editor ve yayın kurulu - Fen Bilimleri Enstitüsü

Transkript

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
Müh. Mim. Fakültesi Öğr. Üyesi
Necatibey Eğitim Fakültesi Öğr. Üyesi
Fen Bilimleri Enst. Md. Yrd.
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: [email protected] 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, [email protected], 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
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
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
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
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
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
(
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
(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
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
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
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
[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)
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, [email protected] (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
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
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
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
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
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
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
•
•
•
•
•
•
•
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
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
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
[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
TS 1500, İnşaat Mühendisliğinde Zeminlerin- Sınıflandırılması, Türk
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
[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
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, [email protected], 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
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
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
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
PM10
Ozon
100 µg / m3 8 saatlik ortalama
NO2
NO2
200 µg / m3 saatlik ortalama
SO2
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
[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
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, [email protected], 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
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
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
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
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
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
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
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
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
Fig. 4. 3D plots of HOMO and LUMO of studied molecules by B3LYP/6-31G(d,p) with
energies.
57
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
[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
[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
[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
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, [email protected], 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
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
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
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
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
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
[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
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, [email protected], 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
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
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
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
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
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
•
•
•
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
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

editor ve yayın kurulu - Fen Bilimleri Enstitüsü

Transkript

Benzer belgeler

BİRLEŞMİŞ KENTLER OKULU BİRİNCİ HAFTA BASIN BÜLTENİ

5-Nitro-1h-Đndol-2,3-Dion-3

SAYI

Platin Eylül 2015

`Yok olan` İstanbul`u keşfe çıktılar

Teknolojik gelişim Proje partnerleri Giriş

Özgeçmiş - İstanbul Arel Üniversitesi

Kriz ve Kentsel Yerinden Edilme Sürecinde Çingeneler

ŞEHİRCİLİK VE KENT MİMARİSİNDE KENTSEL DÖNÜŞÜM Dr. Yük