Αριθμητική προσέγγιση της ταυτόχρονης μεταφοράς υγρασίας και θερμότητας στα κτιριακά στοιχεία από σκυρόδεμα υπό την επίδραση των περιβαλλοντικών συνθηκών και εκτίμηση του βάθους ενανθράκωσης
Creators: name: Γιαρμά, Χριστίνα Στ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2009
Subjects: Δείκτης πλαγίως πίπτουσας βροχής
Μεταφορά υγρασίας και θερμότητας
Σκυρόδεμα
Κτιριακά στοιχεία
Συνάρτηση αποθήκευσης υγρασίας
Βάθος ενανθράκωσης
Driving rain index
Moisture and heat transfer
Concrete
Building components
Moisture storage function
Carbonation depth

description: Στην εργασία μελετήθηκαν ζητήματα που σχετίζονται με την υγροθερμική συμπεριφορά των κτιριακών στοιχείων από σκυρόδεμα και με τον υπολογισμό του βάθους ενανθράκωσης. Κεντρικός στόχος της ερευνητικής προσπάθειας ήταν η ανάπτυξη και η μεταφορά σε Η/Υ μιας μεθόδου υπολογισμού της ταυτόχρονης μεταφοράς θερμότητας και υγρασίας στα κτιριακά στοιχεία σκυροδέματος υπό την επίδραση των κλιματικών συνθηκών, η οποία παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα και βασίζεται σε σχετικά ολιγάριθμες παραμέτρους. Στο πλαίσιο του καθορισμού των ορίων του πεδίου εφαρμογής αυτής της μεθόδου υπολογισμού διαπιστώθηκε η έλλειψη εκτιμήσεων σχετικά με το βαθμό έκθεσης των κτιριακών στοιχείων σε υγρασία στην Ελλάδα. Με αφορμή αυτή τη διαπίστωση πραγματοποιήθηκε, με χρήση διεθνώς αποδεκτών δεικτών, η εκτίμηση του βαθμού έκθεσης των στοιχείων ανωδομής σε πλαγίως πίπτουσα βροχή, αλλά και γενικότερα σε υγρασιακή επιβάρυνση, σε αρκετές, διασπαρμένες σε όλη την Ελλάδα, περιοχές. Η μέθοδος υγροθερμικής ανάλυσης που τελικά αναπτύχθηκε υπολογίζει την ταυτόχρονη μονοδιάστατη μεταφορά υδρατμών και θερμότητας σε μονοστρωματικά στοιχεία σκυροδέματος. Η συνάρτηση αποθήκευσης υγρασίας στο σκυρόδεμα, δηλαδή η σχέση μεταξύ της σχετικής υγρασίας αέρα και της περιεχόμενης στο σκυρόδεμα υγρασίας, παίζει σημαντικό ρόλο σε τέτοιους υπολογισμούς. Με βάση πειραματικά δεδομένα που καταγράφονται στη βιβλιογραφία διατυπώθηκαν δύο νέες, ανεξάρτητες μαθηματικές συναρτήσεις για την έκφραση της σχέσης μεταξύ της περιεχόμενης στο υλικό υγρασίας και της σχετικής υγρασίας αέρα: η πρώτη είναι μια συνάρτηση με τρεις κλάδους και εφαρμόζεται για κάθε τιμή σχετικής υγρασίας, ενώ η δεύτερη είναι μια πολυωνυμική συνάρτηση πέμπτου βαθμού που ισχύει για τιμές σχετικής υγρασίας φ≥40%. Η εφαρμογή των δύο σχέσεων για κάποιο σκυρόδεμα βασίζεται αποκλειστικά σε δύο παραμέτρους αυτού του σκυροδέματος: τις τιμές περιεχόμενης υγρασίας που αντιστοιχούν σε κατάσταση ελεύθερου κορεσμού (σχετική υγρασία 100%) και σε σχετική υγρασία αέρα 80%. Οι συντελεστές της πολυωνυμικής συνάρτησης προσδιορίζονται μέσω ενός προγράμματος Η/Υ που αναπτύχθηκε γι’ αυτό τον σκοπό και ονομάστηκε COPOMOS F5. Στη μέθοδο που αναπτύχθηκε στην εργασία για τον υπολογισμό της ταυτόχρονης μεταφοράς υδρατμών και θερμότητας σε μονοστρωματικά κτιριακά στοιχεία σκυροδέματος χρησιμοποιείται η πρώτη σχέση. To μαθηματικό υπόβαθρο αυτής της μεθόδου αποτελείται από ένα σύστημα δύο ισχυρά συζευγμένων, μη γραμμικών μερικών διαφορικών εξισώσεων, η μία από τις οποίες εκφράζει τη μεταφορά και αποθήκευση θερμότητας και η άλλη τη μεταφορά και αποθήκευση υγρασίας στα κτιριακά στοιχεία σκυροδέματος. Το σύστημα πλαισιώνεται από τις οριακές συνθήκες και επιλύεται με τη διακριτοποίηση των διαφορικών εξισώσεων στο χώρο (μέθοδος στοιχειωδών αντιπροσωπευτικών όγκων) και στο χρόνο (πλήρως πεπλεγμένο σχήμα). Η προτεινόμενη μέθοδος, η οποία –όπως αποδείχθηκε– παρέχει ακριβή αποτελέσματα, μεταφέρθηκε σε Η/Υ. Έτσι διαμορφώθηκε το προτεινόμενο πρόγραμμα υγροθερμικής ανάλυσης, το οποίο αναπτύχθηκε σε περιβάλλον λογιστικού προγράμματος με χρήση μακροεντολών (γλώσσα προγραμματισμού: Visual Basic) και ονομάστηκε ΥΜΘΥΣ. Τέλος, διατυπώθηκε μια υπολογιστική μέθοδος για την εκτίμηση του βάθους ενανθράκωσης στο σκυρόδεμα με βάση τα αποτελέσματα του υπολογισμού της μεταφοράς υγρασίας και θερμότητας στα στοιχεία σκυροδέματος. Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου, η οποία παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα, βασίζεται στο συνδυασμό ενός απλοποιημένου τύπου υπολογισμού του βάθους ενανθράκωσης συναρτήσει του χρόνου, ο οποίος διαμορφώθηκε βάσει ενός γνωστού μοντέλου, και μιας συνάρτησης που διαμορφώθηκε για να εκφράσει την επίδραση της σχετικής υγρασίας στην ταχύτητα εξέλιξης της ενανθράκωσης στο σκυρόδεμα
