Experimental Assessment and Numerical Validation of The Thermal Performance of Concrete Walls

Experimental Assessment and Numerical Validation of The Thermal Performance of Concrete Walls. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
EXPERIMENTAL_ASSESSMENT_AND_NUMERICAL_VALIDATION_OF_THE_THERMAL_PERFORMANCE_OF_CONCRETE_WALLS.pdf
Restricted to Repository staff only until 22 July 2020.
Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (3MB)

Arabic Abstract

يهدف هذا البحث إلى إنشاء حائط خرساني (طوب ومونة ولياسة إسمنتية) يمكنه تقليل انتقال الحرارة من أجل تقليل استهلاك الكهرباء وذلك من خلال تقليل استخدام التكييف. ولذلك، تم تصنيع طوب خرساني بإضافة مواد بلاستيكية ثانوية ومعاد تدويرها والتي تعتبر خفيفة الوزن وذات موصلية حرارية منخفضة، وتقييم مدى كفاءة هذا الطوب مقارنةً مع الطوب الموجود في السوق المحلية. لذلك، تم استخدام أربعة أنواع من المواد لتصنيع هذا الطوب ذو الموصلية الحرارية المنخفضة وهي: حبات البوليسترين (EPS) ، والبولي ايثيلين منخفض الكثافة المعاد تدويره (PE) والفيرميكولايت (VL) والصخور البركانية (VS). وبالإضافة إلى ذلك، هنالك ثلاثة أنواع من المونة الاسمنتية تم إنتاجها باستخدام النفايات والمواد الرخيصة المتوفرة في أسواق المملكة العربية السعودية. وقد اُستخدم ثلاثة مواد ذات موصلية توصيلة حرارية منخفضة لأنتاج هذه الأنواع من المونة الاسمنتية العازلة وهي مسحوق الإطارات المطاطية (RU)، ومسحوق البيرلايت (PL) والفيرميكولايت (VL ). علاوة على ذلك، تم تطوير نموذج محاكاة للواقع بإستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM) بإستخدام برنامج ANSYS لتقييم الاختبار التجريبي لجهاز صفيحة التسخين المحميَّة ((Guarded Hot Plate وأظهرت النتائج مدى التوافق الكبير بين الحل العددي والعمل التجريبي، بالأضافة إلى حساب مقدار التغير في درجة الحرارة بين السطح الخارجي والسطح الداخلي من الجدار الذي تم إنشائه باستخدام الطوب والمونة واللياسة ذات الموصلية الحرارية المنخفضة ومقارنة النتائج مع الجدار الأساسي والذي لايحتوي على أي مواد عازلة . استندت النتائج التجريبية إلى معيارين أساسيين وهما: الموصلية الحرارية (ASTM C177 و C518) وقوة الضغط (ASTM C129 و C270) للطوب الخرساني والمونة الاسمنتية على التوالي. أثبتت النتائج أن الموصلية الحرارية للطوب VS و EPS و LDPE و VL تم خفضها بحوالي 26.1 و 19.4 و 17.0 و 16.7٪ على التوالي، مقارنة مع الطوب الخرساني التي لاتحتوي على اي مواد عازلة. كما أظهرت النتائج انخفاضاً كبيراً في قوة الضغط بمقدار 51 ، 47 ، 39 ، و 37٪ للطوب VS،VL ، LDPE ، وEPS ، على التوالي ، مقارنة مع الطوب العادي. أما بالنسبة للمونة الاسنتية، فأن التجارب أثبتت أن الموصلية الحرارية للمونة قد انخفضت بشكل ملحوظ بحوالي 57 و 47 و 36٪ بالنسبة للفيرموكولايت والبيرلايت والمطاط ، على التوالي، مقارنة مع المونة الاصلية. وكان الانخفاض في القوة يقدر ب 78 و 63 و 36 ٪ للفيرميكولايت والمطاط والبيرلايت ، على التوالي ، مقارنة مع المونة الاصلية التي لاتحتوي على اي مواد عازلة. وعلى الرغم من أن الانخفاض في القوة كان كبيراً للغاية، إلا أن أياً من هذه العينات لم تتجاوز الحد الادنى من قوة الضغط المسموح بها وهي 3.45 MP للطوب الخرساني و5.40 MPa للمونة الاسمنتية. تم تحليل نتائج أختبار صفيحة التسخين المحمية والتحقق من صحتها بإستخدام برنامج محاكي للواقع ( برنامج Fluent)، وكان هنالك توافقاً كبيراً بين النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة وكان مقدار التباين بين القراءتين ضمن نطاق الخطأ المسموح به. وكان الجدار الأمثل في هذا البحث (طوب VS بالإضافة إلى المونة واللياسة الاسمنتية التي تحتوي على 15% من الفيرموكيولايت) قد حسّن المقاومة الحرارية بحوالي 290٪ مقارنة بالكتل الخرسانية التقليدية. ويمكن أن تقلل هذه المقاومة الحرارية العالية من استهلاك الطاقة من 118.43 إلى 30.35 كيلو واط ساعة / م2 (أي بحوالي 3.9 ضعفاً من التخفيض) سنويًا. ولذلك، يوصى إستخدام هذا الجدار في المنشآت العامة والخاصة بدلاً من الجدران التقليدية.

