editor ve yayın kurulu - Fen Bilimleri Enstitüsü
Transkript
editor ve yayın kurulu - Fen Bilimleri Enstitüsü
BALIKESİR ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ Cilt 16 Sayı 1 Haziran 2014 ISSN 1301-7985 Journal of Balikesir University Institute of Science and Technology Volume 16 Number 1 June 2014 ISSN 1301-7985 BALIKESİR ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ CİLT: 16 SAYI: 1 Haziran 2014 ISSN 1301-7985 Sahibi Balıkesir Üniversitesi Adına: Prof. Dr. Mahir ALKAN Balıkesir Üniversitesi Rektörü Editörler : Yrd. Doç. Dr. Fırat EVİRGEN Doç. Dr. Hasan TUNER Fen Bilimleri Enst. Md. Yrd. Fen Edebiyat Fakültesi Öğretim Üyesi Yayın Kurulu : Prof. Dr. Cihan ÖZGÜR Doç. Dr. Zafer ASLAN Doç. Dr. Hüseyin KÜÇÜKÖZER Yrd. Doç. Dr. Fırat EVİRGEN Yrd. Doç. Dr. Arzu GÜMÜŞ PALABIYIK Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enst. Müdürü Balıkesir Üniversitesi Müh. Mim. Fakültesi Öğr. Üyesi Balıkesir Üniversitesi Necatibey Eğitim Fakültesi Öğr. Üyesi Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enst. Md. Yrd. Balıkesir Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Öğretim Üyesi Dergide yayımlanan makaleler izin alınmaksızın başka hiçbir yerde yayımlanamaz. Yazışma Adresi: Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Çağış 10145, Balıkesir Tel: (0266) 612 10 77 Faks: (0266) 612 10 78 Elektronik Posta: fbedergi@balikesir.edu.tr Web: http://fbe.balikesir.edu.tr/dergi/ BALIKESİR ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ CİLT: 16 SAYI: 1 Haziran 2014 ISSN 1301-7985 İÇİNDEKİLER: Kaynaşlı (Düzce) TOKİ Yerleşim Alanı Zeminlerinin Geoteknik Özelliklerinin Jeofizik ve Geoteknik Yöntemlerle Araştırılması 1-13 Ali ATEŞ, Burak YEŞİL, Baran TOPRAK Rahmanlar Aglomerası’na (Yağcılı/Manisa) Ait İnce Taneli Malzemelerin Jeoteknik Özellikleri ve Düzenli Katı Atık Sahalarında Kullanılabilirliği 14-26 Ali Kamil YÜKSEL, Ahmet ÇONA Marmara Bölgesi' ndeki Hava Kirliliğinin Modellenmesi, Kirlilik Azaltımı ve Maruziyet Analizi 27-46 Alper KILIÇ, Serdar KUM, Alper ÜNAL, Tayfun KINDAP Bazı Sudan Boyalarının Lineer, Lineer Olmayan Optik Özellikleri ve Kuantum Kimyasal Parametreleri 47-75 Aslı EŞME, Seda GÜNEŞDOĞDU SAĞDINÇ Türkiye’nin Kentsel Dönüşüm Deneyiminin Tarihsel Analizi 76-88 M. Serhat YENİCE Kayış Mekanizmalarında Kayma Olayının Deneysel Analizi M. Nedim GERGER, Ali ORAL, Bülent TANIR 89-97 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 1-13 (2014) Kaynaşlı (Düzce) TOKİ Yerleşim Alanı Zeminlerinin Geoteknik Özelliklerinin Jeofizik ve Geoteknik Yöntemlerle Araştırılması Ali ATEŞ1, Burak YEŞİL2*, Baran TOPRAK3 Düzce Üniversitesi, Teknoloji Fak., İnşaat Müh. Bölümü, Konuralp/DÜZCE Düzce Üniversitesi, Düzce MYO, İnşaat Teknolojisi Bölümü, Merkez/DÜZCE 3 Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fak., İnşaat Müh. Bölümü, Beşevler/ANKARA 1 2 Özet Kaynaşlı ilçesinde yapılaşmaya açılacak alanda yer mühendislik özelliklerinin ortaya çıkartılması amacı ile jeofizik, jeolojik ve goteknik yöntemler birlikte kullanılmış ve zemin geoteknik özellikleri araştırılmıştır. Kaynaşlı (Düzce), Kuzey Anadolu Fay zonunun önemli segmentlerinden Mudurnu cıvarında 2 kola ayrılan Düzce fayının Kuzey segmenti Zonunda yer alan, birinci derece deprem bölgesi niteliklerine sahip bir Pliyo-Kuvaterner çökelme alanıdır. Son otuz yıl içinde 1999 12 Kasım deprem öncesine kadar çarpık ve hızlı yapılaşmaya maruz kalmıştır. Çalışma alanı, Kaynaşlı Havzası’nın etrafında bulunan Dağlardan kaynaklanan kalın alüvyon yelpazelerle (Kuvaterner) örtülmüştür. Yerleşim alanı birinci derece deprem bölgesinde yer alması ve ilçenin aktif faylar tarafından kesilen alüvyon yelpazeler üzerinde gelişmiş olması nedeniyle deprem tehlikesiyle karşı karşıya kalmış bir durumdadır. Kaynaşlı alüvyon zemini zayıf jeo-mühendislik parametrelerine sahiptir. Bu nedenle kuvvetli yer hareketleri (M>5.0) sırasında olumsuz zemin-yapı etkileşimine yol açmaktadır. Araştırmada, sahanın yaklaşık 4-12m’lik kalınlığının ayrıntılı zemin kesitleri ölçülmüş, iri ve ince taneli alüvyal çökelim birimlerinin yanal ve düşeyde kalınlık değişimleri saptanmıştır. Çalışmalar yüzeyde yer alan üst toprak zeminle beraber altta yer alan birbirine geçişli olan formasyonların bulunduğunu göstermiştir. Üst zeminde kalınlığı 1.0 m civarında değişen bitkisel toprağın altında kalınlığı 5-8 m arasında değişen siltli kum ve çakıldan oluşan alüvyon tabakası bulunmaktadır. Bu tabakanın altında ise konkordans olarak çakıl ve siltli kum katmanları yer almaktadır. Arazide Standart Penetrasyon Testi (SPT) ve sismik kırılma çalışması yapılmış, laboratuar deneyleri ile zemin örneklerinin fiziksel-mekanik özellikleri belirlenmiştir. Elde edilen geoteknik parametreler ve jeolojik gözlemler sonucu Çalışma alanının sığ geoteknik haritası hazırlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Geoteknik özellikler, taşıma gücü, Kaynaşlı ilçesi (Düzce) * Burak YEŞİL, burakyesil@duzce.edu.tr, Tel: (380) 524 00 99/7133 1 ATEŞ A., YEŞİL B., TOPRAK B. Techniques for Geophysical and Geotechnical Geotechnical Investigation of Characteristics of Kaynaşlı (Düzce) TOKİ Residential Area Soils Abstract The study has been undertaken at Kaynaşlı town of Duzce. The study was aimed at evaluating the competence of the nearsurface formations as foundation materials. Geophysical and geotechnical methods of investigations were adopted. Kaynaşlı (Duzce) is a Pliyo-Quaternary depositional area and located on the central segment of the Duzce Fault Zone, which is one of the most active seismotectonic belt of the Western Anatolia. Kaynaşlı (Duzce) urban area was developed, as the consequence of rapid and massive construction continued during the last 30 years, towards the north, the west and soutwest of Duzce. The investigated area located at the eastern margin of the Duzce Basin. This structure is covered by thick alluvial fan deposits (Quaternary), originated at the Kaynaşlı Mountain, to the urban arae. Negative soil-structure interaction revealed, during the strong ground motions (M>5.0) due to the poor geoengineering properties of the Kaynaşlı alluvial soil. In this research, detailed soil sections of the upper horizon (approx. 4-12 m), lateral and vertical changes in thickness of coarse and fine grained alluvial depositional units were measured. The seismic refraction and vertical electrical soundings were performed at 12 points and seismic and electrical studies were conducted at the same points. The undisturbed and disturbed samples were collected at every 1.5 m in the boreholes. The geophysical results revealed to distinct geoelectric sequences which consist of topsoil and interchaled formation beneath it. Top soil consists of organic layer about 1.0 m of depth at the surface and silty clay with thickness of 5-8 m. Gravel and silty clay layers were placed concordanity below the top soil. Geotechnical laboratory tests exerted on soil samples to obtain physical and mechanical properties. Shallow geotechnical mapping of the research area was prepared depending on the geotechnical tests results and geological features observed in field. Keywords: Geotechnical properties, bearing capacity, Kaynaşlı district (Düzce) 1. Giriş Ülkemizin büyük bir bölümü deprem kuşağında bulunmaktadır. Düzce, tarih boyunca maruz kaldığı depremlerde çok büyük can ve mal kaybına uğramıştır. Ancak, 12 Kasım 1999 depreminden sonra can ve mal kaybını en aza indirmek için Düzce Belediyesi ile Düzce Bayındırlık İl Müdürlüğü ortak bir çalışma başlatmıştır. Bu çalışma ile Düzce’de inşa edilen yapılarda bir kalite standardına ulaşılmaya çalışılmaktadır. Bu aşamada sadece kullanılan malzeme ve betonun miktar ve kalite bakımından yeterli olup olmadığı, inşaatın her aşamasında titizlikte kontrol edilmekte ve gerekli laboratuar deneyleri ile test edilmektedir. 2 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 1-13 (2014) Gösterilen bu duyarlılık yapıların projelendirilmesi aşamasında gösterilmediği sürece, amaçlanan hedefe ulaşılması mümkün değildir. İyi bir projelendirme için zemin-yapı etkileşiminin, dolayısıyla da zeminin geoteknik özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, Düzce Kaynaşlı ilçesinde TOKİ konutları için inşası planlanan alanda zemin özellikleri araştırılmıştır. Son yıllarda büyük ve devasa mühendislik yapılarının planlanması ve geniş alanlar tutması nedeniyle arazi çalışmalarına dayalı yöntemlerin maliyet açısından pahalı olmasıyla tamamlayıcı ve maliyet açısından daha ucuz yöntemler olan jeofiziksel yöntemlerin kullanılmasını gerekli kılmaktadır. Bundan dolayı bu çalışmada jeofizik ve geoteknik yöntemler bir arada olmak üzere Kaynaşlı TOKİ alanında yapılması planlanmış inşaat alanında her iki yöntem kullanılmış ve temel zeminin geoteknik özellikleri araştırmıştır. 2. Konu İle İlgili Önceki Çalışmalar Planlanan mühendislik yapıları eğer geniş bir alanı kaplıyorsa somut verilere dayanan diğer bir ifade ile örselenmiş ve örselenmemiş numune almayı içeren arazi deneyleri zaman almakla beraber aynı zamanda ekonomik olarak da pahalıya mal olmaktadır. Bunun için hem arazide geniş alanları ön etüd amacıyla taramak hem de arazi ve laboratuvar çalışmalarını pratikleştirmek ve tamamlayıcı olarak katkıda bulunmak amacıyla geoteknik ve jeofizik yöntem ve bulguların beraber kullanılmasının faydalı olduğu düşünülmektedir. Bu konuda Tonyalı ve Yıldırım [1] geoteknik ve jeofizik yöntemleri birlikte kullanarak zeminlerin özelliklerinin taşıma gücü ve oturma analizini temel alan yöntemlerin irdelenmesi ile ilgili olarak bir çalışma yapmışlardır, ve çalışma sonunda incelenen temel tipi ve boyutları için sismik yöntemlerle elde edilen nihai ve emniyetli taşıma gücü değerlerine göre yapısal analiz gerçekleştirmek yerine, bu verileri ön inceleme ve fizibilite aşamalarında değerlendirmenin daha faydalı olacağını belirtmişlerdir. Buna ek olarak, jeofizik yöntemlerin geniş çaplı arazi incelemelerinde, geoteknik çalışmaları kolaylaştırmak ve maliyetleri düşürmek maksatlı kullanılmasının uygun olacağını ilave olarak belirtmişlerdir. Buna benzer bir çalışma olarak Yalova ve Ankara’nın Nallıhan ilçesine bağlı Çayırhan beldesinde, Kurtuluş ve Bozkurt [2,3] her iki yöntemi beraber uygulamışlar ve çalışma sonucunda zeminin yapılaşmaya uygunluk açısından yer mühendislik özelliklerini ortaya koymuşlardır. Sismik yöntemler kullanılarak bulunan nihai taşıma gücünün, kendi içinde ve diğer metotlar kullanılarak elde edilen değerlerle yeterince uyumlu olmadığını ortaya koymuşlardır. Sismik yöntemler içinde, laboratuar ve arazi deney sonuçlarıyla analiz yapan yöntemlere en yakın sonuçların, kayma dalgası hızlarını kullanarak hesaplama yapan yöntemler olduğunu ortaya koymuşlardır. 3. Materyal ve Metot 3.1. Çalışma alanı Düzce İli, Kaynaşlı İlçesi, 1 Pafta ve 294,295, 596 Parselinde 16.656,44 m2 inşaat alanında yapılacak olan 2B+Z+4 katlı 110 konutluk TOKİ inşaat alanının zemin özelliklerini belirlemek amacıyla Jeolojik, Jeofizik ve Jeoteknik zemin ölçümleri yapılmıştır. Çalışma alanı Düzce iline 15 km mesafede, D-100 karayoluna doğu-batı 3 ATEŞ A., YEŞİL B., TOPRAK B. uzanımlı olup bu karayolun güney ve kuzeyi boyunca yayılmış durumdadır. Bu çalışma alanıyla ilgili yer bulduru haritası Şekil 1 ve uydu görüntüsü Şekil 2’de verilmiştir. Şekil 1. Çalışma alanını (Düzce) yer bulduru haritası. Şekil 2. Çalışama alanı uydu görüntüsü [4] Yeraltı suyu konusuna gelince, çalışma alanında, mevsimlere bağlı olarak yüzeysel sular görülmekle beraber yeraltı suyuna rastlanılmamıştır. 3.2. Çalışma alanının jeolojisi Düzce jeolojik bakımdan IV. Zaman (kuarterler) alüvyon teşekküllerini kapsamaktadır. Alüvyon malzemeler akarsular boyunca oluşmuştur. Ova genel olarak toprak arazi ile kaplıdır. Yamaç, arazi ve tepelerde yer yer volkanik, andezit ve diyabaz kayalar ile kesilmiştir. Çalışma alanında, kuvaterner yaşlı alüvyonlar gözlenmektedir ve geniş yayılım gösteren ince elemanlı alüvyonlar, küçük boyutlu, çakıllı, kumlu, siltli, killi, az bloklu, yanal ve düşey geçişli seviyeler birbirleri içinde merceklenmeli, kamalanmalı, gevşek ve tutturulmamıştır (Şekil 3). Çalışma alanının olduğu bölgelerde yaklaşık 1.00m kalınlığında dolgu ve toprak yüzlek verir. Açılan sondajdan alınan örneklerin gözle yapılan tanımlamalardan yukarıdan aşağıya doğru; az kumlu siltli kil, siltli kil kum, siltli iri kumlu kil çakıl, iri kum çakıl serileri geçmektedir [5]. Bölgenin kuzeydoğu kısmında da kalker örtülerine rastlanmıştır. Çalışma alanı birinci derece deprem kuşağı üzerinde bulunmaktadır. 4 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 1-13 (2014) Şekil 3. Çalışma alanının jeoloji haritası [5] 3.3. Materyal ve yöntem Çalışma alanından zemin profili ve zemin özelliklerini belirlemek amacı ile statik ve temel mühendislik çalışmaları için gerekli olan parametrelerin belirlenmesine yönelik olarak toplan derinliği 220 m olan, 11 adet örnek noktasında alüvyon zemini oluşturan kumlu çakıl tabakalarından örselenmiş örnek, ince taneli siltli çakıllı kum merceklerinden ise örselenmemiş zemin örneği, silindirik tüp numune alıcılar ile açılmış olan temel çukurlarından alınmıştır (Şekil 4) [6]. Şekil 4. Çalışma alanı sondaj dağılımı [7] 5 ATEŞ A., YEŞİL B., TOPRAK B. Sahada gerçekleştirilen sondajlarda her 1.5 m’de bir SPT testleri ile örselenmiş numune ile belirli seviyelerden örselenmemiş (UD) numuneler alınmış ve kuyu içlerinde Standard Penetrasyon Testi uygulanmıştır (Şekil 5) [7]. Bu test ile dış çapı 50.00 mm iç çapı 34.90 mm olan Standard yarık tüp 63.50 kg ağırlığında bir tokmak ile 76.20 cm yükseklikten serbest olarak düşürülmüş ve zemine 15’er cm olarak 3 giriş (45 cm) için vurulması gereken darbe sayıları saptanmıştır. Şekil 5. Çalışma alanında SPT sondaj çalışması Sondajların tamamlanmasından 24 saat sonra yeraltı suyu ölçümleri yapılmış ve açılan sondaj kuyularında yeraltı suyuna rastlanmamıştır. Alüvyon malzemenin jeofizik parametreleri; P ve dalga hızı ve (VP) ve S dalga hızı (VS) sismograf cihazıyla sismik kırılma yöntemi uygulanarak belirlenmiştir. Çalışma alanında 3 adet sismik 2 adet resitivite çalışması yapılmıştır. Ölçüler karşılıklı atış yapılarak alınmış olup, serim boyu 24 m, jeofon aralığı 2m ve atış noktası ile ilk jeofon arası uzaklık (offset) 2 m olarak belirlenmiştir. Jeofon kuplajı toprak tabakasının üst kısmı 15-20 cm olarak kazınıp jeofonların zemine iyice sıkıştırılması ile sağlanmıştır. Enerji kaynağı olarak 10 kg’lık bir balyoz kullanılmış ve sismik P dalgaları yere iyice oturtulmuş bir çelik levha üzerine bu balyozun impulsif vuruşu ile gerçekleşmiştir. S dalgaları ise yere oturtulmuş ve üzerine arazi aracı çıkartılarak sabitlenmiş ahşap bir kütüğün iki ucundan balyozla vurarak oluşturulmuştur [8]. Düşey elektrik sondaj çalışmasında maksimum 450 volt potansiyele sahip Geotron tipi dijital çıkışlı sığ resistivite cihazı kullanılmıştır. Açılan 11 temel araştırma sondajlarının değişik derinliklerinden alınan örselenmemiş zemin örnekleri naylon torbalara konarak derhal laboratuara gönderilmiş ve çeşitli testlere tabi tutulmuştur [9,10]. Laboratuarda ise; granülometri, tane birim hacim ağırlığı (ɤ), kıvam limitleri (WL, WP, PI) geçirgenlik (k), porozite (n), boşluk oranı (e), doygunluk yüzdesi (Sr), rölatif sıkılık (Dr), konsolidasyon katsayısı (Cv), hacimsel sıkışma katsayısı (Mv) gibi fizik parametreler ile maksimum kuru birim hacim ağırlığı (ɤkmax), optimum su içeriği (wopt), kohezyon (c) ve içsel sürtünme açısı (ϕ) gibi geoteknik özellikler belirlenmiştir [9,10]. Bu değerlerden elde edilen sınır taşıma gücü değerleri ise aşağıda şekilde (Eş.4) hesaplanmıştır [11,12,13]. Buna göre, qu = K1cN c + γ 1 D f N q + K 2γ 2 BN γ (4) 6 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 1-13 (2014) Alüvyon malzemenin (kumlu çakıl ve siltli kum) gevşek veya orta sıkı zemin sınıfında olması nedeniyle bölgesel kayma kırılması durumu kabul edilmiştir. Bu amaçla drenajsız kesme kutusu deneyi ile elde edilen kohezyon değerleri yerine, azaltılmış değerler olan c* =(2/3)c değerleri, içsel sürtünme açısı (ϕ) değerleri yerine de azaltılmış değerler olan ϕ*=(2/3)tan ϕ değerleri kullanılmıştır. Temel sistemi ve genişliği olarak, B=1.5 m genişlikli sürekli temel alınmıştır. Bu durumda temek şekil katsayıları, K1=1, K2=0.5 olarak alınmıştır. Yeraltı suyunun temel zeminine etkisi olmadığı kabul edilmiş ve ortalama doğal birim hacim ağırlık kumlu çakıl birim için ɤn=1.55 gr/cm3, siltli kum birim için ɤn=1.60 gr/cm3 alınmıştır. Örnekler temel çukurunda temel taban seviyesinde alındığı için düşey efektif gerilme (Po'=ɤ.Df=0 olarak kabul edilmiş ve güvenlik katsayısı (GS) 3.5 olarak alınmıştır ve örnek bir çalışma yapılmıştır [14]. 4. Arazi Çalışmalarının Bulguları Çalışma alanının özelliklerini ortaya koymak amacı ile yapılan sismik kırılma çalışmaları sonucunda VP1: 400-722 m/sn ve VS1: 210-533 m/sn hız değerine sahip, yüzeyden itibaren derinliği yer yer 2.19-2.75 m civarında değişen gevşek örtü tabakasının varlığı tespit edilmiştir. Örtü tabakasının altında VP2:1067-1377 m/sn ve VS2:438-1687 m/sn arasında hız değerine sahip tabaka siltli kil tabakası olarak değerlendirilmiştir. Sismik hızların ampirik bağıntılarda kullanılması ile bulunan dinamik zemin parametreleri Tablo 1’de verilmiştir. Tablo 1. VP ve VS dalga hızlarına göre hesaplanan zemin dinamik elastik parametreleri. Serim VP VS d E G h No (m/s) (m/s) (gr/cm3) (kg/cm2) (kg/cm2) 451 210 1.7 748 2061 2,75 S1 1067 438 1.93 3696 10440 722 533 1.73 2811 994 2.24 S2 1377 1687 2.01 13579 4700 400 439 1.68 1667 608 2.19 S3 1230 1647 1.99 11988 4151 Tablo 1 (devam). VP ve VS dalga hızlarına göre hesaplanan zemin dinamik elastik parametreleri. K (kg/cm2) 2836 19826 5469 40824 2153 35596 d= KS (kg/cm2) 774 1489 1039 2095 678 1949 16 + (0.002V p ) Oturma (cm) 1.86 0.62 1.59 0.55 2.07 0.58 qS (kg/cm2) 0.85 1.44 0.99 1.65 0.77 1.55 10 Zemin Büyütmesi 2.12 1.4 1.91 1.15 2.22 1.2 To (sn) 0.48 0.43 0.46 (5) 7 ATEŞ A., YEŞİL B., TOPRAK B. ( 2 )( dVs E= 2 2 2 100 3V p + 4Vs V p − Vs ) (6) 2 0.5T1V p1V p 2 d1Vs1 G= h= 100 V p12V p 22 (7) 4 d V p 2 − Vs 2 3 K= 100 (8) 0.02d1Vs1 10 (9) qs = Yapılan sismik kırılma çalışması sonucu elde edilen VP ve VS hızları değerlendirildiğinde, yerel zemin sınıfı Z3 olarak bulunmuştur (Tablo 2). Çalışma alanında yer alan birimlere ait yataklanma katsayısı (Eş.10) aşağıdaki eşitlik ile hesaplanmıştır. V 40 p1 (100qs1 ) V K s = s1 10 (10) Buna göre yataklanma katsayısı 1. Katman için Ks=678 ton/m3 ve 2. tabaka için ise Ks=2095 ton/m3 olarak bulunmuştur. Tablo 2. Deprem yönetmeliğine göre zeminlerin sismik sınıflandırılması [15]. Deprem Yönetmeliğine Göre Yerel Zemin Sınıflaması Z1 Çok Sıkı Zemin Z2 Sıkı-Katı Z3 Orta Sıkı- Bozuşmuş Z4 Gevşek-Yumuşak VS (m/sn) >700 400-700 200-400 <200 Ta-Tb (sn) 0.10-0.30 0.15-0.40 0.15-0.60 0.20-0.90 Vp/Vs 1.5-2.0 2.0-2.5 2.5-3.0 3.0-10.0 Gs (kg/cm2) >10000 3000-10000 600-3000 <600 Ed (kg/cm2) >30000 10000-30000 1700-10000 <1700 qs (kg/cm2) 10-100 3-10 1-3 <1 4.1. Elektrik özdirenç bulguları Jeofizik resistivite düşey kesitlerde görülen düşük resistivite değerleri (11.24-16.58 ohm), yeraltı suyu olanakları açısından zayıf kısımları, yüksek resistivite değerleri (27.87-36.28 ohm) kesimler ise çakıllı, kumlu sert kıvamlı siltli kil tabakası olarak yorumlanmıştır. 4.2. Geoteknik bulgular Çalışma alanında yapılan sondaj çalışmasında alınan örselenmiş (SPT) ve örselenmemiş (UD) numuneleri üzerinde yapılan su içeriği deneyi sonucunda (Wn) %17.20-24.60 arasında bulunmuştur. Bu çalışmada zeminin doğal su içeriğinin göreceli olarak düşük olduğunu ve neminin doğal haldeki durumunda bulunduğunu göstermektedir. Çalışma alanında sondaj çalışmasında her 1.5m derinlikte yapılan Standard Penetrasyon Testinde 8 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 1-13 (2014) (SPT-N) alınan örselenmiş numuneler ile örselenmemiş (UD) numuneler üzerinde laboratuarda yapılan elek analizi deneyi sonucunda elde edilen % çakıl, kum, silt ve kil değerleri Tablo 3’de verilmiştir. Zemin iyi derecelenmiş olarak olarak sınıflandırılmıştır. Tablo 3’den de görüleceği gibi zemin genellikle ince taneli formasyonlardan (% 67.45-85) oluşmaktadır. Tablo 3. Elek analizi sonuçları Çakıl (%) Kum (%) Kil ve silt (%) 0.0-7.98 10.0-24.83 68.75-85 Zemin örneklerinin likit limitleri % 31 ile 47, Plastik Limitleri % 14 ile 24 ve Plastisite İndisleri ise % 13 ile 25 arasında değişmektedir. Genel olarak yüksek likit ve plastik limite sahip olan zeminler zayıf temel materyaller olarak kabul edilir. Bununla beraber plastiklik indisi % 20’nin altında olan zeminler iyi mühendislik özelliği gösterir. Test yapılan zemin örneklerinin kıvamlılık İndisi IC=0.64-1.16 olarak bulunmuştur. Bu değer zeminin “sıkı-çok sert” olduğunu belirtmektedir. Test yapılan zemin örneklerinin ortalama zemin sıkışabilirliği CC=0.20-0.39 “orta sıkışabilir” olarak tespit edilmiştir. Ortalama zemin plastisitesi PI=13-25 olarak bulunmuştur. Plastisite indisine göre şişme derecesi “orta” ve şişme yüzdesi “10-23” olarak bulunmuştur [16]. Elde edilen zemin verileri değerlendirilmiş ve zemin sınıfı CL olarak belirlenmiştir. Kuru dayanım “ortayüksek” genleşme özelliği “yok-çok yavaş”, sağlamlık “orta” olarak belirlenmiş olup, kohezyon (c) 21-51 kPa, içsel sürtünme açısı (ϕ), 6-11 olarak bulunmuştur. 4.3. Zemin taşıma gücünün değerlendirilmesi Çalışma alanında yer alan zeminlere ait taşıma gücü hesapları, SK-1 (2.00-2.5 m) ve SK-5 No’lu (4.00-4.5 m) sondajlarda siltli kil tabakasından belirtilen derinliklerden alınan örselenmemiş numuneler üzerinde yapılan üç eksenli basınç dayanımı deneylerinden yararlanarak hesaplanmıştır. Buna göre; yüzeysel temeller için nihai taşıma gücü temel kazı derinliğinin (Df) 1.50 m olması, temel genişliği (B) 1.00m olması ve mütemadi temel tipi seçilmesi durumunda zeminin kıvam ve dayanım özellikleri dikkate alındığında zemin emniyet gerilmesi (qall); 1.4 ≤ qall ≤ 1.7 kg/cm2 arasında, temel kazı derinliğinin (Df) 3.00m olması durumunda ise, 1.57≤ qall ≤ 1.75 kg/cm2 arasında bulunmuştur. Baskın periyodu 1/1 1.5 ve 1.5 katsayıları ile çarpılarak, “yapı doğal periyotlarının”ın yer almaması gereken “amplifikasyon bölgesinin” nin To;0.50 s için; To1=0.67*0.50=0.34 ve To2=1.50*0.50=0.75 arasında olduğu bulunmuştur. Jeofizik ve geoteknik sonuçlar çalışma alanında üstte siltli kil ve kumdan oluşan 5-7 m kalınlığında alüvyon ile onun altında yanal geçişli siltli kil ve çakıl tabakalarının diskordans olarak bulunduğunu göstermiştir. Geoteknik sonuçları göreceli olarak zeminin düşük su içeriğine sahip olduğunu, plastisite indisine göre zeminin şişme derecesinin orta ve şişme yüzdesinin % 10-20 olduğu bulunmuştur. Yukarıdaki sonuçlara göre çalışma alanında, zeminde meydana gelebilecek deformasyonları engellemek için temel kazı derinliğinin en az 1.50-2.0 m’ye indirilmesi, doğal zeminden itibaren 80-130 cm iri malzeme doldurarak 20-30 cm tabakalar halinde kademeli olarak en az % 95 proktor sağlayacak şekilde sıkıştırılması, her kademede düzenli olarak sıkışma kontrolünün yapılması, sıkışmış bu dolgu tabakası üzerine 20 cm grobeton dökülmesi ve uygun temel sisteminin bunun üzerine inşası uygun görülmektedir. 9 ATEŞ A., YEŞİL B., TOPRAK B. Çalışma alanının zemin özellikleri Tablo 4’de bu özelliklere göre elde edilen çalışma alanının sığ geoteknik haritası Şekil 8’de verilmiştir. Tablo 4. Çalışma alanında yer alan zeminlerin indeks özellikleri. SK-1 SPT 1,50-1,95 21.71 CL Atterg Sıkışma Kıvamlılık Limitleri İndici İndisi LL PI PI (Cc) (Ic) (%) (%) (%) 47 22 25 1.04 SK-1 SK-1 SK-2 SK-2 SK-2 SK-2 SK-2 SK-3 SK-4 SK-4 SK-5 SK-5 SK-8 SK-8 SK-8 SK-8 SK-9 SK-9 SK-9 SK-9 SK-9 SK-10 SK-10 SK-10 SK-10 SK-10 SK-10 SK-11 SK-11 SK-11 UD SPT SPT UD SPT SPT SPT SPT SPT UD SPT SPT UD SPT SPT SPT SPT UD SPT SPT SPT SPT UD SPT SPT SPT SPT SPT SPT SPT 2-2.5 3-3.45 1.5-1.95 3-3.45 7.5-7.95 10.5-10.95 9-9.45 1.5-1.95 3-3.5 1.5-1.95 6-6.45 2.5-3 3-3.45 7.5-7.95 10.5-10.95 1.5-1.95 2-2.5 3-3.45 9-9.45 13.5-13.95 1.5-1.95 2.5-3 3-3.45 6-6.45 12-12.45 15-15.45 1.5-1.95 3-3.45 7.5-7.95 21.87 21.59 23.15 22.86 16.09 17.75 14.95 19.05 - CL CL CL CL CL SC GC SC SC CL SC SC CL CL CL CL CL SC CL CL CL CL CL CL SC CL CL CL CL CL 43 42 43 42 38 33 28 39 31 38 29 28 40 38 40 38 40 33 36 45 47 40 38 42 36 38 29 45 42 40 Sondaj Numune No Derinlik (m) Su Zemin İçeriği Sınıfı (%) 10 20 19 22 20 19 17 15 18 16 21 15 16 19 22 21 17 22 16 20 22 24 21 18 20 17 16 15 23 21 20 23 23 21 22 19 16 13 21 15 17 14 12 21 16 19 21 18 17 16 23 23 19 20 22 19 22 14 22 21 20 0.0398 - 1.0 0.91 0.95 0.90 1.15 1.18 1.07 0.95 1.33 1.41 1.28 1.66 1.04 1.18 1.10 1.09 1.33 1.17 1.18 0.95 0.91 1.1 0.85 1 1.47 0.90 1.42 0.95 1.28 1.0 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 1-13 (2014) Tablo 4 (devam). Çalışma alanında yer alan zeminlerin index özellikleri. Sondaj No SK-1 SK-1 SK-1 SK-2 SK-2 SK-2 SK-2 SK-2 SK-3 SK-4 SK-4 SK-5 SK-5 SK-8 SK-8 SK-8 SK-8 SK-9 SK-9 SK-9 SK-9 SK-9 SK-10 SK-10 SK-10 SK-10 SK-10 SK-10 SK-11 SK-11 SK-11 Kıvam Sıkışabilirlik Şişme Kuru Dayanım Genleşme Sert Sert Sert Sert Sert Çok sert Çok Sert Çok Sert Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Çok Sert Sert Çok Sert Çok Sert Sert Çok Sert Sert Çok Sert Çok Sert Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Orta Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Yok, Çok Az Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Hızlı Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Yok, Çok Yavaş Şekil 8. Kaynaşlı TOKI çalışma alanının sığ geoteknik haritası 11 ATEŞ A., YEŞİL B., TOPRAK B. 5. Tartışma ve Çalışmanın Değerlendirmeler Çalışma alanında sismik ve geoteknik yöntemler birlikte kullanılmıştır. Bu alana TOKİ idaresi toplu konut yapmayı planlamıştır. Bu amaçla yapılmış olan deneyler sonucunda her iki yöntemle bulunan sonuçların paralellik taşıdığı görülmüştür. Elde edilen parametreler temel zeminin yapılaşmaya uygun olup taşıma gücü ve oturma açısından bir riskin olmadığını ortaya koymuştur. Bu çalışmadaki temel amaç çalışma alanının geoteknik zemin özelliklerinin araştırmasıyla beraber her iki yöntemin benzer sonuçlar verip vermediğinin araştırılmasına dayanmaktadır. İnşaat mühendisliği disiplininde ağırlıklı olarak arazi deneyleri kullanılırken, Jeoloji ve Jeofizik Mühendisliği disiplinlerinde daha çok sismik ve jeofizik yöntemler kullanılmaktadır. Bu çalışma ilgili yöntemler arasında tezat olmadığını her iki yöntemin birlikte kullanılabildiğini göstermiştir. Ve burada esas belirtilmek istenen noktanın somut verilere dayalı arazi yöntemlerinin yanında tamamlayıcı olarak da sismik ve jeofizik yöntemlerin kullanılmasının uygun olacağının görülmüş olmasıdır. Kaynaklar [1]. Yıldırım H., Tonyalı İ. Zemin İnceleme Yöntemlerini Kullanan Taşıma Gücü Analiz Metodlarının İncelenmesi, 4. Geoteknik Sempozyumu 1-2 Aralık 2011, Çukurova Üniversitesi, 1-2 Aralık 2011, Adana. [2]. Kurtuluş, C., Bozkurt, A., Çayırhan İlçesi’nin, Ankara, Zemin Özelliklerinin Jeofizik Ve Geoteknik Yöntemlerle Araştırılması, Uygulamalı Yerbilimleri Sayı:2, 15-27, 2009. [3]. Kurtuluş, C., Bozkurt, A., Jeofizik Ve Geoteknik Metotlarla Mühendislik Uygulamaları: Yalova’da Arazi Uygulaması, Uygulamalı Yerbilimleri Sayı:1, 114, 2009. [4]. Kaynaşlı ilçesi sınırlarını gösteren bir uydu görüntüsü, http://maps.google.com. [5]. M.T.A Genel Müdürlüğü ve Ankara Üniversitesi (A.U), 1999, 17 Ağıstos 1999 Depremi Sonrası Düzce (Bolu) İlçesi Alternatif Yerleşim Alanlarının Jeolojik İncelenmesi, TÜBİTAK Yer Deniz Atmosfer Bilimleri ve Çevre Araştırma Grubu Raporu 59. [6]. ASTM D1586–11 Standard Test Method for Standard Penetration Test (SPT) and Split-Barrel Sampling of Soils. [7]. Ateş, A., (2012).015.03.2002 tarihli TOKİ “Jeolojik ve Geoteknik Etüt Raporu” [8]. ASTM D 5777-00 Standard Guide for Using the Seismic Refraction Method for Subsurface Investigation. [9]. TS 1900-1, 2006, İnşaat Mühendisliğinde Zemin Laboratuvar Deneyleri - Bölüm 1: Fiziksel özelliklerin tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 5-52. TS 1900-2, 2006, İnşaat mühendisliğinde zemin laboratuvar deneyleri-Bölüm 2: Mekanik özelliklerin tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 15-51. [10]. ASTM D 2487 (American Society for Testing for Materials), 2000, Standard Particle for Classification of Soils for Engineering Porposes (Unified Soil Classifications Systems). Annual Book of ASTM Standards. [11]. Terzaghi, K., “Theoretical Soil Mechanics” Wiley, New York. [12]. Terzaghi, K.,ve Peck, R.B.,1948 “Soil Mechanics In Engineering Practice” Wiley, 729, New York. 12 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 1-13 (2014) [13]. Terzaghi, K., Peck, R.B. 1967. “Soil Mechanics in Engineering Practice. New York(Milley) 2nd. Ed. [14]. Tezcan, S.S., Keçeli, A., Özdemir Z., (2006). “Allowable bearing capacity of shallow foundations based on shear wave velocity”, Technical Note, İstanbul. [15]. Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik (1998) [16]. Holtz, W.G., Gibbs, H.J., 1956. “Engineering Properties Of Expansive Clays. Transaction, ASCE, Vol.121, 641-677. Notasyon VP VS K E G ԛu qs Mw : P dalga hızı, : S dalga hızı, : Balk modülü : Elastisite modülü : Kayma modülü : Sınır taşıma gücü : Zemin emniyet gerilmesini : Moment büyüklüğü ɤn Df B ϕ c Nc, Nq , Nɤ K1, K2 L 13 : Doğal birim hacim ağırlığıdır : Temel derinliği : Temel genişliği : İçsel sürtünme açısı : Kohezyon : Taşıma gücü faktörleri : Temel şekil katsayıları : Fay uzunluğu (km) BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 14-26 (2014) Rahmanlar Aglomerası’na (Yağcılı/Manisa) Ait İnce Taneli Malzemelerin Jeoteknik Özellikleri ve Düzenli Katı Atık Sahalarında Kullanılabilirliği Ali Kamil YÜKSEL1,*, Ahmet ÇONA2 1 Balıkesir Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 10145 Balıkesir 2 TOKİ Yeni Mahalle 1. Etap, B 6.Blok D:8, Balıkesir Özet Düzenli bir katı atık depolama alanı için depolama tabanını oluşturacak alt ve üst geçirimsizlik tabakasının permeabilite değeri 1x10-8 m/sn veya bu değerden daha küçük olmalıdır. Bu amaçla Manisa–Yağcılı köyü ince taneli zeminlerinde permeabilite deneyleri uygulanmıştır. Burada amaç, güvenli geçirimsizliği sağlamak ve atık suların yer altı sularına karışmasını önlemektir. Yağcılı numunelerinin plastisite indisleri ve likit limitleri yüksek değerlerle temsil edilmektedir. Elde edilen likit limit ve plastisite indisi değerlerine göre numuneler, plastisite kartında “MH” yani yüksek plastisiteli silt olarak belirlenmiştir. Çağış köyü numuneleri % 12 kum, % 69 silt ve % 19 kil tane boyutlu malzemelerden oluşmaktadır. Ayrıca geçirgenlik katsayısı çizelgesinde numuneler “pratik olarak geçirimsiz” olarak belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Katı atıklar, jeoteknik özellikler, yer altı suları, geçirgenlik. Geotechnical features and evaluation of usage in sanitary landfills of fine graded soils of Rahmanlar Aglomera (Yağcılı/Manisa) Abstract Permeability value of lower and upper layers forming storage floor should be 1x10-8 m/sn or less than for a sanitary solid waste landfill. For this aim, permeability tests were done on Manisa–Yağcılı village fine graded soils for the purpose comparing the usage in solid waste landfills. The main goal in here is gaining safe permeability conditions and preventing mixing of waste waters to ground waters. Yağcılı samples represent with high plasticity index and liquid limit. Samples are “MH” that is to say high plasticity silt on plasticity chart according to their liquid limit and plasticity index * Ali Kamil YÜKSEL, akyuksel@balikesir.edu.tr (0266 6121194). 14 YÜKSEL A. K., ÇONA A. value. Yağcılı village samples consist of on average 12 % sand, 69 % silt and 19 % clay grain size materials. Yağcılı samples were determined as “practically impervious” on the coefficient permeability table. Keywords: Solid wastes, geotechnical properties, ground waters, permeability. 1. Giriş Depolanan katı atıkların sahip olduğu su içeriğine, depolama alanına gelen yağış suları da eklendiğinde kirlilik değeri yüksek, önemli miktarda atık su ortaya çıkmaktadır. Bu atık suyun yer altı suyuna ve çevreye zarar vermemesi için kontrol altına almak amacıyla depolama alanı tabanında bir sızdırmazlık tabakası oluşturulmaktadır. Doğal geçirimsiz malzeme olarak killer ekonomikliği ve teminindeki kolaylığı nedeniyle öncelikle tercih edilmektedir. Bu amaçla doğal geçirimsiz malzeme olarak Yağcılı köyü ince taneli malzemelerinin katı atık sahalarında kullanılabilirliği bu çalışma kapsamında araştırılmıştır (Şekil 1). Düzenli katı atık sahalarındaki geçirimsiz kil tabakaları 30 cm’lik sıkıştırılmış katmanlar şeklinde döşenir. Sıkıştırılmış olan kil tabakasının geçirimlilik katsayısı, Çevre Bakanlığı’nın ilgili çevre yasasında maksimum 1x10-8 m/sn olması öngörülmektedir [1]. Bu kapsamda Yağcılı köyü numuneleri üzerinde bir takım permeabilite deneyi yapılmış ve istenilen geçirimsizlik katsayısı değeri ve jeoteknik özellikler belirlenmeye çalışılmıştır. Şekil 1. İnceleme alanının yer bulduru haritası (KAFZ: Kuzey Anadolu Fay Zonu; DAFZ: Doğu Anadolu Fay Zonu; İTSZ: İç Torid Sütur Zonu; İ.Z.: İstanbul Zonu; İAESZ: İzmir-Ankara-Erzincan Sütur Zonu; T.H.: Trakya Havzası; RIZ: Rodop Istranca Zonu) [2]. 15 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 14-26 (2014) 2. Stratigrafi İnceleme alanının yer aldığı Savaştepe (Balıkesir) – Soma (Manisa) arasında İzmirAnkara Sütur Zonu doğuda Torid ve batıda Pontid birimlerini ayırmaktadır. İnceleme alanının batısında yer alan Pontidler, Sakarya Zonu’nun Jura öncesi kayaçlarından, doğuda yer alan Toridler ise grovak ve şeyllerden oluşan fliş içerisinde Mesozoyik yaşlı büyük kireçtaşı bloklarından ve ultramafik kayaçlardan oluşmaktadır. Alt-Orta Eosen yaşlı Başlamış Formasyonu, Bornova Fliş Zonu üzerinde uyumsuz olarak yer almaktadır. Neojen yaşlı volkanoklastik ve sedimanter kayaçlar kendilerinden daha yaşlı tüm birimleri uyumsuz olarak örtmektedir. Şekil 2. İnceleme alanının içerisinde yer aldığı Savaştepe-Soma arasının jeoloji haritası [3] 2.1. Karakaya kompleksi İlk kez Bingöl vd. (1975) tarafından adlandırılan Karakaya Kompleksi şiddetlice deforme olmuş, kısmen metamorfizma geçirmiş Permiyen ve Triyas yaşta klastik ve volkanik kayaçlardan oluşmaktadır [4]. Karakaya Kompleksi iki bölüme ayrılmaktadır. Yapısal ve muhtemelen stratigrafik olarak altta yer alan Alt Karakaya Kompleksi, Paleozoyik sonu veya Triyas’ta yeşilşist ve mavişist fasiyesinde metamorfizma geçirmiş 16 YÜKSEL A. K., ÇONA A. mafik lav, mafik piroklastik kaya, şeyl ve kireçtaşı ardalanmasından oluşmuştur [5]. Üst Karakaya Kompleksi ise kuvvetlice deforme olmuş Permiyen veya Triyas yaşta klastik, volkanoklastik ve volkanik kayalardan oluşmaktadır. Ayrıca birim içerisinde çok sayıda Karbonifer ve Permiyen yaşta ortama yabancı kireçtaşı blokları yer almaktadır [5]. Karakaya Kompleksi’nin çökelme ortamını ve tektonik gelişimini izah eden iki model bulunmaktadır. Bunlardan rift modeli ilk olarak Bingöl vd. (1975) tarafından önerilmiş, Yılmaz (1981), Şengör ve Yılmaz (1981), Şengör vd. (1984), Şengör (1984), Koçyiğit (1987), Genç ve Yılmaz (1995) ve Göncüoğlu vd. (2000) tarafından ise aynı model geliştirilmiştir [4,6-12]. Rift modelinde, Karakaya Kompleksi kayaları Geç Permiyen yaşında bir riftte oluşmuş, bu rift daha sonra okyanusal bir kenar denize dönüşmüş ve en Geç Triyas’ta kapanmıştır. Bir diğer model olan dalma-batma-eklenme modeli ise ilk kez Tekeli (1981) tarafından önerilmiş, Pickett vd. (1995), Pickett ve Robertson (1996) ve Okay (2000) tarafından aynı model geliştirilmiştir [13-16]. Dalma-batma-eklenme modeline göre ise Karakaya Kompleksi, Paleo-Tetis’in Triyas’ta kuzeye Lavrasya aktif kıta kenarı boyunca dalma-batması ile oluşmuş bir eklenir prizmayı temsil etmektedir. 2.2. Bornova fliş zonu İlk kez Brinkmann (1971) tarafından tanımlanmış olan bu zon İzmir-Ankara Sütur Zonu ile Menderes Masifi arasında yer alan karmaşık kayalardan oluşmaktadır [17]. Erdoğan (1990) İzmir-Bornova civarında yaptığı incelemelerde bu birime Bornova Karmaşığı adını vermiştir [18]. Bornova Fliş Zonu Mastrihtiyen-Daniyen yaşında ve fliş fasiyesinde bir matriks ve bu matriks içerisinde yer alan boyları 20 km’yi geçen neritik kireçtaşı bloklarından oluşmaktadır [3,19-21]. Erdoğan ve Güngör (1992) matriks ile sarılmış bu kireçtaşı bloklarının Triyas’tan Kampaniyen’e kadar değişik yaşlar verdiğine değinmişlerdir [19]. Orta-kalın tabakalı, çok kırıklı ve boşluklu, yer yer çok kolay ayrışabilme özelliğindedir. Bornova Fliş Zonu’nun matriksini egemen olarak grovaklar ve seyrek şeyller oluşturur. Arazi çalışmalarında tabakalanma gözlenmeyen grovaklar genelde açık kahverengi, gri ve sarımsı renkte ve bol kırıklıdır. Şeyller ise bu grovaklar arasında yer yer ara seviye şeklinde gözlenmektedir. Fliş içinde blok olarak yer alan Mesozoyik kireçtaşları ise masif, rekristalize ve genelde dolomitiktir. Fliş içerisindeki ultramafik kayalar ise inceleme alanının kuzeydoğusunda ve güneybatısında mostra vermektedir. Bu mostralarda gözlenen ultramafik kayalar yer yer serpantinleşmiştir ve genelde harzburjitten oluşmaktadır. 2.3. Başlamış formasyonu İlk kez Akdeniz (1980) tarafından tanımlanmış olan formasyon başlıca gri, kahverengi ve beyazımsı renk tonlarında, orta-kalın tabakalı marn-kireçtaşı-kumtaşı ve çakıltaşlarından oluşmaktadır [22]. Bornova Flişine ait kayaçlar üzerinde uyumsuz olarak çökelen bu birimin en iyi gözlendiği yer Gelenbe doğusu ve inceleme alanının dışında Akhisar-Sındırgı karayolu üzerinde bulunan Başlamış Köyü ve çevresidir. Tabanda ofiyolit çakıllarından oluşan bir çakıltaşı ile başlayan formasyon üste doğru kumtaşı, marn ve kireçtaşına geçiş yapar. Okay ve Siyako (1993) formasyondan aldıkları örneklerde Erken-Orta Eosen yaşı veren fosiller tespit etmiş, Akdeniz (1980) ise formasyonun alt kesimlerinde İlerdiyen-Kuveziyen, üst kesimlerinde ise Lütesiyen yaşlarını veren fosiller tespit etmiştir [20, 22]. 2.4. Rahmanlar aglomerası İnceleme alanının kuzeydoğusunda ve güneydoğusunda yayılım gösteren birimlerdir. Rahmanlar aglomerası, genellikle yuvarlak ve yarı köşeli, çoğunluğu andezit çakıl ve bloklarının tüf ile tutturulmasından oluşur. Aglomeraların arasında kalın tüfit ve ince 17 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 14-26 (2014) silttaşı tabakaları da gözlenebilmektedir. Bu tüfit seviyesi ise yer yer kaolenleşmiştir. Rahmanlar Aglomerası, inceleme alanında doğrudan Bornova Flişi üzerinde uyumsuz olarak bulunmaktadır. Aralarında bulunan tüfit ve silttaşı, aglomeraların sedimantasyonu anında ortama geldiklerini ve birlikte çökeldiklerini göstermektedir. Bu çalışmada, düzenli katı atık sahalarında kullanılacak geçirimsiz malzeme olarak kaolenleşmiş bu tüfitlerden yararlanılmıştır. 2.5. Savaştepe formasyonu Konglomera, kiltaşı, marn ve tüfit ardalanmalı birim Savaştepe Formasyonu olarak adlandırılmıştır. Formasyon, Soma–Savaştepe karayolu üzerinde izlenilmektedir. Marn, kiltası, tüfit, konglomera ardalanmasından oluşmuştur. Konglomeralar, alttaki birimlerin çeşitli boyuttaki çakıllarını kapsamaktadır. Savaştepe Formasyonu, Bornova Fliş’ine ait birimler üzerine diskordan olarak gelmektedir. Üstte ise alüvyon ile örtülüdür. Yaklaşık 250 metre kalınlık gösteren Savaştepe Formasyonu, Savaştepe–Soma arasında geniş bir yayılım gösterir. Kadınköy ile Beyce köyü arasındaki marnlardan araştırmacılar tarafından elde edilen fosile göre birimin yaşı Pleyistosen olarak kabul edilmiştir [23]. 2.6. Alüvyon İnceleme alanının kuzeybatısında ve ayrıca küçük akarsular çevresinde dar şeritler boyunca yüzeyler. 3. Jeoteknik Özellikler Yağcılı Köyü (Manisa) ve çevresinde mostra veren Rahmanlar Aglomerası’na ait kaolenleşmiş ince taneli zeminlerin jeoteknik özelliklerini belirlemek amacıyla araziden örselenmiş ve örselenmemiş numune alınarak laboratuarda, indeks, Atterberg, elek, kompaksiyon, permeabilite ve serbest basınç deneyleri yapılmıştır. Örselenmemiş numuneler Shelby tüpleri ile hidrolik baskıyla alınmıştır. Laboratuarda yapılan tüm deneyler için TS 1901’e göre numune alınmış, TS 1900 ve TS 2028’e göre deneyleri yapılmış, TS 1500’e göre tanımlamaları yapılmıştır [24-27]. Laboratuar deneyleri sonucunda elde edilen fiziksel özellikler Tablo 1’de gösterilmiştir. Numunelerin tane çapı dağılımlarının belirlenmesi için yıkamalı elek analizi ve hidrometre deneyleri yapılmıştır. İnceleme alanına ait numunelerinin çakıl, kum, silt ve kil tane çapı bileşenlerinin ağırlıkça yüzdeleri ortalama olarak % 12 Kum, % 69 Silt ve % 19 Kil tane boyundaki malzemelerden oluşmaktadır. İnce taneli zeminlerin mühendislik davranışları büyük ölçüde içerdikleri su miktarına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. İçindeki su miktarı arttırılınca killi bir zeminin kıvamı katı durumdan viskoz bir sıvı kıvamına kadar değişebilir. Buna bağlı olarak, zeminin mukavemeti, yük altında şekil değiştirmesi ve sıkışma gibi mühendislik özelliklerinde farklılıklar meydana gelmektedir [28]. Killerin kıvamında su içeriğine bağlı olarak meydana gelen değişimleri deneysel olarak saptayabilmek için kıvam limitleri tanımlanmıştır. Yağcılı numunelerinin kıvam limitlerini belirlemek amacıyla numuneler üzerinde TSE 1900’a göre laboratuar deneyleri yapılmıştır (Tablo 2) [25]. 18 YÜKSEL A. K., ÇONA A. Şekil 3. İnceleme alanının jeoloji haritası Kıvam limitlerinden likit limit ve plastisite indeksi değerleri kullanılarak, örnekler birleştirilmiş zemin sınıflandırma sistemine göre sınıflandırılmışlardır. On adet numune 19 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 14-26 (2014) üzerinde yapılan deneylerden, plastisite kartındaki dağılımları incelendiğinde tüm örneklerin A doğrusunun altında kalarak zemin sınıfının MH (yüksek plastisiteli silt) grubunda yer aldığı görülmüştür (Şekil 4). Ayrıca Yağcılı Köyü numuneleri Burmister (1951) ve Leonards (1962) plastisite indeksine dayalı sınıflandırmaları yapılmıştır [29,30]. Burmister (1951) sınıflamasına göre numuneler “yüksek plastisiteli – çok yüksek plastisiteli” zemin olarak tanımlanmıştır [29]. Leonards (1962) plastisite indeksi sınıflamasına göre ise “plastik-çok plastik” zemin olarak belirlenmiştir [30]. Tablo 1. İnceleme alanından alınan numunelerin fiziksel özellikleri. DEĞİŞİM ARALIĞI ÖZELLİKLER Doğal Birim Hacim Ağırlığı γn (kN/m3) Kuru Birim Hacim Ağırlığı γk (kN/m3) Doygun Birim Hacim Ağırlığı γd (kN/m3) Tane Özgül Ağırlığı Gs Doğal Su İçeriği ωn (%) Tabi Boşluk Oranı e (%) Tabi Porozite n (%) En Yüksek En Düşük Aritmetik Ortalama 18,15 17,22 17,68 13,31 12,10 12,63 18,20 17,32 17,76 26,10 25,37 25,67 49,64 41,92 44,62 1,09 0,95 1,032 0,52 0,49 0,5073 Tablo 2. İnceleme alanındaki numunelerin kıvam limitleri ve plastisite indeksi değerleri. Kıvam limitleri Likit limit (LL) Plastik limit (PL) Plastisite indeksi (PI) Kıvamlılık indeksi (Ic) Aktivite (A) Likitlik indeksi (IL) Değişim aralığı En Düşük En Yüksek 83,22 96,00 44,71 51.46 38.35 44,54 1,04 1.10 1,62 3,33 -0,10 -0,04 Ortalama 89,89 47.73 42,15 1,07 2,33 -0,07 Aktivite, plastisite indisinin zeminin 0,002 mm çapına karşılık gelen geçen yüzdesine oranı olarak tanımlanır [31]. Örneklerin aktivite sınıflaması, Gillot’a (1987) göre yapılmıştır [32]. Yağcılı numunelerinin aktivite değeri A=2,33>1,25 olduğu için aktif kil olarak tanımlanır. Likitlik indeksi, bir zeminin doğal su içeriği ile plastik limiti arasındaki farkın plastisite indeksine oranıdır ve IL ile gösterilir. İnce taneli zeminlerde likitlik indeksi, konsolidasyon derecesi hakkında da bir bilgi verebilmektedir. Bu doğrultuda Yağcılı numunelerinin Reminger ve Rutledge (1952); Means ve Parcher (1963) likitlik indeksine göre sınıflandırması yapılmıştır (Şekil 5) [33,34]. Yapılan konsolidasyon 20 YÜKSEL A. K., ÇONA A. deneylerine göre likitlik indeksi -0,04 ile -0,1 arasında olup numunelerin aşırı konsolide olduğu saptanmıştır. Şekil 4. Yağcılı Köyü numunelerinin plastisite kartı üzerindeki dağılımları. Şekil 5. Yağcılı Köyü numunelerinin likitlik indeksine göre sınıflaması [33,34]. Baraj inşaatı, havaalanı inşaatları ve katı atık sahaları gibi önemli yapılarda kullanılacak killi toprakların bünyelerine su almaları durumunda şişme davranışlarını önceden tahmin edebilmek için şişme potansiyeli bakımından değerlendirilmesinde büyük yarar vardır. Van der Merve (1964) ve Ulusay’a (2001) göre Yağcılı numuneleri “orta yüksek şişme potansiyelli” topraklar olarak tanımlanmışlardır (Şekil 6) [35,36]. 2872 sayılı çevre yasasının ilgili katı atık depolama yeri yönetmeliklerinde, mineral sızdırmazlık kil tabakasının kalınlığı, sıkıştırılmış olarak evsel katı atık depolama tesisinde 60 cm, tıbbi ve tehlikeli katı atık depolama tesislerinde ise 90 cm dir. Bu tabakalar en çok 30 cm’lik tabakalar halinde sıkıştırılarak döşenmektedir [1]. Sıkıştırma işlemi sonucunda zeminin [37]: 21 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 14-26 (2014) • • • • • • • Kayma direnci yükselir Sıkışabilirliği azalır Geçirimliliği azalır Şişme – büzülme davranışı kontrol altına alınabilir Aşınabilirliği azalır veya gecikir Sıvılaşma yeteneği kaybolabilir Dondan aşırı etkilenmez Şekil 6. Numunelerin a) Van Der MERWE (1964) ve b) Ulusay’ın (2001) şişme potansiyeli abakları üzerindeki dağılımları [35,36] Yağcılı Köyü numuneleri üzerinde laboratuarda, standart proktor kompaksiyon deneyleri yapılmış ve numunelerin maksimum kuru birim hacim ağırlığı (γk maks) ve buna karşılık gelen optimum su içerikleri (ωopt) belirlenmiştir. Sonuç olarak ortalama maksimum kuru yoğunluk ve ortalama optimum su içeriği değerleri 14,70 kN/m3 ve % 26 olarak belirlenmiştir. Düzenli katı atık depolama yapılacak sahada kullanılacak geçirimsiz malzemenin uygun olup olmadığını belirlemeye yarayacak en önemli özelliklerden biri de zeminin geçirimliliğidir. İstenilen kompaksiyon derecesinde sıkıştırılmış olan kil tabakasının geçirimlilik katsayısının maksimum 1x10-8 m/sn (1x10-6 cm/sn) olması öngörülmektedir [1]. Yönetmeliklerdeki geçirimlilik değerlerinin sağlanması ile katı atık sahalarındaki çöp sızıntı sularının yeraltı ve yüzey sularına karışması engellenmiş olunmaktadır. Yağcılı numunelerinin geçirimlilik (permeabilite) özelliğini belirlemek amacıyla çalışma sahasından alınan numuneler üzerinde maksimum kuru birim hacim ağırlığında ve optimum su içeriğinde laboratuarda düşen seviyeli permeabilite deneyi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre numunelerin en düşük permeabilite değeri 1,0x10-8 cm/sn, en yüksek 1,1x10-7 cm/sn ve ortalama permeabilite değeri 5,6x10-8 cm/sn olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak Yağcılı Köyü ve çevresinde yüzlekler veren Rahmanlar Aglomerası’na ait ince taneli kaolenleşmiş malzemelerin Çevre Bakanlığı’nın Katı Atıkların Kontrolü Yönetmeliği’ne göre düzenli katı atık sahalarında kullanılması uygundur [1]. Ayrıca Gillot (1987) zeminler için geçirgenlik katsayısı çizelgesine göre bu numuneler pratik olarak geçirimsiz kabul edilebilir (Şekil 7) [32]. 22 YÜKSEL A. K., ÇONA A. Numuneler üzerinde yapılan serbest basınç deneyleri sonucu elde edilen verilere göre de en düşük 2,19 kg/cm2, en yüksek 2,65 kg/cm2 ve ortalama 2,32 kg/cm2 olarak belirlenmiştir. Kohezyon (c) değerleri ise en düşük 1,09, en yüksek 1,32 ve ortalama olarak 1,22 değerleri belirlenmiştir. Kohezyonlu zeminler, serbest basınç mukavemetine göre sınıflandırılabilirler. Buna göre Çağış numuneleri Ulusay (2001) ve Uzuner (1996) sınıflandırmasında “sert zemin” özelliği göstermektedir [31,36]. Şekil 7. Zeminler için geçirgenlik katsayısı çizelgesi [32]. 4. Sonuçlar Elde edilen veriler sonucunda Yağcılı köyü ve çevresinde yüzlekler veren Rahmanlar Aglomerası’na ait numunelerin ortalama tane özgül ağırlığı 25,67 kN/m3’tür ve numuneler yine ortalama olarak % 12 kum, % 69 silt ve % 19 kil tane boyutlu malzemelerden oluşmaktadır. Numunelerin ortalama likit limit değeri % 89,89 ve plastik limit değeri % 47,73, bu değerlere göre plastisite indisi değeri yine ortalama % 42,15 olarak belirlenmiştir. Elde edilen likit limit ve plastisite indeksi değerlerine göre numuneler, plastisite kartında “MH” yani yüksek plastisiteli silt olarak belirlenmiştir. Plastisite indeksine dayalı sınıflandırmaya göre “yüksek plastisiteli – çok yüksek plastisiteli” ve “plastik-çok plastik” malzeme olarak belirlenmiştir. Yapılan aktivite sınıflamasına göre numuneler aktif killer grubunda yer almaktadır. Düşen seviyeli permeabilite deneyinden elde edilen değerler ortalama olarak 5,6x10-8 cm/sn olarak belirlenmiştir. Bu değerlere göre numuneler, Gillot (1987) geçirgenlik katsayısı çizelgesinde “pratik olarak geçirimsiz” olarak belirlenmiştir. Çevre Bakanlığı’nın 25.04.2002’de düzenlenen Katı Atıkların Kontrolü Yönetmeliği’nde düzenli katı atık sahalarda kullanılacak kil tabakasının maksimum geçirimlilik katsayısı 1x10-6 cm/sn olarak belirtilmiştir. Yağcılı köyü ve çevresinde yüzlekler veren Rahmanlar Aglomerası’na ait ince taneli malzemelerin bu değerleri sağlamasından dolayı, bu bölgeden sağlanacak malzemelerin düzenli katı atık sahalarda kullanılmasında bir sakınca olmadığı belirlenmiştir. Van der Merve (1964) ve Ulusay’a (2001) göre Yağcılı numuneleri “orta - yüksek şişme potansiyelli” topraklar olarak tanımlanmışlardır. Yağcılı numunelerinde serbest basınç deneyleri yapılmış ve ortalama olarak 2,32 kg/cm2 olarak belirlenmiştir. Elde edilen değerler Ulusay (2001) ve Uzuner’in (1996) serbest basınç mukavemetine göre sınıflandırma tablolarında kullanılmış ve buna göre numuneler “sert zemin” olarak belirlenmiştir. İnce taneli zeminlerde likitlik indeksi konsolidasyon derecesi hakkında bilgi verebilmektedir. Bu doğrultuda Yağcılı numunelerinin likitlik indeksine göre sınıflandırması yapılmış ve “aşırı konsolide killer” grubunda yer aldığı belirlenmiştir. 23 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 14-26 (2014) Teşekkür Çalışmanın arazi kısmında bana eşlik eden Onur TOPÇU ve Halil AKTUĞ’a ayrıca lojistik desteklerini esirgemeyen SÜD-CHEMİE ve ZEM-AR A.Ş. firmalarında çalışan görevlilere teşekkürü borç bilirim. Kaynaklar [1]. [2]. [3]. [4]. [5]. [6]. [7]. [8]. [9]. [10]. [11]. [12]. [13]. [14]. T.C. Çevre Bakanlığı, Katı Atıkların Kontrolü Yönetmeliği, 14.03.1991 tarih ve 20814 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanmış. Okay, A.I. ve Tüysüz, O., Tethyan sutures of northern Turkey, In: Durand, B. Jolivet, L. Horvath, F. & Seranne, M. (eds), The Mediterranean Basins: Tertiary Extension Within the Alpine Orogen, Geological Society, London, Special Publications 156, 475-515, (1999). Okay, A.I. ve Altıner, D., A Condensed Mesozoic Succession North of İzmir: A Fragment of the Anatolide-Tauride Platform in the Bornova Flysch Zone, Turkish Journal of Earth Sciences, Vol. 16, pp. 257-279, (2007). Bingöl, E., Akyürek, B. ve Korkmazer, B., Biga yarımadasının jeolojisi ve Karakaya Formasyonunun bazı özellikleri, Cumhuriyetin 50. Yılı Yerbilimleri Kongresi Tebliğleri, Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü (MTA) Yayınları, 7077, (1975). Okay, A.I. ve Göncüoğlu, M.C., Karakaya Complex: a review of data and concepts, Turkish Journal of Earth Sciences, 13, 77-95, (2004). Yılmaz, Y., Sakarya kıtası güney kenarının tektonik evrimi, İstanbul Yerbilimleri 1, 33-52, (1981). Şengör, A.M.C. ve Yılmaz, Y., Tethyan evolution of Turkey, a plate tectonic approach, Tectonophysics, 75, 181-241, (1981). Şengör, A.M.C., Yılmaz, Y. ve Sungurlu, O., Tectonics of the Mediterranean Cimmerides: nature and evolution of the western termination of Paleo-Tethys, In: Dixon, J.E. & Robertson, A.H.F. (eds), The Geological Evolution of the Eastern Mediteranean. Geological Society, London, Special Publications 17, 77112, (1984). Şengör, A.M.C., The Cimmeride orogenic system and the tectonics of Eurasia, Geological Society of America, Special Paper 195, 82 pp., (1984). Koçyiğit, A., Hasanoğlan (Ankara) yöresinin tektono-stratigrafisi: Karakaya orojenik kuşağının evrimi, Yerbilimleri, 14, 269-294, (1987). Genç, Ş.C. ve Yılmaz, Y., Evolution of the Triassic continental margin, northwest Anatolia, Tectonophysics, 243, 193-207, (1995). Göncüoğlu, M.C., Turhan, N., Şentürk, K., Özcan, A. ve Uysal, Ş., A geotraverse across NW Turkey: tectonic units of the central Sakarya region and their tectonic evolution, In: Bozkurt, E., Winchester, J. & Piper, J.A. (eds), Tectonics and Magmatism in Turkey and the Surrounding Area, Geological Society, London, Special Publications 173, 139-161, (2000). Tekeli, O., Subduction complex of pre-Jurassic age, northern Anatolia, Turkey, Geology, 9, 68-72, (1981). Pickett, E.A., Robertson, A.H.F. ve Dixon, J.E., The Karakaya Complex, NW Turkey: A Palaeo-Tethyan accretionary complex, In: Erler, A., Ercan, T., Bingöl, E. & Örçen, S. (eds), Geology of the Black Sea Region, Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü (MTA), Ankara, Special Publication, 11-18, (1995). 24 YÜKSEL A. K., ÇONA A. [15]. [16]. [17]. [18]. [19]. [20]. [21]. [22]. [23]. [24]. [25]. [26]. [27]. [28]. [29]. [30]. [31]. [32]. [33]. [34]. [35]. Pickett, E.A. ve Robertson, A.H.F., Formation of the Late Palaeozoic-Early Mesozoic Karakaya Complex and related ophiolites in NW Turkey by paleotethyan subduction-accretion, Journal of the Geological Society, London, 153, 995-1009, (1996). Okay, A.I., Was the Late Triassic orogeny in Turkey caused by the collision of an oceanic plateau?, In: Bozkurt, E., Winchester, J.A. & Piper, J.A.D. (eds), Tectonics and Magmatism in Turkey and Surrounding Area, Geological Society, London, Special Publications 173, 25-41, (2000). Brinkmann, R., Jungpalaozoikum und alteres Mesozoikum in NW Anatolien, Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü (MTA) Dergisi, 76, 56-67, (1971). Erdoğan, B., İzmir-Ankara zonunun İzmir ile Seferihisar arasındaki bölgede stratigrafik özellikleri ve tektonik evrimi, TPJD Bülteni, 2/1, sayfa 1-20, (1990). Erdoğan, B. ve Güngör, T., Menderes Masifi'nin Kuzey Kanadının Stratigrafisi, TPJD Bulteni, c. 4/1, s. 9-34, (1992). Okay, A.I. ve Siyako, M., The new position of the İzmir-Ankara Neo-Tethyan suture between İzmir and Balıkesir, In: Turgut, S. (ed), Tectonics and Hydrocarbon Potential of Anatolia and Surrounding Regions, Proceedings of the Ozan Sungurlu Symposium, Ankara, 333-355, (1993). Okay, A.I., İşintek, İ., Altıner, D., Özkan-Altıner, S., Okay, N., An olistostromemélange belt formed along a major suture: Bornova Flysch Zone, western Turkey, Tectonophysics, 568-569, 282-295, (2012). Akdeniz. N., Başlamış Formasyonu, Jeoloji Mühendisliği, v. 10. s.39-47, (1980). Çona, A., Soma (Manisa)-Savaştepe-Sarıbeyler (Balıkesir) dolayının jeolojisi, Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, (1999). TS 1901, İnşaat Mühendisliğinde Sondaj Yolları ile Örselenmiş ve Örselenmemiş Numune Alma Yöntemleri, Türk Standartları, Ankara, (1975). TS 1900, İnşaat Mühendisliğinde Zemin Laboratuvar Deneyleri, Türk Standartları, Ankara, (1987). TS 2028, Kayaçların Tek Eksenli Basma Dayanımlarının Tayini, Türk Standartları, Ankara, (1975). TS 1500, İnşaat Mühendisliğinde Zeminlerin- Sınıflandırılması, Türk Standartları, Ankara, (2000). Özaydın, K., Zemin Mekaniği, 261, Birsen Yayınevi, İstanbul, (2005). Burmister, D.M., Identification and classification of soil, An apprasial and statement of principles, ASTM STP 113, Amer. Soc. For Test and Mat., Philadelpia, (1951). Leonards, G.A., (Editor), Foundation Enineering, 1139, Mc. Graw Hill Book Comp., (1962). Uzuner, A. B., Çözümlü Problemlerle Temel Zemin Mekaniği, Teknik yayınevi, Ankara, (1996). Gillot, E. J., Clay in Engineering Geology, 468, Elsevier Science Publishers, Amsterdam, (1987). Reminger, J., ve Rutledge, P., Use of Soil Mechanics Data Correlation and Interpretation of Lake Agassiz Sediments, J., Geol. 60 (2), p. 180, (1952). Means, R. E., ve Parcher, J. W., Physical Properties of Soils, Oklahoma State University, Charles. E. Merrill Publishing Comp., (1963). Van Der Merwe, D. H., The Prediction of heave from the plasticity index and percentage clay friction of soils, Civil Engineers in South Africa, Vol. 6, No. 6 pp. 103 – 106, (1964). 