Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/83811
Title: Study Of Structural And Thermal Performance Of Lightweight Steel Framing (LSF) Modular Construction
Authors: Rosa, Nuno Cláudio Ferreira 
Orientador: Santos, Paulo
Gervásio, Helena
Costa, José
Keywords: LSF; Screw connections; LSF panels; Lateral Load; Thermal Inertia; EAHE / EAHE; Trombe Walls; TES
Issue Date: 21-Dec-2018
Project: ModCons (FP7-SME-201 2-1) 
EcoSteelPanel (IDI 2012. 24804) 
PCMs4Buildings (POCI-01-0145-FEDER-016750) 
Abstract: Lightweight Steel Framing (LSF) construction is recognized as a sustainable construction system, not only because steel is one of the most recyclable materials in the world but also due to the advantages of this type of construction. The panelised method is one of the construction processes of pre-fabrication of walls, floors and roofs. These panels, which are produced in factory, are constituted by steel profiles and oriented strand boards (OSB) connected by screws, and then transported and assembled at the construction site. Screw connections fit perfectly in the industrialized production and they are highly used due to its efficiency, fast application and suitability for load bearing. Although the screws are easy to install, it is exceedingly difficult to quantify their stiffness and strength contributions to the structural system due to their complex behaviour. Moreover, the contribution from the OSB panels is usually omitted in the LSF structure design as structural element. Finally, the panelised method is one of the fastest and most efficient methods for LSF modular construction. However, due to the low mass of the construction elements and the high number of thermal bridges, one of the drawbacks of this construction system is having low thermal inertia. Over the years new technologies have been developed to increase buildings thermal inertia, such as Earth-to-Air Heat Exchangers (EAHE) and Trombe Walls. Although EAHE system are already well known, its design is always difficult to carry out due to the high variation of physical, thermal and geometric parameters. On the other hand, the application of the Trombe Walls in a LSF modular construction system has not yet been developed. In this context, the main objectives of this thesis are: (1) to analyse and give better understanding of screw connection in LSF panels and to analyse the contribution of OSB boards to the lateral stiffness of the steel frame; (2) to provide design guidelines for suitable design, and operation control, of an efficient EAHE; (3) to develop a new Trombe Wall system that can be easily assembled in a LSF construction. Therefore, this thesis is divided into four parts, where the first one is introductory and the remaining three are dedicated to the development of the aforementioned objectives. The first part of this thesis presents some structural concepts and discusses the thermal performance of LSF buildings focusing on thermal inertia. The mechanical and thermal properties of structural and non-structural materials are experimentally evaluated. To provide deeper understanding of screw connections in LSF structures and their impact on the response of the structure, the second part of this thesis presents experimental, numerical and analytical studies on screw connections (steel-to-steel and steel-to-OSB) and wall panels. Therefore, the main objectives of these part are: (i) to analyse the behaviour of steel-to-steel screw connections using experimental, numerical and analytical approaches (EN 1993-1-3 and AISI S100); (ii) to investigate experimentally the steel-to-OSB boards connection and to assess analytically their behaviour using formulae proposed by EN 1995-1-1 (2004); (iii) to characterize the behaviour of LSF panels using screw connections subjected to lateral loading and to analyse the OSB contribution; (iv) to develop a reliable numerical model for a parametric study in which the performance of the unbraced panel frame, OSB braced panel frame and panel frame braced using diagonal steel strips is compared. An extensive study on EAHE systems is presented in the third part of the thesis. The main research goals are: (i) to analyse the ground temperature variation with depth using analytical and experimental approaches; (ii) to develop a simple steady-state one-dimensional model for design and for prediction of the overall thermal performance of the system; (iii) to investigate the thermal performance of an EAHE system pilot installation located in Coimbra, during all four seasons of the year; (iv) to understand the influence of the system automation control; (v) to analyse the geometric (pipe diameter and length) and physical/thermal parameters (air velocity, pipe and ground thermal conductivity) and their impact on the thermal performance of the system; (vi) to analyse the influence of pipe spacing and diameter, and air velocity in transient conditions using Computational Fluid Dynamics (CFD) software (Ansys CFX 18.0). The fourth part of the thesis is fully dedicated to the development of a Water Trombe Wall that can be assembled in a LSF modular construction. The development of this system is divided in four parts: (i) to analyse the Thermal Energy Storage (TES) wall during four seasons of the year by means of experimental, analytical and numerical approaches; (ii) a parametric study where the influence of orientation, colour and thermal capacity of the TES are investigated; (iii) to analyse the influence of promoting heat exchanges between TES assemble on different façades using CFD modelling; (iv) to experimentally evaluate the thermal performance of a full-scale WTW prototype in a LSF construction located in Coimbra. Finally, the