BYGNINGENS KONSTRUKTION OG ENERGIFORBRUG

Transkript

1 STUDIEVEJLEDNING FOR BYGGERI OG ANLÆG 4. SEMESTER TEMA: BYGNINGENS KONSTRUKTION OG ENERGIFORBRUG B-studienævnet Aalborg Universitet Januar 2010

2 STUDIEVEJLEDNING FOR BYGGERI OG ANLÆG, 4. SEMESTER TEMA: BYGNINGENS KONSTRUKTION OG ENERGIFORBRUG Indholdsfortegnelse Side 0. INDLEDNING GENERELT OM B Projektenhedens indplacering i studieforløbet Hvad siger studieordningen... 4 Projektenhedsbeskrivelse Projektenhedens indhold PROJEKTBESKRIVELSE FAGLIGT INDHOLD Konstruktion Indeklima og Energi - Bygningsenergiteknik Projektenhedskurser STUDIEENHEDSKURSER TERMINER Aalborg Universitet, januar

3 0. INDLEDNING Denne studievejledning gælder for Byggeri og Anlæg, 4. semester Vejledningen supplerer studieordningens projektenhedsbeskrivelse. Studievejledningen er tænkt som en støtte til både studerende og vejledere i forbindelse med planlægningen og gennemførelsen af projektarbejdet. Det er i beskrivelsen anført, inden for hvilke rammer de studerende selvstændigt kan formulere problemer og fremkomme med løsningsforslag. Ved at følge vejledningen vil de studerende gennemløbe et projektforløb, som efter studienævnets mening er hensigtsmæssigt, og som erfaringsmæssigt fører til et rimeligt projekt, der giver den studerende baggrund for at kunne opfylde de for projektenheden opstillede mål. Det anbefales derfor, at vejledningen inddrages systematisk i den indledende fase af projektperioden, hvor projektidéer overvejes, og hvor projektforløbet fastlægges gennem problemafgrænsning og metodevalg og udarbejdelse af arbejds- og tidsplaner. Også senere i semesteret, hvor grupperne har et større fagligt overblik, bør vejledningen udnyttes både ved disponeringen af projektrapporten og ved den konkrete afgrænsning af indholdet. For at skaffe overblik over arbejdets gang anbefales det desuden, at de enkelte projektgrupper afholder et eller flere statusseminarer undervejs i projektforløbet. I disse seminarer kan vejlederne inddrages efter nærmere aftale. På studienævnets hjemmeside findes studieordning, studievejledning, skema m.m. Adressen er: 1. GENERELT OM B PROJEKTENHEDENS INDPLACERING I STUDIEFORLØBET 3. og 4. semesters projektenheder udgør, sammen med studieenhedskurserne, fællesdelen af B-sektorens uddannelser. På disse semestre introduceres nogle af de fag og metoder, som er fælles for hele B-området. Dette betyder, at den studerende efter 4. semester har en faglig bredde, som den enkelte får mulighed for at uddybe i det videre studieforløb, gennem valg af specialiseringsgren efter 4. semester. 3

4 Projektet på 4. semester omhandler bygningens konstruktion og energiforbrug, og der introduceres fagområder, der giver den nødvendige grundlæggende viden i forbindelse hermed. Det drejer sig om statik, beregning af bygningskonstruktioner af træ og beton, hygrotermisk bygningsfysik og bygningssimulering samt beregning af bygningers energibehov. Desuden anvendes digitale bygningsmodeller som grundlag for de enkelte fagdiscipliner og til støtte af samarbejdet mellem byggeprocessens aktører. I forbindelse med semesterets studieenhedskurser gives indføring i geoteknik og differentialligninger HVAD SIGER STUDIEORDNINGEN Studieordningen giver følgende: Tema: Bygningens konstruktion og energiforbrug The building structure and energy consumption Projektenheden sigter mod, at den studerende tilegner sig viden og færdigheder, der gør det muligt at kunne foretage projektering af bygningers bærende konstruktioner og klimaskærm samt beregning af bygningers energiforbrug. Desuden behandles anvendelsen af digitale bygningsmodeller inden for byggeprocessens fagområder. Mål: Efter projektenhedens forløb skal den studerende kunne: benytte korrekt fagterminologi beskrive og formidle de opnåede resultater på en forståelig måde i en endelig projektrapport forstå konstruktionsfaglige principper og teorier for projektering af konstruktioner i beton og træ anvende metoder til udformning og beregning af konstruktioner i beton og træ analysere bygninger med henblik på valg af konstruktionsmateriale forstå og anvende metoder til klimateknisk analyse af en bygning, herunder varme- og fugttransport analysere bygninger med henblik på minimering af energiforbrug, blandt andet ved udnyttelse af dagslys forstå principielle forskelle mellem forskellige typer af digitale bygningsmodeller og dokumentere kendskab til væsentlige standarder inden for området anvende digitale bygningsmodeller og redegøre for centrale problemstillinger vedrørende modelsamarbejde i byggeprocessen 4