25 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 14-26 (2014) [36]. [37]. Ulusay, R., Uygulamalı Jeoteknik Bilgiler, Jeoloji Mühendisleri Odası yayını, no:38, Ankara, (2001). Alyanak, İ., İmançlı, G. ve Haldenbilen, S., Katı atık depolama yeri düzenlenmesinde geoteknik ve yasal kurallar–uygulama örnekleri, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Onuncu Ulusal Kongresi, İstanbul, 281 – 292, (2004). 26 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) Marmara Bölgesi' ndeki Hava Kirliliğinin Modellenmesi, Kirlilik Azaltımı ve Maruziyet Analizi Alper KILIÇ1,*, Serdar KUM2, Alper ÜNAL3, Tayfun KINDAP3 1 Marine Intelligent Solutions, Istanbul. İstanbul Teknik Üniversitesi, Denizcilik Fakültesi, Tuzla, İstanbul. 3 İstanbul Teknik Üniversitesi, Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü, Maslak, İstanbul. 2 Özet Günümüzde insan kaynaklı hava kirliliği önemli ölçüde artış göstermiştir. Marmara Bölgesi, Türkiye' nin en fazla endüstrileşmiş ve en yoğun nüfusa sahip bölgesidir. Bölge, hava kirliliği açısından, sahra taşınımları gibi doğal kirletici kaynaklarla beraber, değişik sektörlerden gelen kirletici kaynaklardan etkilenmektedir. Bu çalışmada; Marmara Bölgesi' ndeki yüksek çözünürlüklü kirletici kaynaklar tespit edilerek, bölgenin meteorolojik koşulları altında kirletici konsantrasyonları tahmin edilmiş, bölgedeki insan nüfusunun maruz kaldığı kirlilik düzeyi belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Marmara Bölgesi, hava kirliliği, CMAQ. Air Pollution Modeling, Pollution Reduction and Exosure Analysis in Marmara Region Abstract Today, antropogenic air pollution has increased significantly. Marmara Region of Turkey is the most industrialized and most densely populated region. In terms of air pollution, the region is affected from different pollution sources such as natural sources like saharan dust. In this study, air pollution sources are defined at high resolution, pollution concentrations are estimated under the meteorological conditions of the region and human populations are determined exposed those concentrations. Keywords: Marmara Region, air pollution, CMAQ. * Alper KILIÇ, alperkilic10@yahoo.com, Tel: (505) 266 35 15. 27 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. 1. Giriş Günümüzde dünya yeni bir jeolojik çağa sahne olmaktadır. Bu anlamına gelen "Antroposen" adı verilmektedir. Bu çağda, artan şehirleşme ve sanayileşme artmış, ormanlar ve doğal bitki örtüsü küresel ısınmayla birlikte okyanus su sıcaklıkları artmakta, bitki azalmaktadır. çağa İnsan Çağı nüfus ile birlikte yok edilmektedir, ve hayvan türleri İnsan kaynaklı emisyonlar (gaz salınımları) önemli hava kirliliğine yol açmakta, çevre ve insan sağlığı üzerinde tehlikeli boyutlarda olumsuz etkiler meydana getirmektedir. Hava kirliliği, havada katı, sıvı ve gaz şeklinde bulunan kirletici maddelerin canlıların normal yaşamına ve çevrenin doğal dengesine zarar vermesidir. Kirletici madde, havanın doğal bileşimini bozan ve aynı zamanda çevre ve sağlık açısından olumsuz etkileri olan kimyasal maddelerdir. Eski zamanlarda hava kirliliğinin etkileri bilinmediğinden bir bilim olarak ele alınmamış sadece bu konuda bazı kısıtlama ve kurallar getirilmiştir. Hava kirliliği konusu eski Yunan şehirleri ve Roma dönemine kadar uzanır. Roma döneminde yakılan odunların binaları kararttığından sözedilmektedir. Diğer bir hava kirliliği kaynağı olarak, para basmak amacıyla Roma çağında Akdeniz kıyılarında bakırın eritilmesi neticesinde havadaki bakır konsantrasyonlarının artmasına sebep olmuştur. 1228 yılından itibaren İngiltere’ deki demir ocakları ve kireç ocaklarında odun yerine yeni keşfedilen deniz kömürünün kullanılmasıyla ciddi hava kirliliği meydana getirmiştir. Dünya çapındaki hava kirliliği çalışmaları, atmosferik inversiyon ve toporafik yapının etkisiyle oluşan çok yüksek Partikül Madde (PM) emisyon konsantrasyonlarının 1934’te Belçika’da Meuse Vadisinde, 1947’de ABD’de Donora’da ve 1952’de Londra’da bir aydan kısa sürede binlerce kişinin ölümüne sebep olmasıyla başlamıştır. Bunun sonucunda ilk defa Londra’da emisyon kontrolü amacıyla kömür kullanımına kısıtlamalar getirilmiştir (Jacobson, 2002). Ancak, PM ve SO2 ile ilgili ilk köklü karar 1272 yılında Londra’ da Kral Edward tarafından kömür yakılmasının yasaklanması olmuştur [1]. Hava kirlilik kaynakları; doğal ve insan kaynaklı olmak üzere iki çeşittir. Doğal kaynaklar olarak yangınlar (karbonmonoksit (CO)), volkanlar (kül, asit buharı, kükürtdioksit (SO2), toksikler), deniz suyu (sea spray) ve bitki örtüsünün bozunması (reaktif sülfür bileşenleri), ağaçlar, çalılar vb. (uçucu organik bileşikler (VOC) (terpenler ve isoprenler), polenler, sporlar, virüsler, bakteriler (Alerji ve hava yoluyla taşınan enfeksiyonlar), kurak bölgelerdeki fırtınalar ile toz bulutları ve toz taşınımı, hayvanlar (CH4), yıldırım (Azotoksitler (NOx)) sayılabilir. İnsan kaynaklı (antropojenik) kaynaklar ise genel olarak, termik santraller (SO2), ulaşım (NOx, CO), endüstriyel prosesler (kurşun (Pb), partikül madde (PM), NOx, SO2), evsel ve endüstriyel yakıt kulanımı (SO2, PM) ve solvent kullanımı (VOC) olarak sıralanabilir. PM emisyonu kalp ve solunum rahatsızlıklarına, aynı zamanda zehirli bir gaz olan VOC türevleri solunum yolu tahrişlerine, anormal doğum ve düşükler ile kansere, azot oksitler solunum rahatsızlıkları, gen bozuklukları ve kansere, azot oksit ve VOC türevlerinin güneş ışığı etkisiyle yer seviyesinde meydana getirdiği ozon gazı solunum rahatsızlıklarına ve erken ölümlere, kükürt oksitler solunum yolu rahatsızlıkları ve alerjilere neden olmaktadır. 28 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) Dünya Sağlık Örgütü’ nden (WHO) Dr. Michal Krzyzanowski, hidrokarbon emisyonu ile kalp-damar hastalıkları kaynaklı ölümler arasındaki ilişkiyi tespit etmiştir (Şekil 1). Şekil 1. HC ile kalp-damar hastalıkları kaynaklı ölümler (WHO). Çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri bulunan çok çeşitli emisyonlar bulunmaktadır. Kirleticilerin sektörlere göre ayrımları Tablo 1’ de gösterilmektedir. * * * * * * * * * * * * * * * * Metan CO CO2 PM POP Halojen * * VOC * * * * * * Ağır metaller NOx Enerji Üretimi Çimento Üretimi Seramik Üretimi Atıkların Yakılması Rafineriler Demir-Metal Üretimi Gübre Üretimi Taşımacılık Tarım (Çiftlik) SO2 NH3 Tablo 1. Emisyonların sektörel kaynakları [2]. * * * * * * * * * * * * * * * * Tabloda görüldüğü üzere, taşımacılık sektörü, önemli kirletici maddelerin hemen hemen tamamının meydana gelmesine yol açan bir sektördür. Bütün sektörlerde emisyonların tamamı küçük miktarlarda da olsa oluşmaktadır. Ancak, her sektör tabloda işaretli olan kirleticilerin oluşumundan büyük oranda sorumludur. Taşımacılık sektöründe, az da olsa halojen ve metan emisyonları da meydana gelmektedir. 29 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. Meydana gelen emisyonlar atmosferde ikincil kirleticiler de meydana getirmekte, hava kalitesinde olumsuz etkiler meydana getirmektedir. Önemli kirletici emisyonların etkileri Şekil 2' de gösterilmektedir [3]. Şekil 2. Emisyonların etkileri [3]. Temiz hava, insanın refah seviyesi için belirlenen temel gerekliliklerden biri olmasına rağmen, hava kirliliği gelişmiş ülkelerde bile başlıca sağlık risklerindendir. Günümüzde hava kirliliği ile sağlık problemlerini ilişkilendiren önemli bilimsel kanıtlar bulunmaktadır. Hava kirliliğine bağlı ölümler Şekil 3' te gösterilmektedir. Şekil 3. Hava kirliliğine bağlı ölümler [4]. 30 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) Hava kirliliğini kontrol altına almak amacıyla dünyanın birçok ülkesinde yerel ve Dünya Sağlık Örgütünün (WHO) belirlediği kirletici sınır değerleri kullanılmaktadır. Türkiye, WHO’ nun kabul ettiği sınır değerleri kullanmaktadır [5]. Tablo 2' de, emisyon konsantrasyonlarının Dünya Sağlık Örgütü tarafından kabul edilen sınır değerleri gösterilmiştir. Tablo 2. Kirletici derişimlerin sınır değerleri [6]. Kirletici PM2.5 Sınır Değer 10 µg / m3 yıllık ortalama PM2.5 25 µg / m3 günlük ortalama PM10 20 µg / m3 yıllık ortalama PM10 50 µg / m3 günlük ortalama Ozon 100 µg / m3 8 saatlik ortalama NO2 40 µg / m3 yıllık ortalama NO2 200 µg / m3 saatlik ortalama SO2 20 µg / m3 günlük ortalama SO2 500 µg / m3 10 dakikalık ortalama Ancak, 6 Haziran 2008 tarihinde 26898 sayılı Resmi Gazetede yayınlanan “Hava Kalitesi Değerlendirme ve Yönetimi” yönetmeliği madde 3b’ de yönetmeliğin Avrupa Birliği’ nin 96/62/EC, 99/30/EC, 2000/69/EC, 2002/3/EC ve 2004/107/EC sayılı direktiflerine paralel olarak hazırlandığı belirtilmektedir. Tablo 3’ te Türkiye için 2009–2014 yılları arasındaki geçiş dönemi için uzun vadeli hava kalitesi sınır değerleri gösterilmektedir. Tablo 3. Geçiş dönemi uzun vadeli sınır değerler (µg / m3). Mevcut (1 Ocak 2009) Hedef (1 Ocak 2014) SO2 60 20 NO2 100 60 PM10 150 60 CO 10 10 Hava kirliliği sınırlarının ihlal edildiği şehirlerde hava kirliliğine bağlı ölümler nispeten daha temiz şehirlere oranla %15–20 oranında daha fazla olmaktadır. Avrupa Birliği’ nde PM2.5 ‘e bağlı olarak yaşam süresinin normalden 8,6 ay daha kısadır. Ozon seviyesi sınırı daha önce 120 iken, bu değerin altında ölümlerle ozon seviyesi arasında bağlantı tespit edildiğinden 100 değerine çekilmiştir. Birçok Avrupa kökenli çalışmalar göstermektedir ki; Ozon seviyesindeki 10 mikrogramlık artış günlük ölüm ve kalp rahatsızlıklarını sırasıyla %0,3 ve %0,4 oranında arttırmaktadır. 31 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. Çevre sorunlarının başında gelen iklim değişikliğine sebep olan insan kaynaklı GHGs, 1980' li yıllardan itibaren artış göstermiştir. Bu gazların içinde en önemlisi, küresel ısınma etkisinin %60' ından sorumlu olan CO2' dir. CO2 emisyonunun sektörel kaynaklarına bakıldığında, en büyük payı elektrik üretimi ve ısınma almaktadır. Şekil 4' te görüldüğü üzere, kabotaj, balıkçılık ve uluslararası denizcilik faaliyetleri sebebiyle küresel CO2 nin %3,3’ ü kadardır. Şekil 4. Küresel CO2 Emisyon Kaynakları [7]. Hava yolu, karayolu, demiryolu ve gemi türüne göre denizyolu taşımacılığının CO2 verimliliği Şekil 5’ te görülmektedir [7]. B u n a g ö r e ; taşıma hızı arttıkça ve taşınan yük miktarı azaldıkça taşıma maliyetinin arttığı görülmektedir. 32 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) Şekil 5. Farklı taşıma modlarının CO2 verimliliği [7]. Denizyolu taşımacılığının enerji verimliliği en yüksek enerji etkin taşıma şekli olduğu, gemi türleri arasında da, taşıma hacmi yüksek, seyir hızı düşük olan ham petrol ve dökme yük gemilerinin daha az birim maliyetle taşıma yaptıkları söylenebilir. Türkiye’ de doğal gaz kullanımına geçilmesiyle birlikte, evsel ısınma kaynaklı emisyonlarda azalma görülmüş, taşımacılık ve trafik kaynaklı emisyonlar önem kazanmıştır. Marmara Bölgesi, Türkiye' nin en fazla endüstrileşmiş ve en yoğun nüfusa sahip bölgesi olup, diğer tüm çevresel kirliliklerin yanısıra, hava kirliliği açısından sahra taşınımları gibi doğal kirletici kaynaklarla beraber, çok farklı sektörlerden meydana gelen kirletici kaynaklardan etkilenmektedir. İnsan kaynaklı kirlilik oluşturan sektörlerin başında; evsel ısınma, üretim ve taşımacılık gelmektedir. Özellikle taşımacılık sektörü, gerek kara ve hava gerekse deniz taşımacılığı olmak üzere çok önemli kirlilik kaynaklarıdır. Bunlara ilave olarak, Marmara Bölgesi içinde bulunan Marmara Denizi ve Türk Boğazları, uğraklı ve uğraksız geçiş yapan ticaret gemileri ile iç sefer yapan yolcu gemilerinin oluşturduğu yoğun bir deniz trafiğine sahiptir. Bu çalışmanın amacı; Marmara Bölgesi' ndeki kirletici kaynaklarını yüksek çözünürlüklü olarak belirlemek, bölgenin meteorolojik koşulları altında oluşacak kirletici konsantrasyonlarını tahmin etmek ve bölgedeki insan nüfusunun maruz kaldığı emisyonları belirleyerek, kirletici kaynaklardaki azaltımların bu maruziyet miktarlarına etkilerini araştırmaktır. Böylece etkin azaltım yöntemleri tespit edilebilecektir. 2. Marmara Bölgesi ve Hava Kirliliği Hava kirliliği, havanın normal bileşiminin bozulmasıdır. Havanın normal bileşimindeki element veya bileşiklerin fazlalığı veya eksikliği hava kirliliği olarak tanımlanmaktadır. Tablo 4' te, havanın normal bileşimi görülmektedir. 33 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. Tablo 4. Havanın normal bileşimi [2]. Kimyasal Azot Oksijen Argon Karbon dioksit Neon Helyum Konsantrasyon (ppm) 780.900,00 209.400,00 9.300,00 315,00 18,00 5,20 Kimyasal Metan Kripton Hidrojen Xenon Azot dioksit Ozon Konsantrasyon (ppm) 2,30 0,50 0,50 0,08 0,02 0,01 - 0,04 Türkiye’nin kıyı şeridi 8,333 km olup, sanayi sektörünün %70’i kıyı şeridinde yer almaktadır [8]. Marmara Bölgesi, Türkiyenin en gelişmiş bölgesidir; sanayi, ticaret, turizm ve tarım sektörleri diğer bölgelere oranla önemli yer tutmaktadır. Enerji tüketimi en yüksek olan bölgedir. Türkiye’ nin sanayide tüketilen elektrik enerjisi miktarı 2008 yılı için toplam tüketimin % 46’ sını oluştururken; Bilecik, Kocaeli, Tekirdağ ve Çanakkale’ de bu oranlar %80’ ler düzeyindedir [9]. Türkiye’ nin toplam elektrik enerjisinin %39’ u, toplam sanayi elektrik enerjinin ise %43’ ü bu bölgede tüketilmektedir. Şekil 6' da, Türkiye' nin endüstri yoğunluğu görülmektedir. Şekil 6. Türkiye endüstri yoğunluğu [9]. İstanbul, Asya ve Avrupa kıtalarını bağlayan karayolları üzerinde bulunan, yüksek nüfus yoğunluğuna ve uluslararası hava ve deniz trafiğine sahip büyük bir kenttir. Türkiye' deki endüstriyel istihdamın %20' sine ve yine endüstri tesislerinin %38' ine sahiptir [10]. Türkiye’ deki toplam istihdamın yaklaşık 1/3’ ü ve sanayi istihdamının ise yarısı bu bölgededir. İstanbul' daki PM10 emisyon konsantrasyonuna Avrupa'dan gelen taşınımların etkisini inceledikleri çalışmada, Avrupa' daki emisyon değerlerinin %50 azaltılması durumunda, 34 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) İstanbul' daki PM10 konsantrasyonunun %26 azaldığı, dolayısıyla, İstanbul' daki PM10 konsantrasyonunun yarısının Avrupa kaynaklı olduğu sonucuna varılmıştır [11]. Doğal ve insan kaynaklı kirleticilerin bölgeler arası taşınımları, bu bölgelerdeki kirlilik kaynakları kadar önemlidir [12]. Marmara Bölgesi, meteorolojik olarak bir geçiş bölgesi özelliği göstermektedir ve hakim rüzgar yönü kuzeyli rüzgarlardır. Şekil 7' de görüldüğü üzere, zaman zaman esen Lodos (Güneybatı), sahra çöllerindeki kumların çok yoğun bir şekilde Marmara Denizi ve Türk Boğazları’ na ulaşmasına sebep olmaktadır. Şekil 7. Marmara Bölgesi' ne sahra taşınımı [13]. Marmara Bölgesi’ nin yoğun nüfus yapısı, endüstrileşme, yoğun kara, hava ve deniz trafiğine ek olarak sahradan da taşınan kumlar neticesinde özellikle PM emisyonunun zararlı etkilerine maruz kaldığı görülmektedir. Emisyon kaynakları ve meteorolojik şartların, İstanbul' da meydana gelen PM10 konsantrasyonu üzerindeki etkileri incelendiğinde, PM10 konsantrasyonunun endüstriyel alanlarda ve araç trafiğinin yoğun olduğu bölgelerde EC hava kalitesi sınır değerlerini aştığı, zamansal dağılım açısından da, kış aylarında yüksek, yaz aylarında düşük miktarlarda konsantrasyonların oluştuğu tespit edilmiştir [14]. İstanbul' da meydana gelen kirlilik, atmosferik taşınımlarla Doğu Akdeniz' e ihraç edilmektedir [12]. Şekil 8' de, İstanbul' da meydana gelen hava kirliliğinin taşınımı görülmektedir. 35 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. Şekil 8. İstanbul' daki hava kirliliğinin taşınımı [12]. Çan-Bayramiç bölgesinde 2007–2008 yılları arasındaki SO2 ve NO2 emisyonlarının hava kalitesine etkileri Calpuff modeli ile incelenmiş ve model sonuçlarının doğrulaması da bölgedeki 10 adet hava kalitesi istasyonu verileri kullanarak yapılmıştır [15]. Hava kirliliğinin önemli etkilerinden bir tanesi de, kültürel miras olan tarihi eserler üzerinde yaptığı korozyon ve tahribattır. SO2, NOx, PM ve O3 kirleticilerin aşındırıcı etkileri bilinmektedir. İstanbul' daki tarihi yarımadada bulunan 50 adet hava kalitesi izleme istasyonu verileri kullanılarak kireçtaşı, çelik, bakır ve bronz malzemeler üzerindeki aşınma miktarı tahmin edilmiştir [16]. Şekil 9' da, hava kirliliğinin İstanbul' daki tarihi yarımada üzerinde meydana gelen tahribat gösterilmektedir. En önemli kirliliğin tarihi yarımadanın ucunda ve Atatürk (Unkapanı) Köprüsü civarında meydana geldiği tespit edilmiştir. 36 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) Şekil 9. Hava kirliliğinin İstanbul' daki kültürel miras üzerindeki etkileri [16]. 3. Hava Kirliliğini Azaltma Yöntemleri Kirletici emisyonlar türlerine göre farklı şekillerde oluşmaktadır ve oluşan bu emisyonları oluşumlarından önce veya oluşumlarından sonra azaltmak için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Emisyonların azaltılması için en önemli yöntem, miktarı sonsuz kabul edilen yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanmaktır. En önemli yenilenebilir enerji kaynakları olarak, güneş enerjisi, jeotermal enerji, hidroelektrik enerjisi, rüzgâr enerjisi, dalga enerjisi, biyokütle kullanılması gibi tabiatın sunmakta olduğu enerjiler sayılabilir. Bu tür doğal enerjilerin kullanımı ve yaygınlaşması, başta küresel ısınmaya yol açan CO2 olmak üzere, birçok zararlı emisyonların salınımını azaltmaktadır. Hava kirliliğini önlemenin bir diğer yolu da, enerji tasarrufu yapmaktır. Özellikle ısıl süreçlerde yeni bir uygulama olarak kojenerasyon uygulamaları gelmektedir. Endüstri sektöründe kojenerasyon uygulamaları yapılarak 2020 yılına kadar %11 oranında enerji tasarrufu sağlanabilecektir [17]. Denizcilik sektörü açısından, sadece gemiler değil, limanda kullanılan ekipmanlar ve enerji kullanımları da önemli emisyon kaynaklarıdır. Limanlarda kullanılan ekipmanların tür ve sayıları ile operasyonlarının optimizasyonu önemli ölçüde enerji kullanımı ve enerji tüketimini düşürmektedir [18]. Gemilerden kaynaklanan emisyonları azaltmak için her gemi ve emisyon türü için çok çeşitli yöntemler vardır. Meydana gelen emisyonların miktarları, özellikle CO2 emisyon miktarı doğrudan yakıt tüketimine de bağlı olduğundan, gemilerde yakıt ekonomisi sağlamak için, geminin tekne tasarımı, makine tasarımı, pervane sistemi, diğer teknolojik tasarımlar ile gemi işletim yöntemlerinde iyileştirmeler yapılmalıdır [19]. 37 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. Gemi dizel motorlarında meydana gelen emisyonları azaltmak için farklı yöntemler bulunmaktadır. Bunlar; motor optimizasyonu, motor modifikasyonları, egzoz gazlarının arıtılması, alternatif yakıtların kullanılması, limanlarda uygulanan emisyon azaltma yöntemleri, gemilerin verimli işletilmesi ve piyasa mekanizmalarının kullanılması gibi yöntemlerdir. Dizel motorlarının silindir içi parametrelerin kontrol edilerek emisyon azaltılması ve yakıt ekonomisinin iyileştirilmesi, yanma odası geometrisinin optimizasyonu, yanma süresinin optimizasyonu, yakıt püskürtme sistemlerindeki gelişimler, yanma işlemine su, üre, amonyak (NH3) eklenmesi, yanma odasına yüksek basınçlı su püskürtülmesi, düşük kükürt oranlı yakıtların egzoz gazlarının tekrar sirküle edilerek tekrar yanmaya katılması ve yıkama sistemlerinin kullanılmasıyla NOx emisyonlarının azaltılması, yanma odası veya yanma odasından hemen sonra egzoz gazına üre veya NH3 enjekte edilmesi, oksitleme reaktörleri ile eksik yanma ürünü olan CO ve HC gazlarını yeniden yakarak CO2 ve H2O moleküllerine çevrilmesi alternatif yakıt kullanımları olarak sayılabilir. Alternatif yakıt olarak LPG, LNG, CNG, metanol, etanol ve hidrojen kullanılabilir. İstanbul’da kullanılan doğal gazın kükürt oranı 110 mg / m3’ tür. 20 °C ve 100 kPa’ da gaz yoğunluğu 0.71 kg / m3 olduğundan, ağırlıkça kükürt oranı % 0,0155 olmaktadır. Dolayısıyla günümüz gemi yakıtlarının ortalama kükürt oranı %2,7 ile kıyaslandığında gemi yakıtlarının % 0,6’ sı kadar kükürt ihtiva etmektedir. Otomobil motorlarında doğal gaz kullanımıyla NOx’ ta %80, CO’ da %76, benzende %97, ozona zarar veren hidrokarbonlarda %90, PM’ de %99 azalma görülmektedir [20]. Dizel motorlarında 5 farklı biyodizel yakıtı motorun farklı devir sayısı ve yükünde denemesi ile motor performansı ve meydana gelen emisyonlar konusunda yapay sinir ağları modeli kullanılarak yapılan çalışmada; farklı biyodizel karışımların performans ve emisyon çıktıları tahmin edilmeye çalışılmıştır. Ancak, silindir içindeki karmaşık yanma süreçlerine göre oluşan CO, NOx ve UHC emisyonu miktarı için modelin yüksek seviyede hata verdiği tespit edilmiştir [21]. Biyodizel uygulamalarında, yakıt içeriğine düşük konsantrasyonlarda kayısı tohumunun çekirdeğindeki yağdan elde edilen metil esterin katılmasıyla motor performansı ve egzoz emisyonlarında iyileşme görüldüğü belirtilmektedir [22]. 4 zamanlı bir dizel motorunda, dizel yakıta %15' e varan oranlarda metanol karıştırılarak yapılan deneyde; Bsfc, NOx ve CO2 emisyonları BTE ile birlikte artarken, duman opaklığı (smoke opacity), UHC ve CO emisyonlarının azaldığı belirlenmiştir [23]. Ancak, başka bir çalışmada, metanol ve etanol kullanımına nazaran, bütanolün üstün yakıt özelliği sayesinde kullanımının daha iyi sonuçlar verdiği belirtilmiştir [24]. Sadece yakıt türü ve içeriği değil, makinenin yanma parametrelerini değiştirecek herhangi bir etki de makinelerin emisyon faktörlerini değiştirebilir. Motor silindirindeki yakıt püskürtme zamanlamasını değiştirdiklerinde NOx ve CO2 emisyonlarının arttığını, buna karşın HC ve CO emisyonlarının azaldığı belirtilmektedir [25]. Denizcilik sektöründe emisyonların kontrolü için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması, sahil elektrik bağlantısı yapılması, gemi formlarının optimize edilmesi, geminin toplam enerji ekonomisinin iyileştirilmesi, CO2 indeksi ile gemilerin performanslarının ölçülmesi, filo yönetiminin daha etkin kullanımıyla gereksiz gemi 38 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) hareketlerinin önlenmesi, gemi yakıtlarının vergilerinin arttırılması, emisyon ticareti uygulamalarına geçilmesi, limanlarda CO2 bazlı ücret alınması, soğutucu gaz kaçaklarına denetim ve yaptırımların getirilmesi, HC ve NOx’ un da küresel ısınmaya sebep olan gazlar sınıfına sokulması gibi konular üzerinde halen tartışılmaktadır. Küresel ısınma ve iklim değişikliğine sebep olan CO2 emisyonu için ise, uzun ve kısa dönemde olmak üzere, teknik, operasyonel ve piyasa mekanizmaları tabanlı bir takım azaltma mekanizmaları önerilmektedir. Limanlarda gemi kaynaklı emisyonları azaltmak için cold ironing metot (gemilere limandayken sahilden elektrik verilmesi) ve cloud chamber scrubbing (gemi bacalarından egzozun alınarak sahile verilmesi) yöntemleri mevcuttur. Tekne tasarımı konusunda gemi boyutlarında iyileştirmeler yapmak (gemi boyutu arttıkça birim emisyon düşmektedir), düşük balastlı seyire uygun gemi inşa etmek, boş tekne ağırlığını (lightweight) düşürmek, optimum gemi ölçülerinde gemi tasarlamak (gemi boyunun uzaması yakıt tüketimini düşürür), teknenin su altındaki açıklıkları (bow thruster ve kinistin sandıkları gibi) türbülans yapmayacak şekilde tasarlamak gibi yöntemler önerilmektedir. Gemi tasarımı, pervane, makine, operasyon ve yakıt olarak ana hatlarıyla sınıflandırılan yöntemlerin kullanılmasıyla %80 NOx, %90 PM, %70 SOx, %70 CO2 azaltımı mümkündür [26]. Önerilen diğer teknolojilerden bazıları ise değişken hızda çalışan elektrik motorları kullanımı, güneş ve rüzgar enerjisinin gemilere uyarlanmalarıdır. Gemilerin işletimiyle ilgili olarak optimum seyir planlaması yapmak, teknenin su altı temizliğini yaptırmak, yakıt katkıları kullanmak, optimum trimde seyir yapmak gibi yöntemler bulunmaktadır [19]. 2020 yılı gemi emisyonları miktarına göre yapılan çalışmada, Avrupa için SO2 ve NOx emisyonlarını azaltma yöntemlerinin maliyetleri ile bu yöntemlerin uygulanması ile meydana gelen fayda karşılaştırılmıştır. Buna göre, çevresel faydası en yüksek yöntem olan SCR yöntemi ile birlikte kükürt oranının % 0.5’ e düşürülmesi öngörülmesine karşılık, fayda-maliyet oranı en yüksek yöntem ise motorlarda Humid Air Motor (HAM) yönteminin uygulanması olarak görülmektedir [27]. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemli türlerinden biri olarak görülen biyokütle enerji kaynakları; kaynağa yönelik üretim ve çevrim teknolojilerinin iyi bilinmesi, her ölçekte enerji verimi için uygun olması, çevre ile dost olması, sürdürülebilir enerji üretimini ve çevre yönetimini sağlaması ve kalkınmayı hedefleyen özellikleri ile tüm dünyada geniş bir uygulama alanı bulmuştur [28]. 4. Hava Kalitesinin Modellenmesi ve Maruziyet Analizleri Hava kalitesi modelleri ile farklı kaynakların hava kalitesine etkileri ve hava kalitesiyle ilgili senaryolar oluşturulabilir. Sadece belli noktalardan hava kalitesi ölçümleri ile bu gerçekleştirilemez. Dahası, ölçümler tek bir noktanın değerlerini belirttiğinden, ölçüm noktasının seçimi de çok önemlidir. 39 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. Ancak, atmosferde meydana gelen olayların karmaşıklığını temsil edecek hava kalitesi modelleri de fiziksel ve kimyasal olarak hayli karmaşıktır. Hava kalitesi modelleri küresel (global), bölgesel (mezoscale) ve yerel (local) ölçeklerde yapılmaktadır. Hava kalitesi modelleri, uygulandıkları alanların merkezinde daha iyi çözümler sunarken, sınır noktalarında hata payları artmaktadır. Sınır noktaları, karasal etkilerden kaçınabilmek için daha çok denizler üzerinde seçilmektedir. Şekil 10' da, yeni oluşturulan gemi emisyonu envanterinin hava kalitesi modelinde değerlendirilmesi aşamaları gösterilmektedir. Şekil 10. Emisyonların hava kalitesi modelinde değerlendirilmesi [29]. Hava kalitesi çalışmalarının düzlemdeki çözünürlüğü çok önemlidir. Çözünürlük arttıkça bilgisayarların yapması gereken işlemler artmaktadır. Avrupa kıtasını içine alan bölgede (domain) çözünürlük 30 km x 30 km, Balkanlarda 10 km x 10 km iken, İstanbul için çözünürlük 2 km x 2 km’ ye düşmektedir. Dış domain’ deki model sonuçları, iç domain’ lerde girdi olarak kullanılmaktadır. Bölgesel (mezoscale) modellerin sınır değerleri için ise uydu verileri veya küresel modellerin çıktıları kullanılmaktadır. Çözünürlüğün 1 km x 1 km’ nin altına düştüğü durumlarda atmosferdeki rassal (random) olayların varlığı nedeniyle, hatalar büyümekte, bu hatalar da katlanarak artmaktadır. Marmara Denizi ve Türk Boğazları’ nı içine alan bölgedeki yıllık ticari gemi emisyonlarının hava kalitesine etkilerini görmek amacıyla Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modeli kullanılmıştır. Hava kirliliği simülasyon modelleri çevre politikaları, kuralları ve araştırmaları için kullanılan önemli araçlardır. Hem çevresel hem de kontrol maliyetlerini en uygun seviyede belirleyebilmek için hava kirliliği kontrol yöntemlerini kullanmak gereklidir. 40 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) Meteoroloji modeli olarak seçilen The Weather Research and Forecasting (WRF), yeni nesil bölgesel ölçekli hava tahmin sistemi olup hava tahmin ve atmosfer araştırmalarının ihtiyaçlarına hizmet etmektedir. WRF, metreden binlerce kilometreye kadar olan geniş bir spektrumdaki uygulamalar için uygun bir modeldir. Çoklu dinamik yapıdaki 3 boyutlu değişken değer asimilasyon sistemi (3DVAR) ve parallel hesaplamaya izin veren yazılım mimarisine sahiptir. Şekil 11' de, WRF modelinin yapısı gösterilmektedir. Şekil 11. WRF model sistemi [30]. WRF modelinin geliştirilmesinde National Center for Atmospheric Research (NCAR), the National Oceanic and Atmospheric Administration (the National Centers for Environmental Prediction (NCEP), the Forecast Systems Laboratory (FSL), the Air Force Weather Agency (AFWA), the Naval Research Laboratory, Oklahoma Üniversitesi ve Federal Aviation Administration (FAA) kuruluşları etkin rol almaktadır. WRF modeli, gerçek veri veya ideal durumlar için simülasyonlar yapılmasına izin vermektedir. WRF ileri derecede fiziksel, numeric (sayısal) ve araştırma kuruluşları tarafından karşılanan veri asimilasyonları sunmakta, verimli ve esnek bir hesaplama ve tahmin sağlamaktadır. CMAQ, hava kalitesi modellemelerinde troposferik ozon, asit birimi, görünürlük ve hava kirletici maddelerin konsantrasyonları için kullanılan güçlü bir model sistemidir. Model, 1990’ lı yılların başından itibaren EPA’ nın Atmosfer Modelleme ve Analiz Bölümünün liderliğinde North Carolina’ daki National Exposure Research Laboratory (NERL)’ de geliştirilmektedir [31]. Avrupa için kullanılan domain sistemi Şekil 12’ de gösterilmektedir. Referans domain 30 x 30 km’ lik gridler halinde olup, 190 x 158 adettir. D02 domaini ise, 10 x 10 km çözünürlükte olup, 186 x 156 hücreden oluşmaktadır. 