Minitab 16 programında güvenirliği yüksek olan Anderson-Darling normallik testi uygulanmıştır. Minitab 16’da yapılan testin sonucunda p değeri, α=0.05 (%95

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

x3 421.700 422.100 422.170 422.110 422.030 421.780 421.940 421.860 422.190 422.540

x4 422.280 422.170 421.750 422.000 422.250 422.230 421.940 422.480 422.300 422.470

x5 422.400 422.150 422.200 421.990 422.200 422.390 422.100 422.080 422.300 421.740

güvenilirlik düzeyi) değerinden büyük olduğu için sürecin normal dağılıma uygun olduğu söylenebilir (Şekil 4).

Bulanık ̅ −

H. Soysal, S. Boran

diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

Şekil 4. Anderson-Darling normallik testi (Anderson-Darling normality test)

Tablo 1.’deki “yaklaşık” olarak kaydı tutulan gözlem sonuçları 0.005 mm bulanıklık değerine göre Tablo 2.’deki şekilde üçgen bulanık sayılara dönüştürülmüştür.

Bulanıklık değeri, ölçümler yapılırken işçi farklılığı ve ölçümdeki oluşabilecek hata oranı gibi nedenlere bağlı olarak oluşan farklılık değeridir.

Tablo 2. Vites kolu boy uzunluğu ÜBS olarak gözlem değerleri (Measurement values of gearshift length as TFN)

Örnek 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x1 (422.065, 422.07, 422.075) (421.995, 422, 422.005) (422.345, 422.35, 422.355) (421.895, 421.9, 421.905) (422.045, 422.05, 422.055) (422.195, 422.2, 422.205) (422.135, 422.14, 422.145) (422.295, 422.3, 422.305) (421.995, 422, 422.005) (421.965, 421.97, 421.975)

(421.495, 421.5, 421.505) (422.145, 422.15, 422.155) (421.775, 421.78, 421.785) (422.455, 422.46, 422.465) (422.195, 422.2, 422.205) (421.475, 421.48, 421.485) (421.815, 421.82, 421.825) (422.405, 422.41, 422.415) (422.045, 422.05, 422.055) (421.995, 422, 422.005)

(421.695, 421.7, 421.705) (422.095, 422.1, 422.105) (422.165, 422.17, 422.175) (422.105, 422.11, 422.115) (422.025, 422.03, 422.035) (421.775, 421.78, 421.785) (421.935, 421.94, 421.945) (421.855, 421.86, 421.865) (422.185, 422.19, 422.195) (422.535, 422.54, 422.545)

(422.275, 422.28, 422.285) (422.165, 422.17, 422.175) (421.745, 421.75, 421.755) (421.995, 422, 422.005) (422.245, 422.25, 422.255) (422.225, 422.23, 422.235) (421.935, 421.94, 421.945) (422.475, 422.48, 422.485) (422.295, 422.3, 422.305) (422.465, 422.47, 422.475)

(422.395, 422.4, 422.405) (422.145, 422.15, 422.155) (422.195, 422.2, 422.205) (421.985, 421.99, 421.995) (422.195, 422.2, 422.205) (422.385, 422.39, 422.395) (422.095, 422.1, 422.105) (422.075, 422.08, 422.085) (422.295, 422.3, 422.305) (421.735, 421.74, 421.745)

Gözlem değerlerinin ÜBS olarak ifade edilmesinden sonra her bir örneklem grubunun ortalama ve değişim aralığı değerleri Tablo 3’teki şekilde hesaplanır. değerleri hesaplanırken örneklem grupları içerisindeki max ve min ölçüm değerlerini belirleyebilmek için Kwong-Bai durulaştırma yöntemi kullanılmıştır. Toplam satırında gösterilen ortalamalar ̿= Ü (422.0884, 422.0934, 422.0984) ve = 22

Ü (0.53,0.54, 0.55) Denklem yararlanılarak bulunmuştur.

(15)-(16)’dan

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

Bulanık ̅ − diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

H. Soysal, S. Boran

Tablo 3. Ortalama ve değişim aralığı değerleri ile kontrol sonuçları (Average and range values with control results)

Örnek 1

(421.985, 421.99, 421.995)

(0.89, 0.9, 0.91)

(422.109, 422.114, 422.119)

(0.16, 0.17, 0.18)

(422.045, 422.05, 422.055)

(0.59, 0.6, 0.61)

(422.087, 422.092, 422.097)

(0.55, 0.56, 0.57)

(422.141, 422.146, 422.151)

(0.21, 0.22, 0.23)

(422.011, 422.016, 422.021)

(0.9, 0.91, 0.92)

(421.983, 421.988, 421.993)

(0.31, 0.32, 0.33)

(422.221, 422.226, 422.231)

(0.61, 0.62, 0.63)

(422.163, 422.168, 422.173)

(0.2, 0.3, 0.4)

(422.139, 422.144, 422.149)

(0.79, 0.8, 0.81)

(

TOPLAM

)

Her biri bulanık küme olan kontrol limitlerinin arasında, tüm örneklemler için tanımlanmış üyelik fonksiyonunun olabilmesi için, merkez çizgileri (MÇ) süreç ortalamaları olarak alınmamış, kontrol limitleri hesaplandıktan sonra aşağıdaki gibi seçilmiştir. Kontrol diyagramları için oluşturulan bulanık kurallar örneklemlere uygulandığında sürecin kontrol altında olduğu Tablo 3’teki gibi belirlenmiştir. Ü ̅

=Ü

Ç ̅=Ü ̅

(422.3942, 422.405, 422.4158) (421.7818, 422.0934, 422.405)

=Ü

(421.7711, 421.7818, 421.7926)

=Ü

(1.1204, 1.1416, 1.1627)

Ç =Ü

(0.671, 0.681, 0.691)

= (0,0,0) Bulanık süreç yeterlilik analizi yapılırken gerekli olan alt ve üst spesifikasyon limitleri uygulama içerisinde “yaklaşık” olarak ifade edilmiş ve ÜBS olarak gösterilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

)

Kontrol Sonucu

Kontrol altında Kontrol altında Kontrol altında Kontrol altında Kontrol altında Kontrol altında Kontrol altında Kontrol altında Kontrol altında Kontrol altında Kontrol Altında

( .

, .

=Ü

(422.995, 423, 423.005)

=Ü

(420.995,421, 421.005)

Aşağıda ̅ − kontrol diyagramları için hesaplanmış olan bulanık ortalama ve standart sapma değerleri yer almaktadır. =Ü

(422.0884, 422.0934, 422.0984)

=Ü

(0.2279,0.2322,0.2365)

Sürecin spesifikasyon limitleri, ortalama ve standart sapması artık bilindiğine göre, bulanık süreç yeterlilik indisleri hesaplanabilir. =Ü

(1.4026, 1.4358, 1.4702)

=Ü

(1.2639, 1.3017, 1.3409)

=Ü

(1.5273, 1.5699, 1.6142)

değerinin belirlenmesinde bulanık sıralama yöntemlerinden biri olan Kwong-Bai durulaştırma

Bulanık ̅ −

H. Soysal, S. Boran

yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemin sonucuna göre gerçekleşen yeterlilik değeri aşağıdaki gibi belirlenmiştir. =Ü

(1.2639, 1.3017, 1.3409)

Yeterlilik değerlerinin hesaplanmasından sonra, bu çalışmada önerilen süreç yeterliliği için bulanık kural yöntemi uygulanacaktır (Süreç yeterliliğinde = 0.50 olarak belirlenmiştir). Bulanık yeterlilik indisi Ü ( , , ) olarak varsayılırsa, = Ü (1.4026, 1.4358, 1.4702) sayısında x1 değeri 1.33’ten büyük olduğu için potansiyel süreç yeterliliği “yeterli” kabul edilir. = Ü (1.2639, 1.3017, 1.3409) bulanık sayısında x3 değeri 1.33’ten büyük ve aynı anda x1 değeri 1.33’ten . küçük olduğu için oranı tespit edilir. Bu oran = 0.50 değerinden küçük olduğu için süreç “kısmen yetersiz” bulunmuştur. Sürecin performansının yeterli olma potansiyeli vardır; fakat süreç çıktıları süreçten beklenen performansı yeteri kadar gösterememektedir. Özellikle üst spesifikasyon limitini kullanma oranı yüksek olduğu için değeri daha düşük çıkmıştır. Bu da sürecin üst spesifikasyon limitine yakın üretim yaptığı ve kusurlu oranlarının yüksek olabileceği anlamına gelir. Süreç spesifikasyonlar arasında orantılı şekilde dağılmamıştır. Sürecin gelecekteki durum tahmininde, ÜSL’ye yakın şekilde yüksek uygunsuzluk oranıyla üretim yapılabileceği, hatalı ürünü düzeltme maliyetlerinin de buna bağlı olarak yüksek olacağı düşünülmektedir. Daha iyi bir performans için sürecin iyileştirmelere ihtiyacı vardır. Gerekli tedbirlerle süreçteki değişkenlikler azaltılarak sürecin tatmin edici hale gelmesi sağlanabilir.

diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

bulanık sayılar olması analizde daha esnek, daha detaylı bilgi sağlayacaktır. Ayrıca bulanık süreç yeterlilik analizinde, bulanık sayıların üyelik derecelerinin μ = 1 olduğu değerler geleneksel süreç yeterlilik analizinin sonuçlarını göstermektedir. Yani bulanık analiz ile hem klasik analiz gerçekleştirilmiş olur, hem de analiz sonuçlarının alabileceği tüm olası değerler görülmüş olur. Süreç yeterlilik indislerinin bulanık sayılar olarak elde edilmesi, sürecin yeterliliğini değerlendirme konusunda birtakım zorluklara neden olabilmektedir. Bu zorluklar, durulaştırma işlemiyle temsili değerler elde ederek kaybedilen bilgilerden, farklı durulaştırma yöntemlerinin farklı sonuçlar vermesinden, bulanık yeterlilik değerinin bulanık sayı genişliğinin büyük olmasından, bulanık yeterlilik değeri içerisinde hem yeterli hem yetersiz denebilecek değerler bulunmasından kaynaklanabilir. Bu nedenlerden dolayı sürecin tercih edilen yeterlilik değerini karşılayıp karşılamadığı, bu çalışma kapsamında geliştirilen süreç yeterlilik indisleri için oluşturulmuş bulanık kurallar yardımıyla incelenebilir. Bu bulanık kurallar, bulanık verileri klasik sayılara dönüştürmeden bulanık uzayda değerlendirmemize olanak sağlamaktadır. Literatürdeki çalışmalarda çoğunlukla bulanık analiz, bulanık değerlerin temsili değerlere dönüştürülmesiyle gerçekleştirilmiştir, ya da sürecin yeteneğinin kararı kalite uzmanlarının yorumuna bırakılmıştır. Bu çalışmada, bulanık verilere sahip süreç yeterlilik oranlarının değerlendirmesi için geliştirilmiş olan bulanık kurallar ile literatürdeki bu eksiklik kapatılmak istenmiştir. Gelecek çalışmalarda, farklı bulanık kurallar kontrol diyagramları ve yeterlilik indisleri için geliştirilip uygulanabilir, farklı bulanık sayı türleri için yeterlilik analizinde yeni bulanık kurallar geliştirilebilir.

5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) KAYNAKLAR (REFERENCES) İşletmelerde kalite kontrol esnasında çıktı ölçümü yapılırken, ölçüm sisteminden ya da işçi faktöründen kaynaklanan ölçüm hatalarından dolayı gözlem verilerinin bulanık ifadeler içermesi analizin yapılmasında birtakım sıkıntılara yol açabilmektedir. Bulanık ifadelerin kullanıldığı durumlarda geleneksel süreç yeterlilik indislerinin kullanılması pek yerinde bir karar olmayacaktır. Bu durumlardaki eksikliği gidermek amacıyla bulanık süreç yeterlilik indisleri geliştirilmiştir. Süreç yeterlilik analizi için sürecin istatistiksel olarak kontrol altında olması gerekir. Gözlem verileri bulanık ifadeler olduğunda, sürecin istatistiksel kontrol altında olup olmadığı bulanık kontrol diyagramlarıyla belirlenebilmektedir. Sürecin kontrol altında olduğuna karar verildikten sonra, sürecin yeteneği hakkında yorum yapmamızı sağlayan bulanık yeterlilik indisleri hesaplanırken, spesifikasyon limitlerinin ve varyansın 24

[1]

[2] [3] [4]

[5]

[6]

Özdemir, T. (2000) İstatistiksel Kalite Kontrol, Ankara: A.Ü.F.F. Döner Sermaye İşletmesi Yayınları. Montgomery, D. C. (2009) Introduction to Statistical Quality Control: Wiley. Zadeh, L. A. (1965) 'Fuzzy Sets', Information and Control, cilt 8, sayı 3, s. 338-353. Gülbay, M., Kahraman, C. (2008) 'Bulanık kontrol diyagramı modellerinin geliştirilmesi: Direkt bulanık yaklaşım', itüdergisi/d mühendislik, cilt 7, sayı 2, s. 95-105. Kahraman, C., Kaya, İ. (2009) 'Süreç doğruluk indeksi ve bulanık karar ortamında kullanılması', TÜBAV Bilim Dergisi, cilt 2, sayı 2, s. 148-156. Juran, J. M., Godfrey, A. B. (1999) Juran's Quality Handbook, New York : McGraw-Hill. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

Bulanık ̅ − diyagramları kullanılarak bulanık süreç yeterlilik analizi

[7]

[8]

[9] [10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

Durman, B. M., Pakdil, F. (2005) 'İstatistiki proses kontrol için MS Excel'de bir sistem tasarımı', 7. Ulusal Ekonometri ve İstatistik Sempozyumu, 26-27 Mayıs 2005, İstanbul, Türkiye. Kane, V. E. (1986) 'Process capability indices', Journal of Quality Technology, cilt 18, sayı 1, s. 41-52. Shewhart, W. A. (1926) 'Quality control charts', Bell System Technical Journal, s. 593-603. Wang, J-H., Raz, T. (1990) 'On the construction of control charts using linguistic variable', International Journal of Production Research, cilt 28, sayı 3, s. 477-487. Raz, T., Wang, J-H. (1990) 'Probabilistic and membership approaches in the constuction of control charts for linguistic data', Production Planning and Control, cilt 1, sayı 3, s. 147-157. Şentürk, S., Erginel, N. (2009) 'Development of x-R and x-S control charts using α-cuts', Informations Sciences, cilt 179, sayı 10, s. 15421551. Kaya, İ., Kahraman, C. (2011) 'Process capability analyses based on fuzzy measurements and fuzzy control charts', Expert Systems with Applications, cilt 38, s. 3172-3184. Lee, H. T. (2001) 'Cpk estimation using fuzzy numbers', European Journal of Operational Research, cilt 129, s. 683-688. Parchami, A., Mashinchi, M., Yavari, A.R., Maleki, H.R. (2005) 'Process capability indices as fuzzy numbers', Austrian Journal of Statistics, cilt 34, sayı 4, s. 391-402. Parchami, A., Mashinchi, M., Maleki, H. R. (2006) 'Fuzzy confidence interval for fuzzy process capability index', Journal of Intelligent & Fuzzy Systems, cilt 17, s. 287-295. Parchami, A., Mashinchi, M. (2007) 'Fuzzy estimation for process capability indices', Information Sciences, cilt 177, s. 1452-1462. Chen, K. S., Chen, T. W. (2008) 'Multi-process capability plot and fuzzy inference evaluation', International Journal of Production Economics, cilt 111, s. 70-79. Kaya, İ., Kahraman, C. (2008) 'Fuzzy process capability analyses: An application to teaching process', Journal of Intelligent & Fuzzy Systems, cilt 19, s. 259-272. Kaya, İ., Kahraman, C. (2009) 'Air pollution control using fuzzy process capability indices in six-sigma approach', Human and Ecological Risk Assesment: An International Journal, cilt 15, sayı 4, s. 689-713. Chen, C. C., Lai, C. M., Nien, H. Y. (2010) 'Measuring process capability index Cpm with

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 15-26, 2015

H. Soysal, S. Boran

[22]

[23]

fuzzy data', Quality & Quantity, cilt 44, sayı 3, s. 529-535. Abdolshah, M., Yusuff, R. M., Hong, T.S., İsmail, M.Y.B, Sadigh, A. N. (2011) 'Measuring process capability index Cpmk with fuzzy data and compare it with other fuzzy process capability indices', Expert Systems with Applications, cilt 38, s. 6452-6457. Abdolshah, M. (2013) 'A fuzzy Taguchi lossbased process capability index', International Journal of Quality Engineering and Technology, cilt 3, sayı 4, s.303-318.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması Erkan Yavçin1*, Akın Oğuz Kaptı2

08.04.2014 Geliş/Received, 17.06.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Askeri amaçlarla insansız hava aracı (İHA) kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Günümüzde, bu amaçla klasik uçakların tasarım özelliklerine ve görünümüne sahip İHA’lar kullanılmaktadır. Bu özelliklerdeki İHA’ların yerine, kuşlardan alınan ilhamla geliştirilen robotik kuşların kullanılması, daha iyi kamufle olabilen ve uçak ya da helikopter gibi hava araçlarına göre daha verimli ve daha sessiz uçabilen sistemler elde edilmesini sağlayacaktır. Bu çalışmada, kuşların biyomekanik yapısı ve uçma hareketinin kinematik-dinamik özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, bir robotik kuşun tasarım ve analiz çalışmaları yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: robotik kuş, insansız hava aracı (İHA), uçuş biyomekaniği

Biomechanical investigation of flying and an ornithopter design study ABSTRACT The usage of unmanned aerial vehicles (UAV) for military purposes is becoming increasingly common. At present, the UAVs which ishaving the design properties and the appearance of conventional aircrafts are used for this aim. Instead of this kind of UAVs, the usage of robotic birds (ornithopters) developed with the inspiration taken from birds may provide the achievement of the new generation systems which may be better camouflaged and can fly more efficient and quiet in comparison with the conventional air vehicles such as aircraft or helicopter. In this study, the biomechanical structure of the birds and kinematic-dynamic properties of flight have been investigated. In addition, the design and analysis studies of a robotic bird have been conducted. Keywords: robotic bird (Ornithopter), unmanned aerial vehicle (UAV), flight biomechanics

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Sakarya - erkanyavcin@gmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Sakarya - aokapti@sakarya.edu.tr

E. Yavçin, A. O. Kaptı

1. GİRİŞ (INTRODUCTION)

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

2. UÇUŞ BİYOMEKANİĞİ (FLIGHT BIOMECHANIC)

Askeri amaçlarla insansız hava aracı (İHA) kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Bu amaçla, klasik uçak görünümüne ve tasarımına sahip İHA’lar yerine, kuşlardan alınan ilhamla geliştirilen robotik kuşların (ornithopter) kullanılması, daha iyi kamufle olabilen, doğaya rahat adapte olabilen, uçak ve helikoptere göre daha verimli ve daha sessiz uçabilen sistemler elde edilmesi potansiyelini de beraberinde getirecektir. Günümüzde kullanılan uçaklar kuşlardan esinlenerek tasarlanmıştır. Kuşlar üzerinde yapılan yoğun gözlem ve araştırmalar neticesinde elde edilen bilgi birikimi sayesinde uçak tasarımlarının yapılması ve geliştirilmesi mümkün olmuştur. Ancak, klasik uçak ve helikopter tasarımları, özellikle kalkış ve inişlerdeki sınırlamaları, kamufle olamadan uçamamaları ve sesleri nedeniyle İHA amaçlı kullanımlar için çok uygun olmayabilir. Kuşların özelliklerinin kopyalanmasıyla geliştirilecek robotik kuş uygulamaları bu alanda ideal şartlara yakınlaşmayı sağlayacaktır. Bu çalışmada, kuşların biyomekanik yapısı ve uçma hareketinin kinematik-dinamik özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, bir robotik kuşun tasarım ve analiz çalışmaları yapılmıştır. Hava akımının etki ettiği cisimlerde oluşan dinamik basınç neticesinde, vektörel büyüklükler olarak aerodinamik kuvvetler oluşmaktadır. Aerodinamik çalışmalarda, teoriler, formüller, hesaplamalar ve iddia edilenler ile tecrübelere ve deneylere dayalı olarak geliştirilenler şeklinde iki yöntem söz konusu olmaktadır [1]. Festo (Almanya) firmasının geliştirdiği “smartbird” adlı robotik kuş çalışması şekil 1’de verilmiştir. İlgili firmanın tasarladığı robotik kuş, her ne kadar formüller ve hesaplamalar üzerine inşa edilse de, uygulama aşamasında defalarca başarısızlıkla sonuçlanan denemeler söz konusu olmuştur. Bu uzun denemeler neticesinde yapılan düzeltmelerle şu anda doğadaki kuş uçuşunu taklit etmeyi başardıklarını bilim dünyasına duyurmaktadırlar [2].

Şekil 1. Festo (Almanya) firmasının geliştirdiği robotik kuş (The robotic bird developed by Festo company (Germany)) [2]

Şekil 2. Kanat kas ve kemik yapısı (Muscle and bone structure of the wing) [3]

Şekil 2’de kuşun kanat kas ve kemik yapısı detaylı olarak verilmektedir. Bir kanat çırpma hareketinin oluşması için, üst kol kemiği (humerus) ile ön kol kemiği (radius), dirsek kemiğinin (ulna) birleştikleri dirsek, kanadın yukarı kalkışında fileksiyon hareketi yaparak havayı kesmekte ve kanat çırpma periyodu üst ölü noktaya geldiğinde pectoralis kası, humerus kemiğini çekmekte ve bu sayede oluşan ekstansiyon hareketiyle kanadın ilk konumuna gelmesi sağlanmaktadır. Pectoralis ve supracoracoideus kaslarının aynı anda ve gerekli olan değerde çekiye çalışması kanadın gergin bir şekilde konumlanmasını sağlamakta ve bu hareket kanadın aerodinamik kuvvetleri ve bu kuvvetlerin ani azalış ve artışlarını karşılayabilmektedir. Literatürde bu konuya benzer çalışmalar yapılmış olup yüksek kanat alanına sahip kuşların daha çok planör mantalitesinde uçtukları gözlemlenmiştir. Kuşların uçuşları yarı düzenli ve düzensiz olmak üzere iki farklı şekilde sınıflandırılabilinir. Geniş kanat alanına sahip kuşlar için yarı düzenli uçuş yapabildikleri söylenebilinir. Çünkü bu kuşların kanat çırpışları uçuş esnasında daha az sıklıktadır. Bu demek oluyor ki kanat uç hızları (kanat ucu çizgisel hızı) uçuş hızından daha düşüktür. Böylece bu geniş kanat alanına sahip kuşlar martı ve kartal gibi yüksekten uçma eğilimine sahiptir. Diğer yandan küçük kuşlar ve böcekler düzensiz hal rejiminde uçarlar ki, onların kanat uç hızları uçuş hızından daha fazladır [4]. Başka bir çalışmada kanat çırpmalı Mikro-HavaAracının (MHA) geliştirilmesi için kanat çırpmalı uçuş ile sabit kanatlı havada süzülerek yapılan uçuşun karşılaştırmalı aerodinamik yararlarını belirlemek için deneysel bir çalışma yürütüldü. Kanat çırpmalı uçuşlarda kanat esnekliğinin aerodinamik performanslar üzerindeki etkilerini ölçmek için farklı esnekliğe sahip iki esnek zar kanadın (esnek naylon kanat ve çok esnek kauçuk kanat) zaman ortalamalı aerodinamik performansları (ortalama kaldırma ve itme/çekme) geleneksel rijit kanatlarla karşılaştırıldı. Ölçüm sonuçları açık bir şekilde gösterdi SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

ki test edilen bütün kanatlarda, ilerleme oranı (ileri hareket hızının kanat uç hızına oranı) 1.0 den küçük olan düzensiz uçuşlarda kanat çırpma hareketi belirgin bir avantaj sağlamakta olduğu tespit edildi [5].

konusu. Fakat kanadın uç kısmına gidildikçe kanat profili aşağı doğru açılı (hücum kenarı firar kenarından daha aşağıda) ve kanat çırpma hareketinde en çok yer değiştirmeyi uçtaki profil yapmaktadır. Bu sayede kanat ucunun çizgisel hızı daha fazla olmaktadır [8].

Bir başka çalışmada esnek kanat yapısında bir robotik kuşun itme ve taşıma kuvvetinin kanat çırpma hızıyla artışı deneysel olarak gözlemmiş olup her kanat çırpmada esnek kanat yapısının hücum açısı artışına sebebiyet vermesi taşıma kuvvetinin artmasına vesile olmuştur [6]. Ayrıca kararsız uçuş yapan küçük ebatlı robotik kuşun gövdesine gelen aerodinamik kuvvetlerin gövdenin stabil bir şekilde karşılaması ve yörünge kontrolünün yapılması microair tasarımında yararlı olabileceği kanısına varılmıştır [7]. Şekil 3’de robotik kuşun, gerçek kuştan esinlenen kanat yapısı gözükmektedir. Kanat aşağı doğru hareketinde kanadın dirsekten sonrası bilek kemiği ekstansiyon hareketi yaparak hava akımını kanadın altına doldurması ve kanadını aşağı itelediğinde oluşan geri sürükleme kuvvetinin, yükseliş istikametine kanalize edilmesiyle gerçek kuş ya da robotik kuşun kendini yukarı kaldırması mümkün olmaktadır. Buradan da anlaşılacağı üzere kuşun yerdeyken ilk kanat çırpması esnasında yukarı kaldıran kuvvet aslında yükseliş istikametine kanalize edilen geri sürükleme kuvvetidir. Ayrıca kuşlar, kanatlarındaki uçuş tüylerini, kanatlarını yukarı kaldırırken aralarını açarak hava moleküllerinin direnç oluşturmasını engeller, kanatlarını aşağıya doğru indirdikleri sırada ise kanat tüylerini, aralarından hava geçmeyecek şekilde kaparlar. Bu koordinasyonla yükseliş hareketini rahatlıkla yapabilmektedirler.

Şekil 3. Robotik kuş kanat yapısı (The wing structure of the robotic bird)

2.1. Kuşlarda Taşıma ve İtki Kuvvetinin Biyomekanik Açıdan İncelenmesi (Biomechanicaly Study of the Lift and the Thrust Forces for Birds) Kuşun kanat çırpmasında oluşan izafi rüzgâr ve bunun oluşturduğu kanat ucundaki taşıma kuvvetinin itki kuvvetine nasıl dönüştüğünün kesit alınarak anlatımı şekil 4’de verilmiştir.

Şekil 4. Kuşta itki kuvvetinin oluşması (Generation of the thrust force for a bird) [8]

Şekil 4 (B)’de kanattan X kesiti alınmış ve görülen profilde FL kuvveti hemen hemen dikey doğrultuda olması her kanat çırpmada kuşa irtifa kazandırmaktadır [8]. Şekil 4 (C)’de kanadın Y kesitindeki profilin konumu negatif hücum açısı oluşmuş, hücum kenarı aşağıda firar kenarı yukarıda kalarak FL kuvvetinin yönü uçuş doğrultusunda ve çizgisel hızın yüksek olması nedeniyle kanadı dolayısıyla kuşu ileri iteleyen hızın büyüklüğü de yüksek olmaktadır [8]. Bu uçuş, hareketsiz kanat ucunun oluşturduğu itkidir. Kanat ucu bir defa ve gerektiği kadar hücum açısını azaltır ve sonrasında aynı çırpma hareketini tekrarlar. Hareketli kanat modellemesinde (genellikle küçük kuşlarda gözlenir) ise, her kanat çırpışında kanat ucu yunuslama hareketi yaparak en uygun taşıma kuvvetini yakalar ve bunu ileri istikamete kanalize ederek itki gücünü istenilen değerde artmasını sağlar. 2.2. Kuşun Fiziksel Dimensions of Bird)

Ebatları

(The

Physical

Robotik kuş için kısa bilgi verilmesi gereken birtakım kavramlar söz konusudur. Bunlar;

Şekil 4 (A)’da kuşun gövdesi yakınında yani kanadın kök kısmında kanat çırpmadan oluşan küçük bir hareket söz SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Kanat açıklığı (B): Bir kanat ucundan diğer kanadın ucuna kadar olan mesafedir (Şekil 5). Hücum kenarı: Kanadın ön kısmıdır, kanat boyunca rüzgara ilk temas eden hattır (Şekil 5). Firar kenarı: Kanadın arka kısmıdır, rüzgarın kanadı yalayarak geçip kanadı terk ettiği kanat boyunca hattır (Şekil 5). Chord uzunluğu (Ch): Kanadın hücum kenarı ile firar kenarı arası mesafedir (Şekil 5). Yatay kuyruk alanı (SHT): Robotik kuşun burun aşağı yada burun yukarı momentini, yapılan hesaplamalarla istenilen değerlerde tutmasını sağlayacak olan alandır (Şekil 5). Dikey kuyruk alanı (SVT): Robotik kuşun uçuş esnasında rüzgârı karşısına alabilmesi sağlayan aynı zamanda uçuş istikametini dengeleyen alandır (Şekil 6). Hücum açısı (α): Kanat chord ekseni ile uçuş doğrultusu (izafi rüzgâr) arasında kalan açıdır (Şekil 6).

Şekil 5. Robotik kuş üstten görünüş (The top wiew of the robotic bird)

Şekil 6. Robotik kuş yandan görünüş (The side view of the robotic bird)

3. ROBOTİK KUŞ TASARIMI (ROBOTIC BIRD DESIGN)

Bu çalışmada kanat çırparak uçan bir robotik kuşun tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım çalışmaları ve kinematik analizler için Catia V5-R19 programı, hesaplamalar sırasındaki analizler için XFLR5 programı, kanat koordinatlarının dxf. uzantılı dosyaya dönüştürülmesi için ise Profscan programı kullanılmıştır. 30

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

Ayrıca hesaplamalarda kullanılan tüm parametrelerin kısaltılmış anlamları aşağıda verilmiştir. CG: (Center of Gravity) Ağırlık merkezi robotik kuşun ağırlık merkezi CP: (Center of Pressure) Basınç merkezi taşıma kuvvetinin (FL) kanat üzerinde etki ettiği nokta X_CP: Kanadın hücum kenarıyla CP arası mesafe X_CPK: Kuyruk hücum kenarı ile kuyruk CP merkezi arası mesafe X_CG: Kanadın hücum kenarıyla CG arası mesafe MAC: Ortalama chord uzunluğu u: Kanat firar kenarı ile kuyruk hücum kenarı arası mesafe FL: Taşıma kuvveti (N) CL: Taşıma katsayısı (Boyutsuz) δ: Hava yoğunluğu (1.225 kg/m3) Vt: Gerçek hava hızı (izafi rüzgâr hızı) (m/s) (Robotik kuş için 13.8 m/s öngörüldü) Sw: Kanat alanı (0.425 m2 öngörüldü) FD: Sürükleme kuvveti (N) CD: Sürükleme katsayısı (Boyutsuz) K: İndüklenmiş sürükleme katsayısı CD0: Parazit geri sürükleme katsayısı (Boyutsuz) AR: (Aspect Ratio) Kanat en boy oranı (Robotik kuş için 7.7 tasarlandı) e: Oswald sayısı, kanat verim faktörü (Kuşlar için 0.95) MY: Yunuslama momenti Ch: Chord uzunluğu (MAC uzunluğu 0.253 m) Cm: Yunuslama momenti katsayısı (Yapılan analiz sonucu moment katsayısı -0.16 gelmektedir) u: 0.31m öngörüldü. SHT: Yatay kuyruk alanı (m2) LHT: Yatay kuyruk Cp merkezi ile kanat Cp merkezi arası mesafe (m) CHT: Yatay kuyruk hacim katsayısı (tablodan alınır) : Kanat ucu X doğrultusundaki hızı (13.8 m/s) vektörel : Kanat çırpma hareketi kanat ucu çizgisel hız vektörel : Kanat ucunun ileri ve aşağı istikamette oluşturduğu bileşke hız vektörü T : Kanat çırpma periyotu CD: Sürükleme katsayısı Ct: İtki katsayısı η : İtki üretim verimi U∞: Serbest akım hızı ω : Çırpma hareketini sağlamak için gereken girdi gücü Vdalma: Kanat kesitinin dalma hızıdır wyunus: Kanat kesitinin yunuslama hareketinden dolayı oluşan açısal hızıdır (kanat uclarındaki mikro servo motorların oluşturacağı açısal hız) Pind: İndüklenmiş güç ihtiyacı k: İndüklenmiş güç katsayısı ( kanat çırpmalı uçuş için k =1.2 ) m: Robotik kuşun kütlesi (kg) SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

g: Yerçekimi ivmesi (9.81 m/s2) B: Kanat açıklığı (m) Pam: Sistem için gerekli minimum güç ihtiyacı (W) Ppro: Profil güç ihtiyacı (W) Sb: Gövde kesit alanı (0.027 m2) X: Profil güç faktörü (Kuşlar için 1.2) Vmr : En uzak menzile gidebilmesi için hız değeri (m/s) Sd: Disk alanı, kanatların süpürdüğü alan (m2) Vmp: En düşük güç sarfiyatı için hız değeri (m/s) Ppar: Parazit güç ihtiyacı (W)

Şekil 9. Hücum açısı-taşıma katsayısı grafiği (Angle of attack/lift coefficient graph)

Şekil 7. Robotik kuş üzerindeki aerodinamik merkezler (The aerodynamic centers on the robotic bird)

Kuşun havalanmasını sağlayan uzvu kanatlarıdır. Kanatlarda oluşan taşıma kuvveti (FL) kanadın basınç merkezine CP (Center of Pressure) etki etmektedir. Bu nokta ağırlık merkezinden CG (Center of Gravity) farklıdır. Kanat yapısına, hücum açısına, uçuş hızına bağlı olarak basınç merkezinin yeri değişmektedir. Robotik kuş tasarımında en önemli unsur kanat tasarımıdır. Kanat profilinin belirlenmesi için, kuşun kütlesi, kanat açıklığı, kanat alanı, hangi hızlarda uçtuğu parametrelerinin belirlenmesi gereklidir. İki boyutlu kanat profili seçilirken düşük Reynold sayısı, düşük hızlarda ve düşük hücum açısında (kuşlar için 0°5º) yüksek taşıma katsayısı CL ve dolayısıyla yüksek taşıma kuvveti FL sağlayan bir kambur profil seçilmiştir (Şekil 8). Seçilen bu profil XFLR5 programında analizlere tabi tutulmuş ve elde edilen analiz sonuçları robotik kuş tasarımında kullanılmıştır.

Şekil 9’da seçilen profilin düşük hücum açısında dahi (kuşlar için 0º ile 5º arası) yüksek taşıma katsayısı CL sağladığı görülmüştür. Bunun avantajı, robotik kuşun yüksek hızlara çıkamaması nedeniyle düşük hızlarda kendi ağırlığını taşıyabilmesidir.

Şekil 10. Kanada etkiyen aerodinamik kuvvetler (Aerodynamic forces acting on the wing)

3.1. Taşıma Kuvveti (Lift Force) Şekil 10’da görüldüğü üzere aerodinamik kuvvetin hava hızına dik bileşenine taşıma kuvveti denir ve ''FL'' ile ifade edilir. Buna göre taşıma kuvvetinin ifadesi: FL = 0.5 CL δ Vt2 Sw

(1)

Taşıma kuvveti FL, robotik kuşun havada süzülebilmesi için ağırlığından kaynaklanan yerçekimi kuvvetine (W) eşit olması gerekmektedir. (1) Eşitliğinde değerler yerine konularak taşıma katsayısı CL elde edilmiştir. Bu taşıma katsayısını veren bir airfoil seçilerek tasarımın kanat aşaması tamamlanmıştır. Şekil 8. Kambur airfoil profil yapısı (The cambered aerofoil profile structure)

FL = W Robotik kuşun ağırlığı 2 kg olarak öngörülmüştür. W = 29.81

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

E. Yavçin, A. O. Kaptı

W = 19.62 N (FL yerine (1) eşitliğinde bu değer yazıldığında CL taşıma katsayısı 0.39 çıkmaktadır) Seçilen airfoil profili geometrisinde 3d kanat çizimi yapılıp XFLR5 programında analize tabi tutulduğunda 0º hücum açısında CL taşıma katsayısı için çıkan sonuç 0.7’dir. Bu durumda robotik kuşun kanatlarının ürettiği taşıma kuvveti; FL = 34.7 N bu değer robotik kuşun ağırlığını karşılamaktadır. 3.2. Sürükleme Kuvveti (FD) (Drag Force) Şekil 10’da görüldüğü üzere bileşke aerodinamik kuvvetin hava hızına paralel bileşenine sürükleme kuvveti denir ve FD ile gösterilir. Buna göre sürükleme kuvvetinin ifadesi: FD = 0.5 CD δ Vt2 Sw

(2)

Robotik kuşun ileri istikamette uçması esnasında 0º hücum açısında elde edilen sürükleme katsayısı analiz sonucu CD 0.039 çıkmaktadır. Değerler (2) eşitliğinde yerine yazıldığında FD = 1.93 N olarak bulunur. Bu değer robotik kuşun 0º hücum açısında süzülmesi esnasında toplam sürükleme kuvvetidir. Kanat çırpmaya başladığında sürükleme katsayısını düştüğünden dolayı sürükleme kuvveti de azalacaktır. 3.3. Parazit Sürükleme Katsayısı (CD0) (Parasite Drag Coefficient)

Parazit sürükleme, kuşun gövde yapısından ve kuşun komple varlığından kaynaklanan sürüklemedir. Parazit sürükleme katsayısı (CD0) değeri hesaplanması aşağıdaki gibidir; CD = CD0 + KCL2

(3)

(4)

bu değerler yerine konduğunda hücum açısı (α) 0º için K = 0.043 ve CDO = 0.018 değeri elde edilmektedir.

3.4. Kuyruk Denge Hesabı (Tail Balance Calculation)

Kuyruk tasarımında, kuyruğun ağırlık merkezinden uzaklığı öngörülürken, robotik kuşun statik dengesi ve yunuslama momenti dengesi stabil değerlerde korunmalıdır. Kuyruk denge hesabı, robotik kuşun süzülürken (planör mantığı) uçuşunda hali düşünülmüştür.

Şekil 11. Kuyruk denge hesabı (Tail balance calculation)

Şekil 11’de robotik kuşun statik dengesi incelendiğinde, kanadın taşıma kuvveti ağırlık merkezi etrafında burun aşağı bir moment oluşturacağından, bunun dengelenebilmesi için kuyruk yüzeyinin zıt yönde burun yukarı moment oluşturması gerektiği söylenebilir. Bunun için de kuyruk taşıma kuvvetinin aşağı yönde olması için kuyruk hücum açısının negatif olması gerekir. Böylece robotik kuşun statik dengesi; ƩF = FL – W - FLK (5) şeklinde dengelenirken, ağırlık merkezi etrafındaki momenti de MY = FLK [MAC – (X_CG) + u + (X_CPK )] şeklinde dengelenecektir.

(6)

Yunuslama momenti; Robotik kuşun ağırlık merkezi (CG) etrafında takla atmasına sebebiyet verecek momenttir. Kuşa burun aşağı yada burun yukarı hareketi yaptırır. Bu moment istenilen değerlerde olmazsa burun aşağı momentte, düşük negatif hücum açısı değerinde kuş tutunma kaybı yaşayıp düşebilir, ya da, burun yukarı moment oluşması durumunda, kanatta yüksek pozitif hücum açısı oluşumu gözlenir ve yine kuşta tutunma kaybı yaşanıp irtifa kaybetme durumu söz konusu olabilir. Bu moment değerinin istenilen değerlerde olmasını sağlayan kuyruğun aşağı ve yukarı hareketidir. MY = Cm 0.5 δ Vt2 Sw Ch

(7)

MY = -2 Nm (7) nolu eşitlikten elde edilen değer (Burun aşağı moment üretmektedir) Şekil 11’de moment noktası X_CG ; Eşitlik (6)’dan 2 = [(MAC – X_CG)+0.31+(X_CPK)] FLK FLK = 3.61 N bulunur. Görüldüğü gibi, bu halde kuyruk yüzeyi, robotik kuşun ağırlığını taşıma yönünde bir katkı sağlamadığı gibi, kanadın taşımasının bir kısmı kuyruğun oluşturduğu SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

kuvveti dengelemek için harcanmaktadır [9]. Kuyruğun taşımaya bir katkısının olmaması, ağırlık merkezinin CG, CP noktasından ileride (kuşun +X yönü) olması yunuslama momentinin stabil değerlerde çıkması için ideal olanıdır. Kuyruğun birincil amacı kanat tarafından oluşturulan momentleri dengelemektir. Bundan dolayı kuyruğun boyutunun kanadın boyutuyla bir şekilde orantılı olması beklenir. Moment denklemlerinden anlaşılacağı gibi bu ikisi arasında direk bir orantı vardır. Kuyruğun kaldırmasından meydana gelen kuvvet kuyruğun alanıyla orantılıdır. Kuyruğun etkinliği kuyruk alanıyla kuyruk moment kolunun çarpımıyla orantılıdır. Buradan kuyruk boyutunun başlangıç tahminine götüren kuyruk hacim katsayısı metoduna varılır [10]. CHT =

(8)

(8) eşitliğinde değerler yerine konduğunda yatay kuyruk alanı 0.11 m2 yeterli gelmektedir. FLK değeri -3.61 N’dur. Bu negatif kuvveti üretecek yatay kuyruğun taşıma katsayısı, (1) formülünden bulunan kuyruk için taşıma katsayısı CL = - 0.28 çıkmaktadır. Robotik kuşun 0º hücum açısındaki konumu göz önüne alındığında kuyruk için gerekli olan negatif taşıma katsayısına karşılık gelen XFLR5 analizi sonucu -3º lik hücum açısı yeterli geldiği görülmektedir. Yatay kuyruk, robotik kuşa -3º lik tespit açısıyla monte edildiği takdirde, yunuslama momentini stabil değerlerde tutabilmektedir. İlave yük binmelerde robotik kuş kuyruğunu aşağı yukarı bükerek ilave kuvvetleri karşılayabilmesi mümkündür.

robotik kuş burun istikameti) bileşenini bularak FL taşıma kuvvetinin itki kuvvetine nasıl dönüştüğünü bulabiliriz.

Şekil 12. Kanat mekanizması (The wing mechanism)

Kanat ucunda en büyük değerde olan çizgisel hız yüksek değerde izafi hız vektörüne neden olmaktadır. Bu hız vektörü açısına sıfır derece hücum açısında olacak şekilde kuş kanat uçlarını bükmektedir. VB = w4 [BO2] w4 = 4.45 rad/s VC = w4 [O2C] VC = 3.89 m/s

Şekil 13. İzafi rüzgârın Auto CAD’te vektörel hesaplanması. (The vectoral calculation of relative wind in autocad software)

= + = 14.34 m/s

(5) nolu eşitlikten toplam kuvvet; ƩF = FL – W - FLK ƩF = 11.47 N (Faydalı yük değeri, istenildiğinde gerekli parametreler değiştirilerek azaltıla bilinir) 3.5. İtki Kuvveti (Propulsion Force) Robotik kuşun kanat uçlarındaki servo motorlar sayesinde kanat ucuna kanat eksenine göre negatif hücum açısı verdirerek FD sürükleme kuvvetini düşürüp, FL kuvvetini ileri istikamete kanalize ederek her kanat çırpmasında ileri yönde ilerleme sağlanabilmektedir. XFLR5 programında, seçtiğimiz ch10sm profiline, hücum açısını 0º’ye ve izafi rüzgâr hızını hesaplayarak belirlediğimiz hücum açısında, ne kadar bir FL kuvveti oluştururuz ve bunun x eksenindeki (Şekil-14’teki SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

Şekil 14. Kanat ucu itki kuvvetinin oluşumu (Generation of the wing tip thrust force)

Ch10sm airfoil’inin 0º açısında kanada göre -4º hücum açısında Vizafi = 14.34 m/s olduğu bir durumda Vizafi hız vektörüne dik doğrultuda üreteceği itki kuvveti Fi; Fi = CL 0.5 δ Vizafi2 [Sw 0.25] Fi = 9.36 N Fİ = FL cos74º = 2.58 N

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Net itki kuvveti;

3.7. Güç (Power)

Fi.net = Fi - FD cos16° Elde edilen ileriye doğru kuvvetten, ters istikamette sürükleme kuvveti çıkarılırsa net itki kuvveti (Fi.net ) kalır. FD = CD 0.5 δ Vizafi2 [Sw 0.25] FD = 0.49 N Fi.net = Fi - FD cos16° Fi.net = 2.11 N

Kanat çırpmalı uçuş hesapları, sabit bir hızla yatay olarak uçması için kuşun kanatlarının yapması gereken mekanik işi (mekanik gücü) içerir. Bu seviyede uçan hayvanın bir kuş, ya da yarasa hatta yapay bir robotik kuş olmasının önemi yoktur. Güç, bütün uçan hayvanların sahip olduğu kütle, kanat genişliği, görünüş oranı ve kanatların bağlı olduğu aerodinamik bir gövde gibi birkaç özellik ve hava yoğunluğu ve yerçekimi ivmesi gibi hayvanın uçtuğu ortamın özelliklerine bağlıdır [12].

Kanat uçlarından elde edilen net itki kuvveti minimum değerdedir. İki kanadın aileronları (kanat ucu mikro servo motorlar) 0° hücum açısında, 13.8 m/s ilerleme hızında ve kanat çırpma esnasında iken robotik kuşun kanat uçlarından elde edilen net 2.11 N’luk bir itki kuvveti ile ileri doğru ilerleyebilmektedir. Hesaplamada kanat alanının %25’i alındığı için itki kuvveti, bu değerden daha fazla çıkmaktadır, bulunan değer minimumdur. 3.6. İtki Kuvveti Arttırılması (Increasing of the Thrust Force)

Kuşun havada uçabilmesi için yerçekimine karşı koyması ve ileri doğru gidebilmesi için de itki sağlayabilmesi gerekmektedir. Bu iki kuvveti yenebilirse yukarı doğru yükselir yada havada belirli bir irtifada seviyesini kontrol altında tutar ve ileri doğru yol almaya başlar. Mekanik güç ihtiyacı indüklenmiş güç ihtiyacı, parazit güç ihtiyacı ve profil güç ihtiyacı değerlerinin toplamına eşittir. Toplamda ki mekanik güç kuşun hem yükselebilmesini hem de ileri gidebilmesini sağlamaktadır. PMech = Pind + Ppar + Ppro

Tasarımı yapılan robotik kuşun kanat ucu mikro servo motorların kanat çırpma periyodunda dönü hareketi yaparak kanadın sadece uç kısmından elde edilen itki gücü arttırılma yoluna gidilebilinir. Harmonik olarak çırpan bir kanat kesitinden elde edilen itki, periyodik bir davranış sergilemektedir. Dolayısıyla çırpan bir kanat kesitinin itkisi bir çırpma periyodu boyunca ortalama değer alınarak hesaplanır. Bu ortalama itki hesabı, zamana bağlı akış hesaplaması süresi içinde periyodik bir çözüme ulaşılan ilk periyotta yapılır [11]. Ct = - ∫ C dt η=

(9)

ω = ∫ (C V

(10) + C w

) dt

(11)

İtki katsayısı hesabında, kanat çırpma periyodunun süresi ile değişen, toplam sürükleme katsayısı değerinin interpolasyonu sonucu elde edilen parabolün zamana göre integralinin alınmasıyla, kanat ucu mikro servoların her periyotta belirli değerlerde dönü hareketi yapması sonucu kanat çırpmalı uçuş için itki katsayısı hesaplana bilinir. Benzer integral hesabı, (11) nolu formüle tatbik edilirse itki gücü ve itki üretim verimi bulunmuş olunur. Bu çalışma küçük zaman aralıklarında ve kanat ucu profili yunuslama dönüş açısal hızlarında analizlere tabi tutularak en az sürükleme ve en çok itki parametreleri bulunabilinir.

