Use of smart materials in the design of dynamic intelligent surfaces

Akıllı malzemelerin dinamik akıllı yüzeylerin tasarımında kullanılması

PDF İndir

Tez No: 559274
Yazar: BUKET ÜRKMEZ
Danışmanlar: PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Bilim ve Teknoloji, Mimarlık, Science and Technology, Architecture
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2019
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 121

Özet

Bu tezde, bilgi açısından zengin, teknolojiye dayalı, aynı zamanda çevreye duyarlılık ve sürdürülebilirlik konularında farkındalığın giderek artmakta olduğu bir çağın gerektirdiği, sıra dışı bina yüzeylerini oluşturmak için, dikkate değer karakteristik özelliklere sahip akıllı malzemelerin mimarlar tarafından kullanımına yönelik bir yöntem önerisinde bulunulmuştur. Çalışmada, mimaride akıllı malzemelerin ve akıllı sistemlerin kullanımına ilişkin yönelime katkıda bulunmak ve bununla birlikte binalarda kullanıcı konforu ve enerji verimliliği sağlamak amaçlanmaktadır. Akıllı malzemeler, duyarlı ve adaptif davranışları ile diğer disiplinlerde olduğu gibi mimarlık alanında kullanıldığında da önemli etkiler yaratabilecek potansiyele sahip olmasına rağmen, hâlihazırda etkin bir biçimde mimarlığın önemli güncel ihtiyaç ve beklentilerine cevap verebilmek üzere kullanıldıkları örnekler sınırlıdır. İçinde yaşadığımız çağ, getirdiği yeni bilimsel gelişmeler ve teknolojik imkânlar ile mimarlık disiplininden hem kullanıcı konforu hem de çevresel farkındalık konularında beklenti içerisindedir. Binaların yüzeylerinin artık durağan strüktürler değil çevreyle etkileşimli dinamik mekanizmalar olarak tasarlanması beklenmekte ve buna yönelik çalışmalar giderek yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmaların mimarlığın mevcut yöntemi içerisinde değerlendirilmesi ve de konvansiyonel malzeme ve sistemler ile aynı süreçlerin bu yeni yaklaşımlar için geçerli olması mümkün olmayacaktır. Bu problemler, tez kapsamındaki çalışmayı motive eden ve çalışmanın ortaya çıkmasını sağlayan nedenler olmuştur. Tez çalışması dört ana bölümden oluşmuştur. İlk bölümde, çalışmayı motive eden ve gerçekleşmesini tetikleyen problemler, araştırma konusunun önemi, kapsamı ve çalışmanın kurgusu üzerinde durulmuştur. İkinci bölümde, tezin kapsamı dahilinde akıllı malzemeler ve sistemler üzerine yapılan literatür araştırması sunulmuş, yorum ve çıkarımlar paylaşılmıştır. Üçüncü bölümde, akıllı malzemelerin dinamik akıllı yüzeyler oluşturmak üzere tasarlanan sistemler içerisine entegre edilmesi için, şekil hafızalı alaşımlar ile çalışılarak deneysel bir model ve yöntem önerilmiştir. Malzeme deneyleri, dijital ortamda hesaplamalı tasarım süreci ve fiziksel ortamda yapılan modelleme süreci aktarılmıştır. Dördüncü ve son bölümde çalışmanın bulguları değerlendirilirken konuya yönelik farklı yaklaşımlar tartışılmış, çalışmanın limitlerine değinilmiş, gelişim senaryoları önerilmiş olup ayrıca gelecekteki araştırmalar için de önerilerde bulunulmuştur. İkinci bölümde, çalışmanın teknik altyapısını oluşturacak kapsamlı araştırmalar neticesinde bir bilgi haznesi derlenip sunulmuştur. Malzeme ve mimarlık ilişkisinin irdelenmesi ile başlanmış, malzeme evrenindeki gelişmelerin tarihsel süreç içerisinde, yapı ve mimarlık üzerine etkileri kısaca