A methodology for the development of stımulı-responsıve archıtectural desıgn systems through programmable metamaterıal patterns
Programlanabilir metamalzeme örüntüleri aracılığıyla uyaranlara-duyarlı mimari tasarım sistemlerinin geliştirilmesine yönelik bir metodoloji
- Tez No: 948231
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEVİL YAZICI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Mimarlık ve inşaat sektörlerinde uygulanan geleneksel tasarım ve üretim yaklaşımları, küresel enerji tüketimi ve karbon emisyonları üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Enerjinin büyük bir bölümü bina zarflarına tahsis edilmekte; bu zarflara entegre edilen elektromekanik kontrol sistemleri ise yüksek enerji tüketimi, karmaşık mekanizmalar ve maliyetli bakım süreçleri aracılığıyla iç mekân konforunu sağlamaktadır. Bu sistemler çoğunlukla“statik”olarak kabul edilir. Ancak, doğadaki bazı maddelerin belirli malzeme özellikleri sayesinde çevresel faktörlere tepki verebilen“aktif”karakterlere sahip olabilmesi, geleneksel yaklaşımların yeniden değerlendirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu bağlamda, tasarım sürecinde“aktif maddesellik”kavramı; üç boyutlu (3B) ve dört boyutlu (4B) baskı, malzeme programlama ve akıllı malzemeler aracılığıyla ele alınmaktadır. Aktif maddeselliğin oluşumunda belirleyici bir diğer unsur ise yapısal geometridir. Geometrik yapı, dönüşüm sürecini kolaylaştırarak sistemin enerji gereksinimini doğrudan etkileyebilmektedir. Bu noktada, son yıllarda insanlar tarafından yapay olarak geliştirilen ve üstün mekanik özellikler sergileyen“metamalzemeler”ön plana çıkmaktadır. Bu yapıların topolojileri, davranışsal özellikleri, disiplinlerarası ve mimari tasarım uygulamaları karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Mevcut çalışmalar incelendiğinde, metamalzeme örüntülerinin ağırlıklı olarak mimari tasarım uygulamalarında statik olarak kullanıldığı görülmektedir. Ancak bu yapılar, dinamik dönüşüm kapasiteleri ve sergiledikleri malzeme zekâsı ile öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, literatürde metamalzeme örüntülerinin“aktif”kullanım amacıyla programlanabilir yapılarla bütünleştirilmesinde,bu bütünleşmenin tasarım ve üretim yöntemleri bağlamındaki biçimlerine ve mimari tasarım sistemlerindeki potansiyel uygulamalarına ilişkin boşluklar tespit edilmiştir. Bu bulgular doğrultusunda, bu tez; metamalzeme örüntülerini programlanabilir malzemelerle bir arada değerlendirerek, ek enerji kullanmadan, pasif olarak aktif hale gelebilen, sürdürülebilir mimari tasarım sistemleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmanın metodolojik çerçevesi iki aşamadan oluşmaktadır: (1) metamalzeme örüntülerinin oluşturulması ve (2) programlanabilir malzemelerin bu örüntülere entegre edilmesi. Birinci aşamada, dinamik dönüşümlere olanak tanıyan bir metamalzeme örüntüsü geliştirilir ve elde edilen parametreler doğrultusunda hesaplamalı tasarım ortamında yeni bir örüntü tasarlanır. Dinamik davranışları test edebilmek amacıyla, farklı mekanik özelliklere sahip iki ayrı prototip oluşturulur. Bu prototiplerden ilki, rijit bir yapıya sahip olan Polilaktik Asit (PLA) malzemeden; diğeri ise esnekliğiyle öne çıkan Termoplastik Poliüretan (TPU) malzemeden, 3B baskı kullanılarak elde edilir. Mekanik dönüşüm potansiyelini değerlendirebilmek amacıyla, çalışmanın ilk deneysel aşaması gerçekleştirilir. Bu aşamada, üretilen prototiplere farklı eksenler boyunca kontrollü kuvvetler uygulanarak, sistemin biçimsel davranışları detaylı biçimde incelenir. Uygulanan kuvvetler sonucunda oluşan deformasyonlar hem niceliksel hem de niteliksel olarak analiz edilerek, ilgili ölçümler sistematik bir şekilde kaydedilir. Elde edilen veriler doğrultusunda dinamik davranışa sahip sistem belirlenir ve çalışmanın ikinci aşaması buna göre gerçekleştirilir. Metodolojik çerçevenin ikinci aşamasında ise enerji