3.8. İndüklenmiş Güç İhtiyacı (The Induced Force Need)

Kanat altındaki yüksek statik basınç bölgesindeki hava firar kenarından arkaya ve kanat ucundan dışarıya doğru kaçarak, kanat üzerine (alçak statik basınç bölgesine) dolaşır. Bu dolanım firar kenarında düşüktür ancak kanat ucunda çok yüksek değerlere ulaşır. Bunun sonucu olarak kanat uçlarında "kanat ucu girdabı" denen, dönen hava akımları oluşur. Girdapların firar kenarı arkasında kalan kısmı burun aşağı (downwash) denilen hava akımını oluşturur [13]. Bu tanım, kanatlarını çırpmadan uçuş için geçerli bir durumdur. Kuşlarda bu durum biraz farklıdır. Kuşlarda kanat çırparak uçuş esnasında indüklenmiş güç ihtiyacı ve kanat çırpmadan (süzülürken) oluşan indüklenmiş güç ihtiyacı olmak üzere iki durum için ayrı ayrı formül çıkartılmıştır. Kanat çırpmalı ileri uçuş esnasında; Pind =

(

)

(13)

Değerler (13) nolu eşitlikte yerine yazıldığında Pind = 4.52 W olarak bulunur. Süzülme esnasında; Pind0 = [

( )

]

(14)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

Değerler (14) nolu eşitlikte yerine yazıldığında Pind0 = 31.96 W olarak bulunur.

3.11. Kanat Frequency)

Kanat çırparak uçuş esnasında indüklenmiş güç ihtiyacının, süzülürken durumuna göre düşük çıkması, kuşun kanatlarını her çırpma esnasında kanat ucu girdaplarını yüksek oranda azaltmasıdır. Ayrıca kuşlar, kanat ucu teleklerini, uçaklardaki kanat ucu plakalarının işlevi gibi kullanarak Pind0 azaltma yoluna gitmektedir.

Yapılan hesaplamalarda bulunan mekanik güç, kuşun yükselebilmesi ve ileri yönde mesafe kat etmesi için kanatlara aktarılması gerekmektedir. Bu gücün redüktörden elde edilen değişik çevrim oranında dönü hareketi, aktarma organları vasıtası ile kanatlarda kanat çırpma hareketine dönüşmektedir. Kanat çırpma frekansı değeri (18) eşitliğinden hesaplanır [12].

3.9. Profil Güç İhtiyacı (The Profile Force Need)

Kuşun tüyleri ile üzerinden akan hava arasındaki sürtünme, kuşun gövde yapısı ve bu yapıdan kaynaklanan hava akımına direnç gösteren yüzeylerin arkasında oluşan türbülans gibi parametreler kuşun profilinden kaynaklanan, geri sürükleme oluşmasına sebebiyet verir. Bunu yenebilmek için profil güç ihtiyacı oluşur. Sistem için gerekli minimum güç ihtiyacı ile profil güç faktörünün çarpılması ile elde edilir [12]. Profil güç faktörü, Cpro (profil katsayısı)’nın, aspect ratio (kanat en boy oranı) oranından bulunur. Kuşlar için bu sayı 1.2 olarak alınır [12]. X=

= 1.2 (Kuşlar için) 3/4

1.05k

Pam=

1/4 1/4 CD0

m3/2g3/2 Sb 1/2 3/2

Pam= 4.95 Ppro = X Pam Ppro = 5.94 W

(16)

A = Sb CDO A = 4.86 10-4

PMech = Pind + Ppar + Ppro PMech = 11.24 W Yapılan hesaplamalarda bulunan mekanik güç, kuşun yükselebilmesi ve ileri yönde mesafe kat etmesi için kanatlara aktarılması gerekmektedir. Bu gücün değişik çevrim oranında redüktörden elde edilen dönü hareketi aktarma organları ile kanatlarda kanat çırpma frekansı elde edilir.

Flapping

Maksimum mesafeye gidebilmesi için hız değeri, robotik kuştaki mevcut batarya sisteminde en uzun menzile uçabilmesi için gerekli olan hız değeri Vmr (maksimum range) ile ifade edilmektedir. Bu hız değerinde uçarsa, en uzak mesafeye gidebilmektedir. Kuşlarda ise bu hızla seyir halinde olan kuş, vücudundaki mevcut yağları yakarak kaloriye dönüştürüp en uzun menzile uçabilmesini sağlamaktadır [12]. /

Ppar = 0.5 δ Vt³ Sb CD0 (17) Değerler (17) nolu eşitlikte yerine yazıldığında Ppar = 0.78 W olarak bulunur.

(Wing

3.12. Uçuş Hızı (Flight Velocity)

Vmr =

İndüklenmiş sürükleme ve profil sürükleme haricinde kalan sürükleme kuvvetlerine parazit sürükleme denir. Kuşun hızı, ön kesit alanı ve parazit sürükleme parametrelerine bağlıdır. Kuş, parazit sürüklemeyi yenebilmek için güç harcamaktadır. Bu güç parazit güç ihtiyacı olarak hesaplanır [12].

Frekansı

f = m / g / B / Sw / δ / (18) buradan çıkan sonuç robotik kuşun 1 sn’de kanat çırpma adedi değeridir. f = 2.64 hertz

(15)

3.10. Parazit Güç İhtiyacı (The Parasite Force Need)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

Çırpma

Sd =

(19)

Sd = 3.01 m2 Değerler (19) eşitliğinde yerine yazıldığında Vmr = 22.75 m/s olarak bulunur. Minimum güç harcaması için hız değeri; Vmp, (minimum power speed) tasarımı yapılan kuşun minimum güç gereksinimiyle uçabilmesi için gerekli hız değeri, bu hızın altında yada üstünde uçtuğunda olması gerekenden fazla güç harcıyor anlamına gelmektedir. Bu değer kuşun ivmelenmesine yada irtifasının artmasına sebebiyet verebilir [12]. Vmp =

(20)

Değerler (20) eşitliğinde yerine yazıldığında Vmp = 6.94 m/s olarak bulunur.

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

E. Yavçin, A. O. Kaptı

3.13. Emniyetli Dönüş (Safe Turn)

Şekil 15. Robotik kuşun dönüş hesabı (The turning calculation of the robotic bird)

Şekil 15’de görüldüğü üzere robotik kuşun W değerinde ağırlık kuvveti, FLcos(β) taşıma kuvvetiyle dengelenmelidir. FLcos(β) = W olmalı ki robotik kuş düşmeden dönüşünü tamamlayabilsin; Arccos (

) = β°

(21)

β = 56° açısıyla dönüşünü tamamlayabilmektedir. Merkezcil kuvvet yani kuşu ya da uçağı belirli bir yarıçapta savrulmadan dönmesini sağlayan kuvvet FLsin(β) Bu merkezcil kuvvet; FL sin(β) =

şeklinde dengelenmelidir.

(22)

r = 13.23 m Bulunan r değeri, robotik kuşun savrulmadan emniyetli bir şekilde dönüş yarıçapıdır. 3.14. Redüktör (Reductor)

Şekil 16. Robotik kuşun kanadına hareket veren dişli grubu (The gear group which moves the robotic bird’s wing)

iT = Toplam çevrim oranı iT = 21 nkanat =

w=2πf Değerler yerine yazıldığında w = 16.58 rad/s İş dişlisinin devri nkanat = 158.3 d/d bulunur. nmotor = nkanat iT nmotor = 3324.3 d / d Pmech = 11.24 W Robotik kuşun ani manevra, irtifa kazanması, rüzgârlı hava şartları vb. etkenlerden dolayı, bu değerlerden %10 daha yüksek bir DC motor seçimi yapılmalıdır. Sistemin elektronik kartına (chip) yüklenen yazılım ile parametrelerin ideal değerlerde olması sağlanır.

DC motorun rotoru tahrik dişlisine bağlı olup kurulan dişli redüktör sistemiyle torkun arttırılması ve açısal hızın düşürülerek kanada istenilen değerlerde iş dişlileri ile hareket verebilmesi sağlanmıştır.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması 4. HAREKET DENKLEMİ (EQUATION OF MOTION)

−

=τ

(23)

L = EK-EP L = EK2+EK3+EK4-[EP2+EP3+EP4+EPFL] L=0.5IG2Ө1’2+0.5IG3Ө1’2+IG3Ө1’Ө2’+0.5IG3Ө2’2+0.5mG3V 2 ’2 G3 +0.5IG4Ө3 -mG2gsinӨ1[O1A1]-mG3gsinӨ1cosӨ2mG3gsinӨ2cosӨ1+mG3gsinӨ1[O1A]+mG4gsinӨ3[O2C]+0. 003Ө12sin2Ө3[O2D]2+0.059Ө1sin2Ө3[O2D]2-24.79 sin2Ө3[O2D]2

= IG2Ө1’+IG3Ө1’+IG3Ө2’

(IG2Ө1’+IG3Ө1’+IG3Ө2’) = IG2Ө1’’+ IG3Ө1’’+IG3Ө2’’ Şekil 17. Robotik kuş kanat mekanizması hareket denklemleri (The wing mechanism motion equations of the robotic bird)

=-mG2gcosӨ1[O1A1]-

Sistemin Kinetik Enerjisi;

mG3g[cosӨ1cosӨ2][AB1]+mG3g[sinӨ1sinӨ2]+mG3gcosӨ1 [O1A]+0.006Ө1sin2Ө3[O2D]2+0.059 sin2Ө3[O2D]2

EK2 = 0.5 IG2 Ө1’2 EK3 = 0.5 IG3 (Ө1’+Ө2’)2+0.5 mG3 VG32 EK4 = 0.5 IG4 Ө3’2

d ∂L dt ∂Ө′

Sistemin Potansiyel Enerjisi; EP2 = mG2 g sinӨ1 [O1A1] EP3 = mG3 g [sin[180-[Ө1+Ө2] AB1]+[sinӨ1[O1A]] EP4 = mG4 g sinӨ3 [O2C] EPFL = 0.5 k [sinӨ3[O2D]]2 EPFL = 0.5 [-0.006Ө12-0.118Ө1+49.58] [ sinӨ3[O2D]]2 EPFL = [-0.003Ө12-0.059Ө1+24.79] [ sinӨ3[O2D]]2 EPFL=-0.003Ө12sin2Ө3[O2D]2-0.059Ө1 sin2Ө3[O2D]2+24.79 sin2Ө3[O2D]2

−

∂L =τ ∂Ө

IG2Ө1’’+IG3Ө1’’+IG3Ө2’’+mG2gcosӨ1[O1A1]+mG3gcosӨ1 cosӨ2-mG3gsinӨ1sinӨ2-mG3gcosӨ1[O1A]0.006Ө1sin2Ө3[O2D]2-0.059sin2Ө3[O2D]2=τ Lagrange – Euler hareket denklemi (24) 5. TASARIM SİMÜLASYONU (SIMULATION)

Şekil 19. Robotik kuşun komple tasarımı (The complete design of the robotic bird)

Şekil 18. Ө1 açılarına karşılık gelen FL kuvvetinin Ө1 cinsinden denklemi (The equation of FL force corresponding Ø1 angle )

k = -0.006Ө12-0.118Ө1+49.58 (potansiyel enerji eşitliğindeki yay sabiti ''k'' yerine Ө1 açılarına karşılık gelen FL kuvveti ve bunun sonucunda Ө1 değişkenine bağlı doğrunun denklemi alınmıştır) SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

Kanatlar tamamen yatay konumdayken ve kanatlar en üst stroğunda (dihedral açısı maksimum) parazit sürüklemenin minimum olduğu gözlenmiştir. Yunuslama momenti katsayısı -0.15 ile -0.20 değerleri arasında değişmektedir. Bu değerler arası robotik kuş kuyruk dengesi sağlanabilmektedir.

Şekil 20. Tasarımı yapılan robotik kuşun XFLR5 programında analizi (The analysis of the robotic bird in XFLR5 software)

Robotik kuşun tasarımı Catia V5 R19 programında yapılmıştır. XFLR5 programından elde edilen aerodinamik değerler ışığında tasarım tamamlanmıştır. Tablo 1’de kanada hareket veren iş dişlisinin 0º, 45º, 90º, 135º, 180º, 225º, 270º, 315º, 360º ler de ki konumlarında kanat dihedral ve negatif dihedral açılarında aerodinamik değerler verilmiştir. 0º’deki değerler hesaplamalarda kullanılmıştır, tablodaki diğer değerlerin yorumları sonuçlar kısmında yapılmıştır. Tablo 1. Bir tam kanat çırpma hareketinin aerodinamik değerleri (The aerodynamic values of one complete wing flap)

Robotik kuş süzülürken hücum açısı 0° ile 10° arasında kanat X_Cp noktaları 80 mm ile 130 mm arasında değişim göstermektedir. Robotik kuşun mevcut CG noktası korunduğu takdirde burun aşağı ve burun yukarı momentleri stabil olarak istenilen değerlerde sağlanabilir. Robotik kuş mevcut konseptiyle mevcut hücum açısında ilave olarak maksimum 1 kg ağırlığında kütleyi taşıyabilme kapasitesine sahiptir. Fakat bu ilave kütleyi taşıyabilmesi için yazılım olarak bazı parametre eklemeleri yapılmalıdır. Robotik kuş, 56° lik β açısıyla 13.23 m yarı çapında bir dönüşü, savrulmadan ve irtifa kaybetmeden süzülme modunda gerçekleştirebilmektedir. Robotik kuştaki mevcut batarya sisteminde en uzun menzile uçabilmesi için gerekli olan hız değeri 22.75 m/s’dir. Bu hız değerinde uçarsa mevcut batarya değeriyle en uzak mesafeye gidebilmektedir. Robotik kuşun minimum güç gereksinimiyle uçabilmesi için gerekli hız değeri 6.94 m/s’dir. Keşif uçuşlarında havada fazla kalabilmesi için bu hız modülü gerektiği kadar kullanılabilir.

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] 6. SONUÇLAR (CONCLUSIONS)

[2] Yapılan kanat açı simülasyon çalışmalarında görülüyor ki robotik kuş kanadının dihedral ve negatif dihedral açıları 0° konumundan, dihedral 36°, negatif dihedral 18° konumuna gelene kadar taşıma katsayısı giderek azalmakta fakat dihedral 36°, negatif dihedral 18° den dihedral 0° negatif dihedral 0° açı konumuna gelişinde taşıma katsayısı giderek artmakta ve kanadın yatay konumda maksimuma ulaşmaktadır. Kanadın, aşağı doğru gergin ve düz konum süpürüşünde, taşıma katsayısı yükselmekte olup irtifa ve itki kazanabilmesi için arzu edilen bir durum gerçekleşmiş olmaktadır. Kanat dihedral açıları 0º-0º ve 36º-18º konumlarında parazit sürükleme katsayısı minimum çıkmaktadır.

[3] [4]

[5]

THY A.O. Eğitim Akademisi Ders Notları, 2011. Brosch_SmartBird_en_8s_RZ_300311_lo, RuiterStrasse 82, 73734 Esslingen Germany, www.festo.com/bionic. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wing _Muscles,_color.svg Micael S. Couceiro, N.M. Fonseca Ferreira, J.A. Tenreiro Machado, Application of fractional algorithms in the control of a robotic bird. 12 May 2009. Hui Hu, Anand Gopa Kumar, Gregg Abate, Roberto Albertani, An experimental investigation on the aerodynamic performance of flexible membrane wings in flapping flight. 8 May 2010

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

Uçma hareketinin biyomekaniğinin incelenmesi ve bir robotik kuş tasarımı çalışması

[6]

[7] [8]

[9] [10]

[11]

[12]

[13]

E. Yavçin, A. O. Kaptı

Che-Shu Lin, Chyanbin Hwu, Wen-Bin Young, The thrust and lift of an ornithopter’s membrane wings with simple flapping motion. 01 December 2005. John M. Dietl, Ephrahim Garcia, Ornithopter optimal trajectory control. 13 April 2012. http://www.geol.umd.edu/~jmerck/bsci392/lect ure12/lecture12.html, Maryland Üniversitesi Jeoloji Bölümü. M. Adil YÜKSELEN, Uçak Mühendisliğine Giriş ve Etik Ders Notları 2006. Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A ConceptualApproach, President, ConceptualResearch Corporation Sylmar, California. Mustafa KAYA ve İsmail H. TUNCER, Çırpan Kanat Kesitlerinde İtkinin Yapay Zeka ile eniyileştirilmesi. ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği. C.J. Pennycuick, Modellingthe FlyingBird (Theoretical Ecology Series), AcademicPress; 1 edition (July 28, 2008). Pooley, Dorothy, ve David Robson. ''The Air Pilot's Manual 4: The Aeroplane Technical.'' 5nci baskı. Cranfield. Pooley's Air Pilot Publishing, 2009.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 27-40, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi Metin İpek1*, Mehmet Canbay 2, Kemalettin Yılmaz3

08.05.2014 Geliş/Received, 29.06.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Bu çalışmada çimento bulamacı infiltre edilmiş lifli betonda (SİFCON) genel olarak kullanılan iki ucu kancalı liften farklı olarak, farklı geometriye ve malzeme yapısına sahip liflerin, SİFCON’nun mekanik ve fiziksel özelliklerine etkisi incelenmiştir. Bu amaç için numuneler üzerinde basınç ve eğilme dayanımı, kırılma tokluğu, ultrases geçiş hızı, schimdt test çekici deneyleri yapılmıştır. Sonuç olarak, mekanik özellikler üzerinde çelik liflerin polipropilen liflere göre daha iyi olduğu, birim dayanım maliyet yönünden incelendiğinde ise dalgalı geometriye sahip çelik lifin daha ekonomik olduğu görülmüştür. Korozyon riskinin yüksek olduğu yerlerde ise daha düşük dayanıma sahip olmasına rağmen polipropilen liflerin kullanımını uygun olacağı sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler: SİFCON, lif, gerilme, tokluk

The effect of steel and polypropylene fibers using combination and lean on mechanical and physical properties of SIFCON ABSTRACT In this study, cement slurry infiltrated fiber concrete (SIFCON) the affect of the different geometry and the material structure of the fibers (unlike the two ended hook fibers generally used in SIFCON) to the mechanical and physical properties of SIFCON are investigated. For this purpose samples are subjected to tests regarding pressure and flexibility, fracture toughness, ultrasonic pulse velocity, schmidt hardness scale. As a result the mechanical properties of steel fibers having the wavy geometry, had better results than polypropylene fibers when analyzed in terms of unit cost of strength, was found to be more economical. Despite the lower strength, the use of polypropylene fibers was found to be appropriate where there is a high risk of corrosion. Keywords: SİFCON, fiber, strength, toughness

* Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Sakarya - metini@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Sakarya - mehmetcanbay34@hotmail.com 3 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Sakarya - kmyilmaz@sakarya.edu.tr

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) 1960 yıllardan itibaren betonda lif kullanılmaya başlanmış ve lifli beton teknolojisi günümüze kadar gelişerek gelmiştir. Betonda kullanılan lif miktarı genellikle hacimce %3 aşmamakta, bu oran üzerinde ise ciddi işlenebilirlik ve pompalama sorunları ile karşılaşılmaktadır. Bu nedenle yüksek lif içeren betonların üretiminde farklı yöntemler denenmiştir bu yöntemlerden biri de çimento bulamacının kalıp içerisine doldurulmuş lifler üzerine enjekte edilmesidir. Bu yöntemde, lif miktarının %10’u aşması durumunda lifler üretilecek olan elemanın kalıplarına doldurularak, akıcı kıvamdaki çimento, silis dumanı, pudra ve su karışımından oluşan bulamaç liflere enjekte edilmekte ve bu şekilde SİFCON betonu oluşturulmaktadır. Yüksek lif dozajının sağladığı yüksek tokluk özelliği ve düktilitesi sayesinde güçlendirme işlerinde, endüstriyel zeminlerde, patlamaya ve rokete dirençli askeri yapılarda kullanılabilmektedir [1] SİFCON ilk olarak, 1983 yılında Lankard tarafından New Mexico Engineering Research Institute (NMERI) geliştirilmiştir [2, 3]. Üretim safhasında hazırlanan kalıbın içine yüksek orandaki lifler serpiştirilerek yerleştirilir. Daha sonra çimento, su, silika tozu, çok ince kum ve süper akışkanlaştırıcı içeren bulamaç liflerin üzerine dökülmekte ve vibrasyon uygulanarak, bulamacın liflerin arasına düzgün bir şekilde girmesi sağlanmaktadır [4, 5]. Betonun mekanik özeliklerin iyileştirilmesi için ana faktörler, lif türü ve dozajı, agrega-matris ara yüzeyinde iyi bir yapışma ve mümkün olan en yoğun matrisin elde edilmesidir. Bu bütün betonlarda istenilen bir durumdur. Bu beton ile ince plaklar hazırlanarak kayma donatısı yetersiz kirişlerin çevresine Yerlikaya tarafından aşağıdaki Şekil 1’deki gibi sarılarak güçlendirme levhası olarak kullanılmıştır. Şekil 2 incelendiğinde, güçlendirme işlemi sonunda kirişin yük-sehim eğrisinde önemli derecede artış olmuş ve bu artışın özellikle tokluğu arttıracak şekilde, çatlaktan sonra yük taşımaya devam ettiği görülmüştür (Şekil 2) [6].

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

Wecharatana&Lin, SİFCON’nun mekanik özellikleri ile ilgili çalışma yapmışlardır. Çalışmada % 4-10 arasında ucu kancalı çelik lif içeren SİFCON numuneler üzerinde basınç dayanımı, çekme dayanımı deneyleri yapmışlardır. Çalışma sonucunda numunelerin lif içeriklerinin artması ile çekme dayanımları ve kırılma enerjileri arttığını bildirmişlerdir. Basınç dayanımında ise lif oranına bağlı bir değişim görülmediğini belirtmişlerdir. Çalışmada bulunan değerleri ile Naaman ve Reinhardt’ın çalışmalarında buldukları değerleri kıyaslamışlardır (Tablo 1) [7, 8]. Tablo 1.1. SİFCON numunelerin çekme dayanımları ve kırılma enerjileri [7,8] (SIFCON tensile strength and fracture energy of the samples)

Fiber volume Flexural strength % (Vf) (MPa)

SIFCON

Fracture Enery (kN/m)

19.4

78.8

12.6

26.6

100.5

6.1

Wecharatana&

8.6

31.5

Lin

14.2

45.5

16.7

54.0

8.5

9.2

60.5

13.5

14.2

134.1

Naaman

Reinhardt

Yan ve diğerleri, SİFCON üzerinde deneysel çalışma yapmışlardır. Çalışmaya ait mekanik özellikler Tablo 2’de verilmiştir. Tablo 2 incelendiğinde lif miktarı ile basınç, eğilme dayanımı ve kırılma tokluğu belirgin bir şekilde artış göstermiştir. En büyük artış beklenildiği gibi kırılma tokluğu değerlerinde olmuş ve lifsiz numunenin kırılma tokluğu değeri 0.823 Nm iken %10 lif içeren numunenin kırılma tokluğu değeri 329.9 Nm değerine ulaşmıştır. Deney sonucunda numunelerde oluşan çatlak şekillerini incelenmişve lif miktarı artıkça kiriş yan yüzeylerinde oluşan çatlakların daha homojen olarak yüzeye dağıldığını görmüştür (Şekil 2) [9]. Tablo 2. SİFCON’nun mekanik özellikleri [9] (Mechanical properties of SIFCON's)

Numune Kodu HPC SFRCV4 SFRCV6 SFRCV8 SFRCV10

Lif Hacmi (%) 0 4 6 8 10

Basınç Day (MPa) 86.6 94.5 105.8 121.2 127.8

Eğilme Day. (MPa) 9.15 25.3 43.6 66.4 78.7

Kırılma Tok. (Nm) 0.823 122.9 259.8 312.0 329.9

Şekil 1. SİFCON betonu ile güçlendirme (The concrete reinforcement SIFCON)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

Şekil 2. Farklı Lif içeriğinin çatlak şekilleri (The fiber content of different forms of cracks)

Lankard, yaptığı çalışmada lifsiz ve düşük lif hacmine sahip betonlar ile SİFCON arasında karşılaştırma yapmış ve Şekil 3’deki grafiği elde etmiştir. Bu çalışma sonucuna göre SİFCON’nun eğilme dayanımı ve tokluğunun, diğer lifsiz ve düşük lif hacmine sahip betonlara göre oldukça yüksek değerlerde olduğunu göstermiştir [10]. Wu, Jiang ve Liu yaptıkları çalışmada, betonarme kirişin üst orta noktasına SİFCON’dan oluşan bir blok eleman yapmışlardır (Şekil 3). Çalışmada, kiriş üst bölgesinin SİFCON ile sünekliğini arttırarak, kirişin sehim yapma kapasitesinin artmasını sağlamışlardır. SİFCON bloğun basınç altındaki deformasyonunu arttırmak amacıyla bloğa delikler açmışlardır (Şekil 3). Deneysel çalışmada gevrek malzeme olan betonun yerine basınç bölgesinde SİFCON kullanımı ile kirişin alt bölgesindeki yer değiştirmeler artmış ve dayanım ve tokluk artmıştır [11].

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

Rao ve arkadaşları yaptığı çalışmada, Normal beton, lifli beton, betonarme, %8, %10, %12 lif içerikli SİFCON ve %8, %10, %12 lif içerikli ve donatılı SİFCON üzerinde çarpma (impact) deneyi yapmışlardır. Deney numunesi olarak plak üreterek orta noktasına, geliştirdikleri deney düzeneği sayesinde çarpma etkisi uygulamışlardır. Deney sonucunda numunelerin enerji yutma kapasiteleri ve çarpma etkisi altındaki davranışları incelemişlerdir. 100 mm çapında ve 50 N ağırlığındaki çelik bilye plakada delik oluşturana kadar 45 cm yükseklikten plak numunenin orta noktasına düşürülmüştür. Plağın arka tarafında hasar oluşturması için gerekli düşüş sayısı kaydedilerek enerji yutma miktarı hesaplanmıştır. Çelik bilye En iyi sonucu %12 lif içeren donatılı SİFCON betonunun gösterdiğini ve ayrıca parçalanmanın da en az olduğunu rapor etmişlerdir. Şekil 5’de plakların parçalanması için gerekli darbe sayıları ve numunenin kırılma şekilleri görülmektedir [13].

Şekil 5. SİFCON ve betonarme plakanın arkadan görünüşü (SIFCON of fiber reinforced containing 8% and concrete plate rear view)

Şekil 3. SİFCON blok ile üretilmiş betonarme kiriş (SIFCON reinforced concrete beams produced by the block)

Tuyana ve Yazıcı yaptıkları çalışmada SİFCON matrisin içerisindeki çelik lifin aderansını ve davranışını incelemişlerdir. Ayrıca, SİFCON bulamacının karışım oranları, kür koşulları, çelik lif yönlenme oranı ve gömülme uzunluğu üzerinde çalışmalar yapmışlardır. Bulamaç dayanımının artması, uygun kür uygulanması ve lif çapının artması ile lif aderansını arttırdığını belirtmişlerdir. Pull-out deneyinde (Şekil 4), lif gömülme derinliği arttıkça aderans artmasıyla birlikte tokluğunda artığını göstermişlerdir. Ayrıca kancalı liflerin, düz liflere göre aderansının daha iyi olduğunu belirtmişlerdir (Şekil 4) [12].

Roller ve arkadaşları yaptıkları çalışmada, silindir geometriye sahip betonarme kolonu, SİFCON, lifli beton üç boyutlu hasırlı lifli beton ve polimer betonu ile sararak güçlendirmişlerdir. Bu betonlar ile güçlendirilen kolonları birbirleriyle karşılaştırmışlardır. Sonuç olarak en iyi performansı SİFCON’nun verdiğini rapor etmişlerdir (Şekil 6) [14].

Şekil 6. Basınç deneyi sonucunda zarar görmüş numune şekilleri; (a) yalın betonarme kolon, (b) SİFCON ile güçlendirilmiş betonarme kolon, (c) 3 boyutlu lifli beton ile güçlendirilmiş betonarme kolon, (d) lifli beton ile güçlendirilmiş betonarme kolon, (Damaged as a result of pressure test sampleforms; (a) lean concrete columns, (b) the reinforced concrete columns SIFCON, (c) three-dimensional fiber reinforced concrete columns with concrete, (d) fiber reinforced concrete and reinforced concrete columns,) Şekil 4 SİFCON pull-out deneyi (SIFCON pull-out test) [13]

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

Bu çalışmanın temel amacını, SİFCON'da genellikle kullanılan iki ucu kancalı çelik liflere alternatif olabilecek, ekonomik ve korozyana karşı direnci yüksek farklı tip liflerinin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasıdır. Bu şekilde üretilmiş numuneler üzerinde, basınç ve eğilme dayanımı, kırılma tokluğu, ultrases geçiş hızı, schmidt test çekici deneyleri, birim maliyet analizleri yapılarak farklı tip liflerin SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklerine etkileri araştırılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR (EXPERIMENTAL STUDY)

2.1. Malzemeler (Materials) 2.1.1. Çimento ve silis dumanı (Cement and silica fume) Yapılan deneysel çalışmaların tamamın da, Nuh Çimento fabrikası tarafından üretilen, PÇ 42,5 CEM I R tipi çimento kullanılmıştır. 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 0,5 µm altındadır yani çimento tanesinden yaklaşık 100 kat daha küçüktür. Silis dumanının Blain değeri yaklaşık 20.000 cm²/gr’dır [15, 16, 17]. Yapılan deneysel çalışmaların tamamında, silis dumanı olarak Norveç’te bulunan Elkem firmasının silis dumanı kullanılmıştır. 2.1.2. Kuvars pudrası ve kumu (Quartz powder and sand)

Deneylerde kullanılan kuvars pudrası, Aydın’ın Çine ilçesinden Santoz Sanayi Tozları Firmasından elde edilmiştir. Genellikle SİFCON betonlarında kullanılan en büyük taneye sahip olan malzeme kuvars kumudur. SİFCON’ da istenilen dayanımlara çıkılabilmesi için bu betonlara uygun agrega kullanılmalıdır. Kuvars kumu hem SİFCON için uygun bir agrega hem de ülkemizde bol miktarda bulunmaktadır. Kuvars agregasının basınç dayanımı yaklaşık 180 MPa’a kadar ulaşmaktadır. Sertlik olarak da çok sert bir agrega olduğu için aşınma direnci de yüksektir [17, 19]. Kuvars kumu elde ediliş şekli ve mineralojik bakımdan kuvars pudrası ile aynı özelliklere sahiptir ve sadece tane büyüklüğü farklıdır. Deneylerde kullanılan kuvars kumu, 100–300 µm ve 300-600 µm aralıktaki iki farklı sınıfta bulunmakta ve Şekil 7’de granülometriye sahiptir.

Şekil 7. Taneli malzemelerin granülometri eğrisi (Grain size curve of granular materials)

2.1.3. Lifler (Fibers) SİFCON’un basınç ve eğilme dayanımı ile kırılma tokluğunu arttırmak için karışıma katılacak olan kancalı lifler, Beksa Çelik ve Kord Sanayi ve Ticaret A.Ş.’den temin edilmiştir [20]. Dalgalı çelik lifler, Dekoton A.Ş.’den temin edilmiştir [21]. Lifler çelik olup üzeri korozyona karşı pirinç ile kaplanmış ve 60 mm uzunluğunda 0,9 mm çapındadır. Çelik lifin çekme dayanımı 1500 MPa ve özgül ağırlığı 7,81 g/cm3’tür. Makro polimer lifler Forta-Ferro firmasından [22]. Mikro lifler ise Atlas Ltd. Şti.’nden temin edilmiştir [23]. Deneyde kullanılan polimer makro lif, 54 mm uzunluğunda ve 0.677 mm çapındadır. Mikro lif ise 19 mm uzunluğunda ve 0.056 mm çapındadır. 2.1.4. Kimyasal katkı (Water and chemical additives) Deneylerde düşük su çimento oranından dolayı istenilen işlenebilirliği elde etmek için yeni nesil katkılara ihtiyaç duyulmuştur. Deneylerde bu özelliklere sahip İksa firması tarafından üretilen yeni jenerasyon bir polikarboksilat bazlı yüksek oranda su azaltıcı süper akışkanlastırıcı olan Polycar 100 kullanılmıştır. 2.2. Metod (Method) SİFCON betonlarının karışım dizaynı için henüz yerli ve yabancı herhangi bir standart mevcut değildir. Karışımı oluşturan taneli malzemelerin sıkı bir yapı oluşturacak şekilde oranlanması için farklı karışım teorileri kullanılmaktadır. Bu çalışmada da Sifcon karışımı için daha önceki tez çalışmalarından yararlanılmış ve içeriği Tablo 3’de verilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

Tablo 3. 1 m³ Karışım Oranları (1 m³ mixing ratio)

Malzemeler Çimento Silis dumanı Kuvars pudrası Kuvars Kumu (100-300 µm) Kuvars Kumu (300-600 µm) Toplam su miktarı Katkı Su/çimento oranı Katkı/Çimento oranı

Miktarlar (kg) 900 270 278 252 252 270 36 0.30 0.04

Deneylerde kullanılan bulamaç karışımının üretim sırası, çimento, silis dumanı, su ve katkı, kuvars pudrası ve kuvars kumu şeklinde olmuştur. Basınç dayanımı için 10 cm boyutlarında küp, eğilme dayanımı için ise 4x8x40 cm dikdörtgen prizma şeklinde kiriş kalıpları kullanılmıştır. Bu kalıplara lif veya lifler rastgele olarak doldurulmuş ve sarsma tablası üzerinde bulamaç enjekte edilmiştir. Numuneler bir gün sonunda kalıptan çıkarılarak 3 gün 90 °C de sıcak buhar kürüne tabi tutulmuştur. Basınç dayanım testleri, yükleme hızı ayarlanabilen 3000 kN kapasiteli beton presinde TSE [24] standartlarına uygun olarak yapılmıştır (Şekil 8). Beton presinden alınan basınç kuvveti numune alanına bölünerek basınç dayanım değerleri hesaplanmıştır. Küp numunelere basınç dayanımı deneyinden önce ultra ses geçiş hızı testi yapılmıştır (Şekil 9). Deney sırasında geçiş süresi belirlenmiş ve bu süre geçiş yolu uzunluğuna bölünerek ultrases geçiş hızı hesaplanmıştır. Daha sonra ise basınç dayanımı testi sırasında numuneler basınç altında iken schimdt test çekici deneyi uygulanmıştır (Şekil 9)

Şekil 9. Ultra ses geçiş hızı ve Schmidt test çekici deneyi (Ultra sound transmission rate Schmidt hammer test)

Numuneler dört nokta yükleme yapılarak eğilme dayanım parametreleri belirlenmiştir İki mesnet arasındaki açıklık olan 360 mm, üç eşit parçaya bölünerek kiriş numunesi Şekil 10’daki gibi dört noktadan yüklenmiştir. Deney cihazının yükleme hızı TS 10515’te belirtildiği gibi kiriş orta noktasında, 0,05-0,10 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 hesaplanmıştır. Kırılma tokluğu değeri bilgisayar programı yardımıyla yük-sehim eğrisi altında kalan alan hesaplanarak bulunmuştur [24-29].

Şekil 10. Dört noktalı yükleme deneyi (Four-point loading test)

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND DISCUSSION)

Şekil 8. Basınç dayanımı testi (Compressive strength test)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

Deneyde kullanılan lif tipleri ve kodları Tablo 4’de verilmiştir. Lif çeşitlerine göre mekanik özelliklerine ait değerler Tablo 5’de, verilmiştir. Basınç deneyinde kullanılmak üzere üretilen 100 mm’lik küp numunelerde farklı lif içeriklerine basınç değerleri Tablo 5’de ve Şekil 11’de verilmiştir. Şekil 11. incelendiğinde numuneler arasında belirgin bir ilişkinin olduğu görülmektedir. Karışımdaki lif türü polipropilen liften, çelik life doğru bir değişim gösterdiğinde, çelik lifli numunelerin basınç dayanımlarının arttığı, ayrıca lif tipinin mikrodan makroya değişimi ile de basınç dayanımında artış olduğu görülmektedir. Basınç dayanımlarındaki bu değişimin aynı miktardaki mikro lif sayısı makro lif sayısından çok daha fazladır. Bu nedenle betondaki lif pasta ara yüzeyi 45

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

çok daha fazla olmakta ve buda zayıf noktalar oluşturmaktadır. Ayrıca lif sayısının artması işlenebilirliği de olumsuz etkileyerek boşluk miktarını arttırmaktadır. Polipropilen liflerin dayanımının düşük olması betondaki kusur miktarını da arttırmaktadır. Bu nedenle mikro polipropilen lifli numunelerin basınç dayanımı daha düşük olmaktadır. Tablo 4. Lif tipleri ve kodları (Fiber type sand codes) Makro Dalgalı Çelik Kancalı Çelik Numune Mikro Polimer Lif Polimer Lif Lif Lif Kodu (L= 19 mm) (L= 54 mm) (L= 60 mm) (L= 60 mm) Şahit X DÇ

DÇUPP

1/2X

UPP

KPP

1/2X

UKPP

ses hızı çelik lif içeren numunelerde, polimer lif içeren numunelere göre daha yüksektir. Bunun nedeni olarak çelik liflerin polimer liflere göre ses dalgalarını daha iyi iletmesiyle açıklanabilir. Farklı lif içerikli numunelere ait Schimdt test çekici deneyine ait değerler Tablo 5’de, ve Şekil 13’de verilmiştir. Şekil 13 incelendiğinde schmidt sonuçları karışımdaki liflerin çelik olması schmidt sonucunu arttırmakta polipropilen olması ise azaltmaktadır. Bu liflerin sertliğiyle ilişkilendirilebilir.

Tablo 5. Lif çeşitlerine göre mekanik özellikleri (According to the types of fiber mechanical properties)

Num. Basınç Ultra Schm. Eğilme Kırılma Adı Day. Ses Hızı Testi Day. Tokluğu (MPa) (km/sn) (MPa) (Nm) Şahit 134.83 4.27 62 31.47 47.98 DÇ 141.29 4.28 62 32.95 142.18 DÇUP 110.38 4.26 62 19.21 66.94 UPP 108.73 4.10 46 15.60 8.37 KPP 55.91 4.04 37 10.35 15.18 UKPP 59.43 4.09 45 10.71 1.44

Şekil 12. Ultra ses hızı değişim grafiği (Ultra sound velocity change graphic)

Şekil 13. Schmidt test çekici değerleri ilişkisi (Schmidt test hammer relationship values)

Şekil 11. Basınç dayanımı değişim grafiği (Compressive strength change graphic)

Farklı lif tipine göre ultra ses geçiş hız değerleri Tablo 5’de, Şekil 12’de verilmiştir. Şekil 12 incelendiğinde ultra ses geçiş hızı değerleri en yüksek olan numuneler DÇUPP, ŞAHİT ve DÇ’dir. En düşük olan numuneler ise KPP, UKPP, UPP’e aittir. Ultra ses geçiş hızı değerleri incelendiğinde numunelere çelik liflerin dâhil edilmesi sonucu ultra ses hızlarında artış gözlenmektedir. Ultra 46

UPP lif içeren SİFCON’nun eğilme dayanımına ait yük sehim grafiği Şekil 14’de verilmiştir. Grafik incelendiğinde, yükün tepe noktasında ani olarak düştüğü görülmektedir. Deney sırasında yükün ani olarak düştüğü noktada UPP liflerin büyük kısmının koptuğu bir kısmının da sıyrıldığı görülmüştür (Şekil 15). UPP lif içeren SİFCON’nun eğilme dayanımı 15.60 MPa ve kırılma tokluğu 8.37 Nm olarak bulunmuştur.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

Şekil 17. KPP lifin SİFCON’nun içindeki görünümü (KPP in view of the fiber SIFCON)

Şekil 14. UPP lif içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği (UPP the load deflection graph containing fibers SIFCON's)

Makro ve Mikro lif karma olarak içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği Şekil 18’de verilmiştir. Makro ve Mikro lif karma olarak içeren SİFCON’nun eğilme dayanımı 10.71 MPa ve kırılma tokluğu 1.44 Nm olarak bulunmuştur. Eğilme sonucu belirli bir sehimden sonra liflerin büyük kısmının koptuğu gözlendi (Şekil 19). Liflerin kopması sonucu yük ani olarak düşüş gösterdiği görülmüştür. Şekil 3.20 incelendiğinde karma polimer lifli numunenin yük-sehim eğrisinin makro ve mikro polimer lifli numuneler arasında olduğu görülmektedir. Bu durum kompozit malzeme davranışı ile açıklanabilir.

Şekil 15. UPP lifin SİFCON’nun içindeki görünümü (UPP in view of the fiber SIFCON)

KPP lif içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği Şekil 16’da verilmiştir. Grafik incelendiğinde, yükün tepe noktasında ani olarak düştüğü görülmektedir. Deney sırasında yükün ani olarak düştüğü noktada KPP liflerin büyük kısmının koptuğu bir kısmının da sıyrıldığı görülmüştür (Şekil 17). KPP lif içeren SİFCON’nun eğilme dayanımı 10,35 MPa ve kırılma tokluğu 15,18 Nm olarak bulunmuştur.

Şekil 18. UPP ve KPP karma lif içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği (UPP and KPP the load deflection graph containing hybrid fibers SIFCON)

Şekil 19. UPP ve KPP karma lifin SİFCON’nun içindeki görünümü (UPP and KPP in the view of the fiber composite SİFCON)

Şekil 16. KPP lif içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği (KPP the load deflection graph containing fibers SİFCON)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

Şekil 3.20. UPP, KPP ve UKPP karma lif içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği (UPP, KPP and UKPP the load deflection graph containing hybrid fibers SIFCON)

Şahit lif içeren SİFCON’nun yük-sehim grafiği Şekil 21’de verilmiştir. Numunede ilk çatlağın oluştuğu yük ile en büyük eğilme yükü birbirine yakın ve 11700 N’dur. Buna göre çatlak dayanımı ve eğilme dayanımı 32.95 MPa ve kırılma tokluğu 47.98 Nm olarak bulunmuştur. Yük sehim grafiğindeki yükte azalma sırasında liflerin sıyrılarak pasta içerisinden çıktığı görülmüştür.

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

Şekil 22. DÇ lif içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği (DÇ the load deflection graph containing fibers SIFCON's)

Şekil 23. DÇ lifin SİFCON’nun içindeki görünümü (DÇ in view of the fiber SIFCON's)

DÇ lif ve UPP lif içeren SİFCON’nun yük-sehim grafiği Şekil 3.14’de verilmiştir. Numunede ilk çatlağın oluştuğu yük, yaklaşık 4200 N ve en büyük eğilme yükü ise yaklaşık 6800 N olmuştur. Buna göre çatlak dayanımı yaklaşık 11.81 MPa, eğilme dayanımı 19.21 MPa ve kırılma tokluğu 66.94 Nm olarak bulunmuştur. Yük sehim grafiğindeki yükte görülen ani düşüşler, polipropilen liflerin kopması sonucu oluştuğu görülmüştür (Şekil 25). Şekil 21. Şahit lif içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği (Control load deflection graph containing fibers SIFCON's)

8000 7000 6000

Yük (N)

DÇ lif SİFCON’nun yük-sehim grafiği Şekil 22’de verilmiştir. Numunede ilk çatlağın oluştuğu yük, yaklaşık 10000 N ve en büyük eğilme yükü ise 11190 N olmuştur. Buna göre çatlak dayanımı yaklaşık 28 MPa, eğilme dayanımı 31,47 MPa ve kırılma tokluğu 142,18 Nm olarak bulunmuştur. Yük sehim grafiğindeki yükte azalma sırasında liflerin sıyrılarak pasta içerisinden çıktığı görülmüştür (Şekil 23).

5000 4000 3000 2000 1000 0 0

Sehim (mm)

Şekil 24. DÇ ve UPP lif içeren SİFCON’nun yük sehim grafiği (DC and UPP fiber-containing fibers of the load deflection graph SIFCON's)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

Şekil 25. DÇ ve UPP lifin SİFCON’nun içindeki görünümü (DC and UPP fiber is view of in theSİFCON'S)

3.1. Birim maliyet analizi (Unit cost analysis) Bu başlık altında; üretilen numunelerin karışım içerisine giren lif tipteki farklılıklar sonucu değişen mekanik özelliklerin birim fiyat dayanımı üzerine olan etkileri hesaplanmıştır. Eğilme ve basınç deneylerin de kullanılmak üzere üretilen numunelerde; Şahit, UPP, KPP, UKPP, DÇ ve DÇUPP'nin 1 m3 beton için birim maliyet değerleri Tablo 6'da, numunelere ait birim dayanım maliyeti Tablo 7’de verilmiştir. Basınç dayanımı birim maliyeti, eğilme dayanımı birim maliyeti, kırılma tokluğu birim maliyetine ait grafik ise Şekil 26’da verilmiştir.

Toplam

Maliyet (TL)

Lif (TL)

Lif (kg)

K. Katkı (kg )

Su (kg)

2. K. Kum (kg)

1. K. Kum (kg )

K. Pudrası(kg )

Silis Dumanı(kg)

Çimento (kg)

Numune Kodu

Tablo 6. Numunelere ait birim maliyet (Unit cost of th e samples)

Birim Fiyatlar (TL/kg)

KPP

0.14 0.25 0.4 900 270 278

0.2 252

0.2 0.002 4.00 252 270 36 27.3 6.5

UKPP 900

270

278

252

270

550

27 26.5 912

900

270

278

252

270

36 27.3 20

DÇUP 900

270

278

252

270

188 22.5 1260

900

270

278

252

270

350 2.5 1425

ŞAHİT 900

270

278

252

270

350 4

UPP

DÇ

1096

1950

Şekil 26. Numunelere ait basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve kırılma tokluğu birim maliyeti grafiği (Compressive strength of the samples, the flexure strength and fracture toughness of the unit cost chart)

Tablo 6, Tablo 7 ve Şekil 26’da birim dayanım maliyetleri incelendiğinde en düşük basınç dayanımı birim maliyet değeri mikro polimer, makro polimer ve dalgalı çelik lifli numunelere aittir. Bununla birlikte dalgalı çelik lif ve makro polimer karma lif içeren numunelerin basınç dayanım maliyetleri, polimer ve dalgalı çelik liflerden yaklaşık %10 daha fazladır. Karma polimer ve Şahit lifin basınç dayanımı maliyeti ise dalgalı çelik lif ve polimer liflerden yaklaşık %50 daha fazladır. Eğilme dayanımı parametreleri açısından incelendiğinde ise en düşük eğilme dayanım maliyeti dalgalı çelik lifli numuneye aittir. Mikro polimer lif içeren numunenin eğilme dayanım birim maliyeti ise dalgalı çelik lifli numuneden yaklaşık %20 daha fazladır. Şahit numunenin eğilme dayanımı birim maliyeti dalgalı çelik lifli numunelerinkinden yaklaşık %30 daha fazladır. En fazla eğilme dayanımı birim maliyeti ise sırasıyla karma polimer, uzun polimer ve dalgalı çelik makro polimer karma lif içeren numunelere aittir. Polimer liflerin kopması sonucu eğilme dayanımı ve kırılma tokluğu değerleri düşmüş ve buna paralel olarak maliyet yükselmektedir. Yukarıdaki bilgiler ışığında en iyi dayanımı veren ve en düşük birim dayanım maliyetine sahip numunenin dalgalı çelik lifli numunenin olduğu tespit edilmiştir.

