Hareketli gölgeleme bileşenlerinin şekil hafızalı alaşımlar ile etkinleştirilmesi: Bir eyleyici mekanizma önerisi
Movable shading devices activated by shape memory alloys: A proposal for an actuator mechanism
- Tez No: 863442
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FETHİYE ECEM EDİS
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 189
Özet
Küresel ölçekteki iklim ve enerji krizi dolayısıyla, mimarlık ve inşaat alanlarında binaların enerji etkin olarak tasarlanması, birçok araştırmanın konusu olmuştur. Gölgeleme bileşenlerinin (GB) kullanılması ile binaların enerji tüketimleri, özellikle soğutma yükleri, düşürülebilir ve kullanıcılar için gerekli iç ortam konfor koşullarının oluşturulmasına katkıda bulunulabilir. Gün ve yıl içinde değişen güneş açılarına göre konumlanabilen hareketli GB'ler, sabit GB'lere kıyasla hem enerji etkinlik hem de ısıl ve görsel konfor bakımından daha olumlu sonuçlar vermektedir. Ancak, hareket için gerekli olan enerjinin motorize, diğer bir ifadeyle aktif sistemlerin kullanılması ile sağlandığı durumda, binaların işletme enerjisi tüketimi artabilmektedir. Aktif sistemlerin yanı sıra, GB ünitelerinin hareketinin akıllı malzemeler ile diğer bir deyişle pasif sistemler kullanılarak sağlanması mümkündür; böylece işletme enerjisi tüketimi azaltılabilir ve hatta sıfıra düşürülebilir. Akıllı malzemelerin bir alt grubu olan şekil değiştiren malzemelerin (ŞDM) mimarlık ve inşaat alanlarında uygulama anlamında henüz yaygınlık kazanamadığı ve pasif sistemlerin ürün olarak piyasada henüz yer edinemediği anlaşılmaktadır. Yazında (literatür), hareketli GB'lerde ŞDM kullanımının, giderek artan bir ilgiyle, birçok araştırmaya konu edildiği görülse de, incelenen yayınlarda ŞDM ile etkinleştirilen sistemlerin daha çok konsept tasarım veya prototip düzeyinde olduğu, ürün geliştirmeye yönelik ise sınırlı sayıda çalışma bulunduğu görülmüştür. Bu tez çalışmasının ana amacı hareketli gölgeleme bileşenlerinin, bir ŞDM türü olan şekil hafızalı alaşımlar (ŞHA) ile etkinleştirme olanaklarını araştırmaktır. Tezin diğer bir amacı ise mimarlıkta ŞDM ve ŞHA kullanımını konu eden yazına katkıda bulunmak; böylece, bu malzemeler kullanılarak tasarlanan pasif sistemlerin ürün olarak piyasada yer bulmasına uzun vadede katkı sunmaktır. Bu amaçlar doğrultusunda, GB ünitelerini etkinleştirmek üzere ŞHA'larla çalışan bir eyleyici (aktüatör) mekanizmasının geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bunun için, yazın araştırması ile ŞHA ve diğer ŞDM'lerin kullanıldığı hareketli GB sistemleri, kullanılan hareket tiplerinin yanı sıra akıllı malzeme ve eyleyici kullanım prensipleri üzerinden analiz edilmiştir. İlgili yazın üzerinden, binalarda yaygın olarak kullanıldığı tespit edilen yatay ünitelere sahip panjur (louver) tipi GB için; enerji etkinlik ve kullanıcı konforu açısından en uygun sonuçları veren açı grupları, yapılan saatlik enerji ve günışığı benzetimleri ile saptanmıştır. Devamında, ŞHA'ların malzeme özellikleri ve eyleyici mekanizmasında kullanım olanaklarını belirleyebilmek amacıyla; farklı ebatlardaki ŞHA yayların elektriksel özellikleri, etkinleştirilme sıcaklıkları ve ürettikleri yolu ölçmek üzere deney çalışması yapılmıştır. Bununla eş zamanlı olarak, gölgeleme ünitelerinin belirlenen açıları için kademeli hareket gerçekleştirebilecek mekanizmalar, yine yazın araştırması yoluyla belirlenmiş; seçilen mekanizmalar ve çalışma ilkeleri üzerinden konsept düzeyinde üç potansiyel eyleyici önerisi geliştirilmiştir. Bu üç öneri içinden prototip olarak geliştirilmesi amacıyla seçilen eyleyici mekanizması için boyutsal ve geometrik düzenlemeler yapılmış ve bu mekanizma üç boyutlu baskı ile fiziksel olarak üretilmiştir. Devamında, eyleyici denenmiş ve eyleyicinin istenen kademeli hareketi başarılı bir şekilde gerçekleştirebildiği gözlenmiştir. Hareketli GB'lerin pasif olarak etkinleştirilmesinin yaygınlık kazanması hedefiyle yürütülen bu çalışma sonucunda ŞHA'nın böyle bir kullanıma imkan tanığı görülmüştür. Bu çalışmada izlenen yöntem, çeşitli GB tipleri ve farklı hareket türleri için yürütülecek ileriye dönük araştırmalarda bir altlık olarak kullanılabilir. Ayrıca, ŞHA'nın ürettiği kuvvet, eyleyici ile GB ünitelerinin boyutları, rüzgar yükleri vb. etkenler de dahil edilerek, çeşitli mühendislik hesaplamalarının ve maliyet analizlerinin yapılması ile ŞHA ile etkinleştirilen GB'lerin ürün olarak geliştirilmesi mümkündür.
