Use of smart materials in the design of dynamic intelligent surfaces

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, halihazırda etkin bir biçimde mimarlığın önemli güncel ihtiyaç ve beklentilerine cevap verebilmek üzere kullanıldıkları örnekler sınırlıdır. İçinde yaşadığımız çağ, getirdiği yeni bilimsel gelişmeler ve teknolojik imkanlar 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. Halihazırda 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 dahil 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.