Life cost analysis and optimization for steel and reinforced concrete structures

Abstract

The present study seeks to investigate the factors that play a key role in the whole life cost of a new building construction, aiming to its minimization with the use of the optimization theory. An analysis on the notion of the whole life cost, as well as of the subsystems that primarily influence the whole life cost of a typical building, leads to the conclusion that the subsystems related to its massing, its structural components and its energy performance, are the ones whose optimization -at an early stage- has significant importance.The models that will be presented are based on the calculation and optimization of the most critical parameters related to the energy and the structural design of buildings with steel, timber or reinforced concrete frames. The examined variables of the optimization therefore concern all the characteristic structural, envelope, mechanical and energy subsystems throughout their life cycle (building envelope U-values in every possible orientation, area of windows in every possible orientation of the building, window glazing solar gain coefficient, power and performance of the heating and the cooling HVAC systems, cross sections of all the beam and column elements of the building, optimal number of frame bays, optimal lengths of frame bays, spacing among frames). Various life cycle periods with different durations and building plans, are examined. Other parameters that are analyzed, is the effect of the fuzziness of the design temperature inside a building on its life cycle cost, maintenance and potential replacement of the examined subsystems and methods to predict an optimal scenario for the management of the structural frame components at the end of a building's life cycle. The modeling is based on KENAK, the Eurocodes, evolutionary algorithms, statistical, stochastic and machine learning systems. A literature review regarding modern specifications and scientific approaches has also included in the study, about the following topics: life cycle analysis, whole life cost analysis, multivariate statistics and machine learning, stochastic processes and optimization, energy simulation of buildings, sizing of thermal and cooling systems, structural design of steel, RC or timber buildings.

Η παρούσα μελέτη επιχειρεί να διερευνήσει τους παράγοντες που διαδραματίζουν βασικό ρόλο στο κόστος ολικής ζωής μιας νέας κτιριακής κατασκεύης, με στόχο την ελαχιστοποίησή του με τη χρήση της θεωρίας βελτιστοποίησης. H ανάλυση της έννοιας του κόστους ολικής ζωής ενός τυπικού κτιρίου, καθώς και των υποσυστημάτων που το αποτελούν, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι τα υποσυστήματα που σχετίζονται με τη μάζα, τα δομικά συστήματα και την ενεργειακή του απόδοση, είναι εκείνα των οποίων η βελτιστοποίηση -σε πρώιμο στάδιο- έχει μεγάλη σημασία.Τα μοντέλα που θα παρουσιαστούν βασίζονται στον υπολογισμό και τη βελτιστοποίηση των πλέον κρίσιμων παραμέτρων, που σχετίζονται με τον ενεργειακό και τον δομοστατικό σχεδιασμό των κτιρίων. Παρουσιάζονται παραδείγματα με κτίρια με σκελετούς από χάλυβα, δομική ξυλεία ή οπλισμένο σκυρόδεμα. Οι εξεταζόμενες μεταβλητές της βελτιστοποίησης αφορούν επομένως, όλα τα χαρακτηριστικά δομοσταστικά, ενεργειακά και μηχανολογικά υποσυστήματα ενός κτιρίου, καθ 'όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους (τιμές θερμοπερατότητας του κτιριακού κελύφους σε κάθε πιθανό προσανατολισμό, επιφάνεια παραθύρων σε κάθε πιθανό προσανατολισμό του κτιρίου, συντελεστής ηλιακής απόδοσης υαλοπίνακα, ισχύς και απόδοση των συστημάτων θέρμανσης και ψύξης, διατομές όλων των στοιχείων δοκών και υποστυλωμάτων του κτιρίου, βέλτιστος αριθμός ανοιγμάτων δοκών κύριου πλαισίου, βέλτιστα μήκη ανοιγμάτων δοκών κύριου πλαισίου, απόσταση μεταξύ των πλαισίων). Εξετάζονται διάφορες κατόψεις κτιρίων και περίοδοι κύκλου ζωής με διαφορετικές διάρκειες. Άλλες παράμετροι που αναλύονται, είναι η επίδραση της ασάφειας της θερμοκρασίας σχεδιασμού μέσα σε ένα κτίριο, στο κόστος του κύκλου ζωής του, η συντήρηση και η ενδεχόμενη αντικατάσταση των εξεταζόμενων υποσυστημάτων, καθώς και μέθοδοι για την πρόβλεψη ενός βέλτιστου σεναρίου για τη διαχείριση των πλαισιακών δομικών στοιχείων, στο τέλος του κύκλου ζωής του κτιρίου. Η μοντελοποίηση βασίζεται στον KENAK, τους Ευρωκώδικες, τους εξελικτικούς αλγόριθμους, καθώς και σε στατιστικά και στοχαστικά μοντέλα και μοντέλα μηχανικής μάθησης. Στην εργασία συμπεριλαμβάνεται βιβλιογραφική επισκόπηση σύγχρονων προδιαγραφών και επιστημονικών προσεγγίσεων, για τα παρακάτω θέματα: ανάλυση κύκλου ζωής, ανάλυση κόστους κύκλου ζωής, πολυμεταβλητή στατιστική και μηχανική μάθηση, στοχαστικές διαδικασίες και βελτιστοποίηση, ενεργειακή μοντελοποίηση κτιρίων, διαστασιολόγηση συστημάτων θέρμανσης ή κλιματισμού, δομοστατικός σχεδιασμός κτιρίων από χάλυβα, οπλισμένο σκυρόδεμα ή ξύλο.