Hygro_responsive structure humidity responsive material system design

Abstract

Endüstrileşme ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte değişen yaşam koşulları, makine teknolojisi ve yapılı çevre enerji tüketimini zaman içerisinde hızla arttırmıştır. Kaynaklardan edinilen bilgiye göre, enerji tüketiminin yaklaşık yüzde ellisini binaların yapım ve işleyiş (havalandırma- ısıtma-soğutma sistemleri) sürecinde harcanan enerji oluşturmaktadır. Bu durum sonucunda mimarlar yapı elemanlarına entegre edilebilen, çevresel değişikliklere tepki verebilecek tepkisel sistemleri tasarlamaya yönelirler. Tepkimeli (tepkisel) sistemler; çevresel değişiklikleri algılayıcılar (sensörler) ile algılayabilen, sayısal tasarım araçları ile kontrol edilebilen, robotik hareketlendirici sistemler (motorlar) ile tepki verebilen sistemlerdir. Tepkimeli mimari sistemlerin temel amacı, çevresel koşullara göre hareket ederek, yapıların çevresel performansını geliştirmek ve kullanıcı konfor koşullarına cevap vermektir.Yaygın olarak kullanılan mekanik tepkimeli sistemler mekanik bileşenlerin kullanımı, enerji tüketimine sebep olmaktadır. Doğada ise tepkisellik malzeme ölçeğinde, enerji harcanmadan gerçekleşir. Yürütülen tez çalışması, tepkisel sistem tasarımını ve farklı tepkisel tasarım yöntemlerini inceler. Çalışmada, tepkimeli sistemler enerji kullanımına ve malzemenin sisteme etkisine göre inceleyerek üç grupta sınıflandırılır. Mekanik tabanlı tepkisel sistemler aktif, akıllı malzemelerin mekanik sistemler ile birlikte kullanıldığı tepkisel sistemler hibrid, malzeme tabanlı tepkisel sistemler pasif tepkimeli sistemler olarak sınıflandırılır.Malzemenin yapısal özelliklerinden yararlanarak geliştirilen malzeme tabanlı tepkisel tasarım sistemleri, tepkisel sistemlerde mekanik bileşenlerin kullanımını ve bu sebeple meydana gelen enerji tüketimini ortadan kaldırmayı hedefler. Malzeme tabanlı tepkisel sistemler de çevreye cevap verebilen sistem tasarlarken malzeme üzerine ek bir mekanik sistem kurmak yerine, doğal malzemenin tepkisini ortaya çıkaran ya da malzemeden öğrenerek yeni malzeme sistemleri sunar. Malzeme tabanlı tepkimeli sistemlerde malzemenin yapısal özellikleri ve dış etkilere tepkisi tasarımın ana parametreleri kabul edilir ve sistem bu parametrelere en uygun cevap verebilecek şekilde tasarlanır. Çalışmada, malzeme tabanlı tepkisel sistem tasarım üzerine odaklanarak,tepkimeli malzeme sistem tasarımı örneklerine yer vermiştir.Malzeme tabanlı tepkisel sistem örneklerinin incelenmesi sonucu, tez çalışması ahşap malzemenin özünde var olan özelliklerini kullanarak tepkisel malzeme sistemi tasarlamayı hedefler.Bu amaçla, tez kapsamında ahşap malzemenin yapısal özellikleri ve dış etkilere tepkisi araştırılır. Ahşap malzeme doğal ve yaşayan bir canlı olan ağacın işlenmesiyle elde edildiği için malzeme tabanlı tepkisel sistemlerde kullanılır. Ahşap, nem çekebilme (higroskopik) özelliği ile liflerinin yönelimine bağlı olarak (anizotropik) kendiliğinden şekil değiştirebilir. Higroskopik özelliğinden dolayı bulunduğu ortam ile nem alışverişinde bulunur: Havadaki nem oranı arttığında nemi çekerek şişer, nem oranı azaldığında ise malzemedeki nemi dışarı vererek büzülür. Kozalaklar, ortamdaki nem oranına göre biçim değiştirebilmesinden dolayı neme duyarlı doğal tepkimeli sisteme örnektir. Ahşap anizotropik (yönelime bağlılık) özelliğinden dolayı, ortamdaki nem ile alışverişinde liflerinin dağılımına göre kıvrılır. Bu özellikler, ahşabı tepkisel bir malzeme haline getirir. Ahşap malzeme bu özelliklerinden dolayı kırılma, çatlama gibi sonuçlar doğuracağı için kurutulmaktadır. Çalışmada önerilen tepkisel malzeme sisteminde ise ahşap malzemenin bu özellikleri sistemin tepkiselliğini sağlamak için kullanılmaktadır.Çalışma kapsamında neme tepkili kompozit malzeme tasarlanır. Çift katmanlı malzeme aktif ahşap katman ve pasif polimer katmanından oluşmaktadır. Bu katmanlar epoksi bazlı yapıştırıcı ile yapıştırılırlar. Ahşap nemli ortamlarda nemi alarak şişer ve uzar. Polimer ise nem değişiminden etkilenmez ve şekil değişikliği göstermez. Geliştirilen kompozitte aktif ahşap katmanı nem alarak uzamak isterken, pasif polimer katmanı uzamasını engeller. Bu durum sonucunda ahşap polimer yönünde kıvrılır. Böylece, kompozit malzeme nem değişikliği karşısında kıvrılarak nem koşullarına tepki verir.