Eğilme Day. (MPa)

Kırılma Tokluğu (Nm)

Basınç Day. Bir. Mal. (TL/MPa)

Eğilme Day. Bir. Mal. (TL/MPa)

Kırılma Tok. Bir. Mal. (TL/Nm)

SİFCON’u oluşturan malzemeler ve üretim tekniği normal betonlardan farklı olmakla birlikte çoğunluğu ülkemizde üretilen malzemeleri kullanılarak SİFCON üretilebilmektedir. Üretilen küp ve prizmatik numunelerin; birim hacim ağırlığı, ultrases geçiş hızı, schmidt test çekici, basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve kırılma parametreleri ile maliyete etkisi incelenmiştir. Çalışmalar sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.

Basınç Day. (MPa)

4. SONUÇ (CONCLUSION)

Numune Kodu

Tablo 7. Numunelere ait birim dayanım maliyetleri (Strength unit costs of sample)

Şahit

134.83

32.95

47.98

14.46

59.18

40.64

DÇ

141.29

31.47

142.18

10.09

45.28

10.02

DÇU

110.38

19.21

66.94

11.42

65.62

18.83

UPP

108.73

15.60

8.37

10.08

70.26

130.95

KPP

55.91

10.35

15.18

9.84

53.14

36.23

UKP

59.43

10.71

1.44

15.34

85.13

633.17

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

Basınç dayanımı incelendiğinde lif tipi ile basınç dayanımını arasında belirgin bir ilişki olduğu 49

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

görülmüştür. Polipropilen lif kullanılan numunelerde basınç dayanımı diğer çelik liflere göre daha düşüktür. DÇ ve ŞAHİT kodlu çelik lif içeren numunelerin basınç dayanımlarının diğer guruplar içinde en yüksek sonucu vermektedir. KPP, UKPP ’in basınç değerleri ise en düşük değeri almıştır.

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

[2] Ultra ses geçiş hızı değerleri incelendiğinde en yüksek olan numuneler DÇUPP, ŞAHİT ve DÇ’ dir. En düşük olan numuneler ise KPP, UKPP, UPP ’e aittir. Çelik lif katkılı numunelerin polimer lif katkılı numunelere göre daha yoğun bir agrega yapısı oluşturması ve çelik liflerin ses iletim hızlarının daha yüksek olması ses geçiş hızını etkilemektedir. Benzer durum schmidt test sonuçları için de geçerlidir. Eğilme dayanımları incelendiğinde en yüksek eğilme dayanımı ŞAHİT ve DÇ lifli numunelere, en düşük eğilme dayanımı ise KPP ve UKPP lifli numunelere aittir. Liflerin çekme mukavemeti, bu lifler ile üretilen betonların eğilme dayanımını doğrudan etkilemektedir. Çekme dayanımı düşük olan polimer lifler kırılma anında çoğunlukla kopmuş ve eğilme dayanımını olumsuz etkileyerek tokluk değerini de düşürmüşlerdir. Çelik lifler ise yüksek çekme mukavemetleri sayesinde kopmamış ve beton içerisinden sıyrılmışlardır. Beton mukavemetinin normal betonlara göre yüksek olması, ince taneli yapısı sayesinde lifler ile güçlü bir aderans yapması sıyrılmayı güçleştirerek eğilme dayanımı ve kırılma tokluğu değerini arttırmıştır. Liflerin karma olarak kullanılması sonucunda, bilirli bir eğilme yükü altında polimer esaslı lifler koparak çatlak köprülenmesini çelik liflere bırakmıştır. Numunede bulunan çelik lif miktarının azalmasına bağlı olarak eğilme parametreleri olumsuz etkilenmiştir. Kırılma toklukları incelendiğinde en yüksek kırılma tokluğu DÇ lifli numunelere en düşük kırılma tokluğu ise UKPP lifli numunelere aittir. Polimer lifli numunelerin birim hacim değerleri, ucuz olmasına rağmen eğilme ve basınç parametrelerinde çelik liflere göre daha düşük dayanım vermesi bu lifleri ekonomik olmaktan uzaklaştırmıştır. Bu nedenle

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10] Yukarıdaki bilgiler ışığında en iyi dayanımı veren ve en düşük birim dayanım maliyetine sahip numunenin dalgalı çelik lifli numune olduğu tespit edilmiştir. Bununla birlikte sert dış etkilere maruz kalacak betonlarda çelik lif kullanımı ciddi korozyon problemleri yaratabilmektedir. Polimer liflerin korozyon direncinin yüksek olması bu gibi etkilere karşı tercih edilme sebebi olabilir. Ayrıca çelik liflerin manyetik alan oluşturması da bazı durumlarda istenmemektedir. Bu gibi yerlerde de polimer lifler tercih edilebilir. 50

[11]

[12]

Scheneider, B. (1992) ‘Development Of Sıfcon Through Applications’, High Performance Fiber Reinforced Cement Composites, E&Fn Spon, Pp. 177-194. Lankard, D.R. (1984) ‘Properties, Applications: Slurry Infiltrated Fiber Concrete (Sıfcon),’ Concrete International, Pp. 287-306. Wang, M.L, Maji A.K. (1992) ‘Shear Properties Of Slurry İnfiltrated Fiber Concrete (Sıfcon)’, High Performance Fiber Reinforced Cement Composites, London, Pp. 203-212. Tabak, V. (2004) ‘Çelik Lifli Betonda Lif Ve Lif Boy/Çap Oranlarının Değişiminin Betonun Mekanik Özelliklerine Etkisi’ Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Sf. 73-76. Yerlikaya, M. (2003) ‘Çelik Tel Donatılı Betonların Deprem Etkisi Altında Davranışları’, Kocaeli Deprem Sempozyumu Bildiriler Kitabı, Sf. 302-304. Tabak, V. (2004) ‘Çelik Lifli Betonda Lif Ve Lif Boy/Çap Oranlarının Değişiminin Betonun Mekanik Özelliklerine Etkisi’ Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Sf. 73-76. Wecharatana, M., Lın, S. (1992) ‘Tensile Properties Of High Performance Fiber Reinforced Concrete’, High Performance Fiber Reinforcedcementcomposites, London, Pp. 248258. Yan, A., Wu, K., Zhang, X. (2002) ‘A Quantitative Study On The Surface Crack Pattern Of Concretewith High Concent Of Steel Fiber’, Cementand Concrete Research, Vol. 32, Pp. 1371-1375. Lankard D.R. (1985) ‘Preparation, Properties And Application Of Cement-Based Composites Containing 5 To 20 Percent Steel Fibre, İn S.P’ Shahand A. Skarendahl (Eds) Steel Fibre Concrete, Proceedings Us-Sweden Joint Seminar, Elsevier Applied Science Publishers, Barking, Pp. 199-217. Wu, Y.F., Jiang, J.F., Lıu, K. (2010) ‘Perforated Sifcon Blocks–An Extra Ordinarily Ductile Material Ideal For Use in Compression Yielding Structural Systems’, Construction And Building Materials 24, 12, Pp. 2454-2465. Tuyan M., Yazıcı, H. (2012) ‘Pull-Out Behavior Of Single Steel Fiber From Sıfcon Matrix’ Construction And Buildingmaterials, 1, 35, Pp. 571-577. Raoa, H.S., Ghorpade, V.G., Ramanac, N.V., Gnanesward, K. (2010) ‘Response Of Sifcon SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

Çelik ve polipropilen liflerin yalın ve kombinasyonlu olarak kullanılmasının SİFCON'un mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi

[13]

[14]

[15] [16]

[17]

[18] [19] [20] [21] [22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

M. İpek, M. Canbay, K. Yılmaz

Two-Wayslabs Under İmpact Loading’, International Journal Of Impactengineering, 37, 452-458. Roller, C., Mayrhofer, C., Rıedel, W., Thoma, K. (2012) ‘Residual Load Capacity Of Exposed And Hardened Concrete Columns Under Explosion Loads’, Engineering Structures, Doi:10.1016/J.Engstruct. 2011.12.004. Yeğınobalı, A. (2002) ‘Silis Dumanı Ve Çimento İle Betonda Kullanımı’, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği /Ar-Ge Enstitüsü, 2. Baskı, Sf. 18-46, Ankara. http://www.materials.elkem.com [07.03.2008]. İpek, M. (2009) ‘Reaktif Pudra Betonlarının Mekanik Davranışına Katılaşma Süresince Uygulanan Sıkıştırma Basıncının Etkileri’, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 1-75. Korkanç, M., Tuğrul A. (2004) ‘Beton Agregası Olarak Kullanılacak Bazaltların Alkali-Silis Reaksiyonu Yönünden İncelenmesi, İstanbul Üniv. Müh. Fak. Yerbilimleri Dergisi, 17, 2, Sf. 161-169. Aıtcın, P.C. (2004) High Performance Concrete, E.&F.N. Spon, New York. http://www.beksa.com.tr. [04.07.2007]. http://www.dekoton.com.tr/[01.04.2014]. http://www.forta.com.tr/fortaferro/default.aspx [01.04.2014]. http://betonfiber.com/wp-content/uploads/ 2013/06/bf-19-mm-teknikd%c3%b6k%c3%bcman.pdf [31.03.2014]. Ts En 12390-3, (2003) ‘Beton-Sertleşmiş Beton Deneyleri-Bölüm 3: Deney Numunelerinde Basınç Dayanımının Tayini’, Türkiye Standartları Enstitüsü. Astm C 39/C39m, (1996) Standard Test Method For Compressive Strength Of Cylindrical Concrete Specimens, Astm (American Society For Testing And Materials). Ts 10513, (1992) Çelik Teller-Beton Takviyesinde Kullanılan, Türkiye Standartları Enstitüsü. Ts 10514, (1992) Beton - Çelik Tel Takviyeli Çelik Telleri Betona Karıştırma Ve Kontrol Kuralları, Türkiye Standartları Enstitüsü. Ts 10515, (1992) Çelik Tel Takviyeli Betonun Eğilme Mukavemeti Deney Metodu, Türkiye Standartları Enstitüsü. Astm C 1018, (1989) Standard Test Methodfor Flexural Toughnes Sand First-Crack Strength Of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam With Third-Point Loading), Astm (American Society For Testing And Materials), V 4.02, Pp. 637–644.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 41-52, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 53-58, 2015

23 Ekim 2011 Van depreminin (Mw=7.1) oluşturduğu Coulomb gerilme değişimi Türkan Ersular*1, Ayşe Güneş2, Yusuf Sarı3, Ertuğrul Gürbüz4, Hatice Durmuş5, Levent Gülen6

08.04.2014 Geliş/Received, 27.07.2014 Kabul/Accepted

ÖZ 23 Ekim 2011 tarihinde moment magnitüdü Mw=7.1 olan bir deprem Türkiye’nin doğusunda Van ilinde meydana gelmiştir. Deprem Van şehir merkezinde ve Erciş kasabasında yoğun hasar yaratmış ve 600’den fazla insanın hayatını kaybetmesine sebep olmuştur. Bu çalışmada, 2011 Van depreminin neden olduğu Coulumb gerilme değişimi hesaplanmış ve gerilmenin Van Gölünün güney sahilinin ortasından itibaren kuzeydoğu yönünde Muradiye’ye doğru uzanan bir zon boyunca 5 bara kadar arttığı saptanmıştır. Bu zon artçı deprem dağılımlarının da yoğun olarak gözlendiği bir zondur. 9 Kasım 2011 tarihinde zarara ve can kaybına neden olan Mw=5.6 büyüklüğündeki Edremit depremi Van depreminin bir artçı şoku olmayıp, Van depremi ile tetiklenen bağımsız bir depremdir. Anahtar Kelimeler: 23 Ekim 2011 Van depremi, 9 Kasım 2011 Edremit depremi, coulomb gerilme değişimi, deprem, fay, aktif tektonik

Coulomb static stress changes after the 23 October 2011, Van earthquake ABSTRACT On October 23, 2011, a Mw=7.1 earthquake occurred in the province of Van in eastern Turkey. The earthquake caused extensive damage in the city centers of Van and Erciş, and it caused more than 640 fatalities. In the present study, we calculated Coulomb stress failure changes caused by the 2011 Van earthquake. The stress increases up to 5 bars in a zone that extends northeastwards from the midpoint of the southern shore of Lake Van towards Muradiye. The density of aftershock distributions are high in the stress zone. The November 9, 2011 Edremit earthquake (Mw=5.6), which caused further loss of lives and damage in the earthquake struck area, is not an aftershock, but an independent earthquake triggered by the October 23, 2011 Van earthquake. Keywords: October 23, 2011 Van earthquake, November 9, 2011 Edremit earthquake, Coulomb stress change, earthquake, fault, active tectonic

* Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği, Sakarya - turkanersular@hotmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği, Sakarya - aysegunes_54@hotmail.com 3 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği, Sakarya - says.muhendislik@gmail.com 4 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği, Sakarya - egurbuz@sakarya.edu.tr 5 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği, Sakarya - herguven@sakarya.edu.tr 6 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği, Sakarya - lgulen@sakarya.edu.tr

T. Ersular, A. Güneş, Y. Sarı, E. Gürbüz, H. Durmuş, L. Gülen

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Doğu Anadolu Bölgesi, Arap ve Avrasya levhaları arasında meydana gelen yakınsamalı levha hareketleri sonucu K-G yönlü sıkışmalı tektonik süreçlerin etkisindedir. Söz konusu tektonik süreçler altında bölgede birbirine çapraz uzanan doğrultu atımlı faylar, bindirme ve ters faylar ile normal fay veya açılma çatlaklarından oluşan karmaşık bir kabuk yapısı gelişmiştir [1]. Bu karmaşık yapı içinde KD-GB uzanımlı faylar sol yönlü doğrultu atımlı, KB-GD uzanımlı faylar ise sağ yönlü doğrultu atımlıdır [2]. K-G yönlü tektonik yapılar normal fay veya açılma çatlakları şeklinde gelişirken, D-B uzanımlı güncel tektonik yapılar ise kıvrım, ters ve bindirmelerle temsil edilmektedir (Şekil 1)[2]. Şehir merkezinin kuzeyinde Van gölü ile Erçek gölü arasında yer alan ve Van şehir merkezinin kuzeyinde hemen hemen D-B doğrultulu uzanan Van fayı kırığı depreme sebep olmuştur. Türkiye sınırları içindeki ters faylardan kaynaklanan ve büyüklüğü 7 ve üzerinde olan bir deprem tarihsel dönemlerden bilinmediği gibi, son yüzyılı kapsayan aletsel dönemde de kaydedilmemiştir [3]. Bu özelliği ile Mw= 7.1 büyüklüğündeki 23 Ekim 2011 Van depremi ters faylardan kaynaklanmış en büyük yıkıcı deprem özelliğine sahiptir [4].

Şekil 1. Van Gölü Havzası ve yakın çevresinin sismotektonik haritası [5] (Seismotectonic map of Lake Van Basin and vicinity [5])

9 Kasım 2011 de zarara ve can kaybına neden olan Mw=5.6 büyüklüğündeki Edremit depremi ise Van depreminin bir artçı şoku olmayıp, Van depremi ile tetiklenen bağımsız bir depremdir. Çünkü Edremit depreminin merkez üssü kuzeye dalımlı bir ters fay olan Van fayının güneyinde yer almakta ve Edremit depremi de kendi artçı şoklarını üretmiş olup bunlar doğu-batı uzanımlıdırlar. Bunun yanı sıra Van ve Edremit depremlerinin faylanma mekanizmaları da çok farklı

23 Ekim 2011 Van depreminin (Mw=7.1) oluşturduğu Coulomb gerilme değişimi

olup, Van depremi ters faylanma, Edremit depremi ise sağ-yanal doğrultu atımlı faylanma özelliğine sahiptir. 1.1. 23 Ekim 2011 Van depremi (23 October 2011 Van earthquake)

23 Ekim 2011 Van depremi (Mw=7.1) Van fayı boyunca meydana gelmiştir [1, 3, 4]. Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü (KRDAE) tarafından depremin episantrı Van şehir merkezinin yaklaşık 25 km Kuzeydoğusu olarak verilmiştir. En ağır hasarın Van şehir merkezi ve Erciş ilçesinde meydana geldiği depremde, 600’den fazla insan hayatını kaybetmiş, 2608 insan yaralanmış ve birçok insan evsiz kalmıştır [6, 7, 8]. 23 Ekim 2011 Van depremi Türkiye’nin doğusunda Van ilinde meydana gelmiştir. Şehir merkezinin kuzeyinde Van gölü ile Erçek gölü arasında yer alan ve Van şehir merkezinin kuzeyinde hemen hemen D-B doğrultulu uzanan Van fayı kırığı depreme sebep olmuştur. Depremin merkez üssü KRDAE tarafından 38.750 D ve 43.360 K olarak belirlenmiştir. 23 Ekim 2011 Van depreminin episantrı Van şehir merkezinin yaklaşık 30 km kuzey batısında yer almaktadır [9]. Depremin, çeşitli sismoloji enstitü ve kuruluşlarınca bulunan odak ve kaynak parametreleri Tablo 1’de verilmiştir. Tablo 1. 23 Ekim 2011 Van depreminin kaynak parametreleri. D1 ve D2: 1. ve 2. düğüm düzlemleri (Source parameters of the 23 October 2011 Van earthquake. D1 and D2: 1. and 2. node planes) KRDAE: Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü, KRDAE USGS GFZ EMSC GCMT 13:41:21 10:41:22 10:41:22 10:41:22 10:41:30 Saat Enlem 38.758 38.710 38.72 38.86 38.67 (⁰) Boylam 43.360 43.446 43.55 43.48 43.42 (⁰) Derinlik 5 16 10 10 15 (km) Büyüklük 6.6 Ml 7.3 Mw 7.1 Mw 7.3 Mw 7.1 Mw Mox1019Nm 9.9 4.7 6.86 6.4 Strike D1 D2 D1 D2 D1 D2 D1 D2 (⁰) 80 272 94 268 107 248 248 104 Dip 71 19 54 36 44 53 36 60 (⁰) Rake 86 101 94 85 120 64 60 110 (⁰) USGS:United States Geological Survey,GFZ: Geoforschungszentrum, EMSC: European–Mediterrenean Seismological Centre, GCMT: Global Centroid Moment Tensor Catalog.

23 Ekim 2011 Van depreminin ardından 10 Nisan 2012 tarihine kadar yaklaşık beş aylık süre içinde bölgede meydana gelen büyüklüğü M≥2 olan toplam artçı sarsıntı sayısı 6000’den fazladır ve oluşan artçı depremler fayın kuzey kısmında yoğunlaşmıştır (Şekil 2). Artçı sarsıntılardan en büyüğü ana depremin olduğu gün 23 Ekimde yerel saat ile 23:45'te Mw 6.0 olarak kaydedilmiştir ve artçı şokların ilk modelleme sonuçları hemen hemen D-B doğrultulu bir kırılma gösterir [10]. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 53-58, 2015

23 Ekim 2011 Van depreminin (Mw=7.1) oluşturduğu Coulomb gerilme değişimi

T. Ersular, A. Güneş, Y. Sarı, E. Gürbüz, H. Durmuş, L. Gülen

Artçı deprem konumları yaklaşık 50 km x 25 km boyutlarında bir kırılmayı işaret etmektedir [11]. Bu fay düzlemi üzerinde yaklaşık 10-15 km derinlikteki ortalama yer değiştirme 2 m ve fayın doğrultusu yaklaşık 2500dir [3]. GPS ve InSar verileri kullanılarak yapılan bir modelleme çalışmasında Van gölü ile Erçek gölü arasında 450 kuzeye eğimli bir fay üzerinde 2.5 metreye varan yer değiştirme bulunmuştur ve faylanma türü ters faylanmadır [10].

Coulomb gerilmesi, kayaların doğal kesme gerilmesi ’e eşit veya daha fazla olursa yenilme meydana gelir. Gözenek sıvı basıncı normal gerilmeyi azaltıcı yönde rol oynar. ∆ ’in değeri sadece kaymanın yönünü etkilediğinden dolayı değeri uygun seçilmelidir. Coulomb yenilme gerilmesindeki maksimum değişimler yenilmenin optimum olarak yönlendiği düzlemler üzerinde meydana gelir ve bu nedenle artçıların çoğunun kaymanın optimum olarak yönlendiği ana fay çevresindeki küçük faylar üzerinde oluşması beklenir [12]. Optimum yenilme düzlemlerinin yönelimi hem deprem gerilme değişimi hem de önceden var olan bölgesel gerilme ile kontrol edilir [12, 13]. Ayrıca bölgesel gerilmenin yönü ana fay çevresindeki yenilme stresinin dağılımını da etkiler. 3. COULOMB GERİLME DEĞİŞİMİ MODELİ VE SONUÇLAR (COULOMB STRESS CHANGES AND RESULTS)

Şekil 2. 23 Ekim 2011 Van depremi sonrası 7 aylık zaman dilimi içindeki artçı deprem aktivitesi. Artçı depremler ve 2011 Van ve Edremit depremlerinin odak çözümleri sırasıyla KOERİ ve USGS’den alınmıştır. Kırmızı yıldızlar 2011 Van ve Edremit depremlerinin episantır yerlerini göstermektedir (The aftershocks activity in the seven months period after the 23 October 2011 Van Earthquake. Focal mechanisms of the 2011 Van and Edremit earthquakes and their aftershocks are taken from KOERI and USGS. Red stars represent epicenter locations of the 2011 Van and Edremit earthquakes)

2. METOD (METHOD)

Bu çalışmada [12] tarafından geliştirilen ve parametrelerin hassasiyetinin [13] tarafından test edildiği Coulomb Gerilme Değişim Metodu kullanılmıştır. Gerilme şartları altındaki kayaların yenilmesini açıklamak için literatürde kullanılan çok sayıda yenilme kriteri vardır. Coulomb kriteri laboratuvar şartları altında kayaların yenilmesini ifade ettiği gibi yeryüzündeki faylanmayı da açıklar [15]. Coulomb yenilme gerilmesindeki değişim, ∆

=∆ +

∆

(1)

ile tanımlanır. Burada Δσn ve Δτ, sırasıyla hedef fay düzlemi üzerindeki normal (pozitif) ve kesme gerilme değişimleri, μ' ise boşluk suyu basıncının bilinmeyen etkisini içeren uygun sürtünme katsayısıdır [13]. , 0.20.8 aralığında değişir ve bu çalışmada incelenen bölge için 0.4 alınmıştır. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 53-58, 2015

Bu çalışmada, hem 23 Ekim 2011 Van depreminden kaynaklanan Coulomb gerilme değişim modeli ile bölgedeki artçı deprem aktivitesi arasındaki ilişki hem de 09 Kasım 2011 Edremit depremi fay düzlemi üzerindeki gerilme değişimi incelenmiştir. Coulomb yenilme gerilmesindeki maksimum değişimler yenilmenin optimum olarak yönlendiği düzlemler üzerinde meydana gelir ve bu nedenle artçıların çoğunun kaymanın optimum olarak yönlendiği ana fay çevresindeki küçük faylar üzerinde oluşması beklenir [13]. Optimum yönlenmiş fay üzerinde gerilme değişim hesapları öncelikle asal gerilme eksenleri yönelimleri ile bölgesel gerilme alanının tanımlanmasını gerektirir. Buna göre, bu çalışmada [16] tarafından verilen bölgesel gerilme alanı (σ1 için, azimuth=335◦, plunge=16◦; σ2 için, azimuth=255◦, plunge=32◦ ve σ3 için, azimuth=42◦, plunge=53◦), kullanılarak ana şok ve artçılarının çoğu ters fay mekanizmasıyla geliştiği için optimum ters faylar üzerinde gerilme değişimi hesaplanmıştır. Coulomb gerilme değişimi modelinde kaynak fay olarak tanımlanan 2011 Van depremi fay düzlemi için fay boyutları KOERİ tarafından kayıt edilen artçı deprem dağılımlarından yararlanarak belirlenmiştir (fay uzunluğu =51km, genişliği=25 km) (Şekil 2). Kaynak fayın doğrultusu, eğimi ve rake açısı sırasıyla 255º, 50º ve 73º olarak alınmıştır (USGS cisim dalgası moment tensör çözümü). Artçı deprem dağılımının doğrultusu ile belirlediğimiz kaynak fayın doğrultusu USGS tarafından verilen fay düzlemi doğrultusu ile aynıdır. Üst kenarı yer yüzeyine yerleştiren 2011 Van depremi kaynak fay düzlemi için kayma miktarı, [17]’nin magnitüde bağlı olarak tanımladığı ampirik bağıntılarından yararlanarak 2.30 m’lik tek bir kayma değeri ile tanımlanmıştır. Şekil 3ave b’de verilen Coulomb gerilme değişim modelleri 55

23 Ekim 2011 Van depreminin (Mw=7.1) oluşturduğu Coulomb gerilme değişimi

T. Ersular, A. Güneş, Y. Sarı, E. Gürbüz, H. Durmuş, L. Gülen

sırasıyla 10 km ve 5 km derinliklerde hesaplanmış olup kırmızı renkler gerilme artışlarını, mavi renkler gerilme düşümünü temsil etmektedir.

derinlik için yapılmıştır. Buna göre artçı depremlerin birçoğunun gerilmenin 1 bar'a kadar artış gösterdiği kuzeydoğu kısımda yerleştiği görülmektedir. Şekil 3b ise doğrultusu 163º, eğimi 52º ve rake açısı -44º olan Edremit depremi fay düzlemi üzerinde 2011 Van depreminden dolayı hesaplanan Coulomb gerilme değişim modelini göstermektedir. 2011 Edremit depreminin, 2011 Van depremi ana şoku ve artçılarından farklı bir odak mekanizmasına sahip olması ve 2011 Van depreminin oluşturduğu artçı deprem aktivitesi dışında bir bölgede meydana gelmesi bu depremin farklı bir kaynak zonu üzerinde meydana geldiği düşüncesini ortaya koyabileceği gibi 2011 Van depreminin tetiklediği bölgedeki diğer fay sistemlerinin aktivitesine bağlı gelişen artçı deprem olması da söz konusudur [10]. Şekil 3b’deki 5 km derinlikte (2011 Edremit depreminin odak derinliği) hesaplanan Coulomb gerilme değişim modeli harita görüntüsü incelendiğinde 2011 Edremit depremi fay düzleminin tamamının 2011 Van depreminden dolayı en az 1 bar’lık bir gerilme yüklendiği görülmektedir. Buda 2011 Edremit depreminin Van depreminden dolayı tetiklendiği görüşünü açıkça desteklemektedir. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGMENT) Bu makale Jeofizik Semineri 2 dersine katılan yüksek lisans ve doktora öğrencileri tarafından, dersi veren Prof.Dr. Levent Gülen’in yönetiminde hazırlanmış olup bu seminer dersinde tartışmaları ile makaleye katkıda bulunan herkese teşekkür ederiz. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

Şekil 3. 23 Ekim 2011 Van depreminden dolayı hesaplanan Coulomb gerilme değişim modelleri. (a) 2011 Van depreminden dolayı 10 km derinlikte hesaplanan Coulomb gerilme değişim modeli ile artçı deprem aktivitesi dağılımı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Artçı depremlerin episantr yerleri KRDAE’den alınmıştır. (b) 2011 Van depreminden dolayı 2011 Edremit depremi fay düzlemi üzerinde 5 km derinlikte hesaplanan Coulomb gerilme değişim modelini göstermektedir. 1: 23 Ekim 2011 Van depremi fay düzlemi, 2: 09 Kasım 2011 Edremit depremi fay düzlemini göstermektedir (The Coulomb stress change models of the 23 October 2011 Van earthquake. (a) shows relation between Coulomb stress change model and aftershock distribution at 10 km depth. Aftershock locations are obtained from KOERI. (b) shows the calculated Coulomb stress change model for the 2011 Van earthquake on the 2011 Edremit earthquake fault plane. 1: fault plane of 23 October 2011 Van earthquake, 2: fault plane of 09 November 2011 Edremit earthquake)

Şekil 3a, 2011 Van depreminden sonra meydana gelen artçı depremlerin (M≥4.0) episantr dağılımları ile optimum ters faylar üzerinde 2011 Van depreminden dolayı hesaplanan Coulomb gerilme değişimleri arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Gerilme değişim modeli artçı depremlerin ortalama derinliği olan 10 km 56

[2]

[3]

[4]

[5]

Gülen, L., Utkucu, M., Budakoğlu, E., Yalçın, H., Güneş,Y., Kalafat, D. (2012) ‘Seismotectonics of the Lake Van Region and the October 23, 2011 Van Earthquake (Mw=7.1)’, Seismological Research Letters, 83(2), 438. Şaroğlu, F. ve Yılmaz, Y. (1984) ‘Doğu Anadolu'nun Neotektoniği ve ilgili Magmatizması’, Türkiye Jeol. Kur. İhsan Ketin Sempozyumu, Özel Sayısı, 149-162. Emre Ö., Duman T.Y., Özalp S. ve Elmacı H. (2011) ‘23 Ekim 2011 Van Depremi Saha Gözlemleri ve Kaynak Faya İlişkin Ön Değerlendirmeler’, MTA Raporu, 22s. Koçyiğit A., Deveci, Ş. ve Kaplan M. (2011) ‘Van Depremleri Raporu’, ODTÜ, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Aktif Tektonik ve Deprem Araştırma Laboratuvarı, 29p. Koçyigit, A. (2002) ‘Neotectonnics and seismicity of East Anatolian’, Workshop-2002 on the Geology of East Anatolian, Van, Turkey.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 53-58, 2015

23 Ekim 2011 Van depreminin (Mw=7.1) oluşturduğu Coulomb gerilme değişimi

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14] [15]

[16]

[17]

T. Ersular, A. Güneş, Y. Sarı, E. Gürbüz, H. Durmuş, L. Gülen

Başbakanlık Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı (AFAD) (2011) ‘Van Depremi (23 Ekim 2011) Raporu’, Aralık 2011, pp 100. Çelebi, M., Holzer, T.L. and Scharer, K.M. (2011) ‘Van, Turkey, M7.1 Earthquake of October 23, 2011’, Report to USAID/OFDA, USGS, Dec., 2011. Erdik, M., Kamer, Y., Demircioğlu, M., Şeşetyan, K. (2012) ‘23 October 2011 Van (Turkey) earthquake’, Nat. Hazards, 64:651– 665, DOI 10.1007/s11069-012-0263-9. Utkucu M., Budakoğlu E., Yalçın H., Durmuş H., Kalkan H. ve Gülen L. (2011) ‘23 Ekim 2011 Van Depremi Hakkında Ön Rapor’, Sakarya Üniversitesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü, 9s. Akoğlu, A. M., Jonsson, S., Çakır, Z., Ergintav, S., Doğan, U., Feng, G. ve Zabcı C. (2012) ‘The Surface Deformation and Source Parameters of the October 23rd, 2011, Mw 7.1 Van (Turkey) Earthquake from InSAR, GPS and Field Observations’, Geophysical Research Abstracts Vol. 14, 2012 EGU General Assembly. Koeri, (2011) ‘Van Earthquake Evaluation Report as of 27 October 2011’, Boğaziçi Üniversitesi, 3p. Stein R. S., King, G.C.P. and J. Lin (1992) ‘Change in failure stress on the southerrn San Andreas fault system caused by the 1992 Magnitude = 7.4 Landers earthquake’, Science, 258, 1328-1332. King G.C.P., R.S. Stein and, J. Lin (1994) ‘Static stres changes and the triggering of earthquakes’, Bull. Seism. Soc. Am., 84, 935953. Stein, R.S. (1999) ‘The Role of Stress in the Earthquake Occurrence’, Nature, 402, 605-609. Jaeger, J. C. and Cook, N.G.W. (1971) ‘Fundamentals of rock mechanics’, Chapman and Hall, London, 76s. Pınar, A., Honkura, Y., Kuge, K., Matsushima, M., Sezgin, N., Yılmazer, M. and Oğütçü, Z. (2007) ‘Source mechanism of the 2000 November 15 Lake Van earthquake (Mw = 5.6) in eastern Turkey and its seismotectonic implications, Geophys. J. Int., 170, 749–763, doi:10.1111/j.1365-246X.2007.03445.x. Wells, D. L. and Coppersmith, K. J. (1994) ‘New Empirical Relationships among Magnitude, Rupture Length, Rupture Width, Rupture Area, and Surface Displacement’, Bull. Seismol. Soc. Am., 84, 974–1002.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 53-58, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 59-66, 2015

Çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi Elif Orak Boru1*, Mustafa Kutanis2

17.06.2014 Geliş/Received, 19.08.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Yapıların dinamik yükler etkisi altındaki davranışları, yapı dinamik parametreleri kullanılarak belirlenmektedir. Yapı dinamik parametreleri (doğal frekans, mod şekli ve sönüm oranı) teorik ve deneysel yöntemler kullanılarak elde edilebilmektedir. Bu çalışmada 1975 Deprem Yönetmeliğine göre tasarlanmış bir binanın dinamik parametreleri Teorik ve Deneysel Modal Analiz yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. Deneysel Modal Analiz ile yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesinde binadan alınan Çevrel Titreşim kayıtları ve Geliştirilmiş Frekans Tanım Alanında Ayrıştırma Yöntemi kullanılmıştır. Teorik Modal Analiz ile yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesinde ise Sonlu Elemanlar Yöntemi ile oluşturulan analitik model kullanılmıştır. İki yöntem kullanılarak elde edilen yapı dinamik parametreleri karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Yapılan Sonlu Eleman Modeli Güncelleme çalışması ile yapının gerçek durumdaki rijitliği belirlenmiştir. Yapılan çalışma ile Çevrel Titreşim Kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin gerçekçi olarak elde edilebileceği sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler: yapı dinamik parametreleri, çevrel titreşim, operasyonel modal analiz

Determination of structural dynamic parameters with ambient vibration measurements ABSTRACT Structural behavior under effect of dynamic loads, is identified by dynamic characteristics of structures. Structural dynamic characteristics, natural frequency, mode shape and damping ratio are determined by theoretical and experimental methods. In this study, dynamic parameters of a building which was designed according to 1975 earthquake design code, are determined by Theoretical and Experimental Modal Analysis. In Experimental Modal Analysis ambient vibration measurements and Enhanced Frequency Domain Decomposition Method are used to determine dynamic characteristics of the building. Analytical model which is created by Finite Element Method is used in Theoretical Modal Analysis. Dynamic characteristics, which are determined by Experimental and Theoretical Modal Analysis are given as a conclusion. Additionally Finite Element Model Updating Method is used to determine real structural stiffness of the building. This study has concluded that it is possible to determine realistic structural dynamic characteristics using Ambient Vibration Measurements. Keywords: structural dynamic characteristics, ambient vibration measurement, operational modal analysis

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Sakarya - eorak@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnsaat Mühendisliği, Sakarya - kutanis@sakarya.edu.tr

Çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi

E. O. Boru, M. Kutanis

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Titreşimler günlük hayatta her yerde karşımıza çıkmakta ve bazen ses bazen de yapı tahribatı gibi olumsuz etkiler oluşturmaktadır. Titreşimler yapıda dinamik etkilerin meydana gelmesine neden olmaktadır ve yapıların dinamik yükler etkisindeki davranışları birçok belirsizlik içermektedir. Yapıların dinamik yükler etkisi altındaki davranışları, her yapı için karakteristik özelliğe sahip dinamik parametreler kullanılarak belirlenebilmektedir. Son 30 yıl içinde yapı dinamik davranışı ve yapı dinamik karakteristiklerinin belirlenmesi ilgi çekici bir konu haline gelmiştir. Bu çalışma alanı literatürde Modal Analiz olarak adlandırılmaktadır. Yapı dinamik karakteristiklerini (doğal frekans, mod şekli ve sönüm oranı) Teorik ve Deneysel Modal Analiz Yöntemlerini kullanarak hesaplamak mümkündür. Yapı dinamik karakteristikleri, oluşturulan analitik modellerin doğruluğunun kontrolü ve yapıya etkiyecek deprem kuvvetlerinin hesaplanmasında kullanılmaktadır. Yapının modal davranışına bakılarak rijitlik dağılımı ve burulma düzensizliği olup olmadığı hakkında fikir sahibi olunabilmektedir. Bu nedenlerden dolayı dinamik karakteristiklerin yapılar üzerinde titreşim testleri yapılmak suretiyle gerçekçi olarak belirlenmesi oldukça önemlidir [1]. Dinamik yüklerdeki belirsizliklerin yanı sıra dinamik davranışı etkileyen parametrelerdeki (mevcut yapısal özellikler, malzeme özellikleri, sınır şartları ve hasar durumu) ve inşa aşamasındaki belirsizlikler, yapı dinamik davranışının gerçekçi olarak belirlenmesini zorlaştırmaktadır. Dinamik karakteristiklerin mevcut yapının özelliklerini yansıtacak şekilde deneysel yöntemler ile belirlenebilmesi, yapı dinamik davranışının daha gerçekçi elde edilmesine imkan sağlamaktadır. Bu çalışmada, mevcut bir betonarme binanın dinamik parametreleri teorik ve deneysel modal analiz yöntemleri ile belirlenmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonlu Eleman (SE) Modeli Güncelleme tekniği ile binanın mevcuttaki rijitliği belirlenmiştir. Çalışmada ilk olarak teorik yöntem ile Sonlu Elemanlar Metodu kullanılarak binanın analitik modeli oluşturulmuş ve dinamik parametreleri belirlenmiştir. İkinci aşamada ise deneysel yöntem ile çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yani Operasyonel Modal Analiz Yöntemi ile binanın dinamik parametreleri belirlenmiştir. Sonlu eleman modelinden elde edilen dinamik parametreler Sonlu Eleman Modeli Güncelleme tekniği ile deneysel yolla elde edilen dinamik parametrelere yakınsayıncaya kadar iteratif olarak güncellenmiştir.

2. YAPI DİNAMİK PARAMETRELERİ HESAP YÖNTEMLERİ (STRUCTURAL DYNAMIC PARAMETERS DETERMINATION METHODS)

Yapı dinamik parametreleri teorik ve deneysel yöntemler kullanılarak belirlenebilmektedir. Teorik yöntemler arasında, yapı analitik modellerinin oluşturulması veya yaklaşık yöntemler yer almaktadır. Yapı analitik modellerinin oluşturulması için birçok bilgisayar programı geliştirilmiştir. Analitik modeller yardımı ile yapıların doğal frekans, mod şekli ve etkiyen dış yük altındaki yapı dinamik davranışını belirlenmek mümkündür. Bunun yanında birçok yapı standardında birinci yapı frekansının belirlenmesi için yaklaşık bağıntılar mevcuttur. 2.1. Deneysel Modal Analiz (Experimental Modal Analysis)

Yapılar üzerinde titreşimlerden oluşan tepkilerin ölçülmesi ve ölçüm verilerinden yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi amacıyla kullanılan yöntemler Deneysel Modal Analiz Yöntemleri olarak bilinmektedir. Bu yöntemlerde yapılar ya bilinen bir kuvvetle titreştirilmekte ya da çevrel titreşim kayıtları dikkate alınarak ölçümler yapılabilmektedir. Deneysel yöntemlerde modal parametrelerin hesabı için sistem davranışı ve sistem tanılama teknikleri kullanılmaktadır. Mevcut yapıların matematik modeli her zaman oluşturulamadığı için son yıllarda Deneysel Modal Analiz Yöntemleri yapı dinamik parametrelerinin elde edilmesinde çok fazla tercih edilmektedir. Ölçümler yapı üzerinden hiçbir kabul yapılmadan direk alındığından dolayı, deneysel yöntemlerle elde edilen dinamik parametrelerin, SE modeli ile elde edilenden daha güvenilir olarak kabul edilir. Deneysel yöntemlerle yapıların dinamik davranışının belirlenmesi, yapı üzerinden alınan ölçümlerden dinamik parametrelerin elde edilmesi esasına dayanmaktadır. Bu süreç 3 aşamada gerçekleştirilebilir: 1.Yapı üzerinden modal verinin ölçülmesi 2.Ölçülen modal verinin analiz edilmesi ve modal parametre tahmini 3.Elde edilen modal parametreler kullanılarak dinamik davranışın belirlenmesi. Deneysel yöntemler, ölçümlerde kullanılan titreşim kuvvetinin bilinip bilinmemesine bağlı olarak, Deneysel Modal Analiz Ve Operasyonal Modal Analiz Yöntemi olmak üzere ikiye ayrılır [1, 2]. Çalışmada çevrel titreşim kayıtlarının kullanıldığı Operasyonel Modal Analiz Yöntemi kullanılmıştır.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 59-66, 2015

Çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi

2.2. Operasyonel Modal Analiz Yöntemi (Operational Modal Analysis Method)

90’lı yılların başından itibaren Operasyonel Modal Analiz (OMA) İnşaat mühendisliği alanında, bina, gökdelen, köprü vb. yapılarda uygulanmaya başlanmıştır. Büyük mühendislik yapıları deprem, rüzgar, taşıt ve insan hareketleri, makine titreşimleri gibi genliği ve zamanla değişimi tam olarak bilinemeyen titreştiriciler tarafından tetiklenmektedir. Gelişen bilgisayar teknolojisi ve elektronik imkanlar, titreşimlere maruz mühendislik yapılarının ölçümlerinde bir titreştirici kullanmak yerine yapıdaki mevcut titreşimleri dikkate alarak ölçüm yapılabilmeyi mümkün kılmaktadır [1]. OMA, çevrel, yalnızca çıkış veya doğal çıkışlı modal analiz olarak da adlandırılmaktadır. OMA yöntemi ile modal parametrelerin hesabında sadece yapının çevrel titreşim kayıtları veya doğal çıkışları kullanılmaktadır. Çevrel titreşim kayıtlarının elde edilmesi yapıya herhangi bir zarar vermediği için büyük yapıların dinamik parametrelerin elde edilmesinde sıklıkla tercih edilen bir tekniktir. Bu ölçüm tekniğinde pahalı ve kullanılması zor aletlere gerek kalmaması da bu tekniğin tercih edilmesine neden olan diğer bir etkendir [2-4]. OMA yöntemi sadece dinamik tasarım ve yapı kontrolü için değil titreşim esaslı yapı sağlığı izleme ve yapıların hasar tespiti gibi alanlarda da kullanılabilmektedir [5, 6]. Sistem tanılama tekniğinde modal parametrelerin tayini için birçok yöntem geliştirilmiştir. Çalışmada ARTeMIS yazılımında da kullanılan Geliştirilmiş Frekans Tanım Alanında Ayrıştırma (GFTAA, Enhanced Frequency Domain Decomposition) yöntemi kullanılmıştır. 3. GELİŞTİRİLMİŞ FREKANS TANIM ALANINDA AYRIŞTIRMA YÖNTEMİ (ENHANCED FREQUENCY DOMAIN DECOMPOSITION METHOD)

Frekans Tanım Alanında Ayrıştırma (FTAA) Yöntemi klasik frekans tanım alanı yöntemi olan Tepe Seçme (Peak Picking) yönteminin geliştirilmiş hali olarak bilinmektedir. Yöntemde çıkış (output) verileri kullanılarak hesaplanan güç spektral yoğunluk matrisi Tekil Değer Ayrışımı Yöntemi (TDA, Singular Value Decomposition) ile ayrıştırılmaktadır. Tahrik fonksiyonunun geniş bantlı, modların ortogonal ve dinamik sistemin düşük sönümlü olması durumunda TDA ile bulunan her bir oto-spektral yoğunluk fonksiyonu, dinamik sistemin tek bir titreşim moduna karşılık gelmektedir. Mod şekilleri tekil vektörler kullanılarak bulunabilmektedir. Geliştirilmiş Frekans Tanım Alanında Ayrıştırma (GFTAA) yönteminde ise SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 59-66, 2015

E. O.Boru, M. Kutanis

doğal titreşim frekansları ve sönüm oranları Ters Fourier Dönüşümü ile zaman tanım alanına dönüştürülen tek serbestlik dereceli sistemlerin güç spektral yoğunluk fonksiyonları kullanılarak elde edilmektedir. Frekans tanım alanında ayrıştırma yöntemi Hızlı Fourier Dönüşümü (HFD, Fast Fourier Transform) analizinde tekil frekans çizgisinin (single frequency line) kullanılması esasına dayanmaktadır. Tahmin edilen doğal frekansların kesinliği HFD çözümlemesine bağlıdır ve modal sönüm hesaplanamaz. GFTAA yönteminde ise doğal frekanslar, mod şekilleri ve modal sönüm de belirlenebilmektedir. Güç spektral yoğunluk fonksiyonlarında oluşan spektral matris ise WelchBartlett yöntemi kullanılarak bulunabilmektedir [7, 8]. GFTAA yöntemi ARTEMIS® paket programında uygulanabilen yöntemlerden biridir ve bu çalışmada tercih edilmiştir. 4. SONLU ELEMAN MODELİ GÜNCELLEME TEKNİĞİ (FINITE ELEMENT MODEL UPDATING) Yapı analizinde SE modeli uzun yıllardır kullanılmaktadır. Ancak SE modellemesinde yapılan kabuller, modelleme hataları, yapının malzeme özelliklerindeki belirsizlikler, yapıda servis yükleri altında meydana gelen aşınmaların yıllar içinde birikmesi, mesnetlenme koşullarının tam olarak bilinmemesi, deprem ve patlama gibi ani etkilerle yapıda oluşabilen hasarların tam olarak bilinememesi, analiz içindeki bilinmeyenler ve belirsizlikler SE modelinin güvenilirliğini azaltmaktadır. Mevcut yapı ile SE modelinin doğruluğunun sağlaması aşamasında Sonlu Eleman Modeli Güncelleme çalışmaları kullanılmaktadır. Sonlu eleman modeli güncelleme tekniği yapı dinamik karakteristikleri yardımı ile SE modelinin doğrulanması sürecinde kullanılan yöntemlerden biridir. Bu yöntemde başlangıç modelinin bazı parametreleri, tahmin edilen dinamik özelliklerle referans özellikler (genellikle deneysel ölçüm verileri) arasındaki fark azalıncaya kadar değiştirilir [9]. Modelleme sürecinde kullanılan yapı geometrisi, yapısal malzeme bilgileri ve analiz içindeki bilinmeyenlerin veya belirsizliklerin giderilmesi için yapılan güncellemelerin analitik sonuçları iyileştirdiği 1970’li yıllarda başlayan ve 1990’larda çok fazla kullanılan Deneysel Modal Analiz çalışmaları ile ispatlanmıştır. 90’lı yıllarda başlayan deneysel ve SE modellerinin benzeşim çalışmaları içinde model güncelleme teknolojileri standart birer araç olarak kullanılmış ve model tutarlılığının değerlendirilmesi ve arttırılması için kullanılmıştır. Çalışmada Femtools yazılımı kullanılarak incelenen binanın SE modelinin dinamik parametreleri, deneysel modelden elde edilen

Çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi

E. O. Boru, M. Kutanis

dinamik parametrelere güncellenmiştir [10].

yakınsayıncaya

kadar

5. SAYISAL ÇALIŞMA (NUMERICAL STUDY) Çalışmada Sakarya merkezde (Adapazarı, Yenidoğan Mah. Yan Sokak No:10) bulunan, Yan Sokak Apartmanı incelenmiştir. Yan Sokak Apartmanı düzenli, küçük, zemin kat+5 normal kat olarak tasarlanmış bir binadır. İlk katı dükkan ve depo olarak tanzim edilmiştir. Yapının normal katlarında dolgu duvarlar mevcuttur, giriş katında ise düzensiz ve tek yönde dolgu duvarları bulunmaktadır (Şekil 1). Binanın kolonları; 25x60 cm, 35x60 cm, 60x35 cm, 80x30 cm ve kirişleri ise 20x60 cm boyutlarındadır. Yapı 1975 Deprem Yönetmeliği’ne göre tasarlanmıştır. Yan Sokak binasında karot numuneleri ve kalibre edilmiş beton çekici okumalarından elde edilen verilere dayanılarak, yapıda tüm betonarme elemanların

karakteristik beton basınç mukavemetleri 16 MPa alınmıştır. Bina kullanımda olduğundan dolayı çelik numunesi alınamamıştır. Bu nedenle çelik sınıfı projede öngörülen S420 çeliği kabul edilmiştir. Zemin sınıfı Z3 olarak belirlenmiştir. Çalışmada çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik karakteristikleri belirlenmiştir [11]. 5.1. Yan Sokak Apartmanı Yapı Tanılama Çalışmaları (Yan Sokak Apartment System Identification Study)

Binanın yapı tanılama çalışmalarında çevrel titreşim kayıtları kullanılmıştır. Kayıtları almak amacıyla Tübitak 108M303 projesi kapsamında AREL elektronik [12] tarafından geliştirilen sekiz adet, üç eksenli ölçüm yapan DAC-3HDG serisi ivme duyarlı ölçüm cihazları kullanılmıştır [13]. Kullanılan ivme ölçüm cihazlarının donanımsal ve teknik özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Şekil 1. Yan Sokak Apartmanı fotoğrafı ve kalıp planı (Yan Sokak Apartment photograph and plan layout) [11] Tablo 1.DAC-3HDG serisi ivme duyarlı ölçüm cihazlarının özellikleri (DAC-3HDG series accelerometer properties)

Donanımsal Özellikler Ölçüm 3 eksenli ekseni Güç 12 VDC kaynağı Çalışma -20, +80 sıcaklığı Haberleşme 1 Ethernet / TCP-IP portu GPS 50 Kanal Super Sense Dahili

İvmeölçer

Çalışma frekansı Hafıza

Teknik Özellikler a. Capacitive Force Micromachined Sensor b. 300ng/√Hz. noise c. ±2g Full calibration d. ±5 V Differential output e. Resolution over 200 Hz. bandwidth 50/100/200 Hz. (5mS) 2 Gb Dahili, (140 saat kayıt alabilme)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 59-66, 2015

Çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi

E. O.Boru, M. Kutanis

Sekiz adet ivmeölçer binada uygun yapısal noktalar üzerine yerleştirilmiştir. ivmeölçerlerin binadaki konum ve yönelimi yönelimlerinin 3 boyutlu sonlu eleman yapı modeli üzerinde oluşturdukları gözlem-ölçüm ağı Şekil 2’de gösterilmiştir.