Özet (Çeviri)
Due to the global climate and energy crisis, the energy efficient design of buildings has become an important subject of much research in the fields of architecture and construction. The use of solar shading devices (SD) can reduce the energy consumption of buildings, especially the cooling loads, and take part in providing necessary indoor comfort conditions for users. Movable SDs, which can change their position according to the changing sunlight angles during the day and year, provide more favorable results in terms of energy efficiency, thermal and visual comfort compared to fixed SDs. However, in cases where the energy required for their movement is provided by the use of motorized systems, i.e. active systems, the operational energy consumption of buildings may increase. In addition to active systems, it is possible to provide the movement of shading units using smart materials, in other words by passive systems, so that operating energy consumption can be reduced or even decreased down to zero. Shape-changing materials (SCM), a subgroup of smart materials, have been seen to be not yet gained widespread application in the fields of architecture and construction, and passive systems have not yet become popular in the market as a product. Although it is seen in the literature that the use of SCMs in movable SDs has been the subject of many studies with an increasing interest, the systems activated with SCMs in the publications examined are mostly at the concept design or prototype level, and there are limited studies on product development. The main objective of this thesis study is to investigate the possibilities of activating movable SDs with shape memory alloys (SMA), a type of SCM. Another aim of the thesis is to contribute to the literature on the use of SCMs and SMAs in architecture, thus contributing in the long term to the market availability of passive systems designed using these materials. In line with these objectives, it is aimed to develop an SMA actuator mechanism that activate shading units. For this purpose, a literature search was conducted and movable shading systems using SMAs and other SCMs were analyzed in terms of the types of motion used as well as the principles in using smart materials and actuators. Based on the relevant literature, the angle configurations that provide the most suitable results in terms of energy efficiency and user comfort for louver type SD with horizontal units, which are widely used in the buildings, were determined by hourly energy and daylight simulations. Subsequently, experiments were conducted to measure the electrical properties, activation temperatures and the displacement produced by SMA springs of different sizes in order to determine the material properties of SMAs and the possibilities of their use in the actuator mechanism. Simultaneously, the mechanisms that can realize incremental movement for the specified angles of the shading units were identified through literature research, and three potential actuator proposals were developed at the concept level based on the selected mechanisms and their working principles. Finally, dimensional and geometric arrangements were made for the selected actuator mechanism, and the mechanism was physically produced with 3D printing, and it was seen that the actuator could successfully realize the incremental movement of the SDs. In relation to this study, in the first chapter of the thesis, the aims and scope of the thesis are explained in detail, followed by the methodology and research steps used in the study. In the second chapter, SDs and motion in architecture are discussed. In this respect, after explaining the effects of natural lighting and the effects of SDs on indoor user comfort, the classification approaches on fixed and movable SDs in the relevant literature are examined and the commonly used SD types and the basic principles used in the activation of movable SDs are given. Subsequently, the classification and approaches in the literature on movement in architecture are examined mutually. In the third chapter, firstly, the material properties of SMAs and other SCMs and the possibilities of their use in SDs are explained. Subsequently, the outputs of a systematic review of publications on SDs activated by SCMs are given. In this respect, the types of motion, actuator types/use possibilities and the level of complexity of the studies on the shading systems were analyzed for each SCM. In addition, the actuator design principles of each SCM and their potential adaptation to the SMA material are discussed. In the fourth chapter, the development process of the SMA actuator is explained. Firstly, the simulation study performed to determine the angles of shading units that can provide minimum energy consumption and maximum natural lighting conditions for an office unit assumed to be located in a high-rise building in Istanbul is presented. Hereof, after explaining the verification