Üretilen kompozit malzemenin tepkisel davranışı, geliştirilen nem kabininde gerçekleştirilen deneyler ile analiz edilir. Nem kabininin bağıl nem oranı 80 ±5 % olarak belirlenmiştir. Kaynaklara göre bu nem oranı, termal konfor koşullarının en üst nem oranı olarak kabul edilmektedir ve aynı zamanda İstanbul' da görülen en yüksek nem oranıdır. Polimer ve ahşap çeşidi, ahşap fiberlerinin yönelimi ve katmanların kalınlıkları malzeme tepkiselliğine etkileyen parametreler olarak kabul edilir. Malzeme deneyleri ile kompozit malzemenin farklı parametrelere göre değişen tepkisel davranışı incelenir. Bu deneylere ek olarak, kompozit malzemenin kıvrılmasını kolaylaştırmak için polimerler fiberli hale getirilerek malzemenin tepkisel davranışına etkisi test edilmiştir. Yapılan deneyler gözleme dayalı ve hesaba dayalı analiz yöntemleri ile değerlendirilir. Gözleme dayalı analiz yöntemlerinde test edilen kompozit malzemelerin kıvrılma değişimini analiz edilerek, bir tepki grafiği çizilir ve bu grafik ile malzemelerin kıvrılma değişimleri karşılaştırılır. Hesaba dayalı analiz yönteminde ise gözlemleme sonucu elde edilen sonuçlar, hesaplamalar ile doğrulanır. Kompozit malzemelerin neme tepkisi sonucu kıvrılma miktarı hesaplanır. Bu analiz yöntemleri ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılır ve en uygun tepki veren malzeme parametreleri saptanır.Malzeme deneyleri, malzeme bilimci ve tasarımcının bir arada çalışması ile gerçekleştirilmiştir. İşbirlikçi çalışma ile deney ortamında kullanılan nem kabini tasarlanmış, kompozit malzeme üretilmiş ve deneyler hem gözlem hem de hesaplamalı yöntemler kullanılarak değerlendirilmiştir. Farklı disiplinler arasındaki işbirliği, tasarım yaklaşımının, sayılabilir yöntemlerle değerlendirilmesini sağlamıştır.Çalışma, neme duyarlı kompozit malzemeleri parametrik strüktür tasarımı ile birlikte kullanarak tepkisel malzeme sistemi tasarlamayı amaçlar. Strüktür tasarımında hesaplamalı tasarım araçları kullanılmıştır. Güneş ışığı nemi etkileyen önemli faktörlerden olması sebebiyle, strüktürün form tasarımının tasarım parametresi olarak kabul edilir. Güneş ışığı analizi Grasshopper programının çevresel analiz eklentisi olan Ladybug program kullanılarak gerçekleştirilir. Elde edilen güneş ışığı analizi verilerine göre, ilk biçim denemeleri Rhino programında yapılır. Biçim denemelerinde amaç daha fazla güneş ışığı alacak yüzeyler elde etmektir. Üretilen form, Grashhopper ile geliştirilir. Geliştirilen formda daha fazla güneş ışığı alan yüzeylerdeki birimler daha geniş aralıklara sahipken, daha az güneş ışığı alan yüzeylerdeki birimler daha dar aralıklara sahiptir. Bu aralıklara tepkisel paneller yerleştirilir. Tasarlanan neme duyarlı kompozit malzeme sistemde tepkisel paneller olarak kullanılır.Strüktürün yapım süreci de çalışmaya dahil edilmiş, birimlerin birleşme detayları hesaplamalı tasarım araçları kullanılarak tasarlanmıştır. Kullanılan birleşme detayları ile strüktürün birimlerinin herhangi ek malzeme kullanılmadan birleştirilmesi amaçlanır. Böylece strüktür sökülebilir, taşınabilir ve yeniden inşa edilebilir. Birimlerin lazer kesim ile üretilerek birleştirilmesiyle, strüktür inşa edilir.Geliştirilen tepkisel malzeme sistemi, çevredeki değişen nem koşullarına uyum sağlamayı amaçlar. Tepkisel paneller nem oranı düştüğünde dışarı doğru (ahşap katmanın yönünde), nem oranı yükseldiğinde ise içeri doğru (polimer katmanı yönünde) kıvrılırlar. Böylece strüktürdeki hava akışı, neme duyarlı panellerin hareketiyle gerçekleşir. Mekâna süzülen ışık, panellerin neme bağlı hareketine göre gün içerisinde değişerek kullanıcıya neme göre farklı mekan deneyimi sunar. Değişen nem koşullarına tepki sırasında mekanik birleşen ve enerji kullanımına ihtiyaç duyulmadığından, geliştirilen tepkisel sistem enerji etkin (pasif) tepkisel sistem olarak tanımlanabilir.Çalışmanın ilerleyen aşamalarında deneyler sonucu ile elde edilen veriler ile belirlenen malzemenin tepkisel davranışı, bilgisayar ortamında simule edilebilir. Kompozit malzemenin tepkisel davranışı sayısal ortamdaki analizlere dayanarak ilerleyen aşamalarda geliştirilebilir. Tepkisel malzeme sistemleri, tepkisel mimarlık alanında yaygınlaşırken, yürütülen tez çalışması malzemenin davranışının tepkisel sistemde nasıl kullanılacağını incelemiştir. Geliştirilen tepkisel malzeme sisteminin amacı, tepkisel sistem tasarımında malzeme davranışını kullanmaya teşvik ederek, mekanik tabanlı tepkisel sistemlere alternatif bir tasarım önerisi sunmaktır.