Şekil 3. Yan Sokak Apartmanına ait SYMTDA (Yan Sokak Apartment spectral density matrix singular values)

Şekil 2. Yan Sokak Apartmanı ivme ölçüm cihazlarının konum ve yönelimlerinin üç boyutlu görünüşü (Yan Sokak Apartment 3D appearance of accelerometers position and orientation)

Yan Sokak Apartmanından 30 dakika boyunca saniyede 200 örnek (sps) ile çevrel titreşim kaydı alınmış ve elde edilen kayıt beşer dakikalık setlere bölünmüştür. Kayıtlara, ortalama değerlerin ve lineer hataların ayıklanması (base-line correction-lineer), gürültünün fazla olduğu çok düşük ve çok yüksek frekanslı kısımların filtre edilmesi (highpass 0.5 Hz, lowpass 20 Hz) gibi bazı temel sinyal işleme teknikleri uygulanmıştır. Filtrelenmiş kayıtlar ARTeMIS programına [14] aktarılmış ve oluşturulan test modeli kullanılarak her bir set için Genişletilmiş Frekans Tanım Alanında Ayrıştırma (GFTAA) yöntemi kullanılarak binanın dinamik karakteristikleri belirlenmiştir. Tüm setlerin dinamik karakteristik sonuçları incelenmiş ve çevrel etkilerin en az olduğu set kullanılmıştır. Yan Sokak apartmanının ARTeMIS programında GFTAA yöntemi kullanılarak ilk üç mod için elde edilen spektral yoğunluk matrisi tekil değerleri (SYMTD) Şekil 3’te verilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 59-66, 2015

Yan sokak apartmanının ARTeMIS programında çevrel titreşim kayıtları yardımı ile elde edilen SYMTD (Şekil 3) kullanılarak elde edilen doğal frekans ve sönüm oranı değerleri Tablo 2’de verilmiştir. Tablo 2. Yan Sokak Apartmanı deneysel yolla elde edilen frekans ve sönüm oranı değerleri (Yan Sokak Apartment experimental frequency and damping ratio values)

Mod

Deneysel Frekans (Hz)

Sönüm Oranı (%)

1 2 3

2.930 3.287 5.248

3.075 1.396 3.048

Deneysel yolla modal karakteristiklerin belirlenmesinin ardından Sap2000 programı kullanılarak binanın SE modeli oluşturulmuş ve modal karakteristikleri belirlenmiştir [15]. SE modeli oluşturulurken zemin kat kolonlarının zemine ankastre olarak mesnetlendiği ve tüm döşemelerin rijit diyafram olarak çalıştığı kabulü yapılmıştır. SE modeli ile Sap2000’de yapılan modal analiz sonucunda elde edilen frekans ve modal kütle katılım oranı değerleri Tablo 3’te verilmiştir.

Çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi

E. O. Boru, M. Kutanis

Tablo 3. Yan Sokak Apartmanı Sap2000 modal analizi ile elde edilen frekans ve modal kütle katılımı oranı (Yan Sokak Apartment frequency and modal mass participation ratio from Sap2000 modal analysis)

Mod

Sap2000 (Hz)

1 2 3

2.107 2.376 2.378

Modal Kütle Katılım Oranı (%) X Yönü Y Z Yönü Yönü 0.73 0.00 0.00 0.00 0.75 0.00 0.05 0.03 0.00

Operasyonel Modal Analiz ve SE modeli analizi sonucunda elde edilen mod şekilleri ve frekans değerleri karşılaştırılmıştır. İki frekans değeri arasındaki fark deneysel sonuç dikkate alınarak yüzde cinsinden, mod şekilleri arasındaki korelasyon ise Modal Gerçekleşme Kriteri (MAC-modal assurance criterion) değeri ile yüzde cinsinden belirlenmiştir. Yan Sokak Apartmanının Femtools programı kullanılarak elde edilen ilk 3 mod için Operasyonel Modal Analiz ve SE modeli analizi sonuçlarının karşılaştırılması Tablo 4’te verilmiştir. Tablo 4. Yan Sokak Apartmanı deneysel ve SE modelinden elde edilen frekanslar (Yan Sokak Apartment experimeental and finite elemant model frequency values )

Mod 1 2 3

Sap2000 (Hz) 2.145 2.450 2.663

Deneysel (Hz) 2.930 3.287 5.248

Fark (%) -27.94 -77.56 -51.76

MAC (%) 92.8 70.8 74.2

SE modeli ile gerçek model arasındaki mod şekilleri korelasyonu gösteren MAC değerleri matrisi ise Şekil 4’te verilmiştir.

5.2. Yan Sokak Apartmanı Model Güncelleme Çalışması (Yan Sokak Apartment Finite Element Model Updating Study)

Binanın deneysel ve teorik frekans değerlerinin ve mod şekillerinin karşılaştırılmasının ardından SE modelinin deneysel sonuçlara göre iyileştirilmesi aşaması yani Sonlu Eleman Modeli Güncelleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Model güncelleme aşamasında ilk olarak güncelleme parametresi belirlenmiştir. Güncelleme parametresi olarak betonarme yapılarda belirsizlik oranı yüksek olan binanın rijitliğini ve davranışını doğrudan etkileyen betonun elastisite modülü seçilmiştir. Farklı geometri ve davranış özelliklerine sahip tüm elemanların elastisite modülleri güncelleme parametresi olarak seçilmiştir. Sonlu eleman modelinde yapısal elemanların elastisite modülleri iteratif olarak deneysel model dinamik parametrelerine yakınsayıncaya kadar güncellenmiştir. Güncelleme sonucunda sonlu eleman modelinden elde edilen binanın yeni frekans değerleri ve mod şekillerinin deneysel sonuçlarla karşılaştırılması Tablo 5’te, güncelleme öncesi ve sonrası elde edilen MAC matrisleri ise Şekil 5’te verilmiştir. Tablo 5. Yan Sokak Apartmanı güncelleme sonrası elde edilen frekanslar (Yan Sokak Apartment frequency values after finite element model updating)

Mod 1 2 3

Sap2000 (Hz) 2.820 3.363 3.566

Deneysel (Hz) 2.930 3.287 5.248

Fark -3.90 2.26 -47.16

MAC 96.9 70.0 70.7

100 80 60 40

3 2

20 1

0 1

EMA

3 FEA

EMA: deneysel modal analiz FEA: Sonlu eleman analizi Şekil 4. Yan Sokak Apartmanı MAC matrisi (Yan Sokak Apartment MAC matrix)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 59-66, 2015

Çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi

E. O.Boru, M. Kutanis

100

20 1

0 1

EMA

FEA

(a)

FEA

EMA

(b)

EMA: Deneysel modal analiz, FEA: Sonlu eleman analizi Şekil 5. Yan Sokak Apartmanı model güncelleme öncesinde (a) ve sonrasında (b) elde edilen MAC matrisleri (Yan Sokak Apartment MAC matrices before (a) and after (b) finite element model updating)

Güncelleme çalışması sonucunda birinci mod şeklinde bir iyileşme yakalanmıştır. Ayrıca frekans değerlerinde de gerçek değerlere yaklaşık sonuçlar elde edilmiştir. Yapılan güncelleme sonucunda binanın mevcut rijitliğinin sonlu eleman modelinden elde edilenden daha yüksek olduğu sonucu elde edilmiştir. 6. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Çalışmada Sakarya merkezde bulunan, 17 Ağustos 1999 depreminde herhangi bir hasar almayan Yan Sokak Apartmanı incelenmiştir. İnceleme kapsamında binanın deneysel ve teorik modal analiz yöntemleri kullanılarak yapı dinamik parametreleri belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde oluşturulan SE modeli kullanılarak mevcut durum ile uyumlu sonuçlar elde edildiği saptanmıştır. X yönündeki birinci mod şeklinde % 92.8 oranında büyük bir uyum olduğu görülmektedir. Y yönündeki ikinci mod şeklinde %70 ve burulma modu olan üçüncü mod şeklinde ise bu uyumun %74’ler seviyesinde olduğu görülmektedir. Tüm modlar için % 70 ve üzerinde kabul edilebilir bir uyuşum yakalanmıştır. Malzeme davranışı ve rijitlik değişimi tam olarak bilinmeyen, yapım ve davranış aşaması birçok belirsizlik içeren betonarme yapılarda böyle bir uyumun yakalanması azımsanmayacak bir sonuçtur. Betonun elastisite modülü kullanılarak gerçekleştirilen sonlu eleman modeli güncelleme çalışması sonucunda ise sadece X yönündeki birinci modda iyileşme yakalanmıştır. Diğer modlarda iyileşme yakalanamamıştır. Bu çalışmada sadece betonun elastisite modülü göz önüne alınarak model güncelleme çalışması yapılmıştır. Bundan sonra yapılacak SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 59-66, 2015

çalışmalarda farklı güncelleme parametrelerinin kullanılması ve sonlu eleman modelinde yapı zemin etkileşiminin detaylı olarak tanımlanması ile gerçekle daha uyumlu sonuçların elde edilebileceği düşünülmektedir. Yapılan çalışma sonucunda anlaşılmıştır ki, çevrel titreşim kayıtları kullanılarak tahribatsız bir şekilde mevcut bir yapının dinamik karakteristiklerinin belirlenmesi mümkündür. Yapılacak sonlu eleman modeli güncelleme çalışmaları ile analitik modellerin gerçek modelleri daha iyi şekilde temsil edebileceği sonucuna varılmıştır. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGMENT) Yazarlar, bu çalışmanın yapılmasını destekleyen 108M303 numaralı Tübitak projesine teşekkürlerini sunarlar. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

[2]

[3]

Bayraktar, A., Türker, T., Altunışık, A.C., Sevım, B. and Özcan, M. (2010) Binaların dinamik parametrelerinin operasyonal modal analiz yöntemiyle belirlenmesi, İmo Teknik Dergi, pp. 5185–5205. Kaya, H. (2004) Experimental modal analysıs of a steel grid frame, Msc Thesis, Middle East Technical University. Soyoz, S., Tacıroglu, E., Asce, M., Orakcal, K., Nıgbor, R. and Skolnık, D. (2014) Ambient and forced vibration testing of a reinforced concrete building before and after ıts seismic retrofitting, vol. 139, No. 10, pp. 1741–1752.

E. O. Boru, M. Kutanis

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10] [11]

[12]

[13]

[14]

[15]

Çevrel titreşim kayıtları kullanılarak yapı dinamik parametrelerinin belirlenmesi

Ventura, C. E., Lord, J. and Sımpson, R. D. ‘Effectıve use of ambıent vıbratıon measurements for modal updatıng of a 48 storey buıldıng ın Vancouver , Canada’, In Proceedings Of The 22th International Modal Analysis Conference (Imac). Zhang, L. An Overview of operational modal analysis : major development and ıssues 1 . Major developments of OMA,” No. 1. Svibs. (2014) What is operational modal analysis, Available: http://www.svibs.com/solutions/what_is_oma.as px [10 May 2014]. Bendat, J. S. and Piersol, A. G. (1993) Engineering applications of correlation and spectral analysis (2). Usa: John Wiley&Sons. Özçelik, Ö.,Yücel, İ. S. and Mısır, U. (2013) Model Bir yapının hasar tanımlaması ve model sarsıcı etkileşiminin azaltılması için kullanılan offline iterasyon tekniği, pp. 1–11. Chen, G. (2001) FE Model Validation for Structural Dynamics, PhD Thesis, University of London. Dynamic Design Solutions (DDS) (2014) Femtools, versiyon 3.7. Kutanıs, M., Beyen, K., Yılmaz, M. T. and Bal, İ. E. (2011) Performansa dayalı tasarım ve değerlendirme yöntemlerinin deprem sonrası Türkiye’ de gözlenen yapı performansları ile karşılaştırlarak geliştirilmesi, 108m303 nolu Tübitak Projesi. Arel Deprem Izleme Simulatörleri (2014) Arel Dac Series, Available: http://www.areldeprem.com.tr/en/ivmeolcer [15 May 2014]. Beyen, K., Kutanıs, M., Tanöz, H. Ö. and Başkan, D. (2007) Yapı sağlığı izleme ve yapı tanı çalışmaları için akıllı aktarma protokollü kablosuz sensör ağı, Yedinci Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı. Svibs. (2014) ARTeMIS, Ambient response testing and modal ıdentification software, versiyon modal 3.0. Computers and Structures (2013) Sap2000 versiyon 15.1.0. Berkeley.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 59-66, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 67-74, 2015

Ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde iskonto oranı: bir durum çalışması Muhammed Emin Cihangir Bağdatlı1*, Rıfat Akbıyklı2

10.09.2014 Geliş/Received, 20.01.2015 Kabul/Accepted

ÖZ Ülkelerin ekonomik göstergeleri ile yakından ilişkili olan iskonto oranı, kamu yatırımlarının yapılabilirlik değerlendirmelerinde önemli bir yere sahiptir. Hassas bir değerlendirme ile belirlenmesi gereken iskonto oranı, özellikle de ulaştırma yapıları gibi büyük çaplı projelerin ekonomik analizlerinde önemli rol oynamaktadır. Bu çalışma ile iskonto oranlarının ulaştırma yapıları yapılabilirlik değerlendirmelerindeki etkisinin ortaya konulması amaçlanmıştır. Ekonomik gelişmelerle ülkemizde yıllar içerisinde değişiklik gösteren iskonto oranlarının ulaştırma projeleri ekonomik analizlerindeki etkisi bir durum çalışması üzerinde gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: iskonto oranı, ekonomik analiz, yapılabilirlik analizi, ulaştırma yapıları

Discount rate in economic analysis of transportation infrastructures: a case study ABSTRACT The discount rate having close relation to the economic indicators of countries have also an important place in the feasibility evaluations of public investments. The discount rates which have to be determined precisely play an important role especially in the economic analysis of the big scale transport infrastructure projects. In this study it is aimed to put forth the effect of the discount rates in the feasibility analysis of transport infrastructure projects. The effect of the changing discount rates, throughout the years due to the economic developments in our country, on the transport infrastructure economic feasibility evaluation, is shown in a case study. Keywords: discount rate, economic analysis, feasibility analysis, transportation infrastructures

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Sakarya - bagdatli@sakarya.edu.tr 2 Düzce Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Düzce - rakbiyikli@gmail.com

M. E. C. Bağdatlı, R. Akbıyıklı

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Ulaştırma projelerinin ekonomik analizlerinde karşılaşılan en büyük sorunlardan biri farklı zamanlarda elde edilen gelir ve giderlerin güncelleştirme işleminde kullanılan iskonto oranının (i) belirlenmesidir. Gelecekteki fayda ve maliyetlerin bugünkü değerlerinin bulunmasında kullanılan iskonto oranının seçimi, gerek ulusal gerekse de uluslararası ulaştırma projelerinde Fayda-Maliyet (F/M) yöntemi gibi ekonomik analizlerin en önemli noktasını oluşturur. İskonto oranı, yatırımcının ya da toplumun tüketmekten vazgeçip projeye bağladığı kaynağın maliyetini; diğer bir deyişle, projeyle elde edilmesi gereken en düşük kazanç oranını gösterir [5]. Terim anlamı itibariyle iskonto, bir finansal varlığın vadesinden önce nakde çevrilmesi durumunda yapılan kesinti anlamındadır. Günlük yaşamda indirim anlamında da kullanılan iskonto, temelde faizin tam tersidir. Nasıl ki faiz bugün mevcut olan bir paranın ödünç olarak verilerek gelecekte geri alınması karşılığında kazanılan getiriyi ifade etmek için kullanılıyorsa, iskonto da gelecekte kazanılacak olan paranın bugünden elde edilmesi karşılığında katlanılması gereken kesintiyi ifade etmek için kullanılmaktadır [8]. Ulaştırma yatırımlarının ekonomik analizlerinde kullanılan iskonto ise, inşa edilen yapının ekonomik ömrü içerisinde ortaya çıkardığı maliyetler ile toplumsal faydaların belli bir oranda bugünkü değerlerine indirgenmesidir. Bu indirgeme işlemi ile söz konusu yapının ekonomik analizine ilişkin bugünkü değerler üzerinden değerlendirmeler yapılabilmektedir. Ancak burada en önemli sorun iskonto oranının ne olacağıdır. Yüksek iskonto oranı özellikle de uzun dönemli olan ulaştırma yapılarının haklı gösterilmesini güçleştirmektedir ve uzun bir proje ömrünün ekonomik analiz üzerinde daha küçük bir etki meydana getireceği anlamını taşımaktadır. Bunun sonucu olarak, daha kısa ömre sahip projeler, ekonomik ömrü uzun yıllar olacağı öngörülen büyük projelere göre daha avantajlı hale gelmektedir. Bununla birlikte yıllar içerisinde artan trafik miktarı ve ekonomideki büyüme yapılan ekonomik analizlerde daha az etkili olmaktadır [2]. Düşük iskonto oranının seçiminde ise sosyal olarak etkin bulunmayan projelerin uygulanması sonucu ortaya çıkmaktadır [9]. Bu durumda ise toplumsal faydanın gerçek anlamda ortaya çıkmadığı ulaştırma yapıları gibi yüksek maliyetli projelerin inşa edilerek ülke ekonomisi kaynaklarının yanlış kullanılmasına neden olmaktadır. Ülke ekonomisinin gelişmişlik düzeyi ile ilişkili olan iskonto oranı, kamu yatırımlarının ekonomik analizlerinde çok önemli bir yere sahiptir. Hassas bir değerlendirme ile belirlenmesi gereken iskonto oranı kamunun hizmetine sunulan büyük çaplı ulaştırma 68

Ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde iskonto oranı: bir durum çalışması

projelerinin “yapılabilir” kararının verilmesinde kilit rol oynamaktadır. Bu çalışma ile iskonto oranlarının ulaştırma yapıları ekonomik analizlerindeki etkisinin ortaya konulması amaçlanmıştır. Bu bağlamda, ekonomik gelişmelerle ülkemizde yıllar içerisinde değişiklik gösteren iskonto oranlarının ulaştırma projelerinin ekonomik analizlerindeki etkisi bir durum çalışması üzerinde gösterilmiştir. 2. ULAŞTIRMA YAPILARINDA KULLANILAN İSKONTO ORANI (DISCOUNT RATE USING IN TRANSPORTATION INFRASTRUCTURES)

Ulaştırma yapılarının yapılabilirlik değerlendirmelerinde kullanılan iskonto oranı ekonomik analiz sonucunda etkili olan ana parametrelerdendir [6]. Ekonomik analizi yapılan projeden elde edilen fayda ve maliyetlere ilişkin nakit akışın bugünkü değerlere indirgenmesini sağlayarak yatırımın yapılabilirliğine dair karar verme sürecinde etkili rol oynamaktadır. Şekil 1’de karayolu projelerine ait örnek bir nakit akış diyagramı verilmiştir.

Zaman Değeri Kaza Maliyetleri Taşıt İşletme Maliyetleri

Bakım-İşletim Maliyetleri

Analiz Periyodu

Yapım Maliyeti

Şekil 1. Karayolu projelerine dair bir nakit akış (A flow diagram for highway projects)

Şekil 1’de görüldüğü üzere karayolu projelerinin ekonomik analizlerinde kullanılan fayda ve maliyetler nakit akış diyagramı üzerinde yıllara göre temsili olarak konumlandırılmıştır. Gelecek yıllarda ortaya çıkması öngörülen faydalar ile (zaman değeri, kaza maliyetleri, taşıt işletme maliyetleri) maliyetler (bakım-işletim maliyetleri) belirlenen bir iskonto oranı ile bugünkü değerlere dönüştürülürler. Güncelleştirme (aktüalizasyon) adı da verilen bu dönüştürme işlemi Denklem 1’de verilen formül ile gerçekleştirilmektedir. F = P (1 + i) (1)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 67-74, 2015

Ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde iskonto oranı: bir durum çalışması

Burada; P şimdiki değer, F gelecekteki değer, n analiz süresi, i iskonto oranıdır [7]. Şekil 1’de nakit akış diyagramı verilen karayolu projesine ait ekonomik güncelleştirme işlemi Denklem 2’de formülize edilmiştir. P =

F + (1 + i) F +P (1 + i)

−

F ş ş (1 + i)

F + (1 + i)

(2)

Denklem 2’de görüldüğü üzere güncelleştirme işleminde iskonto oranı önemli bir parametre olarak yer almakta olup sonucu doğrudan etkilemektedir. Bu bağlamda belirlenecek olan iskonto oranının değeri bir yapının yapılabilirlik kararının verilmesinde çok önemli bir yer tutmaktadır. İskonto oranının maliyet ve faydaya ait bugünkü değeri nasıl etkilediğine dair bir örnek Tablo 1’de verilmiştir. Tablo 1. “n” yılındaki 100 TL’nin bugünkü değeri (Present value of 100 TL in “n” year)

Yıl (n)

İskonto Oranı (%) %3

86.2

82.1

78.3

74.7

71.3

68.0

74.4

67.5

61.3

55.8

50.8

46.3

64.1

55.5

48.1

41.7

36.2

31.5

55.3

45.6

37.6

31.1

25.8

21.4

41.2

30.8

23.1

17.4

13.1

9.94

Tablo 1’de görüldüğü üzere soldan sağa gidildikçe iskonto oranının etkisi yukarıdan aşağı inildikçe proje ömrünün etkisi görülmektedir. Kısa ömürlü projelerde iskonto oranındaki değişim sonuçlarda önemli bir fark oluşturmazken ulaştırma yapıları gibi analiz periyotları uzun yıllar olan projelerde iskonto oranındaki değişim çok farklı sonuçlar vermektedir. Bu açıdan, kısa ömürlü projeler daha avantajlı durumdadırlar. Ulaştırma yapılarının ekonomik analizinde esas alınan en yaygın değerlendirme dönemi 20 yıldır [6]. Bu süre iskonto oranındaki değişimin ekonomik analizdeki sonuçlarını oldukça etkileyecek niteliktedir. Ekonomik analizde kullanılan sürenin yanı sıra maliyet ve faydaların yıllara dağılımı da Net Şimdiki Değer (NŞD) üzerinde önemli bir faktör olmaktadır. Faydaların dağılımında sonraki yılların payı ve önemi ne kadar SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 67-74, 2015

M. E. C. Bağdatlı, R. Akbıyıklı

yüksekse, net şimdiki değer de iskonto oranının o kadar etkisinde kalır. Çünkü 1 veya 2 yıllık bir iskonto işleminde, oranının %5 veya %10 olması çok fark etmese de, 15-20 yıllık bir periyot iskonto işleminde oldukça fark etmektedir. Dolayısıyla faydaları yakın yıllara doğan projeler uzak yıllarda doğanlara oranla daha avantajlıdır. Maliyetlerin dağılımında ise ilk yatırım giderleri ve bakım-işletim giderleri yer almaktadır. İlk yatırım giderleri, ilk yıllarda toplandığı için iskonto oranın fazla etkisinde kalmaz. Dolayısıyla ilk yatırım giderleri yüksek olup az miktarda bakım-işletim gideri gerektiren projelerde maliyetlerin bugünkü değeri iskonto oranının daha az etkisinde kalır [3]. Bakım-işletim giderlerinin yüksek olduğu projelerde ise net şimdiki değer üzerinde iskonto oranını etkisi daha yüksek olmaktadır. Ancak yıllara yayılan bakım-işletim giderleri ekseriyetle elde edilecek faydalar kadar yüksek değerlere ulaşmamaktadır. Bu nedenle, iskonto oranın artması faydaların bugünkü değerini maliyetlere göre daha fazla etkilemektedir. Bunun anlamı şudur ki; iskonto oranının artması fayda hanesinin bugünkü değerini daha çok etkilediğinden projelerin yapılabilir olmasını güçleştirmektedir. Sosyo-ekonomik yapısı dalgalanmalar gösteren ülkelerde ekonomideki belirsizlikler uzun yılları etkileyecek projelerin hayata geçirilmesini zorlaştırmaktadır. Ülkenin gelecek yıllardaki ekonomik dengelerinin öngörülemez olması yatırım kararlarının uygulanmasında riskleri beraberinde getirmektedir. Bu nedenle ülkenin içinde bulunduğu ekonomik koşullar ve riskler, yatırım kararlarının alınmasında kullanılacak iskonto oranını doğrudan etkilemektedir. Ekonomideki belirsizliklere bağlı olarak iskonto oranlarının yüksek belirlenmesi, yatırım kararlarında önemli bir sigorta görevini üstlenmektedir. Bunun aksine iskonto oranının olması gerekenden düşük belirlenmesi 20 yıllık uzun bir analiz periyoduna sahip ulaştırma yatırımlarının doğru olmayan bir değerlendirme ile hayata geçirilmesine neden olacaktır. Sonuç olarak toplumsal faydanın ortaya çıkmadığı çok yüksek maliyetli projeler “yapılabilir” olarak değerlendirilerek ülke ekonomisi kaynaklarının yanlış kullanımı ortaya çıkacaktır. İskonto oranının belirlenmesinde birçok yaklaşımlar bulunmakta olup kamu yatırımlarında uygulanacak iskonto oranı hakkında genel bir görüş birliği ve kesin bir yaklaşım bulunmamaktadır [4]. Burada önemli olan belirlenen iskonto oranının, kullanılan sermayenin fırsat maliyetini yansıtmasıdır. Çünkü projede kullanılan sermaye, sermaye piyasasında veya diğer bir sektör projesinde değerlendirilmek yerine projeye yatırılmaktadır [1]. Bu nedenle yatırım için ayrılan sermaye bir getiriyi temin etmelidir düşüncesi hâkim 69

Ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde iskonto oranı: bir durum çalışması

M. E. C. Bağdatlı, R. Akbıyıklı

olmaktadır. Bu doğrultuda iskonto oranının belirlenmesine ilişkin pek çok teori ve yaklaşımlar yer almakta olup konuya ilişkin detaylar ekonomi ve iktisat biliminin alanları olduğundan bu makale kapsamında yer almamaktadır.

Tablo 3. Projeye dair teknik bilgiler (Technical knowledges of the procejt)

Belirlenen iskonto oranları ülkelerin ekonomik gelişmişlik düzeyleri ile doğrudan ilişkilidir. Tablo 2’de çeşitli ülkelerde ulaştırma yapılarının ekonomik analizlerinde kullanılan iskonto oranları verilmektedir [1]. Tablo 2. Ülkelerdeki iskonto oranları (Discount rates in countries)

Ülkeler

İskonto Oranı

Ülkeler

Kanada

Hollanda

İskonto Oranı %4

Danimarka

%7-8

ABD

%3-5

Finlandiya

Polonya

Fransa

İsveç

Macaristan

%10

İngiltere

%3.5



4. MATERYAL VE YÖNTEM (MATERIALS AND METHODS)

İskonto oranının ulaştırma yapıları ekonomik analizleri üzerindeki etkilerini ortaya koymak için bir durum çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, yaklaşık 10 km uzunluğunda 2x3 bir otoyol kesiminin ekonomik analizi tarafımızdan yapılmıştır. Söz konusu proje henüz ihale aşamasında olduğundan makalede yer-konum bilgileri hakkında açıklama yapılmamaktadır. Projeye ait teknik bilgiler Tablo 3’deki gibidir.

Ulaştırma Yapısı

0+000 – 5+510

Karayolu

5+510 – 6+510

Viyadük

6+510 – 7+330

Karayolu

7+330 – 7+675

Kapalı Tünel

7+675 – 7+910

Aç-Kapa Tünel

7+910 – 10+073

Karayolu

Projede bunların yanı sıra 2 adet yonca kavşak, 1 adet yarım yonca kavşak ve 1 adet gişe alanı ve bağlantı yolları bulunmaktadır. Görüldüğü üzere proje, kısa bir mesafede bir çok ulaştırma yapısının bulunduğu, yapım maliyetleri oldukça yüksek komplike bir yapıdadır. Hesaplamalarda kullanılan veriler şöyledir; 

Ülkemizde kullanılan iskonto oranları ekonomik gelişmelere bağlı olarak zaman içerisinde değişiklikler göstermiştir. Ulaştırma yapılarının değerlendirmelerinde kullanılan %15 iskonto oranı, gelişen ekonomik göstergeler ile %12 seviyesine inmiştir. Son yıllarda ekonomideki büyüme ve belirsizliklerin azalması iskonto oranında %8 mertebesinin kullanılmasını temin etmektedir. Ülkemizde yıllar içerisinde bu şekilde değişim gösteren iskonto oranları, ulaştırma yapılarının değerlendirmelerinde farklı sonuçları ortaya koymaktadır. Söz konusu bu çalışma ile bir durum çalışması üzerinden iskonto oranındaki değişikliklerin ekonomik değerlendirme sonuçları üzerindeki etkileri ortaya konulmuştur.



Yapım maliyet hesaplamaları avan projeden elde edilen veriler doğrultusunda gerçekleştirilmiştir. Bakım-işletim maliyet hesaplamaları projenin bulunduğu bölgede var olan diğer otoyollardan 2009-2013 yılları arasında elde edilen veriler doğrultusunda belirlenen fiyatlarla gerçekleştirilmiştir. Faydaların hesabında kullanılan trafik bilgileri, projenin bulunduğu bölgede yer alan büyükşehir belediyesinin ulaşım ana planı kapsamında elde edilen veriler doğrultusunda gerçekleştirilmiştir. Elde edilen trafik verilerinin PTV Visum 13 simülasyon programı ile 2013-2035 yılları arasında projenin gerçekleşmesi ve gerçekleşmemesi durumlarına göre senaryo analizleri yapılarak gerekli veriler elde edilmiştir. Simülasyonda, kullanılan tüm taşıtlar birim otomobile çevrilerek değerlendirmeler yapılmıştır. Faydaların hesabında kullanılan trafik kaza bilgileri bölgede bulunan jandarma komutanlığından alınan kaza raporları doğrultusunda elde edilen verilerle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler ile istatistiki bir tahmin modeli oluşturulmuş, 2013-2035 yılları arasındaki kaza verileri bu model yardımıyla elde edilmiştir. En küçük kareler yöntemi ile oluşturulan tahmin modeli için SPSS 15.0 programı kullanılmış olup modele dair belirlilik katsayısı (R2) 0.92 ve anlamlılık düzeyi 0.01’dir.

Yolun 2015’te ihale edileceği ve 2019 da trafiğe açılacağı öngörülmektedir. Değerlendirme dönemi olarak 20152035 yılları arasında 20 yıllık bir periyot dikkate 70

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 67-74, 2015

Ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde iskonto oranı: bir durum çalışması

alınmıştır. Maliyetler ve faydalar 2013 yılı birim fiyatları kullanılarak TL cinsinden hesaplanmış olup fayda ve maliyetlere dair kullanılan parametreler ve birim fiyatlar şöyledir; 1.

Yapılan ekonomik analiz faydalar ve maliyetler olmak üzere iki ana parametre üzerinden gerçekleştirilmiştir. Projede bahsi geçen faydalar; taşıt işletme maliyetleri, kaza maliyetleri ve zaman değeridir. Maliyetler ise yapım maliyetleri ve bakım-işletim maliyetleridir. Faydalara dair taşıt işletme maliyetleri birim otomobil cinsinden değerlendirilmiş olup Karayolları Genel Müdürlüğünün (KGM) 2013 yılı hesaplamalarından alınan bilgiler doğrultusunda 0.26029 TL/km değeri hesaplamalarda kullanılmıştır. Faydalara ait kaza maliyetleri hesabında kazalar ölümlü, ağır yaralanmalı, hafif yaralanmalı ve maddi hasarlı şeklinde sınıflara ayrılmış olup KGM’den alınan hesaplamalar doğrultusunda ölümlü kazalar için 1,206,982 TL/birim; ağır yaralanmalı kazalar için 127,732 TL/birim; hafif yaralanmalı kazalar için 9,302 TL/birim değerleri kullanılmıştır. Faydalara dair zaman değeri hesabında projenin yakınındaki büyükşehir belediyesinin yapmış olduğu ulaşım ana planında belirlemiş oldukları 15 TL/saat/otomobil değeri kullanılmıştır. Maliyetlere ilişkin bakım-işletim maliyetleri hesabında bölgede bulunan diğer otoyolların 20092013 yılları arasındaki bilgileri incelenmiş olup elde edilen veriler kapsamında ortalama birim maliyetler hesaplanmıştır. Bu doğrultuda bakım-işletim maliyetleri; trafik hizmetleri için 49,562 TL/km, kar mücadelesi için 7,822 TL/km, otoyol bakım ve onarımı için 50,089 TL/km ve ücret toplama maliyetleri için 73,775 TL/km değerleri olarak belirlenmiştir.

Elde edilen veriler ve birim maliyetler tarafımızdan hazırlanan Excel tabloları ile ekonomik analize tabi tutulmuş olup farklı iskonto oranlarının etkisi altında projenin yapılabilirliğine dair değerlendirmeleri yapılmıştır. 5. ARAŞTIRMA BULGULARI (RESEARCH FINDINGS)

Ülkemizde karayolu projelerinin ekonomik değerlendirmelerinde kullanılan güncel iskonto oranı değeri % 8’dir. Bu iskonto oranı kullanılarak ekonomik analizi yapılan projeye dair sonuç değerler Tablo 4’te verilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 67-74, 2015

M. E. C. Bağdatlı, R. Akbıyıklı

Tablo4. Projeye ait ekonomik analiz sonuçları (Economical analysis results of the project)

Analiz Parametreleri

Maliyetler

Faydalar

NŞD Analizi F/M Analizi

Net Şimdiki Değer (TL)

Yapım Maliyetleri

402,443,718.53

Bakım-İşletim Maliyetleri

18,312,000.22

Taşıt İşletme Maliyetleri

275,858,772.1

Kaza Maliyetleri

51,848,916.22

Zaman Değeri 228,682,265.3 İskonto oranı  i= %8 NŞDFaydalar – NŞDMaliyetler > 0 135,634,234.9 > 0 İskonto oranı  i= %8 NŞDFaydalar / NŞDMaliyetler > 1 1,32 > 1

Tablo 4’te verilen yapım maliyetleri içerisine ihale bedelinin yanı sıra, projelendirme, proje yönetimi ve kamulaştırma maliyetleri de dâhil edilmiştir. Bakımişletim maliyetleri; yolun trafiğe açılacağı 2019 ila 2035 yılları kapsamında trafik güvenliğinin sağlanması için yapılan harcamaları, kış mevsimi boyunca kar ve buzla mücadele için yapılan harcamaları, otoyolların yol yüzeyi, banket ve hendek temizliği ve her türlü bozulma ve çatlamalar için yapılan harcamaları, ücret toplama istasyonlarının bakım, onarım ve işletmeleri ve yol haberleşme sistemlerinin bakım, onarım ve işletmeleri için yapılan tüm harcamaları içermektedir. Taşıt işletme maliyetleri; taşıtların yakıt tüketimi, yağ kullanımı, lastik eskimesi, bakım-onarım ve amortisman giderlerinin azaltılmasından elde edilen faydanın parasal karşılığını göstermektedir. Kaza maliyetleri; yeni yapılacak yol ile ölü, yaralı ve maddi hasarlı kazalardaki azalmadan elde edilecek faydanın parasal karşılığıdır. Zaman değeri ise; yolculuk süresinde meydana gelen kısaltmadan elde edilen faydayı ifade etmektedir. Tablo 4’te görüldüğü üzere yapım maliyetleri oldukça yüksek olan bir projenin ekonomik analizi gerçekleştirilmiştir. Analizde; Net Şimdiki Değer ve Fayda-Maliyet yöntemi kullanılmıştır. Projenin yapılabilir olması NŞD analizinde sonucun “0”dan büyük; F/M analizinde sonucun “1”den büyük olması ile mümkün olmaktadır. Her iki sonucun bu doğrultuda 71

Ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde iskonto oranı: bir durum çalışması

M. E. C. Bağdatlı, R. Akbıyıklı

olması nedeniyle %8 iskonto oranı ile analizi gerçekleştirilen proje “yapılabilir” niteliktedir. Ancak farklı iskonto oranları analiz sonucunu nasıl etkileyecek ve projenin yapılabilirliği neticesi üzerindeki etkisi ne olacaktır? Bu çalışma bu sorunun cevabına ulaşmayı amaçlamaktadır. İskonto oranı; ülkelerin gelişmişlik düzeyi, ekonomik göstergelerinin güvenirliği, sosyo-ekonomik yapısındaki belirsizliklerin seviyesi gibi parametrelere bağlı olarak hassas bir ölçüde belirlenmesi gereken önemli bir ölçüttür. Ulaştırma projeleri gibi ülke ekonomisi ile doğrudan ilişkili projelerin yapılabilirlik değerlendirmelerinde etkili rol oynamaktadır. Ülkemizde ekonomik gelişme trendinin güvenilirliği ile birlikte iskonto oranlarında da yıllar içerisinde değişimler meydana gelmiştir. Bu çalışma ile ülkemizde değişen iskonto oranlarının ulaştırma projelerinin üzerinde nasıl bir değişim oluşturduğu gerçek bir proje üzerinde gösterilmiştir. Ekonomik analizi tarafımızdan gerçekleştirilen projeye dair farklı iskonto oranlarından elde edilen sonuçlar Tablo 5’te verilmiştir.

Şekil 2. İskonto oranı-net şimdiki değer ilişkisi (Relationship between discount rate-net present value)

Tablo5. Farklı iskonto oranlarının ekonomik analiz sonuçları (Economical analysis results for different discount rates)

İskonto Oranı

Ekonomik Analiz NŞD

F/M

Şekil 3. İskonto oranı-fayda maliyet oranı ilişkisi (Relationship between discount rate-benefit cost rate)

522,920,925.8

2.21

297,299,493.6

1.69

135,634,234.9

1.32

%10

16,078,979.2

1.04

%12

-71,976,308.9

0.83

%15

-165,062,790.1

0.59

Şekil 2’de farklı iskonto oranlarının projenin net şimdiki değerinde meydana getirdiği değişim görülmektedir. Şekil 3’te de iskonto oranlarındaki değişimin faydamaliyet oranındaki etkisi gösterilmektedir. Her iki analizde de iskonto oranının artması eğrinin nonlineer olarak azalmasına neden olmakta yani projenin yapılabilirliğini güçleştirmektedir. Bunun temel nedeni iskonto oranının fayda hanesini daha çok etkilemesidir. Çünkü ulaştırma projeleri için faydaların yıllara dağılımında sonraki yılların önemi büyüktür. Faydalar yıllar içerisinde artan trafik miktarına bağlı olarak artış göstermektedir. Bu da her geçen yılın bir önceki yıla göre daha fazla fayda getirisi oluşturduğunu ifade eder. İskonto oranı ise uzun periyotlarda daha yüksek etki meydana getirdiğinden ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde fayda hanesini önemli ölçüde etkilemektedir. Öte yandan maliyet hanesinde yapım maliyetleri projenin ilk birkaç yılında ortaya çıktığından iskonto oranından nerdeyse etkilenmemektedir. Bakımişletim maliyetleri ise geçen yıllarla artış ya da azalış göstermediğinden iskonto oranındaki değişim bu maliyetlerde daha düşük bir etki meydana getirmektedir.

Tablo 5’te farklı iskonto oranlarının aynı proje üzerindeki etkisi gösterilmektedir. Ekonomik analizi NŞD ve F/M yöntemleri ile gerçekleştirilen projeye ait farklı sonuç değerleri tabloda görülmektedir. Elde edilen sonuçlara ait grafiksel gösterim Şekil 2 ve Şekil 3’teki gibidir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 67-74, 2015

Ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde iskonto oranı: bir durum çalışması

M. E. C. Bağdatlı, R. Akbıyıklı

6. SONUÇ VE TARTIŞMA (CONCLUSION AND DISCUSSION)

Ulaştırma projeleri ülkelerin sosyo-ekonomik yapısını doğrudan ilgilendiren ve uzun yıllar toplumsal ve ekonomik alanlarda etkilerini direk ve endirekt olarak gösteren yüksek maliyetli yatırımlardır. Bu nedenle projenin hayata geçirilip geçirilmemesine karar verilme safhası hayati bir öneme sahiptir. Gerçekleştirilmesi düşünülen projenin topluma sağladığı faydaların proje maliyetine kıyasla yüksek olması “yapılabilir” onayını temin etmektedir. Ancak faydaların uzun yıllar içerisinde ortaya çıkması ve bu faydaların paranın zaman değeri dikkate alınarak bugüne indirgenmesi sonucunda projenin yapılabilirliğine karar verilmesi prosesin belirsizliklerle dolu olduğunu ortaya koymaktadır. Söz konusu bu karar verme sürecinde iskonto oranının doğru belirlenmesi anahtar rol oynamaktadır. Bu çalışma kapsamında iskonto oranının etkisi gerçek bir proje üzerinde ortaya konulmuştur. Yapılan çalışmaya ilişkin elde edilen sonuçlar şöyledir: 1.

Durum çalışması yapılan yaklaşık 10 km.lik otoyol kesiminin %8 iskonto oranı ile ekonomik analiz sonucu “yapılabilir” niteliktedir. Analiz, %10 iskonto oranına kadar bu sonucu vermektedir. Projenin ekonomik analiz sonucu ülkemizde geçmiş yıllarda ulaştırma yapıları için kullanılan %12 ve %15 iskonto oranlarına göre “yapılabilir” değildir. İskonto oranındaki değişim fayda-maliyet oranının “1”e ve net şimdiki değerin “0”a yakın olduğu projelerde “yapılabilir” kararında değişiklik gösterebilmektedir. Yapım maliyetleri çok yüksek ve elde edilen faydaların düşük olduğu projeler için iskonto oranındaki değişim “yapılabilir” sonucunu etkileyebilmektedir. Ulaştırma yapılarında artan trafik miktarına bağlı olarak faydaların yıllar içerisinde artış göstermesi iskonto oranının faydalar üzerinde etkisini arttırmaktadır. Fayda hanesinde iskonto oranından en çok etkilenen parametreler trafik miktarına bağlı olarak ortaya çıkan taşıt işletme maliyetleri ve zaman değeridir. İskonto oranından en az etkilenen parametre ise analiz periyodunun ilk yıllarında yer alan yapım maliyetleridir. Ekonomik analizi tarafımızdan gerçekleştirilen projeye ait parametrelerin iskonto oranı ile olan ilişkisi Şekil 4’te verilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 67-74, 2015

Şekil 4. İskonto oranının ekonomik analiz parametreleri ile ilişkisi (Relationship of discount rate with economical analysis parameters)

Şekil 4’te iskonto oranındaki değişimin analiz parametreleri üzerindeki etkileri görülmektedir. Değişimden en çok etkilenen parametreler taşıt işletme maliyetleri ve zaman değeri olup bakım-işletim maliyetleri ise doğruya yakın bir trend göstermektedir. 2015-2019 yılları arasında dört yıllık bir dönemde gerçekleşecek olan yapım maliyetleri iskonto oranından en az etkilenen parametredir ve nerdeyse yataya paralel bir eğilimi bulunmaktadır. Bu makale kapsamında iskonto oranının ulaştırma projeleri ekonomik değerlendirmelerindeki etkisi araştırılmıştır. Görüldüğü üzere ulaştırma yapıları gibi ekonomik analiz periyotları uzun yıllar olan projeler için iskonto oranının önemi büyüktür. Elde edilen sonuçlar neticesinde görüldüğü üzere ulaştırma yapıları gibi ekonomik analiz periyotları uzun yıllar olan projeler için iskonto oranının önemi büyüktür. Yapılan bu çalışma ile iskonto oranının doğruya en yakın bir yaklaşımla belirlenmesi gerekliliğini ortaya konulmuştur. İskonto oranının belirlenmesinde pek çok yöntem kullanılabilmekte olup başlıca şunlar sıralanabilir; a)

Yatırım proje finansmanının yalnız öz kaynaklardan sağlanması durumunda, kullanılacak kaynakların sermaye maliyeti (iskonto oranı), bu kaynakların alternatif yatırım alanlarından vazgeçilmesinin ortaya çıkaracağı fırsat maliyetidir. Fırsat maliyetinin en iyi göstergesi ise finansal piyasalarda oluşan faiz oranıdır [10, 11]. Ya da ortalama devlet tahvilleri faiz oranı iskonto oranı olarak kullanılabilir. Çünkü bu fonların devlete alternatif maliyeti devlet tahvillerine ödenen faizlerdir [13]. Sonuç itibariyle devlet tahvillerinin belirlenmesinde kullanılan risksiz nominal faiz oranı veya enflasyon etkisi sonrası elde edilen reel faiz oranları iskonto oranının belirlenmesinde kullanılabilir. Ancak her iki yaklaşım için de uzun yıllar ülkedeki faiz 73

M. E. C. Bağdatlı, R. Akbıyıklı

trendlerinin incelenmesi doğrultusunda iskonto oranı tahminlerinin yapılması gerekir [12]. Ülkemizdeki yıllar içerisinde değişen faiz oranları Şekil 5’te verilmiştir [14].