of the calculation model created on the Honeybee software used in the simulation study, the determination of the geometric characteristics of the office to be used in simulation by reviewing the literature on high-rise buildings in Istanbul, and the determination of the geometric and dimensional characteristics of the louver type shading units available on the market is given. In this simulation study, after the simulation inputs such as the assembly of the building elements, internal loads, air conditioning systems were determined through various standards and simulation guidelines, hourly energy and daylight simulations were performed for 19 shading unit angles between 0o and 90o in increments of five degrees for one year. Subsequently, an algorithm was written to determine the three-angle group to be used in the shading units. The angle group that provides the minimum energy consumption and maximum natural lighting conditions was selected to be used in the actuator mechanism. The second part of this chapter describes the experimental work carried out to determine the potential for the use of SMAs in actuators and the possibilities of using the material. In order to verify the activation (austenite phase transition) temperature given by the manufacturer and to determine the size, nickel-titanium (Ni-Ti) alloy springs of different sizes were heated with hot water and the dimensional changes of the material were measured. Subsequently, the electrical properties of the springs were determined through measurements and verified through calculations. Finally, the time-dependent temperature values of the Ni-Ti springs connected to the electrical circuit were measured under different current values. In the electrical heating step, the length of the material after activation was measured and compared with the values determined in hot water experiments. The last but not the least of the chapter four, the literature research conducted to select the motion mechanism to be used in the actuator prototype is given after the experiments to determine the material possibilities. In this phase of the study, various mechanisms for the gradual movement of the shading units for the three-angle group determined in the simulation study were examined; four of them were selected and their operating principles were combined with various machine elements to design three actuators at the concept level. One of these designs was then selected to be developed as a prototype. Finally, in this chapter, the prototype development process of the selected actuator mechanism is described. In this process, the dimensional and geometric properties of the machine elements used and the motion steps were analyzed by making two-dimensional and three-dimensional models step-by-step and the mechanism was finalized. During the development of the mechanism, all parts were modeled as removable to allow for modifications. In the final step, the mechanism was physically produced by 3D printing method, the parts were assembled and the mechanism was moved. As a result, it was understood that the developed actuator mechanism could successfully provide the desired movement. This research aims to promote the widespread use of passive activation of movable SDs, and the results have shown that the SMAs allow for such a use. The methodology followed in this study can be used as a basis for future study for various forms of SDs or different motion types. Furthermore, it is possible to develop SDs activated by SMAs as a product by conducting cost analyses and various engineering calculations by including factors such as the force generated by the SMAs, the dimensions of the actuator and shading units, wind loads, etc.
Benzer Tezler
- Yeni Cami'nin akustik açıdan performans değerlendirmesi
Evaluation of the acoustical performance of the New Mosque
EVREN YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVTAP YILMAZ DEMİRKALE
- Cephede dıştan kullanılan gölgeleme elemanları ve uygulama yöntemlerinin örnekler üzerinden incelenmesi
External shading devices that are applied to facades and examining shading devices' application methods through application examples
NACİYE SENA ÖZYER
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
- Uyum gösteren gölgeleme bileşenlerinin parametrik tasarım araçlarıyla performans değerlendirmesi
Performance evaluation of adaptive shading components with parametric design tools
DİLAN ÖNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEN ASLIHAN ÜNLÜ
- Gölgeleme araçlarının mekanın toplam soğutma yükleri açısından etkinliklerinin değerlendirilmesinde geliştirilen yöntem
Shading device efficiency evaluation method developed on zone total cooling loads
NESLİHAN TÜRKMENOĞLU BAYRAKTAR
- Performative analysis and design of a responsive gyroid shading system for façades
Cepheler için duyarlı gyroid gölgeleme sisteminin performatif analizi ve tasarımı
DENİZ TUTUCU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ETHEM GÜRER