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Nowadays, society is becoming increasingly conscious of the adverse effect of energy use on the environment, contributing to the depletion of fossil fuels and increasing global warming. Because of the substantial contribution of building energy to these concerns, the intention should be not only to improve building energy efficiency but also to promote the use of renewable technologies, especially solar energy. Today building-integrated photovoltaic (BIPV) and building-integrated solar thermal (BIST) technologies are recognized by building designers as innovative technology for clean energy and greenhouse gas reduction, especially in cities, where multi-story buildings are dominant with limited roof area.
For the Mediterranean area, the high level of solar radiation and plentiful sunny hours make it appropriate for solar system installation, however, the development of solar energy is still limited. Moreover, due to the high population growth rate, lack of local resources, high energy price, and urbanization, one of the priorities in the Mediterranean area is to promote the energy efficiency of the building both on the supply side and demand side.
Therefore, this research aims to investigate the potential of installation of the photovoltaic (PV) and solar thermal (ST) technologies in the new multi-family residential building envelope in the Mediterranean area, taking Amman, Jordan, as a case study. The focus of this research is on the typical multi-family residential buildings in Amman, as it is the city where about 50% of the new construction in Jordan is taking place, and the residential buildings are the major consumers of energy and electricity in Jordan. The multi-family buildings also form about 75% of the total housing stock in Jordan. The typical multi-family building studied here is composed of five main floors, contains ten residential apartments; the area of each apartment is 150 m2. It is assumed that the building is located in a common residential urbanized zone in Jordan, with 6 m sides offset and 8 m back offset, assuming that one side is facing the main street, and all the buildings have a maximum allowable height of 15 m. All the architectural parameters related to the multi-family buildings have been defined through analyzing the residential building stock in Jordan.
In order to achieve the research aim, the possibility of reducing the energy demand of the typical multi-family building in Amman, Jordan, through passive and architectural design strategies was firstly investigated. After that, different performance criteria were evaluated, mainly quantitative criteria including energy consumption, energy production, and life cycle assessment (energy, carbon, cost). In addition to the qualitative criteria, including visibility and functionality, the purpose here is to emphasize the substantial function of BIPV systems. Each performance criterion was assessed alone. Then, all the performance criteria results were presented in a decision support matrix, which can be used as a comparison to evaluate and identify the solar system's application of choice, based on the criteria of the user. Moreover, a new energy index was formulated to evaluate the overall annual energy performance of BIPV design in terms of multifunctional effects on building energy.
Different methods were adopted in this research; the qualitative criteria were evaluated based on the literature review analysis, while the quantitative criteria were evaluated by using different simulation software, previous literature review, and spreadsheet calculations.
Literature review analyses were conducted in order to identify the relevant possibilities and the aesthetical solution the market offers, and the multiple benefits for PV and ST integration. The knowledge acquired from this part played a significant role in choosing and designing the proposals of PV and ST installation into the multi-story building envelope. Regarding the simulation studies, different building and energy simulation software was used to simulate and optimize the energy performance of the typical multi-family building in Amman, Jordan, through passive and architectural design strategies, as well as to find out the optimum design of the energy system in terms of energy performance (energy demand of the system, and solar energy fraction), and to investigate the energy-saving potential of PV and ST systems with various designs (tilt angles, azimuth, installed area, etc.). For the building energy simulation, each zone in the building was modeled as a space of its own. The energy demand was calculated on an hourly basis for a period of a whole year. The results from the simulation analysis, related literature and guidelines were adopted to conduct a life cycle assessment through spreadsheet calculation, to determine the long-term performance in terms of energy and carbon emissions, as well as cost considerations, taking into account the current market practice. The cradle-to-grave approach was adapted for the environmental life cycle assessments.
The general conclusion of this research is that installing the PV modules into the multi-family buildings envelope in Amman, Jordan, makes a positive contribution in terms of energy performance, as PV systems can cover up to 97% of the new building electricity demand when they are installed on both the roof and south façade, and up to 43% is covered by installing the PV modules into the south facade. Regarding the environmental life cycle assessment, the results proved the carbon saving potential of all the proposed PV systems, as the energy payback time (EPBT) is between 1.5- 3.5 years and the carbon payback time (CPBT) is between 3.4- 7.8 years. However, for the life cycle cost assessment the result showed that due to high capital cost and low cost of electricity, neither system is currently feasible for investment, as the payback time (PBT) is between 9.0- 16 years. However, with future advances in each system and more efficient designs, the payback periods would become tangible and therefore yield better performances. Lastly, the results were used to derive a decision support matrix aimed at providing a friendly approach to facilitate the implementation of solar building applications.
Im Zentrum der Arbeit steht das zweischalige Verblendmauerwerk, das sowohl Ziegel mit hohen Rohdichten als auch Ziegel mit niedrigen Rohdichten im Querschnitt
aufweist. Diese Ziegel übernehmen die Funktionen des Wetterschutzes (äußerer Verblendziegel) als auch der Dämmung und des Tragens (innerer Leichthochloch-ziegel).