description: In this thesis, issues related to the hygrothermal performance of building components made of concrete and to the calculation of carbonation depth are studied. The research effort’s central target was the development of a method and of the corresponding PC program for the calculation of the simultaneous heat and moisture transfer in concrete building components under the influence of climatic conditions; this method provides reliable results and is based on relatively few parameters. In the context of the determination of this method’s application boundaries, a gap relatively to the estimation of building components’ exposure levels to moisture in Greece was discovered. This observation occasioned the estimation, with the use of internationally accepted indices, of building components’ exposure levels to driving rain and, generally, to hygric loading, at several locations spread over Greece. The finally developed hygrothermal analysis method calculates the simultaneous one-dimensional heat and vapor transfer in concrete (single-layered) building components. The concrete’s moisture storage function, i.e. the relationship between air relative humidity and concrete’s moisture content, plays an important role in such calculations. Based on experimental data found in literature, two new, independent of each other, mathematical relationships were formulated for the expression of the relationship between air relative humidity and concrete’s moisture content: the first one is a function with three branches and can be applied for any value of relative humidity, while the second one is a 5th degree polynomial function, effective for relative humidity φ≥40%. These relationships’ application for a concrete is based on only two parameters of this concrete: the moisture content values corresponding to free saturation state (relative humidity 100%) and to air relative humidity 80%. The polynomial function’s coefficients are determined using a PC program, developed for this purpose and named COPOMOS F5. In the method developed for the calculation of the simultaneous one-dimensional heat and vapor transfer in concrete (single-layered) components, the first relationship is used. This method’s mathematical base consists of a set of two strongly coupled, non-linear, partial differential equations, one standing for heat storage and transfer and the other for moisture storage and transfer inside concrete building components. Accompanied by the boundary conditions, this set is solved with the discretisation of the differential equations in space (representative elementary volume method) and in time (fully implicit scheme). On the basis of the proposed method, which provides –as proved– accurate results, the proposed hygrothermal analysis PC program, named ΥΜΘΥΣ, was developed in a spreadsheet program’s environment with the use of macros (programming language: Visual Basic). Finally, a calculative method for the estimation of the carbonation depth in concrete, on the basis of heat and moisture transfer in concrete components calculation results, was developed. The application of this method, which provides reliable results, is based on the combination of a simplified equation, derived from a well-known model, for the calculation of the carbonation depth as a function of time, and of a function that was formulated to express the influence of relative humidity on the velocity with which the carbonation process progresses in concrete