5 Projektet tager udgangspunkt i et konstateret behov for et større nybyggeri som f.eks. et kombineret bolig- og kontorbyggeri, enten i et nyt byområde eller i et eksisterende byområde med dertilhørende renovering, fornyelse eller udskiftning af eksisterende bygninger eller bygningsdele. Der projekteres udvalgte dele af den bærende konstruktion i henholdsvis beton og træ, således at gældende normer for projektering af konstruktioner opfyldes. Der projekteres en klimaskærm, som opfylder myndighedernes krav til funktion og energiforbrug. Der foretages en klimateknisk analyse af bygningen og bygningens energiforbrug beregnes og optimeres. I forbindelse med projekteringen anvendes digitale bygningsmodeller, og det belyses, hvorledes informationsteknologien kan støtte samarbejdet mellem byggeprocessens parter. Prøve: Ekstern individuel mundtlig prøve med karakter efter 7-trins-skalaen. Kurser: I forbindelse med projektenheden kan afholdes følgende PE-kurser: Statik III Betonkonstruktioner Trækonstruktioner Hygrotermisk bygningsfysik Bygningers energibehov Hygrotermisk bygningssimulering Instruktioner: EN Workshop i bygningmodellering Uden for projektenheden afholdes følgende SE-kurser: Differentialligninger Geoteknik 1.3. PROJEKTENHEDENS INDHOLD Projektenheden består af 14 ECTS projektarbejde og 11 ECTS projektenhedskurser, i alt 25 ECTS, hvortil kommer 5 ECTS studieenhedskurser. Vedrørende kursusbeskrivelser for projektenhedskurser henvises til afsnit 3.3. Studieenhedskurserne er beskrevet i afsnit i studieordningen. 5

6 Projektet består af to ligeligt vægtede hovedområder: Konstruktion Indeklima og Energi Under projektarbejdet og specielt i skitseprojekteringsfasen arbejdes der integreret med de to hovedområder, således at der ved udformning og valg af konstruktioner tages hensyn til både bærende og hygrotermiske funktionskrav. Man kan således ikke forvente, at man kan færdiggøre ét område, før man begynder på et andet, dertil er den indbyrdes afhængighed for stor. Projektet gennemføres med en vægtning mellem fagområderne Konstruktion/Indeklima og Energi på 50/50. Fra og med dette semester er det obligatorisk for B4 at aflevere projektet delvist elektronisk (øvrige studerende får valgmuligheden). Når denne afleveringsform benyttes, skal der fortsat afleveres en trykt hovedrapport, mens bilag/appendiks afleveres elektronisk. Den nye struktur forsøges tilnærmet ekstern praksis og indeholder følgende: Hovedrapporten skal være kortere, end den samlede rapport er i dag. Den skal stadig være gennemarbejdet, sammenhængende og struktureret. Hovedvejleder skal sammen med de studerende vurdere hvilket omfang, der er rimeligt for hovedrapporten. Et udgangspunkt kunne være maksimalt ca. 100 sider. Dette niveau forventes justeret over tid, efterhånden som der opsamles erfaringer med den nye form. Bilag/appendiks skal også være strukturerede, men behøver ikke at være gennemarbejdede eller sammenhængende, fx må der meget gerne indgå (indskannede) håndskrevne beregninger. Dog er det et naturligt krav, at alt er læsbart og fremstår, så vejleder og censor kan vurdere indholdet. Alle dele af semesterets afrapportering såvel trykt som elektronisk materiale - skal indgå i vurderingen. Hvis alle parter er indforståede (dvs. alle studerende i projektgruppen, alle projektgruppens vejledere og censor), kan der afleveres 100% elektronisk. Bemærk at kravene til upload af alle projekter i Det Digitale Projektbibliotek gælder for alle studerende uanset afleveringsformen (se vejledning på byggeri.aau.dk). Den nye afleveringsform indføres rullende, således at det nu er obligatorisk for B4. 2. PROJEKTBESKRIVELSE Som projektgrundlag er der udvalgt en eller flere større nybyggerier som f.eks. et kombineret bolig- og kontorbyggeri. Projektarbejdet tager sit udgangspunkt i en digital model, hvoraf bl.a. fremgår hovedtrækkene i den konstruktive udformning. Der er således mulighed for flere forskellige alternative konstruktive udformninger og udførelsesmetoder for såvel bygningens 6

