Συγκριτικός σχεδιασμός τυπικού κτιρίου ΟΣ με μεγάλα (ελαφρώς οπλισμένα) τοιχώματα για σεισμικές και ενεργειακές απαιτήσεις

Abstract

Τα πλεονεκτήματα της επιλογής τοιχωμάτων από οπλισμένο σκυρόδεμα για τον φέροντα οργανισμό μιας κατασκευής είναι γνωστά, γι’ αυτό άλλωστε είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη η χρησιμοποίηση τους σε κατασκευές για κάθε χρήση. Μέχρι πρότινος, πριν γίνει υποχρεωτική στη χώρα μας η χρήση των διατάξεων του Ευρωκώδικα όλα τα τοιχώματα ανεξάρτητα από τις διαστάσεις τους θεωρούνταν ότι συμπεριφέρονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο και συνεπώς οπλίζονταν με τον ίδιο τρόπο. Στον Ευρωκώδικα 8 όμως πλέον υιοθετείται διαφορετική προσέγγιση για τα τοιχώματα μεγάλων διαστάσεων, τα οποία ορίζονται ως μεγάλα ελαφρώς οπλισμένα τοιχώματα. Τα τοιχώματα αυτά συμπεριφέρονται διαφορετικά από τα πλάστιμα υπό τη δράση σεισμικών φορτίων και οπλίζονται με βάση διαφορετικές παραδοχές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται μια τυπική πολυκατοικία 5 ορόφων με πιλοτή στο ισόγειο, της οποίας το εξωτερικό περίβλημα αποτελείται εξ’ ολοκλήρου από διπλά τοιχώματα από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η στατική της μελέτη πραγματοποιείται με χρήση πεπερασμένων στοιχείων με το πρόγραμμα SAP2000. Τονίζεται ότι η στατική ανάλυση και η όπλιση των δομικών στοιχείων γίνεται σε φάση προμελέτης. Με αυτή τη διάταξη επιχειρείται να μελετηθεί όχι μόνο η σεισμική συμπεριφορά ενός φορέα με μεγάλα ελαφρώς οπλισμένα τοιχώματα, αλλά και τα πλεονεκτήματα στην ενεργειακή συμπεριφορά που οφείλονται, στη μεγάλη θερμική μάζα του σκυροδέματος. Για το λόγο αυτό εκτελείται μετά τη στατική μελέτη της κατασκευής η ενεργειακή της μελέτη, με τη χρήση του προγράμματος EnergyPlusκαι προσδιορίζεται η ετήσια κατανάλωση της ενέργειας που απαιτείται για την ψύξη και τη θέρμανση των εσωτερικών χώρων. Για λόγους σύγκρισης στη συνέχεια γίνεται μια πιο συνοπτική παρουσίαση και μελέτη μιας όμοιας γεωμετρικά κατασκευής, της οποίας ο φέρων οργανισμός αποτελείται εξ’ ολοκλήρου από πλαίσια οπλισμένου σκυροδέματος. Έπειτα επιχειρείται σύγκριση ανάμεσα στη σεισμική και ενεργειακή συμπεριφορά των δύο κατασκευών και στο συνολικό τους κόστος, το οποίο προκύπτει ως το αρχικό κόστος κατασκευής, το ετήσιο ενεργειακό κόστος και το κόστος αντισεισμικής προστασίας. Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελείται από 8 κεφάλαια: Στο κεφάλαιο 1 δίνονται τα δεδομένα για την μελέτη της κατασκευής, το προσομοίωμα ανάλυσης που χρησιμοποιείται και οι φορτίσεις που την καταπονούν. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναλυτικά η όπλιση των επιμέρους δομικών στοιχείων της κατασκευής με βάση τους Ευρωκώδικες 2 και 8. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται η προμέτρηση των δομικών υλικών που χρησιμοποιούνται και ο προϋπολογισμός του αρχικού κόστους κατασκευής. Στο κεφάλαιο 4 επιχειρείται η ενεργειακή μελέτη της κατασκευής και παρουσιάζονται τα δεδομένα που εισάγονται στο πρόγραμμα EnergyPlus για την εκτέλεση των ενεργειακών υπολογισμών.

The advantages of including reinforced concrete walls in the bearing system of a RC structure are well known, which is the reason why they are widely used in buildings of any use. Until recently, before the use of Eurocodes became mandatory in Greece, all RC walls were assumed as behaving in exactly the same way without taking their size into consideration. However in Eurocode 8 there is a different approach to the design of walls with large cross-sectional dimensions. These walls are defined as large lightly reinforced walls and their behavior under seismic loadsis different to ductile walls. Therefore the calculation of the reinforcement needed must take place using different analysis models. In the present thesis a typical 5-storey residential building is being studied. The external walls of this structure are assumed to consist of double RC walls, which have replaced the brick walls that exist in a conventional structure. This way it is attempted to study the effects of using large lightly reinforced walls in both the seismic behavior of the structure and also the energy consumption of the building, taking advantage of the high thermal mass of concrete. The seismic analysis of the structure is conducted using finite elements. The program which was chosen to carry out this analysis is SAP2000. However it has to be indicated that the study of the building is carried out at preliminary stage and cannot be considered as final. The energy analysis is conducted using Energy Plus, which determines the heating and cooling loads and the annual energy consumption of the building. In order for a comparison to be made another structure is being studied in a less detailed manner. This structure has the same geometry as before, but the bearing system consists of RC frames and the external walls consist of bricks. After the seismic and energy analysis of this structure a comparison is being made between the two constructions regarding their seismic behavior, their annual energy consumption and their total cost, which includes the initial cost of the construction, the annual energy cost and the cost of seismic protection. In the 1st chapter the structure with the large lightly reinforced walls is presented, along with the analysis model and the loads taken into consideration. In the 2nd chapter the elements of the structured are being reinforced according to Eurocodes 2 and 8. In the 3rd chapter the amount of concrete and steel is calculated and from these the cost of the construction is derived. In the 4th chapter the energy analysis is conducted. In the 5th chapter the conventional RC frame structure is presented and the cost of the construction is calculated. In the 6th chapterthe energy analysis of the conventional structure is conducted. In the 7th chapter the comparison of the two structures takes place. Finally the conclusions are presented in the 8th chapter.