41 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. Şekil 12. Modeller için kullanılan domain sistemi [29]. Meteoroloji modelinin sonuçları elde edildikten sonra, TNO domain yapısı içine AIS verilerini yerleştirebilmek için TNO (10x10 km) ve çalışma bölgesi için oluşturulan domain yapıları kullanılarak intersection işlemi yapılmıştır. Bu işlemde, birbiriyle örtüşmeyen farklı iki domain arasındaki alansal ilişki kullanılarak, bir domain içindeki her bir gride ait emisyonlar diğer domainin gridlerine aktarılmaktadır. TNO’ nun tüm sektörler için öngördüğü NO2 emisyonu toplamı Şekil 13’ te gösterilmiştir. Ancak, gemi kaynaklı NOx emisyonu olması gerektiği kadar dikkat çekici değildir. Şekil 13. TNO yıllık NOx emisyonu [29]. Ancak, TNO’ nun tüm sektörlerinden yine TNO’ ya ait gemi kaynaklı emisyonlar çıkarıldıktan ve yeni AIS verileri yerleştirildikten sonra meydana gelen toplam emisyonlar Şekil 14’ te görülmektedir. 42 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) Şekil 14. TNO ve AIS NO2 emisyonu toplamı [29]. Marmara Bölgesi ve Türk Boğazları’ nın Emission Control Area (ECA) ilan edilmesi durumunda meydana gelecek PM2.5 konsantrasyon farkı ve nüfus yoğunluğu dikkate alındığında, özellikle İstanbul’ da, PM2.5 kaynaklı kardiyovasküler ve akciğer kanserine bağlı ölümlerde azalmalar meydana geleceği görülmektedir. Gemilerdeki kükürt oranlarının ECA’ nın öngördüğü kükürt oranına düşürülmesinin sağlığa etkilerinin belirlenebilmesi için, Anenberg ve arkadaşlarının 2010 ve 2012’ de yaptıkları çalışmalar kullanılmıştır [32,33]. 6. Sonuçlar ve Genel Değerlendirmeler Bu çalışmada hava kirliliği ile ilgili çalışmalar gözden geçirilmiştir. Özellikle hava kirliliği ile ilgili çalışmalarda önemli bir yer tutan envanter çalışmalarının bu bölge için yetersiz olduğu tespit edilmiş, denizcilik ve havacılık sektörü ile ilgili detaylı bir envanter çalışması gerçekleştirilmiştir. Marmara Denizi ve Türk Boğazları’ nı içine alan bölgede yıllık emisyonlar hesaplanmış ve hava kirliliğine etkileri değerlendirilmiştir. Çalışmada, sadece AIS cihazı bulunan 300 grt (Groston) ve üzeri gemilerden gelen veriler kullanılmıştır. AIS sistemi hakkında detaylı bilgilere de çalışmada yer verilmiştir. Gemi kaynaklı emisyonlarla ilgili daha önce yapılmış olan uluslararası kabul görmüş küresel, bölgesel, yerel ölçekli envanter çalışmalarındaki yöntemler ve sonuçlar incelenmiştir. Bölgesel ölçekli envanter çalışmalarının günümüzde AIS verileri kullanılarak yapılmakta olduğu, daha önceki yöntemlere göre yapılmış çalışmalara göre, oldukça yüksek çözünürlükte ve gerçeğe daha yakın sonuçlar verdiği, yeni yöntemle yapılan çalışmaların sonuçlarının, top-down yöntemi veya diğer basit kabullenmelere göre yapılan çalışmalardan önemli ölçüde farklı olduğu görülmüştür. Aynı zamanda bu çalışmalar, gemi emisyonlarının, daha önceki yöntemlere göre, çok daha önemli miktarlara ulaşmakta olduğunu da göstermektedir. 43 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. Hava kirliliğini azaltmak için tek bir yöntem bulunmamaktadır. Kükürt emisyonunu kontrol edebilmek için yakıt içeriğindeki kükürt oranlarının sınırlandırılabilmesi için gerekli yasal zorunluluklar üzerinde durulmuştur. Marmara Bölgesi' nin coğrafi özellikleri ve denizcilik faaliyeliyetleri araştırılarak, bölgedeki endüstrileşme ile birlikte önemli bir yer tutan gemi trafiğinin bölgedeki yoğun nüfus üzerindeki muhtemel etkileri işaret edilmiştir. Gemi trafiği ile ilgili anlık veriler değerlendirilerek, gemi türüne, bölgelere, zamana ve oluştukları yere göre, önemli kirletici türlerinin yıllık toplamları yüksek çözünürlükte hesaplanmıştır. Gemi trafik yoğunluğu tespit edilerek, yapılan envanter çalışması sonuçları da, farklı yöntemlerle doğrulanmıştır. Gemi emisyonları, Marmara Bölgesi için özellikle NOx ve SO2 emisyonları açısından ciddi bir kaynak oluşturmaktadır. Bunlara bağlı olarak partikül madde konsantrasyonları çalışılan dönem için %50’ye varan artışlara sebep olmuştur. Hava kalitesi modeli sonuçları, bölgedeki ölçüm istasyonlarının sonuçları ile karşılaştırıldığında, AIS verilerine göre elde edilen gemi emisyonlarının, litaratürdeki mevcut emisyon verilerinden daha doğru sonuçlar verdiği görülmüştür. Ayrıca, kükürt oranlarına göre yapılan hassasiyet analizlerine göre, kükürt oranlarının ECA sınırlarına çekilmesi durumunda kirletici konsantrasyonlarının ciddi şekilde azalacağı tespit edilmiştir. Gemi emisyonları yüzünden Marmara Bölgesi’ ndeki ölüm oranlarında ciddi bir artış (yılda 4500 kişi) olmuştur. Bu sebeple, Marmara Bölgesi’ nin Emisyon Kontrol Alanı (ECA) ilan edilmesi yerinde olmakla birlikte, bu sayede kazanılacak yararlar konunun aciliyetini gündeme taşımaktadır. Çalışmanın amacı, doğal ve insan kaynaklı tüm emisyon kaynaklarının Marmara Bölgesi ve civarındaki etkilerinin belirlenmesi olmasına rağmen, deniz taşımacılığı kaynaklı hava kirliliğinin diğer sektörlerden çok daha önemli olduğu görülmüştür. Kaynaklar [1]. Jakobson, M. Z., Atmospheric pollution, history, science and regulation, Cambridge University Press, (2002). [2]. Kılıç, A., Gemilerden kaynaklanan egzoz emisyonları ve dağılım modellemesi, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul (2006). [3]. European Environment Agency (EEA), Air quality in Europe, Report No: 4/2012, (2012). [4]. World Healt Organization (WHO), Air Quality Guidelines Global Update 2005, World Health Organization, ISBN 92 890 2192 6, (2006). [5]. Bayram, H., Dörtbudak, Z., Fişekçi, F. E., Kargın, M. ve Bülbül, B., Hava kirliliğinin insan sağlığına etkileri, dünyada, ülkemizde ve bölgemizde hava kirliliği sorunu, Dicle Tıp Dergisi, 33(2), 105-112, (2006). [6]. World Health Organization (WHO), Air quality and health, Fact Sheet No: 313, (2008). [7]. Buhaug, Ø., Corbett, J.J., Endresen, Ø., Eyring, V., Faber, J., Hanayama, S., Lee, D.S., Lee, D., Lindstad, H., Markowska, A.Z., Mjelde, A., Nelissen, D., Nilsen, J., 44 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 27-46 (2014) [8]. [9]. [10]. [11]. [12]. [13]. [14]. [15]. [16]. [17]. [18]. [19]. [20]. [21]. [22]. [23]. [24]. Palsson, C., Winebrake, J.J.,Wu, W.Q., and Yoshida, K., Second IMO GHG study, International Maritime Organization (IMO) London, UK, (2009). Şahin, M., İklim değişikliği ve Türkiye, Çevre ve Orman Bakanlığı, Ankara, (2008). TÜİK, 2010. http://www.ito.org.tr, (24.03.2011). Kındap, T., Unal, A., Chen, S. H., Hu, Y., Odman, M. T., and Karaca, M., Long- range aerosol transport from Europe to Istanbul, Turkey, Atmospheric Environment, 40(19), 3536-3547, (2006). Kanakidou, M., Mihalopoulos, N., Kindap, T., Im, U., Vrekoussis, M., Gerasopoulos, E., Dermitzaki, E., Unal, A., Koçak, M., Markakis, K., Melas, D., Kouvarakis, G., Youssef, A. F., Richter, A., Hatzianastassiou, N., Hilboll, A., Ebojie, F., Wittrock, F., von Savigny, C., Burrows, J. P., LadstaetterWeissenmayer, A. and Moubasher, H., Megacities as hot spots of air pollution in the East Mediterranean, Atmospheric Environment, 45(6), 1223-1235, (2011). Kindap, T., Ünal, A. And Karaca, M., Analysis of the Saharan dust transport to the Anatolian Peninsula: megacity perspective, Atmospheric Chemistry and physics, In review, (2010). Unal, Y. S., Toros, H., Deniz, A., and Incecik, S., Influence of meteorological factors and emission sources on spatial and temporal variations of PM10 concentrations in Istanbul metropolitan area, Atmospheric Environment, 45(31), 5504-5513, (2011). Ozkurt, N., Sari, D., Akalin, N., and Hilmioglu, B., Evaluation of the impact of SO2 and NO2 emissions on the ambient air-quality in the Çan–Bayramiç region of northwest Turkey during 2007–2008, Science of The Total Environment, 456–457, p 254-266, (2013). Karaca, F., Mapping the corrosion impact of air pollution on the historical peninsula of Istanbul, Journal of Cultural Heritage, 14, 129-137, (2013). Atikol, U. and Güven, H., Impact of cogeneration on integrated resource planning of Turkey, Energy, 28(12), 1259-1277, (2003). Esmemr, S., Ceti, I. B. and Tuna, O., A Simulation for Optimum Terminal Truck Number in a Turkish Port Based on Lean and Green Concept, The Asian Journal of Shipping and Logistics, 26(2), 277-296, (2010). OECD, Greenhouse gas emissions reduction potentials from international shipping, Discussion Paper No : 2009-11, (2009). http://www.palgaz.com.tr/index.php?contentId=150, (16.03.2011). Canakci, M., Ozsezen, A. N., Arcaklioglu, E. and Erdil, A., Prediction of performance and exhaust emissions of a diesel engine fueled with biodiesel produced from waste frying palm oil, Expert Systems with Applications, 36(5), 9268-9280, (2009). Gumus, M. and Kasifoglu, S., Performance and emission evaluation of a compression ignition engine using a biodiesel (apricot seed kernel oil methyl ester) and its blends with diesel fuel, Biomass and Bioenergy, 34, 134-139, (2010). Sayin, C., Ilhan, M., Canakci, M. and Gumus, M., Effect of injection timing on the exhaust emissions of a diesel engine using diesel–methanol blends, Renewable Energy, 34(5), 1261-1269, (2009). Kumar, S., Cho, J. H., Park, J. and Moon, I., Advances in diesel–alcohol blends and their effects on the performance and emissions of diesel engines, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 46-72, (2013). 45 KILIÇ A., KUM S., ÜNAL A., KINDAP T. [25]. Sayin, C., Uslu, K. and Canakci, M., Influence of injection timing on the exhaust emissions of a dual-fuel CI engine, Renewable Energy, 33(6), 1314-1323, (2008). [26]. Miola, A., Ciuffo, B., Grovine, E., Marra, M., Regulating air emission from ships, JRC Report, (2010). [27]. Sieber, N. and Kummer, U. Environmental costs of maritime shipping in Europe. [28]. http://www.marmore.com.tr, (28.11.2013). [29]. Kılıç, A., Marmara Bölgesi' ndeki deniz ve hava taşımacılığından kaynaklanan emisyon envanterinin oluşturulması ve hava kirliliğinin modellenmesi, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul (2014). [30]. http://www.wrf-model.org/index.php, (16.02.2012). [31]. CMASIE, Operational guidance for the community multiscale air quality (CMAQ) modeling system,Version 4.7.1, University of North Carolina, (2010). [32]. Anenberg SC, Horowitz LW, Tong DQ, West JJ., An estimate of the global burden of anthropogenic ozone and fine particulate matter on premature human mortality using atmospheric modeling, Environment Health Perspect, 118, 1189-1195, (2010). [33]. Anenberg SC, Schwartz J, Shindell D, Amann M, Faluvegi G, Klimont Z, Janssens-Maenhout G, Pozzoli L, Van Dingenen R, Vignati E, Emberson L, Muller NZ, West JJ, Williams M, Demkine V, Hicks WK, Kuylenstierna J, Raes F, Ramanathan V., Global air quality and health co-benefits of mitigating near- term climate change through methane and black carbon emission controls, Environment Health Perspect, 120(6), 831-839, (2012). 46 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) The Linear, Nonlinear Optical Properties and Quantum Chemical Parameters of Some Sudan Dyes Aslı EŞME1,*, Seda GÜNEŞDOĞDU SAĞDINÇ2 1 Department of Elementary Science Education, Kocaeli University, Umuttepe campus 41380 Kocaeli, Turkey. 2 Department of Physics, Science and Art Faculty, Kocaeli University, Umuttepe campus 41380 Kocaeli, Turkey. Abstract In this study, the polarizability (<α>), the anisotropy of the polarizability (<∆α>), groundstate dipole moment (µ) and the first-order hyperpolarizability (β) of the Sudan III (SIII) [1-({4-[(phenyl)diazenyl] phenyl}diazenyl) naphthalen-2-ol], Sudan Red G (SRG) [1-(2Methoxyphenylazo)-2-naphthol] and Sudan Orange G (SOG) [4-(Phenylazo)resorcinol] are studied at the Hartree-Fock (HF) and Density Functional theory (DFT/B3LYP) levels of the theory with 3-21G, 6-31G, 6-31G(d), 6-31G(d,p), 6-31G+(d,p), 6-31G++(d,p), 6311G, 6-311G(d), 6-311G(d,p), 6-311G++(d,p) basis sets. Also, EHOMO (the highest occupied molecular orbital energy), ELUMO (the lowest unoccupied molecular orbital energy), HOMO-LUMO energy gap (∆E), electron affinity (A), ionization potential (I), global hardness (η), softness (σ), electronegativity (χ), chemical potential (Pi), global electrophilicity index (ω) are investigated. All quantum chemical parameters, in general, are dependent on the choice of the basis sets, and are clearly influenced after the addition of polarization and diffusion functions. Keywords : Sudan dyes, nonlinear optics, hyperpolarizability, polarizability, DFT, HF. Bazı sudan boyalarının lineer, lineer olmayan optik özellikleri ve kuantum kimyasal parametreleri Özet Bu çalışmada, Sudan III (SIII) [1-({4-[(fenil)diazenil] fenil}diazenil) naftalin-2-ol], Sudan Kırmızı G (SKG) [1-(2-Metoksifenilazo)-2-naftol] ve Sudan Turuncu G (STG) [4(fenilazo)rezorsinol] moleküllerinin polarizabilite (<α>), anizotropi polarizabilite (<∆α>), * Aslı EŞME, asliesme@gmail.com, Tel: (262) 303 2046. 47 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. taban-durum dipol moment (µ) ve birinci-derece hiperpolarizabilite (β) değerleri HartreeFock (HF) metodu ve Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT/B3LYP) metodu ile 3-21G, 631G, 6-31G(d), 6-31G(d,p), 6-31G+(d,p), 6-31G++(d,p), 6-311G, 6-311G(d), 6311G(d,p), 6-311G++(d,p) temel setleri kullanılarak incelendi. Ayrıca, EHOMO (en yüksek dolu moleküler orbital enerji), ELUMO (en düşük boş moleküler orbital enerji), HOMOLUMO enerji farkı (∆E), elektron ilgisi (A), iyonizasyon potansiyeli (I), global sertlik (η), yumuşaklık (σ), elektronegatiflik (χ), kimyasal potansiyel (Pi), global elektrofilik indis (ω) değerleri araştırıldı. Tüm kuantum kimyasal parametreler, genelde, temel setlerin seçiminden bağımsızdır, ve açıkça polarizasyon ve difüz fonksiyonlarının eklenmesinden sonra etkilenmektedir. Anahtar kelimeler: Sudan boyaları, lineer olmayan optik, hiperpolarizabilite, polarizabilite, DFT, HF. 1. Introduction Colorants are generally added into food to enhance its visual aesthetics, and to promote sales [1]. Although the allowable amount of synthetic colorants is reduced for consumer health reasons in recent years, many kinds of synthetic food dyes are still widely used all over the world due to their low price, high effectiveness, and excellent stability [2]. Azocompounds are widely used as synthetic organic colorants. Generally, synthetic colorants can be classified as water-soluble or fat-soluble colorants based on their solubility. Most fat-soluble synthetic colorants present in the market are azo compounds, such as Sudan III (SIII) [3]. Belonging to the azo-dye class, sudan dyes are non-ionic fat-soluble dyes used in the gasoline, diesel, lubricating grease and polymer dye production, and as dye for food (chilli) and tattoos. SIII [1-({4-[(phenyl)diazenyl] phenyl}diazenyl) naphthalen-2-ol] is fatsoluble dye predominantly used for demonstrating the presence of triglycerides in frozen sections. In addition, SIII is commonly used for coloring waxes, oils and spirit varnishes [4]. Sudan Red G (SRG) [1-(2-Methoxyphenylazo)-2-naphthol] is a yellowish red lysochrome azo dye. It has the appearance of an odorless reddish-orange powder with melting point 225 °C. It is soluble in fats and used for coloring of fats, oils, and waxes, including the waxes used in turpentine-based polishes [5]. Sudan Orange G (SOG) [4(Phenylazo)resorcinol] is useful for staining triglycerides in animal tissues (frozen sections) [6]. About 50% of the total world colorant production belongs to the so-called azo dyes compounds [7]. The main feature of this dye family is the presence of the azo group (N=N-) which gives the possibility of providing a more extended electronic conjugation of π electrons, and consequently allowing for a strong light absorption in the visible region of the electromagnetic spectrum. It is known that organic molecules formed by a donor–acceptor pair connected to a πdelocalized framework present attractive non-linear optics (NLO) characteristics, which can be estimated from their hyperpolarizabilities [8-11]. Recently, there has been a growing interest in the nonlinear optical (NLO) properties of azo materials with donor-acceptor groups for their large nonlinear refraction [12], which are interesting for the application in 48 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) optical storage, optical-limiting and optical switching application [13, 14]. Their nonlinear optical response may result from electronic and/or nonelectronic process. Electronic nonlinearities occur as the result of the nonlinear response of bound electrons on an applied optical field. Furthermore, the usually good planarity of the azo bridge plays important role to larger π electron transmission effects [15-18]. The first hyperpolarizability, (β), gives information about the material capability to generate second order non-linear effects [11]. Also, the experimental and theoretical studies have been expanded to understand many aspects of molecular hyperpolarizabilities [15]. The use of quantum chemical methods as Hartree-Fock (HF) and density functional theory (DFT) for molecular hyperpolarizabilities is expected to supply a guidance and accelarate subsequent experimental studies [19,20]. Thus, in the present work, the molecular structures, EHOMO (the highest occupied molecular orbital energy), ELUMO (the lowest unoccupied molecular orbital energy), HOMO-LUMO energy gap (∆E), dipole moments (µ), polarizabilities (<α>), the anisotropy of the polarizabilities (<∆α>) and first-order hyperpolarizabilities (β) are investigated using HF and B3LYP methods with different basis sets on some sudan azo dyes, such as SIII, SOG and SRG (Fig. 1). Dyes SIII Chemical structures Name of dyes [1-({4-[(phenyl)diazenyl] phenyl}diazenyl) naphthalen-2-ol] [4-(Phenylazo)resorcinol] SOG [1-(2-Methoxyphenylazo)2-naphthol] SRG Fig 1. Chemical structures of azo-dyes investigated. Although the X-ray studies of SIII and SOG has not been reported till now, SIII has been calculated structural parameters by HF and DFT methods for investigation of the tautomerism in it [21]. Also, the nonlinear optical (NLO) parameters such as the polarizability (<α>), the anisotropy of the polarizability (<∆α>), ground-state dipole moment (µ) and the first-order hyperpolarizability (β) of SIII have been extensively studied 49 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. density functional theory (DFT) calculation with 6-311G(d,p) basis set [22]. The experimental structure of SRG has been reported in the literature [23] and the molecular structural values of this molecule have been repoted in Cambridge Crystallographic Database (CSD code: JATJIX). In that study, SRG has analysed of the structure obtained for azo-form [23]. The other objective of this paper is to find effective quantum chemical methods (HF and DFT methods) that would offer a certainty of finding molecular parameters. The HF and DFT studies were initiated with the minimal basis set 3-21G and moved to higher basis sets for checking both (d), (p), (d,p) polarization function and +, ++ diffuse function effects. The basis sets incorporated in this study include 3-21G, 6-31G, 6-311G, 6-31G(d), 6311G(d), 6-31G(d,p), 6-311G(d,p), 6-31G+(d,p), 6-31G++(d,p), 6-311G++(d,p) [24-30]. Also, the molecular hardness (η), global softness (σ) electronegativity (χ), chemical potential (Pi) and global electrophilicty index (ω) have been obtained from molecular frontier orbital energies using ab initio methods at different basis sets. 2. Computational Details All calculations were performed using the GAUSSIAN-09W [31] software package and GaussView, Rev 5.0.9 [32] molecular visualization programs. The molecular geometries of SIII, SOG and SRG are restricted. The DFT calculations were performed using Becke’s three-parameter hybrid functional [33] with the Lee-Yang-Parr correlation functional [34], a combination that gives rise to the well-known B3LYP method. In addition, the HF method was also used to obtain the NLO properties and energies (EHOMO, ELUMO, ∆E= ELUMO-EHOMO) of SIII, SOG and SRG for comparison with B3LYP results. The effects of basis sets on calculations are studied at HF and B3LYP levels with 3-21G, 6-31G, 6-311G, 6-31G(d), 6-311G(d), 6-31G(d,p), 6-311G(d,p), 6-31G+(d,p), 6-31G++(d,p), 6311G++(d,p) basis sets. In the context of the HF theorem, the EHOMO and ELUMO is used to approximate the ionization potential (I) and electron affinity (A) given by Koopmans’ theorem [35], respectively. Although no formal proof of this theorem exists within DFT, its validity is generally accepted. I and A are related to . (1) I = − E HOMO A = − E LUMO If we assume that these relations are valid within the DFT frame, the chemical potential (Pi) known as the negative of electronegativity (χ) , and hardness (η) can be estimated with I + A I + A I − A (2) Pi = − χ = η = ; ; . 2 2 2 Recently, several researches [36-39] have introduced an global electrophilicity index (ω) defined as (3) ω = ( Pi ) 2 / 2η . This was proposed as a measure of the electrophilic power of a molecule and global softness (σ) is given by [40] (4) σ = 1 /η 50 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) Polarizabilities were calculated at the same level of theory using the standard GAUSSIAN09W keyword ‘Polar’ [41]. This keyword means that the polarizabilities were obtained analytically rather than by numerical differentiation. The energy of an uncharged molecule under a weak, general electric field can be expressed by Buckingham type expansion [42-44] (5) E = E 0 − µ i Fi − (1 / 2)α ij Fi F j − (1 / 6) β ijk Fi F j Fk + ..... where E is the energy of a molecule under the electric field F, E0 is the unperturbed energy of a free molecule, Fi is the vector component of the electric field in the i direction, and µ i , α ij , β ijk are the dipole moment, linear polarizability and first-order hyperpolarizability, respectively. Here, each subscript of i, j and k denotes the indices of the Cartesian axes x, y, z, and a repeated subscript means a summation over the Cartesian indices x, y, z. The ground state dipole moment µ, the polarizability <α>, the anisotropy of the polarizability <∆α> and the first-order hyperpolarizability β, using the x, y, z components they are defined as [45, 46] ( µ = µ x2 + µ y2 + µ z2 α = ) 1/ 2 (6) α xx + α yy + α zz 3 ( ) (α xx − α yy )2 + (α yy − α zz )2 + (α zz − α xx )2 + 6 α xy2 + α xz2 + α yz2 ∆α = 2 β= (β 1/ 2 + β xyy + β xzz ) + (β yyy + β yzz + β yxx ) + (β zzz + β zxx + β zyy ) . 2 xxx (7) 2 2 (8) (9) Since the values of the polarizabilities (α) and first-order hyperpolarizability (β) of GAUSSIAN-09W output [30] are reported in atomic units (a.u.), the calculated values have been converted into electrostatic units (esu) (α: 1 a.u. = 0.1482 x10-24 esu; β: 1 a.u.= 8.6393 x10-33 esu) [47]. 3. Results and Discussion In general, sudan dyes display two possible tautomeric forms, the azo (O-H) and hydrazo (N-H) forms, as shown in Fig. 2 for SRG [22, 23]. Depending on the tautomers, two types of intermolecular hydrogen bonds are observed in sudan dyes: O-H··· N in azo and N-H···O in hydrazo tautomer. Several researchers have studied the azo/hydrazo form of sudan dyes [21, 23, 48]. The position and nature of the equilibrium depends on the solvent utilized. In this study, we have not used any solvents to determine the molecular parameters of sudan dyes. Therefore, we decided to study only the azo (OH) form of the sudan dyes because of their molecular parameters and non-linear optical properties. The molecular structures of SIII, SOG and SRG have been completely optimized at the HF and B3LYP levels with 3-21G, 6-31G, 6-31G(d), 6-31G(d,p), 6-31G+(d,p), 6-31G++(d,p), 6-311G, 6-311G(d), 6-311G(d,p), 6-311G++(d,p) basis sets. The optimized structures of the studied molecules at the DFT/B3LYP level using the 6-31G(d,p) basis set are shown in Fig. 3. 51 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. CH3 CH3 O H O O O H N N N N Fig 2. Tautomeric equilibrium for the SRG. Fig. 3. The optimized structures obtained using B3LYP/6-31G(d,p) level of (a) SIII, (b) SOG and (c) SRG. The calculated N-N and C-N lengths of the three compounds are presented in Table 1, and are compared with the experimental values of SRG values from X-ray diffraction data [23]. Also, the experimental structure of SIII has not been reported until now, therefore we have compared the calculated bond lengths of SIII with its experimentally available parent compound trans-azobenzene from the X-ray study [49]. From the crystalline structure described for trans-azobenzene, the N1-N2 bond length was 1.247 Å. In the present study, the calculated N-N bond distances for SIII was found to be between 1.222 and 1.250 Å by HF and between 1.274 and 1.344 Å by B3LYP level for N1-N2 and 6-31G basis set for OH isomer structure of SIII. In that study, the N1-N2 and N3-N4 bonds were found to be 0.02 Å shorter than our calculated values with same basis set. Due to the lack of experimental data in SOG, we compared the experimental N-N bond length of SRG with the theoretical value obtained with several basis sets of SOG. From the theoretical values, it can be stated that N-N bond lengths of SRG and SOG are lower than the experimental value of SRG [23]. The discrepancy between the experimental and calculated bond lengths of SRG might result from the different forms of SRG (experimentally in the hydrazo form and theoretically in the azo form). Going from 3-21G to 6-31G decreases the N-N bond lengths of the studied molecules, and using the 6-311G basis set shows little change in this bond length. This suggests that increasing the size of the orbitals does not improve the description of this bond length. The same conclusion can be arrived at with respect to the addition of polarization (d, (d,p)) and diffuse (+, ++) functions. The calculated C-N bond lengths for sudan dyes compare with those corresponding to data reported in the literature [23, 49]. As shown in Table 1, the calculated values correspond well to those within the literature [21] (1.404 Å for HF/6-31G and 1.388 Å for B3LYP/631G) and for our study (between 1.400 and 1.404 Å for HF and between 1.334 and 1.388 Å 52 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) for B3LYP) values of C2-N1 bonds for SIII, but there was a discrepancy in the experimental results regarding the structure of trans-azobenzene (1.428 Å) [49]. The deviations in the C2-N1 and N2-C11 bond lengths for SIII are less than 0.028 and 0.010 Å for HF/6-31G and 0.044 and 0.017 Å for B3LYP/6-31G when compared to the trans-azobenzene, respectively. The differences of bond lengths between the experimental [23] and the calculated values for SRG are found in the C2-N1 and N2-C11 bonds, with the different values being 0.074 and 0.004 Å for HF/6-31G and 0.059 and 0.001 Å for B3LYP/6-31G, respectively. For the optimized SOG structure, the difference of C2-N1 and N2-C11 bond lengths are found to be 0.077 and 0.016 Å for HF/6-31G and 0.072 and 0.018 Å for B3LYP/6-31G, respectively, as compared to the observed value of 1.330 and 1.404 Å in the X-Ray data for SRG [23]. The use of several basis sets for sudan dyes has no effect on the value of these bond lengths. Analyses of the conformation of individual rings for azo dyes have been important [50], thus the dihedral angles around N-N moiety of studied molecules have been investigated. The values of N1-N2-C11-C12 and N2-N1-C2-C1 dihedral angles are given in Table 2. It can be seen that all the rings for sudan dyes were found planar (~180°). Also, the experimental values of N1-N2-C11-C12 and N2-N1-C2-C1 for SRG [22] are 0.8º and 178º (X-ray) which are closer to the dihedral angles calculated using the HF and B3LYP levels. The O-H···N distances were 1.62, 2.07 and 1.61 Å (with B3LYP/6-31G(d,p)) for SIII, SOG and SRG, respectively. These distances are significantly smaller than the summation of the Van der Waals radii (~2.6 Å), by just confirming the presence of a very strong hydrogen interaction in these compounds [48,50]. The highest occupied molecular orbital (HOMO), and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) orbitals are called frontier molecular orbitals as they lie at the outermost boundaries of the electrons of the molecules. The HOMO and LUMO are the main orbitals responsible for chemical stability. The HOMO-LUMO orbital pictures of SIII, SOG and SRG molecules are given in Fig. 4. The HOMO of SIII and SOG molecules are delocalized over the N-N bond and the HOMO of SRG is delocalized over the C-C and N-N bonds. In contrast, the LUMO of SIII, SOG and SRG molecules are located in all of the molecules. 