Ulaştırma yapıları ekonomik analizlerinde iskonto oranı: bir durum çalışması

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

[2]

[3]

[4] Şekil 5. Ülkemizde yıllar içerinde değişen faiz oranları (Interest rates in our country)

Şekil 5’te faiz oranlarının ülkemizde yıllar içerisindeki değişimi verilmiştir. Nominal faiz ve enflasyon etkisi sonucunda elde edilen reel faizlerin 15 yıllık değişimi şekildeki gibidir. Söz konusu faizlerin ve enflasyonun yıllar içerisinde oldukça farklılık göstermesi ülkemiz koşullarında iskonto oranının doğru kestirilmesini zorlaştırmaktadır. b)

Borç olarak alınan kredinin maliyeti iskonto oranı olarak kullanılabilir. Eğer proje kredilerle finanse ediliyorsa kullanılacak olan iskonto oranı kredinin maliyeti olarak belirlenebilir. Yatırım projesi vergi gelirleriyle finanse edilecekse bunların maliyeti vergi mükelleflerinin alternatif kayıplarına eşittir. Çünkü mükellefler ödedikleri verginin sağlayacağı gelir kadar bir kayba uğramışlardır. Oranın hesaplanması ise pratik olarak büyük firmaların o yıl ki kazançlarının ortalaması olarak belirlenebilir [13].

Sonuç itibariyle, iskonto oranının belirlenmesinde hangi yöntemin kullanılacağı seçilecek kaynağa bağlı olacaktır. Hangi yöntem tercih edilirse edilsin elde edilen sonuçlar neticesinde farklı ekonomik yaklaşım modelleri ile belirlenebilen iskonto oranının hassas bir değerlendirme ile karar verilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu da ülkenin mevcut ekonomik göstergelerinin doğru okunup analiz edilmesi ve ülke ekonomisinin gelecek projeksiyonlarının doğruya en yakın tahminlerle kestirilmesi ile elde edilebilecektir. Aksi takdirde yalnızca ülkedeki mevcut ekonomik iyileşmelere bağlı olarak iskonto oranında güncelleştirmelerin yapılması ulaştırma yapıları gibi büyük çaplı projelerin ekonomik değerlendirmelerinde yanlış sonuçlara ulaşılmasına neden olacaktır.

[5]

[6] [7]

[8] [9]

[10]

[11]

[12]

[13] [14]

Anonim (2013) Karayolu Ekonomisi ve Proje Değerlendirme Teknikleri, Karayolu Temel Kursu, Karayolları Genel Müdürlüğü, Ankara. Anonim (2001) Trafik Güvenliğinde Sağlanan İyileştirmelerin Değerlendirilmesine İlişkin Yöntemler ve Değerler, Karayolları Güvenliği Projesi, Karayolları Genel Müdürlüğü, Ankara. C. Şataf (2011) Enerji Sektöründe Kamu Yatırımlarında Fayda Maliyet Analizi Uygulanması: Hidroelektrik Santralleri Örneği, Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi. European Commission (EC) (2008) Guide to Cost-Benefit Analysis of Investment Projects: Structural Funds, Cohesion Fund and Instrument for Pre-Accession—Final Report, Directorate General Regional Policy, Brussels, Belgium. H. Campbell, R. Brown (2008) Benefit-Cost Analysis Financial and Economic Appraisal Using Spreadsheets, Cambridge University Press. N. Yayla (2008) Karayolu Mühendisliği. Birsen yayınevi, İstanbul. R. Akbıyıklı (2014) Mühendislik Ekonomisi Temel Prensipleri ve Uygulamaları, 2. Baskı, Birsen Yayınevi, İstanbul. R. Yamak, H. Terzi, A. Korkmaz (2008) Ticari Matematik, 1. Baskı, Akademi Kitabevi. T. Çakır (1999) Türkiye’de Kamu Ekonomisince Üretilen Karayolları Hizmetlerinde Fayda Maliyet Analizi Tekniğinin Uygulanabilirliği, Anadolu Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Yayınları No. 153. Sarıaslan, H., (1994), Yatırım Projelerinin Hazırlanması ve Değerlendirilmesi, Turhan Kitapevi,Ankara. Gedik, T., Akyüz, K., C., Akyüz, İ., Yatırım projelerinin hazırlanması ve değerlendirilmesi, (2005) ZKÜ Bartın Orman Fakültesi Dergisi, Cilt 7, Sayı 7. FHWA, Life Cycle Cost Analysis in Pavement Design, Federal Highway Administration, Office of Asset Management, U.S. Department of Transportation, U.S.A., 1998. Okka, O., (2000). Mühendislik Ekonomisi, 3. Baskı, Nobel Yayın Dağıtım, Ankara. Türkiye Cumhuriyeti Merkez Bankası, http://www.tcmb.gov.tr/ erişim 15.10.2014.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 67-74, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 75-82, 2015

Akıllı telefon temelli birey takip sistemi Berrin Batmaz 1*, Zeynep Çelik2, Cüneyt Bayılmış 3, İsmail Kırbaş 4

17.11.2014 Geliş/Received, 20.01.2015 Kabul/Accepted

ÖZ Günümüzde mobil teknolojiye sahip cihazlar sahip oldukları kamera, jiroskop, ivmeölçer, ısı, nem, GPS vb. sensörler ve 3G/WiFi/Bluetooth gibi kablosuz haberleşme teknolojileri sayesinde hayatımızın her noktasına temas etmektedir. Akıllı telefonlarda sunulan bu sensörler aracılığı ile toplanan verilerin işlenmesi ve analizi ile bireylerin uzaktan izlenmesi mümkün olmaktadır. Bu çalışmada Android tabanlı akıllı telefon üzerinde çalışan bir mobil uygulama ile mobil uygulama tarafından gönderilen konum ve hareket bilgilerinin görselleştirildiği web tabanlı bir izleme sistemi arayüzü sunulmaktadır. Mobil uygulamada telefonun GPS sensöründen elde edilen verilerle bireyin konumu, ivmeölçer sensöründen elde edilen verilerle de bireyin düşme, yürüme vb. vücut aktiviteleri tespit edilmektedir. Bununla birlikte Google Maps API’sinden yararlanan web arayüzü, gezgin kullanıcıların yürüme ve düşme gibi fiziksel aktivitelerini grafiksel olarak takip ederken, kullanıcıların bulundukları yere ait sıcaklık ve nem verisi gibi faydalı bilgiler de vermektedir.

Anahtar Kelimeler: uzaktan izleme, GPS, akıllı telefon

A personal tracking system based on smartphone ABSTRACT Today, the mobile devices supporting 3G/WiFi/Bluetooth wireless communication technology are in contact with every point of our daily life through advanced components and sensors such as camera, gyroscope, accelerometer, temperature, humidity, GPS and so on. These sensors placed in smartphones make the remote monitoring of individuals possible by the analysis and processing of the accumulated data. This study presents a web-based remote monitoring system that tracks body movements (fall, walking, etc.) and location data of the people equipped with Android-based smartphone using data gathered from GPS and accelerometer sensors. In the mobile application, while GPS sensor data are used to obtain personal location information, the data acquired from the accelerometer sensor are used to determine physical user activities such as walking and falling. However, the developed web interface benefiting from Google Maps API, monitors and visualizes mobile users’ physical activities (walking, falling etc.) graphically. It also gives useful information about the locational weather condition (temperature and humidity) where the users located in.

Keywords: remote monitoring, GPS (Global Positioning System), smartphone

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mekatronik Mühendisliği, Sakarya – berrinbtmz@gmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mekatronik Mühendisliği, Sakarya – zcelik@sakarya.edu.tr 3 Sakarya Üniversitesi, Bilgisayar ve Bilişim Bilimleri Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği, Sakarya – cbayilmis@sakarya.edu.tr 4 M. A. Ersoy Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği, Burdur – ismailkirbas@mehmetakif.edu.tr

B. Batmaz, Z. Çelik, C. Bayılmış, İ. Kırbaş

1. GİRİŞ (INTRODUCTION)

Günümüzde akıllı telefonların/cihazların hayatımızın birçok farklı alanında gözle görülür olumlu ve önemli etkileri söz konusudur. Akıllı telefonların 3G/WiFi kablosuz teknolojileri üzerinden internete bağlanmaları, kamera, ivmeölçer, GPS vb. sahip oldukları donanımsal özellikleri onları bir nevi küçültülmüş bilgisayara dönüştürmektedir. Akıllı telefonlar kullanılarak hayatımızı kolaylaştıran uygulamalar arasında bireylerin kalp atışı gibi sağlık bilgilerinin ölçümü, diyet amaçlı kalori ve egzersiz takibi, günlük yapılacak işlerin programlanması, navigasyon vb. birçok örnek sayılabilir. Özellikle evde tek başına yaşayan kimsesiz ve yaşlılar ile alzheimer vb. hastalarda kaybolma, düşme, felç geçirme ya da bir kriz anında kendisinden bilgi alınamaması, gerekli müdahalenin zamanında yapılamamasına neden olmaktadır. Bu tür durumlar kalıcı sağlık sorunlarına neden olabileceği gibi ölümlerle de sonuçlanabilmektedir. Bu sorunun etkin bir biçimde çözülebilmesi için bu tür bireylerin anlık olarak izlenip acil durumlarda hızlı ve yerinde müdahale edilebilmesine olanak sağlayacak bir sisteme ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, akıllı telefon dışında bir başka ek donanıma ihtiyaç olmadan bireylerin konumunun ve düşme, yürüme gibi hareketlerinin izlenebildiği akıllı telefon temelli bir uzaktan izleme sistemi sunulmaktadır. Geliştirilen sistem, temel olarak akıllı telefon üzerinde çalışan mobil uygulama ile merkezi sunucu üzerinde çalışan web temelli uzaktan izleme yazılımından oluşmaktadır. Makalenin geri kalan bölümleri şu şekilde düzenlenmiştir. Bölüm 2’de literatürde akıllı telefonların/cihazların kullanıldığı uzaktan izleme çalışmaları özetlenmektedir. Bölüm 3’de gerçekleştirilen sistemin mimarisi, yazılım alt yapısı, çalışma prensibi, mobil uygulama ve internet tabanlı izleme arayüzü sunulmaktadır. Son bölümde ise sonuçlar ve değerlendirilmeler yer almaktadır. 2. İLGİLİ ÇALIŞMALAR (RELATED WORKS) Literatürde gerek akademik gerekse ticari olarak geliştirilmiş akıllı telefon, tablet vb. cihazların kullanıldığı bireylerin yaşamlarını kolaylaştırmaya ve aktivitelerini izlemeye yönelik çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalarda mobil cihazların sahip oldukları kamera, jiroskop, ivmeölçer, ısı, nem, GPS vb. sensörler ve bileşenlerden yararlanılmaktadır. Su ve arkadaşları çalışmalarında akıllı telefonlardaki kullanılabilecek sensörler ve bu sensörler ile gerçekleştirilebilecek aktivitelerin tespitini ayrıntılı 76

Akıllı telefon temelli birey takip sistemi

olarak incelemişlerdir [1]. Dai ve arkadaşları yapmış oldukları çalışmalarında akıllı telefonun ivmeölçer sensöründen yararlanarak bireyin yalnızca düşme durumunu incelemişlerdir [2]. Akıllı mobil cihazların kullanıldığı çalışmaların çoğunluğu kapalı ve açık alanlarda konum belirleme üzerine odaklanmaktadır [3, 4]. Bayıroğlu ve Ayan çalışmalarında Android işletim sistemine sahip bir mobil cihazın GPS sensöründen yararlanarak web tabanlı çocuk takip sistemi geliştirmişlerdir [5]. Bununla birlikte akıllı telefonların medikal alanında da uygulamaları mevcuttur. Bourouis ve arkadaşları çalışmalarında akıllı telefonların kameralarından yararlanılarak cilt hastalıklarının analizini gerçekleştirmişlerdir [6]. Yavuz ve arkadaşları Android işletim sistemine sahip akıllı telefon ile düşen bir bireyin, akıllı telefonun GPS arayüzünden yararlanarak konumunu Google Maps üzerinde göstermişlerdir ve düşme ve konum bilgisini kullanıcıya SMS, e-mail ve Twitter mesajı şeklinde göndermişlerdir [7]. Habib ve arkadaşları akıllı telefon temelli düşme algılama ve önleme algoritmasının sınıflandırılmasını ve var olan çalışmalar ile sistematik bir şekilde karşılaştırılmasını sunmuşlardır [8]. Yukarıda verilen akademik çalışmaların yanı sıra mobil cihazların bireylerin diyet, sağlık vb. durumlarını takip ederek yaşamlarını kolaylaştırmaya yönelik ticari uygulamalar da giderek yaygınlaşmaktadır. Bu uygulamalarda akıllı telefonların yanı sıra akıllı saat gibi yardımcı araçlardan da yararlanılmaktadır. Samsung firması akıllı telefonların sahip olduğu ivmeölçer ve jiroskop bileşenlerinden elde edilen verileri kullanarak kullanıcının koşu, yürüyüş ve uyku durumlarını günlük bir zaman çizelgesi üzerinde gösterebilmekte ve bu bilgileri merkez sunucularında tutmaktadır. Bununla birlikte Samsung firması ürettiği GearFit isimli akıllı saat ve bileklik aracılığıyla kalp atışlarını takip edebilmektedir [9]. Jawbone firması ürettiği akıllı telefonlar ile senkronize olabilen bileklik (UP) üzerinden bireylerin yapacakları veri girişi ile günlük aldıkları kalori miktarları, uyku saatleri, yürüyüş ve koşu durumlarını takip edebilmektedir [10]. Nike, Philips ve Hitachi firmalarının da donanım destekli mobil uygulama yazılımı ve bireylerin bilgilerini tutan merkezi yazılım yaklaşımları bulunmaktadır [11]. 3. AKILLI TELEFON TEMELLİ BİREY İZLEME SİSTEMİ (PERSONAL MONITORING SYSTEM BASED ON SMARTPHONE)

3.1. Sistem Mimarisi (System Architecture) Sunulan çalışmanın sistem mimarisi Şekil 1’de görüldüğü üzere (i) akıllı telefon ve onun üzerinde çalışan Android tabanlı mobil uygulama, (ii) bireyin akıllı telefondan elde edilen verilerinin depolandığı, SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 75-82, 2015

Akıllı telefon temelli birey takip sistemi

B. Batmaz, Z. Çelik, C. Bayılmış, İ. Kırbaş

yorumlandığı, raporlandığı web sayfası ve veri tabanı uygulamalarına sahip merkezi sunucu ve gözlem birimi ile (iii) internete bağlı herhangi bir cihaz üzerinden sisteme erişen kullanıcı olmak üzere 3 temel kısımdan oluşmaktadır. Akıllı telefon üzerinde çalışan mobil uygulama, telefonun sahip olduğu GPS ve ivmeölçer sensörlerinden elde edilen konum ve hareket verilerini belirli aralıklarla bulunduğu ortamdaki WiFi ve 3G kablosuz teknolojisi üzerinden Merkezi Sunucu ve Gözlem Birimine iletmektedir. Merkezi Sunucu ve Gözlem Birimi akıllı telefondan gelen verileri MSSQL veri tabanına kaydetmekte ve web arayüzü ile kullanıcılara işlenmiş verileri sunmaktadır. Kullanıcı ise internete bağlı herhangi bir cihaz üzerinden tarayıcı kullanarak geliştirilen web arayüzüne erişebilmektedir. Şekil 2’de akıllı telefon temelli birey izleme sisteminin çalışmasını özetleyen akış diyagramı sunulmaktadır.

Kullanıcı

Merkezi Sunucu ve Gözlem Birimi

Şekil 2. Gerçekleştirilen sistemin çalışmasını özetleyen akış diyagramı (The brief flowchart of the implemented system)

Baz İstasyonu internet

3.2. Geliştirilen Android Tabanlı Mobil Uygulama

Akıllı Telefon WiFi Erişim Noktası

(Developed Android-Based Mobile Application) Kullanıcı (İstemci)

Şekil 1. Akıllı telefon temelli uzaktan izleme sistemi genel mimarisi (The general architecture of the smartphone based remote monitoring system)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 75-82, 2015

Eclipse editörü kullanılarak geliştirilen Android tabanlı mobil uygulama programının amacı akıllı telefona sahip kullanıcının konum ve bedensel aktivite/hareket bilgilerini WiFi/3G kablosuz haberleşme teknolojileri aracılığı ile internet üzerinden Merkezi Sunucu ve Gözlem Birimine iletmektir. Bu amaçla mobil uygulama konum belirleme ve hareket tespiti algoritmalarına sahiptir. Geliştirilen mobil uygulama arayüzleri Şekil 3’de görülmektedir. Mobil uygulama öncelikle kullanıcı kayıt ekranı ile başlamaktadır. Ayarlar kısmında kullanıcının düşme durumunun algılanma hassasiyeti ayarlanabilmektedir. Bir düşme durumu meydana geldiğinde telefon ekranında “Düşme algılandı” şeklinde bir uyarı çıkmaktadır. Arayüzdeki “Tamam” butonuna basarak kullanıcı bu bir düşme değildir derse, kullanıcının bilgileri merkezi sunucuya gönderilmez aksi halde bu duruma ait bilgiler sunucuya gönderilir.

Akıllı telefon temelli birey takip sistemi

B. Batmaz, Z. Çelik, C. Bayılmış, İ. Kırbaş

sinyalinin var olup olmadığını, GPS konum sağlayıcı sensörünün açık/kapalı olup olmadığını kontrol etmektedir. GPS tabanlı konum belirleme algoritmasının kaba kodu (psedou code) aşağıda verilmektedir.

if (GPS açık mı?) if (GPS sinyali kayboldu mu?) Durum metodunu çalıştır GPS verilerini al ve sunucuya gönder else GPS bağlantısını bekle if (Konum değişti mi?) Yeni konumun enlem-boylam değerlerini al ve sunucuya gönder Program 1: GPS tabanlı konum belirleme algoritmasının kaba kodu (The pseudo code of GPS-based localization algorithm)

3.2.2. Düşme Tespiti Algoritması (Fall Detection Algorithm)

Geliştirilen mobil uygulamanın sahip olduğu bir diğer algoritma düşme tespiti algoritmasıdır. Mobil uygulama düşme olup olmadığına bu algoritmayı kullanarak karar vermektedir. Düşme olayına karar vermek için eşik şiddeti yaklaşımından yararlanılmaktadır. Buna göre; hesaplanan parametreler, belirlenmiş olan eşik şiddetini geçtiğinde düşme olayı gerçekleşmiş olarak kabul edilmektedir. Eşik şiddeti aşağıdaki denkleme göre belirlenmektedir. Varsayılan hassasiyet katsayısı 1,5’dir. Hassasiyet katsayısı uygulamada bulunan ayarlar sayfasından değiştirilebilmektedir. Eşik şiddeti = Yerçekimi ivmesi*Hassasiyet kat sayısı (1) Düşme tespiti algoritması parametreler şunlardır:

Şekil 3. Mobil uygulama arayüzleri (Interface screenshots from the mobile application)

3.2.1. GPS Tabanlı Konum Belirleme Algoritması

içerisinde

hesaplanan

 Toplam ivme vektörü: Telefonun sahip olduğu ivmeölçerden gelen verilerle hesaplanmaktadır. Formüldeki Ax, Ay ve Az x, y ve z eksenlerinin G (yerçekimi kuvveti) cinsinden ivmelenme değerlerini gösterir. X ekseni telefonun yan yüzü üzerinde, Y ekseni dik bir pozisyonda ve Z ekseni ise sırtüstü durup durmadığı hakkında bilgi verir.

(GPS-Based Localization Algorithm)

Mobil uygulama, akıllı telefonun GPS konum sağlayıcı sensöründen kullanıcının konum bilgilerini elde etmektedir. Kullanıcının konumu değişirse, yeni konumunun değerlerini enlem ve boylam (latitudelongitude) şeklinde Merkezi Sunucu ve Gözlem Birimine iletmektedir. Ayrıca mobil uygulama GPS 78

SV = Toplam ivme vektörü = (

) +(

) (2)

 Dinamik toplam ivme vektörü: Telefonun sahip olduğu lineer ivme (linear acceleration) sensöründen gelen verilerle hesaplanmaktadır. Bu denklemde de Bx,

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 75-82, 2015

Akıllı telefon temelli birey takip sistemi

B. Batmaz, Z. Çelik, C. Bayılmış, İ. Kırbaş

By ve Bz telefonun x, y ve z eksenlerinin G cinsinden ivmelenme değerlerini gösterir. SVD = Dinamik toplam ivme vektörü = ( ) +( ) +( ) (3)  Dikey ivme: Toplam ivme vektörü, dinamik toplam vektörü ve yer çekimi kuvveti (G = 9,81 m/s2) kullanılarak hesaplanmaktadır. Z2 = Dikey ivme =

(4)

 Açısal hız toplam vektörü: x, y ve z eksenlerindeki jiroskop verileri kullanılarak hesaplanmaktadır. Denklemdeki ωx, ωy ve ωz telefonun x, y, z eksenleri etrafında dönme açısını rad/s cinsinden ifade eder. Bu değerlerden yararlanılarak telefonun mevcut yönü ve yön değişimi elde edilir. SVω = Açısal hız (ω ) + (ω ) + (ω )

toplam

vektörü

= (5)

Eğer hesaplanan toplam ivme vektörü ve dikey ivme parametreleri belirlenen eşik şiddetini geçerse düşme algılanmış olarak kabul edilmektedir. Bu eşik değerler farklı kilo ve boylardaki kişiler ile yapılan deneyler sonucunda belirlenmiştir. Örneğin toplam ivme vektörü 4.7*9.806650161743164’ten büyük ve dikey ivme vektörü de 4.7*9.806650161743164’den büyükse kişi düşmüş kabul edilmektedir. Bireyin yürüme, durma gibi bedensel hareketlerinin belirlenmesinde de düşme tespiti algoritmasında elde edilen toplam ivme vektöründen yararlanılmaktadır. Düşme tespiti algoritması ile elde edilen toplam ivmenin son 5 değeri 9.506650161743164’ten küçük veya 10.506650161743164’ten büyük ise kişi hareket ediyor, bu aralıkların dışında bir değer ölçülüyor ise kişi duruyor kabul edilmektedir. Düşme tespiti algoritması 10 kişi üzerinde test edilerek deneysel olarak belirlenmiştir. Gerçekleştirilen denemeler sonucunda Şekil 4’teki grafikler elde edilmiştir.

Çalışmada kullanılan akıllı telefon Samsung Galaxy Note3’tür. Bu telefonun sahip olduğu sensörler ve özellikleri aşağıdaki tabloda verilmektedir. Düşme tespiti algoritması içerisinde hesaplanan parametrelerde bu sensörlerden elde edilen veriler kullanılmaktadır. Akıllı telefonun BOSCH BMA250 3-axis Accelerometer sensöründen elde edilen verilerle SV, ST Linear Acceleration sensöründen elde edilen verilerle SVD ve R3GD20 Gyroscope sensöründen elde edilen verilerle de ωSV parametreleri hesaplanmaktadır. Dikey ivme parametresinde SV, SVD parametreleri ve ST Gravity sensöründen elde edilen veriler kullanılmaktadır. Yatay yön toplam vektörü parametresinde de MPU6500 Gyroscope sensöründen elde edilen x, y ve z eksenlerindeki ivme verileri kullanılmaktadır. Tablo 1. Sensörler ve özellikleri (Sensors and their specifications) Maksimum Minimum Sensör Çözünürlük Tip Aralık Gecikme MPU6500 19.6133 10000 5.985504E-4 1 İvme (Acceleration) Sensörü MPU6500 Jiroskop (Gyroscope) Sensor Doğrusal (Lineer) İvme Sensörü

8.726646

10000

2.663161E-4

19.6133

10000

5.985504E-4

Yön (Orientation) Sensörü Yer çekimi (Gravity) Sensörü

360.0

10000

0.00390625

19.6133

10000

5.985504E-4

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 75-82, 2015

Şekil 4. Parametrelerin grafiksel gösterimi (The graphical representation of the parameters)

Düşme tespiti algoritmasının kaba kodu aşağıda verilmektedir. Sensörlerden değerleri al (ivme, lineer ivme, açısal hız, yer çekimi ivmesi…) Parametreleri hesapla (toplam ivme vektörü, dinamik toplam ivme vektörü, dikey ivme, açısal hız toplam vektörü, yatay yön toplam vektörü) if ( hesaplanan toplam ivme vektörü > eşik şiddeti & hesaplanan dikey ivme vektörü > eşik şiddeti) Program 2: Düşme tespiti algoritmasının kaba kodu (The pseudo code Düşme gerçekleşmiştir. ofelse the fall detection algorithm) Düşme gerçekleşmemiştir. 79

Akıllı telefon temelli birey takip sistemi

B. Batmaz, Z. Çelik, C. Bayılmış, İ. Kırbaş

3.3. Geliştirilen Web Tabanlı İzleme Sistemi Arayüzü (Developed WEB-Based Tracking System Interface)

Akıllı telefon temelli birey takip sisteminin, Merkezi Sunucu ve Gözlem Biriminde çalıştırılan ve internet üzerinden erişilerek bireylerin konumlarının ve bedensel aktivitelerinin izlenmesini sağlayan web tabanlı uzaktan izleme arayüzü şekil 5’de görülmektedir. Bu arayüz aracılığı ile Mobil Uygulama tarafından gönderilen konum ve bireyin hareket bilgilerinin görselleştirilmesi ve analizi gerçekleştirilmektedir. Geliştirilen web tabanlı izleme sistemi arayüzün tasarımında HTML5, javascript, jquery, CSS, asp.net ve signal r teknolojilerinden yararlanılmıştır. Bireyin GPS tabanlı konumunu göstermek için ise Google Maps API kullanılmıştır. Şekil 5’de de görüldüğü üzere, web tabanlı izleme arayüzü iki temel kısımdan oluşmaktadır. Sol tarafta Google harita üzerinde kayıtlı kullanıcıların (izlenecek bireyin) konumu takip edilmektedir. Sağ tarafta ise “akıllı telefon temelli birey takip sistemi”ne kayıtlı (mobil uygulamaya sahip) kullanıcılara ait bilgiler görülmektedir. Burada kullanıcıların isimleri, akıllı cihazları aracılığı ile bulundukları ortama ait sıcaklık ve nem değerleri, tarih ve düşme, yürüme gibi hareket durumları yer almaktadır. Durum sekmesi altında mobil uygulamanın düşme tespiti algoritması aracılığı ile elde edilen verilere göre bireyin düşme, yürüme ya da sabit (hareketsiz) durumu animasyonlarla gösterilmektedir. Benzer şekilde bireylerin hareket durumları yine gif formatındaki resimlerle soldaki harita üzerinde verilmektedir. İşlemler altındaki grafik butonlarına tıklandığında ise şekil 6’de görüldüğü gibi akıllı telefon temelli birey takip sistemi tarafından bulunulan o anki konuma ait sıcaklık ve nem verileri grafiksel olarak gösterilmekte ve ayrıca ilgili kullanıcının ayrıntılı bilgileri yer almaktadır.

Şekil 6. Elde edilen verilerin geliştirilen web tabanlı izleme sistemi arayüzünde grafiksel gösterimi (The graphical representation of the gathered data on the developed web-based tracking system interface)

4. SONUÇLAR (CONCLUSIONS)

Bu çalışmada, kullanımı hızla artan akıllı telefon, tablet vb. cihazların hayatımızı kolaylaştırmasına ve yaşam kalitemizi arttırmasına yönelik geliştirilen bir akıllı telefon temelli birey takip sistemi sunulmaktadır. Bu sistem, mobil uygulama ve web tabanlı izleme sistemi arayüzünden oluşmaktadır. Android tabanlı mobil uygulama, akıllı telefonların içerdiği GPS sensörü aracılığı ile kullanıcının konumunu, ivmeölçer sensörü aracılığı ile ise bireyin düşme, yürüme vb. hareket durumunu 3G ya da WiFi kablosuz iletişim teknolojileri üzerinden Merkezi Sunucu ve Gözlem Birimine aktarmaktadır. Merkezi Sunucu ve Gözlem Biriminde çalıştırılan web tabanlı izleme sistemi arayüzü ise mobil uygulama aracılığı ile elde edilen verileri internet üzerinden kullanıcılara görselleştirmektedir. Akıllı telefonların sahip olduğu donanımsal özelliklerden yararlanarak birçok farklı uygulama gelecek çalışma olarak geliştirilebilir. Örneğin akıllı telefon temelli birey takip sistemi yapılacak bazı değişikler ya da eklemeler ile araç takibi amacıyla da kullanılabilir. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGMENT) Bu çalışma Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, SANTEZ 0200.STZ.2013-1 nolu proje ve Sakarya Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu Tarafından Desteklenmiştir. Proje Numarası: 2013-0910-001. Yazarlar ayrıca uygulamanın geliştirilmesinde ve test edilmesinde emeği geçen Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği öğrencilerinden Yakup TUNÇEL, Caner SELVİ, Kaan Ali YILGIN ve İlyas YAVUZ’a teşekkür etmektedir. KAYNAKLAR (REFERENCES)

Şekil 5. Geliştirilen web tabanlı izleme sistemi arayüzü (Developed web-based tracking system interface)

[1]

Su, X., Tong, H. and Ji, P. (2014) ‘Activity Recognition with Smartphone Sensors’,

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 75-82, 2015

Akıllı telefon temelli birey takip sistemi

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10] [11]

B. Batmaz, Z. Çelik, C. Bayılmış, İ. Kırbaş

Tsinghua Science and Technology, vol. 19, no. 3, June, pp. 235-249. Dai, J., Bai, X., Yang, Z., Shen, Z., Xuan, D. (2010) ‘Mobile phone-based pervasive fall detection’, Personal and Ubiquitous Computing, vol. 14, no. 7, April, pp. 633-643. Martin, E., Vinyals, O., Friedland, G., Bajcsy, R. (2010) ‘Precise Indoor Localization Using Smart Phones’, Proceedings of the international conference on Multimedia ACM MM'10, New York, USA, pp. 787 – 790. Zhang, R., Bannoura, A., Höflinger, F. (2013) ‘Indoor Localization Using A Smart Phone’, IEEE Sensors Applications Symposium (SAS) Bayıroğlu H., Ayan, K. (2014) ‘Android üzerinde web tabanlı çocuk takip sistemi’, SAÜ Fen Bilimleri Dergisi, vol. 18, no. 2, pp. 87-91 Bourouis, A., Zerdari, A., Feham, M., Bouchachia, A. (2013) “M-Health: Skin Disease Analysis System Using Smartphone’s Camera”, The 8th International Symposium on Intelligent Systems Techniques for Ad hoc and Wireless Sensor Networks, 1116-1120. Yavuz G., Kocak M., Ergun G., Alemdar H., Yalcin H., Incel O.D., Akarun, L. and Ersoy C. (2010) ‘A smartphone based fall detector with online location support’, Proceedings of the International Workshop on Sensing for App Phones; Zurich, Switzerland, 2 November 2010, pp. 31–35. Habib, M. A., Mohktar, M. S., Kamaruzzaman, S. B., Lim, K. S., Pin, T. M. and Ibrahim, F. (2014) ‘Smartphone-Based Solutions for Fall Detection and Prevention: Challenges and Open Issues’, Sensor, vol. 14, no. 4, April, pp. 71817208. Samsung GearFit, [Online], Avaliable: http://www.samsung.com/global/microsite/gear/ gearfit_features.html, 2014. Jawbone, [Online], Available: https://jawbone.com/ , 2014. Hitachi, [Online], Available: http://www.hitachisystems.com/eng/news_eng/2013/20130806.html , 2014.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 75-82, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 83-88, 2015

Kapasite kısıtlı araç rotalama probleminin çözümü için yeni bir algoritma geliştirilmesi: bir süpermarket zincirinde uygulanması Tolga Şen1*, Serap Ercan Cömert2, Harun Reşit Yazgan3

08.04.2014 Geliş/Received, 29.05.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Bu çalışmada, bir süpermarket zincirindeki taleplerin karşılanmasında ortaya çıkan araç rotalama probleminin çözüm metotları üzerinde durulmuştur. Bu amaçla iki farklı yaklaşım geliştirilmiştir. Birincisinde bir kümeleme algoritması ile müşteriler kümelenmiş ve araç rotalama problemi çözülmüştür. İkinci yaklaşımda ise, Genetik algoritma destekli bir yaklaşım geliştirilmiştir. Geliştirilen her iki metot bir örnek uygulamada test edilerek sonuçlar ANOVA testi ile karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: araç rotalama, kümeleme, genetik algoritma

A new developed algorithm for capacity contraint vehicle routing problem: a supermarket chain application ABSTRACT In this study, two approaches were developed to solve the vehicle routing problem (VRP) which were appeared from meeting demands of a supermarket chain. In the first approach, clustering algorithm was employed and then the VRP was solved within each clusters. In the second one, Genetic Algorithm (GA) was employed to classify the customers and then the problem was solved again. The approaches’ results were compared by the ANOVA test to illustrate superiority of the approaches. Keywords: vehicle routing, clustering, genetic algorithm

* Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği, Sakarya - tolga_sen53@hotmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği, Sakarya - serape@sakarya.edu.tr 3 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği, Sakarya - yazgan@sakarya.edu.tr

T. Şen, S. E. Cömert, H. R. Yazgan

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Araç rotalama problemi (ARP), coğrafi olarak dağınık merkezlere bir veya birden fazla depodan hizmet vermek üzere görevlendirilen araçların en iyi dağıtım/toplama rotalarının planlanması problemidir [1]. ARP gezgin satıcı problemlerinin genel halidir. İlk defa 1959 yılında Dantzig ve Ramster tarafından çalışılmıştır. ARP’ de gezgin satıcı problemindeki müşterilerin yerini sipariş noktaları, satıcının yerini ise araçlar almıştır. ARP'nin genel yapısı Şekil 1’de gösterilmiştir. Şekil 1’de gösterilen 1'den 9'a kadar numaralanmış düğümler sipariş noktalarını, 0 ise ana depoyu ifade etmektedir.

Şekil 1. ARP örnek gösterimi (TSP’s example notation)

ARP 'ler sahip olunan kısıtlar ile birbirlerinden farklılık göstermektedir. Müşterilere yapılacak dağıtım parçalanarak yapılabilir ya da her müşterinin hizmet kabul edebileceği belirli bir zaman aralığı olabilir. Bu gibi farklılıklar söz konusu çeşitliliğe sebep olmaktadır. Bu çalışmada uygulamasını yaptığımız ARP kapasite kısıtlı ARP’dir. Dağıtım ağı eniyilemenin en önemli problemlerinden biri olan ve ARP’nin en yaygın türü olan kapasite kısıtlı ARP’de her aracın belirli bir kapasitesi vardır ve müşterilerin talepleri önceden bilinmektedir [2]. En basit kapasiteli araç rotalama probleminde her aracın kapasitesi eşittir, araçlar bir depodan harekete başlarlar ve en son yine aynı depoya geri dönerler. Müşterilerin talepleri tek seferde teslim edilmektedir, parçalama söz konusu değildir. Amaç araçların kat ettiği toplam mesafeyi en küçüklemektir [2]. Kümeleme, verinin benzer nesnelerden oluşturulmuş gruplara bölünmesidir. Kümeleme işleminde küme içindeki elemanların benzerliği fazla, kümeler arası benzerlik ise az olmalıdır [3]. Bir kümeleme yönteminin kalitesi bu prensibi sağlaması ile doğru orantılıdır. Kümeleme yöntemi seçimi kullanılacak veri türüne ve uygulamanın amacına göre farklılık gösterir. 84

Kapasite kısıtlı araç rotalama probleminin çözümü için yeni bir algoritma geliştirilmesi: bir süpermarket zincirinde uygulanması

DBSCAN (Density Based Spatial Clustering of Applications with Noise) algoritması, Ester ve ark. tarafından geliştirilmiştir [4]. Algoritma, nesnelerin komşuları ile olan mesafelerini hesaplayarak belirli bir bölgede önceden belirlenmiş eşik değerden daha fazla nesne bulunan alanları gruplandırarak kümeleme işlemini gerçekleştirir. DBSCAN algoritması kümeleme problemlerinde birçok yeni terim ve yaklaşım getirmiştir. Bu terimler Epsilon ve MinPoints’dir. Epsilon değeri kümedeki her bir nesnenin Epsilon yarıçapındaki komşuluğu, MinPoints terimi ise küme çevresindeki en az nesne sayısı olarak tanımlanmaktadır. Algoritma kümeleri oluştururken nesnelerin yoğunluklarını dikkate alarak kümeleme yapar. Bu yaklaşımda kümeler; yüksek yoğunluklu veri nesneleri ile tanımlanmakta, düşük yoğunluklu nesnelerin bulunduğu kümeler aykırı veya gürültülü noktaları göstermektedir. DBSCAN, özellikle büyük veritabanları ve gürültülü nesneler içeren veri setleri için uygundur. Ayrıca farklı büyüklük ve şekillerdeki kümelerin tanımlanmasında da sıkça kullanılmaktadır [5]. Bu çalışmada yoğunluk tabanlı kümeleme algoritmalarından DBSCAN ve GA temelli DBSCAN’ın karşılaştırması yapılmıştır. Örnek olarak ele alınan bir süpermarketin dağıtım ağı içindeki noktalara haftalık talepleri dikkate alınarak en uygun rotanın bulunması amaçlanmıştır. Ele alınan metotlar ile farklı kümeler oluşmuş ve toplam katedilen mesafeyi en az yapacak alternatifler bulunmaya çalışılmıştır. Metotların performanslarının ölçülmesi için 20 adet farklı veri seti kullanılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR VE SONUÇLAR (EXPERIMENTAL STUDIES AND RESULTS)

2.1. Veri Setinin Tanımı (Data Set Definition) Bu çalışmada bir ana depo ve 78 mağazadan oluşan bir işletmenin araç rotalama problemi incelenmiştir. Şekil 2’deki noktalar mağazaların, büyük nokta ise ana deponun yerinin iki boyutlu düzlemdeki görüntüsünü temsil etmektedir. Firmanın araç filosu homojen araçlardan oluşmaktadır ve her bir araç 40 palet kapasitelidir. Toplam mağaza sayısı 78 olup, bu mağazaların talep ettikleri palet sayıları tam sayı olarak 3-9 arasında dağılmakta ve toplamda 438 palet olmaktadır. Bu şekilde 20 farklı talep veri seti mevcuttur. Bu veri setlerinin varyansları 4,032 ile 4,993 arasında değişmektedir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 83-88, 2015

Kapasite kısıtlı araç rotalama probleminin çözümü için yeni bir algoritma geliştirilmesi: bir süpermarket zincirinde uygulanması

T. Şen, S. E. Cömert, H. R. Yazgan

Tablo 1. DBSCAN algoritmasının aşamaları (Phases of DBSCAN algorithm)

Adımlar 1 2

Şekil 1. Veri setinin iki boyutlu şekli (Two dimension figure of data set)

2.2. DBSCAN Algoritması (DBSCAN Algorithm) DBSCAN algoritması yoğunluğa dayalı kümeleme tekniklerinin temelini oluşturmaktadır [4]. Algoritma kümeleri oluştururken nesnelerin yoğunluklarını dikkate almaktadır. Kümeler, yüksek yoğunluklu veri nesneleri ile tanımlanmaktadır. Düşük yoğunluklu nesnelerin bulunduğu kümeler ise aykırı veya gürültülü noktaları göstermektedir. DBSCAN, özellikle büyük veri tabanları ve gürültülü nesneler içeren veri setleri için uygundur. Ayrıca farklı büyüklük ve şekillerdeki kümelerin tanımlanmasında da sıkça kullanılmaktadır [5]. є ve MinPts olmak üzere iki girdi parametresine sahiptir. є yarıçap (kümedeki her bir nesnenin є yarıçapındaki komşuluğu) MinPts ise küme çevresindeki en az nesne sayısı olarak tanımlanmaktadır. Bu iki giriş parametresine karşı duyarlı olması algoritmanın dezavantajı olarak görülmekle birlikte ortalama hesaplama karmaşıklığı, ( ) olarak ifade edilmektedir. Burada n veri setindeki nesne sayısıdır [4]. Çalışmada kullanılan kümeleme algoritmalarının sonucunda oluşmuş olan kümelerin her birinin rotaları (tur uzunlukları) ana depoda başlayıp ana depoda son bulacak şekilde en iyileyici rotalama yöntemlerinden olan dal sınır algoritmasından yararlanılarak belirlenmiştir. Algoritmanın adımları Tablo 1’de verilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 83-88, 2015

Yapılan İşlem Veri setindeki her bir nesnenin є komşuluğu kontrol edilir. Bu alanda MinPts ile belirlenen sayıdan daha fazla nesne var ise buna çekirdek nokta adı verilir. Her bir kümeyi, çekirdek noktadan doğrudan yoğunluğa katılarak toplanan noktalar yardımıyla çekirdek nesne etrafında büyütülür. Veri nesnelerinin bir kümeye atanma işlemi tamamlandığında yani herhangi bir kümeye artık hiçbir veri nesnesi eklenemediğinde algoritma sonlandır. Eğer hala bir kümeye atanmamış veri nesnesi söz konusu ise bu nesneleri gürültü olarak nitelendirilir.

Öncelikle problem için DBSCAN algoritmasının parametrelerinin başlangıç değerleri belirlenmiştir. Dağıtım şirketinin politika olarak belirlediği atanabilir kümelerin 32-40 palet aralığında kapasiteye sahip olma şartını da göz önünde bulundurarak ilk olarak MinPts baz değeri sonrasında Eps baz değeri belirlenmiştir. MinPoints’in baz değerini belirleme En az talebi olan mağaza 3 palet, en fazla talebi olan mağaza 9 palet ve kamyon kapasiteleri 40 palet olan problemde atanabilecek kümelerin en az 4 mağazalı (örnek olarak 9+9+9+9=36), en çok 13 mağazalı (örnek olarak 3+3+3+3+3+3+3+3+3+3+3+3+3=39) olabileceği görülmektedir. Bu durumda atanabilecek kümelerinin 413 aralığında mağaza sayısına sahip kümeler olduğu ortaya çıkmaktadır. Veri setine uygulanacak DBSCAN kümeleme algoritması ile oluşacak kümelerin mağaza sayılarının 4 ve 4’den büyük olmasını sağlamak için MinPoints baz değeri 4 olarak belirlenmiştir. Eps’nin baz değerini belirleme: MinPoints baz değeri 4 olarak belirledikten sonra Eps baz değerini belirlemek için MinPts baz değeri sabit tutularak Eps değeri 1’den başlanıp her denemede bir arttırılarak denemeler yapılır. Bu denemeler Eps değerinin tek küme oluşturacağı denemeye kadar tekrarlanır. Her denemede oluşan 4-13 aralığında mağazaya sahip küme sayıları belirlendikten sonra en fazla 4-13 aralığında mağazaya sahip küme sayısını veren denemedeki Eps değeri Eps baz değeri olarak belirlenir. 85

T. Şen, S. E. Cömert, H. R. Yazgan

Kapasite kısıtlı araç rotalama probleminin çözümü için yeni bir algoritma geliştirilmesi: bir süpermarket zincirinde uygulanması

Veri seti ile yapılan denemeler sonucunda Eps’nin baz değeri 18 olarak tespit edilmiştir. MinPts ve Eps’nin baz değerleri belirlendikten sonra, 78 mağaza ele alınarak DBSCAN algoritması çalıştırılır. Eğer baz değerler ile 32-40 aralığında palete sahip küme yada kümeler oluşmuş ise direk bu kümeler atanır. Eğer baz değerler ile 32-40 aralığında palete sahip bir küme oluşmamış ise MinPts baz değerinde kalmak şartı ile Eps baz değerinin bir eksiği alınır ve deneme tekrarlanır. Bu durumda da 32-40 aralığında palete sahip küme yada kümeler oluşmamış ise MinPts değeri değişmeden Eps baz değerinin bir fazlası alınır ve deneme tekrarlanır. Bu şekilde her aşamada atanabilir (32-40 aralığında palete sahip) bir küme bulununcaya kadar bu denemeler tekrarlanır. Şekil 3’de DBSCAN algoritmasının aşama işleyiş şeması verilmiştir. Bu şemada; Eps(0) Eps’nin baz değeri, MinPts(0) MinPts’nin baz değeri, Eps(-1) Eps’nin baz değerinin bir eksiği, Eps(+1) Eps’nin baz değerinin bir fazlası, Eps(-2) Eps’nin baz değerinin iki eksiği, Eps(+2) Eps’nin baz değerinin iki fazlası anlamına gelmektedir. Yani Eps baz değeri olan 18'den başlayarak 17, 19, 16, 20, 15, 21, 14, 22, 13, 23, 12, 24, 11, 25, 10, 26, 9, 27, 8, 28, 7, 29, 6, 30, 5, 31, 4, 32, 3, 33, 2, 34, 1, 35, 36, 37, … değerlerini alır ve atanabilir küme bulunana kadar sırasıyla denenir. İlk karşılaşılan 32-40 palet aralığındaki küme ya da kümeler atanır. Sonraki aşamada kalan mağazalara aynı şekilde kümeleme yapılarak yola devam edilir.

