Comportamiento termomecánico de las estructuras termoactivas

Hosokawa Menéndez, Kenzo Jorge (2019). Comportamiento termomecánico de las estructuras termoactivas. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Edificación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.54503.

Description

Title: Comportamiento termomecánico de las estructuras termoactivas
Author/s:
  • Hosokawa Menéndez, Kenzo Jorge
Contributor/s:
  • Cobo Escamilla, Alfonso
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Edificación (UPM)
Department: Tecnología de la Edificación
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Las estructuras termoactivas son elementos constructivos que almacenan o liberan energía gracias a la incorporación de un tubo en el interior de su masa por el cual circula un fluido caloportador. Sus dos sistemas esenciales son los pilotes que intercambian energía con el terreno y las losas termoactivas que aprovechan su elevada inercia térmica como instalación de climatización del edificio para proporcionar un ambiente interior constante de alta calidad. La combinación de ambos sistemas, sumados a un diseño eficiente y sostenible de la edificación, permiten la reducción del agotamiento de los recursos naturales y de la contaminación asociada, gracias a la disminución del consumo de energía. A pesar del éxito de este tipo de instalaciones en países europeos como Austria, Suiza y Alemania, existen dificultades de implantación en otros países debido al impacto potencial de los ciclos de temperatura en la vida útil del edificio. Por esta razón, el objetivo del trabajo es estudiar el comportamiento global de las estructuras termoactivas desde los puntos de vista estructural, de materiales y térmico. En primer lugar, se ha realizado un estudio del comportamiento termomecánico de los pilotes termoactivos mediante el empleo de un modelo de transferencia de carga que incluye la carga térmica, para evaluar la influencia de las cargas térmica y mecánica, así como el diámetro del pilote, en los valores de deformación y carga total aplicada. Los resultados obtenidos muestran que los ciclos de enfriamiento y calentamiento de los pilotes modifican la interacción entre el pilote y el terreno, llegando a obtener incluso asientos diferenciales, si bien es cierto que los valores máximos de deformación observados se encuentran dentro de los parámetros de seguridad. No obstante, se sugiere la incorporación de la carga térmica en el dimensionado del pilote. También se ha realizado una campaña de probetas de hormigón que reproducen el ciclo térmico anual de una estructura termoactiva para caracterizar el comportamiento mecánico del hormigón a compresión, tracción indirecta y flexión a lo largo del periodo de servicio. Se ha descubierto que el hormigón sometido a ciclos térmicos reduce sus resistencias y deformaciones, de manera que es necesario tener en cuenta estos parámetros para el dimensionado de las estructuras. Posteriormente, se ha realizado una losa termoactiva sometida a incrementos de temperatura para estudiar el gradiente de temperaturas en el interior de su masa, lo que sirve a su vez de modelo de calibración de una simulación realizada en un programa de dinámica de fluidos computerizada. El análisis de la losa termoactiva revela que el coeficiente de conductividad térmica obtenido es inferior a los valores establecidos por otros autores, lo cual influye en los valores del rendimiento de la losa como intercambiador de energía. Además, el comportamiento no se adecúa a los modelos realizados, por lo que será necesario estudiar nuevos modelos que tengan en cuenta la evolución de la conductividad térmica en función de la temperatura. Finalmente se observa un comportamiento dinámico de las estructuras termoactivas en todas sus características, lo que nos indica, por un lado, que deben tenerse en consideración a la hora de dimensionar este tipo de estructuras y, por otro, que es necesaria una regulación que permita la ejecución de este tipo de elementos con todas las garantías. ----------ABSTRACT---------- Thermoactive building systems are constructive elements that store or release energy by the incorporation of a pipe inside its mass through which a heatcarrying fluid circulates. They can also be divided into two systems: the piles that exchange energy with the ground and the thermoactive slabs that take advantage of their high thermal inertia, working as an air-conditioning installation to provide a constant high-quality indoor environment. The combination of both systems, together with an efficient and sustainable design of the building, results in the reduction of energy consumption which means less depletion of natural resources and its associated pollution. Despite the success of this type of system in European countries such as Austria, Switzerland and Germany, there are implementation difficulties in other countries due to the potential impact of temperature cycles on the useful life of the building. For this reason, the aim of this work is to study the global behaviour of thermoactive structures from various points of view: from the structural level, to the material resistance and at its thermal aspects. Firstly, a study of the thermomechanical behaviour of thermoactive piles has been carried out using a load transfer model that includes the thermal load. The objective was to evaluate the influence of thermal and mechanical loads as well as the diameter of the pile, in the strains and total loads applied. The results obtained show us that the cooling and heating cycles of the piles modify the interaction between the pile and the ground. It has even provoked differential displacements, although it is true that the maximum deformation values observed were within the safety parameters. However, it is suggested to incorporate the thermal load into the pile dimensioning. A campaign has also been carried out with concrete specimens that reproduce the annual thermal cycle of a thermoactive structure to characterise the mechanical behaviour of the concrete under compression, indirect traction and flexion throughout the service period. It has been discovered that the concrete subjected to thermal cycles reduces its resistances and deformations values. This makes necessary taking into account these parameters for a correct dimensioning of the structures Subsequently, a thermoactive slab was subjected to temperature increases to study the temperature gradient inside its mass, serving in turn as a calibration model for a simulation, carried out in a computerised fluid dynamics program. The analysis of the thermoactive slab reveals that the thermal conductivity coefficient obtained is lower than the values established by other authors, which influences the performance values of the slab as an energy exchanger. In addition, the behaviour does not match the models made, so it will be necessary to study new models that consider the evolution of thermal conductivity as a function of temperature. Finally, it can be observed a dynamic behaviour of the thermoactive structures in all their characteristics, which must be considered when dimensioning this type of structures, suggesting also a regulation that allows the execution of this type of systems with all the guarantees.

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Item ID: 54503
DC Identifier: http://oa.upm.es/54503/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:54503
DOI: 10.20868/UPM.thesis.54503
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 02 Apr 2019 05:37
Last Modified: 01 Oct 2019 22:30
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