değerlendirilmiş ve yorumlanmıştır. İkinci bölüm iki kısımdan oluşmakta olup ilk kısımda akıllı malzemeler, ikinci kısımda ise dinamik akıllı yüzeyler üzerinde durulmuştur. Öncelikle, akıllı malzemeler ile ilgili detaylı olarak inceleme yapılırken, malzemede akıllılık kavramı tartışılmış, akıllı malzemelerin farklı disiplinler ve farklı otoriteler tarafından yapılan tanımlamaları irdelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Malzemelerin 'akıllı' olarak tanımlanmalarının nedeni olan karakteristik özellikleri aktarılmıştır. Akıllı malzemeler bağlamında etkin iletişim kurulabilmesini sağlayan malzeme sınıflandırmalarına değinilmiş, akıllı malzemelerin sınıflandırması üzerine kabul görmüş mevcut iki yaklaşım eleştirel olarak incelenmiştir. İkinci bölüme dinamik yüzeyler üzerine araştırma ve incelemeler ile devam edilmiştir. Dinamik yüzeylerin literatüre göre farklı türleri ve bu türlere ait tanımlar incelenmiş ve birbiriyle örtüşen ve ayrılan yanlarına değinilmiştir. Birbirine yakın anlamdaki duyarlı, adaptif, interaktif ve akıllı yüzey gibi kavramları incelemenin yanında, aslında tez kapsamında yapılan çalışma için önem taşıyan bu akıllı yüzeyleri oluşturan sistemlerin bileşenlerine göre türlerine ayrılması olmuştur. Binaların cephelerinde kullanılmaya yönelik tasarlanan dinamik yüzeyler farklı şekillerde elde edilebilir. Tamamen malzeme tabanlı pasif sistemler olabilirler, malzemeden bağımsız olarak teknoloji tabanlı akıllı bir sistem olabilirler veya bu tez çalışmasında önerildiği haliyle akıllı malzemenin akıllı bir sistem içerisinde ve sistemin bir bileşeni olarak kullanılması ile oluşturulabilirler. Hâlihazırda tamamlanmış yapılar, uygulanmış projeler, deneysel çalışmalar ve de prototipler içerisinden seçilen örnek çalışmalar bu bölümde olumlu ve olumsuz yönleri ile eleştirel bir bakış açısıyla değerlendirilmiş, sistem detayları incelenmiş, sistemlerini oluşturan bileşenler analiz edilmiştir. Örnek incelemelerinin sonucunda yapılan çıkarımlar, bir sonraki bölümde aktarılan çalışma için oldukça yol gösterici olmuştur. Bu bölümde son olarak tez kapsamında geliştirilen çalışmada kullanılan şekil hafızalı alaşım malzemeleriyle tasarım yapılırken bilinmesi gereken genel özellikleri ve tez çalışmasında kullanılacak Nitinol telinin özellikleri üzerinde detaylı olarak durulmuştur. Üçüncü bölümde, öncelikle kullanılan malzemeyi anlamak, malzemenin davranışını ve kısıtlarını incelemek için malzeme üzerinde deneyler yapılmıştır. Tezin amacına yönelik olarak, özellik değiştiren akıllı malzemeler sınıfına dâhil edilen, sıcaklığa bağlı şekil değiştirebilen malzemelerden olan, sekil hafızalı alaşımların kullanımı uygun görülmüştür. Şekil hafızalı alaşımlar istenilen bir forma programlanabilme ve ısıtıldığında hareket ederek tepki verme özellikleriyle dinamik yüzeyler oluşturmaya yönelik büyük bir fırsat olarak görülmüştür. Bu malzemeler akıllı malzemeler arasında en ulaşılabilir ve anlaşılabilir olan türler arasındadır. Nikel ve Titanyum metallerinin alaşımı olan Nitinol'den yapılmış ince tel, gelişmiş aletler veya özel koşullar gerektirmeden üzerinde kolaylıkla çalışılması mümkün olan bir malzeme olduğu için tercih edilmiştir. Bu deneyler ile şekil hafızalı alaşımların karakteristik özellikleri olan yüksek sıcaklıkta programlanabilme