Op 8 februari 2013 heeft Charlotte Lelieveld, al vanaf het begin betrokken bij MaterialDesign, haar proefschrift “Smart materials for the realization of an adaptive building component” op de TU Delft verdedigd.
Hierna volgt een korte samenvatting van haar proefschrift.
Slimme materialen voor het realiseren van een adaptief gebouwcomponent
De laatste 150 jaar hebben veel meer technologische ontwikkelingen plaatsgevonden vergeleken met alle voorliggende decennia. Deze ontwikkelingen volgen elkaar in een hoog tempo op. Technologische innovaties op gebied van internet, elektronische producten en mobiliteit drukken een enorme stempel op de socio-culturele ontwikkelingen van de maatschappij. Wanneer hierbij wordt gekeken naar de invloed op de gebouwde omgeving, dan is er een duidelijk verschil zichtbaar tussen onze huidige manier van leven en wereld perceptie en onze leefomgeving. Het is duidelijk dat technologische ontwikkelingen een belangrijkere rol moeten gaan spelen in architectuur.
Digitale technieken in de architectuur werden voornamelijk toegepast voor het visualiseren van ontwerpen. Daarna hebben deze technieken zich ontwikkeld tot de ontwikkeling van geometrische ontwerpmodellen. Deze modellen simuleren performatieve digitale omgevingen die zich continu kunnen aanpassen aan dynamische parameters. Deze modellen kunnen worden vertaald naar real-time gebouwen met het gebruik van computer gestuurde numerieke constructiemethoden. De volgende stap zou gevonden moeten worden in het realiseren van performatieve gebouwen waarbij de omgeving zich continue zou kunnen aanpassen aan de hand van dynamische parameters. Het gedrag van deze continue adaptieve gebouwen is gerelateerd aan tijd en beweging. Architectuur moet zich meer ontwikkelen op het gebied van adaptatie, zodat het meer in relatie blijft staan met de huidige ontwikkelingen en de gebruiker.
.
Dit onderzoek concentreert zich op het toepassen van geavanceerd materiaaltechnologie voor de realisatie van adaptieve architectuur. De ontwikkeling van slimme materiaaltechnologie speelt een belangrijke rol in het huidige materiaal onderzoek. Slimme materialen beschikken over de eigenschap dat ze automatisch veranderingen kunnen waarnemen in hun omgeving en hierop kunnen reageren met een bepaalde actie of activatie (Ansari, et al. 1997). Dit ‘gedrag’ is gebaseerd op intrinsieke materiaaleigenschappen, waarbij een externe stimulus wordt gedetecteerd en er een reactie tot stand komt waarbij de materiaaleigenschappen worden aangepast (Srinivasan, et al. 2001). Slimme materialen hebben dus sensorische- en activeringseigenschappen. Door slimme materialen toe te passen in het gebouwsysteem kunnen continue adaptieve gebouwen gerealiseerd worden.
In dit onderzoek worden de mogelijkheden bekeken van het toepassen van slimme materialen voor het realiseren van vorm veranderbare adaptieve gebouwcomponenten (ABC). Het idee is dat het ABC een omkeerbaar scharnier-achtige vervorming moet kunnen realiseren. Dit betekent dat een platte strook materiaal een verbuiging in een hoek van 90° zou moeten kunnen halen. Deze vervorming moet gefixeerd kunnen worden zonder de continue toevoeging van een energiebron. Vervolgens moet het ABC zich kunnen herstellen in de oorspronkelijke configuratie. Dit gedrag zal volledig gebaseerd moeten zijn op de intrinsieke eigenschappen van materialen, zonder de toevoeging van externe actuatoren of mechanismes.
De huidige stand van zaken op het gebied van adaptieve architectuur is geanalyseerd in dit onderzoek. Daarnaast is een overzicht gegeven van de toepassing van slimme materiaalsystemen in de architectuur. Met gebruik van ontwerp scenario’s wordt er een beeld geschept van de toepassing mogelijkheden van de ABC in de architectuur. Op een kleine schaal kan het ABC worden toegepast als geveltesselatie voor de controle van ventilatie en daglicht. Daarnaast wordt er een scenario gepresenteerd voor de aerodynamische optimalisatie van de buitenschil bij een hoge windbelasting op de gevel. Ook zou het principe van de ABC op een grotere schaal toegepast kunnen worden. Gebouwcomponenten zoals adaptieve ruimteverdelingselementen of meubels kunnen bijdragen aan het optimaliseren van de multifunctionaliteit van een gebouw.