7 bærende konstruktioner og klimaskærm. Udformning og valg af bygningens klimaskærm, og her specielt type og størrelse af vinduer, har helt afgørende betydning for bygningens energiforbrug. Forslag til konstruktiv udformning og bygningens klimaskærm præsenteres ved hjælp af skitser og vurderes mht. udførelse, samt hvorledes løsningsforslaget for bygningen opfylder bygningsreglementet - BR FAGLIGT INDHOLD Der stilles mange forskellige funktionskrav til en bygning, hvorfor det kræver kendskab til flere faglige discipliner at gennemføre en fyldestgørende projektering. På dette semester er det specielt områder inden for bærende konstruktioner og indeklima og energi, der er i fokus. I forbindelse med projekteringen anvendes digitale bygningsmodeller, således at informationsteknologien kan støtte samarbejdet mellem byggeprocessens parter. Projektets generelle mål er at give de studerende lejlighed til at arbejde med nogle ingeniørmæssige teorier og metoder, som er grundlæggende for det videre studium på B-sektoren. Endvidere skal der anvendes digitale bygningsmodeller gennem projektforløbet og i projektrapporten til: dokumentation af bygningens klimaskærm og bærende konstruktion kollosionskontrol overførelse af information om bygningens geometri til analyseværktøj uddragning af detaljetegninger 3.1 KONSTRUKTION Arbejdets omfang Arbejdet skal omfatte projektering af bærende konstruktioner inden for beton- og trækonstruktioner. Dette vil normalt omfatte skitseprojektering af hele den betragtede konstruktiondel og detailprojektering af udvalgte dele både i træ og beton. Trædelen kan typisk omhandle en tagkonstruktion, og betondelen typisk en kælderkonstruktion støbt på stedet. Resten af bygningen kan udelades af analysen, men en eventuel ydervæg bør skitseprojekteres i det omfang, hvor ydervæggens konstruktive egenskaber influerer på det klimatekniske. Ydervægge, der kan indgå i en skitseprojektering, kan f.eks. være ydervægge med muret bagmur eller ydervægge opbygget af trækasetter på in situ støbte betonrammer. Skitseprojektering Skitseprojektering gennemføres med det formål at sandsynliggøre, at byggeriet kan gennemføres. Derfor bør skitseprojektering normalt omfatte alle væsentlige elementer og samlinger i den betragtede bygningsdel. Hvis ikke skitseprojekteringen omfatter alt, bør der beskrives 7