Anhand von sieben Gebäuden, die zwischen 1997 und 2013 in Deutschland und der Schweiz realisiert wurden, werden verschiedene Arten des Verblendmauerwerks ohne Dämmstoffe dokumentiert und die diversen konstruktiven Aufbauten in diesem Zeitraum analysiert.
Die Forschung und Entwicklung von Werkstoffen wird anhand des Ziegels von 1945 bis 2013 beschrieben. Dazu liefert die Patent-, Zulassungs- und Normenliteratur aus dieser Zeit die Grundlage. Es wird aufgezeigt, dass die Entwicklung von Ziegeln ausschließlich auf die Senkung der Wärmeleitfähigkeit ausgerichtet und vom jeweiligen wirt-schaftlich-politischen Rahmen abhängig war.
Mit hygro-thermischen Simulationen unter komplexen realistischen Bedingungen wird der dynamische Wärmedurchgangskoeffizient von drei konstruktiven Grundtypen mit dem Programm WUFI® Pro des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik ermittelt. Dabei werden Ziegelfarbe, Ausrichtung der Gebäude, die realen Wetterverhältnisse am Standort Hannover sowie eine Vielzahl von Materialkennwerten in die Simulation
einbezogen. Die stationären U-Werte hingegen werden nur anhand der Wärmeleit-fähigkeit und der Schichtdicke kalkuliert.
Die hygro-thermischen Simulationen ermöglichen eine feuchtetechnische Optimierung der Konstruktionen durch die Verwendung von Klinkern statt Ziegeln und dadurch eine Senkung des dynamischen U-Wertes. Weiterhin wird erläutert, dass die dynamischen U-Werte eine hohe Abhängigkeit von denen in der Architektur wichtigen Parameter Ziegelfarbe, Ausrichtung der Gebäude und Konstruktion aufweisen – allerdings nicht bei allen Konstruktionen.
Abschließend wird die Anwendung von dynamischen U-Werten in der architek-tonischen Praxis erprobt. Anhand von fünf prototypischen Fällen werden die Möglich-keiten und Konsequenzen der Anwendung von dynamischen U-Werten dargelegt.
Es wird ersichtlich, dass einerseits durch die gezielte Kombination der Himmelsrichtung und der Ziegelfarbe der dynamische U-Wert und damit auch der Wärmestrom durch die Außenwand steuerbar wird. Andererseits führt die konsequente Verwendung von dynamischen U-Werten zu einem Spektrum von U-Werten an einem einzigen Gebäude; dies gilt für den Fall, dass das Gebäude mit nur einer Ziegelfarbe und einer Konstruktion erstellt wurde. Wenn ein einheitlicher U-Wert erreicht werden soll, führt dies zu einer Vielzahl von Farben und Konstruktionen an einem Gebäude.
Insgesamt lässt sich die Verwendung von dynamischen U-Werten nicht einheitlich beurteilen. Dynamische Simulationsmethoden sollten berücksichtigt werden, um das hygro-thermische Verhalten von Konstruktionen exakter bewerten und den Feuchtegehalt der Konstruktion gezielt optimieren zu können.
Die Anwendung der dynamischen U-Werte in der energetischen Beurteilung ist nur für die recht selten verwendeten Konstruktionen mit Luftschicht sinnvoll, da diese tatsächlich präziser dargestellt werden. Die praktische Anwendung ist jedoch aufwändig und zudem ist die architektonische Gestaltung von den U-Werten abhängig – diesmal von den dynamischen.
Membranversteifte Tragwerke
(2015)
Die Arbeit "Membranversteifte Tragwerke" befasst sich mit dem Tragverhalten von membranversteiften Tragwerken. Membranen tragen äußere Lasten über Zugkräfte ab und werden aufgrund ihres geringen Eigengewichts oft im Leichtbau und für große Spannweiten verwendet. Bei Anwendungen im Bauwesen werden Membranen in der Regel multifunktional eingesetzt und dienen sowohl als Tragelement als auch als Wetterschutz. In Anlehnung an Anwendungen wie Segel oder als Hüllmaterial für Luftschiffe werden in membranversteiften Tragwerken die Membranen ausschließlich als tragendes Element eingesetzt. Dies ermöglicht eine freie Anordnung der Membranen und eine monofunktionale Optimierung für das Tragverhalten.