Er ontstaat een nieuwe functionele relatie tussen het gebouw en de gebruikers wanneer een gebouw kan voelen, verwerken en reageren. Door de realisatie van continu adaptieve gebouwen verandert de perceptie van de gebruiker op de gebouwde omgeving behoorlijk. Adaptieve architectuur leidt tot een nieuw paradigma van het architectonische ontwerpen en het gebouwgebruik. Daarom is het receptieve vermogen van de gebruikers op adaptieve gebouwen onderzocht met behulp van een internet enquête en interviews. Hier kwam uit dat de deelnemers over het algemeen positief
reageerden op de voorgelegde adaptieve scenario’s. Een voorbeeld van deze scenario’s zijn adaptieve meubels, adaptieve ramen, adaptieve binnenwanden en adaptieve interieurkleuren.
Het gebruikersonderzoek werd afgesloten met interviews waarbij gebruik werd gemaakt van fysieke modellen om de adaptieve architectonische werking te verbeelden. De gebruikers ontvankelijkheid voor een adaptieve plattegrond en ramen werd getest aan de hand van verschillende activiteiten. De uitkomsten laten zien dat de deelnemers de plattegrond veranderden aan de hand van bijna elke activiteit.
De raamconfiguratie van een één-kamer appartement kon door de deelnemers worden aangepast door middel van het veranderen van de locatie, de transparantie en de vorm. Tijdens het onderzoek bleek dat de vorm van het raam niet werd aangepast (76% van de deelnemers veranderde de vorm niet). Daarentegen werd de locatie en de transparantie van de ramen frequent veranderd. Ook werden ramen regelmatig verwijderd en toegevoegd (70% van de deelnemers veranderde deze setting). Een belangrijke beperking in dit onderzoek is dat de deelnemers zich de technische realisatie van de voorgelegde scenario’s moeilijk konden voorstellen met het gebruik van de huidige technologieën
Na het gebruikersonderzoek is de realisatie van de vorm veranderbare gebouwcomponent geanalyseerd. De werking is gedemonstreerd aan de hand van een volledig werkend prototype. Eerst zijn slimme materialen met vorm veranderbaar vermogen geanalyseerd. Hieruit blijkt dat een composiet van geheugenlegering (SMA) geïntegreerd in een geheugenpolymeer (SMP) matrix het vereiste gedrag zou moeten kunnen vertonen. De werking van dit slimme composiet (SC) is uitgebreid bestudeerd.
De SMA en de SMP worden beide aangestuurd door middel van warmte, i.e. zijn thermo-responsief. De SMP zal rubberachtig gedrag vertonen, wanneer de temperatuur verhoogd wordt boven een bepaald transitietemperatuur. In deze fase kan de SMP gemakkelijk vervormd worden. De vervorming wordt gefixeerd door middel van afkoeling beneden de transitietemperatuur. De SMA functioneert als een actuator en zal de vervorming realiseren. Antagonist SMA actuatoren worden toegepast om de deformatie en het opvolgende herstel naar de oorspronkelijke vlakke configuratie te verwezenlijken. Omdat de SMP ook over geheugencapaciteiten beschikt, vervormt deze uit zichzelf terug naar de oorspronkelijke vlakke vorm. Daardoor zijn er meer actuatoren nodig voor de vervorming van het SC dan voor het herstel. De aansturing van beide materialen gebeurt door middel van weerstandsverwarming. Deze methode maakt het mogelijk om de materialen accuraat en actief the controleren. Omdat de SMP een slechte geleider is, zijn constantaan draden geïntegreerd in de SMP matrix zodat de SMP lokaal verwarmd kan worden
De werking van het bovenbeschreven principe is getest met een prototype (zie Afbeelding 1). Allereerst zijn de materiaaleigenschappen van alle individuele componenten geanalyseerd door middel van experimenten. De benodigde krachten voor de vervorming van de SMP matrix en de geleverde krachten van de SMA actuatoren zijn vastgesteld door middel van torsie experimenten. Alle experimenten zijn uitgevoerd met uniforme externe verwarming, zodat de temperatuur goed gecontroleerd kan worden. De uiteindelijke werking van de SC is vastgesteld door middel van superpositie van de resultaten van de individuele componenten. Het werd duidelijk aan de hand van deze resultaten dat de vervorming alleen een hoek van 100° kan bereiken ( de binnenhoek van de vervorming werd hierbij gemeten). Deze resultaten zijn gevalideerd met de torsieresultaten van een goed functionerend prototype.