8 hvorledes der er afgrænset. Da der blot er tale om en sandsynliggørelse, er det normalt ikke nødvendigt at følge normregler eller benytte nøjagtige analyser. Normalt vil det for en enkelt konstruktionsdel være tilstrækkeligt at gennemføre en overslagsmæssig fastlæggelse af 1. Et enkelt væsentligt lasttilfælde (f.eks. egenvægt og sne) 2. Væsentlige snitkræfter 3. Tilsvarende tværsnit/bæreevner 4. Bæreevne for stabilitetssvigt 5. Den/de væsentligste samlinger Det vil være mest praktisk at starte med trædelen, idet næsten al skitseprojektering kan gennemføres på baggrund af analyser foretaget med den basisviden, der er erhvervet i Statik 2 kurset fra 3. semester. For trædelen kan det f.eks. være relevant at betragte 2-3 forskellige spærtyper. Det kan også være relevant at se på indflydelsen af forskellige understøtningsforhold eller samlinger. De tilhørende tegninger udføres som principskitser, der viser, hvorledes samlinger og understøtninger tænkes udført. Hver gruppe designer, fremstiller og tester i laboratoriet en samling efter nærmere aftale med vejleder og laboratorium. Der udføres et forsøg med samlingen, og efterfølgende foretages en sammenligning imellem de bæreevner der har været tilstræbt ved dimensioneringen og den bæreevne, der er observeret ved forsøget. For betondelen kan det f.eks. være relevant at betragte en kælderkonstruktion, f.eks. et dæk med tilhørende bjælke/søjler eller et hovedsystem bestående af in situ støbte betonrammer. I førstnævnte tilfælde kan der ses på 2-3 forskellige variationer af bjælke/søjle konstruktionen. I det sidstnævnte tilfælde kan der ses på indflydelsen af forskellige understøtningsforhold for rammekonstruktionen, eller på indflydelsen af afstivende vægge. De tilhørende tegninger udføres som principskitser, der viser armeringsføring, samlinger og understøtninger. Både for trædelen og for betondelen kan konstruktionens egnethed vurderes ud fra materialeforbrug eller ud fra, hvorledes konstruktionstypen influerer på bygningens anvendelsespotentiale. Der kan også vælges andre kriterier, som kan tænkes at indgå i en bygherres overvejelser. Detailprojektering Detailprojektering gennemføres for at dokumentere, at gældende regler er overholdt og for at dokumentere hvorledes konstruktionen skal udføres. Det er derfor essentielt, at analyser gennemføres iht. gældende normer, og at tegninger udføres efter gældende standarder med angivelse af alle nødvendige mål. Trædelen omfatter f.eks. dimensionering af væsentlige elementer i trækonstruktionen og 8

9 mindst 2 samlinger, idet nu i princippet alle relevante lastkombinationer inddrages. De tilsvarende tegninger kan f.eks. bestå af en oversigtstegning i mål 1:50 og detailtegninger af de dimensionerede samlinger i mål 1:5. Betondelen omfatter f.eks. dimensionering af en betonplade med tilhørende bjælke og søjle. De tilsvarende tegninger kan f.eks. bestå af oversigtstegninger i plan og lodret snit i mål 1:50, samt armeringstegninger af plade, bjælke og søjle i mål 1:20 eller 1: INDEKLIMA OG ENERGI BYGNINGSENERGITEKNIK Arbejdets omfang Denne del af projektet omfatter primært projektering af bygningens klimaskærm, således at Bygningsreglementets krav til bygningens energiforbrug og indeklima kan opfyldes. Selv om eftervisning af Bygningsreglementets krav til bygningens energiforbrug i princippet først kan foretages, når bygningen er færdigprojekteret, er det vigtigt, at disse forhold inddrages så tidligt som muligt i projekteringsfasen. Ud over eventuelle bærende funktioner skal klimaskærmen opfylde en række krav til tæthed over for varme, vand og vind, som må inddrages allerede under skitseprojekteringen, idet specielt kravene til varmeisolering kan have indflydelse på valget af den konstruktive løsning for bygningen, ligesom afbrydelse af eventuelle kuldebroer spiller en afgørende rolle ved udformning af samlingerne mellem konstruktionselementerne. Skitseprojektering Under skitseprojekteringen gives der forslag til en eller flere løsninger til opbygningen af klimaskærmens hovedelementer (facader, loft/tag, kældergulv/-vægge, vinduer). Isoleringstykkelser fastlægges skønsmæssigt, og der foretages en overslagsmæssig beregning af bygningens energiforbrug som godtgør, om bygningen overholder kravene til lavenergibygninger klasse 2 med de foreslåede løsninger. Dette omfatter beregning og/eller fastlæggelse af transmissions- og linietabskoefficienter for alle klimaskærmens dele samt fastlæggelse af den nødvendige ventilation i alle rum (BR krav samt anbefalinger i DS 447, norm for mekaniske ventilationsanlæg). Ligeledes skal det dokumenteres at BRs krav til dagslysudnyttelse kan opfyldes med den valgte udformning af vinduerne og deres placering Til understøttelse og illustration af betydningen af kuldebroer og tæthed af bygninger gennemfører hver gruppe en tætheds- og termograferingsanalyse af et eksisterende byggeri. Problemområder, karakteristiske kuldebroer og utætheder identificeres, og deres betydning for indeklimaet og energiforbruget vurderes. Den erhvervede viden inddrages ved valg og udformning af projektets detailløsninger. 9