53 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. Table 1. Selected bond lengths (in Å) calculated for SIII, SOG and SRG at HF and B3LYP levels and literature values for comparison. Basis Sets 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d,p) 6-31+G(d,p) 6-31++G(d,p) 6-311G 6-311G(d) 6-311G(d,p) 6-311++G(d,p) 6-31Ga HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP X-rayb X-rayc a Taken from Ref [23] b Taken from Ref [51] c Taken from Ref [24, 25] - - C2-N1 1.401 1.334 1.400 1.384 1.401 1.380 1.401 1.379 1.401 1.380 1.401 1.380 1.404 1.388 1.402 1.379 1.402 1.379 1.402 1.380 1.404 1.388 1.428 - N1-N2 1.250 1.344 1.241 1.302 1.227 1.280 1.227 1.281 1.226 1.279 1.226 1.279 1.243 1.301 1.222 1.274 1.222 1.275 1.222 1.274 1.224 1.275 1.247 - N2-C11 1.422 1.392 1.418 1.411 1.418 1.406 1.418 1.406 1.420 1.408 1.420 1.408 1.421 1.414 1.419 1.406 1.419 1.406 1.419 1.407 1.423 1.414 1.428 - SIII C14-N3 1.425 1.419 1.419 1.419 1.419 1.413 1.419 1.413 1.420 1.414 1.421 1.414 1.422 1.421 1.420 1.412 1.420 1.412 1.421 1.414 1.423 1.420 1.428 - N3-N4 1.240 1.295 1.233 1.281 1.220 1.263 1.220 1.263 1.218 1.260 1.218 1.260 1.235 1.281 1.215 1.256 1.215 1.256 1.214 1.255 1.217 1.259 1.247 N4-C17 1.426 1.426 1.419 1.422 1.420 1.416 1.420 1.416 1.421 1.417 1.421 1.417 1.422 1.424 1.420 1.415 1.421 1.416 1.422 1.417 1.423 1.422 1.428 - 54 C2-N1 1.411 1.398 1.407 1.402 1.407 1.395 1.406 1.396 1.408 1.397 1.408 1.397 1.410 1.404 1.407 1.395 1.408 1.395 1.408 1.396 - SOG N1-N2 1.241 1.295 1.234 1.282 1.221 1.266 1.221 1.266 1.220 1.263 1.220 1.263 1.236 1.282 1.216 1.259 1.216 1.259 1.216 1.258 - N2-C7 1.426 1.424 1.420 1.422 1.419 1.415 1.420 1.414 1.420 1.416 1.421 1.415 1.422 1.424 1.420 1.413 1.420 1.414 1.421 1.415 - C2-N1 1.407 1.337 1.404 1.389 1.405 1.386 1.404 1.384 1.405 1.384 1.405 1.384 1.408 1.393 1.406 1.385 1.405 1.384 1.405 1.384 1.330 SRG N1-N2 1.246 1.337 1.239 1.298 1.225 1.277 1.225 1.278 1.224 1.277 1.224 1.277 1.241 1.298 1.220 1.271 1.221 1.272 1.221 1.272 1.311 N2-C11 1.410 1.395 1.408 1.405 1.412 1.403 1.413 1.403 1.413 1.404 1.414 1.404 1.412 1.407 1.413 1.402 1.414 1.402 1.414 1.403 1.404 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) Table 2. Selected calculated and experimental dihedral angles (o) of SIII, SOG and SRG. Basis Sets 3-21G HF B3LYP 6-31G HF B3LYP 6-31G(d) HF B3LYP 6-31G(d,p) HF B3LYP 6-31+G(d,p) HF B3LYP 6-31++G(d,p) HF B3LYP 6-311G HF B3LYP 6-311G(d) HF B3LYP 6-311G(d,p) HF B3LYP 6-311++G(d,p) HF B3LYP X-Ray(a) (a) Taken from Ref [23] N1-N2-C11-C12 -0.002 -0.002 0.007 0.001 0.109 -0.001 0.146 -0.001 0.124 -0.002 0.024 0.002 0.008 -0.001 0.149 0.004 0.198 0.000 0.079 0.002 - SIII N2-N1-C2-C1 N3-N4-C17-C18 -179.994 -0.002 179.995 0.000 -179.997 -0.004 179.997 0.004 -179.976 -0.038 -179.980 -0.001 -179.968 -0.040 179.989 0.001 -179.977 -0.053 -179.998 0.002 -179.991 -0.055 -180.000 0.001 179.998 -0.004 179.997 0.004 -179.955 -0.014 179.998 -0.003 -179.956 -0.045 179.992 0.000 -179.986 -0.030 179.999 0.001 - N4-N3-C14-C13 179.995 179.990 -179.994 -179.994 180.000 179.990 179.999 179.997 179.979 179.999 179.979 -179.995 -179.990 -179.997 179.990 -179.992 179.995 -179.995 179.982 -179.999 - - 55 SOG N1=N2=C7=C8 N2-N1-C2-C1 -179.893 0.028 179.998 -0.028 -179.955 -0.017 -179.998 0.004 -179.932 0.016 -179.987 -0.010 -179.922 0.017 -179.616 0.107 -179.880 0.040 -179.948 0.018 -179.841 0.071 -179.922 0.025 -179.943 -0.002 -179.987 0.007 -179.894 0.020 -179.950 0.005 -179.891 0.022 -179.941 0.015 -179.815 0.080 -179.899 0.044 - - SRG N1=N2=C11=C12 N2=N1=C2=C1 0.003 -179.970 -0.018 -179.988 0.002 -179.995 0.001 -179.985 0.009 -179.993 0.002 179.991 0.001 179.991 0.000 -179.998 0.030 -179.990 0.000 -179.984 0.032 -179.992 -0.001 -179.962 -0.001 -179.994 -0.002 -179.995 0.009 -179.986 0.004 -179.994 -179.989 0.009 -0.004 -179.996 0.008 -179.990 -0.003 -179.966 0.800 178.000 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. The calculated values for the EHOMO and ELUMO and the frontier molecular orbital energy gap (∆E) with several basis sets are given in Table 3. EHOMO is often associated with the electron-donating ability of a molecule, whereas ELUMO indicates its ability to accept electrons. The frontier orbital gap helps characterize the chemical reactivity and kinetic stability of the molecule. A molecule with a small frontier orbital gap is generally associated with a high chemical reactivity, low kinetic stability, and is also defined as a LUMO energy gaps with B3LYP/6-31G for SIII, SOG and SRG decrease in the order soft molecule [40]. The EHOMO and ELUMO energies for SIII were calculated using the DFT calculation with the B3LYP functional and the 6-31G basis set by Silva et al. [51]. The EHOMO and ELUMO energies for the SIII molecule obtained using B3LYP/6-31G level were found to be -5.67 and -2.70 eV, respectively [52]. In this study, these energies for SIII, SOG and SRG have been calculated to be -7.668 and -5.698 eV for SIII, -8.167 and -5.881 eV for SOG, -7.451 and -5.432 eV for SRG (EHOMO) and 0.706 and -2.961 eV for SIII, 1.419 and -2.382 eV for SOG, 1.389 and -2.386 eV for SRG (ELUMO) by HF/6-31-G and B3LYP/6-31G levels. According to these results obtained from the HF and DFT methods, the values of EHOMO and ELUMO show the decreasing trend of the properties: SOG < S3 < SRG and S3 < SRG < SOG, respectively. As can be seen from Table 3, the EHOMO and ELUMO values with 6-31G at HF and B3LYP levels follow the same trend as other theoretical basis sets. SOG has more ELUMO than SRG for two basis sets results [631++G(d,p) and 6-311G]. Silva et al. [51] were calculated at the Fermi level (approximately -4.18 eV) located at the center of the EHOMO and ELUMO levels of the SIII, so the ∆E value from this energy was found to be 2.97 eV. In this study, the HOMO -3.50 (SOG) > 3.05 (SRG) > 2.74 (SIII) eV, which are consistent with the ability of the electrondonating of the group N2C6H10 > CH3O > H. Concerning the value of the energy of the gap ∆E, larger values of the energy difference will also provide low reactivity to chemical types. As seen in Table 3, the addition of diffuse and polarization functions, and the calculated values of ∆E were found to be almost the same. Fig. 5(a)-(c) show the variation of the calculated energy levels of EHOMO, ELUMO and ∆E values at HF and B3LYP methods using different basis sets. It can be seen in Fig. 5(a)-(c) that there is an overlap between the different methods and the basis sets of EHOMO, ELUMO and ∆E values. In the most common case, ionization potential (I) and electron affinity (A) are related to EHOMO and ELUMO respectively. The low I creates a better electron donor, and the large A makes a better electron acceptor. Using all the methods, the I of SRG is the lowest [7.332 eV (HF/6-31G(d,p)) and 5.299 eV (B3LYP/3-21 G)]. The A is found to be the highest for SIII with -0.563 eV (HF/6-311G) and for SOG with 3.119 eV (B3LYP/6-311G). The obtained values of I and A (Table 4) were considered for the calculation of global hardness (η), softness (σ), electronegativity (χ), chemical potential (Pi), and electrophilicity index (ω). These quantum chemical parameters were evaluated using Eqs. (2-4) and were listed as these values calculated with several basis sets in Table 5. 56 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) Fig. 4. 3D plots of HOMO and LUMO of studied molecules by B3LYP/6-31G(d,p) with energies. 57 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. Table 3. Calculated energy levels (in eV) of the HOMO, LUMO and ∆E. Basis Sets 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d,p) 6-31+G(d,p) 6-31++G(d,p) 6-311G 6-311G(d) 6-311G(d,p) 6-311++G(d,p) HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP EHOMO(eV) -7.72368 -5.61888 -7.66763 -5.69834 -7.52640 -5.57616 -7.52096 -5.57942 -7.71253 -5.88800 -7.70355 -5.88758 -7.79715 -5.93998 -7.67089 -5.82324 -7.66899 -5.82814 -7.72368 -5.94581 SIII ELUMO(eV) 0.76954 -2.86835 0.70614 -2.96087 0.98206 -2.81339 0.98342 -2.82101 0.62477 -3.15516 0.62586 -3.15481 0.56328 -3.19462 0.81226 -3.05584 0.81335 -3.06019 0.76954 -3.19046 ∆E (eV) 8.49322 2.75053 8.37376 2.73747 8.50846 2.76277 8.50438 2.75842 8.33730 2.73284 8.32941 2.73277 8.36043 2.74536 8.48315 2.76740 8.48234 2.76794 8.49322 2.75535 EHOMO(eV) -8.16151 -5.75276 -8.16668 -5.88065 -7.91743 -5.70133 -7.90763 -5.7046 -8.11389 -6.05481 -8.12287 -6.05329 -8.28097 -6.12365 -8.04777 -5.94351 -8.04804 -5.95113 -8.14655 -6.11386 58 SOG ELUMO(eV) 1.57119 -2.27433 1.41907 -2.38181 1.73092 -2.19732 1.73636 -2.20140 1.26343 -2.59297 0.85498 -2.59318 1.26070 -2.62590 1.55078 -2.43705 1.55132 -2.44386 0.97498 -2.63297 ∆E (eV) 9.73270 3.47843 9.58576 3.49884 9.64835 3.50401 9.64399 3.50320 9.37732 3.46183 8.97786 3.46011 9.54168 3.49775 9.59855 3.50646 9.59936 3.50728 9.12153 3.48088 EHOMO(eV) -7.46926 -5.29915 -7.4513 -5.43221 -7.33783 -5.33343 -7.33184 -5.3367 -7.52477 -5.65616 -7.52422 -5.65547 -7.58518 -5.6714 -7.4766 -5.57425 -7.47497 -5.57861 -7.5596 -5.71222 SRG ELUMO(eV) 1.46697 -2.34018 1.38914 -2.38562 1.64112 -2.24113 1.64003 -2.2531 1.24193 -2.6017 1.00084 -2.60107 1.23458 -2.61420 1.46778 -2.4792 1.46289 -2.48767 0.94451 -2.63814 ∆E (eV) 8.93622 2.95897 8.84044 3.04659 8.97894 3.09230 8.97187 3.08360 8.76670 3.05448 8.52506 3.05440 8.81976 3.05720 8.94439 3.09502 8.93786 3.09094 8.50411 3.07407 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) Fig. 5. Variation of (a) EHOMO (eV) (b) ELUMO (eV) (c) HOMO-LUMO energy gap (∆E, in eV ) (d) hardness (η, in eV) (e) softness (σ, in 1/eV) (f) global electrophilicity index (ω, in eV) of sudan dyes with HF and B3LYP methods and different basis sets. 59 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. Table 4: Electron affinities (A) and ionization potentials (I) values of SIII, SOG and SRG. SIII Basis Sets 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d,p) 6-31+G(d,p) 6-31++G(d,p) 6-311 G 6-311G(d) 6-311G(d,p) 6-311++G(d,p) HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP I=-EHOMO 7.72368 5.61888 7.66763 5.69834 7.52640 5.57616 7.52096 5.57942 7.71253 5.88800 7.70355 5.88758 7.79715 5.93998 7.67089 5.82324 7.66899 5.82814 7.72368 5.94581 SOG A=-ELUMO 8.16151 5.75276 8.16668 5.88065 7.91743 5.70133 7.90763 5.70460 8.11389 6.05481 8.12287 6.05329 8.28097 6.12365 8.04777 5.94351 8.04804 5.95113 8.14655 6.11386 A=-ELUMO -0.76954 2.86835 -0.70614 2.96087 -0.98206 2.81339 -0.98342 2.82101 -0.62477 3.15516 -0.62586 3.15481 -0.56328 3.19462 -0.81226 3.05584 -0.81335 3.06019 -0.76954 3.19046 60 I=-EHOMO -1.57119 2.27433 -1.41907 2.38181 -1.73092 2.19732 -1.73636 2.20140 -1.26343 2.59297 -0.85498 2.59318 -1.26070 2.62590 -1.55078 2.43705 -1.55132 2.44386 -0.97498 2.63297 SRG A=-ELUMO 7.46926 5.29915 7.45130 5.43221 7.33783 5.33343 7.33184 5.33670 7.52477 5.65616 7.52422 5.65547 7.58518 5.67140 7.47660 5.57425 7.47497 5.57861 7.55960 5.71222 I=-EHOMO -1.46697 2.34018 -1.38914 2.38562 -1.64112 2.24113 -1.64003 2.25310 -1.24193 2.60170 -1.00084 2.60107 -1.23458 2.61420 -1.46778 2.47920 -1.46289 2.48767 -0.94451 2.63814 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) Table 5. Global hardness (η), softness (σ), electronegativity (χ), chemical potential (Pi) and electrophilicity index (ω) of SIII, SOG and SRG. Basis Sets 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d,p) 6-31+G(d,p) 6-31++G(d,p) 6-311 G 6-311G(d) 6-311G(d,p) 6-311++G(d,p) HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP η (eV) 4.2466 1.3753 4.1869 1.3687 4.2542 1.3814 4.2522 1.3792 4.1687 1.3664 4.1647 1.3664 4.1802 1.3727 4.2416 1.3837 4.2412 1.3840 4.2466 1.3777 σ (1/eV) 0.2355 0.7271 0.2388 0.7306 0.2351 0.7239 0.2352 0.7251 0.2399 0.7318 0.2401 0.7319 0.2392 0.7285 0.2358 0.7227 0.2358 0.7226 0.2355 0.7259 SIII χ (eV) 3.4771 4.2436 3.4808 4.3296 3.2722 4.1948 3.2688 4.2002 3.5439 4.5216 3.5389 4.5212 3.6169 4.5673 3.4293 4.4395 3.4278 4.4442 3.4771 4.5681 Pi (eV) -3.4771 -4.2436 -3.4808 -4.3296 -3.2722 -4.1948 -3.2688 -4.2002 -3.5439 -4.5216 -3.5389 -4.5212 -3.6170 -4.5673 -3.4293 -4.4395 -3.4278 -4.4442 -3.4771 -4.5681 ω (eV) 1.4235 6.5472 1.4469 6.8477 1.2584 6.3690 1.2564 6.3956 1.5064 7.4811 1.5035 7.4800 1.5648 7.5984 1.3863 7.1220 1.3852 7.1355 1.4235 7.5736 η (eV) 4.8664 1.7392 4.7929 1.7494 4.8242 1.7520 4.8220 1.7516 4.6887 1.7309 4.4889 1.7301 4.7708 1.7489 4.7993 1.7532 4.7997 1.7536 4.5608 1.7404 σ (1/eV) 0.2055 0.5750 0.2086 0.5716 0.2073 0.5708 0.2074 0.5709 0.2133 0.5777 0.2228 0.5780 0.2096 0.5718 0.2084 0.5704 0.2084 0.5702 0.2193 0.5746 61 SOG χ (eV) 3.2952 4.0136 3.3738 4.1312 3.0933 3.9493 3.0856 3.9593 3.4252 4.3239 3.6340 4.3232 3.5101 4.3748 3.2485 4.1903 3.2484 4.1975 3.5858 4.3734 Pi (eV) -3.2952 -4.0136 -3.3738 -4.1312 -3.0933 -3.9493 -3.0856 -3.9593 -3.4252 -4.3239 -3.6340 -4.3232 -3.5101 -4.3748 -3.2485 -4.1903 -3.2484 -4.1975 -3.5858 -4.3734 ω (eV) 1.1156 4.6310 1.1874 4.8779 0.9917 4.4512 0.9873 4.4748 1.2511 5.4006 1.4709 5.4017 1.2913 5.4717 1.0994 5.0075 1.0992 5.0236 1.4096 5.4948 η (eV) 4.4681 1.4795 4.4202 1.5233 4.4895 1.5461 4.4859 1.5418 4.3834 1.5272 4.2625 1.5272 4.4099 1.5286 4.4722 1.5475 4.4689 1.5455 4.2521 1.5370 σ (1/eV) 0.2238 0.6759 0.2262 0.6565 0.2227 0.6468 0.2229 0.6486 0.2281 0.6548 0.2346 0.6548 0.2268 0.6542 0.2236 0.6462 0.2238 0.6471 0.2352 0.6506 SRG χ (eV) 3.0012 3.8197 3.0311 3.9089 2.8484 3.7873 2.8459 3.7949 3.1414 4.1289 3.2617 4.1283 3.1753 4.1428 3.0044 4.0267 3.0060 4.0331 3.3076 4.1752 Pi (eV) -3.0012 -3.8197 -3.0311 -3.9089 -2.8484 -3.7873 -2.8459 -3.7949 -3.1414 -4.1289 -3.2617 -4.1283 -3.1753 -4.1428 -3.0044 -4.0267 -3.0060 -4.0331 -3.3076 -4.1752 ω (eV) 1.0079 4.9307 1.0393 5.0153 0.9036 4.6385 0.9027 4.6703 1.1257 5.5813 1.2479 5.5797 1.1430 5.6139 1.0092 5.2389 1.0110 5.2626 1.2864 5.6707 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. The global hardness (η), softness (σ), electronegativity (χ), chemical potential (Pi) and electrophilicity index (ω) have been used by a number of workers [37, 53, 54] to assess a priori of the reactivity of chemical properties from their intrinsic electrical properties. Global hardness and softness are important properties to measure the molecular stability and reactivity. A hard molecule has a large energy gap, and a soft molecule has a small one. Soft molecules are more reactive than hard ones because they could easily offer electrons to an acceptor. For the simplest transfer of electrons, absoption could occur at the part of the molecule where softness, which is a localised, has the highest value. Evaluating the values of the hardness in Table 5 shows that SOG has the greatest. This means that SOG has the largest potential chemical resistance to change the number of electrons among the other molecules. It can be noted that the hardness of the molecules follows the order SOG > SRG > SIII using all the methods. Also, it can be seen in Table 5 that SIII is the compound that displays the greater reactivity in relationship to the others as a result of the high value of global softness. The softness of the molecules follows the order SIII > SRG > SOG using all the methods. The electrophilicity index, ω, encompasses both; the propensity of the electrophile to acquire an additional electronic charge driven by Pi2 (the square of chemical potential) and the resistance of the system to exchange an electronic charge with the environment described by η simultaneously. Therefore, a good electrophile is characterized by a high value of Pi and a low value of η. We have computed the electrophilicity indexes and the corresponding values are shown in Table 5. SIII indicates the highest value of electrophilicity, which confirms its high capacity to accept electrons. For the other two molecules, the differences in the electrophilicity index remain relatively constant, with only minor variations. From Table 5, the variations of the ground state electrophilicity indexes of the studied compounds are similar to the different basis sets and methods. Global hardness, softness and electrophilicity index have been found to remain unchanged at the different basis sets (see Fig. 5(d)-(f)). Another important molecular feature of its electronic properties is its polarizability. The π electrons of unsubstitued aromatic molecules do not contribute to the polarizability in a direction perpendicular to the plane; however, in the case of sudan dyes the π electrons may contribute to the polarizability via –OH group [54]. It has been documented that the hydroxy group is an electron donor via a π-bond and an electron acceptor via σ-bond. However, the polarizability of molecules in the perpendicular direction is mainly due to the polarizability of the σ-bonds. This would suggest that certain orientations of dipoles can have a disadvantageous effect on the order parameter. On the other hand, the dipole moment of the C-OH bond seems to be significant because the C-OH dipole may lead to both attraction and repulsion, and the net effect may be very small [54]. Ghanadzadeh et al. [54] investigated the experimental parameters (e.g. dichroic ratio R and order parameter) of five sudan dye solutions including SIII by measuring the intensity of the absorption bands in the visible region of parallel aligned samples. In that study, the polarized absorption of the Sudan dyes were measured, but no data on the polarizability of those dyes was provided [54]. Therefore, we have not compared this experimental data with our theoretical values for the polarizabilities of sudan dyes. The calculated components of the polarizability tensor α, the polarizability <α> and the anisotropy of the polarizability <∆α> for studying the molecules are listed in Table 6. The 62 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) variation of <α>, <∆α> in the atomic units and <α> in esu (x10-24) for studying the molecules are in the same order as SOG < SRG < SIII with HF and B3LYP levels. The concepts of hardness and softness of atoms and molecules are however, intimately linked with their polarizabilities and also the sizes. Softness and polarizability are assumed to be related: “a soft species is also more polarizable.” Thus, a hard (soft) species is known to correspond to a low (high) value of the polarizability as well as a small (large) size [54]. Indeed, one expects the SIII, the most polarizable member of the family, to be the “softest.” In contrast, the SOG, the less polarizable molecule of the family, is expected to be the “hardest.” As seen in Fig. 6(a)-(b), the variation of <α> and <∆α> values for SIII, SOG, and SRG, and that it decreases from the largest molecular structure (SIII) to the smallest molecular structure (SOG) is obvious. The dipole moment in a molecule is an important property, which is mainly used to study the intermolecular interactions involving the nonbonded type dipole–dipole interactions, because the higher the dipole moment, the stronger the intermolecular interactions will be. The dipole moments of the studied dyes obtained using HF and DFT calculations are summarized in Table 7. The higher values of dipole moments in the cases of SIII (1.72 D), SOG (3.59 D) and SRG (2.84 D) using B3LYP/3-21G, HF/6-31G and HF/6-31 basis sets, respectively, is mainly attributed to an overall imbalance in the charge from one side of a molecule to the other. The variations of the ground state dipole moments of studied sudan dyes are shown in Fig. 6(c). As can be seen Fig. 6(c), results show that there is approximately increase in µ when the calculation is done at 6-31G and 6-311G basis sets when compared to other basis sets. In general, the stronger the donor, the smaller the energy difference between ground and excited states, and the longer the wavelength of UV-visible absorption. This red shift suggests an increase of molecular hyperpolarizability, according to theoretical and experimental NLO studies [55]. In previous studies, the UV-visible absorption spectra of azo dyes in different solvents were investigated by several authors [12, 21, 54]. Sudan dyes contain intramolecular charge-transfer chromophores which have large and stable NLO responses. The absorption spectrum of Sudan I was recorded by the UV-VIS-NIR spectrometer [12]. The absorption bands of Sudan I in solution is strong at 488 and 532 nm in the visible region. He and Wang [12] have investigated the nonlinear optical property of Sudan I under pulse 532 nm. They found the second hyperpolarizability to be 1.83x10-30 esu [12]. Santos et al. [21] have reported the experimental UV-visible spectrum of SIII, but they have given any information regarding the solution for the recorded spectrum. Two absorption bands of SIII were observed at 351 and 513 nm in the experimental spectrum. The band close to 350 nm was not affected by the tautomeric equilibrium [52]. The lowest energy transition, responsible for the absorption band at 484 nm obtained with B3LYP, involves the highest occupied MO (HOMO) and the lowest unoccupied MO (LUMO) with the Configuration interaction (CI) contribution equal to 86% (HOMO → LUMO). Also, Ghanadzadeh et al. [54] investigated the maximum absorption wavelengths of SIII in isotropic and anisotropic solvents. They found these wavelengths to be between 495 and 520 nm. The absorption maxima of SOG were observed at 254 and 382 nm in all solvents. 63 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. For DHAB, the absorption maxima at 256 and 382 nm in a non-polar solvent suggests the presence of an intramolecular hydrogen bonding interaction (IHB) between –OH···N=N– groups [57]. The investigation of the first static hyperpolarizability is explained by the calculation of the frontier molecular orbital energies, which helps to use intramolecular charge transfer to explain the hyperpolarizability. Therefore previous and present calculations show the inverse relationship between the polarizability and HOMO-LUMO energy gaps [58]. As the experimental values for the first hyperpolarizability of sudan dyes in the literature are not reported, it is difficult to conclude which basis set computes reliable values of β. The 6-31G basis set has been a common strategy for study in many previous theoretical investigations of the NLO properties of organic molecules [59, 60]. Though it is well established that diffuse and polarization functions are required for a quantitative description of both the electronic and NR (hyper) polarizabilities of medium size organic molecules [61], it has previously been noted that the 6-31G basis is adequate in obtaining semiquantitative results [62-64]. In this study, the values of the first hyperpolarizability obtained using the above Eq.9 have been calculated using HF and B3LYP methods with different basis sets and are given in Table 8. From Table 6-8, it was suggested that these compounds are polar having non-zero dipole moment, hyperpolarizabilities, and hence have positive microscopic NLO behavior [65, 66]. On the other hand, the first polarizability values obtained using HF/6-31G level for SIII and SOG are generally lower than the other basis sets. In this sense, due to the deficiency of the electron correlation, we expect that the results obtained from B3LYP level are larger than ab initio HF level calculations using different basis sets. This study reveals that the SIII and SOG have large first static hyperpolarizability, and have the potential applications for the development of NLO devices. Urea is one of the prototypical molecules used in this study for the NLO properties of the molecular systems for comparative purposes. It can be seen from Table 8, the calculated β values of SIII, SOG and SRG using HF/6-31G(d,p) and B3LYP/6-31G(d,p) levels (the β of urea is 0.1947 x10-30 esu) were found nearly 42, 46 and 14 (with HF ) and 225, 87 and 12 (with B3LYP) times more than that of urea, respectively. Fig. 6(d) shows that the variation of the first hyperpolarizability for studying Sudan dyes. It can be seen from Fig. 6(d) that the relative changes from one basis set to another are nearly the same for studying Sudan dyes. The variation of β for SIII, SOG and SRG are the order of SRG < SIII < SOG with HF levels, and SRG < SOG < SIII with B3LYP levels although the results of obtained with B3LYP level are bigger than ab initio HF level calculations using different basis sets. However, as seen in Figure 6(d), when diffuse functions are added to these basis sets on heavy atoms and hydrogen atoms, the magnitude of β increases significantly. The β values obtained using the DFT method with different exchange and correlation functionals are higher than those from the HF methods. Figure 6(d) shows that the value of β obtained using B3LYP/3-21G for SRG is slightly different from those of other methods. 