ve sıcaklık etkisiyle şekil değiştirebilme davranışları Nitinol tel üzerinde sınanmıştır. Nitinol tel ile yapılan bu deney ve denemeler sonucunda elde edilen bulgular üzerinde durulmuş, bunlar daha sonraki aşamalarda kullanılmak üzere etkili olmuştur. Üçüncü bölümün devamında, deneyler sonrasında akıllı yüzeyin tasarım süreci detaylı olarak aktarılmış olup bu aşamada yine deneysel bir yaklaşımla çalışılmıştır. İlk olarak, akıllı yüzeyi oluşturacak sistem içerisinde kullanılacak olan Nitinol telini istenilen şekle göre programlamak üzere bir kalıp oluşturulmuş ve bu kalıp üzerine sabitlenen telin ısıtma yoluyla programlaması yapılmıştır. Sonrasında programlanan tel yüzey oluşturabilmek için yalıtkan kumaş ile birlikte kullanılarak bir kompozit haline getirilmiştir. Akıllı malzemeler, fonksiyonelliği artırmak ve malzemenin davranışını güçlendirmek için büyük çoğunlukla yine akıllı olan veya olmayan diğer malzemeler ile birlikte kompozit halde kullanılmakta olup, bu çalışmada da buna yönelik yaklaşım savunulmuş ve önemi vurgulanmıştır. Akıllı yüzeyin tek bir kompozit modülü fiziksel olarak oluşturulup çalışır hale getirildikten sonra dijital ortamda yüzeyin tasarımına başlanmıştır. Dijital parametrik tasarım araçları ile bir yüzey oluşturulmuş ve bu yüzey üzerine çevresel veriler kullanılarak analizler yapılmıştır. Analiz verileri ile yüzeyin modüllerinin biçimi ve hareketi arasında ilişki kurulmuş, yüzey modüllerinin duyarlı davranışı buna göre kurgulanmıştır. Dijital tasarım, analiz, simülasyon ve optimizasyonlar sonrasında dijital modelleme süreçleri tamamlanmış olup, bu çalışmalar tezde detaylı olarak aktarılmıştır. Dijital ortamdaki hazırlıklardan sonra akıllı yüzeyin bir prototipi oluşturulmuştur. Bu aşamada, dinamik bir sistem olarak tasarlanan akıllı yüzeyi oluşturan elektrik ve mekanik bileşenler ile yazılım altyapısı üzerinde durulmuştur. Dördüncü bölümde ise, fiziksel deneyler ve dijital ortamda yapılan analizler ile parametrik modelleme ve üretim aşamalarından elde edilen bulgular değerlendirilmiştir. Hem süreç içerisinde karşılaşılan zorluklar hem de genel anlamda konunun limitleri aktarılmıştır. Bununla birlikte, üretilen modelin geliştirilebilir yönlerine ve gelecekte bu konu üzerine yapılacak çalışmaların olası etkilerine detaylı olarak değinilmiştir. Sonuç olarak, önerilen yaklaşımın akıllı malzemelerin mimarlık alanında daha geniş ve daha etkin bir biçimde kullanımına, dinamik-hareketli bina cephelerinin daha sürdürülebilir yollarla elde edilmesine, bu sayede binalarda enerji verimliliğinin artmasına ve kullanıcı konforunun daha ileri seviyede sağlanmasına katkı sağlaması öngörülmektedir. Bunlarla birlikte, mimari tasarım süreçlerine malzemelerin tasarımı ile ilgili süreçlerin de dahil edilmesi ve bu sayede mimarlık alanında yeni atılımların desteklenmesi de çalışmanın beklenen etkileri arasındadır. Bu çalışmada uygulanan süreç ve yöntem kullanılarak, farklı akıllı malzemeler, farklı kompozit malzeme bileşenleri; daha başka biçimlerdeki yüzey formlarını ve strüktürlerini oluşturmak üzere ihtiyaca göre çeşitli ölçeklerde kullanılabilirler. Aynı zamanda, geliştirilen sistem farklı coğrafyalarda kullanılmak için ya da farklı çevresel etkenlere göre duyarlılık sağlamak üzere evirilebilmek için elverişlidir.