10 Tæthedstest med blowerdoor Afsløring af kuldebroer vha termografering af bygning. Detailprojektering Under detailprojekteringen foretages den endelige beregning af transmissionskoefficienter og linjetab for udvalgte konstruktionsdele. Endelig foretages eftervisning af, at det forventede energiforbrug for den projekterede bygning og dens installationer minimum overholder Bygningsreglementets krav til lavenergiklasse 2. Herudover analyseres mulighederne for at optimere bygningens energiforbrug og de indeklimatiske konsekvenser heraf gennem en detaljeret klimateknisk analyse af udvalgte rum i bygningen med det hygrotermiske bygningssimuleringsprogram BSim. Der foretages en fugtteknisk dimensionering af en udvalgt konstruktion medens bygningens fugtforhold i øvrigt vurderes kvalitativt (placering af dampspærre, kapillarbrydende lag under kældergulv m.v.) og kvantitativt vha. BSim. Der udarbejdes detailtegninger over de dimensionerede dele af klimaskærmen. 3.3 PROJEKTENHEDSKURSER I tilknytning til projektarbejdet udbydes følgende projektenhedskurser: Statik III Betonkonstruktioner Trækonstruktioner Hygrotermisk bygningsfysik Bygningers energibehov Hygrotermisk bygningssimulering 1,2 ECTS 2,2 ECTS 1,2 ECTS 2,0 ECTS 1,8 ECTS 1,2 ECTS 10

11 Instruktioner: EN Workshop i bygningsmodellering I alt 0,4 ECTS 1,0 ECTS 11,0 ECTS STATIK III: DEFORMATION, FLYDELAST OG STABILITET AF PLADER 1,2 ECTS At give de studerende en grundlæggende forståelse af deformation, ligevægt og flydelast af idealplastiske plader, samt af deformation, ligevægt og stabilitet af lineærelastiske plader. Brudlinieteori for idealplastiske plader: Kinematisk forudsætning om stive pladedele. Forenklede kinematisk lineære ligevægtsligninger for plader bestående af stive dele på todimensional form. Den konstitutive betingelse og dens konsekvenser for snitkræfterne i brudlinierne. Knudekræfter. De virtuelle flytningers princip til bestemmelse af (tilnærmede) flydelaster. Nedreværdiløsninger for idealplastiske plader. BETONKONSTRUKTIONER 2,2 ECTS At give en grundlæggende forståelse for de elementære principper, beregningsmetoder og -regler, der ligger til grund for dimensionering af slapt armerede betonkonstruktioner i praksis, således at disse bliver i overensstemmelse med bestemmelserne angivet i Eurocode 2. Bestemmelse af bæreevnen for et armeret betontværsnit påvirket af normalkraft og bøjningsmoment ved anvendelse af henholdsvis en plasticitetsteoretisk og en formel elasticitetsteoretisk metode. Bestemmelse af bjælkers forskydningsbæreeevne ved anvendelse af en plasticitetsteoretisk beregningsmetode. Bæreevnebestemmelse for enkelt- og dobbeltspændte plader samt for centralt og excentrisk belastede søjler og vægge. Dimensionering af en bjælkekonstruktion ved anvendelse af plasticitetsteoretiske beregningsmetoder. 11

