Passive adaptable facade : Nitinol helical spring actuator implementation for a dynamic shading

Dynamic elements have always enabled humans to create adaptable systems that can adjust themselves to the alternating exterior circumstances. Buildings, as the largest man-made objects, during the past decades and by the advent of numerous mechanical and electrical devices, have been included in the category of possessing dynamic components. One of the main reasons of this practice was to enable the building to adjust their exterior skin with respect to the present climatic and visual conditions, and by considering the overall demands of its users. Hence, dynamic building skins (facades) have been recently developed for the main aim of energy controlling and visual comfort adjustment of the buildings. These aims were typically fulfilled by mechanically- or electrically-derived, manual or automatic systems; but these components require active energy source and control systems. In other words, they are not green-energy-based and also they need to be precisely programmed before their usage. Smart materials have been considered as a novel replacement for these systems due to their lighter weight, smaller volume, passive actuation and lower operating cost. Amongst these materials, Shape Memory Alloys (SMAs) are of great interest due to their metallic nature and high strength. Nitinol, is an alloy of Nickel and Titanium, which generally transforms between two distinct phases, called Austenite and Martensite, by being imposed to external stimuli such as the sun light heat. In detail, Nitinol contracts when exposed to heat and produces a linear force. By manipulating this feature, this thesis has proposed a novel dynamic and passive building façade system that is actuated by Nitinol springs. Further, this system has been mounted on the southern envelop of a renowned building, named Pardis-e-Mellat, that is located in Tehran, Iran. The performance of this dynamic system has been simulated and precisely analyzed as an alternative to the existing non-shaded building. On the other hand, the skin system of the Al-Bahar project is also compared to the performance of the proposed system, where the two systems are simulated on a shoe-box in five distinct open-to-close shapes. After a precise detailing and mechanical description, followed by numerous force calculations and cost analysis, it has been clearly deduced the Nitinol-actuated passive system functions better than the Al-Bahar system, and also, dramatically improves the performance of the building.

Gli elementi dinamici hanno sempre permesso agli umani di creare sistemi adattabili in grado di adattarsi alle circostanze esterne alternate. Gli edifici, come i più grandi oggetti artificiali, negli ultimi decenni e con l'avvento di numerosi dispositivi meccanici ed elettrici, sono stati inclusi nella categoria dei componenti dinamici. Uno dei motivi principali di questa pratica è stato quello di consentire all'edificio di adeguare la propria pelle esterna rispetto alle attuali condizioni climatiche e visive, e considerando le esigenze complessive dei suoi utenti. Pertanto, pelli dinamiche per edifici (facciate) sono state recentemente sviluppate per l'obiettivo principale del controllo energetico e della regolazione del comfort visivo degli edifici. Questi obiettivi erano in genere raggiunti da sistemi derivati meccanicamente o elettricamente, manuali o automatici; ma questi componenti richiedono una fonte di energia attiva e sistemi di controllo. In altre parole, non sono basati sull'energia verde e inoltre devono essere programmati con precisione prima del loro utilizzo. I materiali intelligenti sono stati considerati un nuovo sostituto di questi sistemi a causa del loro peso più leggero, del volume più piccolo, dell'attuazione passiva e dei costi operativi inferiori. Tra questi materiali, le Shape Memory Alloys (SMA) sono di grande interesse per la loro natura metallica e l'elevata resistenza. Il nitinolo è una lega di nichel e titanio, che generalmente si trasforma in due fasi distinte, chiamate austenite e martensite, imponendosi a stimoli esterni come il calore della luce solare. Nel dettaglio, il nitinol si contrae quando esposto al calore e produce una forza lineare. Manipolando questa caratteristica, questa tesi ha proposto un nuovo sistema dinamico e passivo per facciate di edifici che viene attivato dalle molle al nitinol. Inoltre, questo sistema è stato montato sull'involucro meridionale di un edificio famoso, chiamato Pardis-e-Mellat, che si trova a Teheran, in Iran. Le prestazioni di questo sistema dinamico sono state simulate e analizzate con precisione in alternativa all'attuale edificio non ombreggiato. D'altro canto, anche il sistema skin del progetto Al-Bahar viene confrontato con le prestazioni del sistema proposto, in cui i due sistemi sono simulati su una scatola da scarpe in cinque forme distinte open-to-close. Dopo un dettaglio preciso e una descrizione meccanica, seguiti da numerosi calcoli della forza e analisi dei costi, è stato chiaramente dedotto che il sistema passivo attivato dal nitinolo funziona meglio del sistema Al-Bahar e migliora anche notevolmente le prestazioni dell'edificio.