Özet (Çeviri)

This thesis, proposes a method for the use of smart materials by architects with remarkable characteristics to create unusual building surfaces, which is required for an age where information is rich, design is technology-based, and also an awareness of environmental issues and sustainability is increasing. It is aimed to contribute to the orientation of the use of smart materials and intelligent systems in architecture and to provide user comfort and energy efficiency in buildings. Although, smart materials have the potential to create significant impacts when used in the field of architecture, as well as in other disciplines with their responsive and adaptive behaviors, the examples of which are currently used effectively to meet the important current needs and expectations of architecture are limited. With the new scientific developments and technological opportunities, the era we live in is in the expectation of both user comfort and environmental awareness in the field of architecture. It is expected that the surfaces of the buildings will be designed as dynamic mechanisms that interact with the environment rather than rigid structures, and the studies on that approach are becoming more widespread. In this context, it will not be possible to evaluate the studies to be carried out in the current method of architecture, and to apply the same processes with conventional materials and systems to these new approaches. These problems were motivated the study within the scope of the thesis and have been the reasons for the emergence of the study. The thesis consists of four main chapters. In the first chapter, the issues that motivate the study and trigger the realization of the study, the importance of the research subject, the scope and the method of the study are emphasized. In the second chapter, a literature research on smart materials and systems is presented as well as comments and conclusions are shared. In the third chapter, an experimental model and method with shape memory alloys is proposed in the context of integrating smart materials into intelligent systems that designed to create dynamic intelligent surfaces. Material experiments, computational design process in digital environment and modeling process in physical environment are transferred. In the fourth and last chapter, while evaluating the findings of the study, different approaches to the subject and the limits of the study are discussed. Development scenarios are proposed and suggestions are made for the future research. In the second chapter, a comprehensive information collection that forms the technical infrastructure of the study is prepared and presented. This chapter is started by examining the relationship between material and architecture and then the effects of developments in material universe on the structure and architecture are briefly evaluated and interpreted by time order. While the smart materials are examined in detail, the concept of smartness in material is discussed and the definitions of smart materials by different disciplines and different authorities are examined and compared. The characteristics, which are the reason for their 'Smart' definition, are described. Material classifications that enable effective communication in the context of smart materials are mentioned and the two existing approaches, which are accepted upon the classification of smart materials, are examined critically. After the necessary infrastructure is completed in the context of 'Materials', researches are started on the 'Surface'. The second chapter is continued with researches and investigations on dynamic surfaces. Different types of the dynamic surfaces in literature and the definitions of these types examined and compared with each other. In addition to examining concepts such as responsive, adaptive, interactive, intelligent surfaces that are connected closely, it has been the separation of the systems according to their components, which constitute the intelligent surfaces, was important for the study. Dynamic surfaces designed for use on façades of buildings can be obtained in different ways. They can be entirely material-based passive systems, they can be a technology-based intelligent system independent of the material, or they can be created by using the smart material as a component of the system, as suggested in this thesis. Already completed projects, applied projects, experimental studies and prototypes selected as sample works are evaluated with a critical point of view in this section with their positive and negative aspects, and also system details are examined and the components of their systems are analyzed. Conclusions made as a result of the example works are very guiding for the proposed study in the thesis, which are transferred in the next section. At last, characteristics of the shape memory alloy materials used in the study developed and the characteristics of the Nitinol that are important in the design process are discussed in detail in the second chapter. In the third chapter, firstly, experiments are done to understand the material used and to examine its behavior and constraints. The use of shape-memory alloys that are temperature-dependent deformable materials and included in the class of smart materials is considered suitable. Shape memory alloys are seen as a great opportunity to create dynamic surfaces with the ability to be programmed into a desired form and to react with motion when heated. These materials are among the most accessible and understandable types of intelligent materials. Nitinol wire made out of nickel and titanium metals is preferred because it is a material that can be easily worked on, without requiring advanced tools or special conditions. The characteristics of the shape memory alloy are tested with high temperature programmability characteristics and temperature changeable behavior experiments on Nitinol wire. The findings obtained from the experiments on Nitinol wire are emphasized and are effective for the later stages. In the continuation of the third chapter, after the experiments, the design process of the smart surface is explained in detail and it is studied with an experimental approach. A mold is formed to program the Nitinol wire to be used in the system to form the intelligent surface according to the desired shape and the wire fixed on the mold is programmed by heating. Then the programmed wire is made into a composite using the insulating fabric to create the surface. In order to increase functionality and enhance the behavior of the material, smart materials are often used in combination with other materials that are smart or not, and in this study, the approach towards this is advocated and its importance is emphasized. After a single composite module of the intelligent surface is physically created and operated, the design of the surface in digital environment is started. Analyzes are made by using environmental data on a surface created with digital parametric design tools. The relationship between the analysis data and the shape and movement of the modules of the surface is established and the responsive behavior of the surface modules is constructed accordingly. After digital design, analysis, simulation and optimizations, digital modeling processes are completed and these studies are explained in detail. After the preparations in the digital environment, a prototype of the smart surface is created. At this stage, a dynamic system designed with electrical and mechanical components and software infrastructure is emphasized. In the fourth chapter, physical experiments, analysis on digital media and parametric modeling and production results are evaluated. Both the difficulties encountered in the process and the limits of the subject are transferred. In addition, the parts that can be improved and the possible effects of future studies are discussed in detail. To sum up, the proposed approach is expected to contribute to a wider and more efficient use of smart materials in the field of architecture, to achieve dynamic-moving building façades by more sustainable means, in this context to increase energy efficiency in buildings and to provide a more advanced level of user comfort. In addition, including the processes related to the design of materials in architectural design processes and supporting new initiatives in the field of architecture are among the expected effects of the study. Using the process and method applied in this study, different smart materials, different composite materials components, other types of surface forms and structures can be used in various scales depending on the need to create. At the same time, the developed system can evolve to be used in different geographies or to provide responsibility to different environmental impacts or effects.