64 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) Table 6. Calculated components of the polarizability tensor α, the polarizability <α> and the anisotropy of the polarizability <∆α> of studied molecules using different basis sets from HF and DFT calculations. Basis Sets SIII SOG HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d.p) 6-31G+(d,p) 6-31++G(d,p) 6-311G 6-311G(d) 6-311G(d.p) 6-311G++(d.p) 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d.p) 6-31G+(d.p) 6-31G++(d,p) 6-311G αxx 512.7124 514.4930 531.3003 815.3230 525.5983 812.2345 527.1728 544.0592 546.9250 849.7634 546.9541 849.8573 536.0901 820.5679 532.9824 821.0457 534.1449 555.3009 546.2762 839.3699 133.9712 143.4127 256.0869 340.8651 257.8172 342.6691 258.5454 152.8770 271.2372 363.3607 271.2596 363.6625 259.8738 346.1320 αxy 14.0054 -0.0251 14.9071 -5.7292 -12.0882 4.1177 -12.1797 -0.0742 -12.7054 4.3190 -12.6977 -4.3182 15.5744 -6.0822 -12.6386 -4.5072 -12.7115 0.03375 -12.9042 4.5427 0.0972 -0.0236 -0.7888 3.2961 -0.2208 3.4526 -0.1782 0.4269 -0.9434 2.7156 -0.9378 2.7289 -1.0449 3.0927 αyy αyz αzz αxz 256.9934 60.2755 267.8941 287.8517 271.5904 291.5687 272.8884 82.9142 294.5525 320.7906 294.6132 320.9925 275.5163 297.9721 280.2679 302.3232 281.4437 103.8758 295.0030 319.2384 32.1929 34.3539 137.9212 148.6110 139.6777 149.8313 140.5138 49.2534 152.9491 167.1840 152.9751 167.2883 142.1966 154.2257 -0.007 0.0447 0.0067 -0.0031 0.0721 -0.0106 0.0997 0.0615 0.0458 -0.0014 -0.0038 -0.0004 0.0077 -0.0020 0.1048 -0.0012 0.1205 -0.0397 0.0266 0.0145 0.0071 0.0537 0.0069 0.0035 0.0198 0.0062 0.0220 0.0540 0.0243 0.0154 0.0342 0.0193 0.01172 0.0059 56.2879 547.6547 71.8431 73.7069 81.0533 81.8376 82.2482 563.8508 139.5119 142.0397 140.3471 143.0036 94.4568 95.8809 101.3047 101.8877 103.5589 570.2876 141.1655 142.5065 245.3824 333.5049 41.7317 42.8643 48.0890 48.5775 48.8171 341.0530 82.2481 84.7305 82.7871 85.3368 55.1119 56.2263 0.0003 -256.578 0.0030 -0.0072 -0.0244 0.0035 -0.0364 -261.396 -0.0213 0.0005 0.0089 -0.0035 0.0037 -0.0057 -0.036 -0.0042 -0.0525 -259.473 -0.0136 -0.0156 -15.9331 -19.5813 -0.0023 -0.0005 -0.0086 -0.0018 -0.0101 -21.1868 -0.0134 -0.0076 -0.0189 -0.0101 -0.0050 -0.0025 65 <α> (a.u.) 275.33 374.14 290.35 392.29 292.75 395.21 294.10 396.94 327.00 437.53 327.31 437.95 302.02 404.81 304.85 408.42 306.38 409.82 327.48 433.71 137.18 170.42 145.25 177.44 148.53 180.36 149.29 181.06 168.81 205.09 169.01 205.43 152.39 185.53 <∆α> (a.u.) 396.97 648.06 400.16 661.16 386.86 651.41 387.20 653.57 356.85 637.44 356.21 636.84 385.47 647.82 376.30 642.87 375.42 642.46 354.91 627.45 186.74 177.39 185.97 261.74 182.12 258.84 182.11 258.83 165.40 247.96 164.99 247.78 178.00 255.48 <∆α>x10-24 (esu) 58.83 96.04 59.30 97.98 57.33 96.54 57.38 96.86 52.89 94.47 52.79 94.38 57.13 96.01 55.77 95.27 55.64 95.21 52.60 92.99 27.68 26.29 27.56 38.79 26.99 38.36 26.99 38.36 24.51 36.75 24.45 36.72 26.38 37.86 <α>x10-24 (esu) 40.80 55.45 43.03 58.14 43.39 58.57 43.59 58.83 48.46 64.84 48.51 64.90 44.76 59.99 45.18 60.53 45.41 60.74 48.53 64.28 20.33 25.26 21.53 26.30 22.01 26.73 22.13 26.83 25.02 30.40 25.05 30.45 22.59 27.50 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. Table 6 Continued. Calculated components of the polarizability tensor α, the polarizability <α> and the anisotropy of the polarizability <∆α> of studied molecules using different basis sets from HF and DFT calculations. Basis Sets SRG HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP 6-311G(d) 6-311G(d.p) 6-311G++(d.p) 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d.p) 6-31G+(d.p) 6-31G++(d.p) 6-311G 6-311G(d) 6-311G(d.p) 6-311G++(d.p) αxx αxy αyy αyz αzz αxz 262.5452 348.8353 263.1232 349.2726 271.4019 361.1423 236.9889 281.1446 315.4518 414.8095 313.2702 413.0422 232.4129 297.4114 331.7343 440.7732 263.5977 440.9511 320.2688 421.0262 319.7444 421.4001 321.4529 423.7359 332.4068 437.9974 -0.0825 3.6030 -0.1655 3.5812 -0.8673 2.8138 -0.0089 -0.0641 -3.4055 -16.7054 3.5648 16.8719 -0.0346 -0.0077 -3.0170 17.4132 -0.0074 -17.3822 2.9760 -16.6259 3.0461 -16.8989 2.7948 16.8029 2.5330 -16.6180 144.1468 155.6340 145.0442 156.4527 153.2172 166.2084 49.9892 52.9968 222.0131 246.3321 225.1850 249.0105 69.4902 70.3579 242.6564 271.9494 114.1191 272.1979 227.3201 253.6778 231.4406 256.8515 232.9205 258.1454 243.4175 271.1306 0.0271 0.0179 0.0275 0.0140 0.0388 0.0250 -0.0217 0.0632 0.0011 -0.0016 -0.0024 -0.0001 0.4359 0.0027 -0.0010 -0.0022 -0.0187 -0.0032 0.0001 -0.0021 -0.0015 -0.0006 -0.0012 0.0016 -0.0011 -0.0023 59.5082 60.0943 61.0399 61.4904 83.3444 85.1160 300.5881 355.1707 61.5155 63.2011 68.4782 69.4496 309.0442 368.2928 110.8134 113.8503 328.9846 114.8718 77.7850 79.6493 82.9367 84.2773 84.6979 85.8377 112.2035 114.3912 -0.0128 -0.0079 -0.0130 -0.0089 -0.0216 -0.0151 -36.2811 -76.0544 -0.0012 -0.0022 0.0041 -0.0019 -22.3757 -76.7952 0.0021 0.0007 -36.8986 0.0032 0.0011 0.0011 0.0031 0.0027 0.0030 0.0045 0.0025 0.0034 66 <α> (a.u.) 155.40 188.19 156.40 189.07 169.32 204.16 195.86 229.77 199.66 241.45 202.31 243.84 203.65 245.35 228.40 275.52 235.57 276.01 208.46 251.45 211.37 254.18 213.02 255.91 229.34 274.51 <∆α> (a.u.) 176.64 254.86 175.84 254.06 164.65 245.78 234.21 302.94 222.54 305.96 214.86 299.09 215.42 300.61 192.59 284.78 201.19 284.05 299.75 297.06 207.35 293.45 207.25 294.09 191.92 281.77 <∆α>x10-24 (esu) 26.18 37.77 26.06 37.65 24.40 36.43 34.71 44.90 32.98 45.35 31.84 44.33 31.93 44.55 28.54 42.20 29.82 42.10 44.42 44.02 30.73 43.49 30.72 43.58 28.44 41.76 <α>x10-24 (esu) 23.03 27.89 23.18 28.02 25.09 30.26 29.03 34.05 29.59 35.78 29.98 36.14 30.18 36.36 33.85 40.83 34.91 40.90 30.89 37.27 31.33 37.67 31.57 37.93 33.99 40.68 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) Fig. 6. Variation of (a) polarizability (<α>, in 10-24 esu) (b) the anisotropy of the polarizability (<∆α>, in 10-24 esu) (c) ground-state dipole moment (µ, in D) and (d) the first-order hyperpolarizability (β, in 10-30 esu) of sudan dyes with HF and B3LYP methods and different basis sets. 67 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. Table 7. The electric dipole moments , µ(D) of studied molecules derived from HF and DFT calculations. SIII Basis Sets 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d.p) 6-31+G(d.p) 6-31++G(d.p) 6-311G 6-311G(d) 6-311G(d.p) 6-311++G(d.p) HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP µx -0.5922 1.2141 -0.6338 -0.1418 0.5867 0.1199 0.5724 0.1518 0.6000 0.1248 0.5985 -0.1262 -0.6801 -0.0889 0.6713 -0.0745 0.6081 -0.1309 0.6236 0.1004 µy 1.3222 1.2129 1.5639 1.3847 1.0478 0.9359 1.0177 0.9049 1.0288 1.0666 1.0285 1.0648 1.5097 1.3776 1.0175 0.9462 0.9742 0.8791 1.0263 1.0440 µz -0.0001 -0.0001 0.0002 0.0004 -0.0002 0.0001 -0.0002 0.0001 -0.0003 0.0003 0.0002 0.0001 0.0003 0.0003 -0.0002 0.0003 -0.0004 0.0002 -0.0003 0.0002 µ(D) 1.4488 1.7161 1.6874 1.3919 1.2009 0.9436 1.1676 0.9176 1.1910 1.0739 1.1900 1.0723 1.6559 1.3805 1.2190 0.9491 1.1484 0.8888 1.2009 1.0488 µx 1.7955 0.5343 2.1616 1.1595 1.3896 0.4765 1.3421 0.4334 1.3999 0.7044 1.3948 0.7028 2.0907 1.1794 1.3842 0.5051 1.2967 0.4282 1.4045 0.7189 68 SOG µy µz -2.6521 0.0014 -2.3475 0.0003 -2.8510 0.0012 -2.5728 0.0005 -2.2658 0.0015 -2.0706 0.0005 -2.2254 0.0016 -2.0269 0.0083 -2.2226 0.0028 -2.1298 0.0021 -1.8320 0.2145 -2.1281 0.0027 -2.7699 0.0016 -2.5514 0.0007 -2.2683 0.0021 -2.1087 0.0015 -2.1559 0.0022 -1.9927 0.0013 -2.2073 0.0042 -2.1223 0.0024 µ(D) 3.2027 2.4076 3.5778 2.8221 2.6579 2.1247 2.5988 2.0727 2.6267 2.2433 2.3125 2.2412 3.4704 2.8108 2.6572 2.1683 2.5159 2.0382 2.6163 2.2408 µx -2.7432 -1.8119 2.6138 2.1419 -2.2813 -1.9907 -2.2814 1.9801 2.3121 -1.9605 2.3097 1.9594 -2.6293 2.2210 -2.3857 2.0950 -2.3427 -2.0761 -2.3135 -2.3072 SRG µy -0.7172 -0.1749 -1.1096 -0.5499 -0.5989 -0.1297 -0.5575 -0.0845 -0.4916 -0.1953 -0.4909 -0.1962 -1.0409 -0.5219 -0.5380 -0.1140 -0.4595 -0.0166 -0.4943 0.1246 µz 0.0007 0.0000 -0.0003 0.0007 0.0009 -0.0001 0.0001 0.0001 -0.0008 -0.0007 -0.0008 0.0006 0.0005 0.0001 0.0007 0.0001 0.0007 0.0002 0.0008 0.2862 µ(D) 2.8354 1.8203 2.8396 2.2114 2.3586 1.9950 2.3485 1.9819 2.3638 1.9702 2.3613 1.9692 2.8279 2.2815 2.4456 2.0981 2.3873 2.0762 2.3657 2.3282 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) Table 8. All β (a.u.) components and β ×10−30 (esu) values calculated using HF and DFT levels of theory for all compounds. Basis Sets SIII SOG HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d.p) 6-31G+(d,p) 6-31++G(d,p) 6-311G 6-311G(d) 6-311G(d.p) 6-311G++(d.p) 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d.p) 6-31G+(d.p) 6-31G++(d,p) 6-311G 6-311G(d) βxxx βxxy βxyy β yyy β xxz β xyz β yyz β xzz β yzz β zzz -1098.54 1333.27 -959.55 4045.33 1067.47 -5170.90 1087.37 -1087.66 1095.86 -5909.18 1097.13 5915.47 -971.65 4907.22 1095.38 5767.84 1103.43 -1363.64 1066.15 -5850.98 -66.81 -99.60 1063.28 2144.67 1149.41 2013.58 1162.96 -90.63 1384.15 2489.93 1385.23 2492.54 1123.63 2321.01 1235.32 2190.95 -19.07 -0.23 -47.98 -681.42 1.52 -560.43 -18.87 -0.13 42.90 -484.83 43.61 -481.94 -25.89 -634.24 -8.79 -538.67 -1.38 -0.20 52.36 -456.43 -0.05 0.13 47.15 107.23 65.78 106.10 67.86 -1.28 70.65 114.46 69.91 111.83 47.68 94.24 64.13 98.51 133.52 3.03 128.87 -61.43 -136.56 91.50 -144.11 1.86 -229.01 198.23 -229.21 -195.55 140.92 -70.17 -152.08 -105.59 -153.34 -4.01 -215.99 185.46 0.03 -1.99 -90.59 -56.59 -108.86 -68.04 -109.64 0.27 -135.30 -94.48 -135.05 -92.91 -94.45 -49.52 -108.95 -62.80 17.71 0.04 18.29 -0.84 16.30 15.97 16.90 -0.19 61.76 44.51 63.73 45.78 24.02 23.61 27.43 39.19 27.93 0.97 52.79 33.55 -0.00 0.02 -116.03 -144.28 -98.00 -120.42 -98.75 -1.51 -146.84 -192.41 -147.59 -197.78 -123.76 -165.59 -110.10 -145.36 5.91 -670.18 4.11 0.71 -18.67 -2.41 -14.18 1628.05 -1.10 -0.99 -1.28 0.53 6.41 -2.57 -16.58 -1.54 -17.48 1876.69 -7.14 0.10 -92.21 -67.84 -0.37 0.80 2.47 -1.14 2.09 -75.62 0.09 -0.67 0.08 -0.46 -1.99 -0.38 2.91 -1.62 4.02 -0.61 2.78 0.93 7.62 -0.62 -7.00 1.09 0.34 -0.66 -0.31 -0.06 3.71 -1.14 -8.06 -0.08 -9.05 0.49 4.00 -0.87 0.16 0.32 0.17 0.47 1.61 0.72 1.06 0.94 0.09 -0.31 0.06 0.11 0.91 -0.15 1.11 1.62 -0.27 -4.95 0.38 0.41 0.13 2.28 -0.64 -0.31 0.05 -0.55 -0.03 -0.61 0.52 -2.25 -0.54 -3.52 -0.81 -8.43 -0.26 -1.53 -1.14 0.11 0.08 0.05 -0.24 -0.50 -0.79 -2.04 -0.01 -0.16 -0.02 0.72 0.076 -0.41 -0.45 -0.27 -7.77 420.32 -3.31 -5.60 14.19 1.80 14.79 -2067.87 -1.05 -6.45 0.72 6.49 -5.65 -2.89 17.45 -4.37 18.16 -2280.67 7.93 -8.96 -135.63 -169.62 -2.66 -0.47 -3.84 -1.82 -3.92 -172.06 49.80 67.41 61.93 85.43 5.97 11.91 5.05 9.33 -0.37 1.59 -0.91 1.28 -0.32 1.51 0.05 -1.53 52.76 57.59 64.31 72.12 7.53 13.30 7.78 11.89 8.23 1.37 54.71 58.32 -0.04 1.01 -0.13 -2.15 0.57 0.35 1.43 -0.54 -33.94 -37.65 -38.45 -44.22 -5.45 -7.19 -3.92 -4.81 -0.09 -201.00 -0.04 -0.24 0.07 -0.61 -0.087 2349.04 0.07 -0.06 -0.38 -0.07 -0.021 -0.74 -0.15 -1.45 -0.20 2487.13 0.15 -0.06 1069.03 2159.53 0.01 0.09 -0.13 -1.55 -0.33 2027.17 -0.01 0.10 -0.03 0.12 0.02 0.02 -1.09 -1.68 69 βx 10-30 (esu) 10.58 16.96 7.21 34.87 8.17 45.72 8.28 43.85 7.60 49.51 7.65 49.57 7.23 42.08 8.31 49.06 8.37 42.48 7.54 49.13 8.55 18.22 8.40 18.04 8.96 16.79 9.07 16.99 11.26 21.30 11.38 21.50 8.97 19.74 9.78 18.47 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. Table 8 Continued. All β (a.u.) components and β ×10−30 (esu) values calculated using HF and DFT levels of theory for all compounds. Basis Sets SRG HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP HF B3LYP 6-311G(d.p) 6-311G++(d.p) 3-21G 6-31G 6-31G(d) 6-31G(d.p) 6-31G+(d.p) 6-31G++(d.p) 6-311G 6-311G(d) 6-311G(d.p) 6-311G++(d.p) βxxx βxxy βxyy β yyy β xxz β xyz β yyz β xzz β yzz β zzz 1231.57 2228.84 1348.84 2432.10 -169.26 1117.44 338.94 -135.25 -229.45 67.72 104.11 34.13 191.51 101.38 -144.88 -88.36 -312.27 33.07 -225.52 41.93 -216.63 41.32 -197.64 -18.10 64.61 97.53 69.54 112.08 -1.31 -2.08 -229.02 -122.38 -203.36 -136.47 1.62 -0.02 -303.31 -287.99 -0.91 -281.47 -234.78 -195.60 -211.89 -185.63 -212.95 -182.08 -282.23 -265.70 -109.94 -62.48 -132.13 -93.71 -10.44 -5.51 -26.58 -100.86 50.00 108.37 -19.33 -5.57 -96.49 159.74 -76.07 -151.39 30.01 -90.26 51.20 -100.53 52.86 117.97 82.49 -126.16 -109.31 -139.96 -140.23 -186.35 -0.12 0.07 -43.06 -49.213 -18.34 -53.68 0.42 2.07 -93.98 -118.47 -0.13 -112.11 -51.60 -73.66 -28.72 -77.41 -30.25 -73.30 -73.10 -93.11 1.96 -6.17 0.03 -0.03 71.80 -1060.48 -2.33 0.11 3.04 -1.63 -118.52 -0.74 -0.20 -0.08 53.48 -0.02 3.07 -0.04 5.81 -2.13 6.14 -0.39 0.63 -0.38 1.23 -2.18 0.12 0.44 1.08 1.82 -0.52 -0.32 2.18 -0.91 -2.80 -0.73 0.017 0.27 0.83 -0.33 0.83 -0.67 4.00 -0.01 3.89 2.80 0.19 0.01 0.10 -2.15 -0.01 0.84 29.70 42.21 0.33 -1.37 0.45 2.57 32.25 42.80 0.36 0.78 -87.58 -0.29 0.14 -2.44 0.59 5.16 1.39 3.86 -0.08 0.92 5.74 15.16 55.04 70.45 -177.92 1229.00 34.83 43.92 -33.92 -41.49 63.40 -73.84 -10.43 -1.39 -242.84 2.04 -34.14 49.99 -40.98 52.65 -40.74 -52.61 4.27 17.50 -4.35 -3.28 -33.54 -36.73 -1.04 -1.78 10.92 15.34 8.27 13.12 4.28 1.00 -86.80 -90.15 -0.31 -104.96 0.65 9.50 0.26 6.19 0.06 5.40 -84.04 -80.63 -1.13 -1.85 -0.11 0.08 -41.80 -1741.16 -0.00 -0.10 -0.09 -0.09 368.42 -305.22 0.18 -0.12 -180.38 0.06 -0.23 -0.56 -0.38 1.07 -0.35 -0.80 0.26 -0.02 70 βx 10-30 (esu) 9.75 18.85 11.33 20.83 3.13 31.26 3.75 2.14 2.61 1.92 2.75 2.31 4.25 4.84 4.42 4.77 3.68 2.25 2.79 2.22 2.75 2.35 3.92 3.95 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) 4. Conclusions The molecular structures and quantum chemical parameters of the Sudan III, Sudan Red G and Sudan Orange G were studied using the B3LYP and HF methods on several basis sets. Non-linear optical NLO behaviors of the studied molecules were investigated by determining the electric dipole moment µ, the polarizability α and the hyperpolarizability β using the same methods. The study showed that these Sudan dyes have valuable first-static hyperpolarizabilities, and may have potential applications in the development of NLO materials. Acknowledgements The authors would like to thank Kocaeli University Research Fund for its financial support (Grant No. 2011/007). References [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Huang, H.Y., Shih, Y.C. ve Chen, Y.C., Determining eight colorants in milk beverages by capillary electrophoresis, Journal of Chromatography A, 959, 12, 317-325, (2002). Sádecká, J. ve Polonský, J., Electrophoretic methods in the analysis of beverages, Journal of Chromatography A, 880, 1-2, 243-279, (2000). Ma, M., Luo, X., Chen, B., Su, S. ve Yao, S., Simultaneous determination of water-soluble and fat-soluble synthetic colorants in foodstuff by highperformance liquid chromatography–diode array detection–electrospray mass spectrometry, Journal of Chromatography A, 1103, 1, 170-176, (2006). Calbiani, F., Careri, M., Elviri, L., Mangia, A., Pistarà, L., Zagnoni, I., Development and in-house validation of a liquid chromatography–electrospray– tandem mass spectrometry method for the simultaneous determination of Sudan I, Sudan II, Sudan III and Sudan IV in hot chilli products, Journal of Chromatography A, 1042, 1-2, 123-130, (2004). http://en.wikipedia.org/wiki/Sudan_Red_G. Vilarinho, E.C., Fernandes, O.A., Omoto, E., et al., Oil-Soluble Dyes for Marking Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae), Journal of Economic Entomology, 99, 6, 2110-2115, (2006). MacDougall, D.B., In Colour in Food-Improving Quality, 21, Woodhead Publishing Limited and CRC Press, Cambridge, UK, (2002) . Kanis, D.R., Ratner, M.A. ve Marks, T.J., Design and construction of molecular assemblies with large second-order optical nonlinearities. Quantum chemical aspects, Chemical Reviews, 94, 1, 195-242, (1994). (a) Costa, S.P.G., Griffiths, J., Kirsch, G., et al., Synthesis of thieno[2,3d]thiazole derived dyes with potential applicationin nonlinear optics, Anales de Quimica International Edition, 94, 4-5, 186-188, (1998). (b) Barachevsky, V.A., Oliveira-Campos, A.M.F., Stebunova, LV, et al., Journal of Science Applied Photographic (Russ.), 47, 4-8, (2002). (c) Raposo, M.M.M., Sousa, A.M.R.C., Fonseca, A.M.C., Kirsch, G., Thienylpyrrole azo dyes: synthesis, solvatochromic and electrochemical properties, Tetrahedron, 61, 34, 8249-8256, (2005). 71 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. [10] Prasad, P.R. ve Williams, D.J., Introduction to Nonlinear Optical Effects in Molecules and Polymers, 320, Wiley-Interscience Press, New York, (1991). [11] Machado, A.E.H., Neto, N.M.B., Ueno, L.T., et al., Study of the spectroscopic properties and first hyperpolarizabilities of disperse azo dyes derived from 2amino-5-nitrothiazole, Journal of Photochemistry Photobiology A-Chemistry, 199, 1, 23–33, (2008). [12] He, T. ve Wang C., The study on the nonlinear optical response of Sudan, Optics Communications, 281, 15-16, 4121-4125, (2008). [13] Wang, C.S, Fei, H.S., Yang, Y.Q., et al., Photoinduced anisotropy and polarization holography in azobenzene side-chain polymer, Optics Communications, 159, 1-3, 58-62, (1999). [14] Wang, C., Fei, H., Qiu, Y., et al., Photoinduced birefringence and reversible optical storage in liquid-crystalline azobenzene side-chain polymers, Applied Physics Letters, 74, 1, 19-21, (1999). [15] Towns, A.D., Developments in azo disperse dyes derived from heterocyclic diazo components, Dyes and Pigments, 42, 1, 23-28, (1999). [16] Yesodha, S.K., Sadashiva Pillai, C.K., Tsutsumi, N., Stable polymeric materials for nonlinear optics: a review based on azobenzene systems, Progress in Polymer Science, 29, 1, 45-74, (2004). [17] Astrand, P.O., Sommer-Larsen, P., Hvilsted, S., et al., Five-membered rings as diazo components in optical data storage devices: an ab initio investigation of the lowest singlet excitation energies, Chemical Physics Letters, 325, 1-3, 115-119, (2000). [18] Jeewandara, A.K., Nalin de Silva, KM., Are donor–acceptor self organised aromatic systems NLO (non-linear optical) active?, Journal of Molecular Structure-Theochem, 686, 1-3, 131–136, (2004). [19] Suponitsky, K.Y., Tafur, S, Masunov A.E., Applicability of hybrid density functional theory methods to calculation of molecular hyperpolarizability, Journal of Chemical Physics, 129, 044109-11, (2008). [20] Avcı, D., Başoğlu A. ve Atalay, Y., Effects of different basis sets and donoracceptor groups on linear and second-order nonlinear optical properties and molecular frontier orbital energies, International Journal of Quantum Chemistry, 111, 1, 130-147, (2011). [21] Dos Santos, H.F., de Oliveira, L.F.C., Dantas, S.O., et al., Quantum mechanical investigation of the tautomerism in the azo dye Sudan III, International Journal of Quantum Chemistry, 80, 4-5, 1076-1086, (2000). [22] Esme, A., Sagdinc, S.G., The vibrational studies and theoretical investigation of structure, electronic and non-linear optical properties of Sudan III [1-{[4(phenylazo) phenyl]azo}-2-naphthalenol], Journal of Molecular Structure, 1048, 185–195, (2013). [23] Salmen, R, Malterud, K.E., Pedersen, B.F., Structures of the Azo Dyes Sudan Red G [1-(2-Methoxyphenylazo)-2-naphthol], C17H14N2O2, and Sudan Yellow (1-Phenylazo-2-naphthol), C16H12N2O, Acta Chemica Scandinavica A, 42, 3443, 493-499, (1988). [24] Hehre, W.J., Ditchfield, R., Pople, J.A., Self—Consistent Molecular Orbital Methods. XII. Further Extensions of Gaussian—Type Basis Sets for Use in Molecular Orbital Studies of Organic Molecules, Journal of Computational Chemistry, 56, 2257-2262, (1972). 72 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) [25] Hariharan, P.C., Pople, J.A., The influence of polarization functions on molecular orbital hydrogenation energies, Theoretica Chimica Acta, 28, 3, 213-222, (1973). [26] Becke, A.D., Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange, Journal of Chemical Physics, 98, 5648-5653, (1993). [27] Stephens, P.J., Devlin, F.J., Chabalowski, C.F., et al., Ab Initio Calculation of Vibrational Absorption and Circular Dichroism Spectra Using Density Functional Force Fields, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/j100096a001Journal of Physical Chemistry, 98, 45, 11623-11627, (1994). [28] Francl, M.M., Pietro, W.J., Hehre, W.J., et al., Self-consistent molecular orbital methods. XXIII. A polarization-type basis set for second-row elements, Journal of Physical Chemistry, 77, 3654-3665, (1982). [29] Clark, T., Chandrasekhar, J., Spitznagel, G.W., et al., Efficient diffuse functionaugmented basis sets for anion calculations. III. The 3-21+G basis set for firstrow elements, Li–F, Journal of Computational Chemistry, 4, 3, 294-301, (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jcc.540040303/abstract1983). [30] Krishnan, R., Binkley, J.S., Seeger, R., et al., Self-consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions, Journal of Chemical Physics, 72, 650-655, (1980). [31] Frisch, M.J., Trucks, G.W, Schlegal, H.B., et al., Gaussian 09, Revision A 11.4, Gaussian Inc., Pittsburgh PA., (2009). [32] Frisch, A., Nielson, A.B. and Holder, A.J., GaussView Users Manual, Gaussian Inc., Pittsburgh, PA, (2000). [33] Becke, A.D., Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange, The Journal of Chemical Physics, 98, 5648, (1993). [34] Lee, C., Yang, W. and Parr, R.G., Development of the Colle-Salvetti conelation energy formula into a functional of the electron density, Physical Review B, 37, 785-789, (1988). [35] Koopmans, T.C., Über die Zuordnung von Wellenfunktionen und Eingenwerten zu den Einzelnen Elektronen Eines Atoms, Physica (Amsterdam), 1, 104-113, (1933). [36] Parr, R.G., Sventpaly, L. and Liu, S., Electrophilicity Index, Journal of American Chemical Society, 121, 1922-1924, (1999). [37] Gomez, B., Likhanova, N.V., Dominguez-Aguilar, M.A., et al., Theoretical Study of a New Group of Corrosion Inhibitors, Journal of Physical Chemistry A, 109, 8950-8957, (2005). [38] Chattaraj, P.K., Sarkar, U., Roy, D.R., Electrophilicity Index, Chemical Reviews, 106, 6, 2065-2091, (2006). [39] Chattaraj, P.K., Chemical Reactivity Theory: A Density Functional View, 610, CRC Press, New York, (2009). [40] Ebenso, E.E., Arslan, T., Kandemirli, F., et al., Theoretical studies of some sulphonamides as corrosion inhibitors for mild steel in acidic medium, International Journal of Quantum Chemistry, 110, 14, 2614-2636, (2010). [41] Hinchliffe, A., Nikolaidi, B. ve Machado, H.J.S., Density Functional Studies of the Dipole Polarizabilities of Substituted Stilbene, Azoarene and Related Push-Pull Molecules, International Journal of Molecular Sciences, 5, 8, 224-238, (2004). [42] Buckingham, A.D., Permanent and induced molecular moments and long-range intermolecular forces, Advances in Chemical Physics, 12, 107-142, (1967). [43] McLean, A.D. and Yoshimine M., Theory of Molecular Polarizabilities, The Journal of Chemical Physics, 47, 1927-1936, (1967). 73 EŞME A., SAĞDINÇ S. G. [44] Lin, C. and Wu, K., Theoretical studies on the nonlinear optical susceptibilities of 3-methoxy-4-hydroxy-benzaldehyde crystal, Chemical Physics Letters, 321,1-2, 83-88, (2000). [45] Abraham, J.P., Sajan, D., Hubert, Joe I.H. and Jayakumar, V.S., Molecular structure, spectroscopic studies and first-order molecular hyperpolarizabilities of p-amino acetanilide, Spectrochimica Acta Part A, 71, 2, 355-367, (2008). [46] Karamanis, P, Pouchan, C. and Maroulis, G., Structure, stability, dipole polarizability and differential polarizability in small gallium arsenide clusters from all-electron ab initio and density-functional-theory calculations, Physical Review A, 77, 013201-013208, (2008). [47] Ben Ahmed, A., Feki, H., Abid, Y., Boughzala, H. and Mlayah, A., Structural, vibrational and theoretical studies of l-histidine bromide, Journal of Molecular Structure, 888, 1-3, 180-186, (2008). [48] Abbott, L.C., Batchelor, S.N., Oakes, J., et al., Experimental and Computational Studies of Structure and Bonding in Parent and Reduced Forms of the Azo Dye Orange II, The Journal of Physical Chemistry A, 109, 12, 2894-2905, (2005). [49] Bouwstra, J.A., Schouten, A. and Kroon, J., Structural studies of the system transazobenzene/trans-stilbene. I. A reinvestigation of the disorder in the crystal structure of trans-azobenzene, C12H10N2, Acta Crystallographica Section C, 39, 8, 1121-1123, (1983). [50] Almeida, M.R., Stephani, R., Dos Santos, H.F. and de Oliveira, L.F.C., Spectroscopic and Theoretical Study of the “Azo”-Dye E124 in Condensate Phase: Evidence of a Dominant Hydrazo Form, The Journal of Physical Chemistry A, 114, 1, 526-534, (2010). [51] Silva, J.R., de Souza, N.C., Fernandes, V.C., et al., Langmuir–Blodgett films of diazobenzene molecules, Journal of Colloid and Interface Science, 327, 1, 3135, (2008). [52] Masoud, M.S., Awad, M.K., Shaker, M.A., et al., The role of structural chemistry in the inhibitive performance of some aminopyrimidines on the corrosion of steel, Corrosion Science, 52, 7, 2387-2396, (2010). [53] Boshra, A., Jadidi, S., Monajjemi, M., et al., Journal of Nanostructure in Chemistry, 2, 98-109, (2011). [54] Ghanadzadeh, A., Ghanadzadeh, H., Ghasmi, G., On the molecular structure and aggregative properties of Sudan dyes in the anisotropic host, Journal of Molecular Liquids, 88, 2-3, 299-308, (2000). [55] Sıdır, Y.G., Sıdır, I., Berber, H. and Taşal, E., An experimental study on relationship between hammett substituent constant and electronic absorption wavelength of some azo dyes, Journal of Science and Technology, 1, 7-11, (2011). [56] Oliva, M.M., Casado, J., Raposo, M.M.M., et al., Structure-Property Relationships in Push-Pull Amino/Cyanovinyl End-Capped Oligothiophenes: Quantum Chemical and Experimental Studies. The Journal of Organic Chemistry, 71, 20, 7509-7520, (2006). [57] Premakumari, J., Allan Gnana Roy, G., Antony Muthu Prabhu, A., et al., Effect of Solvents and pH on β-Cyclodextrin Inclusion Complexation of 2,4Dihydroxyazobenzene and 4-Hydroxyazobenzene, Journal of Solution Chemistry, 40, 327-347, (2011). [58] Hinchliffe, A. and Soscun Machado, H.J., Ab initio studies of the dipole polarizabilities of conjugated molecules: Part 3. One electron properties, dipole 74 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 47-75 (2014) [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] polarizability and first hyperpolarizability of quinoline and isoquinoline, Journal of Molecular Structure (Theochem), 312, 1, 57-67, (1994). Nalwa, H.S., in Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Device in Champagne, B. and Kirtman, B., Academic Press, 63-126, San Diego, (2001). Luis, J.M., Champagne, B. and Kirtman, B., Calculation of static zero-point vibrational averaging corrections and other vibrational curvature contributions to polarizabilities and hyperpolarizabilities using field-induced coordinates, International Journal of Quantum Chemistry, 80, 3, 471-479, (2000). Millefiori, S. and Alparone, A., Theoretical determination of the vibrational and electronic (hyper)polarizabilities of C4H4X (X=O, S, Se, Te) heterocycles, Physical Chemistry Chemical Physics, 2, 11, 2495-2501, (2000). Jacquemin, D., Champagne, B., Hattig, C., Correlated frequency-dependent electronic first hyperpolarizability of small push–pull conjugated chains, Chemical Physics Letters, 319, 3-4, 327-334, (2000). Champagne, B., Élaboration de Méthodes de Chimie Quantique pour L'evaluation des Hyperpolarisabilités Vibrationnelles—Conséquences pour L'optique Non Linéaire, PUN, Namur: 2001, pp. 68-9. Torrent-Sucarrat, M., Solà, M., Duran, M., et al., Basis set and electron correlation effects on ab initio electronic and vibrational nonlinear optical properties of conjugated organic molecules, Chemical Physics, 118, 711-719, (2003). Lee, I.S., Shin, D.M., Yoon, Y., et al., Synthesis and non-linear optical properties of (alkyne)dicobalt octacarbonyl complexes and their substitution derivatives, Inorganica Chimica Acta, 343, 41-50, (2003). Mang, C., Wu, K., Zhang, M., et al., First-principles study on second-order optical nonlinearity of some ferrocenyl complexes, Journal of Molecular Structure (Theochem), 674, 77-82, (2004). 75 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 76-88 (2014) Türkiye’nin Kentsel Dönüşüm Deneyiminin Tarihsel Analizi M.Serhat YENİCE1,* 1 Hasan Kalyoncu Üniversitesi Güzel Sanatlar ve Mimarlık Fakültesi, Mimarlık Bölümü, Gaziantep. Özet Bu araştırmanın amacı; Türkiye’de kentsel dönüşüm sürecini ve eylemlerini yönlendiren (varolan) yasal ve yönetimsel altyapının, tarihsel arka plana dayalı bir bakış açısıyla irdelenmesidir. Bir başka ifadeyle, Türk kentlerindeki dönüşüm sorunsalına yönelik geliştirilen yöntem ve araçların, dönemin sosyal, ekonomik ve siyasal izleri eşliğinde analiz etmektir. Araştırmada, Türkiye’de kentsel dönüşüm konusuna ilişkin yasal ve yönetsel yapının tarihsel süreç içerisinde karşılaştırmalı analizine dayanan bir yöntem izlenmiştir. Araştırma sonunda tarihsel arka plana ilişkin olarak edinilen bilgi birikimi eşliğinde yaşanan–yaşanmakta olan sorunların çözümüne yönelik alternatifler geliştirilmiştir. Araştırmanın, Türkiye’nin kentsel dönüşüm deneyimlerinin varolan yasal ve yönetimsel sorunlarının çözümüne yönelik alternatif model arayışlarına katkıda bulunacağı düşünülmektedir. Anahtar kelimeler: Dönüşüm, Koruma, Sağlıklaştırma, Yenileme. A historical analysis of the urban regeneration experiment of Turkey Abstract The purpose of this research is to examine the existing legal and institutional background that directs the actions of urban regeneration process in Turkey based on historical perspective. In other words, it is analysis of methods and tools of urban regeneration problematic in Turkey, along with the social, economic, and political clues of the period. Methodology of the research bases on comparative analysis of legal and institutional structure of urban regeneration subject in Turkey within the historical process. Alternative models are generated as solution for existing problems, as result of the research, collaborating with knowledge attained about historical background. Research is expected to contribute the search for alternative models as solution for existing legal and institutional issues for urban regeneration experiences of Turkey. Keywords: Conservation, Regeneration, Rehabilitation, Renewal. * M.Serhat YENİCE, serhat.yenice@hku.edu.tr, Tel: (342) 211 80 80. 