last chapter of this thesis presents the main conclusions of this work and a few recommendations for the future researches. RESUMO: A construção leve em aço (LSF, do inglês Lightweight Steel Framing) é atualmente reconhecida como um sistema construtivo sustentável, não só porque o aço é um dos materiais mais recicláveis do mundo, mas também devido às vantagens deste sistema construtivo. Um dos processos de pré-fabricação de paredes, lajes ou coberturas é a utilização do método construtivo da painelização. Neste método, painéis constituídos por perfis metálicos e placas de OSB (do inglês Oriented Strand Board) conectados através de parafusos, são construídos e montados em fábrica e depois transportados e assemblados em obra. A utilização de ligações aparafusadas demonstram ser as mais adequadas e eficientes garantindo maior resistência mecânica. O efeito das ligações aparafusadas no sistema estrutural é difícil de quantificar, devido à complexidade do comportamento dos parafusos. Além disso, a contribuição das placas de OSB na rigidez dos painéis é usualmente desprezado durante a fase de projeto. O método da painelização é considerado um dos métodos mais rápidos e eficazes da construção modular em LSF. No entanto, devido à reduzida massa dos elementos construtivos e ao elevado número de pontes térmicas, estas construções apresentam o inconveniente de ter uma baixa inércia térmica. Já existem várias tecnologias capazes de colmatar a baixa inércia térmica, tais como a utilização de sistemas EAHE (do inglês, Earth-to-Air Heat Exchangers) e as paredes de Trombe. Apesar dos sistemas EAHE já estarem bem presentes no mercado, o seu dimensionamento é sempre difícil de realizar/prever devido à enorme variação dos parâmetros físicos, térmicos e geométricos. Em relação às paredes de Trombe, a sua aplicação específica em uma construção modular em LSF ainda não foi desenvolvida. Neste contexto, os principais objetivos desta tese são: (1) avaliar o comportamento das ligações aparafusadas em painéis LSF e verificar a influência do OSB na rigidez dos painéis; (2) fornecer informações de dimensionamento e desempenho térmico de um sistema EAHE, (3) desenvolvimento um sistema de parede de Trombe que possa ser aplicado numa construção em LSF. Esta tese é dividida em quatro partes. Após a primeira parte, que é introdutória, as três restantes partes são dedicadas ao desenvolvimento dos objetivos acima indicados. Assim primeira parte da tese apresenta uma visão geral da construção modular a nível estrutural e térmico. É também apresentado um estudo experimental da caracterização mecânica e térmica de alguns materiais utilizados em construção LSF. De forma a permitir uma melhor compreensão do comportamento das ligações aparafusadas e o seu impacto na estrutura, a segunda parte da tese apresenta estudos experimentais, numéricos e analíticos realizados em ligações aparafusadas (aço-açoe aço-OSB) e em painéis em LSF. Os objetivos principais da segunda parte são os seguintes: (i) avaliar o comportamento de ligações do tipo aço-aço através de modelos experimentais, numéricos e analíticos (EN 1993-1-3 e AISI S100); (ii) avaliar experimentalmente o comportamento de ligações do tipo aço-OSB e comparar com o modelo analítico da EN 1995-1-1 (2004); (iii) avaliar experimentalmente o comportamento de painéis em LSF quando sujeitos a uma carga horizontal e verificar qual a contribuição do OSB e das ligações aparafusadas na sua desempenho estrutural; (iv) desenvolver um modelo numérico calibrado e validado com base em dados experimentais que será utilizado para comparar a contribuição do OSB com a utilização de uma fita metálica de contraventamento estrutural. Na terceira parte da tese é apresentado um estudo sobre sistemas EAHE. As principais linhas de investigação são: (i) avaliar a temperatura do solo em profundidade; (ii) desenvolvimento de método analítico unidimensional e estacionário que possa ser utilizado para dimensionamento e previsão, em evolução transiente hora-a-hora, do desempenho térmico de um sistema EAHE; (iii) avaliar o desempenho térmico de um sistema EAHE instalado num edifício, localizado em Coimbra, durante quatro estações do ano; (iv) análise do controlo domótico do sistema; (vi) avaliação analítica da influência dos parâmetros geométricos (diâmetro, comprimento de tubos) e físicos/térmicos (velocidade do ar, condutividade térmica dos tubos e do solo); (vii) verificar a influência da distância entre tubos, diâmetro e velocidade do ar em regime transiente através de modelação CFD (do inglês, Computacional Fluid Dynamics) em ANSYS CFX 18.0. A quarta parte da tese é dedica ao desenvolvimento de um sistema de parede de Trombe com água (WTW do inglês Water Trombe Wall) que possa ser integrado numa construção modular em LSF. O desenvolvimento do sistema é realizados em várias fases: (i) estudo experimental, analítico e numérico do acumulador de energia térmica durante as quatro estações do ano; (ii) estudo paramétrico do acumulador de energia térmica, onde é avaliada a sua orientação, cor e capacidade térmica; (iii) avaliação numérica (CFD) de permutação de calor entre painéis colocados em diferentes fachadas; (iv) avaliação experimental do desempenho térmico do protótipo WTW numa construção em LSF situada em Coimbra (Portugal). No capitulo final são apresentadas as principais conclusões do trabalho e recomendações para trabalhos futuros.
Description: PhD thesis in Steel and Composite Construction submitted to the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/83811
Rights: openAccess
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FCTUC Eng.Civil - Teses de Doutoramento

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