Benzer Tezler

Tez No
537623
Teknolojik gelişmelerin etkisi ile yüzeylerde malzeme kullanımı: Akıllı malzemeler
The use of materials on surfaces with the effect of technological developments: Smart materials
SEÇİL YAĞLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İç Mimari ve Dekorasyon Hacettepe Üniversitesi
İç Mimarlık ve Çevre Tasarımı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE SAYIL ONARAN
Tez No
75327
Deprem etkisindeki yapılarda aktif ve pasif kontrol sistemlerinin uygulanması
Başlık çevirisi yok
BARIŞ SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
Tez No
632769
Uyum gösteren cepheler: Bir meta analizi
Adaptive facades: A meta analysis
SELİN KARAAĞAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Mimarlık İstanbul Teknik Üniversitesi
Mimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İKBAL ÇETİNER
Tez No
363872
Kendini dengeleyebilen iki tekerlekli aracın tasarımı ve kontrolü
Design and control of self-balancing two wheeled vehicle
ULAŞ ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AYHAN KURAL
Tez No
827032
Geleceğin kentlerinde kamusal açık alan tasarım niteliklerinin değerlendirilmesi
Evaluation of public open space design qualities in cities of the future
BÜŞRA KILIÇDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlık İstanbul Teknik Üniversitesi
Kentsel Tasarım Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET OCAKÇI

Geri Dön