32-40 aralığında palet kapasitesine sahip küme veya kümeler var mı? Şekil 2. DBSCAN aşama işleyiş şeması (Scheme of DBSCAN stage process)

Belli bir aşamaya geldiğinde ise tüm denemeler yapılmasına rağmen atanabilir bir kümeye ulaşılamadığı görülmüştür. Bu durumda tüm yapılan denemeler içerisinde oluşan en yüksek palet kapasitesine sahip küme yada kümeler atanarak yola devam edilir. Bu şekilde tüm mağazaların kümeleri belirlenene kadar bu aşamalar tekrarlanır. Tüm kümeler belirlendikten sonra her kümedeki mağazalara ana depoda eklenerek dal sınır algoritması uygulanır ve rotaları saptanır. DBSCAN algoritmasının ilerleyen aşamalarında palet kapasiteleri düşük kümeler oluşmuş ve bu durum küme sayısında artışa neden olmuştur. Bunun sonucunda kullanılacak araç sayısında ve araçların kat edeceği mesafede artışlar gözlemlenmiştir. DBSCAN algoritmasındaki bu zayıflığı azaltmak için GA destekli DBSCAN algoritması geliştirilmiştir. 2.3. GA Destekli DBSCAN Algoritması (GA-Aided DBSCAN Algorithm)

İlk olarak 1960’lı yıllarda J. Rechenberg tarafından Evrim Stratejileri (Evolution strategies) isimli çalışmada tanımlanan hesaplama [6] daha sonra John Holland’ın çabaları sonucunda genetik sürecin bilgisayar ortamında ele alınışı ilk kez gerçekleştirilmiştir [7]. Genetik algoritmaların karmaşık problemlerin eniyilenmesinde kullanılabilecek etkili teknikler olması 86

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 83-88, 2015

Kapasite kısıtlı araç rotalama probleminin çözümü için yeni bir algoritma geliştirilmesi: bir süpermarket zincirinde uygulanması

nedeniyle, son yıllarda önemleri hızla artmakta ve çok farklı disiplinlerde başarıyla uygulanmaktadır [8]. GA’lar klasik sezgisel yöntemler ve bazı meta-sezgisel yöntemler gibi (Tabu Arama, Tavlama Benzetimi) tek noktadan arama yapmaz, aksine çok fazla çözümün olduğu bir popülasyondan başlayarak arama yaparlar [9]. Çözüm uzayının daha çeşitli bölgelerinde arama yapıyor olması diğer yöntemlerden üstün olan taraflarından biridir. En iyi bilinen uygulama alanları; çizelgeleme ve sıralama, güvenilirlik tasarımı, araç rotalama ve çizelgeleme, grup teknolojisi, tesis tasarımı ve yerleşimi, ulaştırma gibi alanlardır [8]. Bu çalışmada DBSCAN algoritmasının önceki bölümde belirtilen zayıflığını gidermek amacıyla GA destekli DBSCAN geliştirilmiştir. Bu algoritma DBSCAN algoritmasının tüm Eps denemelerine rağmen atanabilir (32-40 palet kapasiteye sahip) küme oluşturamadığı durumda devreye girmektedir. Bu durumda en yüksek palet kapasitesine sahip küme ya da kümeler atanmaz ve tüm kalan mağazalar ana depo ile birlikte gezgin satıcı problemi gibi düşünülerek genetik algoritma yardımıyla rotalanır. Genetik algoritmanın aşamaları Tablo 2’de belirtilmiştir. Tablo 2. Genetik algoritmasının aşamaları (Phases of genetic algorithm)

Adımlar 1 2

3 4 5

Yapılan İşlem Başlangıç popülasyonunun oluşturulması Popülasyondaki çözümlere göre toplam mesafelerin hesaplanması ve minimumun seçilmesi Çaprazlama işlemi Mutasyon işlemi Yeni oluşan çözümlere göre toplam mesafelerin hesaplanması ve minimumun seçilmesi Algoritmanın durdurulması

Bu aşamada GA yapılırken permütasyon kodlama kullanılarak rassal çözümlerden meydana gelen bir başlangıç popülasyonu oluşturulmuştur. Kromozomların rassal olarak türetilmesi işlemi, popülasyon büyüklüğü kadar kromozom oluşturulunca sonlandırılmaktadır. Sonrasında kromozomların seçim yöntemi olarak rulet çemberi yöntemi kullanılmıştır. Çaprazlama işlemi sıra tabanlı çaprazlama yöntemi kullanılarak %80 çaprazlama oranı ile yapılmıştır. Mutasyon işlemi ikili değişim yöntemi kullanılarak %0,1 mutasyon oranı ile gerçekleştirilmiştir. Algoritmayı durdurma kriterleri iterasyon sayısına göre belirlenmiş ve iterasyon sayısı 10000 olarak belirlenmiştir. Bu şekilde GA algoritması Intel Core 2 Duo CPU T5450 1.67 GHz işlemci ve 3.00 GB RAM özelliğine sahip bilgisayarda koşturulmuş ve 20 farklı veri seti ile ortalama 17 dakikalık bir sürede SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 83-88, 2015

T. Şen, S. E. Cömert, H. R. Yazgan

her bir koşum gerçekleşmiştir. GA sonucunda bulunan rotada ana depodan sonra gelen mağazadan başlanarak her birinin palet kapasiteleri kamyon kapasitesine (40 palete) yakınsayacak şekilde kümeler oluşturulmuştur. Bunun sonucunda, düşük kapasiteli kümelerin oluşmadığı buna istinaden kullanılacak araç sayısında ve araçların kat edeceği mesafede azalmalar sağlandığı gözlemlenmiştir. 3. TARTIŞMA VE DEĞERLENDİRME (ARGUMENT AND ASSESSMENT)

Bu çalışmada, farklı olarak yeni bir algoritma önerilmiş olup, yalnızca bilgilendirme içerikli bir karşılaştırma ile yetinilmemiştir. Çalışmada belirlenen algoritmalar, her bir algoritma için yazılım platformu hazırlanarak karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma, bilinenlerden yararlanılarak yalnızca yorum getirme şeklinde değil, incelenen her algoritmanın ürettiği sonuçlar gözlenerek yapılmıştır. Böylece DBSCAN ve GA destekli DBSCAN algoritmalarının uygulanması ile elde edilen Tablo 3’deki sonuçlar kullanılarak ANOVA testi yapılmıştır. Tablo 3. GA Destekli DBSCAN ve DBSCAN algoritmalarının karşılaştırması (Comparison of GA-aided DBSCAN and DBSCAN algorithms) GA Destekli DBSCAN Küme Küme Toplam DBSCAN Deneme Toplam Mesafe (km) Sayısı Sayısı Mesafe (km)

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

1196.1 1171.6 1225.9 1200.8 1160.7 1180.9 1235.0 1155.3 1143.4 1198.2 1180.6 1235.1 1168.3 1207.7 1210.4 1152.7 1174.3 1205.9 1165.1 1208.7

12 12 13 12 12 12 13 12 12 12 12 13 12 13 12 12 12 13 12 12

1395.0 1318.4 1318.2 1331.7 1223.6 1357.5 1337.0 1345.6 1220.3 1378.4 1265.4 1342.6 1356.9 1299.4 1407.0 1348.3 1309.2 1297.1 1340.4 1275.1

14 14 14 14 13 14 14 14 13 14 13 14 14 14 14 14 14 14 14 13

ANOVA testinde öncelikli olarak varyansların eşit olup olmadığı incelendiğinde sig. değeri 0,05 küçük olduğu için grup varyanslarının eşit olduğu sonucuna varılmıştır (Tablo 4). Bundan dolayı da F testinin sonuçları anlamlı olabilecektir (Tablo 5). ANOVA tablosundaki sig.

Kapasite kısıtlı araç rotalama probleminin çözümü için yeni bir algoritma geliştirilmesi: bir süpermarket zincirinde uygulanması

T. Şen, S. E. Cömert, H. R. Yazgan

değeri 0,05’den küçük olduğu için iki metot ile elde edilen sonuçlar arasında istatistiksel olarak anlamlı bir farkın olduğu sonucuna varılabilir. Bu durumda toplam katedilen mesafelerin ortalamasına baktığımızda genetik algoritma destekli kümeleme algoritması ile ortalama yol uzunluğu 1188.835 olur iken diğer kümele algoritması ile 1323.355 olmuştur. Bu da yeni geliştirilen metodun daha iyi sonuç ürettiğini göstermektedir (Tablo 6). GA destekli DBSCAN algoritmasının elde ettiği sonuçların ortalaması daha küçük olduğu için GA destekli DBSCAN algoritması tercih edilmelidir. Yapılan gözlemler sonucu GA destekli DBSCAN algoritmasında hem düşük kapasiteli kümeler oluşmamış hem de kullanılacak araç sayısında ve araçların kat edeceği toplam mesafede azalmalar gözlemlenmiştir.

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

[2]

[3]

[4]

M. Ester, H. P. Kriegel, J. Sander ve X. Xu, «A density based algorithm for discovering clusters in large spatial databases with noise», Int. Conference of Knowledge Discovery and Data Mining (KDD’96), Portland, USA, s. 226-231, 1996.

[5]

A. Moreira, M. Y. Santos ve S. Cameiro, «Density-Based Clustering AlgorithmsDBSCAN and SNN», Portugal, University of Minho, Temmuz, s. 1-18, 2005.[5]

[6]

M. Kurt ve C. Semetay, «Genetik Algoritma ve Uygulama Alanları», Mühendis Makine Dergisi, Ekim Sayısı, 2001.

[7]

M. Mitchell, «An Introduction to Genetic Algorithms», London: The MIT Press, 1999.

[8]

M. Gen ve R. Cheng, «Genetic Algorithms and Engineering Design», New York: John Wiley and Sons, Inc,1997. L. V. Snyder ve M. S. Daskin, «A random-key genetic algorithm for the generalized traveling salesman problem», European Journal of Operational Research, sayı 174, konu 1, s. 3853,2006.

Tablo 4. Varyansların homojenliği testi (Test of homogeneity of variances)

Levene Statistic

Df1

Df2

Sig.

3,947

,054

Tablo 5. ANOVA testi sonucu (Result of ANOVA test)

Between Groups Within Groups Total

Sum of Squares

180956,304

61604,055

242560,359

Mean Square

Sig.

180956,304 111,622 ,000 1621,159

Tablo 6. Betimleyici sonuçlar (Results of descriptive)

1 2 Total Model Fixed Effects Random Effects

N 20 20 40

Std. Std. Mean Deviation Error 1188,835 27,4785 6,1444 1323,355 49,8724 11,1518 1256,095 78,8638 12,4695 40,2636 6,3662

G. Laporte, Y. Nobert, ve S. Taillefer, «Solving a family of multi-depot vehicle routing and location-routing problems», Transportation Science, sayı 22, konu 3, Ağustos, s. 161-172, 1987. S. W. Lin, Z. J. Lee, K. C. Ying, ve C. Y. Lee, «Applying hybrid meta-heuristic for capacitated vehicle routing problem», Expert Systems with Applications, sayı 36, konu 2, bölüm 1, Ağustos ve Eylül, s.1505-1512, 2009. J. Han ve M. Kamber, «Data Mining Concepts and Techniques», San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers Inc, 2001.

[9]

67,2600

Bu çalışmada sezgisel bir algoritma olan GA ya başvurmamızın nedeni denemelerde kalan mağaza sayılarının en iyileyen algoritmalar için yüksek bir sayıda seyir etmesidir. Uygulama aşamasında veri setindeki mağazaların kuşbakışı uzaklıkları yerine gerçek uzaklıkları hesaba katılmış ve bu uzaklıklara göre kümeleme yapılmıştır. Kümeler belirlendikten sonra oluşturulan her bir kümedeki mağazalara ana depoda eklenerek dalsınır algoritması ile her bir kümenin rotaları (tur uzunlukları) belirlenmiştir. 88

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 83-88, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

Borlu aktif belit (bab) çimentosu ile üretilen harçlarda kısa süreli donatı korozyonu davranışının araştırılması Emre Sancak* 16.09.2014 Geliş/Received, 14.11.2014 Kabul/Accepted

ÖZ Bu çalışma, kapsamlı bir araştırma projesi ile borlu aktif belit çimentolu (BAB-TS 13353) harçların mekanik özellikleri ve içerisine gömülü betonarme çeliğinin korozyona karşı korunması etkinliğinin belirlenmesi amacı ile CEM I 42.5 içeren harçlarla karşılaştırılmalı olarak elde edilen ilk bulguları içermektedir. Araştırmada mekanik özelliklerin belirlenmesine yönelik 40x40x160 mm harç çubuğu numuneleri üzerinde 7. ve 28. günlük kür süreçleri sonunda basınç ve eğilme dayanımı testleri uygulanmıştır. Ayrıca φ50x100 mm lik silindirik donatılı harç örnekleri üzerinde korozyon deneyleri için %5 NaCl içeren çözeltiye 60 gün maruz bırakıldıktan sonra elektrokimyasal testler uygulanmıştır. Her deney için iki seride de 5’er numune üretilmiştir. Elde edilen bulgulara göre BAB çimentolu harç örneklerinin basınç dayanımları 7. Günde 14.5 MPa iken CEM I 42.5 içerenlerde ortalama 26.8 MPa bulunmuştur. 28 günlük basınç deneyleri sonucunda BAB çimentolu harçlarda ortalama 55.2 MPa, CEM I çimentoluda ise 50.0 MPa değerleri bulunmuştur. Elektrokimyasal testler sonucunda iki çimento türü ile üretilen betonarme çelik donatılı harç örneklerinin birbirlerine yakın sonuçlar verdikleri görülmüştür. BAB içeren harçlarda 3.06 µA/cm2 korozyon akımı meydana gelirken CEM I 42.5 örneklerinde ortalama 3.87 µA/cm2 olmuştur. Korozyon hızları aynı sıra ile 1,41 mpy ve 1,79 mpy olduğu görülmüştür. Rp değerleri de aynı sıra ile 1,45 kOhm ve 1,35 kOhm olarak hesaplanmıştır. 60 gün sonundaki Ecor değerleri ise sırası ile -311 ve -304 mV olarak belirlenmiştir. Buna göre, genel olarak, 60 günlük %5 NaCl çözeltisinde korozyona maruz bırakılması sonucunda CEM I 42.5 çimentosunun çelik donatıyı korozyona karşı koruma etkinliği bakımından, BAB ile üretilen harç örneklerinden bir üstünlüğü yoktur. Anahtar Kelimeler: BAB çimentosu, mekanik özellikler, donatı korozyonu, elektrokimyasal testler

Investigation of the short term corrosion behaviour on mortar produced with boron modified active belite cement ABSTRACT This study is included the initial findings of comprehensive research project on mechanical properties of mortar with boron modified active belite cement (BAB) and resistance effectivity against corrosion of steel reinforcing bar embedded BAB cement mortar. The compressive and flexural strength tests conducted to determine the mechanical properties of mortar specimens having dimension of 40x40x160 mm in the investigation. Besides, the electrochemical tests applied on the cylindrical specimens having dimension of φ50x100 mm at the ending of exposed to 5% NaCl solution for 60 days. Five specimens were produced for every test on two trial groups. *

Sorumlu Yazar / Corresponding Author Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Isparta - emresancak@sdu.edu.tr

Borlu aktif belit (bab) çimentosu ile üretilen harçlarda kısa süreli donatı korozyonu davranışının araştırılması

E. Sancak

According to the findings, as the mortar specimens with BAB cement have compressive strength of 14.5 MPa, those of mortar included CEM I 42.5 is 26.8 MPa in average. It found that the mean compressive strength values of mortars with BAB cement or CEM I 42.5 were 55.2 and 50.0 MPa at the age of 28 days, with respectively. At the ending of electrochemical test duration, the reinforcing steel bar embedded mortar specimens produced with two types cement exhibited similar results each other. Corrosion current of mortar specimens with BAB cement or CEM I 42.5 cement have mean values of 3.06 µA/cm2 and 3.87 µA/cm2, corrosion rates of those were 1,41 mpy and 1,79 mpy, polarisation resistance values were 1,45 kOhm and 1,35 kOhm, with respectively. At the ending of 60 days, Ecor mean values optained from mortar specimens with BAB cement or CEM I 42.5 cement were -311 and -304 mV, with respectively. In general, according to the results, there was no superiority of CEM I 42.5 cement mortar from BAB cement mortar from the point of view of effectivity of resistance against rebar corrosion at the ending of exposed to 5% NaCl solution for 60 days. Keywords: BAB cement, mechanical properties, reinforcement corrosion, electrochemical tests 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Betonun standartlara ve teknik şartnamelere uygun olarak üretildiğinde alkali doğası gereği, betonarme donatısı için yeterli koruyuculuğa sahiptir [1]. Ancak, paspayının ve beton kalitesinin kontrol dışı kalması durumu ile uygulama aşamasında sıklıkla karşılaşılmaktadır. Bu durumda korozyon oluşumuna izin vermeyecek yeterlikte sertleşmiş beton özellikleri sağlayan beton karışım tasarımları üzerinde yoğun araştırma programları devam etmektedir. Bunlardan birisi de bor katkılı çimento ile üretilen beton arayışlarıdır. Bor katkılı çimento, bir bor minerali olan Kolemanit’in borik asit üretiminde yüksek tenörlü kısmının Borik Asit üretiminde kullanılmasının ardından kalan düşük tenörlü kısmının, diğer çimento hammaddelerine (farin) ilâve olarak belirli bir miktarda kullanılması ile üretilmiştir. Endüstriyel ölçekte ilk deneme üretimi Denizli Çimento ve Isparta GÖLTAŞ Çimento Fabrikalarında ETİ MADEN İşletmeleri işbirliği ile gerçekleştirilmiştir. Kolemanitin çimento hammaddesi olan kireç taşının yerine kullanılması ile prekalsinasyon işleminde enerji tasarrufu ve klinker pişirme sıcaklığı da 1450°C’tan 1325°C’lara düştüğünden, büyük oranda enerji tasarrufu (yaklaşık %10) ve CO2 emisyonunda % 25’lere varan azalma sağlanmıştır. Faz diyagramına göre Boroksit sadece C2S içinde çözünmektedir. Buna karşım C3S’in oluşumunu engellemektedir. Bu doğrultuda bu durumdan faydalanmak amacıyla ülkemizde bor oksit (B2O3) kullanarak yapılan laboratuvar ve endüstriyel ölçeklerde çimento üretimlerinde C3S yerine oluşan C2S fazının hızlı soğutulması (>800 C/dak.) ile daha kararlı ve aktif olan µ ve/veya µ’–C2S polimorfunun oluştuğu gözlenmiştir. Bu nedenle çimentonun klinkerleşme sıcaklığı 1450°C yerine daha düşük sıcaklıkta oluşan C2S’in oluşma sıcaklığında 1325°C’ye kadar inilebilmektedir. Bu çimento “Borlu Aktif Belit (BAB) Çimentosu” olarak adlandırılmaktadır [2]

Ustabaş [3]çalışmasında kolemanit ve üleksitin çimentoda kullanılabilirliğini araştırmış, öğütülmüş kolemanit ve üleksit, çimento kütlesinin %0,5, %1, %2, %3, %4 ve %5 oranlarında CEM I 42,5 R sınıfı çimento ile ikame etmiştir. Çalışmanın diğer safhasında ise klinker 1300 oC’de kolemanit ve üleksit ile karıştırılarak pişirilmiş ve soğuduktan sonra öğütülerek yeni çimentolar üretmiştir. TS EN 196-1’e göre üretilen borlu çimentolu harç numunelerin basınç ve eğilme dayanımlarına göre kolemanit ve üleksit kullanımının çimento özelliklerini geliştirmediğini açıklamıştır. Yalçın [4]yaptığı çalışmada betonarme demirlerinin korozyonunu önlemek amacıyla beton karışımı içine değişik oranlarda kolemanit ( 2CaO.3B2O3.6H2O) ilave etmiştir. Deneyler sonunda %0.5 den daha az kolemanit katkısının betonarme demirlerinin korozyonu üzerine inhibitif etki göstermediği, %2.0 dan daha fazla kolemanit katkısının ise, çimentonun fiziksel özellikleri üzerine bozucu etki yaptığı, en uygun kolemanit katkısının %1.0 olduğu belirtilmiştir. Ergi vd [5] yaptıkları çalışmada, bazı endüstriyel atıkların, Çinko-Bakır fabrikasından alınan cüruf, Ece Seramikten alınan alçı atığı, uçucu kül ve boraks şlamı belli oranlarda Yibitaş Lafarge-Çorum Çimento Fabrikasının ürettiği PÇ 42,5 CEM II/A çimentosuna ilave ederek katkılı çimento ile ürettiği harçların betonarme demirlerinin korozyonuna etkisini araştırmak için 60 gün süreyle korozyon potansiyellerini ölçmüşlerdir. Sonuç olarak, denedikleri alçı atığı, uçucu kül ve boraks şlamı gibi endüstri atıklarından %5 Alçı atığı-%5 boraks şlamı içeren KPÇBE2 kodlu çimento ile KPÇBE3 kodlu %9 Alçı atığı ve %1 boraks şlamı içeren katkılı çimentoların, betonarme demirinin korozyonunun önlenmesinde önemli bir katkı sağladığını açıklamışlardır. Zeybek [6], yaptığı araştırmada zengin kolemanit yataklarının yer aldığı ve kolemanit zenginleştirme

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

Borlu aktif belit (bab) çimentosu ile üretilen harçlarda kısa süreli donatı korozyonu davranışının araştırılması

işlemlerinin yapıldığı Kütahya-Emet-Espey'de bulunan konsantratörün, 25 mm. elekaltı atığı ile atık göletinden alınan numunelerin, çimento endüstrisine bir katkı maddesi olarak değerlendirilmesini araştırmıştır. Bu atıkların Portland ve Traslı Çimentolar için bir katkı maddesi olabileceğini belirtmiştir. Erdoğmuş [7] kolemanit konsantratör atığının belli bir oranı aşması durumunda mekanik özelliklere katkı sağlamadığı hatta TS değerlerinin altına düşürdüğü tespit etmiştir. Fakat bu olumsuzluğuna rağmen kolemanit konsantratörü atığı ilavesiyle oluşan çimento harçlarının Alkali silika reaksiyonuna, sülfatlı ortama ve asitli ortama direnci artırmada katkı sağladığını belirtmiştir.

2. MATERYAL VE YÖNTEM (MATERIAL AND METHOD) 2.1. Materyal (Material) 2.1.1. Referans çimento (Reference cement) Çalışmada, Isparta Göltaş çimento fabrikasından temin edilen CEM I 42.5 R çimentosu referans çimento olarak kullanılmış olup, fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri Tablo 1‘de verilmiştir. 2.1.2. Borlu aktif belit (BAB) çimentosu (Boron modified active belite cement) Çalışmada, referans harç örneklerinin üretimi için CEM I 42.5 R çimentosu, deneme örneklerinin üretimi için % 2.5 B2O3 içeren BAB (TSE 13353 [9]) çimentosu kullanılmıştır. BAB çimentosunun kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikleri Tablo 1’ de verilmiştir. Tablo 1. Referans çimento ve BAB çimentosunun kimyasal, fiziksel özellikleri (The chemical and physical properties reference cement and BAB cement)

Kimyasal Bileşenler (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 B2O3 (%) Serbest CaO C3S C2S C3A C4AF Kızdırma Kaybı Cl-

Referans Çimento 21.672 4.612 3.674 65.998 1.289 1.155 --0.528 62.289 15.143 6.006 11.179 2.72 0.066

BAB Çimentosu 21.163 5.805 3.875 63.225 3.383 1.087 3.00 0.983 44.910 26.793 8.826 11.793 3.82 0.001

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

E. Sancak

Davraz [8] göre taze harçlardaki B2O3/çimento oranı artarken, pH-Elektriksel iletkenliği(EC)-taze harç sıcaklığı (T) değerleri azalmıştır. Bununla birlikte BAB örneklerinin B2O3/çimento oranı yaklaşık % 1.20 iken kontrol örneklerinin değerlerine çok yakın değer sergilemiştir. Ayrıca çimento pastasının hidratasyon ısısındaki önemli miktardaki düşmeden dolayı mikroçatlak oluşumunun azaldığını açıklamıştır. Bu çalışmada, (GÖLTAŞ Çimento tarafından % 9 kolemanit kullanılarak elde edilen %2.5 B2O3 içeren) BAB çimentosu ile üretilen betonarme çeliği donatılı harç örneklerinin, CEM I 42.5 çimento ile üretilen donatılı harçlarla karşılaştırmalı olarak korozyona karşı donatıyı koruma etkinliğini araştırılmıştır. Tablo 1. Referans çimento ve BAB çimentosunun kimyasal, fiziksel özellikleri (The chemical and physical properties reference cement and BAB cement) (devam-continiu)

Fiziksel Özellikler 200  elek üstü 90  elek üstü kalan Özgül Ağırlık (gr/cm3) Özgül Yüzey (Blaine, cm2/gr) Priz başlama süresi (dakika) Priz bitiş süresi(dakika) Hacim genleşmesi (mm) Basınç 2 Gün 7 Gün dayanımı (N/mm2) 28 Gün

Referans Çimento 1.84 0.3 3,11

BAB Çimentosu 1.8 0.1 3.09

3265

3562

155

145

190

180

0.5

26,8 40.6 50.0

14.5 34.6 55.2

2.1.3. Standart CEN referans kumu (Standard CEN reference sand) Harç çubuklarının ve korozyon numunelerin üretiminde %98 silisyum dioksit miktarı içeren standart CEN kumu referans kum olarak kullanılmıştır. CEN referans kumunun tane dağılımı Tablo 2’ de verilmiştir. Tablo 2. Standart CEN kumunun tane dağılımı (TS EN 196-1 [10]) (Standard CEN reference sand grain gradation)

Kare göz acıklığı (mm) 2 1.6

Yığışımlı elekte kalan (%) 0 7

Toleran s (±) 0 5

1 0.5 0.16 0.08

33 67 87 99

5 5 5 1

Borlu aktif belit (bab) çimentosu ile üretilen harçlarda kısa süreli donatı korozyonu davranışının araştırılması

E. Sancak

2.1.4. Karışım suyu (Mixing water) Çalışmada, TSE EN 196-1 [10] standardında belirtilen içme suyu niteliklerine sahip Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Kampüsü şebeke suyu karışım suyu olarak kullanılmıştır.

2.1.8. Çözelti (Solution) Korozyon için üretilen harç numunelerini korozyon ortamına maruz bırakmak için %5’lik NaCl çözeltisinden oluşan agresif ortam hazırlanmıştır(Şekil 3).

2.1.5. Betonarme çeliği (Reinforcement bar) Çalışmada korozyon numuneleri üretiminde beton donatısı olarak kullanılabilecek niteliklere sahip TSE 708 [11]‘e uygun Ø10 çapında düz transmisyon betonarme çeliği kullanılmıştır. Betonarme çeliğinin özellikleri Tablo 3’ de verilmiştir. Tablo 3. Betonarme çeliğinin özellikleri (Reinforcement bar properties)

C (%)

Si (%)

St 37 ≤0.17 0.21

Mn (%) 0.50

P (max) (%) 0.05

S (max) (%) Şekil 3. NaCl çözeltisi (NaCL solution)

0.05

2.1.6. Referans elektrot (Reference electrode) Çalışmada korozyon ölçümlerinde referans elektrot olarak Şekil 1’de gösterilen doygun kalomel elektrot (SCE) kullanılmıştır.

2.2. Yöntem (Method) 2.2.1. Harç prizma ve donatılı silindirik korozyon numunelerinin üretilmesi (The production of mortar prism and cylindrical specimens with reinforcing bar ) Dayanımlarına bakılmak üzere 6 adet (3’ü 7 günlük, 3’ü 28 günlük ) CEM I, 6 adet de (3’ü 7 günlük, 3’ü 28 günlük ) BAB içerecek şekilde 40x40x160mm’lik prizma kalıplarda harç çubuğu numuneleri TS EN 1961’e [10] uygun olarak toplam 12 adet üretildi(Şekil 4).

Şekil 1. Referans elektrot (Reference electrode)

2.1.7. Karşıt elektrot (Counter electrode) Şekil 4. Harç numuneleri (Mortar specimens)

Çalışmada korozyon ölçümlerinde karşıt elektrot olarak 2.0 cm2 yüzey alanına sahip Şekil 2.’de verilen karşıt elektrot kullanılmıştır.

Üretilen numuneler 7-28 gün boyunca kür ortamında bekletilmişlerdir. Korozyon ortamına maruz bırakılmak üzere 5 adet CEM I bağlayıcılı, 5 adet de BAB bağlayıcılı olmak üzere toplamda ϕ10/5’lik silindirik kalıplara 10 adet numune üretimi gerçekleştirilmiştir(Şekil 5). Üretilen numuneler prizlerini aldıktan sonra kalıplarından sökülerek 14 gün boyunca kürde bekletilmişler ve 14 günün ardından %5’lik NaCl ortamına maruz bırakılmışlardır.

Şekil 2. Karşıt elektrot (Counter electrode)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

Borlu Aktif Belit (BAB) Çimentosu İle Üretilen Harçlarda Kısa Süreli Donatı Korozyonu Davranışının Araştırılması

E.Sancak

2.2.3. Tafel ekstrapolasyon yöntemiyle korozyon ölçümü (The corrosion measurement by means of Tafel extrapolation method) Korozyon ortamına maruz bırakılan CEM I ve BAB çimentolu harç çubuğu örnekleri üzerinde 60 gün boyunca Tafel ekstrapolasyon ölçümleri yapılmıştır. Tafel ölçümlerinde numunelerin korozyon hızı, Ecor, korozyon potansiyeli, Icor, korozyon akımı ve açık devre potansiyel parametreleri belirlenmiştir. Icorr korozyon akımı Denklem 3 yardımıyla hesaplanmıştır [12].

Şekil 5. Silindirik örnekler (Cylindrical specimen)

2.2.2. Eğilmede çekme ve basınç mukavemetlerinin belirlenmesi (The determination of flexural and compressive strength) 7 ve 28 gün kür ortamında bekletilen CEM I ve BAB çimentolu harç çubuğu örnekleri TS EN 196-1’ [10] uygun olarak eğilme de çekme ve basınç mukavemeti deneylerine tabi tutulmuş ve Denklem 1 ve 2 yardımıyla hesaplanmıştır (Şekil 6 ve Şekil 7). = 1,5(

)

İ=ikor{exp[2.303(E-Ekor)] - exp[2.303(E-Ekor)]}

(3)

Burada, İ: Ölçülen hücre akımı, (amper), İcor: Korozyon akımı, korozyon hızının bir ölçüsü, (amper), Ecor: Korozyon potansiyeli, (volt), E: Elektroda uygulanan gerilim, (volt), βa , βc : Anodik ve katodik tafel katsayılarıdır. 2.2.4. Lineer polarizasyon yöntemiyle korozyon ölçümü (The corrosion measurements by means of Linear polarization)

(1)

Korozyon ortamına maruz bırakılan CEM I ve BAB çimentolu harç çubuğu örnekleri üzerinde 60 gün boyunca Lineer polarizasyon ölçümleri yapılmıştır. Lineer ölçümlerinde numunelerin korozyon hızı, Rp (polarizasyon direnci), Ecor (korozyon potansiyeli), Icor (korozyon akımı) ve açık devre potansiyel parametreleri belirlenmiştir. Icor korozyon akımı Stern ve Gary tarafından geliştirilen Denklem 4 yardımıyla hesaplanmıştır. Şekil 6. Eğilmede çekme dayanımı deneyi (Flexural strength test)

(4) 2,3 ( ) Burada βa ve βc anodik ve katodik Tafel sabitleridir ve deneysel olarak tayin edilebilir. Bu bağıntıda Rp dışında bulunan terimler sabittir ve bunlar toplu olarak (B) ile gösterilebilir. Bu durumda korozyon hızı, =

(µA/cm2)

(5)

Burada birimsel olarak βa = βc = V, Rp= Kohm’dur [12]. 3. DENEYSEL BULGULAR (EXPERIMENTAL FINDINGS) Şekil 7. Basınç dayanımı deneyi (Compressive strength test)

Burada, Rc: Basınç dayanım mukavemeti, (N/mm2) Fc: Kırılmadaki en büyük mukavemet, (N) b: basınç plakasının kenar uzunluğu, (40 mm) SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

(2)

Bu çalışmada CEM I ve BAB çimentoları kullanılarak TS EN 196-1’ya [10]göre harç çubuğu örnekleri ve korozyon örnekleri üretilmiştir. Harç çubuğu örnekleri yine TS EN 196’ya göre eğilmede çekme ve basınç mukavemeti deneylerine tabi tutulmuştur. Korozyon örnekleri ise 60 gün boyunca %5’lik NaCl’den oluşan korozyon ortamında bekletilerek Tafel Ekstrapolasyon 93

ve Lineer Polarizasyon ölçümlerine tabi tutulmuştur. Çalışmada CEM I çimentolu numuneler hem mekanik hem de korozyon değerlerinde referans kabul edilmiştir. Mekanik ve korozyon deneylerinden elde edilen deneysel bulgular sırasıyla aşağıda verilmiştir. 3.1. Eğilmede çekme mukavemeti bulguları (Flexural strength findings)

Basınç Dayanım Mukavemeti (N/mm2)

Borlu aktif belit (bab) çimentosu ile üretilen harçlarda kısa süreli donatı korozyonu davranışının araştırılması

E. Sancak

57,75

52,63

60,00 40,00

42,01 Borlu Aktif Belit (BAB)

27,04

CEM – I (P.Ç)

20,00 0,00 7. Günlük

28. Günlük

Şekil 9. Harç çubuğu numunelerinde basınç dayanımı-kür süresi ilişkisi (The compressive strength and curing time relation of mortar bar specimens)

Şekil 8’e göre BAB çimentosuyla dökülen harç çubuğu örneklerinin 7 ve 28 günlük eğilme dayanımı değerleri CEM I çimentolu numunelere göre yüksektir. BAB çimentolu harç çubuklarının eğilmede çekme mukavemetleri CEM I çimentolu harç çubuklarına göre % 6.81, 28 günlüklerde ise %10.26 daha fazladır.

Bunun nedeni Tablo 1’den görüleceği gibi BAB çimentosunda C2S miktarı yaklaşık %26.8 iken, CEM I 42.5 çimentosunda %15.14 olması olabilir. Bilindiği gibi C2S miktarı ilk günlerdeki dayanım artışını azaltırken, örnek yaşının ilerlemesi ile dayanımı arttırmaktadır [1], [13].

8,00 6,00

5,96 5,59

3.3. Tafel Ekstrapolasyon ölçümü bulguları (The measurement of Tafel extrapolation findings)

7,20 6,53 Borlu Aktif Belit (BAB)

4,00

CEM – I (P.Ç)

2,00

Korozyon ortamına maruz bırakılan CEM I ve BAB çimentolu harç çubuğu örnekleri üzerinde 60 gün boyunca Tafel ekstrapolasyon ölçümleri yapılmış ve elde edilen deneysel bulgular Şekil 10, Şekil 11, Şekil 12, Şekil 13’de grafik halinde verilmiştir.

0,00 7. Günlük

28. Günlük

Deney Numuneleri Şekil 8. Harç çubuğu numunelerinin eğilmede çekme dayanımı-kür süresi ilişkisi (The flexural strength and curing time relation of mortar bar specimens)

3.2. Basınç mukavemeti bulguları (Compressive strength findings) 7 ve 28 günlük CEM I ve BAB çimentolu harç numuneleri üzerinde basınç mukavemeti deneyleri yapılmış ve elde edilen veriler Şekil 9’da grafik olarak verilmiştir. Şekil 9’a göre, BAB çimentosuyla dökülen harç çubuğu örneklerinin 7 günlük değerleri CEM I çimentolu numunelere göre daha düşük olmasına rağmen 28 günlük basınç dayanımı daha yüksektir. BAB çimentolu harç çubuklarının 7 günlük basınç dayanımı mukavemetleri CEM I çimentolu harç çubuklarına göre % 35.63 düşüktür. 28 günlüklerde ise %9.72 daha yüksek değerlere sahiptir. Buradan BAB çimentosunun basınç dayanımı mukavemeti açısından CEM I çimentosuna göre 28 günlük kür koşullarını tamamladıktan sonra daha yüksek dayanım sağlamıştır.

Deney Numuneleri

CEM I 10

Korozyon Hızı(mpy)

Eğilmede çekme mukavemeti (N/mm2)

7 ve 28 günlük CEM I ve BAB çimentolu harç numuneleri üzerinde eğilmede çekme mukavemeti deneyleri yapılmış ve elde edilen deneysel veriler Şekil 8’de grafik olarak verilmiştir.

5,1

BAB 4,21

5 0 CEM I BAB Deney Numuneleri

Şekil 10. Korozyon oranı değerleri (mpy) (Corrosion rate values)

Şekil 10’da CEM I ve BAB çimentosuyla üretilip 60 gün boyunca korozyon ortamına maruz bırakılan korozyon numunelerinin korozyon hızları görülmektedir. CEM I ve BAB çimentolu numuneleri korozyon hızı açısından ele almak gerekirse, BAB çimentolu numunelerin CEM I çimentolu numunelere göre korozyon hızını % 17.45 oranında azaltarak korozyona daha dayanıklı olduğu görülmektedir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

-390,04

CE MI

BAB CEM I

-426,61

E.Sancak

BAB

CEM I

-440,00 -420,00 -400,00 -380,00 -360,00

ADP (mV)

E(I=0) (mV)

Borlu Aktif Belit (BAB) Çimentosu İle Üretilen Harçlarda Kısa Süreli Donatı Korozyonu Davranışının Araştırılması

-502,62

-550,00

Deney Numuneleri

-436,85 BAB

CEM I

-500,00 -450,00 Deney Numuneleri

-400,00

Şekil 11. Ecor, korozyon potansiyeli değerleri (mV) (corrosion potential values)

Şekil 13. Açık devre potansiyeli değerleri (mV) (Open circuit potential values)

Şekil 11’de 60 gün boyunca korozyona maruz bırakılan CEM I ve BAB çimentolu numunelerin Ecor (korozyon potansiyelleri) verilmiştir. Grafikteki değerler ele alındığında BAB çimentolu numunelerin korozyon potansiyeli (Ecor) CEM I çimentolu numunelere göre %8.57 oranında düşük ölçülmüştür. Buna göre BAB çimentosunun korozyon potansiyelini çok belirgin olmasa da yavaşlattığı söylenebilir.

Şekil 13 incelendiğinde, BAB çimentolu numunelerin ADP değerlerini CEM I çimentolu numunelere göre %13.05 oranında düşürdüğü görülmektedir. Buna göre BAB çimentolu numunelerin ADP değerleri CEM I çimentolu betonarme harç örneklerine nazaran daha az negatif olmasını sağlayarak, korozyonun oluşmasında çok az da olsa CEM I çimentolu numunelere göre olumlu katkı sağladığını söylemek mümkündür. Bu yöntemin tahribatsız test tekniklerinden biri olması nedeni ile sonuçları ile ilgili kesin değerlendirmede bulunmadan önce destekleyici diğer yöntemlerden birinden mesela ağırlık kaybı belirlenmesi yönteminden yararlanmakta yarar vardır.

Şekil 12’de 60 günlük korozyona maruz bırakılan numunelerin Icor (korozyon akımı) değerleri verilmiştir. Şekil 12 değerlendirildiğinde, BAB çimentolu numunelerin CEM I çimentolu numunelere göre korozyon akımını (Icor) %17.56 oranında azalttığı görülmektedir. BAB çimentosunun CEM I çimentosuna göre korozyon akımını düşürerek belirgin olmamakla birlikte olumlu etki göstermektedir. BAB

-9,11

BAB

Korozyon ortamına maruz bırakılan CEM I ve BAB çimentolu harç çubuğu örnekleri üzerinde 60 gün boyunca Lineer Polarizasyon ölçümleri yapılmış, ortalamaları alınarak elde edilen sayısal veriler Şekil 14, Şekil 15, Şekil 16, Şekil 17, Şekil 18’de grafik halinde verilmiştir. 1,79

-11,05

CEM I

Korozyon Hızı (mpy)

İcor (mA/cm2)

CEM I

3.4. Lineer polarizasyon ölçümü bulguları (Linear polarisation measurement findings)

2,00

1,41

1,50

-15,00

-10,00 -5,00 Deney Numuneleri

0,00

Şekil 12. Icor, korozyon akım değerleri (μA/cm2) (Icor, corrosion rate values)

Şekil 13’de 60 günlük korozyona maruz bırakılan numunelerin Açık Devre Potansiyeli (ADP) değerleri verilmiştir.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

1,00

CEM I

0,50

BAB

0,00

CEM I

BAB

Deney Numuneleri

Şekil 14. Korozyon hızı değerleri (mpy) (corrosion rate values)

Şekil 14’e göre korozyon hızı değerleri; BAB çimentolu numunelerde CEM I çimentolu numunelere göre % 21.23 oranında daha düşüktür. Korozyona karşı donatı koruma etkinliği bakımından olumlu bir davranış sergilediği 95

Borlu aktif belit (bab) çimentosu ile üretilen harçlarda kısa süreli donatı korozyonu davranışının araştırılması

E. Sancak

söylenebilir. Bunun nedeni ana çimento bileşenlerinden biri olan C3A miktarının BAB çimentosunda CEM I çimentosuna göre daha az olması ve ileri yaşlarda daha yüksek basınç dayanım kazanımına yardımcı olmasından kaynaklanabilir. Bu durum, BAB içeren harçların mikroyapısının da daha yüksek kompasiteye sahip olmasına işaret etmektedir [13]. Şekil 15’de CEM I ve BAB çimentosuyla üretilip 60 gün boyunca NaCl çözeltisine maruz bırakılan örneklerin polarizasyon dirençleri görülmektedir.

3,87

1,45

1,50

4,00

1,45 1,35

1,40 1,35 1,30

CEM I BAB Deney Numuneleri Şekil 15. Rp polarizasyon direnci değerleri (Kohm) (Rp, polarisation resistance values)

Polarizasyon direncinin (Rp) korozyon hızı ile ters orantılıdır. Buna göre, CEM I ve BAB çimentolu betonarme örneklerin, polarizasyon dirençleri bakımından, BAB çimentolu örneklerin, CEM I çimentolu örneklere göre % 7.41 oranında fazla olduğu, dolayısı ile BAB çimentolu harcın içerisindeki çelik donatının korozyona karşı daha iyi korunduğu sonucuna varılabilir. Buna neden olarak bor oksit (B2O3) kullanarak üretilen çimentoda C3S yerine oluşan C2S fazının hızlı soğutulması ile daha kararlı ve aktif olan µ ve/veya µ’–C2S polimorfunun oluşması gösterilebilir [2]. Şekil 3.9’da 60 gün boyunca korozyona maruz bırakılan CEM I ve BAB çimentolu numunelerin Ecor (korozyon potansiyelleri) verilmiştir.

E (ı=0) (mV)

CEM I

BAB -304,23

-311,52

-315,00

BAB

Icor (μA/cm2)

Rp (Kohm)

Şekil 16’ya göre BAB çimentolu numunelerin korozyon potansiyeli (Ecor) CEM I çimentolu numunelere göre %2.34 oranında düşük çıkmıştır. İki farklı çimento türü ile üretilen harç numunelerin Ecor değerleri birbirlerine çok yakındır. Bu deney metodu tahribatsız korozyon belirleme metotlarından biri olması nedeni ile nihai kararı alırken tek başına kullanmak doğru olmamaktadır [12]. Benzer sonuçlara Ergi vd. [5] tarafından yapılan çalışmada da değinilmiştir. Şekil 17’ de 60 gün boyunca NaCl çözelti ortamında korozyona maruz bırakılan numunelerin Icor (korozyon akımı) değerleri verilmiştir.

3,06

3,00 2,00 1,00 0,00 CEM I BAB Deney Numuneleri

Şekil 17. Icor korozyon akımı değerleri (μA/cm2) (Icor corrosion rate values)

Korozyon akımı değerleri, donatı korozyonu değerlendirmesi yapılabilmesi için oldukça yeterli veriler sağlamaktadır [12]. Şekil 17’ye göre, BAB çimentolu donatılı harç örneklerinin, CEM I çimentolu örneklere göre korozyon akımı değerlerini %20.93 oranında azalttığı görülmektedir. Bu durumda BAB çimentosu kullanılarak üretilen betonarme çeliği donatılı harçlar, CEM I çimentosu ile üretilen donatılı harçlara göre korozyon akımını düşürerek korozyonu önleme açısından olumlu etki göstermiştir. Şekil 18’de 60 günlük korozyona maruz bırakılan numunelerin ADP değerleri verilmiştir. Şekil 18 incelendiğinde, BAB çimentolu donatılı örneklerin ADP değerleri, CEM I çimentolu örneklere göre %14.68 oranında daha düşüktür. Buna göre donatı korozyonun engellenmesi bakımından, BAB çimentolu örneklerin CEM I çimentolu örneklere nazaran az da olsa olumlu davranış sergilediği söylenebilir.

CEM I -310,00 -305,00 Deney Numunuleri

-300,00

Şekil 16. Ecor korozyon potansiyeli değerleri (mV) (Ecor corrosion values)

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

Borlu Aktif Belit (BAB) Çimentosu İle Üretilen Harçlarda Kısa Süreli Donatı Korozyonu Davranışının Araştırılması

CEM I

BAB

ADP (mV)

-436,41

BAB

-511,52

-550

CEM I

-500

-450

-400

-350

Deney Numuneleri Şekil 18. Açık devre potansiyeli değerleri (mV) (Open circuit potentials)

4. SONUÇLAR (CONCLUSION) Bu çalışmada CEM I 42.5 ve BAB çimentoları kullanılarak TS EN 196’ya göre harç çubuğu örnekleri ve korozyon örnekleri üretilmiştir. Harç çubuğu örnekleri yine TS EN 196’ya göre eğilmede çekme ve basınç mukavemeti deneylerine tabi tutulmuştur. Betonarme çeliği donatılı örnekler ise 60 gün boyunca %5 NaCl içeren çözeltisinde korozyona maruz bırakıldıktan sonra Tafel Ekstrapolasyon ve Lineer Polarizasyon yöntemleri kullanılarak korozyon ölçümlerine tabi tutulmuştur. Mekanik ve korozyon deneylerinden elde edilen sonuçlar aşağıda verilmektedir. 4.1. Mekanik deney sonuçları (Mechanical test results) BAB çimentolu harç çubuğu örnekleri CEM I 42.5 çimentolu harç çubuklarına göre 7 günlüklerde %6.81, 28 günlüklerde ise %10.26 daha yüksek değerlere ulaşarak harç çubuklarında BAB çimentosunun eğilmede çekme mukavemetini CEM I 42.5 çimentosuna göre arttırdığını söylemek mümkündür. BAB çimentosuyla dökülen harç çubuğu örneklerinin 7 günlük basınç dayanım mukavemeti CEM I 42.5 çimentolu harç çubuklarına göre %35.63 düşük iken, 28 günlük basınç mukavemeti değerleri ise %9.72 daha yüksektir. BAB çimentosu, CEM I 42.5 çimentosuna göre basınç mukavemeti açısından daha iyi bir performansa sahiptir. 4.1. Tafel Estrapolasyon korozyon ölçümü sonuçları (Tafel extrapolation corrosion measurement results) 60 gün boyunca korozyona maruz bırakılan demir donatılı korozyon örnekleri Tafel Ekstrapolasyon ölçümlerine maruz bırakılmıştır. BAB çimentolu SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

E.Sancak

örneklerin CEM I 42.5 çimentolu örneklere göre, korozyon hızını; %17.45 oranında düşürdüğünden, çelik donatıyı korozyona karşı daha yüksek koruma etkinliğine sahiptir. Ayrıca BAB çimentolu örneklerin Ecor değerleri, CEM I 42.5 çimentolu örneklerin değerlerine göre %8.57 oranında daha düşüktür. BAB çimentolu örnekler, CEM I 42.5 çimentolu örneklere göre Icor ve ADP değerlerini sırasıyla %17.56 ile %13.05 oranında azaltarak, donatı korozyonunu yavaşlatmıştır. 4.2. Lineer Polarizasyon korozyon ölçümü sonuçları (Linear polarisation corrosion measurement results) BAB çimentolu örneklerin, CEM I 42.5 çimentolu örneklere göre korozyon hızları bakımından %21.23 oranında daha düşük olması, BAB çimentosunun donatı korozyonunu yavaşlattığını göstermiştir. Ayrıca BAB çimentolu örneklerin Rp (polarizasyon direnci) ile Ecor değerleri CEM I 42.5 çimentolu örneklere göre sırasıyla % 7.41 ve %2.34 oranlarında daha düşüktür. Bunlara ek olarak; BAB çimentolu örneklerin Icor ve ADP değerleri, CEM I 42.5 çimentolu örneklere göre sırasıyla %20.93 ile %14.68 oranında daha düşük olarak belirlenmiştir. Genel bir değerlendirmede; harç üretiminde BAB çimentosu kullanımı, CEM I 42.5 çimentosuna göre, harçların içerisindeki çelik donatının korozyona karşı dayanımını arttırarak olumlu etki göstermektedir. BAB çimentosu, gerek mekanik deney sonuçları bakımından, gerekse korozyon ölçüm yöntemlerinden elde edilen sonuçlar ışığında, deniz yapıları vb. gibi korozif ortamlarda hizmet edecek yapılarda, yapı elemanlarının kalıcılığı açısından en az CEM I 42.5 çimentosu kadar yeterli olacağı söylenebilir. BAB çimentosundan, bu özelliği nedeni ile beton üretiminde yaygın bir şekilde faydanılması sonucu enerji tasarrufu (yaklaşık %10) ve CO2 emisyonunda % 25’lere varan azalma sağlanabilecektir. BAB çimentosunun durabilite özelliklerini belirlemek üzere daha kesin sonuçlara ulaşmak için tahribatsız korozyon belirleme yöntemlerine ek olarak Cl- profili, ağırlık kaybı belirleme, hızlandırılmış klorür geçirgenliği gibi testlerle desteklenen daha ileri düzey araştırmaların yapılmasında yarar vardır. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGEMENT) Yazar, araştırmanın yapılmasında 1646M08 kod nolu proje ile desteklerinden dolayı S.D.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri birimine teşekkür eder. Çalışmanın laboratuvar aşamasındaki gayretlerinden dolayı Ömer ÇOBAN ve Halil KILAVUZ’a, BAB çimentosunu temin eden ve her türlü desteği esirgemeyen GÖLTAŞ Çimento’ya teşekkürlerini sunar.