76 YENİCE M. S. 1. Giriş Kentsel yerleşmeleri, sosyal, kültürel, ekonomik ve çevresel bileşenlerden meydana gelen mekânsal bir sistem olarak tanımlamak mümkündür. Bu bileşenlerden bir veya birkaçında meydana gelen değişim ve dönüşüm, sistemin diğer bileşenlerini de etkileyerek, aralarındaki denge ve uyumun bozulmasına neden olacağı açıktır. Nitekim bileşenler arasındaki denge ve uyumun bozulmasının, çoğu zaman kentlerin mekânsal ve işlevsel gelişiminde bir duraklama ve gerileme sürecine neden olduğu görülür. Kentler için “hastalık dönemi” olarak tanımlanabilecek çok bileşenli bu gerileme sürecinin aşılmasına yönelik müdahaleler; kentsel dönüşüm politikalarının konu ve gündemini oluşturmaktadır. Akademik ve mesleki dizin incelendiğinde; kentsel dönüşüm konusunda yapılmış birçok tanımla karşılaşmak mümkündür. Yapılan kavramsal tanımlamaların benzer konular üzerine odaklanmış olmalarına karşın, bazı anlam farklılıkları taşıdığı görülmektedir. Bu farklılıkların temel nedeni, dönüşüm sürecinin amaçları, hedefleri, organizasyon ve yöntemlerinin değişime uğramış olmasından kaynaklanmaktadır. Nitekim Couch [1] kentsel dönüşüm kavramını, kentsel gelişmenin amaçlarını içeren ve bununla birlikte iyileştirme ve yeniden canlandırmanın sürekliliğini de savunan korumacı bir planlama yaklaşımı olarak ifade ederken; Roberts [2], değişime uğrayan bir bölgenin sosyal, ekonomik, fiziksel koşullarına kalıcı bir iyileştirme arayışı içinde olan ve kentsel sorunlara çözüm sağlamaya çalışan kapsamlı ve bütünleşik bir vizyon ve eylemler dizisi olarak tanımlamaktadır. Bu noktada yapılan tanımlamaların, varolan kentsel alanların planlanması ve yönetimi ile ilgili sorunları; fiziksel, sosyal-kültürel, ekonomik ve çevresel anlamda bütüncül bir çözüm geliştirilmesi üzerine odaklandığını söylemek mümkündür. Bugünkü anlamda kentsel dönüşüm düşüncesinin temellerinin; sanayileşme sürecinde ortaya çıkan sağlıksız kentsel çevre, yetersiz kalan altyapı sistemi ile sosyal ve ekonomik açıdan yaşanan sorunlara çözüm üretilmesi amacıyla yapılı çevrenin yıkılarak yeniden inşa edilmesine yönelik müdahaleler biçiminde atıldığı görülmektedir. İkinci Dünya Savaşı’nın ardından, hasar gören kentlerin yeniden imarı bağlamında konutların fiziksel onarımı üzerine odaklanan kentsel dönüşüm politikalarını, yoksul komşuluk birimleri olarak da adlandırılan çöküntü bölgelerinin temizlenmesine yönelik çalışmalar izlemiştir. 1960’lı yıllar kentsel dönüşümün ekonomik alanda gelişme sağlanması ve istihdamın arttırılmasına yönelik bir araç olarak algılandığı dönemdir [3-5]. Bu dönemde kapsamlı sağlıklaştırma programlarını içeren ve büyük ödenekler ayırmayı gerektiren refah amaçlı programlar yerine, kamu düşüncesini öne çıkaran yaklaşımlar dikkatleri çekmektedir. Bu açıdan bakılırsa; sosyal, ekonomik ve fiziksel açından niteliklerini yitirmiş konut bölgeleri, kent içerisinde kalan işlevini yitirmiş liman/dok ve sanayi bölgeleri, yıpranan/eskiyen kent merkezlerinin yeniden geliştirilmesine dönük müdahaleler, 1960 ve 1980 yılları arasındaki kentsel dönüşüm eylemlerinin ana konusunu oluşturmuştur [6]. 1980 yılı sonrasında küreselleşmenin etkisiyle belli mahallelerin ve kentlerin doğrudan uluslararası şirket yatırımlarına konu edildiği, gösterişli ve yüksek maliyetli projelerin gerçekleştirildiği bir dönem yaşanmaktadır [7, 8]. Merkezi yönetim direktifleri ile gerçekleştirilen dönüşüm eylemlerinin, 1980 sonrası özel sektör eli ile gerçekleştirilmeye başlaması dikkat çekicidir. 1990’lı yıllar kentsel dönüşüm müdahalelerinde sosyal yaşamın öne çıktığı; aynı zamanda kentler için önemli bir 77 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 76-88 (2014) sorunsala dönüşen sosyal ayrışmaların giderilmesine dönük politikalara ağırlık verildiği bir dönemdir. Özel sektör girişimi ile yapılan eylemler bu dönemde yerini giderek kamu, özel sektör ve sivil toplum örgütleri işbirliğine bırakmıştır. 2000 yılı sonrasında kentsel dönüşüm eylemlerinin sosyal, ekonomik, fiziksel (yapılı çevre) ve çevresel boyutlar arasındaki dengeyi gözeten sürdürülebilirlik ilkeleri çerçevesinde değerlendirilmeye doğru evrildiği söylenebilir [9, 10]. Bu evrilme sürecinin, kentsel toprak rantının paylaşımında özel girişimci–yatırımcının devlet teşviki ile aktif rol oynaması odaklı kentsel dönüşüm politikaları bağlamında kamu yararı açısından planlama siyasasının temel eleştiri ve tartışma konusunu oluşturduğu gözardı edilmemelidir. Türkiye’de ise kentsel dönüşüm eylemlerinin başlangıçta, Ankara, İstanbul, İzmir gibi anakentlerde yoğun olarak gözlemlenen yasadışı konut bölgelerinin yeniden yapılandırılması üzerine odaklandığını söylemek mümkündür. Bu uygulamalarda, değer artışı ve değer paylaşımı beklentileri eşliğinde kentlerin fiziksel yapısı değiştirilmekle birlikte; sosyal ve çevresel boyutların gözardı edildiği görülmektedir. İmar haklarının artışı ve serbest piyasa koşulları çerçevesinde fiziksel mekânın yenilenmesine dayanan bu yaklaşım, kısa vadede başarılı bir çözüm olarak görülürken; uzun vadede sorunların kentin bir başka bölgesine ötelendiğini göstermiştir. Nitekim bu yaklaşım daha nitelikli kentsel mekân üretimi ya da fiziksel sorunları çözmenin ötesinde mekânsal ayrışma veya kentle bütünleşememe gibi sosyo-mekânsal sorunları da harekete geçirmektedir. Bu bağlamda, özellikle metropoliten kentleri odak alan parçacıl veya noktasal yenileme eylemlerinin sosyo–mekânsal olumsuzlukları, kentsel dönüşümün mekânsal/fiziksel, sosyal–kültürel, ekonomik ve kurumsal bileşenler bütüncül bir bakış açısı eşliğinde derinlemesine tartışılması gereğine vurgu yapması bakımından önemlidir. 1999 Marmara Depremi sonrasında ise, Türkiye’nin kentsel dönüşüm gündeminin mevzuat değişiklikleri eşliğinde afet riski altındaki kentsel yerleşmeler üzerine odaklandığı görülür. 2011 yılında yaşanan Van Depremi, kentsel dönüşüm konusunda yasal-yönetimsel sorunların çözümü için farklı isimler altında yasalar düzenlenmiş olsa da, yeni ve bütüncül bir hukuksal–yasal çerçevenin eksikliğini açıkça ortaya koymuştur. 2. Amaç ve Kapsam Bu araştırmanın amacı; Türkiye’de kentsel dönüşüm sürecini ve eylemlerini yönlendiren (varolan) yasal ve yönetimsel/kurumsal altyapının, tarihsel arka plana dayalı eleştirel bir bakış açısı ile irdelenerek, mevcut sorunsalına yönelik alternatif bir çerçeve üretilmesidir. Başka bir ifadeyle, kentsel dönüşüm yöntem ve araçlarına ilişkin sorunsalın, Türkiye kentlerinin özgün mekânsal karakteristik ve işlevsel kimlik değerleri temelinde irdelenerek, geleceğe yönelik yasal ve yönetimsel açılımlara alternatif bakış açısı sunulmasıdır. Bu bakış açısının, Türkiye’nin kentsel dönüşüm deneyimlerinin varolan yasal ve yönetimsel/kurumsal sorunlarının çözümüne yönelik alternatif model arayışlarına katkıda bulunacağı düşünülmektedir. Araştırmada, Türkiye’de kentsel dönüşüm konusuna ilişkin yasal ve yönetsel yapının tarihsel süreç içerisinde karşılaştırmalı analizine dayanan bir yöntem izlenmiştir. Bu bağlamda, kentsel dönüşüm politikalarına yönelik bakış açısı tarihsel süreçte dünya ve Türkiye’deki izlencesi üzerinden yazılı kaynaklar eşliğinde karşılaştırmalı tartışılarak özetlenmiştir. Devamında ise; Türkiye deneyimleri tarihsel dizinde sorun–çözüm odaklı 78 YENİCE M. S. bakış açısı eşliğinde akademik–bilimsel çalışmalara dayalı olarak irdelenmiştir. Son olarak, tarihsel arka plana ilişkin olarak edinilen bilgi birikimi eşliğinde yaşanan– yaşanmakta olan sorunların çözümüne yönelik alternatifler geliştirilmiştir. 3. Türkiye’nin Kentsel Dönüşüm Deneyiminin Tarihsel Analizi Türkiye’nin kentsel dönüşüm deneyimi, yasal–kurumsal örgütlenme düzeni ve uygulama konu–kapsam ve alanları ile sosyo–ekonomik ve siyasal gelişme ve koşullar açısından beş dönemde ele alınarak, irdelenmiştir. 3.1. Osmanlıdan alınan kurumsal–yönetimsel miras Türkiye’de ilk kentsel dönüşüm eylemlerinin, Osmanlı Devleti’nin son yüzyılında İstanbul’un yangın alanlarının düzenlenmesine yönelik salt fiziksel içerikli imar düzenlemelerine dayandığı bilinmektedir. 1854 yılında meydana gelen Aksaray yangının ardından hazırlanan yangın yeri planı ve 1864 yılında meydana gelen Hocapaşa yangınının ardından hazırlanan yangın sahası haritası bu kapsamda değerlendirilebilir [11]. Bu dönemde yürütülen kentsel dönüşüm eylemlerinin bir diğer konusu, dar, dolambaçlı ve yer yer çıkmaz sokaklardan meydana gelen insan-hayvan ölçekli ulaşım altyapısının, araba ve tramvay gibi yeni ulaşım araçlarının geçişini sağlayacak biçimde genişletilmesidir. Savaş sonrası kaybedilen topraklardan Anadolu’ya gelen göçmen nüfusun iskânına yönelik yeni mahallelerin kurulması da dönemin kentsel dönüşüm eylemleri arasında bulunmaktadır [12-14]. Yürütülen kent içi müdahaleler Ebniye Nizam-nâmeleri (1848), Turuk ve Ebniye Nizam–nâmesi (1864) ve Ebniye Kanunu (1882) gibi yasal düzenlemeler ile desteklenmiştir. Yol kademelenmesi, yapı yükseklikleri, yapı malzemesi gibi sadece fiziki mekân boyutunda ölçütler ile bedelsiz terk uygulama aracını tanımlayan bu yasal düzenlemeler, 1957 yılında 6785 sayılı İmar Kanunu yasalaşıncaya dek Türkiye kentlerinin fiziki yapısını ve dönüşüm eylemlerini yönlendirmesi açısından dikkat çekicidir. 3.2. Ankara’nın imarı ve ilk sanayi kentlerinin kurulması (1923-1950) Cumhuriyetin ilanı ile birlikte Türkiye kentlerinde karşılaşılan başlıca sorun, savaş sırasında yakılıp yıkılan kentlerin yeniden imarı olmuştur. Bu durum aynı zamanda dönemin kentsel dönüşüm eylemlerinin ana konusunu oluşturmuştur. Ancak bu sorun kent içi yangın yerlerinin yeniden imar edilmesinden farklı bir boyut taşımaktadır. Bunun nedeni, mülk sahiplerinin ülkeyi terk etmesi ve yangın yerlerinin yeniden düzenlenmesine yönelik mülkiyet sorununun çözümlenememesidir. Özellikle savaş sırasında yakılan batı Anadolu kentlerinde karşılaşılan bu sorunun çözülmesi amacıyla 1882 tarihli Ebniye Kanunu’nun bazı maddelerinin değiştirildiği görülmektedir. 642 sayılı yasa olarak bilinen bu düzenlemeyle 150’den daha fazla bina yangını olan bölgelerde düzenleme yapılması için belediyelere geniş yetkiler tanınması dikkat çekicidir [11]. Cumhuriyet’in eski kentlerin yeniden inşası yanında yeni kentler oluşturma girişimlerinin kentsel dönüşüm konusu kapsamında önemli bir diğer eylem türü olduğu söylenebilir. Bu söylemin temeli ulusal savunma sanayisine odaklanan üretim alanları için güvenli bölge arayışları ile sanayileşme sürecinin Anadolu kentlerinde yaygınlaştırılması çabalarına dayandırılabilir [15]. Bu bağlamda 1925 yılında Top ve 79 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 76-88 (2014) Mühimmat fabrikalarının kurulması ile Kırıkkale [16], 1937 yılında ise Demir Çelik Fabrikaları kurulması ile Karabük gibi [17] köy statüsündeki yerleşmeler, kısa zamanda büyüyerek tarihi cumhuriyet ile özdeşleşen ilk sanayi kentlerine dönüşmüştür. Cumhuriyet’in her alanda yeni ve modern bir toplum yaratma arzusu, kentsel dönüşüm eylemlerini etkileyen ve gündemini oluşturan bir diğer önemli unsur olmuştur [18]. Bu süreçte Başkent Ankara’ya yeni rejimin başarısının bir sembolü ve diğer Anadolu kentleri için örnek olma görevi yüklenmiştir. Bu kapsamda başkentte yürütülecek düzenlemeler için yeni bir örgütlenme modeli benimsenmiştir. Bu örgütlenme biçimi 1924 yılında yürürlüğe giren 417 sayılı Ankara Şehremaneti Kanunu ile tanımlanmıştır. Bu modelin yönetimsel özelliği, kent yönetiminin İçişleri Bakanlığı’nın vesayeti altında olması ve hükümet tarafından belirlenen üyelerden oluşan Cemiyet-i Umumiye-i Belediye tarafından yönetilmesidir [11, 19]. Örgütlenme değişikliğinin yanı sıra dikkat çekici bir diğer nokta planlama ve dönüşüm eylemlerinde yabancı uzmanların giderek artan etkinliğidir. Nitekim 1924-1925 yıllarında C. Lörcher tarafından Ankara kentinin eski ve yeni şehir bölgeleri için hazırlanan imar planları ve 1927 yılında Ankara kentinin imar planının yapılması için sınırlı bir uluslararası yarışma düzenlenmesi ve yarışmayı kazanan Alman mimar Herman Jansen’in başkentin yeni planını hazırlamış olması bu açıdan önemlidir [11]. Başkent Ankara’nın imarı sırasında edinilen deneyimler, Osmanlı döneminden kalma yasal-kurumsal düzenlemelerin kent planlama ve dönüşüm eylemlerini yönlendirici boyutunun eksikliğini ve yeniden ele alınması gereğini ortaya koymuştur. 1930 yılında 1580 sayılı Belediye Kanunu ile 1593 sayılı Umumi Hıfzıssıhha Kanunu, 1933 yılında 2290 sayılı Yapı ve Yollar Kanunu ile 2033 sayılı Belediye Bankası Kanunu, 1934 yılında 2722 sayılı Belediye İstimlâk Kanunu ve 1935 yılında 2763 sayılı Belediyeler İmar Heyetinin Kuruluşuna Dair Kanun ile Osmanlı’dan kalan yasal zemin değiştirilerek yeni yasal-kurumsal düzenlemeler gerçekleştirilmiştir [18]. Dönemin Güzel Kent ve Sağlıklı Kent yaklaşımları temelinde ideal kent modeline ulaşmayı hedefleyen bu düzenlemeler, kentlerdeki yapılı çevrenin yıkılarak yeniden yapılması ve yeni kent bölgelerinin inşa edilmesine yönelik kararları ile Türkiye kentlerinin mekânsal karakterini derinden etkilemiştir. Bu dönemde özellikle Türk kenti kavramına yönelik tartışmaların başlaması, ideolojik kökenin dışında, gerçekleştirilen yasal düzenlemelerin Türk kentlerinin mimari miras ve tarihsel–mekânsal altyapısı bağlamında uyuşmazlık sorunlarına tepkisel güdüler olarak değerlendirilebilir. 3.3. Yasa dışı konut bölgeleri ile mücadele (1950-1980) 1950’li yıllar Türkiye kentleri için yeni bir başlangıç dönemi olmuştur. Çok partili siyasi hayata geçiş ve liberal ekonomiye dayalı büyüme ve sanayileşme politikasının benimsenmesi; bir yandan sanayi kentlerini ortaya çıkarırken, diğer taraftan kırdan kente göçü ve hızlı kentleşmeyi beraberinde getirmiştir. Kırsal alan ve tarıma ilişkin ekonomi politikalarına bağlı olarak artan kentleşme hızı, kentleri nüfusun yanısıra sosyal, kültürel ve ekonomik unsurların mekânsal yığılma noktasına dönüştürmüştür. Hızlı nüfus artışına karşın mevcut konut stokunun yetersizliği, kırdan göçen nüfusun kendi konut ihtiyacını büyük ölçüde kent çeperinde hazine veya özel araziler üzerine yasadışı konutlar inşa ederek karşılamaya itmiştir. Süreç içerisinde ‘gecekondu’ olarak adlandırılan yasadışı konut gelişiminin engellenmesi ve kent merkezindeki düşük yoğunluklu yapılı bölgelerin yıkılarak yeniden yapılandırılması, bu dönemdeki kentsel 80 YENİCE M. S. dönüşüm eylemlerinin başlıca gündemini oluşturmuştur. Bu gelişmeleri kentsel mekânın dönüşümünü yönlendirici boyutta bir dizi yasal düzenlemenin hayata geçirilmesi izlemiştir. Bu yasal düzenlemelerin önemli konu arasında 1940’lı yılların orasından itibaren başlayan ve 1950’li yıllar ile birlikte hızlanan yasadışı konut bölgeleriyle mücadele başlığı oluşturmaktadır. Dönemin yasadışı konut bölgelerine önleme içeriğine sahip 1948 tarihli 5218 sayılı Ankara Belediyesine, Arsa ve Arazisinden Belli Bir Kısmını Mesken Yapacaklara 2490 Sayılı Kanun Hükümlerine Bağlı Olmaksızın Ve Muayyen Şartlarla Tahsis Ve Temlik Yetkisi Verilmesi Hakkında Kanun oldukça dikkat çekicidir. Yasaya göre şehir sınırları içerisinde Milli Emlak’a ait arazi bedelsiz, hazine özel malları niteliğindeki arazi bedelleri 10 yılda ödenmek koşulu ile belediyelere devrederek, belediyelere konut taleplerini karşılamak üzere arsa üretimi konusunda yetki sunmaktadır [20]. Kanun başlangıçta Ankara kenti için oluşturulsa da 12.maddesi ile diğer belediyelere de yetki sunmaktadır. 1950 yılında Ankara'ya yakın yerleşim alanı olarak planlanan ve dar gelirli işçi ve memur vatandaşları konut sahibi yapmak gayesi ile ikişer katlı olarak kurulmaya başlanan Yenimahalle, bu kanun kapsamında kurulan yerleşme alanı olarak değerlendirilmektedir. Yasadışı konut bölgeleri ile mücadele kapsamında yapılan bir diğer yasal düzenleme 1966 yılında yürürlüğe giren ve gecekondu alanlarının düzenli konut alanlarına dönüştürülmesi amacını taşıyan 775 sayılı Gecekondu Kanunu’dur [21]. Sonraki yıllarda bazı değişikliklere uğramış olmasına karşın temelde yasanın bütünlüğü korunmuştur. 775 sayılı kanun, gecekondu bölgeleri için ıslah (iyileştirme), tasfiye (ortadan kaldırma-temizleme) ve yeniden gecekonduların yapımının engellenmesi olmak üzere üç öncelik tanımlar. Tasfiye bölgeleri ıslahın mümkün veya ekonomik olmadığı bölgeleri, jeolojik açıdan yerleşmenin sakıncalı olduğu alanları veya başka kullanımlar için gerekli alanları tanımlar. Bu alanlarda yürütülecek temel kentsel dönüşüm eylemi alansal temizlemedir. Islah ve önleme bölgeleri ise altyapı tesisi ve binaların onarımını öngören sağlıklaştırma veya iyileştirme müdahalelerine dayanır. Bu yasa çerçevesinde 20.000 hektar alanda 640 gecekondu önleme bölgesi belirlenmiş, dar gelirli aileler için 30.672 konut inşa edilmiştir. Bununla birlikte kendi evini yapana yardım kapsamında 40.000 konut için arsa temin edilmiştir. Ayrıca 16.000 hektar alanda 808 ıslah bölgesi tanımlanarak bu alanlara altyapı hizmeti sağlanmış, 1.325 hektar alandaki 202 tasfiye bölgesi ise gecekondulardan arındırılmıştır [22, 23]. Gecekondu alanlarında yürütülen müdahalelerin yanı sıra özellikle İstanbul’da merkezi yönetim direktifleri ile gerçekleştirilen büyük kentsel operasyonlar, dönemin kentsel dönüşüm politikalarına yaklaşımının anlaşılması açısından dikkat çekicidir. Bu uygulamaların temel dayanağı, 16.07.1956 tarihinde resmi gazetede yayınlanan ve 16.01.1957 tarihinde yürürlüğe giren 6785 ayılı İmar Kanunu ve bu kanunun 42.maddesinin işletilmesidir. İstanbul’da motorlu taşıt ulaşımını esas alan ve taşıt trafiğini rahatlatılmasını amaçlayan bu uygulamalar kent içinde bazı yolların genişletilmesi sağlanmıştır. İstanbul kentinin tarihi dokusunu tahrip ettiği yönüyle eleştirilere konu olan bu uygulamaların, Anadolu’nun diğer büyük kentleri için benzer uygulamalara cesaret verdiği söylenebilir. Nitekim Konya Belediye Başkanı A.Hilmi Nalçacı (1963-1969) ve Kayseri Belediye Başkanı Osman Kavuncu (1950-1957) döneminde yapılan imar uygulamaları ve geniş bulvarlar oluşturma çabaları bu kapsamda değerlendirilebilir. 81 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 76-88 (2014) Dönemin ketlerin fiziki yapısının dönüşümünü etkileyen bir diğer yasal düzenlemesi, 1965 tarihli 634 sayılı Kat Mülkiyeti Kanunu’dur [24]. Kat Mülkiyeti Kanunu kentsel dönüşüm çerçevesinde irdelendiğinde; konut, dükkân, mağaza, iş bürosu gibi tamamlanmış veya yapılmakta olan yapıların, birbirinden bağımsız kullanıma ve bağımsız mülkiyet hakkının oluşturulmasına olanak sağlanması açısından dikkat çekicidir. Kat Mülkiyeti Kanunun yürürlüğe girmesi, beraberinde kent içerisindeki ruhsatlı az yoğun konut stokunun yıkılarak çok katlı apartmanlara dönüşümünü getirmiştir. Bir parselde çok sahipli konut yapılarının oluşturulmasına izin veren Kanun, özellikle kent merkezlerinde küçük ve çok parçalı mülkiyet desenine sahip alanlarda mevcut kentsel doku yıkılıp yerine çok katlı ve genellikle bitişik yapı nizamında yeni bir yapılı çevrenin oluşturulmasını cesaretlendirmiştir. Bu durum dönemin politik ve siyasal çerçevesinde bakıldığında, büyük bir konut açığı probleminin giderilmesine olanak sağlaması açısından olumlu bir yaklaşım olarak görülebilir. Ancak salt konut açığının giderilmesine dönük gerekli sosyal ve teknik altyapı ihtiyacı göz önüne alınmadan gerçekleştirilen bu yapı yoğunluğu artışının olumsuz etkileri, daha nitelikli kentsel mekânların yeniden üretimi üzerine odaklanan günümüz tartışmaları içerisinde çözülmesi güç ve önemli bir sorun olarak ele alınmaktadır. 3.4. Liberal dönem: imar afları dönemi (1980-1999) 1980 yılında askeri müdahale ile kesintiye uğrayan Türk siyasal yaşamını, 1983 sonrasında yeniden canlanması ve anavatan partisinin iktidara gelmesi, devamında liberal ekonomik politikalarının benimsenmesi, sermaye birikim merkezi olan kentlerin metropolitenleşme sürecinde yeniden ilgi odağı olmasına neden olmuştur. Bu ilginin, kentsel alanlardaki yansımalarının, kaçak yapılaşma ve gecekondu alanlarının rehabilitasyonu ile büyükşehir statüsünde kurumsal–yönetimsel örgütlenme modeli kurulması biçiminde olduğu görülür. Nitekim 1983 yılında başlayan ve 1988 yılına dek süren gecekondu ve kaçak yapıların ruhsatlandırılarak yasal konut bölgelerine dönüştürmeyi hedefleyen yasal düzenleme arayışları ve uygulamaları, dönemin kentsel dönüşüme bakış açısını çarpıcı bir şekilde yansıtmaktadır. 1983 yılında 2805 Sayılı İmar ve Gecekondu Mevzuatına Aykırı Yapılara Uygulanacak Bazı İşlemler ve 6785 Sayılı İmar Kanununun Bir Maddesinin Değiştirilmesi Hakkında Kanun [25]; 1984 yılında çıkarılan 2981 sayılı İmar ve Gecekondu Mevzuatına Aykırı Yapılara Uygulanacak Bazı İşlemler ve 6785 Sayılı İmar Kanununun Bir Maddesinin Değiştirilmesi Hakkında Kanun [26]; 1986 tarihli 3290 Kanun [27]; 1987 tarihli 3366 Sayılı Kanun [28] ve 1988 tarihli 3414 Sayılı Kanun [29] bu düzenlemeler arasında yer alır. Gecekondu alanlarına tapu tahsis belgesi verilmesiyle başlayan bu süreç, yapılan değişiklikler ile birlikte tüm kaçak yapıları içerecek biçimde kapsamı genişletilerek devam ettirilmiştir. 2000’li yılların başlarına kadar kentlerdeki dönüşüm uygulamalarının yasal dayanağını oluşturan bu düzenlemeler, gecekondu alanlarının mülkiyet sorunlarını çözmeyi ve gecekondu stokunun apartman türü konuta dönüşümünü amaçlamıştır. Beklenen dönüşüm başlangıçta kent merkezlerine yakın topografik açıdan daha belirgin alanlardaki gecekondu bölgelerini harekete geçirmiştir. Bu uygulamalar farklı modeller içerisinde olmakla birlikte temelde serbest piyasa koşulları içerisinde özel sektör ortaklığı ile gerçekleştirilmiştir [30]. Ankara Portakal Çiçeği Vadisi (1984-1989) ve Dikmen Vadisi (1989-1994) kentsel dönüşüm projeleri bu kapsamda değerlendirilmektedir. 82 YENİCE M. S. İmar aflarına ilişkin düzenlemelerin yanı sıra 1983 tarihinde yürürlüğe giren Kamulaştırma Kanunu [31], kentsel dönüşüm müdahalelerine dönük uygulama araçlardan biri olarak değerlendirilmektedir. Bu düzenleme temelde kamu yararı çerçevesinde gerçek, özel veya tüzel kişi mülkiyetinde bulunan taşınmaz malların kamulaştırma bedeli karşılığında devir işlemine dayanır. 1984 tarihli 3030 sayılı Büyükşehir Belediye Kanunu [32] ve 1985 yılında yürürlüğe konan 3194 sayılı İmar Kanunu [33] kentsel dönüşümü yönlendirici diğer yasal düzenlemeler arasındadır. Bu düzenlemelerin kentsel dönüşüm çerçevesinde meydana getirdiği en önemli değişiklik, plan yapma yetkisinin yerel yönetimlere dağıtılması ve yerel yönetimlere aktarılan kaynakların arttırılmasıdır. Böylece yerel yönetimler kendi iç dinamikleri çerçevesinde belirledikleri amaç ve hedefler doğrultusunda, kentin mekânsal gelişimi ve dönüşümü üzerinde doğrudan karar verici ve yönlendirici bir unsur haline gelmiştir. Bu aynı zamanda yerel siyasi güçlerin kent ve planlama üzerinde etkinliğini giderek artırması anlamına da gelmekteydi. Bu gelişmeler serbest piyasa koşulları içerisinde kentsel değer artışına dayalı yapılaşma beklentilerini de beraberinde getirerek kentlerdeki yapı yoğunluğunu daha da artırmıştır. Kentsel dönüşüm açısından bir diğer etkin yasal düzenleme 1984 tarihli 2985 sayılı Toplu Konut Kanunu [34] olmuştur. Aynı yıl Toplu Konut ve Kamu Ortaklığı İdaresi Başkanlığı kurulmuş ve 1990 yılında Toplu Konut İdaresi ayrı birim olarak örgütlenmiştir. Kanun başlangıçta dar gelirli ailelerin konut ihtiyacının karşılanması üzerine odaklanırken; yapılan değişiklikler ile birlikte ferdi ve toplu konut kredisi verilmesi, köy mimarisinin geliştirilmesi, gecekondu alanlarının dönüşümü, tarihi doku ve yöresel mimarinin korunup, yenilenmesine yönelik projelere kredi verilmesi ve kredilerde faiz sübvansiyonu yapılmasını da amaç edinmiştir. Bu sayede bir taraftan yerel yönetimlerin konut üretimi alanına girmesi teşvik edilerek kent çeperinde yeni konut alanlarını oluşturulurken, diğer taraftan gecekondu mahallelerinin yıkılarak yeni sosyal konut bölgelerine dönüştürülmesine olanak sağlanmıştır. İstanbul-Halkalı, Ankara-Eryaman, İzmir-Mavişehir uygulamaları bu kapsamda değerlendirilebilir. Bu gelişmelerin yanı sıra taşınmaz kültür ve tabiat varlıklarının muhafaza, bakım, onarım, restorasyon, fonksiyon değiştirme işlemlerini gündeme taşıyan ve 1983 yılında yürürlüğe giren 2863 Sayılı Kültür ve Tabiat Varlıklarını Koruma Kanunu [35], kentsel dönüşüme yeni bir anlam ve boyut kazandırmıştır. Dönemin literatürü incelenirse, kavramsal açıdan dönüşüm kavramı yerine yenileme veya alt türleri olarak kabul edilebilecek rehabilitasyon–iyileştirme ya da yer değiştirme–desantrilizasyon kavramlarının yaygın kullanıldığı görülür. Yasadışı– plansız konut bölgelerinin yanısıra metropolitenleşme sürecinde işlevsel gerekliliklere dayalı sanayi ve toptan ticaret alanlarının kent dışına ötelenmesi gibi plan kararları ve uygulamaları dikkatleri çekmektedir. Özellikle İstanbul, Ankara, İzmir gibi anakentlerde, kent içerisinde kalan üretim alanları, deri fabrikaları, toptancılar hâli gibi arazi kullanım türlerinin kent çeperlerine taşınması bu kapsamda değerlendirilebilir. 3.5. Yasal düzenleme çabaları (2000–2012) 2000’li yıllardan itibaren kentsel dönüşüm kavramının yasal düzenleme arayışları içerisinde yerini almaya başlaması, konunun artan önemine işaret etmektedir. Bu sürecin gelişmesinde 1999 Marmara depreminin meydana getirdiği büyük etkilerin olduğu şüphesizdir. İlk kez 2004 yılında gündeme gelen ve kapsamının büyük ölçüde değiştirilerek başka bir isim altında yasalaşacak olan ‘Kentsel Dönüşüm ve Gelişim Kanunu Tasarısı’ bu yönü ile dikkat çekicidir. Tasarı özetle ‘kentin eskiyen dokularını 83 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 76-88 (2014) ve yerleşim alanlarını nitelikli kentsel mekânlara dönüştürmeyi, tarihi ve kültürel dokunun ise koruma kullanma dengesi içerisinde yenilenerek kullanılmasını hedeflemektedir [36]. Tasarı, kentsel dönüşüm ve gelişim alanı olarak ilan edilecek bölgenin asgari 10.000 m2 olması gereğini vurgularken; bu alanlara ilişkin plan ve projelerin hızla uygulanabilmesi ve kurumlar arası yetki ve mülkiyet çatışmasını önlenmesi amacıyla diğer planların durdurulmasını öngörmektedir. Ancak dönüşüm alanlarının tespitindeki belirsizliklere yönelik eleştiriler tasarı odağını tarihi ve kültürel varlıklarının yoğun olarak bulunduğu kentsel bölgelere çevirmiştir. Bu kapsamda ‘kentsel dönüşüm ve gelişim alanı’ tanımı yerine ‘dönüşüm alanı’ tanımının yapılmasının yanı sıra, Tasarı adının da ‘Eskiyen Kent Dokularının Korunması ve Kullanılması Hakkında Kanun Tasarısı’ olarak değiştirildiği görülmektedir [37]. Dikkatleri çeken bir diğer konu ise dönüşüm alanlarının sit alanları ile sınırlandırılmasıdır. 17.05.2005 tarihli İçişleri Komisyon Raporunda; kapsamın ‘sit’ alanları olarak daraltılması kabul edilmiş ve Tasarı adı içerisinde ‘eskiyen’ kelimesinin ‘yıpranan’ olarak değiştirilmesi öngörülmüştür. Bu değişikliğin yanı sıra Belediye Kanunu ile uyum sağlanmasına yönelik nüfusu 50.000’i aşan belediyeler hükmünün getirildiği görülmektedir. 