Higro_tepkimeli strüktür neme duyarlı malzeme sistemi tasarımı

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.