Borlu aktif belit (bab) çimentosu ile üretilen harçlarda kısa süreli donatı korozyonu davranışının araştırılması

E. Sancak

KAYNAKLAR (REFERENCES)

[13] T.Y. Erdoğan, Beton, 760s., ISBN: 975706467X, I. Baskı,, Ankara: METU Press,, 2003.

[1]

B. Baradan, H. Yazıcı ve H. Ün, Betonarme Yapılarda Kalıcılık (Durabilite), Yayın No: 298,., İzmir: D.E.Ü. Müh. Fak. Yayınları, (2003), p. 282s. [2] A. Sağlık, O. Sümer, E. Tunç ve F. Kocabeyler, «Borlu aktif belit çimentosu ve DSİ projelerinde uygulanabilirliği,» DSİ Teknik Bülteni, no. No.105, pp. 1-26, 2009. [3] İ. Ustabaş, «Kolemanit ve Üleksitin Çimentoda Kullanılabilirliğinin Araştırılması,» %1 içinde Hazır Beton Kongresi, BETON2011, İstanbul, 2011. [4] S. Yalçın, Kolemanitli Çimentoların Betonarme Demirlerinin korozyonu Üzerine İnhibitif Etkisi, Ankara: Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği A.B.D., 1996, p. 65. [5] S. Zeybek, A. Asan, E. Ergi ve G. Bilgin, «Endüstriyel Atık Katkılı Çimentoların Beton Dayanımı ve Donatı Korozyonuna Etkileri,» %1 içinde TMMOB Kimya Mühendisleri Odası ve TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, 2.Yapılarda Kimyasal Katkılar Sempozyum ve Sergisi, Ankara, 2007. [6] M. Zeybek, Borlu Çimentolar, Y.Lisans tezi, Manisa: Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 1996, p. 59 s.. [7] E. Erdoğmuş, Çimentoya bor katkısı, uçucu kül, yüksek fırın cürufu ilavesiyle özelliklerinin incelenmesi, İstanbul: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,, 2006. [8] M. Davraz, «The effect of boron compound on the properties of cementitious composites,» Science and Engineering of Composite Materials, cilt 17, no. 1, pp. 1-17, 2010. [9] TSE, «13353 Borlu Aktif Belit (Bab) Çimentosu - Tarifler, Bileşim, Özellikler ve Uygunluk Kriterleri, 06 Mart.,» Türk Standartları Enstitüsü,, Ankara, 2008. [10] TSE, «196-1 Çimento deney metotları - Bölüm 1: Dayanım tayini,,» Türk Standartları Enstitüsü,, Ankara, 26 Mart 2009. [11] TSE, «708 Çelik-Betonarme için- Donatı çeliği,,» Türk Standartları Enstitüsü,, Ankara, 13 Nisan 2010. [12] Yalçın H. ve Koç T., Betonarme Demirlerin Korozyonu ve Önlenmesi, Ankara: CMS Yayıncılık Bilişim Hiz., I.Baskı, ISBN:97592264-1-3, 2004.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 89-98, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 99-106, 2015

The assessment of preventive maintenance activities in relationship with the electrical equipments of Northwestern Anatolian electricity power network Nihat Pamuk* 30.06.2014 Geliş/Received, 10.08.2014 Kabul/Accepted

ABSTRACT Northwestern Anatolian Electricity Power Network (NAEPN) preventive maintenance activities are achieved annually in time. These activities are intended to increase the reliability of the equipments and power network. These activities which related to the circuit breakers, protection relays and measurement transformers are done in all substations and transmission lines in NAEPN. In this study, initially the reported data of fault occurrences in the electrical equipments of the NAEPN are analyzed and then by drawing the diagrams of association between the equipments failure and the time interval from the previous preventive maintenance, the performance of the preventive maintenance group is analyzed. The results of assessments include crucial information that indicates the significance of this research. Keywords: preventive maintenance, protection relay, measurement transformer, circuit breaker, NAEPN

Kuzeybatı Anadolu elektrik güç şebekesinin elektrik teçhizatları ile ilişkisindeki önleyici bakım faaliyetlerinin değerlendirilmesi ÖZ Kuzeybatı Anadolu Elektrik Güç Şebekesi (KAEGŞ) önleyici bakım faaliyetleri yıllık bir şekilde zamanında gerçekleştirilir. Bu faaliyetler teçhizatlar ve güç şebekesinin güvenilirliğini arttırmaya eğilimlidirler. Kesiciler, koruma röleleri ve ölçü transformatörleri ile ilgili bu faaliyetler KAEGŞ’deki tüm trafo merkezleri ve iletim hatlarında yapılır. Bu çalışmada, ilk olarak KAEGŞ’nin elektrik teçhizatlarında arıza olaylarının raporlanmış verileri analiz edildi ve sonrasında teçhizatların yetersizliği ve ilk önleyici bakım zamanı arasındaki ilişkinin diyagramları çizilerek önleyici bakım grubunun performansı analiz edildi. Değerlendirmelerin sonuçları bu araştırmanın önemini gösteren hayati bilgiler içerir. Anahtar Kelimeler: önleyici bakım, koruma rölesi, ölçü transformatörü, kesici, KAEGŞ

* Corresponding Author: TEİAŞ 5. İletim Tesis ve İşletme Grup Müdürlüğü, Test Grup Başmühendisliği, Sakarya - nihatpamuk@gmail.com

The assessment of preventive maintenance activities in relationship with the electrical equipments of Northwestern Anatolian electricity power network

N. Pamuk

1. INTRODUCTION From 1930 until now, the changes in the maintenance activities of the system can be expressed as follows. In the years before World War II, the industries were not in today’s modern mechanical form, and consequently the sudden machine failures and stoppages do not cause serious problems. That is to say, the failure prevention was not significant for most managers and engineers. In the meanwhile, the system maintenance was achieved after machine failure, to return it to its functional state. This kind of maintenance was called the “Breakdown Maintenance” [1]. The years after 1950 were the period of manufacturing of mechanical machines. These years can be counted as the dependency of mechanical equipments and industries to the automation. With the growth of automation, the issue of equipment disabilities and failures became another challenge and affected the quantity and quality of products. With the continuation of this problem, the managers and experts think about different alternatives and appropriate solutions to prevent from the unavoidable system failures. To overcome this trouble, preventive maintenance of systems as a suitable solution developed and implemented in the United States of America [2-3]. Preventive maintenance methods are activities which balance maintenance assessments against the impact of electrical equipments failure. With regard to [4-5], it notes that many preventive maintenance methods or activities have been improved chiefly based upon time for doing preventive maintenance, quality of maintenance, complexity and sophistication of electrical equipment and value of total assets. According to [6], the targets of preventive maintenance management activities is to increase the electrical equipment reliability, diminish production downtime, increase life expectancy of assets, develop safety and quality conditions and optimize the use of available funds, staff and facilities. According to [7-8], it describes six types of maintenance strategies, namely: no maintenance, active maintenance, preventive maintenance, predictive maintenance, proactive maintenance and self- maintenance. With the growth of investment on machinery and industrial automation, the managers and industrial owners think about providing effective solutions to increase the equipment lifetime and system reliability [9].

maintenance. NAEPN is one of the electricity regions of Turkey. NAEPN is connected to Bulgaria power network via Maritsa and Plovdiv post by 400 kV transmission lines, to Greece power network via Nea Santa post by 400 kV transmission lines [10]. Also, this power network connects to Babaeski through Unimar, and through Hamitabat to Alibeyköy by the 400 kV transmission line to global power networks of Turkey. NAEPN single line electricity diagram is given in figure 1. In NAEPN, there are four different transmission line voltage levels; the 400 kV, 170 kV, 63 kV and 36 kV. With the comparison between them, the lengthiest transmission line is for 170 kV with a length of over 13000 km, then the transmission line of 400 kV with the length of 4000 km, and then 36 kV and 63 kV [11]. There are twelve power plants in this region that can produce 4000 MW of power in table 1. Table 1. The type and amount of produced power by NAEPN

Power plant name Ada DGKÇS I Ada DGKÇS II Çolakoğlu Enerjisa Nuh enerji Entek II Sarıyar Yeni Çates Bozöyük Akenerji Seyitömer Tutes A Tutes B

Production amount

Voltage

1432 MW

380 kV

722 MW

380 kV

474 MW 52 MW 68 MW 107 MW 160 MW 228 MW

154 kV 154 kV 154 kV 154 kV 154 kV 154 kV

132 MW

154 kV

370 MW 125 MW 130 MW

154 kV 154 kV 154 kV

Type of units Gas-combine cycle Gas-combine cycle Steam-gas Steam-gas Steam Steam-gas Hydroelectric Thermic Gas-combine cycle Thermic Thermic Thermic

The energy consumption in the typical days of the year is about 1800 MW and 2500 MW in the days that it reaches to the peak [12]. According to the above information, the production capacity of the power plants is more than the power consumption of the region and this extra amount of production is added to the global power network. Therefore, any failure in the NAEPN has a significant influence on the reliability of the global power network and this fact indicates the importance of the preventive maintenance in NAEPN. It should be noted that preventive maintenance in NAEPN is based on the annual schedule. That is to say, the power network equipments are checked by the preventive maintenance group at a fixed time in each year.

These efforts lead to some new achievements such as condition based maintenance and reliability centered

100

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 99-106, 2015

The assessment of preventive maintenance activities in relationship with the electrical equipments of Northwestern Anatolian electricity power network

N. Pamuk

Figure 1. NAEPN single line electricity diagram

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 99-106, 2015

101

The assessment of preventive maintenance activities in relationship with the electrical equipments of Northwestern Anatolian electricity power network

N. Pamuk

2. DATA ANALYSIS OF THE REPORTED FAILURES IN CIRCUIT BREAKERS AND RELAYS OF THE NORTHWESTERN ANATOLIAN ELECTRICITY POWER NETWORK The reported failures are received from the database of the NAEPN [13]. This report relates to the years 2009 2012. 2.1. The Data Analysis of Circuit Breakers In the first step, the power network circuit breakers are analyzed according to their producer companies. Table 2 shows the comparison between these companies according to the 2012 information. Figure 2 shows the information of table 2.

Gamek Pelka Schnider Nissin Balteau

7 14 17 3 4

0.0830 0.0700 0.0133 0.0030 0.0042

In this comparison, the statistics of the companies that the numbers of their circuit breakers are less than 100 should be neglected, because the population of their circuit breakers in the power network is few. After comparing different companies, they will be ranked as follows; Energoinvest, Aeg Eti, Magrini Galileo, Disaş, Brown Boweri, Asea, Hitachi and Rade Koncar. It should be noted, in this ranking the age of the equipments of the companies is neglected owing to the lack of existence of a scientific expression for the age effect. If this parameter is found, the Aeg Eti and Asea companies obtain better ranking than before. In conclusion, the circuit breakers of the Hitachi Company are more reliable than other circuit breakers, regarding the equipment age and the frequency of the fault occurrence. 2.2. The Relays Data Analysis

Figure 2. Performance of the circuit breakers in the NAEPN according to their producer company Table 2. The performance of the circuit breakers in the NAEPN

102

The circuit breakers type

The number in the posts

Asea Aeg – Eti Siemens Alsthom Energoinvest Brown – Boweri Disaş Abb Rade – Koncar Magrini Galileo Merlin Gerin Areva Vatech Temsan Hitachi Semek Holec Elimsan

264 283 231 62 29 16 137 79 238 13 22 26 21 11 36 34 5 53

The number of failures per circuit breaker 0.0743 0.0432 0.0830 0.0722 0.1030 0.1050 0.0382 0.0520 0.0529 0.0430 0.0580 0.2760 0.2270 0.0160 0.0010 0.0710 0.0023 0.1760

By analysis and classification of the NAEPN reports, the proper performance of the relays according to their voltage levels, in which they have been installed, are depicted in figure 3. As it can be seen in the figure 3, the performance of the relays of the transmission lines 400 kV and 170 kV is already suitable, but the relay performance in other levels of voltage is not good enough. In this diagram, the equipment age and the producer company of the equipment are not considered, but it is obvious that the preventative maintenance group should pay more attention to the relays of the transmission lines 36 kV and 63 kV.

Figure 3. The correct percentage of the relay performance with respect to the voltage levels

In figure 4, it has been shown that the frequency relays have better efficiency with respect to the other kind of relays. They are used for warning if the frequency varies from 50 Hz. The over voltage, buchholz and distance

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 99-106, 2015

The assessment of preventive maintenance activities in relationship with the electrical equipments of Northwestern Anatolian electricity power network

relays have a satisfactory performance, but others relays do not have desirable accuracy. Differential, earth fault, and reclose relays had the worst performance in the power network. One reason for their bad performance is because of their internal defects that show the lack of attention to the preventive maintenance, although all the relays are subject to the annual maintenance program. Another reason is because of their inaccurate settings [14].

N. Pamuk

In figure 5, it has been shown that the over current, differential, earth fault, and distances relay have the worst performance among other relays. Their deficiencies have caused a great damage to the equipments of power network. This huge amount of money should not be paid in normal situation but due to the weakness of the system and the lack of attention to the power network expansion is wasted. It should be noted that the earth resistance should be computed precisely in the setting of earth fault relays. Unfortunately, the earth resistance of all parts of the NAEPN in the land of Marmara is considered similar and this wrong assumption has lead to the wrong performance of the relays. Figure 5 shows by the accurate adjustment of the earth resistance the huge amount of money is saved without spending any cost. 2.3. Data Analysis of Reported Faults Measurement Transformers in NAEPN

Figure 4. The correct percentage of the relay performance with respect to the relay type

The power network expansions as well as the lack of attention to the relays settings have affected the performance of the relays. This subject will be discussed more precisely later on. Figure 5 shows the main reasons for the incorrect performance of the power network relays.

First, the power network transformers are analyzed according to their producer companies and a comparison between different producer companies is made according to the 2012 information. The results of this comparison have been shown in table 3. Figure 6 shows the information of table 3 for more comprehensible comparison. In this comparison, the statistics of the companies that the numbers of their measurement transformers are less than 25 should be neglected, because the population of their circuit breakers in the power network is relatively few. Table 3. The performance of the measurement transformers in the NAEPN

The measurement transformers type Alce Abb Emek Alsthom Siemens Elimsan Trench

The number in the posts 96 28 241 24 19 6 13

The number of failures per measurement transformers 0.1740 0.0430 0.2310 0.0580 0.0160 0.1050 0.0390

Figure 5. The incorrect percentage values all of the relays

Figure 5 includes two distinct parts; the upper part shows the incorrect performance of the relays because of their inappropriate settings, and the lower one shows the incorrect performance of the relays due to their internal defects. As it can be seen in figure 5, except buchholz relays and recloses that the performance of reliant group in order to relay settings is acceptable for them, other relays have unsuitable settings.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 99-106, 2015

103

N. Pamuk

The assessment of preventive maintenance activities in relationship with the electrical equipments of Northwestern Anatolian electricity power network

Figure 6. The performance of transformers in the NAEPN according to their producer company

After comparing different companies, they will be ranked as follows; Alce, Emek, Abb, and Trench. It should be noted, in this ranking the age of the equipments of the companies is neglected due to the lack of existence of a scientific expression for the age effect. If this parameter is found, the Trench Company obtains better ranking than before, because its equipments are older than others. 3. THE EVALUATION OF THE RELATIONSHIP BETWEEN EQUIPMENT FAILURES AND THE TIME INTERVAL FROM THE PREVIOUS PREVENTIVE MAINTENANCE In this section, the relation between the relays failures and the time interval from the previous preventive maintenances is analyzed. Figure 7 shows relation between the relays failures and the time interval from the previous preventive maintenance. This figure is depicted on the basis of 2011 and 2012 information. Unfortunately, due to the lacks of information and knowledge about the number of power network relays, the normalization of this figure is not done. Therefore, it is not possible to compare this figure with the equipments like circuit breakers, and the importance of preventive maintenance in these equipments cannot be compared precisely.

Figure 7. Relation between the numbers of relays failures and the time interval from the previous preventive maintenance

As an overall comparison, due to the greater number of relays in the power network than circuit breakers and also because the number of peak errors in the relays are fewer than circuit breakers, it can be said that the importance of preventive maintenance in the circuit breakers are more than relays. It should be noted in this figure, the failures that have been occurred in the interval of 10 day have been computed in the beginning of the interval. Figure 7 shows that the number of the relay failures increased by increasing the days after the preventive maintenance. By accurate analysis of the graph, the importance of the preventive maintenance group will be achieved. The graph sharply increased in its early steps in 30 days after the preventive maintenance which shows the lack of attention of the preventive maintenance group in doing their duties, because only 30 days after their maintenances, the equipments are broke down or badly operated. Therefore, in order to reduce the initial peak of the graph, some solutions must be found for more accurate performance of the preventive maintenance group. Before the second peak (around 200 days after the preventive maintenance), if the slope of the graph is suitable, the preventive maintenance group in the electric company has reached to their goal. If the slope of the graph is not suitable, in order to reduce both second (240 days after the preventive maintenance) and last peaks (350 days after the preventive maintenance) another preventive maintenance should be done 200 days after the first preventive maintenance. If this procedure is done and the initial slope of the graph is reduced, the behavior of the graph remains stable. Regarding the negative slope of the graph after the peak (the number of faults is decreased), it should be mentioned that this behavior is because the preventive maintenance has been done out of the predefined schedule after the equipment failures.

104

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 99-106, 2015

The assessment of preventive maintenance activities in relationship with the electrical equipments of Northwestern Anatolian electricity power network

Figure 8 depicts the graphs of circuit breaker failures over days after the preventive maintenance.

N. Pamuk

previous preventive maintenance and the first failure in the equipment is analyzed. This section proposed some new suggestions for increasing the quality of the preventive maintenance. ACKNOWLEDGEMENTS The author is pleased to thank the Turkish Electricity Transmission Company for its cooperation in this research work. REFERENCES [1]

[2] Figure 8. The number of circuit breaker failures over time after previous preventive maintenance

As it can be seen, the behavior of these graph is similar to the relay behavior; it has one initial peak 30 days after the first preventive maintenance and another peak around 180 days after that. Similar to the relay graph the slope is increased over time. If the value of the second peak between these two graphs (figure 7 and figure 8) is more than the desirable amount, it shows that the useful life of the preventive maintenance in the NAEPN is around 200 days. This low useful life is originated in the low quality of both preventive maintenance and equipments.

[3]

[4]

[5]

4. CONCLUSIONS Preventive maintenance activities in the electrical transmission company greatly influence the way maintenance of electrical plant device and electrical transmission equipment is performed and its effects on factory performance. The study founded that robust electrical plant device and electrical transmission equipment maintenance strategies play a key role in the company performance. Preventive maintenance leadership was the most influential intervening variable to the way electrical plant device and electrical transmission equipment maintenance is managed. In this paper, based on the reports of failures and undesirable performances of the circuit breakers, relays, and measurement transformers of the NAEPN which obtained from Turkish Electricity Transmission Company, some new evaluations and suggestions have been made to improve the performance and reliability of the NAEPN. These suggestions include the precise tuning of the relays, buying high quality equipments, special attentions to the preventive maintenance in some voltage levels and in special conditions. In the final section of the paper, the time interval between the SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 99-106, 2015

[6]

[7]

[8]

[9]

A. Saffa, ‘Using Fundamentals to Break the Breakdown Maintenance Cycle’, COAL’98 Conference, Wollongong, pp. 91-102, 1998. R. Laskey Stephen, Implementing Electrical Preventative Maintenance – A Guide for Business and Industry, http://www.hsb.com / The Locomotive / Implementing Electrical Preventative Maintenance.aspx, 21 Dec 2012. P.E. Paul Westray, Electrical Preventative Maintenance (EPM), Duke Facilities Management Utilities & Engineering Services, Duke University, Durham, USA, 2013. National Fire Protection Association 70B. Recommended Practice for Electrical Equipment Maintenance, 2013. International Electrical Testing Association ANSI, ‘Standard for Maintenance Testing Specifications for Electrical Power Distribution Equipment and Systems’, American National Standard ANSI / IETA MTS, 2007. CNA Financial Corporation “Risk Control Bulletin – Electrical Preventative Maintenance & Inspection”, Available from http:/www.cna.com/ vcm_content/CNA/internet/Staticfor Download / Risk Control/Property Protection / RC_Property_ BUL electrical preventative main_CNA.pdf, [cited 2012 Dec 14], 2010. W.D. Hunt, G.P. Sullivan, “Assessing the Potential for a FEMP Operations and Maintenance (Q&M) Program to Improve Energy Efficiency”, Pacific Northwest National Laboratory, Operated by Battelle for the U.S. Department of Energy, USA, 2002. Hartford Steam Boiler, Inspection and Insurance Company, “Standard for an Electrical Preventative (EPM) Program” Available from: http://www.hsb.com/HSBGroup/uploadedFiles/ HSB_COM / Information Resources / HSB Recommended Practice for Electrical Preventive Maintenance.pdf, [cited 2012 Dec 16], 2010. R. Marwin, H. Arnljot, “System Reliability Theory Models Statistical Methods and 105

N. Pamuk

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

106

The assessment of preventive maintenance activities in relationship with the electrical equipments of Northwestern Anatolian electricity power network

Applications”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, Canada, 2004. Ü. Büyükdağlı, ‘Entso - E Integration of Turkish Power System’, ICCI 2013 International Energy and Environment Fair and Conference, İstanbul, 2013. N. Pamuk, “Power flow simulation for 380 and 154 kV northwest anatolia network in Turkey”, Master’s Dissertation, University of Sakarya, Sakarya, Turkey, 2009. N. Pamuk, Y. Uyaroglu, “Comparison the 154 and 380 KV Transmission System Network of Northwest Anatolia by Making Power Flow Emulation with Constraint Analysis in Turkey”, Scientific Research and Essays, Vol.6, No.2, pp. 469-478, 2011. Turkish Electricity Transmission Corporation, Annual Report 2012, [cited 2012] Available : http://www.teias.gov.tr/FaaliyetRaporlari/Faaliye t 2012.pdf, 2012. J.R. Linders, C.W. Barnett, J.W.Jr. Chadwick, P.R. Drum, K.J. Khunkhun, W.C. Kotheimer, P.A. Kotos, D.W. Smaha, J.W. Walton, P.B. Winston, S.E.Jr. Zocholl, “Relay Performance Considerations with Low - Ratio CTs and High Fault Currents”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.31, No.2, pp. 392 - 404, 1995.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 99-106, 2015

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması Kasım Baynal1*, İlknur Gencel2 09.14.2014 Geliş/Received, 19.01.2015 Kabul/Accepted ÖZ Tasarım için önerilen istatistiksel deneyler(İD), ürün parametrelerinin ve parametre değişkenlerinin artmasına paralel faktöriyel artmakta; bu da maliyet ve zaman açısından pratikte uygulanabilirliğini yitirmektedir. Ancak Taguchi Yöntemi(TY) daha az denemeli ve klasik yöntem kadar iyi sonuçlar veren ortogonal diziler(OD) geliştirmiştir. OD, faktör seviyelerini birer birer değiştirmek yerine eşzamanlı olarak değiştirmeye olanak verir. Taguchi, kaliteyi sağlamak için yapılan çalışmaları çevrim içi (on-line) ve çevrim dışı (off-line) olmak üzere ikiye ayırmaktadır. İD tasarımı Taguchi'nin kalite sisteminde çevrim dışı kalite kontrol içinde yer almaktadır. Çalışmada, kalite problemlerine neden olan değişkenlik kaynakları belirlenerek, kalite karakteristiklerinin eniyilemesine olanak veren TY, çok yanıtlı problemlerin eniyilemesinde kullanılarak, endüstriyel bir uygulamadaki iyileştirmeleri ve yöntemin etkinliğini ortaya koymak amaçlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: deney tasarımı, taguchi yöntemi, çok yanıtlı problemler, fermantasyon süreci

The application of Taguchi method in food industry for optimization of multiresponse problem ABSTRACT The statistical experiments that are suggested can often lose their effectiveness in terms of cost and time because of the factorial enlargement of the product parameters and its varieties. However, the results of the researches that are conducted by Taguchi developed experiment designs (OA:orthogonal arrays) with less trial and high success rate as classic method and also accepted by the manufacturing sector. OA allow users to change factor levels simultaneously instead of changing them one by one. Taguchi divides the studies, which are done to provide quality, into two parts as on-line and off-line. The statistical experiment design falls into the off-line quality control of the Taguchi's quality system. In the study, it is aimed to discover the improvements as an industrial application and the effectiveness of the Taguchi method, which is used effectively in solving industrial problems and allows improving quality features, by determining sources that cause the quality problems. In this study an industrial problem is discussed, and it has been tried to solve this problem by using multiple response optimization. Keywords: experimental design, taguchi method, multiple response problems, fermentation process

Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği Bölümü, Kocaeli - kbaynal@kocaeli.edu.tr 2 Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği Bölümü, Kocaeli - ilknur.gencel@gmail.com

K. Baynal, İ. Gencel

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Bir ürünün kalitesi; tasarım, uygunluk ve kullanım kalitesi olmak üzere üç yönde oluşmaktadır. Ürünün performansındaki varyasyon bu üç aşamadan kaynaklanmakta, varyasyonları enküçüklemek için, ürün geliştirilirken bu üç konunun dikkate alınması gerekmektedir. Ürün ve süreç tasarımı geliştirilerek, hem üretim kusurlarını azaltmak hem de süreç kontrollerini azaltmak olanaklıdır. Süreç ne kadar duyarlı ayarlanırsa ayarlansın, yanlış tasarım nedeniyle süreçte oluşabilecek temel bozukluklar giderilemez. Ancak üretim sürecinde tam kontrol söz konusuysa ürün tasarımlandığı gibi üretilebilir. Ürün ve süreç tasarımı aşamalarında uygulanacak bir kalite kontrolü ile ürünün üretilebilirliğini ve güvenilirliğini geliştirmek, kullanım maliyetlerini azaltmak olanaklı olabilmektedir. Ürün ve süreç tasarımını geliştirmeye yönelik yöntemler maliyet arttırmadan üretim kusurlarını azaltmaktadır [1]. Genichi Taguchi ise ürün kalitesi için alışılmamış bir tanım yapmaktadır [2]. "Ürünün gerçek fonksiyonları ile neden olduğu kayıplardan başka, ürün sevk edildikten sonra toplumda neden olduğu en az kayıptır". Taguchi "kayıp" kavramı ile aşağıdaki iki kategoriyi ifade etmektedir: 1) Fonksiyonun değişkenliği ile neden olunan kayıp, 2) Zararlı yan etkiler ile neden olunan kayıp. Taguchi, sadece üretim esnasında üreticiye değil, aynı zamanda bir bütün olarak müşteri ve toplum için kaliteyi maliyetle ilişkilendiren holistik (bütünün parçaları arasındaki ilişkiye odaklanan) bir kalite bakışı önerir. Taguchi kaliteyi; "bir ürünün kalitesi, ürünün sevk edilmesinden sonra toplumda neden olduğu en az kayıp" olarak tanımlar. Bu ekonomik kayıp, yeniden işleme, üretim esnasında kaynakların israfı, garanti maliyetleri, müşteri şikayetleri ve tatminsizliği, hatalı ürünlerde müşteriler tarafından harcanan zaman ve para, sonuç olarak pazar payı kaybı yüzünden meydana gelen kayıplarla ilişkilidir [3]. 2. DENEY TASARIMI (DESIGN OF EXPERIMENT) Deney, genel anlamda bir veya daha fazla sayıda belirli bir konuda sınırlandırılmış soruları yanıtlamayı hedefleyen işlem şekli olarak tanımlanır. Deney tasarımı, belirlenmiş bir tasarım matrisine göre süreç üzerinde etkili olması muhtemel süreç değişkenleri değerlerinin sistematik olarak değiştirilerek, bir deney veya bir takım sıralı deneylerin gerçekleştirilmesi yöntemidir [4]. Deney tasarımında amaç, herhangi bir konu üzerinde düşünülen problem ile ilgili en fazla sayıda bilgiyi 108

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

mümkün olduğunca zaman, para ve deney malzemelerini en ekonomik şekilde kullanarak sağlamak ve kalite karakteristiğini etkileyen en önemli değişkenleri bulmaktır. Belirlenen hedeften olabilecek sapma, kalite kaybına neden olmaktadır. Bu nedenle ürün; ürün ve süreç tasarımı sırasında en uygun şekilde tasarlanmalıdır. Bu iki aşamanın en önemli adımı şüphesiz parametre tasarımıdır. Parametre tasarımı aşamasında, kontrol edilebilen ve kontrol edilemeyen faktörlerin ürünün performansına olan etkilerini belirlemek için kullanılan en etkin yöntem istatistiksel deney tasarımı yöntemidir. Burada amaç, kontrol edilebilen faktörlerin düzeylerini, kontrol edilemeyen faktörlerin ürün üzerine olan etkilerini en aza indirecek şekilde süreci ayarlamaktır. Bu çeşit ürün ya da süreç tasarımı ile sağlam (robust) ürün elde edilir. Deney tasarımı, çevrim dışı kalite kontrolün en etkin aracıdır [5].Deney tasarımı ile değişik koşullar altında elde edilen sonuçlar aşağıdakilere ulaşabilmek amacı ile değerlendirilir [6]: 1. Test edilen değişkenlerin içinde etkili olanların tanımlanması 2. Belli bir aralıkta değişkenlerin çeşitli düzeylerinin etkilerinin ölçümlenmesi 3. Sürecin mevcut durumda işleyişinin daha iyi anlaşılması 4. Bir takım etkenlerin ve etkileşimlerin karşılaştırılması Deney tasarımı yönteminin ürün ve süreç geliştirme çevriminin başlangıcında uygulanması aşağıdakiler gibi birçok fayda sağlar [6]:  İyileştirilmiş süreç çıktıları  Nominal veya hedef değer etrafındaki değişkenliğin azaltılması  Toplam geliştirme süresinin düşürülmesi  Toplam maliyetin azaltılması 2.1. Kalite geliştirmede deney tasarımı ve önemi (Experimental design and importance in the quality development)

Tasarım bugün sadece estetik açıdan ele alınan ve sadece ürüne ait bir kavram olmaktan çıkmış ve müşteri istekleri doğrultusunda gerek fonksiyonel gerekse estetik açıdan ürüne en iyi özellik1eri sağlayacak ürün ve üretim sisteminin beraber tanımlandığı bir kavram haline gelmiştir. "Kalite ürünle birlikte tasarlanmalıdır" anlayışı ile varolan veya yeni geliştirilen ürün/üretim sistemlerinde müşteri isteklerini karşılayacak ürünleri üretebilmek için gerekli ürün kalite karakteristiklerine ulaşmak için sistemli çalışmak şarttır [7]. Ürünün ve/veya üretim sisteminin performansını etkileyen faktörlerin ve seviyelerinin belirlenmesi ile başlayan bu ön hazırlık safhasında beyin fırtınası, balık SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

kılçığı diyagramı ve hata ağacı gibi kalite araçlarının kullanılması gereklidir. Yapılan ön hazırlıklar genelde deneyin oluşum mekanizmasına da yansıyarak değişik deneysel tasarım yöntemlerinin oluşmasına neden olur. Bu deneysel tasarım yöntemleri temelde aynı amaca hizmet etmekle birlikte sonuca en kısa sürede ve maksimum kazançla ulaşabilmek için gerek ön çalışma gerekse deney matrisinin oluşturulmasında farklı yollar izlemektedir. Müşteri memnuniyetsizliği ve/veya kalitenin zayıflığı nedeniyle oluşan ekonomik kaybı ortadan kaldırmak için, incelenen sistemdeki değişimleri azaltmak gereklidir. Kalite yetersizliğinin neden olduğu bu kayıp, satış fiyatının %10-25’ini doğrudan harcar. Bunu aşmanın yolu ürünün ve sürecin doğru tasarımından geçmektedir [8]. Üretilen ürün/süreçte oluşacak değişimler, hem müşteri memnuniyetsizliğine yol açtığı için, hem de düşük kalitenin kaybettirdiği pazar payının etkisi ile ekonomik kayıplara sebep olmaktadır. Değişimin temelde altı kaynağı vardır. Bunlar aşağıdaki maddelerle ifade edilebilir [9]:      

Zayıf yönetim Yetersiz ürün/süreç spesifikasyonları Zayıf bileşen spesifikasyonları Yetersiz kalite sistemi Yetersiz tedarikçi malzemeleri Operatör hatası

Deney tasarımı, üretim süreci performansını arttırmak ya da dış kaynaklı değişkenlere karşı duyarsız bir üretim süreci elde etmek için yeni bir üretim süreci geliştirmekte ya da üretim sürecindeki sorunlara çözüm bulmakta kullanılır. Ürün veya süreç geliştirme; 1. Sistem tasarımı, 2. Parametre tasarımı, 3. Tolerans tasarımı olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilir. Sitem tasarımı, ilgilenilen ürünün veya sürecin temel fonksiyonel prototip modelini üretmek için mühendislik bilgilerinin kullanımını gerektirir ve bir takım yenilikleri içerir. Parametre tasarımında ise, klasik yaklaşımlardan farklı olarak, kontrol edilebilen faktörlerin iç (inner), kontrol edilemeyen faktörlerin de dış (outer) diziye yerleştirilerek incelendiği Şekil 1'deki deney tasarım modelinin kullanılması önerilmektedir [1]. Çok yüksek maliyet gerektirmeleri nedeniyle kontrol edilemeyen faktörlerin olumsuz etkilerini belirleyip ortadan kaldırmak yerine, bunların olumsuz etkilerini ortadan kaldıracak veya azaltacak kontrol edilebilen faktörlerin değerleri araştırılır. Kontrol edilebilen faktörler de performans değerine etkileri bakımından üç grupta sınıflandırılabilir: 1. Kontrol faktörleri, 2. Düzeltme faktörleri, 3. Etkisiz faktörler.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

K. Baynal, İ. Gencel

Deneyler sonunda elde edilen performans değerleri ve performans istatistiği (Sinyal/Gürültü (S/N) oranı: signal to noise ratio) bilgileri analiz edilerek bu sınıflama yapıldıktan sonra; kontrol faktörleri yardımıyla performans değerindeki değişkenlik azaltılır, düzeltme faktörleri yardımıyla da ortalama hedeflenen değerine getirilir. Etkisiz faktörlerin de en iyi ve en ekonomik değerleri seçilir. Bir eniyileme süreci olan parametre tasarımı sonunda değişkenlik yeterince azaltılamazsa tolerans tasarımı yapılmalıdır. Basit olarak tolerans tasarımı, performans değişkenliği üzerinde etkili olan bazı faktörlerin değişkenliğini ek harcamalarla azaltarak (kalitesini yükselterek) performans değerindeki değişkenliği azaltmaktır.

Şekil 1: Taguchi deney tasarım modeli (The experimental design model of Taguchi )

2.2. Deney tasarımının aşamaları (The stages of experimental design)

Deneysel tasarım konusu bir bütün olarak temelde tüm tasarım uygulamalarındaki yaklaşımla eşdeğer olarak problemin çözümüne yönelik adımları içerir. Sistematik olarak gerçekleştirilen deneysel tasarım çalışmalarında deneylerdeki faktörlerin ve seviyelerinin kombinasyonları farklı şekillerde ele alınsa da yaklaşım aynıdır. Problemin çözümüne yönelik olan deneysel tasarım çalışmaları Şekil 2'de görüldüğü gibi altı adımdan oluşmaktadır [10]: 1. Problemin durumu ve tanıtımı, 2. Faktörlerin ve seviyelerinin seçimi, 3. Sonuç değişkenlerin seçimi, 4. Deneysel tasarım yönteminin seçimi, 5. Deneylerin yürütülmesi, 6. Verilerin analizi Deney tasarımda sürecin anlaşılır, ölçülen sonuç değişkenin kantitatif, kararlı ve anlamlı olmasının yanında amaç ve ilkelerin açık olarak belirlenmiş olması gereklidir. Amaç, en son ulaşılması istenen hedeftir. İlke ise, görevin nasıl gerçekleştirilebileceğini gösteren yöntemdir [9]. Deney tasarımında ön hazırlık kadar önemli olan bir aşamada sonuç değişkenlerin seçimidir. Sonuç değişkeni, deneyin çıktısı, sistem veya ürünün kalite karakteristiğidir. Kalite karakteristiği seçimi ancak 109

K. Baynal, İ. Gencel

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

problemin iyi ve doğru olarak anlaşıldığı durumda yani problemin analizi ile mümkündür. Deneyi yapan kişi maliyeti, zamanı ve incelediği sistemi göz önüne alarak probleme en uygun deneysel tasarım

yöntemini seçmelidir. Deneysel tasarım yöntemlerini parametrelerin optimizasyonuna yönelik olarak aşağıdaki gibi sınıflandırma yapılabilir:1. Klasik yöntemler, 2. Shainin yöntemi, 3. Taguchi yöntemi.

PROBLEMİN TANITIMI PROBLEMİN ANALİZİ  Proses akış diyagramı  Beyin Fırtınası  Balık kılçığı  Hata ağacı

FAKTÖRLERİN BELİRLENMESİ, SEÇİMİ VE ENİYİLENDİRİLMESİ BELİRLEME  Balık kılçığı  Hata ağacı SEÇİM  Parametrelerin ağırlıklı seçimi  Shainin’e göre seçim SEVİYELENDİRME  Geri Besleme verileri  Tahmin ve düzeltme

DENEY TASARIM YÖNTEMİNİN SEÇİMİ

 Taguchi  Klasik  Shainin  Genetik Algoritma

SONUÇ DEĞİŞKEN BELİRLEME VE SEÇİMİ BELİRLEME  KFG  İPK SEÇİMİ  Balık kılçığı  KFG DENEYLERİN YÜRÜTÜLMESİ  Matrislerin kullanımı DENEYLERİN ANALİZİ  Basit etki analizi  ANOVA Şekil 2: Problemin çözümüne yönelik olan deneysel tasarım aşamaları (The experimental design stages for the solution of problems )[10]

Deney tasarım yönteminin seçimi, anlaşılır ve verimli sonuçlar elde etmek açısından oldukça önemlidir. Ürün ve/veya süreç geliştirme amacıyla yapılan deneysel çalışmalarda amaç, gerek maliyet gerekse teknolojik açıdan gerçekleştirilebilir kaliteli tasarımı elde etmektir. Yüksek kalite ve düşük maliyete ulaşmanın yolu deney tasarım yönteminin doğru seçilip uygulanması ile sağlanabilir. Klasik anlayışta deney matrisinin oluşturulması aşamasında keskin ve karmaşık uygulamalar benimsenmiştir. Bazı hallerde klasik anlayışta varolan ve 110

analizde kullanılan matematiksel yaklaşımın karmaşıklığı nedeniyle deneyi tasarlayan ve analizini gerçekleştiren kişilerin farklı olusu, deney tasarımında hata olasılığını artırmaktadır. Klasik yöntemleri uygulamak için gerekli sürelerin uzun olmasının yanı sıra uzman personel gereksinimi söz konusu yöntemlerin güçlükleri arasındadır. Daha sonra ortaya çıkmış olan Taguchi ve Shainin yöntemleri ise deney matrisinin oluşumundan çok, ön hazırlık safhası üzerinde çok zaman harcamışlar ve özellikle iyi anlaşılan ve doğru analiz edilen sistemlerde deney tasarımının çok daha kolay yapılabileceğini savunmuşlar ve bireysel SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

çalışmadan çok yoğunlaşmışlardır.

grup

çalışması

üzerinde

Deneylerin analizi aşamasında sonuç değişken veya kalite karakteristiği olarak isimlendirilen bağımlı değişkende görülen varyansın kaynağı incelenir. Bu inceleme çok basit olarak faktörlerin veya etkileşimlerin etkisi hesaplanıp daha sonra bu değerlerin grafiklerle gösterilmesi ile gerçekleştirilebileceği gibi daha karmaşık ama daha anlamlı olan Varyans Analizi (ANOVA) adı verilen istatistiksel yaklaşımla da gerçekleştirilebilir. Bu noktada tüm deney sonuçları sadece grafik olarak veya sadece faktörlerin tek tek etkisi olarak elde edilir. Buna göre değişik faktörlerin anlamının belirlenmesi varyans analizi ile sağlanır [11]. 3. TAGUCHİ YÖNTEMİ (TAGUCHI METHOD) Kalite geliştirmede Taguchi Yaklaşımı, varyans indirgemesi üzerinde odaklanmaktadır. Taguchi 'nin varyans indirgemesi yaklaşımı istatistik ve mühendisliğe çok önemli bir katkı olarak görülmektedir. Bazı yazarlar Taguchi' den önce gürültü faktörlerinin kullanılmasını önermekle birlikte, Taguchi'nin bu önerileri, varyans indirgemesinde kullanımı ile ilgili fikirleri orijinaldir ve çok büyük etkiye sahiptir [12]. Taguchi Yöntemleri, üretim kontrolü ve yapısal (structural) eniyileme ile ilgili çok farklı problemlere değişen başarı derecelerinde uygulanmaktadır. Batı dünyasındaki istatistikçiler tarafından eleştiriler almasına rağmen, Taguchi'nin yöntemleri ABD'ndeki birçok uygulayıcı tarafından kullanılmış ve başarılı sonuçlar alınmıştır. Yöntemlerin zayıf yönleri bulunmasına rağmen, iyi sonuçların alındığı gerçek yaşam uygulamalarının sayısı az değildir. Taguchi kavramları bir kalite geliştirilmesine ilişkin mühendislik yöntemlerine dönüştürülmüştür. Buna Japonya'da kalite mühendisliği, Batıda ise robust tasarım denmektedir [13]. Genichi Taguchi'nin deneysel tasarım yaklaşımının önemi, istatistikçiler tarafından geniş bir şekilde tartışılmıştır. Yorumcuların çoğu, Taguchi'nin kayıp fonksiyonu kavramının gerçek bir desteği ifade ettiği görüşünde birleşmektedirler. Ayrıca, ürün tasarım aşaması esnasındaki yeni deneyimlerin, büyük bir değere sahip olduğu şeklinde genel bir fikir birliği vardır. Taguchi, bu konuya göstermiş olduğu özen nedeniyle geniş bir şekilde takdir edilmiştir [14]. 3.1. Taguchi’nin kalite kavramı ve felsefesi (The quality concept and philosophy of taguchi)

K. Baynal, İ. Gencel

denilince akla hemen kontrol tablolarının ve süreç kontrolünün gelmesidir. Oysa Japonlar, Genichi Taguchi'nin katkılarıyla, kalite yöntemlerini süreç tasarımının içinde kullanmaktadırlar. Taguchi, kalite kontrolünün sadece üretim esnasında değil, aynı zamanda üretim öncesinde de önemini vurgulayarak, deney tasarımı ve analiz tekniklerini daha da geliştirmiştir. Taguchi'nin tam ve bütünleşik sistemi, dünyada üretim süreci spesifikasyonlarını belirlemekte, bu spesifikasyonlara göre tasarım geliştirmekte ve ürünün ya da üretim sürecinin bu spesifikasyonlara göre gerçekleştirilmesinde yardımcı olmaktadır[13]. Taguchi yöntemi tüm mühendislik ve üretim sürecini içine alacak şekilde çalışır. Taguchi yönteminin uygulanması sonucunda üretimde ve sonrasında kalite kontrol fonksiyonları azalır. Bu azalmanın sağladığı tasarruf, Taguchi felsefesini öğrenmek için gösterilen çabanın en geçerli nedenlerinden biridir [2]. Taguchi yaklaşımını diğer lider kalite uzmanlarının yaklaşımlarından ayıran en önemli özelliklerden birisi; Taguchi'nin kalitenin yönetim felsefesi ya da istatistiğinden ziyade, teknik tarafıyla ilgilenmesidir. Taguchi deney tasarımını, ürünleri gürültü faktörlerine karşı daha az duyarlı yapmak için temel bir araç olarak kullanmaktadır. Deney tasarımının ilk uygulamaları değişkenliğin etkilerini göz ardı ederek, ortalama ürün performans özelliklerini hep eniyilemeye çaba göstermiştir [15]. Japonya'da çalışanlar, işletme amaçlarına ulaşırken, işlerine getirdikleri yeniliklerle sağladıkları katkıya göre terfi ettirilmektedirler. Oysaki Amerika ve diğer ülkelerde bunun tam tersi uygulanmakta; çalışanlara işini nasıl yapması gerektiği gösterilmekte ve bu kuralların dışına çıkanlar uyarılmaktadır. Ayrıca, üst yönetim, işinde söylenenin dışına çıkanlardan rahatsız olmakta ve bu çalışanları kolay kolay terfi ettirmemektedir [15]. Taguchi yönteminin gerçek değeri, işletmelerde değişimin başlamasına neden olmasında yatmaktadır. Geleneksel istatistiksel yöntemlerle işletmeler ancak kendi durumlarını koruyabilmiştir. Daha sonra istatistiksel süreç kontrolü uygulamaları ile işletmelerde az da olsa değişim başlamıştır. Bununla birlikte, geleneksel deney tasarımı yöntemlerinin Taguchi düşünce tarzına göre uyarlanmasına kadar fazla bir etkisi olmamıştır. Taguchi yönteminin işletmelerde meydana getirdiği ve önerdiği altı değişim şunlardır [16]: 1. Kalite ve Kalite Geliştirmenin Tanımı, 2. Finansal Kontrol Sistemleri, 3.Mühendislik Hedef Değerleri, 4. Üretim Süreç Geliştirme, 5. Yatay Teknik Etkileşim.