In membranversteiften Tragwerken bildet die Membran mit weiteren Druck-, Zug- und Biegeelementen ein hybrides Tragwerk. Die Membran ist dabei unverzichtbarer Teil des Tragwerks, ohne die die Tragfähigkeit nicht gegeben oder deutlich herabgesetzt ist. Während bei linearen Zugelementen die Kräftepfade vorgegeben sind, ermöglichen Membranen durch ihre zweidimensionale Geometrie eine freie Einstellung der Kräftepfade. Die Membranen können auch ohne Krümmung eingesetzt werden und sind in der Regel einachsig beansprucht. Das Tragwirkung der Membran kann nach dem Prinzip der Formstabilisierung oder dem Prinzip der Kopplung beschrieben werden: Das Prinzip der Formstabilisierung wirkt den Verformungen des Gesamtsystems entgegen. Beim Prinzip der Kopplung stellt die Membran eine kraftübertragende Verbindung zwischen zwei Tragelementen her und erzeugt einen zusammengesetzten Querschnitt. Meist überlagern sich beide Tragprinzipien.
Als Anwendungen werden ein membranversteifter Bogen, eine membranversteifte Stütze und ein membranversteifter Träger untersucht. Die Untersuchungen erfolgen sowohl numerisch als auch experimentell. Die äußere Belastung, die Geometrie und Anordnung der Struktur, die Materialsteifigkeit der Membran und der übrigen Tragelemente, die Orientierung der orthotropen Membran, der Randanschluss der Membran und eine Vorspannung der Membran beeinflussen sich gegenseitig. Die Interaktion und der Einfluss der einzelnen Parameter werden beschrieben. Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen verschiedenen membranversteiften Strukturen werden aufgezeigt. Die vorliegende Ergebnisse ermöglichen ein tieferes Verständnis über das Tragverhalten membranversteifter Tragwerke.
This thesis investigates and describes the design and structural behaviour of elastic gridshells. Elastic gridshells are shell structures composed of a single- or multi-layer grid of continuous profiles, which are initially straight and will be progressively bent until achieving an architecturally and structurally satisfactory geometry. Usually used as medium to large span surface structures, elastic gridshells present a wide variety in their surface geometry, grid configuration and materiality. One important structural criterion of elastic gridshells is the high residual stress to which they are subjected after the bending process. Using materials with high limit strain, the residual utilisation rate can be reduced. In the first part of the work, the structural aspects to be considered on the design procedure of elastic gridshells are described and identified on existing design approaches. Then, the mechanical properties of available materials, suitable for elastic gridshells, have been compared and application examples have been presented and illustrated.
Elastic gridshells offer significant cost and time advantages during the production, transport and construction processes. Nevertheless, the shaping of the initially flat grid also generates important bending stresses on the structures, reducing therewith their bearing capacity against external loads. In order to diminish the initial stresses, profiles with low sections and materials with low modulus of elasticity are usually chosen. However, this leads to a reduction of the global stiffness of the gridshell which can result in stability problems. With an optimisation of the grid pattern - orientation and arrangement of the grid profiles - a minimisation of the profiles’ curvature can be obtained and the load-bearing capacity of the gridshells improved. In the second part of the thesis, an optimisation method based on variational principles for regular and irregular gridshells is proposed and different case studies presented. The aim of using variational principles is to establish extremal functions which minimize the value of quantities related to particular grid properties. These properties are: the curvature of the profiles, the distance to a target surface geometry and the deviation of the edge lengths from a desired mesh size. The advantage of this method is that weighting factors can be applied to the grid parameters to be minimised, so that a variety of grid configurations can be established responding to different specific requirements.
The bending process and load-bearing behaviour of elastic gridshells can be analysed using three-dimensional finite element models. During the shaping of the profiles, internal forces are induced on the structure, so that the final equilibrium shape of the gridshell will be attained once its edges have been fixed, the bracing elements have been assembled and the external shaping forces have been removed. The goal of the numerical analysis is to quantitatively evaluate the geometry and material stresses resulting from the shaping process and the load-bearing capacity of the gridshell under external loading. In the third part of the thesis, the influence of the orientation and arrangement of the grid profiles on the residual stresses after erection process and on the distribution of forces and deformability of the gridshell under external loading are analysed on three regular anticlastic gridshells with varying grid pattern. Moreover, the potential and limitations of using tensile membranes as restraining and at the same time covering element of elastic gridshells are studied on a hemispheric regular elastic gridshell.
Numerical techniques are commonly used for the calculation of stress distributions and displacements of complex indeterminate bearing structures. Nevertheless, to model the elements they are composed of and the connection properties between them, simplifications and approximations are done. The purpose of the fourth and last part of the work is to analyse the influence of these simplifications on the results of the simulation and thereby recalibrate and benchmark the numerical models with physical prototypes. Two gridshells composed of GFRP profiles have been built: an irregular hemisphere of 10 m diameter, braced with a third layer of profiles, and a regular hemisphere of 5 m diameter, restraint with a tensile membrane. The prototypes have been loaded symmetrically and asymmetrically applying point loads at the grid nodes and the resulting nodal displacements have been compared to those calculated with the numerical models.