Slim Composiet (SC): 1: geheugenlegering zorgt voor de vervorming van de SC. 2: geheugenlegering zorgt voor het herstel van de SC. 3: geheugenpolymeer matrix met geïntegreerde verwarmingsdraden.
De vervaardigingsmethode en uitvoering van de SC is aangepast zodat de werking geoptimaliseerd kon worden. De integratie van de verwarmingsdraden en de SMA strippen vergde extra aandacht. Omdat de SMP uithardt bij een hoge temperatuur die dicht bij de activatie temperatuur ligt van de SMA, is het niet mogelijk om de SMAs in het SMP mee te gieten. Daarom is besloten om de SMP uit twee delen te fabriceren. Deze delen zijn na het integreren van de SMA strippen met elkaar verbonden met secondelijm. Secondelijm gaf de beste resultaten tijdens de uitgevoerde trektesten.
Tijdens de torsie experimenten met de SC prototype is een vervorming van 90° behaald. Daarbij moet de kanttekening geplaats worden dat er een behoorlijke materiaalmoeheid optrad tijdens het herhalen van de vervorming. Al na 4 vervormingen was er alleen een vervorming mogelijk tot 100°. Het is daarom belangrijk om de actuatoren te over-dimensioneren, zodat een vervorming van 90° haalbaar blijft.
Over het algemeen kan geconcludeerd worden dat de voorgestelde vervorming realistisch is met de gekozen materialen. Het SC prototype heeft een omkeerbare vervorming laten zien met het gebruik van slimme materiaaltechnologie. Een belangrijk technisch voordeel is de fixatie van de vervorming zonder de continue energietoevoer. Toch is optimalisatie op het gebied van materiaal moeheid, functie en fabricage nodig voor het gebruik van slimme materialen op architectonische schaal.
Het accuraat activeren van de verschillende componenten speelt een belangrijke rol in de optimalisatie van de SC. De thermo-elektrische activatie van de SMA en de SMP is gesimuleerd met het gebruik van een eindige-elementen-model. Hierbij is gebruik gemaakt van het softwarepakket ANSYS. Het numerieke model is gevalideerd aan de hand van uitgevoerde experimenten, waarbij de warmtedistributie is vast gelegd met een warmtebeeldcamera. Uit de resultaten van de experimenten bleek dat het eindige-elementen-model goed overeenkwam met het fysieke model. Bijna identieke temperatuur curves werden gevonden voor zowel de thermische activatie van de SMA strippen als de verwarmingsdraden. Hierna is het model gebruikt voor het vaststellen van de optimale aansturingsinstellingen. Het numerieke model kan worden aangepast voor verschillende dimensies en kan hierbij vrij accuraat de thermische aansturing van het SC bepalen.
.
Dit onderzoek kan worden gezien als een eerste stap van een nieuw paradigma in de architectuur, waarbij vorm veranderbare gebouwen worden gerealiseerd met het gebruik van slimme materiaaltechnologie. De veelbelovende resultaten laten zien dat het in de toekomst realistisch is om vorm veranderbare gebouwcomponenten te fabriceren waarbij het gedrag van de materialen gebaseerd is op intrinsieke materiaaleigenschappen. Door het vervaardigen van een werkend prototype heeft er een vertaling plaatsgevonden van de virtuele wereld naar real-time functionerende adaptieve gebouwcomponenten. Dit brengt verschillende voordelen met zich mee ten opzichte van mechanische vorm veranderbare system, waarbij zaken zoals grote afmetingen, complexe structuren en geluidoverlast opgelost worden.
References
Ansari, F., Maji, A., et al. (1997). Intelligent civil engineering materials and structures a collection of state-of-the-art papers in the applications of emerging technologies to civil structures and materials. New York, ASCE.
Srinivasan, A. V. and Mcfarland, D. M. (2001). Smart structures analysis and design. Cambridge, UK, Cambridge University Press.
Comments are closed here.