10.000 m2 sınırlaması ise en az bir ‘yapı adası’ sınırlaması ile değiştirilmiştir. Tüm bu gelişmeler neticesinde 2004 yılı içerisinde ‘Kentsel Dönüşüm ve Gelişim Kanunu Yasa Tasarısı’ olarak başlayan yasal düzenleme çalışmaları; ‘Yıpranan Tarihi ve Kültürel Taşınmaz Varlıkların Yenilenerek Korunması ve Yaşatılarak Kullanılması Hakkında Kanun’ olarak 16.05.2005 tarihinde yürürlüğe girmiştir [38]. Yasa, dönüşüm alanlarının belirlenmesini il özel idarelerinde il genel meclisinin, belediyelerde ise belediye meclisinin salt çoğunluk kararına bağlamıştır. Bununla birlikte Toplu Konut İdaresinin ortak veya tek başına uygulama yapabileceğine yönelik yasal zemin hazırlamaktadır. Dönüşüm projelerinin onaylanması üzere 2863 sayılı Kültür ve Tabiat Varlıklarını Koruma Kanununun 51 inci maddesine göre gerektiği kadar Kültür ve Tabiat Varlıklarını Koruma Bölge Kurulu oluşturulmasına da olanak sağlamaktadır. Bu tartışmaların yaşandığı süreçte Ankara kentinin kuzey gelişme koridoru üzerinde bulunan yasadışı konut bölgelerinin dönüşümünü amaçlayan yere özel yasal düzenleme arayışı dikkat çekicidir. Merkezi yönetim direktifleri ile gündeme alınan ve Kuzey Ankara Girişi Kentsel Dönüşüm Projesi Kanunu [39] çerçevesinde sınırları tanımlanan Kuzey Ankara Girişi Kentsel Dönüşüm Projesi, kamu-kamu (Ankara Büyükşehir Belediyesi-Toplu Konut İdaresi) ortaklığı çerçevesinde yürütülecek bir kentsel dönüşüm sürecini tanımlamaktadır. Bu yasa, başkent Ankara’nın imarına yönelik çıkarılan özel bir kanun niteliği taşıması yönüyle de farklı bir gelişme olarak değerlendirilmektedir. 5393 sayılı Belediyeler Yasası [40], kentsel dönüşüm konusunda belediyelere yetkisorumluluk vermesi açısından önemli bir düzenleme olarak değerlendirilmektedir. 2010 yılında çeşitli değişikliklere uğrayan bu yasa; kentsel dönüşüm ve gelişim projeleri uygulayabilmesi amacıyla belediyelere yetki-sorumluluklar getirmektedir. Yasaya göre belediye, belediye meclisi kararıyla; konut alanları, sanayi alanları, ticaret alanları, teknoloji parkları, kamu hizmeti alanları, rekreasyon alanları ve her türlü sosyal donatı alanları oluşturmak, eskiyen kent kısımlarını yeniden inşa ve restore etmek, kentin tarihi ve kültürel dokusunu korumak veya deprem riskine karşı tedbirler almak amacıyla kentsel dönüşüm ve gelişim projeleri uygulayabilir. Yasa aynı zamanda kentsel dönüşüm ve gelişim proje alanı için en az 5 en çok 500 hektar alan sınırı getirmekle 84 YENİCE M. S. birlikte, belediyelerin bu süreci etaplar halinde kontrol edebilmesine olanak sağlamaktadır. Bununla birlikte toplamı 5 hektardan az olmamak kaydı ile proje alanı ile ilişkili birden fazla yer tek bir dönüşüm alanı olarak belirlenebilir. Bu yaklaşım kent düzeyinde parçacıl yaklaşımlarla dönüşümün yapılabilmesine olanak sağlamaktadır. Bununla birlikte yasa'da "kentsel dönüşüm ve gelişim proje alanı" olarak belirlenecek alanların, "imarlı veya imarsız", "üzerinde yapı olan veya olmayan", belediye veya mücavir alan sınırları içindeki tüm alanları kapsaması; çok büyük alanların büyükşehir belediyeleri ve diğer belediyeler tarafından "kentsel dönüşüm ve gelişim proje alanı" olarak belirlenebilmesine yol açabilecektir. Yasa'da büyükşehir belediyelerine, "kentsel dönüşüm ve gelişim proje alanı" belirleme yetkilerini verilmesinin yanı sıra, bu alanlarda plan yapma, parselasyon yapma, inşaat ruhsatı ve yapı kullanma izni verme gibi, çok geniş ve çeşitli yetkiler de verilmektedir. Kentsel dönüşüm konusuna ilişkin yaşanan son yasal gelişme ise 16.05.2012 tarihli ve 6306 sayılı Afet Riski Altındaki Alanların Dönüştürülmesi Hakkında Kanun’dur [41]. Kanunun amacı; afet riski altındaki alanlar ile bu alanlar dışındaki riskli yapıların bulunduğu arsa ve arazilerde fen ve sanat norm ve standartlarına uygun, sağlıklı ve güvenli yaşama çevrelerini teşkil etmek üzere, iyileştirme, tasfiye ve yenilemelere dair usûl ve esasların belirlenmesi olarak tanımlanmaktadır. Afet Riski Altındaki Alanların Dönüştürülmesi Hakkında Kanunun Uygulama Yönetmeliği’nde “Bir alanın riskli alan olarak tespit edilebilmesi için alanın büyüklüğünün asgarî 15.000 m2 olması gerekir; ancak, Bakanlıkça uygulama bütünlüğü bakımından gerekli görülmesi halinde, parsel veya parsellerin büyüklüğüne bakılmaksızın ve 15.000 m2 şartı aranmaksızın riskli alan tespiti yapılabilir” olarak belirtilmektedir. Bununla birlikte riskli alan ve rezerv yapı alanı ile riskli yapıların bulunduğu taşınmazlara ilişkin her tür ve ölçekteki planı resen yapmaya, yaptırmaya ve onaylanmasında Çevre ve Şehircilik Bakanlığı’na geniş yetkiler vermesi merkezi yönetimin bu süreçte giderek artan bir rol üstlendiğine işaret etmektedir. 4. Sonuçlar ve Tartışma Türkiye’nin kentsel dönüşüm deneyimlerinin analizini içeren bu araştırma sonucunda, yenileme ve yeniden geliştirmeye dayanan kentsel dönüşüm algısının yerini karma dönüşüm stratejilerinin birlikte kurgulandığı bir yapıya doğru evrildiğini söylemek mümkündür. Nitekim kent içi yangın bölgelerinin ve savaş sonrası hasar görmüş kentsel bölgelerin yeniden imarını öngören yeniden geliştirme projeleri, 1950 ve sonrasında yerini yasadışı konut bölgelerinin tasfiyesi ve sağlıklaştırılmasına bırakmıştır. 1980 sonrası dönemde koruma ve yenileme yaklaşımları birlikte kullanılırken 2000 ve sonrası dönemde koruma, yenileme, sağlıklaştırma ve seçkinleştirme stratejilerinin kullanıldığı görülmektedir. Strateji seçiminde değişimler temelde dönemin siyasal karakteri ile paralel bir yapı göstermesinin yanısıra, dönüşüm sorunsalını ortaya çıkaran faktörlerin farklı unsurları içermesine dayanmaktadır. Kentsel dönüşüm algısındaki bu evrilme süreci, dönemlerin sosyo-ekonomik ve siyasal gelişmeleri ile birlikte irdelendiğinde, başlangıçta kamu yatırım araçları ile yürütülen dönüşüm sürecinin yerini zamanla önemi giderek artan özel sektöre bıraktığı veya kamu ve özel sektör işbirliklerinin öne çıktığını söylemek mümkündür. Ancak 2000 yılı ve sonrasında dikkatleri çeken bir diğer nokta ise merkezi yönetimin kentsel dönüşüm sürecinde giderek artan etkinliğidir. Özellikle kent merkezleri ve yakın çevresindeki alanlarda etkili olduğu izlenen bu süreçte yasadışı veya afet riski altında bulunan 85 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 76-88 (2014) niteliksiz konut bölgelerinin yanısıra kamuya ait alanlar üzerinde kentsel dönüşüm ve gelişim sürecinin yürütüldüğü görülmektedir. Çoğu zaman kent kimliği ve yerel dinamikleri gözardı eden bu yaklaşım, yerel halk desteği ve katılımına uzak olmasının yanısıra, merkezi yönetimin yerelleşme ve yerel yönetim değerlerini öne çıkaran söylemleri ile de çelişki göstermektedir. Türkiye’nin kentsel dönüşüm deneyimleri mekânsal ve işlevsel açıdan irdelendiğinde, konut odaklı başlayan eylemlerin önemini korumakla birlikte, konut dışı kentsel çalışma alanlarının da kentsel dönüşüme konu edildiği görülmektedir. Özellikle kent içerisinde kalmış işlevini yitirmiş üretim-depolama alanları, kamu kurumlarının kullanımına tahsis edilmiş yapı veya arsalarının konut ve ticaret odaklı dönüşüm – gelişim projeleri kapsamında ele alınması, dönemin liberal ekonomik söylemlerinin etkili olduğu bir döneme rastlaması açısından da dikkate değer bulunmaktadır. Ancak niteliksiz konut alanları kentsel dönüşümün en önemli ana odağı olma özelliğini sürdürmektedir. Özellikle 1999 Marmara ve 2011 Van depreminin yıkıcı etkileri, kentsel dönüşüme ilişkin yasal ve kurumsal yapılanmayı derinden etkilemiştir. Nitekim salt afet riski altındaki yerlerin dönüşümü üzerine odaklanan ‘Afet Riski Altındaki Alanların Dönüştürülmesi Hakkındaki Kanun, Kentsel Dönüşüm Yasası olarak bilinmektedir. Konu bu çerçevede ele alındığında, kentsel dönüşüm alanlarının kentin tüm bölgelerini ilgilendirebileceği açıktır. Afet riskine konu bölgeler ‘öncelikli alan’ kapsamında değerlendirilebilmekle birlikte, kentsel dönüşüme ilişkin yapılacak olası yasal düzenlemenin kentin tüm bölgelerini bütüncül bir biçimde ele alması zorunludur. Bu çerçevede ülkesel düzlemde kentsel dönüşüm alanları için bir tipoloji tanımlamasının gerçekleştirilmesi ve önceliklerin belirlenmesi oldukça önemlidir. Diğer taraftan, kentsel dönüşüm salt fiziksel çevrenin yenilenmesi değil, aynı zamanda dönüşüm bölgesinde yaşayan sosyal dokuya ilişkin politikaları da içermelidir. Bu politikalar nüfusun sosyal ve ekonomik açıdan geliştirilmesinden istihdam olanaklarının arttırılmasına, kentsel hizmetlerden eşit faydalanmadan sosyal konut üretimine uzanan bir dizi sosyal sağlıklaştırma projelerini içerebilir. Bu bulgular kentsel dönüşüm alan ve konularına ilişkin tüm yetki ve denetim paylaşımlarının, ülkesel düzeyden kent ve mahalle düzeyine dek uzanan bir bütünde yeniden tartışılması gerektiğine işaret etmektedir. Kaynaklar [1]. Couch,C., Urban Regeneration in Europe, Ed. Couch,C., Fraser, C., Percy, S., Blackwell Publishing, London, (1992). [2]. Roberts, P., The evolution, definition and purpose of urban regeneration, Roberts, P. and Sykes, H. eds., Urban Regeneration: A Handbook, Sage Publications, London, (2000). [3]. Harrington, M., The Other America, Macmillan, New York (1962). [4]. Gibson, M.S., Langstaff, M.J., An Introduction to Urban Renewal, Hutchinson, London. (1982). [5]. Andersen, H.S., Housing rehabilitation and Urban Renewal in Europe: A Cross NationalAnalysis of Problems and Policies, ed.Andersen H.S. and Leather, P., The Policiy Press, s.17-24, Britain, (1999). 86 YENİCE M. S. [6]. Carmon, N., Three generations of urban renewal policies: analysis and policy implications, Geoforum 30 1999, 145-158, (1999). [7]. Carmon, N., Neighborhood Regeneration: The State of the Art, Journal of Planning Education and Research, 17, p.131-144, (1997). [8]. Thorns, D.C., Kentlerin Dönüşümü, çev.Esra Nal, Hasan Nal, Global Yayın, İstanbul, (2004). [9]. McCarty, J., Partnership, Collobrative,Planning and Urban Regeneration, Ashgate Publishing Company, s.31-45, USA, (2007). [10]. Yenice, M.S. Kentsel Dönüşüm Politikaları İçin Karşılaştırmalı Bir Analiz; Fransa, Hollanda Ve Türkiye Deneyimleri, 24.Uluslararası Yapı ve Yaşam Kongresi, s.219-225, Bursa, (2012). [11]. Tekeli, İ., Türkiye’nin Kent Planlama ve Kent Araştırmaları Tarihi Yazıları, Tarih Vakfı Yurt Yayınları, İstanbul, (2010). [12]. Aktüre, S., Osmanlı Devleti’nde Taşra Kentlerindeki Değişimler, Tanzimat’tan Cumhuriyet’e Türkiye Ansiklopedisi, C.4, s.891-904, İstanbul: İletişim Yayınları, (1985). [13]. Tekeli, İ., Tanzimat’tan Cumhuriyete Türkiye’de Kentsel Dönüşüm, Tanzimat’tan Cumhuriyet’e Türkiye Ansiklopedisi, c.4, s.878-890, İletişim Yayınları, İstanbul, (1985). [14]. Özcan, K. Tanzimat'ın kent reformları: Türk imar sisteminin kuruluş sürecinde erken planlama deneyimleri (1839-1908), Osmanlı Bilimi Araştırmaları, 7(2), 149-180 (2006). [15]. İnan, A., Devletçilik İlkesi ve Türkiye Cumhuriyetinin Birinci Sanayi Planı, Ankara: Türk Tarih Kurumu Basımevi (1977). [16]. Atalay, B., Sanayileşme ve Sosyal Değişme (Kırıkkale Araştırması), DPT Yayınları, Ankara, (1983). [17]. Anonim, Karabük 1999 Yıllığı, Karabük Valiliği İl Kültür Müdürlüğü Yayını, Ankara, (1999). [18]. Tekeli, İ., Türkiye’de Cumhuriyet Döneminde Kentsel Gelişme ve Kent Planlaması, 75 yılda Değişen Kent ve Mimarlık, Yıldız Sey (ed), İstanbul: Tarih Vakfı Yayınları, s.1-24, (1998). [19]. Altaban, Ö., Cumhuriyet’in Kent Planlama Politikaları ve Ankara Deneyimi, 75 Yılda Değişen Kent ve Mimarlık, Yıldız Sey (ed), İstanbul: Tarih Vakfı Yayınları, s.41-64, (1998). [20]. Sayar, Z., 5218 Sayılı Kanun ve Mavi Haritası, Arkitekt Dergisi, 9(12), s.187188, (1948). [21]. 775 Sayılı Gecekondu Kanunu, 20.07.1966 tarih ve 12362 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1966). [22]. Görgülü, Z., Hisseli Bölüntü İle Oluşan Alanlarda Yasallaştırmanın Kentsel Mekâna Etkileri, YTÜ Mimarlık Fakültesi Yayınları, İstanbul, (1993). [23]. Eke, F. Gecekondu Alanlarının Değerlendirilmesine İlişkin Çözümler, SDÜ İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi, 5(1), 43-54. (2000). [24]. 634 Sayılı Kat Mülkiyeti Kanunu 02.07.1965 Tarih ve 12038 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1965). [25]. 2805 Sayılı İmar ve Gecekondu Mevzuatına Aykırı Yapılara Uygulanacak Bazı İşlemler ve 6785 Sayılı İmar Kanununun Bir Maddesinin Değiştirilmesi Hakkında Kanun, 21.03.1983 tarih 18001 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1983). [26]. 2981 Sayılı İmar ve Gecekondu Mevzuatına Aykırı Yapılara Uygulanacak Bazı İşlemler ve 6785 Sayılı İmar Kanununun Bir Maddesinin Değiştirilmesi Hakkında Kanun, 08.03.1984 tarih ve 18335 sayılı T.C. Resmi Gazete, 1984. 87 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 76-88 (2014) [27]. [28]. [29]. [30]. [31]. [32]. [33]. [34]. [35]. [36]. [37]. [38]. [39]. [40]. [41]. 3290 Kanun, 24.08.1986 tarih 19201 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1986). 3366 Sayılı Kanun, 26.05.1987 tarih ve 19471 sayılı T.C. Resmi Gazete (1987). 3414 Sayılı Kanun, 11.03.1998 tarih ve 19751 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1988). Şenyapılı, T., Cumhuriyet’in 75.Yılı Gecekondunun 50.Yılı, 75 yılda Değişen Kent ve Mimarlık, Yıldız Sey (ed), İstanbul: Tarih Vakfı Yayınları, s.301-316. (1998). 2942 Sayılı Kamulaştırma Kanunu, 08.11.1983 tarih ve 18215 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1983). 3030 sayılı Büyükşehir Belediye Kanunu, 12.12.1984 tarih 18603 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1984). 3194 sayılı İmar Kanunu, 09.05.1985 tarih 18749 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1985). 2985 Sayılı Toplu Konut Kanunu, 17.03.1984 tarih ve 18344 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1984). 2863 Sayılı Kültür ve Tabiat Varlıklarını Koruma Kanunu, 23.07.1983 Tarih ve 18113 sayılı T.C. Resmi Gazete, (1983). Kentsel Dönüşüm ve Gelişim Kanunu Tasarısı (2005) TBMM Dönem 22, Yasama Yılı:3, Sayı:1/984. TBMM Bayındırlık İmar, Ulaştırma ve Turizm Komisyonu Raporu, Tarih:18.04.2005, Esas No:1/984, Karar No:64, (2005). Yıpranan Tarihi ve Kültürel Taşınmaz Varlıkların Yenilenerek Korunması ve Yaşatılarak Kullanılması Hakkında Kanun, 05.07.2005 tarih ve 25866 sayılı T.C. Resmi Gazete, (2005). 5104 Sayılı Kuzey Ankara Girişi Kentsel Dönüşüm Projesi Kanunu, 12.03.2004 tarih ve 25400 sayılı T.C. Resmi Gazete, (2004). 5393 sayılı Belediyeler Yasası, 24.06.2010 tarih ve 27621 sayılı Resmi Gazete, (2005). 6306 Sayılı Afet Riski Altındaki Alanların Dönüştürülmesi Hakkında Kanun Uygulama Yönetmeliği, 15.12.2012 Tarih ve 28498 sayılı T.C. Resmi Gazete, (2012). 88 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 89-97 (2014) Kayış Mekanizmalarında Kayma Olayının Deneysel Analizi M. Nedim GERGER1,*, Ali ORAL2, Bülent TANIR3 1 Balıkesir Üniversitesi Müh.-Mim. Fak. Makine Müh. Böl.,Çağış Kampüsü, Balıkesir. 3 Balıkesir Üniversitesi Edremit Meslek Yüksekokulu, Balıkesir. Özet Kayış kasnak mekanizmalarında kayma olayı kayışın hızla eskimesine ve çevrim oranının değişmesine neden olmaktadır. Günümüze kadar kaymayı ve kaymaya etki eden faktörlerin analizleri birçok çalışmada araştırılmıştır. Bu araştırmalarda kayma olayı bazı basitleştirmelere dayanarak incelenmiş olup bu analizlerle kaymayı tam olarak değerlendirebilmek mümkün değildir. Bu çalışmada, kayma olayını deneysel verilerle de desteklemek amacıyla; eşit kasnak çaplarının kullanıldığı bir deney düzeneği hazırlanmış ve ölçümler yapılmıştır. Deneysel çalışmanın sonucunda bulunan kayma değerlerinin, teorik olarak hesaplanan değerlerden farklı olduğu görülmüştür. Bu sonuç, kayma olayının analitik yöntemlerle tam olarak belirlenmesinin mümkün olmadığını göstermektedir. Aynı direnç momentleri ve farklı gerdirme kuvvetleriyle yapılan deneylerin sonunda gerdirme kuvveti artıkça kaymanın az da olsa azaldığı görülmüştür. Anahtar kelimeler: Kayış mekanizmaları, kayma olayı Experimental analysis of the slipping in belt drives Abstract The slipping of belt drives to create changes on rapid wearing out and conversion ratio of belt. Up to nowadays slipping and reason of affecting factors are searched in many studies. In these studies slipping problems are examined on the base of accepted simplifications in order to evaluate it. In this study, an experimental mechanism was obtained to use of same size pulleys and measurements were done by using this setup. It is appeared that the results of experimental studies were not comparable with calculated values. This result indicates that it is not possible to determine shifting problem exactly on analytical methods. After the experimental studies made by using similar resistance of momentum and the increase of tensile forces cause a small decrease on shifting. Keywords: Belt drives, slipping * Mahmut Nedim GERGER, ngerger@balikesir.edu.tr, Tel:(0 266) 612 11 94-95. 89 GERGER M. N., ORAL A., TANIR B.. 1. Giriş Kayış mekanizmalarında kayma; sürtünme nedeniyle kayış kollarında oluşan farklı gerilmelerin meydana getirdiği uzama ve kısalmalara bağlı bir olaydır (Şekil 1). α FN Kayma yayı F2 C Gevşek kol βk β2 B βy FN ω1 ω2 Gergin kol A F1 Yapışma yayı Döndüren kasnak Döndürülen kasnak Şekil 1. Döndüren kasnakta kayma olayının meydana gelişi Kayış, döndüren kasnağa F1 gerilme (gergin kol) kuvveti ve V1 hızı ile sarılır. Kayış ve kasnak ara yüzeyinde oluşan sürtünme; sarılış yayının AB kısmında (yapışma bölgesi) sabit kalırken, BC yayı (kayma bölgesi) boyunca kısmen azalır. Bu bölgede kayış kasnak üzerinde geriye doğru kaymaya başlar. Elastik kayma olarak adlandırılan bu olayda kayış gerilme kuvveti de azalır. Kayma bölgesinin sonunda kayış döndüren kasnağı F2 (gevşek kol) kuvveti ve V2 hız ile terk eder [1, 3, 4]. Döndüren kasnaktan kayışa güç iletimi sarılış yayının AB kısmında gerçekleşir. İletilen gücün büyüklüğü: P = ( F1 – F2 ) . V (1) olup, F1 – F2 farkı büyüdükçe artar. Ancak, bu fark büyüdükçe kayma açısı (βk) da büyür (Şekil 2). Kayma yayı F t V2 C B F2 F’2 βk ω βy ω βk FN V1 A F’N βy B F’1 F1 V1 F’ t V’2 C A Yapışma yayı Şekil 2. Tahrik kuvvetine bağlı olarak kayma açısının büyümesi 90 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 89-97 (2014) Mekanizma ile iletilebilen gücün en büyük değeri kayma açısının en büyük değeri almasıyla gerçekleşir. Kayma açısının alabileceği en büyük açı değeri, kayışın tüm sarılış açısına karşılık gelen açıdır, ancak, kayma açısının bu değere ulaşması halinde ise kayış bir bütün olarak kayar. Tam kayma denilen bu durumda kasnaktan kayışa güç iletimi gerçekleşemez. Gergin ve gevşek kol kuvvetleri arasında Euler bağıntısı olarak bilinen: F1 = F2 . e µβk (2) bağıntısı vardır. Yapılan teorik incelemelerde [1, 10, 11], gerilme değişiminin yapışma yayı üzerinde de meydana geldiği ileri sürülmüş ve tüm sarılış açısı boyunca bu gerilme değişimi: F1 π − βk = eµ k βk [ 1+ µs ] 2 F2 bağıntısı ile verilmiştir. (3) Kayış mekanizmalarında elastik ve tam kayma olayı, kayışın elastikiyeti nedeniyle, kayış kollarında oluşan gerilme farkının meydana getirdiği uzama ve kısalmalardan başka; kayışın yiv içinde şekilsel uyumu, kayma şekil değiştirmesi ve eğilme rijitliğine de bağlıdır [2-5]. Kayışın boyca uzamasına dayanan kayma olayı, kayma faktörü s ve çekme faktörü λ olarak adlandırılan iki faktöre göre değerlendirilmektedir. Kayma faktörü hız farkına bağlı olup; s =1− R1 ω 1 R2 ω 2 (4) bağıntısı ile ve kayış kol kuvvetlerine bağlı olarak çekme faktörü de; F1 − F2 F1 + F2 λ= (5) şeklinde basitleştirilmiş bağıntılarla hesaplanabileceği ifade edilmiştir [1,6,7]. Konu ile ilgili yapılmış ayrıntılı çalışmalarda, eşit kasnak çaplarının kullanıldığı bir mekanizmada döndüren ve döndürülen kasnaklarda s1 ve s2 kayma faktörleri Eşitlik 6 ve 7, λ çekme faktörünün de Eşitlik 8 ile hesaplanabileceği belirtilmiştir [1]. 6, 7 ve 8 eşitliklerine bağlı olarak çizilen teorik kayma eğrileri Şekil 3 'de görülmektedir [1]. s1 = e s2 = λ= µ k βk e µ k βk µ s H (F1 + F2 ) 1 {1 + [( π − β k ) / 2] µ s } + 1 bG( π − β k ) R 2 e − µ k β k µ s H ( F1 + F2 ) 1 −µ kβk e { 1 − [( π − β k ) / 2 ] µ s } + 1 BG ( π − β k ) R 2 F1 − F2 e µ k βk [1 + (π− β k ) / 2µ s ] − 1 = µ k βk [1 + (π− βk ) / 2µ s ] + 1 F1 + F2 e (6) (7) (8) 91 GERGER M. N., ORAL A., TANIR B.. x F1 -F2 x 0.4 F1 + F2 Döndüren kasnak 0.3 Döndürülen kasnak x 0.2 x 0.1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 kayma Şekil 3. Döndüren ve döndürülen kasnakta kayma özellikleri [1]. (F1 + F2 = 670 N ) 2. Deneysel Çalışma Deneysel çalışmada kullanılan düzeneğin şematik resmi Şekil 4 'te gösterilmiştir. Bu düzenekte, etken çapları 132 mm olan eşit çaplı iki kasnak ve bu kasnaklar üzerine sarılan, etken uzunluğu 1075 mm ve genişliği 8 mm olan klasik bir V kayışı kullanılmıştır. Döndüren kasnak, nominal devir sayısı ve gücü sırasıyla 1460 d/dk. ve 2.2 kW olan üç fazlı bir elektrik motoru ile tahrik edilmiştir. Gerdirme sistemi karşı ağırlık kullanılarak oluşturulmuştur. Bunun için döndürülen kasnak bir kızak (7) üzerinden gövdeye bağlanmıştır. Bu kızak, dolayısıyla döndürülen kasnak, gövdeye monte edilmiş bir makara (11) üzerinden geçirilmiş bir halatın ucuna takılan ağırlıklarla gerdirilmiştir. Döndürülen kasnakta gerekli direnç momenti; kasnak miline bağlanan bir diske uygulanan frenleme etkisiyle elde edilmiştir. Gerekli frenleme (sürtünme) kuvveti, fren koluna (6) bağlı yaylı bir dinamometre ile uygulanmıştır. Farklı yükleme durumlarında kayma değerleri, dijital devir ölçücüler kullanılarak, kasnaklarda oluşan hız farklarına (değişimine) göre hesaplanmıştır. Yükleme mekanizmasıyla uygulanan farklı Fk kuvvetlerinin, döndürülen kasnakta meydana getirdiği direnç momentlerinden kaynaklanan döndüren ve döndürülen kasnaklardaki devir sayıları farkı, dijital takometrelerle ölçülerek tespit edilmiştir. Daha sonra deneyler farklı gerdirme kuvvetleri için tekrar edilmiştir. Kayma hesabında kullanılan devir sayıları değerleri, uygulanan her bir frenleme kuvveti için yapılan üç ölçümden elde edilen değerlerin ortalaması olarak alınmıştır. 92 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 89-97 (2014) βy 10 l1 1 l2 FN 5 6 F 11 8 2 3 4 9 Şekil 4. Kayış mekanizmalarında kayma değerinin ölçülmesi için kullanılan deney düzeneği. (1) Motor, (2) döndüren kasnak, (3) döndürülen kasnak, (4) kayış, (5) fren diski, (6) Fren kolu, (7) kızak sistemi, (8) gerdirme ağırlıkları, (9) devir ölçerler, (10) yaylı dinamometre, (11) saptırma kasnağı. Her bir yükleme değerine karşılık gelen F1 ve F2 kuvvetleri 9 ve 10 Eşitlikleri vasıtasıyla hesaplanmıştır. Fk 1 µ D F 2 F1 = n + (9) 2 2d F2 = Fn − 2 Fk 1 µD 2 2d (10) Bu eşitliklerde: Fk : Frenleme (direnç) kuvveti Fn : Gerdirme kuvveti 1 ve 2 , Sırasıyla fren (kuvvet) kolu ve yük kolu uzunlukları (330 mm,180 mm) D : Fren diski çapı (320 mm) d : Kasnak etken çapı (132 mm) µ : Frenleme sürtünme katsayısı (µ = 0,35 alınmıştır) Kaymanın, mekanizma ile iletilen dönme momentinin (diğer bir ifade ile direnç momentinin) artması ile artığı bilinmektedir. 93 GERGER M. N., ORAL A., TANIR B.. Deneyde, farklı direnç momentleri için ölçümler yapılırken; uygulanması gereken farklı (Fn) gerdirme kuvvetlerinin değerleri, Eşitlik 9 ve 10 yardımı ile bulunan F1 ve F2 kuvvetleri kullanılarak hesaplanmış ve değerleri Çizelge 1 'de verilmiştir. (Çizelge, F1+F2 = Fn ve F1-F2 = 1,55 Fk eşitliklerinden yararlanarak düzenlenmiştir). Fren koluna uygulanabilecek kuvvetin en büyük değeri ise tahrik motorunun gücüne bağlı olarak hesaplanmış ve Fk = 140 N olarak bulunmuştur [12]. Çizelge 1. Farklı direnç kuvvetlerine karşılık gelen gerdirme kuvveti değerleri Fk(N) Fn= F1+F2 20 62 40 124 60 184 80 248 100 310 120 372 150 465 Deneyde üç farklı gerdirme kuvvet kullanılmıştır. Her bir gerdirme kuvveti için değerleri artırılarak uygulanan direnç (fren) kuvvetleri etkisinde, dijital devir ölçerler kullanılarak, döndüren ve döndürülen kasnakta devir sayıları ölçülmüştür. Devir sayıları farkı ve uygulanan kuvvetlere bağlı olarak s kayma faktörü ve λ çekme faktörü Eşitlik 4 ve 5 'de verilen bağıntılarla hesaplanan değerleri Çizelge 2, 3 ve 4’de verilmiştir. Çizelge 2. Fn = 300 N ve farklı direnç kuvvetleri için bulunan s ve λ değerleri Fk s.10-3 20 40 60 80 100 120 0,8 1,2 2 5,6 10 14,5 s 10 −5 F1 + F2 0,26 0,4 0,6 1,86 3,3 4,8 λ 0,103 0,206 0,31 0,413 0,51 0,62 Çizelge 3. Fn = 400 N ve farklı direnç kuvvetleri için bulunan s ve λ değerleri Fk s.10-3 20 40 60 80 100 120 140 0,40 0,60 1,30 3,80 7,20 140 18,3 s 10 −5 F1 + F2 0,10 0,15 0,33 0,95 1,80 3,50 4,57 94 λ 0,040 0,155 0,230 0,310 0,380 0,460 0,540 BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 89-97 (2014) Şekil 5'te ise üç farklı gerdirme kuvveti altında değeri artırılarak uygulanan direnç kuvvetleri etkisinde meydana gelen kayma eğrileri çizilmiştir. Kaymayı gösteren yatay s eksende, ⋅ 10 −5 değerleri kullanılmıştır. F1 + F2 Çizelge 4. Fn = 500 N için bulunan s ve λ değerleri Fk s.10-3 20 40 60 80 100 120 140 0,20 0,40 1,00 2,80 5,60 13,2 18,0 s 10 −5 F1 + F2 0,04 0,08 0,20 0,56 1,12 2,64 3,60 λ 0,062 0,124 0,186 0,248 0,310 0,372 0,434 Şekil 5. Farklı direnç ve gerdirme kuvvetleri için kayma eğrileri 3. Sonuçlar ve Tartışma Kayış kasnak mekanizmalarında kayma olayının analitik ve deneysel analizi için yapılan bu çalışmanın sonunda: • • Yapılan teorik incelemelerin sonuçlarına göre; kayış mekanizmalarında kayma olayına etki eden faktörlerin oldukça karmaşık olduğu ve analitik olarak hesabının zor olduğu, Verilen bir gerdirme kuvveti için kayma, küçük direnç momentlerinde oldukça küçük kalırken, belirli bir değerden sonra ani artışların meydana geldiği, 95 GERGER M. N., ORAL A., TANIR B.. • • • Deneysel çalışmanın sonucunda bulunan kayma değerlerinin, teorik olarak hesaplanan değerlerden farklı çıkmıştır. Bu da kayma olayının analitik yöntemlerle tam olarak belirlenmesinin mümkün olmadığını, Farklı gerdirme kuvveti (Fn) değerleri ile yapılan deneylerde; aynı direnç kuvveti değerleri için gerdirme kuvveti artıkça kaymanın az da olsa azaldığı görülmüştür. Bu sonuç kayış mekanizmalarından iyi bir verim elde edebilmek için kayışın uygun gerginlikte olması gerektiği, Kayış mekanizmalarında en iyi verimin (performansın) tam kayma sınırında çalışması halinde elde edileceği bilinmektedir. Ancak, bu durumda da kayış aşırı zorlanma nedeniyle çabuk yıpranacaktır. Deneyde kullanılan kayış tipi için, en iyi çalışma performansının; çekme faktörünün λ = 0,4 ila 0,5 değerlerinde elde edilebileceği görülmüştür. Sembol listesi γ β F1 F2 Ft FN V ω :Yiv açısı :Kayış sarılış açısı :Gergin kol kuvveti :Gevşek kol kuvveti :Teğetsel kuvvet :Gerdirme kuvveti :Kayış hızı :Açısal hız R µ λ s σ b ρ h G :Kasnak yarıçapı :Sürtünme katsayısı :Çekme faktörü :Kayma faktörü :Normal gerilme :Kayış genişliği :Sürtünme açısı :Kayış kalınlığı :Kayma modülü Kaynaklar [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Firbank, T.C., Mechanics of the belt drive, International Journal of Mechanical Science, 12, 1053 – 1063, (1970). Gerbert, B.G., Pressure distribution and belt deformation in V-belt drives, Journal of Engineering for Industry, 97(3), 976-981, (1975). Gerbert., B.G., Some notes on V-belt drives, Journal of Mechanical Designer, 103, 8-18, (1981). Gerbert, B.G., Belt slip-A unified approach, Journal of Mechanical Design, 118, 432-439, (1996). Dolan, J.P., Closed–form approximations to the solution of V–belt force and slip equations, Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, 107, 292-297, (1985). Gerbert, B.G., A note on slip in V-belt drives, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 98(4), 1366-1368, (1976). Alciatore, D.G., Multipulley belt drive mechanics: Creep theory vs shear theory, Journal of Mechanical Design, 117, 506-511, (1995). Bechtel, S.E., Jacob, K.I., Charlason, C.D., and Vohra, S., The stretching and slipping of belts and fibers on pulleys, Journal of Applied Mechanics, 67, 197206, (2000) 96 F lβ1t’kN’1 911 610 F BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 16(1) 89-97 (2014) Kong, L. and Parker, R.G. Steady mechanics of belt- pulley systems. Journal of Applied Mechanics, 72 (1), 25 – 34, (2005) [10] Akkurt, M., “Makine Elemanları” Cilt 3, Birsen Yayınevi, 1980. [11] Gediktaş, M., Yücenur, S., “Kayış Kasnak Mekanizmaları” Çağlayan Kitapevi, 1989. [12] Tanır, B., Kayış-kasnak mekanizmalarında kayma olayının teorik ve deneysel analizi, Y. Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir, (2000). [9] 97