kullanmadan çevresel faktörlerle kendiliğinden dönüşebilen yapılar geliştirilmektedir. Bu noktada, sistemi bir adım öteye taşımak amacıyla programlanabilir malzemeler kullanılır. Isıya duyarlı bir alaşım olan Nitinol (Nikel-Titanyum alaşımı), erişilebilirliği ve uygulama kolaylığı nedeniyle tercih edilmiştir. Nitinol, bir gölgeleme işlevi gerçekleştirecek şekilde programlanır ve geliştirilen model, 3B baskıyla oluşturulmuş metamalzeme örüntülerine entegre edilebilecek biçimde yeniden tasarlanır. Bu kapsamda, I, C ve 45° açılı I-profil kesitlerinden oluşan üç farklı varyasyon tasarlanarak, TPU kullanılarak üretilir. Ardından, termal dönüşümün test edileceği ikinci deney düzeneği hazırlanır. Bu düzenekte ısıya dayanıklı cam bir kap, sıcak su, termometre, kamera ve aydınlatma cihazı yer alır. Numuneler, sırayla sıcak suya daldırılarak termal etki altında dönüşümleri gözlemlenir ve bu dönüşümler kamera ile kaydedilir. Yapılan deneyler sonucunda, termal performansı daha yüksek olan modül, sonraki prototipleme aşaması için seçilir. Seçilen sistemin mimari uygulamalardaki potansiyelini değerlendirmek ve kendi kendine dönüşüm yetisini test etmek amacıyla, 1:10 ölçekli nihai bir prototip üretilir. Bu doğrultuda, geliştirilen sistemde modüllerin nasıl bir araya geldiğini ve nasıl taşındığını göstermek amacıyla, cephenin bir bölümünü temsil edecek şekilde dört adet modül üretilir. Dijital üretim sürecinde, modüllerin iç kısımlarına tekstil malzemesi entegre edilir. Bu tekstil, gerçek bina uygulamalarında hem gölgelendirme işlevi görecek hem de hafif bir kompozit sistemin oluşumunu destekleyecektir. Ardından, üretilen modüller alüminyum profillerden oluşan yapısal bir çerçeveye yerleştirilir. Sürecin sonunda, termal dönüşüm testi gerçekleştirilir ve meydana gelen deformasyonlar bir kamera aracılığıyla kayıt altına alınır. Çalışmanın sonuçları, (1) örüntü varyasyonları, (2) fiziksel deneyler ve (3) elde edilen çıktıların değerlendirilmesi temelinde ele alınmıştır. Mekanik dönüşümlerin test edildiği ilk deneyden elde edilen verilere göre, geliştirilen sistem iki farklı biçimsel deformasyon sergilemiştir. Bu deformasyonlar sonucunda sırasıyla 2,5 cm ve 6 cm'lik yer değiştirmeler ölçülmüştür. Termal etkiyle kendiliğinden dönüşümün test edildiği deneylerde, zaman ve form parametreleri açısından en başarılı sonuç, C-profil kesitli kompozit sistemde elde edilmiştir. 1:10 ölçekli mimari prototip üzerinde gerçekleştirilen uygulamalarda, sistemin ısı etkisiyle etkin bir biçimde aktive olduğu gözlemlenmiş ve böylece önerilen yöntem doğrulanmıştır. Ancak, yüzeydeki ısı dağılımının homojen olmaması nedeniyle, hedeflenen şekil tam anlamıyla ve düzgün bir şekilde oluşturulamamıştır. Son aşamada, zaman ve form parametreleri, malzeme gibi kriterler doğrultusunda çıktıların genel bir değerlendirmesi yapılmış; ayrıca araştırmanın hedeflerine ulaşma düzeyine ilişkin bir tespit gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, programlanabilir metamalzemeler aracılığıyla uyaranlara duyarlı mimari sistemlerin üretilebileceği ortaya konmuştur. Gelecekte gerçekleştirilecek çalışmalarda, sisteme farklı şekil hafızalı alaşımlar ve örüntüler entegre edilebilir. Buna ek olarak, üretim sürecine robotik fabrikasyonun dahil edilmesiyle sistemin 1:1 ölçekli mimari düzeydeki performansı değerlendirilebilir. Zira üretim hacmi arttıkça, yapının deformasyon davranışında farklı zorluklar ortaya çıkabilir. Buna bağlı olarak tepkisel malzeme miktarı artırılabilir. Ayrıca, yapay zekâ tabanlı yöntemlerin tasarım ve üretim süreçlerine entegrasyonu sayesinde, malzeme davranışlarının ve bu davranışların sistem sürdürülebilirliğine etkilerinin daha kapsamlı bir biçimde değerlendirilmesi mümkün olacaktır. Bu doğrultuda, teknolojinin sunduğu olanaklardan yararlanılarak doğaya, yapılı çevreye ve insana zarar vermeyen sürdürülebilir sistemlerin inşasına yönelik önemli adımlar atılabilir.