12 Bestemmelse af minimumsarmering. Bestemmelse af spændinger, nedbøjninger og revnevidder i anvendelsesgrænsetilstanden. Konstruktive regler vedrørende tværsnitsudformning og armeringsarrangement for bjælker, plader, søjler, vægge, konsoller, rammehjørner og støbeskel. TRÆKONSTRUKTIONER 1,2 ECTS At give grundlaget for dimensionering af trækonstruktioner. Materialeegenskaber for konstruktionstræ herunder styrke, stivhed, sorteringsklasser, fugtklasser og lastvarighed. Dimensionering af massive bjælker, søjler og spær. Søm og tandpladeforbindelser. HYGROTERMISK BYGNINGSFYSIK 2 ECTS At give et elementært kendskab til varme- og fugttransport, således at den studerende opnår forståelse af de hygrotermiske funktionskrav, der stilles til materialer og konstruktioner, som indgår i en bygnings klimaskærm og kan anvende dette grundlag ved termisk og fugtmæssig dimensionering af bygningskonstruktioner. Varmetransport ved ledning, stråling og konvektion. Varmeovergang ved overflader, konstruktioners varmetransmissionskoefficient og linietab ved kuldebroer. Bygningers varmetab ved transmission og ventilation, ude- og indeklimaets betydning. Stationære varmebalancer, interne og eksterne belastninger. Vanddamptryk i fugtig luft, relativ fugtighed, dugpunkt. Fugttransport ved dampdiffusion og kapillar fugttransport. Overfladekondensation og indvendig kondensation i bygningskonstruktioner, fugtskader. BYGNINGERS ENERGIBEHOV 1,8 ECTS 12

13 At give kompetence i at analysere og måle den varmetekniske virkemåde af bygninger og deres klimaskærm, således at den studerende kan anvende metoder til eftervisning af bygningsreglementets energibestemmelser samt forstå og anvende beregningsmetoder for instationære varmestrømme i forbindelse med termiske bygningssimuleringsprogrammer. Endvidere skal den studerende forstå grundlæggende begreber om dagslys i relation til bygningsreglementets og beregningsprogrammernes behandling af dagslysforholdene i bygninger. Bygningsreglementets bestemmelser om bygningers energimæssige ydeevne og beregningsmetoder knyttet hertil. Indlæring af programmet BSim til termisk bygningsanalyse. Metoder og beregningsprogrammer til beregning af dagslysforhold i rum. Måling og kontrol af vigtige parametre som lufttæthed, kuldebroer og dagslysfaktorer. HYGROTERMISK BYGNINGSSIMULERING 1,2 ECTS At sætte den studerende i stand til at formulere nogle af de i bygningsenergiteknikken forekommende beregningsopgaver vedrørende temperaturforhold og varmestrømme samt at kunne løse disse ved anvendelse af programmer til numeriske beregningsmetoder. Numeriske beregningsmetoder til beregning af flerdimensional og/eller ikkestationær varmeledning i konstruktioner med varmeoverføring i grænsefladerne i form af solstråling, varmestråling og konvektion. Kontrolvolumenmetoden og introduktion til finite element metoden. Beregning af kuldebroer. Beregningsprogrammer INSTRUKTIONER: EN ,4 ECTS At give de studerende en orientering om de væsentligste sikkerhedsbegreber i EN (Eurocode), og fastlæggelse af nyttelast, vindlast og snelast i henhold til lastnormen Gennemgang og illustration ved eksempler af vigtigste elementer i Sikkerhedsnormen: Sikkerhedskrav Robusthed Grænsetilstande 13

14 Partialkoefficientmetoden Gennemgang og illustration ved eksempler af følgende emner i Lastnormen : Nyttelast Vindlast (statisk vindlast) Snelast Ulykkeslast (påkørsel) WORKSHOP i BYGNINGSMODELLERING 1 ECTS At bidrage til at de studerende tilegner sig viden om koncepter, teknikker og metoder til at opbygge objektorienterede bygningsmodeller Kurset består overvejende af hands-on øvelser med opbygning af digitale objektorienterede bygningsmodeller. I kurset behandles: Grundlæggende begreber Modelopbygning, 3D-bygningsmodel, etageplaner, snit og facader Objekttyper og deres anvendelse Publicering til papir og interaktive modeller 4. STUDIEENHEDSKURSER På Byggeri og Anlæg 4. semester afvikles følgende studieenhedskurser: Differentialligninger 2 ECTS Grundlæggende geoteknik 3 ECTS I alt 5 ECTS Vedrørende kursusindhold henvises til studieordning. 5. TERMINER 28. maj Aflevering af projekt Juni, uge 24, 25, 26 Projekteksamen 3. juni Eksamen: Differentialligninger 9. juni Eksamen: Grundlæggende geoteknik 14