Integrated solutions for the energy and seismic retrofit of existing buildings

Abstract

European building stock is characterised by low energy efficiency and high structural vulnerability with respect to earthquakes, especially in seismic prone areas like Italy. In fact, the vast majority of buildings has been designed before the introduction of modern energy and seismic codes. Faced with the need for energy and structural retrofit, an integrated approach becomes a suitable choice, with benefits in terms of reduced construction time and costs. The present work proposes a framework for the holistic renovation of existing buildings, improving their structural and energy performance with low environmental impact. A “holistic renovation” approach aims to concurrently tackle all building’s deficiencies, increasing the structural design service life, and achieving higher levels of safety, sustainability and ultimately resilience. The aforementioned holistic approach is applied to a real case study: a multi-storey reinforced concrete building located in Pescara (Central Italy) retrofitted with an Engineered Double Skin Façade. The proposed intervention is chosen based on the great variety of possible configurations it may assume and its applicability on the building’s envelope. The insertion of a such conceived retrofit provides the building with a so-called “filter zone” which guarantees better comfort conditions in the indoor spaces, as well as higher seismic performances. In addition, occupants’ relocation is prevented and therefore, any potential downtime. In order to assess the effects of the Engineered Double Skin Façade on the case study, multisectoral simulations are performed, including energy, computational fluid dynamics (CFD), life cycle assessment (LCA) and structural analyses. Obtained results are used to discuss the multiple benefits of the proposed retrofit from the structural and the energy efficiency point of view. The thesis can be subdivided into two sections. The first part is centred on the analysis and description of the holistic approaches mainly adopted for the integrated retrofitting of existing buildings, with the identification of interesting examples of engineered multi-layered façades. The second part, instead, aims to test and validate the selected Engineered Double Skin Façade by performing dynamic energy, CFD, LCA and structural simulations in order to estimate the improved performances ensured by the intervention.

El parque de edificios europeo se caracteriza por poseer una baja eficiencia energética y una alta vulnerabilidad frente a los terremotos, especialmente en áreas de elevada actividad sísmica como Italia. La gran mayoría de edificios existentes se diseñaron antes de la aparición de los modernos códigos sísmicos y energéticos. Debido a la necesidad de la modernización energética y estructural del parque de edificios existentes, un enfoque integral se convierte en una solución adecuada, presentando múltiples beneficios en términos de reducción del tiempo de construcción y costes. La presente tesis propone una metodología para la rehabilitación integral del parque de edificios existentes, consiguiendo mejorar su rendimiento estructural y energético con un bajo impacto ambiental. El enfoque integral planteado tiene como objetivo abordar de forma simultánea todas las deficiencias que presentan los edificios, aumentando de esta manera su vida útil desde el punto de vista estructural y logrando aumentar los niveles de seguridad, sostenibilidad y resiliencia. La metodología de rehabilitación integral mencionada anteriormente es aplicada al estudio de un caso real, correspondiente a un edificio construido en hormigón armado situado en Pescara (centro de Italia), sobre el cual se ha realizado el montaje y aplicación de una Double Skin Façade de carácter ingenieril con el objetivo de modificar su comportamiento estructural y energético. La implementación de esta modificación dota al edificio de una zona que mejora el confort térmico del interior y su comportamiento frente a sismos. Además, la modernización y mejora de los edificios existentes evita la necesidad de reubicar a sus ocupantes y, por lo tanto, la inactividad de la estructura. Los efectos de la implementación de una Double Skin Façade de carácter ingenieril sobre el caso de estudio son evaluados previamente, realizándose simulaciones multisectoriales que incluyen diversos enfoques: energía, dinámica de fluidos computacional, ciclo de vida y análisis estructurales. Los resultados obtenidos a través de las simulaciones realizadas son empleados para discutir los múltiples beneficios que presenta su implementación y, por lo tanto, la modernización propuesta, siempre desde el punto de vista estructural y de eficiencia energética.

Il patrimonio europeo esistente si caratterizza per avere scarsa efficienza energetica ed elevata vulnerabilità strutturale, elemento particolarmente evidenziato nelle zone a rischio sismico come l’Italia. Un alto numero di edifici, infatti, è stato progettato ed edificato prima dell’emanazione di normative energetiche e sismiche. Un approccio integrato, capace di far fronte alla necessità di riqualificazione energetica e strutturale degli edifici esistenti, diventa dunque la scelta auspicabile in grado di garantire molteplici benefici, come ad esempio la riduzione dei tempi e costi di costruzione. La presente tesi propone una metodologia per la riqualificazione olistica degli edifici esistenti, atta al migliorarne le prestazioni strutturali ed energetiche, garantendo al contempo un basso impatto ambientale. L’applicazione di un approccio olistico permette di far fronte a tutte le carenze dell’edificio, incrementandone la vita utile e assicurando il raggiungimento di più elevati livelli di sicurezza, sostenibilità e resilienza. Il suddetto approccio è applicato ad un caso studio reale: un edificio multipiano in cemento armato situato in Pescara (centro Italia), riqualificato mediante l’inserimento di una Double Skin Façade ingegnerizzata. Si è scelto un tale intervento di riqualificazione per la varietà delle configurazioni possibili che può assumere e data la sua localizzazione, esterna elle superfici perimetrali dell’edificio. L’applicazione di una tale soluzione permette la creazione di una zona filtro, capace di garantire migliori condizioni di comfort all’interno degli ambienti occupati e, al contempo, elevate prestazioni sismiche. In aggiunta, intervenendo esternamente, viene evitato lo spostamento degli abitanti e l’eventuale cessazione d’uso dell’edificio. Al fine di valutare gli effetti migliorativi raggiungibili con l’inserimento della Double Skin Façade al caso studio, si ricorre ad analisi multisettoriali, includenti simulazioni energetiche, di fluidodinamica computazionale, strutturali e del ciclo di vita. I risultati ottenuti sono utilizzati per commentare i molteplici benefici inerenti al comportamento strutturale e all’efficienza energetica della soluzione proposta.