İşletmeler genel olarak, araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin içine kalite kontrolünü dahil etmeme eğilimindedir. Bunun en büyük nedeni kalite kontrol SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

111

K. Baynal, İ. Gencel

3.2. Taguchi

yöntemi’nin

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

uygulama

adımları

(Application of Taguchi method stages)

4.2. Etil alkol üretimi ve fermantasyon süreci hakkında genel bilgi (General information about production of ethanol and process of fermentation)

Peace, iyi yürütülen ve organizeli çaba ile yeniden üretilebilir sonuçlar elde etmek amacıyla başarılı bir deney yapmak için dikkatli planlama ve sağlıklı uygulama gerektiğini söylemektedir. Ona göre bir deneyi tam anlamıyla yapmak için gerekli adımlar dört ayrı aşamada kategorize edilebilir [17]: 1. Deney planlama, 2. Deney tasarlama, 3. Deneyi gerçekleştirme, 4. Deneyin analizini yapma. 4. TAGUCHİ YÖNTEMİ’NİN FERMANTASYON SÜRECİNDE UYGULANMASI (APPLICATION OF TAGUCHI METHOD IN THE FERMENTATION PROCESS)

Gıda sektöründe kalitenin geliştirilmesi için daha çok istatistiksel kalite kontrol yöntemi kullanılmıştır. Lim ve diğerleri bununla ilgili detaylı bilgiler sunmaktadır [18]. Literatürde Taguchi Yöntemi hala etkin bir yöntem olarak kullanılmaktadır[ [19], [20], [21]]; ancak gıda sektöründeki uygulaması ise oldukça azdır. Gomez ve Castro [22], çözünebilir kahve kalitesinin iyileştirilmesinde, Al-Darrab ve diğerleri [23] yüksek kaliteli bisküvilerin üretilmesi amacıyla ve Yadegary ve diğerleri [24] ise şeker kamışı küspesinden sitrik asit üretiminde etkili olan değişkenleri belirlemek ve kitle üretimini optimize etmektir için çalışmalarında Taguchi Yöntemi’ni kullanmışlardır. Bu uygulamada, alkollü içeceklerin kalitesini belirleyen yedi kalite karakteristiği eşanlı olarak eniyilemeye çalışılmıştır. Taguchi Yöntemi, burada bir “çok yanıtlı problemin” eniyilemesinde kullanılmış ve öncesine göre ürün kalitesinde bir iyileştirme gerçekleştirilmiştir. 4.1. Uygulamanın yapıldığı firma hakkında genel bilgi (General information about application firm)

Firmada etil alkol üretimi için işlem sırası, 1. Üzüm işleme, 2. Fermantasyon, 3. Suma distilasyon şeklindedir. Alkol, hidrojen atomunun hidroksil grubu ile yer değiştirdiği hidrokarbon bileşimlerinin genel adıdır. Alkol kelimesi genel olarak kimyada etil alkolü (C2H5OH) belirtmek için kullanılır. Etil alkolün dışında bir dizi başka alkolde bulunduğundan, bilimsel tanımlamalarda alkol kelimesi yalnız başına kullanılamaz. Alkoller türedikleri alkanın sonuna -ol eki getirilerek adlandırılırlar. Konuşma dilinde ise yanlış olarak farklı alkolleri de belirtmekte kullanılır. Örneğin; sağlığa zararlı metil alkol için alkol kelimesi yanlış anlamlara ve zehirlenmelere sebep olabilmektedir. Halk arasında ispirto olarak bilinen etil alkol, şekerli ve şekere dönüştürülebilen ham maddelerin fermantasyonu sonucu oluşan alkollü maişenin damıtılması ile elde edilir [18]. Etil alkol en iyi bilinen alkoldür. Bütün alkollü içeceklerin esas maddesidir. Etil alkol aynı zamanda alkol, etanol, tane (hububat) alkolü, fermantasyon alkolü, etil hidroksit ve metil karbinol olarak da adlandırılır. Ticari olarak etil alkol büyük miktarlarda, şeker sanayinde bir yan ürün olan melastan elde edilir. Burada melas maya ile fermente edilir. Bu şekilde elde edilen alkol, melas alkolü olarak adlandırılır. Alkol aynı zamanda nişastadan genellikle mısır nişastasından fermantasyonla da elde edilir. Bu yöntemde nişasta önce maya ile şekerle hidroliz edilir ve elde edilen şekerler alkole ve CO2’e maya etkisi ile dönüştürülür. Bu işlem sırasında yan ürün olarak CO2 oluşur. Bu şekilde elde edilen alkol ise hububat alkolüdür [25]. 4.2.1.

Fermentasyonla alkol eldesi (obtained by

fermentation of alcohol)

Uygulamanın yapıldığı firma Türkiye’nin önde gelen alkollü içkiler üreticilerinden biridir. Ürünleri arasında rakı, votka, cin, likör, şarap bulunmaktadır. Beş farklı ildeki fabrikalarında üretilen bu ürünlerin yanı sıra 4 farklı ilde rakının hammaddesi olan suma ve votkanın hammaddesi olan Extra Nature Alcohol (ENA) üretimi yapılmaktadır. Ayrıca bir fabrikasında rakıda esans olarak kullanılan anason tohumu işleme yapılmaktadır. %5 Türk %95 Amerikan ortaklı bir firmadır. En önemli hammaddesinin üzüm olması dolayısıyla en önemli tedarikçileri arasında üzüm üreticileri gelmektedir. Ayrıca belli yasal sınırlar içinde ve üretim kapasitesine göre etil alkol alımı da yapmaktadır. Yurtiçinde çok geniş satış ve dağıtım ağına sahip olan firma ayrıca ihracat da yapmaktadır. Hızlı Tüketim Malları Sektörü (FMCG) içinde yer almaktadır. 112

Fermantasyon; alkol, yoğurt, sirke, boza, turşu, ekmek, peynir gibi adı hemen akla gelen, gerçekte türü bunlarla sınırlı olmayan birçok gıda maddesi üretiminde uygulanması gereken bir işlemdir. Halk dilinde karşılığı “mayalanma” ve “ihtimar”dır. Genel anlamda fermantasyon; üretimi amaçlanan ürünün elde edilmesi için fermantasyonu gerçekleştirilecek, maya, bakteri veya mantar gibi mikroorganizmaların faaliyetine olanak sağlayan temel bir üretim aşamasıdır. Fermantasyon koşulları, üretilecek gıda maddesinin türüne göre seçilmiş olan, fermantasyonu gerçekleştirecek mikroorganizma talebine bağlı kalınarak oluşturulur. Örneğin: alkol üretiminde “alkol mayasının”, sirke üretiminde “sirke bakterisinin” faaliyeti istenir ve fermantasyon ortamı bu mikroorganizmaların talebine SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

uygun hale getirilir. Fermantasyon üretilecek ürüne veya fermantasyonu yapan mikroorganizma türüne göre adlandırılır. Örneğin: alkol fermantasyonu, ekmek mayası fermantasyonu, sirke fermantasyonu gibi. Fermantasyon ortamında çalışan mikroorganizma, üremesi ve beslenmesi için ortamda bulunan ve kendisi için gıda maddesi olan maddeyi tüketir ve bu esnada da, fermantasyondan beklenen ürünü, yan ürün olarak meydana getirir. Örneğin: alkol fermantasyonunda maya, ortamda bulunan şeker maddesini tüketirken, yan ürün olarak alkol meydana getirmektedir. Alkol fermantasyonunu etkiyen 9 faktör aşağıda verilmiştir [26]. 1. Havanın (Oksijen) etkisi, 2. Karbondioksit etkisi, 3. Fermantasyon sıcaklığının etkisi, 4. Fermantasyon sıvısının pH’sının etkisi, 5. Aşılama oranının etkisi, 6. Maya suşun etkisi, 7. Maişe (şeker) konsantrasyonunun etkisi, 8. Alkol konsantrasyonunun etkisi, 9. Besin maddelerinin etkisi. 4.2.1.1. Kuru üzümden alkol eldesi (Obtaining alcohol from raisins)

Alkol üretiminde küçük taneli, yemeklik olmayan çekirdekli üzümler kullanılır. Ülkemizde çekirdeksiz Sultaniye kuru üzümleri de kullanılmaktadır. Bu kuru üzümlerin şekerinin %50-60 gibi yüksek oranda ve su miktarının, %14 ve yabancı madde miktarının, %1’in altında olması istenir. Kuru üzümden alkol eldesi aşağıdaki aşamalarla gerçekleştirilir [26]: 1. Öğütme, 2. Maişeleme, 3. Fermantasyon, 4. Damıtma. Öğütme: Üzümler işletmeye 50-60 kiloluk çuvallar ile getirildiği için baskıdan dolayı topaklanmış kitlenin önce dağıtılması gerekir. Bu amaçla püskürtülen basınçlı su kısmen bir yıkamayı da sağlar. Bundan sonra üzümler elevatörler ile kıyma makineleri gibi çalışan parçalama değirmenlerine gönderilir. Üzümlerin değirmene bulaşmaması ve topraklanmaması için az miktarda su sürekli olarak verilir. Kıyılarak parçalanan üzümler özel maişeleme kazanlarına (melanjör) gönderilir. Maişeleme: Karıştırma, soğutma ve ısıtma düzenlerine sahip olan melanjörlerde yapılır. Melanjöre alınan her bir birim üzüm için dört birim su ilave edilir. Maişeleme sıcaklığı 22-25oC’a ayarlanır ve bu sıcaklıkta devamlı karıştırılmak suretiyle 30 dakika tutulur. Elde edilen maişenin şeker konsantrasyonu 15-16 Balling’e ayarlanır ve fermantasyon kaplarına gönderilir. Fermantasyon ve distilasyon: Fermantasyonda saf maya kullanılır. Çeşitli kaynaklardan sağlanan saf kültürler, laboratuvarlarda üzüm şırası içinde 5 L’ye kadar çoğaltılır. Bu aşamadaki çoğaltma işlemi basamaklı olarak 50, 150, 500, 5000 ml pastörize edilmiş şıraya yapılır. Mayanın düzenli çalışmasını sağlamak ve SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

K. Baynal, İ. Gencel

enfeksiyonu önlemek amacı ile mayalık maişeye %0,1 oranında H2SO4 katılarak pH=3,5 civarına düşürülür. Maişeye aynı zamanda maya besini olarak %0,1 oranında (NH4)2 SO4verilir. Önceden hazırlanan 5 L maya ile aşılama yapılarak çoğaltılma işlemine başlanır. Bome derecesi yarıya düşünce bu maya aynı şekilde hazırlanmış 250 L’lik kaptaki maişeye aşılanır. Burada yeterli çoğaltma sağlandıktan sonra 500 L’lik çoğaltma kabına gönderilir. Bu şekilde 500 L’ye çoğalan maya 5 tonluk ön fermentasyon kabına gönderilir. Maişeleme kazanından buraya gönderilen normal kuru üzüm maişesi asit ve besin maddesi katıldıktan sonra sterilize edilir, soğutulur ve 500 L maya ile aşılanarak çoğaltma işlemi son aşamaya gelmiş olur. Fermantasyon kaplarına (5 – 50 tonluk) gelen maişe bekletilmeden hemen daha önce hazırlanmış olan maya ile aşılanır. Fermantasyonun gidişi balling veya benzeri bir areometre ile kontrol edilir ve balling derecesi 6-6,5’e düşünce, hazırlanan ikinci parti maişe katılır. Bu işlem kap doluncaya kadar sürdürülür. Toplam fermantasyon üresi 50 – 60 saat, fermantasyon sıcaklığı, 28 – 31 oC olur. Fermantasyon, balling derecesi sıfıra düşünce sona erer. Fermantasyonu bitiren %8 alkollü maişe kaba tortunun dibe çökmesi için 8 – 10 saat dinlendirilir ve sonra damıtmaya gönderilir. Kuru üzüm etil alkol üretiminde kullanılan fermantasyon kaplarının kapalı olması fermantasyonun kontrolünü, temizlik ve alkol kaybının olmaması gibi yararlar sağlar. Fermantasyon sırasında sürekli izlenen parametrelerden en önemlisi fermantasyonun sıcaklığıdır. Alkol fermantasyonu ekzotermik bir olay olduğundan sürekli kontrol altında tutulmalıdır. Sıcaklığın fazla yükselmesiyle alkol fermantasyonunda aksamalar ve alkol kaybına neden olabilir. Bu sakıncaları önlemek için fermantasyon kaplarının soğutma sistemleri ve karıştırıcı monte edilmelidir. fermantasyon genellikle 22 – 25 oC başlatılır ve zamanla sıcaklık yükselerek 28 – 30 oC’ye çıkar. Bu sıcaklık aralıkları en uygunudur. Soğutma sistemi ile sıcaklığın 30 oC’yi geçmemesi ve karıştırıcı sistemi ile de fermantasyon sırasında sıvı yüzeyinde şapka denen cibre tabakası oluşmaması sağlanır. Fermantasyon sırasında izlenen diğer bir parametre şeker konsantrasyonudur. Fermantasyonu alınan kuru üzüm maişesinin şeker konsantrasyonu %13-17 olacak şekilde ayarlanmalıdır. Maişenin şeker konsartrasyonuna bağlı olarak maişede oluşacak alkol miktarı da değişir. Fermantasyonun bitişi şeker konsantrasyonunun sıfır olmasıyla anlaşılır. Fermantasyon sırasında maişenin genel ve uçar asidi de izlenmelidir. Normal koşullarda özellikle uçucu asit oluşumu çok az oluşur. İspirtoculukta

113

K. Baynal, İ. Gencel

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

fermantasyon sonunda oluşan uçucu asit miktarı 0,3 g/L’den fazla olmamalıdır.

1 2 3 4

A: Maya Miktarı (gr) B: Fermantasyon Isısı (°C) C: Fermantasyon Süresi D: Üre Miktarı (mg)

200 30-32 24-28 0

500 33-34 28-32 8

Seviye 3

FAKTÖRLER

Seviye 2

Seviye 1

Tablo 1: Kontrol faktörleri ve seviye değerleri (The control factors and values of levels)

700 35-36 32-36 16

L9(34) ortogonal dizisi kullanılarak ve 9 deney yapılarak yürütülmüştür. Belirlenen faktörler ve seviyeleri Tablo 1’de verilmektedir. Seviyeler belirlenirken ise bazı faktörlere belli aralıklar verilmiştir. Özellikle kimyasal reaksiyonların olduğu süreçler için seviyelerin aralık değerler içinde ve +/- toleranslarla belirlenmesi normaldir. Özellikle ısı için geçerlidir, çünkü gerçekleşen reaksiyonun etkisiyle kapalı sistem içinde ısı açığa çıkar ve ısı düzeyini etkiler [27]. 4.3.2.

Uygun ortogonal dizinin seçilmesi (Selecting

the appropriate orthogonal array)

4.3. Taguchi

Yöntemi’nin

Uygulanması

(Implementation of Taguchi Method)

Fermantasyon süreci yukarıda da anlatıldığı gibi birçok faktörün etkisi altındadır. Bunların bir kısmı kontrol edilebilir bir kısmı kontrol edilemeyen faktörlerdir. Uygulamanın yapıldığı firmada, rakının hammaddesi olan suma da üretilmektedir. Tesis entegre bir tesis olup üzüm işlemeden rakı üretimine kadar tüm süreç sürekli olarak devam etmektedir. Rakı firmanın diğer fabrikalarında da üretilmektedir. Dolayısıyla 2 fabrika arasındaki farklılık rakı tadında ayırt edilebilir farklar yaratmakta, müşteri gözünde ürünler arasında ayrım olduğu düşünülmektedir. Bu farkın rakı hammaddesi olan sumadan kaynaklandığı tespit edilmiştir. Uygulamanın yapıldığı fabrikada suma spek dışı çıkmakta ve diğer fabrikalardan alınan sumalarla paçal yapılıp spek içine taşınmaktadır. Paçallama yüksek maliyetli ve uzun zaman alan bir işlemdir. Ayrıca yine spek içinde çıkmama riski fazladır. Problem belirlenirken suma oluşumu düşünülmüş ve yine sorunun önemli bir kısmını suma hammaddesi olan fermente maişenin oluşturduğu görülmüştür. Ayrıca suma üretiminde kapalı bir sistem olan distilasyon sürecine çok fazla müdahale edilemeyeceğinden dolayı hammaddenin eniyilemesi yoluna gidilmiştir. Fermantasyon süreci ve ona etki eden faktörler çok nettir ve literatürde açıkça tanımlanmıştır. Dolayısıyla problem belirlendikten sonra faktörleri belirlemek zor olmamıştır. 4.3.1.

Faktör

seviyelerin

Deney için uygun ortogonal dizi belirlenirken, faktörlerin seviye sayısına ve buna bağlı olarak da toplam serbestlik derecelerine göre karar verilir. Bu toplam serbestlik derecesine veya daha büyük deneme sayısına sahip olan ortogonal dizi uygun dizi olarak seçilir. Gerekli toplam serbestlik derecesi faktörler için seviye sayılarının bir fonksiyonudur. Bir faktör için serbestlik derecesi, o faktörün seviye sayısının bir eksiğine eşittir. Eğer faktörler arasında bir etkileşim söz konusu ise bu etkileşim için serbestlik derecesi, etkileşim içinde olan faktörlerin serbestlik derecelerinin çarpımına eşittir [28]. Bu çalışmada üç seviyeli ve 8 serbestlik derecesini kaldırabilecek ortogonal dizi L9 olduğundan deney için L9(34) ortogonal dizisi seçilmiştir (Tablo 2). Uygulanacak deney koşulları da Tablo 3’te verilmektedir. Ortogonal dizilerin en önemli özelliklerinden birisi de her faktörün her seviyesine eşit şans verilerek deneye tabi tutulmasıdır. Örneğin A faktörünün 1. , 2. ve 3. seviyelerinde 3’er kez deneye tabi tutulmaktadır. Aynı şey diğer tüm faktörler için de geçerlidir. Tablo 2: Seçilen ortogonal dizi (Selected orthogonal array)

Deney No 1 2 3 4 5 6 7 8 9

belirlenmesi

(Determining of the factors and levels)

Yapılan çalışmada fermantasyon süreci sonucu ortaya çıkan fermente maişenin analiz değerlerine etki ettiği düşünülen kontrol edilebilir faktörler ve hammaddenin özelliklerine bağlı olarak değişebilen kontrol edilemeyen faktörler belirlenmiştir. Faktörler belirlenirken, genel olarak tüm fermantasyon süreçlerinde çıktıya etki eden faktörler üzerinde tartışılmış ve alkol fermantasyonuna özellikle etkisi büyük olan 4 faktör seçilmiştir. Tüm faktörler üç ayrı deney seviyesiyle incelenmiştir. Deney bu üç seviyeli dört kontrol faktörünü içeren bir yapıda 114

4.3.3.

A 3 2 1 3 3 1 2 1 2

FAKTÖRLER B C 3 2 2 3 1 1 1 3 2 1 3 3 1 2 2 2 3 1

D 1 1 1 2 3 3 3 2 2

Deneyin uygulanması ve verilerin analizi

(Carrying out experiments and analysis of the data)

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

tankından 5 adedi bu denemeler için kullanılmış ve deney verileri elde edilene kadar başka bir üretim için kullanılmamıştır. Fermantasyonu biten tanklarda oluşan fermente maişeden deney tüplerine alınan örnekler kimyasal analiz laboratuarında test edilmiştir. Kimyasal analizler Gaz Kromatografisi (GC) cihazları kullanılarak yapılmıştır (Şekil 3). Fermantasyon sürecinin maksimum 36 saat sürmesi ve GC analiz sonucunun yaklaşık 3 saatte çıkması deney sonuçlarının uzun süreçlerde elde edilebilmesine sebep olmuştur. GC cihazının çok hassas ölçümler yapabilme yeteneği ve tüm deneylerde tek bir cihazın kullanılması dolayısıyla verilerin hassaslığı şüphe götürmez. Fakat hammadde kaynaklı birtakım kontrol edilemeyen faktörler ve farklı 5 tankın kullanılması deneylerde kontrol edilebilen faktörlere etki eden gürültü faktörleri olarak kabul edilmelidir 4.3.4.

Uygun ortogonal dizinin seçilmesi (Selecting

the appropriate orthogonal array)

Deney için uygun ortogonal dizi belirlenirken, faktörlerin seviye sayısına ve buna bağlı olarak da toplam serbestlik derecelerine göre karar verilir. Bu toplam serbestlik derecesine veya daha büyük deneme sayısına sahip olan ortogonal dizi uygun dizi olarak seçilir. Gerekli toplam serbestlik derecesi faktörler için seviye sayılarının bir fonksiyonudur. Bir faktör için serbestlik derecesi, o faktörün seviye sayısının bir eksiğine eşittir. Eğer faktörler arasında bir etkileşim söz konusu ise bu etkileşim için serbestlik derecesi, etkileşim içinde olan faktörlerin serbestlik derecelerinin çarpımına eşittir [28]. Bu çalışmada üç seviyeli ve 8 serbestlik derecesini kaldırabilecek ortogonal dizi L9 olduğundan deney için L9(34) ortogonal dizisi seçilmiştir (Tablo 2).Uygulanacak deney koşulları da Tablo 3’te verilmektedir. Ortogonal dizilerin en önemli özelliklerinden birisi de her faktörün her seviyesine eşit şans verilerek deneye tabi tutulmasıdır. Örneğin A faktörünün 1. 2. ve 3. seviyelerinde 3’er kez deneye tabi tutulmaktadır. Aynı şey diğer tüm faktörler için de geçerlidir. Tablo 3: L9 ortogonal dizisi için deney koşulları (The experimental conditions for orthogonal array of L9)

FAKTÖRLER Deney A B No MAYA FERM. MİKTARI ISISI 1 700 35-36 2 500 33-34 3 200 30-32 4 700 30-32 5 700 33-34 6 200 35-36 7 500 30-32 8 200 33-34 9 500 35-36

C FERM. SÜRE 28-32 32-36 24-28 32-36 24-28 32-36 28-32 28-32 24-28

D ÜRE MİKTARI 0 0 0 8 16 16 16 8 8

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

K. Baynal, İ. Gencel

4.3.5.

Deneyin uygulanması ve verilerin analizi

(Carrying out experiments and analysis of the data)

Deneyler fermantasyon ekibi tarafından deney planına uygun olarak yapılmıştır. Her deney konuşunda 2 deneme yapılmıştır. Denemeler aynı ebatta ve özellikteki farklı tanklarda yapılmıştır. 32 adet fermantasyon tankından 5 adedi bu denemeler için kullanılmış ve deney verileri elde edilene kadar başka bir üretim için kullanılmamıştır. Fermantasyonu biten tanklarda oluşan fermente maişeden deney tüplerine alınan örnekler kimyasal analiz laboratuarında test edilmiştir. Kimyasal analizler Gaz Kromatografisi (GC) cihazları kullanılarak yapılmıştır (Şekil 3). Fermantasyon sürecinin maksimum 36 saat sürmesi ve GC analiz sonucunun yaklaşık 3 saatte çıkması deney sonuçlarının uzun süreçlerde elde edilebilmesine sebep olmuştur. GC cihazının çok hassas ölçümler yapabilme yeteneği ve tüm deneylerde tek bir cihazın kullanılması dolayısıyla verilerin hassaslığı şüphe götürmez. Fakat hammadde kaynaklı birtakım kontrol edilemeyen faktörler ve farklı 5 tankın kullanılması deneylerde kontrol edilebilen faktörlere etki eden gürültü faktörleri olarak kabul edilmelidir. 4.3.6.

Deneyin uygulanması ve verilerin analizi

(Carrying out experiments and analysis of the data)

K. Baynal, İ. Gencel

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

olması gereken yedi kimyasal karakteristiklerini oluşturmaktadır.

değer

kalite

harcanan süre 39 saat olduğunu düşünürsek 126 deney için toplam 4914 saat gereklidir. Mevcut koşullarda bu deneyler yaklaşık 41 günde tamamlanmıştır. Süreçte sürenin uzunluğuna bakıldığında deney verisi almanın güçlüğü ortaya çıkmaktadır.

Şekil 3: Gaz Kromatografisi (GC) cihazı (Gas Chromatography (GC) device ) [29]

Deneylerin toplam süresi hakkında bilgi vermek gerekirse; fermantasyon ünitesi 24 saat çalışmaktadır. Toplam 5 tank kullanılmıştır. Dolayısıyla bir günde toplam 120 saatlik deney yapılabilmiştir. Bir deney için

Tablo 4: Yedi kalite karakteristiğe ait veriler (The data for seven quality characteristics)

4.3.3.1. Kalite kaybının hesaplanması (The calculation of quality loss)

Veriler elde edildikten sonra eniyileme prosedürü gereği kayıplar (Lij), normalleştirilen kayıplar (Cij), normalleştirilen toplam kalite kayıpları (TNQLj) ve çok yanıtlı sinyal gürültü oranları (MRSNj) hesaplanmaktadır [30]. Kalite kaybı hesaplanırken, toplam yedi yanıttan ikisi için (aldehit ve metenol) değerlerin minimizasyonu istendiğinden dolayı “daha küçük daha iyi” yanıtının formülü, diğer beş yanıtın ise spek aralığında olması istendiği için “nominal en iyi” yanıtının formülü kullanılmıştır. Hesaplanan kalite kayıpları ve bunlara dayalı olarak hesaplanan normalleştirilen kalite kayıpları Tablo 5’te verilmiştir. Bu değerlere bağlı olarak normalleştirilen kalite hesaplanmaktadır[30]: 116

kayıpları

aşağıdaki

gibi

2,5 2,8 1,0 2 3,3 7 1 0



37 31, 9 24, 3 21, 6 32, 4 18, 9 18, 9 20, 2

L L

11 * 1

38 19, 9 16, 6 38, 7 15, 6 24, 8 20, 2

35 22, 1 19, 1 35, 5 17, 2 21, 9 20, 2



6,8 4 1,8 7 4,3 4 3,1 4 3,5 6 4,4 3 2,3 1 4,1 9

55, 1 50, 5 30, 8 30, 2 23, 4 41, 6 18, 9 17, 5

64, 4 58, 9 35, 3 34, 6 23, 3 44, 3 21, 4 21, 9 13, 2

59, 7 54, 7 33, 1 32, 4 23, 4 42, 9 20, 2 19, 7 13, 6

78 , 76 128 , 9

6,5 5 5,9 1 3,1 7 3,1 4 0,1 2 1,9 3 1,7 4

55, 1 50, 5 30, 8 30, 2 23, 4 41, 6 18, 9 17, 5

64, 4 58, 9 35, 3 34, 6 23, 3 44, 3 21, 4 21, 9 13, 2

59, 7 54, 7 33, 1 32, 4 23, 4 42, 9 20, 2 19, 7 13, 6

3,1 0,5 2

38, 4 38, 3

ORT.

43, 2 39, 6

33, 5

24 18, 4

4,7 7 2,0 1 3,8 3

ISO-AMİNOALKOL

23 22, 9 19, 4 23, 9 23, 9 32, 1 18, 4 24, 7 18, 4

26, 4 24, 3 22, 1 22, 1 21, 9 32, 9

ORT.

0,3 0,0 2 1,0 7

19, 6 21, 5 16, 7 25, 6 25, 9 31, 4 20, 8 25, 4 18, 4

ORT.

3,2

0,4 0,7 4 1,2 1 0,1 4 1,5 3 1,1 8

0,4 0,5 2 0,2 4 1,0 3 0,1 3 2,0 2 0,5 7 1,4 9

1,8 1,6 9 3,4 3 13, 6 4,3 3 2,3 8 5,2 4 6,4 7 2,4 5

6,8 8,1 1 11, 5 11, 9

1,5 1 2,2 1 2,5 7 13, 7 3,2 4 1,5 4 5,4 5 6,4 5 1,6 9

ISO-AMİNOALKOL

6,7 9,5 4 11, 1

2,0 8 1,1 6 4,2 8 13, 5 5,4 1 3,2 1 5,0 2 6,4 8

ISO-BUTANOL

0,8

7,9 14, 4 16, 7

0,2 5

8,7 3,8 5 7,7 7

5,7

7,2 5 5,4 2 7,5 3 14, 5

N-PROPONAL

7,4 3

2,4 8,3 2 3,1 3 6,6 4

7,0 7 5,1 3 7,1 6 14, 7 15, 3 6,8 9 6,6 8 11, 9 10, 8

5,3 5,4 2 5,1 3 3,0 6 8,5 1 3,4 9 7,2 1

0,0 5 1,5 6 0,7 4 0,7 2 0,1 4 0,9 3 0,2 7 0,5 1

METENOL

8,8 8 11, 3

8,8 4 10, 2 4,7 8 4,9 1 5,2 3

8,9 1 12, 4 5,8 2 5,9 3 5,0 3 3,7 2

ESTER

No Deney

ALDEHİT

6,5 5 5,9 1 3,1 7 3,1 4 0,1 2 1,9 3 1,7 4 3,1 0,5 2

 0 , 611

Ci1: i. kalite karakteristiği için (i= 1,2,3,4,5,6,7) 1 numaralı deneyde normalleştirilen kalite kaybını ifade etmektedir. Li*: i. kalite karakteristiğinde yapılan deneyler içinde en yüksek değeri alan kalite kaybı değeridir. Yanıtların aldığı ağırlıkları hesaplamak için Analitik Hiyerarşi Süreci’nden (AHP) yararlanılmış ve Expert Choice programı kullanılarak hesaplanmıştır. Yanıtların birbirine göre önem sıralaması yapılırken yasal gerekliliklerle getirilen sınırlamaların önemi, insan sağlığına zararlı olabilecek maddelerin varlığı, belirlenen ürün speklerine ve tanımlarına göre kimyasal değerlerin değişkenliği ve bu değişkenliklerin yaklaşık olarak oranlarını tahmin edebilen çalışanların deneyimleri SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

K. Baynal, İ. Gencel

dikkate alınmıştır. Ortaya çıkan ağırlık değerleri ve yanıtların önem sırası Şekil 4’te gösterilmiştir. Tablo 5: Hesaplanan kalite kayıp değerleri ve normalleştirilen kalite kayıp değerleri (The calculated and normalized values of the quality loss)

Hesaplanan kalite kayıp değerleri

Normalleştirilen kalite kayıp değerleri

Deney

L1j

L2j

L3j

L4j

L5j

L6j

L7j

C1j

C2j

C3j

C4j

C5j

C6j

C7j

78,80000

0,00123

3,30000

0,04300

0,03180

0,01200

0,00001

0,61100

0,01980

0,01790

1,00000

0,86600

0,48200

0,35900

129,0000

0,00554

3,11000

0,00770

0,00239

0,01170

0,00001

1,00000

0,08910

0,01680

0,17900

0,06520

0,46900

1,00000

28,40000

0,00483

12,50000

0,03900

0,01540

0,00919

0,00000

0,22000

0,07770

0,06740

0,90700

0,42100

0,36900

0,16000

29,60000

0,00027

185,0000

0,01090

0,02020

0,00938

0,00000

0,23000

0,00440

1,00000

0,25400

0,55000

0,37600

0,03990

26,30000

0,00412

19,90000

0,01370

0,03480

0,00003

0,00001

0,20400

0,06620

0,10700

0,31900

0,94800

0,00106

0,35900

9,80000

0,00039

6,34000

0,00100

0,01560

0,00202

0,00000

0,07600

0,00629

0,03430

0,02330

0,42500

0,08110

0,16100

72,50000

0,06220

27,50000

0,03370

0,01800

0,00744

0,00000

0,56200

1,00000

0,14800

0,78300

0,49100

0,29900

0,00000

12,30000

0,00249

41,80000

0,00165

0,03670

0,02490

0,00001

0,09550

0,04000

0,22600

0,03840

1,00000

0,35900

52,20000

0,01570

6,55000

0,00000

0,00148

0,00000

0,40500

0,25300

0,03540

0,00000

0,05950

0,15900

Şekil 4:Yanıtların aldığı ağırlık değerleri (The weight values of the responses)

Normalleştirilen kalite kaybı bulunduktan sonra söz konusu bütün yanıtlara ilişkin toplam normalleştirilen kayıp her yanıtın aldığı ağırlık değeri ile çarpılarak toplanır ve bu şekilde bir deney için TNQL değeri hesaplanır[23]: TNQL1= w1C11 + w2C21 + w3C31 + w4C41 + w5C51 + w6C61 + w7C71 = 0,611*0,099 + 0,0198*0,255 + 0,0179*0,353 + 1,0000*0,064 + 0,866*0,04 + 0,482*0,029 + 0,359*0,161 = 0,242 TNQL1; 1 numaralı deney için normalleştirilen toplam kalite kaybını ifade etmektedir. wi ise i. yanıtın aldığı ağırlık katsayısıdır. (Σwi=1)

4.3.3.2. Çok yanıtlı sinyal gürültü oranının belirlenmesi (Determination of the multi response signal to noise ratio)

Normalleştirilen toplam kalite kaybı hesaplandıktan sonra her bir deney için MRSN hesaplanır. TNQL’nin daha küçük değeri, daha küçük kalite kaybı anlamına gelmektedir. Atanan ağırlıklara göre sinyal gürültü oranının nasıl hesaplanacağı dair formül bir önceki bölümde verilmişti. Dolayısıyla 1 nolu deneyde bulunan normalleştirilen toplam kalite kaybı deneyde yerine konularak 1 nolu deneyde performans istatistiği olan çok yanıtlı sinyal gürültü oranı; MRSN1= -10log10(TNQL1) = -10log10(0,242) = 6,156 olarak bulunur.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

117

K. Baynal, İ. Gencel

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

Benzer şekilde bulunan bütün deneylere ait Lij, Cij, TNQLj ve MRSNj değerleri hesaplanmış ve MRSNj değerleri kullanılarak her bir faktörün seviye değerleri hesaplanarak Tablo 6’da verilmiştir. Tablo 6: Faktörlerin MRSN üzerindeki ana etkileri (The main effects of the factors on MRSN) FAKTÖRLER A B C D

SEVİYELER S1 8,53849 4,90641 7,70470 6,22747

S2 5,65113 6,19619 5,37142 6,15034

S3 5,65967 8,74669 6,77317 7,47148

MAKS.-MİN. 2,887 3,840 2,333 1,321

Bunların içinden en büyük değere sahip olan seviye, en iyi seviye olarak seçilir. Buna göre söz konusu ağırlıklar için en iyi faktör/seviye kombinasyonu A1B3C1D3 olarak bulunur. Görüldüğü gibi, tüm faktörlerin 2. seviyelerinden oluşan başlangıç kombinasyonundan çok farklı bir kombinasyon ortaya çıkmış ve hatta seçilen kombinasyonda 2. seviye değerleri hiçbir faktör için uygun bulunmamıştır. MRSN, çok yanıtlı problemler için performans istatistiği olarak kullanılmıştır. Deneyde bu performans ölçüsünün enbüyüklenmesi amaçlanmıştır. Bunların yardımıyla faktör etkilerinin analizi yapılarak hangi faktörün daha önemli ve bu faktörlere ait hangi seviyenin daha iyi olduğu bulunur. Bütün faktörlerin seviye değerleri belirlenir. Her kontrol faktörü için MRSN’de en büyük değere sahip olan seviye, o faktör için en iyi seviye anlamına gelmektedir. Buradan hareketle, en iyi faktör/seviye kombinasyonuna ulaşılmaktadır. Her faktörün seviyelerindeki değişmeler dikkate alındığında problem için en önemli faktörler belirlenebilir. Burada faktörlerin önem sırası dikkate alınarak bir sıralama yapıldığında faktörler B, A, C, D şeklinde sıralanırlar. En önemli faktör olan B faktörünün seviyesi değiştiğinde yanıtta da önemli bir değişme meydana gelecektir. Bu durum Şekil 5’te açıkça görülmektedir. Faktör seviyelerine göre hesaplanan en büyük ile en küçük değerler, arasındaki farklara göre sıralandığında, faktörlerin önem derecelerini ortaya çıkarmaktadır.

118

MRSN’de çok önemli etkiye sahip olmayan faktörlerin seviye değerleri arasında önemli bir fark yoktur. Diğer deyişle, yanıt değişkenleri üzerinde en az etkiye sahip olan faktör maks.-min. farkı en az olan faktördür. Uygulanan deneyde en az etkiye sahip faktör 1,321 değeri ile D faktörü olarak görülmektedir. Diğer faktörlerle kıyaslandığında etkisi azdır ama aslında değer etkisi azımsanamayacak kadar da büyüktür. Buradan çıkartılacak sonuç 4 faktörün de yanıt değişkenleri üzerinde önemli etkiye sahip olduğudur. 4.3.4.

Doğrulama deneyi (Validation experiment)

Başlangıç (deney öncesi) faktör/seviye kombinasyonu (üretim koşulları) ve deney verilerinin analizinden elde edilen faktör/seviye kombinasyonuna göre yapılan üretimden altışar deney numuneleri alınmış ve bunların yedi kalite karakteristiğine ait analiz değerleri ölçülmüş; iki farklı üretim koşulunda üretilen fermente maişe değerleri arasında çarpıcı bir farklılık bulunmuştur. Ayrıca bu değerlerin standart sapma ve değişim aralığı değerlerinde de azalma net olarak görülebilmekte ve yedi kalite karakteristiği için de çok daha iyi bir durum ortaya çıkmaktadır. Başlangıç koşullarından kasıt işletmede bugüne kadar alışılagelmiş koşullardır. Maya miktarı 700 gr, fermantasyon ısısı 33-34 oC derece, fermantasyon süresi 28-32 saat ve kullanılan üre miktarı 8 mg’dır. Seçilen kombinasyonda ise alışılagelmiş üretim koşullarından farklı olarak maya kullanımı 200 gr’a indirilmiş, fermantasyon ısısı arttırılarak 35-36 oC derecelere getirilmiş, fermantasyon süresi kısaltılarak 24-28 saat arasına indirilmiş, üre miktarı arttırılarak 16 gr.’a çıkartılmıştır. Aldehit ve metenol değerleri için ise istenen azalma sağlanmıştır. Tablo 7’deki sonuçlarda da görüldüğü gibi başlangıç üretim koşullarına göre gerçekleştirilen iyileştirme 3.588–(-0.004) = 3.562 birimdir(dB). Doğrulama deneyinin yapılmasıyla süreçteki iyileştirme açıkça görülmüştür. Taguchi Yöntemi’nin kullanılması sonucu daha avantajlı bir üretim faktörleri kombinasyonu ortaya çıkartılmıştır.

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

K. Baynal, İ. Gencel

Şekil 5: Faktörlerin MRSN üzerindeki etkileri (The main effects of the factors on MRSN) Tablo 7: Normalleştirilen kalite kayıplarına göre hesaplanan TNQL ve MRSN değerleri (The calculated values of MRSN and TNQL based on the normalized quality losses) ALDEHİT ESTER METENOL N-PROPONAL

ISO-BUTANOL ISO-AMİNOALKOL

DERECE

L1j 35,5000 15,5000

L2j 0,0228 0,0131

L3j 121,0000 44,8000

L4j 0,0625 0,0075

L5j 0,0602 0,0520

L6j 0,1800 0,0588

L7j 0,0000 0,0000

C1j 1,0000 0,4370

C2j 1,0000 0,5750

C3j 1,0000 0,3700

C4j 1,0000 0,1200

C5j 1,0000 0,8630

C6j 1,0000 0,3270

C7j 1,0000 0,4060

5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Endüstride zaman ve maliyet açısından bakıldığında da bilimsel metotların kullanılması bir zorunluluktur. Taguchi yöntemi, üründe ve süreçte, varyasyon oluşturan ve kontrol edilemeyen faktörlere karşı, kontrol edilebilen faktörlerin değerlerini optimal seçerek, ürün ve süreçteki varyasyonu en aza indirmeye çalışan bir deneysel tasarım yöntemidir. Bu yöntem; ürün kalitesinin gelişmesinde etkili olmasının yanı sıra, kalite geliştirmede çok daha az deneme ile aynı sonuçları alma imkanını sağlamaktadır. Çalışmada, suma üretimindeki fermantasyon süreci incelenmiştir. İşletmede, fermentasyon süreci ve onu etkileyen faktörler çok iyi bilinmesine rağmen bu faktörler kontrol altına alınamamakta ve sürekli deneme yanılma yöntemiyle yüzlerce deney yapılmaktaydı. Bu durumda hem tanklar tam kapasite ile kullanılamamakta hem de çok uzun işlem süresi nedeniyle ciddi bir zaman kaybı yaşanmaktaydı. Uygun olmayan ürün diğer ürünlerle paçallanmak zorundaydı. Taguchi deney tasarımı kullanılarak etkili olan faktörlerin en uygun seviyeleri analiz sonucu belirlendikten sonra üretim reçetesi (üretim parametreleri kombinasyonu) A1B3C1D3 SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

TNQLj 1,0000 0,4380

MRSNj -0,0040 3,5880

olarak oluşturulmuştur. Bu kombinasyonla tek seferde istenen sınır değerleri içinde ürünler üretilmeye başlanmıştır. Çalışmanın sonucunda Taguchi’nin en büyük avantajlarından biri olan az deneyle uygun kombinasyona ulaşmanın faydası işletmede ciddi derecede hissedilmiştir. Paçal tanklarına ve deney tanklarına ihtiyaç kalmadığı için bu tanklar stok tankı olarak kullanılabilir hale gelmiştir. Yöntemin en büyük dezavantajlarından biri, etkileşimlerin göz ardı edilmesi olmakla birlikte bu çalışmada amaçlanan hedef yani, istenen speklerde suma üretimi gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında rakı distilasyon aşamasında da benzer bir uygulama yapılabilir ve rakı üretimi de paçallanmaya gerek kalmadan gerçekleştirilebileceği öngörülmektedir.

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

C. Çelik, “Kalite geliştirmede tasarım eniyileme problemine Taguchi yöntemlerinin 119

K. Baynal, İ. Gencel

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9] [10]

[11]

[12]

[13] [14]

120

uygulanmasında sistematik bir yaklaşım”, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 1993. R.H. Loncher ve J.E. Matar, “Designing for Quality: An Introduction to tbe Best of Taguchi and Western Mehods of Statistical Experimental Design, First edition, Chapman and Hall, USA, (1990. R. Ünal ve E.B. Dean, “Taguchi Approach to Design Optimization for Quality and Cost: An Overwiev”, Annual Conference of the Int. Society of Parametric Analysts, 1991. Ş. Kasap, “F-4 savaş uçaklarında yakıt tüketimini etkileyen faktörlerin 2k deneyleri ve Taguchi yöntemiyle belirlenmesi”, Yüksek lisans tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 2005 S. Koç, “Kritik ünitelerin performansını etkileyen faktörlerin deneysel tasarım yöntemi ile optimizasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, F.B.E., Adana, 2003. D.C. Montgomery, “Introduction to Statistical Quality Control”, John Wiley&Sons Inc., Canada, 1997. A. Mitra, “Fundemantels of Quality Control and Improvement”, Macmillian Publishing Company, 1993. K.R. Bhote, “World Class Quality”, Second edition, American Management Association, 1991. J. Krottmaier, “Optimizing Engineering Design”, McGraw-Hill Book Company, 1993 Ö. Keleş, “Matkap uçlarının ark PVD ile TİN kaplamasında proses parametrelerinin taguchi metodları ile optimizasyonu, Yüksek lisans tezi", İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1996. B. Graessel ve P. Zeidler, “Using quality function deployment to improve customer service”, Quality Progress, Vol.19, No:2, s.1923, 1993. C. Özler, “Cevap yüzeyi yöntemlerinin süreç iyileştirme amacı ile kullanılması üzerine bir arastirma, Doktora tezi", Dokuz Eylül Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü, İzmir, 1997. T.B. Barker, “Quality By Experimental Design”, Marcel Dekker Inc., 1994. K. Baynal, “Çok yanıtlı problemlerin taguchi yöntemi ile eniyilenmesi ve bir uygulama, Doktora tezi", İstanbul Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, İstanbul, 2003.

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

[15]

C.H. Kağnıcıoğlu, “Üretim öncesi kalite kontrolünde taguchi yöntemi ve kükürtdioksit giderici sitrat yöntemine uygulanması, Doktora tezi", Anadolu Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü, 1998.

[16]

G. Taguchi, S. Chowdhury ve S. Taguchi, “Robust Engineering: Case Studies”, McGraw-Hill, 1999. H.H. Lai, Y. Chang ve H. Chang, “A robust design approch for enhancing the feeling quality of a product: a car profile case study”, Int. Journal of Industrial Ergonomics, Vol. 169, s.10-16, 2004. S.A.H. Lim, J. Antony ve S. Albliw, “Statistical Process Control (SPC) in the food industry - A systematic review and future research agenda”, Trends in Food Science & Technology, Vol.37, s.137-151, 2014. A.Király, L. Dobos ve J. Abonyi, “Economic oriented stochastic optimization in process control using Taguchi’s method”, Optim Eng, Vol. 14, s.547–563, 2013, DOI 10.1007/s11081-013-9237-3. M. Pınarbaşı, , Ç. Sel, , H.M. Alağaş ve M. Yüzükırmızı, “Integrated definition modeling and Taguchi analysis of flexible manufacturing systems: aircraft industry application”, Int J Adv Manuf Technol., Vol.68, s.2169–2183, 2013, DOI 10.1007/s00170-013-4829-9 Y.Ş. Yıldız, E. Şenyiğit, Ş. İrdemez, “Optimization of specific energy consumption for Bomaplex Red CR-L dye removal from aqueous solution by electrocoagulation using Taguchi-neural method”, Neural Comput & Applic, Vol.23, s.1061–1069, 2013, DOI 10.1007/s00521-012-1031-1 A.Z. Gómez ve W.A.S. Castro, “Improving the quality of soluble coffee using the Taguchi method”, Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 22, No.1, s. 116-124, 2014. Al-Darrab, I.A., Khan, Z.A., Ishrat, S.I. (2009) ”Determination of Optimum Level of Factors for Producing High-Quality Biscuits Using the Taguchi Method”. Journal of Culinary Science & Technology., Vol.7, No.2-3, s.105-118, DOI:10.1080/15428050903313366 M. Yadegary, A. Hamidi, S.A Alavi, E. Khodaverdi, H. Yahaghi, S. Sattari, G. Bagherpour ve E. Yahaghi, “Citric Acid Production From Sugarcane Bagasse through Solid State Fermentation Method Using

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

Taguchi yönteminin gıda sektöründe çok yanıtlı problemin eniyilemesinde uygulanması

[25]

[26]

[27]

Aspergillus niger Mold and Optimization of Citric Acid Production by Taguchi Method”, Jundishapur J Microbiol. November; 6(9):e7625, 2013, DOI:10.5812/jjm.7625 N. Tuncer, “Alkol endüstrisi, etil alkolün tarihçesi ve üretim prosesleri”, Lisans Tezi, Cumhuriyet Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi, Sivas, 2002. N. Aktan ve H. Kalkan, “Distile Alkollü İçkiler Teknolojisi”, Ege Üniversitesi, İzmirBornova, 1999. S.S. Madaeni ve S. Koocheki, “Application of taguchi method in the optimization of wastewater treatment using spiral-wound

SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 1. Sayı, s. 107-121, 2015

K. Baynal, İ. Gencel

[28] [29]

[30]

reverse osmosis element”, Chemical Engineering Journal, Vol.119, s.37-44, 2006. Doğan, Ü. “Kalite Yönetimi ve Kontrolü”, İstiklal Matbaası, İzmir, 1991. http://www.mersin.edu.tr/meitamx/meitam/ci hazlar-ve-ozellikleri/gaz-kromatografisi-gc[12.09.2014] L.I. Tong, C.T.Su ve C.H. Wang, “The optimization of multi response problems in the taguchi methods”, Int. Journal of Quality&Reliability Management, Vol.14, No.4, s. 367-380, 1997.

121

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