Responsive system is a method that is used to enhance buildings' environmental performance and ensure user comfort by enabling the buildings to adjust to changeable environmental circumstances. The system detects environmental changes via specific sensors, determines the action to be taken against current conditions via its control mechanism and responds to environmental changes through its actuators by changing the physical form of system components. In current use, responsive systems utilize energy-activated mechanical components such as sensors, actuators and microcontrollers; the dependency to which births the need for continuous energy supply and periodical maintenance.Motivated from the problems that are probable to be encountered at the use of mechanical responsive systems, this thesis researches how responsiveness can be achieved without the utilization of mechanical components. In nature, responsiveness is acquired in material level without any energy consumption. Wood for instance, a natural material, responds to humidity alterations without any mechanical support. The design of mechanical systems however, tends not to take the potential of natural material into consideration. Thus, this thesis study focuses on ways through which responsiveness can be achieved via a material based design. Material based responsive design employs material-inherent properties in ensuring system responsiveness and eliminates the utilization of mechanical components.Concentrating on wood as a natural material, this thesis study aims to explore the material based responsive system design through examining the inherent properties of wood material. Wood transforms its shape in response to humidity changes: It swells or shrinks in grain direction. Hygroscope and Anisotropy are the keywords in this scope; these terms represent the inherent material properties that provide responsiveness. Therefore, towards taking advantage of material properties in ensuring responsiveness, this study develops a specific composite material that possesses the hygromorphic properties of wood. The composite material employs wood as the active layer and polymer as the passive layer. The active wood layer responds to humidity and elongates due to its hygroscope-derived characteristics. The passive polymer on the other hand does not respond to humidity and remains stable. The polymer layer provides a constraint for the hygroscopic elongation of the wood layer and results the wood to bend.In this thesis study, the responsive behavior of the composite material is examined in a controlled environment through material experiments. The main objective of these experiments is to evaluate the humidity-driven behavior of the material and to improve the material performance through calibration of specific parameters such as wood types, polymer types, grain direction, fiber frequency in polymer and layer thickness. Conducted experiments are analyzed through empirical (observational) and numerical (quantitative) analysis methods. The empirical method observes the curvature change of the composite material and conducts a responsiveness comparison through a response graph. The numerical method on the other hand, enables the observational analysis results to be justified through calculations. The material experiments are carried out in a collaborative work. The collaboration of the two methods ensures the development of simplified humidity box, the production of composite material and the numerical evaluation of material experiments.The material based responsive system, introduced as the `Hygro_Responsive Structure` integrates responsive material with 'parametric structure'. The parametric structure is included in the approach considering the sunlight as a specific parameter, since sunlight has influence on relative humidity. The parametric design and the construction process of the structure are achieved through computational design tools. The sunlight analysis is conducted via Ladybug and the form development, which actually is based on sunlight analysis, is carried out via Grasshopper. The responsive material design experiments both the form of the system and the material itself; on the basis of environmental parameters. Humidity is the response driver for the material and sunlight is the design driver for the system's parametric form generation. The composite material, the main actor of the structure, is utilized in form of humidity-responsive panels. The responsive panels adapt to alterations in humidity by changing shape.The composite material utilize hygroscope in the wood material to achieve responsiveness, thus the responsive material system needs neither energy nor mechanical components to work. As a result, the material based responsive system developed in this thesis study can be introduced as an energy-efficient system. The main objective of this study is to employ material behavior in responsive architecture. Material based responsive systems can consist of an alternative to mechanically responsive systems in scope of design strategies.