Özet (Çeviri)
Conventional design and production approaches applied in architecture and construction sectors have a significant impact in global energy consumption and carbon emissions. Most of the energy is allocated to the building envelopes, and electromechanical control systems integrated into the building envelopes to provide indoor comfort by utilizing high energy consumption, complex mechanisms and costly maintenance processes. These systems are generally considered as“static”. Due to the fact that some substances in nature may have also“active”characters that can respond to environmental factors by their specific material characteristics, this condition necessitates reconsidering conventional approaches. In this context, the concept of“active materiality”in the design process is addressed through three-dimensional (3D) and four-dimensional (4D) printing, material programming and smart materials. Another determining factor in the formation of active materiality is structural geometry. The geometric structure can directly affect the energy requirement of the system by facilitating the transformation process. At this point,“metamaterials”that have been artificially developed by humans in recent years and that exhibit superior mechanical properties come to the fore. The topologies, behavioral properties, interdisciplinary and architectural design applications of these structures are comparatively examined. By examining existing studies, it is observed that metamaterial patterns are predominantly utilized in static applications. However, these structures stand out for their capacity for dynamic transformation and the material intelligence they exhibit. In this context, gaps in the literature have been identified regarding the integration of metamaterial patterns with programmable structures for“active”use, the forms of this integration within design and fabrication processes, and their potential applications in architectural design systems. In response to these findings, this thesis aims to integrate metamaterial patterns with programmable materials to develop zero-energy, passive, and sustainable responsive architectural design systems. The methodological framework of this study consists of two stages: (1) generation of the metamaterial patterns and (2) integration of programmable materials into these patterns. In the first stage, a metamaterial pattern is developed that will allow dynamic transformations. Following this, a new pattern is designed computationally with obtained parameters. In order to test dynamic behavior of the system, two prototypes are produced by using Polylactic Acid and Thermoplastic Polyurethane materials that are rigid and flexible respectively. Then, the first experimental stage is undertaken where geometrical transformation is tested by applying forces to the prototypes from different axes. Deformations are recorded and measured. In the second phase of the methodological framework, a structural system, which can respond to its environment, is developed. Nitinol, a heat-sensitive alloy as a programmable material, is selected due to its accessibility and ease of application. The material is programmed to perform as a shading device on building facade. Geometric model is designed with 3D printed metamaterial patterns. In this direction, three variations are developed by using I, C and angled I-profile sections and they are printed by using Thermoplastic Polyurethane. Following this, an experimental setup is prepared, where the thermal conversion test is performed. This includes a heat-resistant glass container, hot water, thermometer, camera and lighting device. The samples are sequentially immersed in hot water and their transformations are tested and recorded with a camera. The module that performs better in these experiments is selected further for prototyping. In order to evaluate the potential of the selected system in architectural applications and to test its self-transformation, a 1:10 scale final prototype is produced. In this context, a section of the facade consisting of four modules is created by 3D printing. Textile material is integrated into the inner part of the modules to provide shading. The modules are placed in a structural frame made of aluminum profiles. Finally, the thermal conversion test is performed again and the resulting deformations are observed and recorded with a camera. The results are evaluated based on (1) pattern variations and (2) physical experiments and (3) the outputs. According to the findings obtained from the first experiment, where transformations were tested, metamaterial patterns exhibited different levels of deformations. In the experiments, where self-transformation was tested, the best result in terms of time use and transformation capabilities was the composite system with C-profile section. It was observed that the system was effectively activated by heat. The experiments carried out in 1:10 scale architectural prototype underlined the feasibility of the proposed methodology, despite the fact that uneven distribution of the heat on the surface prevented geometrical smoothness. Finally, a general evaluation of the outputs was made based on criteria such as time and form parameters, material and how well the research objectives were achieved by this study. As a result, responsive architectural systems through programmable metamaterials can be generated. In future studies, different shape memory alloys and patterns can be incorporated to the system. Additionally, 1:1 scale architectural applications can be utilized by using robotic fabrication techniques. Also, methods based on artificial intelligence can be integrated to the process. Thus, impact of the materials in the system sustainability can be evaluated more comprehensively.
Benzer Tezler
- Implıcıt dımensıons of empathy ın the perceptıon and creatıon of archıtectural space
Mimarı mekanın algılanması ve yaratılmasında empatinin örtük boyutları
ELİF AKTAŞ YANAŞ
Doktora
İngilizce
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
- Computational design of space-adaptive structures for post-disaster sheltering
Afet sonrası barınma için uzam-uyarlanabilir yapıların hesaplamalı tasarımı
FURKAN BERKE ÇİLESİZOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- İmalat sistemlerinin tasarlanması ve öncelik kurallarının belirlenmesinde yapay sinir ağlarının kullanılması
Başlık çevirisi yok
TARIK ÇAKAR
Doktora
Türkçe
1997
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN TORAMAN
- Kullanıcı - çevre uyum probleminin tasarım sürecinde çözümlenmesi
Solution user - environment adaptation problem in design process
BANU GÜL
- Synthetic strategies for complex macromolecular architectures
Karmaşık makromoleküllerin sentezinde sentetik yöntemler
YONCA ALKAN GÖKSU