English Abstract

The main objective of this research was to produce concrete walls (blocks, mortar and plaster) that could reduce the heat transfer through the exterior building walls in order to minimize the electricity consumption by reducing the air conditioning demand. Therefore, new medium-weight concrete blocks with low thermal conductivity and acceptable compressive strength were manufactured using the following four insulated materials: Recycled low density polyethylene (LDPE), expanded polystyrene beads (EPS), vermiculite (VL) and volcanic scoria aggregate (VS) that are cheap and available in the Saudi market. In addition, three types of insulation mortar and plaster were produced using crushed crumb-rubber (RU), perlite powder (PL) and vermiculite (VL). Furthermore, finite element modelling (FEM) was developed using ANSYS package to verify the experimental test of Guarded Hot Plate (ASTM C177) and demonstrate the compatibility between the numerical solution and experimental results. The model was also used to calculate the temperature change between the exterior and interior surfaces of the walls of the different blocks and insulation plaster and mortar types and the result were compared with the control masonry wall. The experimental results were based on two criteria: Thermal conductivity (ASTM C177 and C518-04) and compressive strength (ASTM C129 and C270) for block and cement mortar, respectively. The results proved that the thermal conductivity of VS, EPS, LDPE and VL blocks were reduced by about 26.1, 19.4, 17.0, and 16.7%, respectively, as compared to the control block. However, the results showed that the reduction in compressive strength was 51, 47, 39, and 37% for VS, VL, LDPE, and EPS blocks, respectively, as compared to the control block. For the mortar, the experimental results proved that the thermal conductivity of insulation mortar was reduced significantly by about 57, 47 and 36% for vermiculite, perlite and rubber, respectively, as compared to the control mortar. Further, the reduction in strength was 78, 63 and 36% for vermiculite, rubber and perlite, respectively, as compared to the control mortar. Although the reduction in strength was very high, none of the samples went beyond the threshold values of 3.45 and 5.40 MPa for block and mortar, respectively. The data of Guarded Hot Plate were analyzed and validated using FEM (Fluent package in ANSYS workbench). The agreement between the experimental data and the modeling results was in the range of the accuracy error, which may be considered as an excellent validation. The optimal wall (VL block plus 15% VL mortar and plaster) improved the thermal resistance by about 290% when compared to the conventional concrete blocks. This improvement could reduce the energy consumption from 118.43 to 30.35 KWh/m2 (about 3.9 times of reduction) annually. This optimal wall is proposed to be used in the domestic (private) and industrial and public buildings instead of the traditional walls.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Civil Engineering > Structural Engineering
Divisions: College Of Engineering Sciences > Civil Engineering Dept
Committee Advisor: Al-Amoudi, Omar S. Baghabra
Committee Members: Awadh, Abdo Saleh and Maslehuddin, Mohammed and ;Al-Dulaijan, Salah Othman
Depositing User: WALEED ALAWSH (g201404260)
Date Deposited: 28 Jul 2019 10:14
Last Modified: 01 Nov 2019 21:01
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140994