Buildings account for up to 40% of the total energy use in the world. Directives from the European Union have pointed out the significance of increasing the energy efficiency in buildings. New regulation in countries like Sweden has established that new buildings should fulfil regulations of Nearly Zero Energy Buildings (NZEB), providing the opportunity for renewable energy technologies to achieve these goals. In this paper, the retrofitting potential of renewable energy technologies for a single-family home in Sweden was investigated.The present work studied the characteristics of several renewable energy technologies and their applications for a single-family home in Sweden, including biomass, solar photovoltaics, solar thermal, heat pump, and small-scale wind turbine. Three renewable energy technologies (solar thermal, heat pump and small-scale wind turbine) and one renovation method (window) were selected to investigate. The analysis was made of the current energy use and the potential energy (and cost) savings from each retrofitting of these facilities by means of simulation models using IDA ICE software. The study results show that the proposed renewable energy technologies are technically feasible and economically viable as a source of alternative renewable energy in order to produce clean energy and reduce electricity bills for an electric-heated single-family home located in Sweden. Moreover, the combined retrofitting scheme consist of solar thermal system and window renovation was also proposed and explored. As a result the energy performance of the single-family home would satisfy the nearly-zero energy building requirements and thermal comfort could be maintained at an acceptable level.

Germany’s commitment to carbon neutrality by 2045 underscores the need for climate action, with hydrogen’s multiple uses in industry, transport, and energy offering a viable solution. Efficient retrofitting of the extensive natural gas pipeline network can enable hydrogen to be transported from supply to demand centers. The aim of this study is to develop a hydrogen pipeline network strategy for Germany in 2045 that is consistent with carbon neutrality goals while minimizing associated costs. Using a single-period deterministic Mixed Integer Linear Programming (MILP) approach, the focus is on estimating peak-hour transport demand derived from the spatial distribution of demand and supply. This estimation is based on openly available data from the Germany Energy Agency (dena) pilot study on carbon neutrality. The methodology aims to allocate hydrogen energy flows along existing pipelines through a retrofitting approach. The base scenario is derived from the projected hydrogen demand and supply for a carbon-neutral Germany in 2045, as estimated in the dena pilot study. To explore different possibilities, a sensitivity analysis compares five different demand scenarios. Each scenario examines different hard-to-abate subsectors that have limited options for decarbonization. Evaluating the routes and utilization rates across the pipeline network provides insights into the feasibility, with certain routes, particularly those originating in the north, emerging as key. The majority of pipelines in the network have low utilization rates below 25% in peak hours, which may indicate economic infeasibility or the need for alternative transport strategies. In addition, a cost of avoided emissions analysis weighs scenario-specific emission reductions against network costs. Of particular note is the network connecting CHP plants and energy-intensive industries, which appears to strike an optimal balance in terms of costs of avoided emissions and utilization rate in peak hours. Nevertheless, the study does not consider physical flow calculations, so further validation is required in this respect. The potential of the methodology, however, liesin its ability to quickly assess different scenarios and provide valuable insights into economic, environmental, and social impacts. / Tysklands åtagande om koldioxidneutralitet senast 2045 understryker behovet av klimatåtgärder, och vätgasens många användningsområden inom industri, transport och energi erbjuder en hållbar lösning. Effektiv eftermontering av det omfattande naturgasledningsnätet kan göra det möjligt att transportera vätgas från utbuds- till efterfrågecentra. Syftet med denna studie är att utveckla en strategi för vätgasnätet i Tyskland 2045 som är förenlig med målen för koldioxidneutralitet och samtidigt minimerar de tillhörande kostnaderna. Med hjälp av en deterministisk MILP-metod (Mixed Integer Linear Programming) för en enda period ligger fokus på att uppskatta efterfrågan på transporter under maxtimmar utifrån den rumsliga fördelningen av efterfrågan och utbud. Denna uppskattning baseras på öppet tillgängliga data från denas pilotstudie om koldioxidneutralitet. Metoden syftar till att fördela vätgasenergiflöden längs befintliga rörledningar genom en eftermonteringsstrategi. Det grundläggande scenariot härleds från den beräknade efterfrågan och tillgången på vätgas för ett koldioxidneutralt Tyskland 2045, enligt uppskattningar i dena-pilotstudien. För att utforska olika möjligheter jämförs fem olika efterfrågescenarier i en känslighetsanalys. Varje scenario undersöker olika delsektorer som är svåra att minska och som har begränsade alternativ för utfasning av fossila bränslen. Utvärderingen av sträckningarna och utnyttjandegraden i rörledningsnätet ger insikter om genomförbarheten, där vissa sträckningar, särskilt de med ursprung i norr, framstår som viktiga. Majoriteten av rörledningarna i nätverkethar låga nyttjandegrader under 25% under rusningstid, vilket kan indikera ekonomisk ogenomförbarhet eller behovet av alternativa transportstrategier. Dessutom väger en kostnads-/nyttoanalys av utsläpp scenariospecifika utsläppsminskningar mot nätverkskostnader. Särskilt värt att notera är det nätverk som förbinder kraftvärmeverk och energiintensiva industrier, vilket verkar ge en optimal balans när det gäller kostnader för utsläpp och nyttjandegrad. Studien tar dock inte hänsyn till fysiska flödesberäkningar, så ytterligare validering krävs i detta avseende. Metodens potential ligger dock i dess förmåga att snabbt bedöma olika scenarier och ge värdefulla insikter om ekonomiska, miljömässiga och sociala effekter.

Complying with the Paris agreements requires substantial efforts in the building sector, and especially within the existing building stock which is responsible for a considerable amount of emissions and energy consumption. This master thesis focuses on the residential district of Minneberg, located in the west of Stockholm in Bromma. The urban building energy modelling (UBEM) approach is used to model the situation of the current district. This method uses real-life data provided by the district, as well as information found in energy performance certificates and in public databases. Based on that, a virtual archetype building representing the whole district is modelled and calibrated. Suitable energy-efficient solutions that can contribute to reducing the energy consumption are identified and applied in two different scenarios. The first scenario consists in retrofitting the current building stock, while the second represents the case where the building has to be designed from scratch today to comply with Boverket’s requirements on nearly zero-energy buildings ("New Minneberg" scenario). The aggregation of the results shows that the current district is already quite energy-efficient, with the installation of solar panels seeming to be the only economically viable retrofitting option. As for the "New Minneberg" scenario, it is possible to comply with the requirements and achieve a C-class building by reducing the primary energy consumption, but that comes at the expense of a higher actual energy consumption. / Att följa Parisavtalen kräver stora ansträngningar inom byggsektorn, och särskilt inom det befintliga byggnadsbeståndet som står för en betydande mängd växthusgasutsläpp och energianvändning. Examensarbetet fokuserar på det svenska bostadsområdet av Minneberg, som ligger i västra Stockholm i Bromma. UBEM-metoden (urban building energy modelling) används för att modellera situationen i det nuvarande distriktet. Metoden använder verkliga data från fastighetsområdet, liksom information som finns i energideklarationer och offentliga databaser. Därefter modelleras och kalibreras en virtuell arketypsbyggnad som representerar hela distriktet. Lämpliga energieffektiva lösningar som kan bidra till att minska energiförbrukningen identifieras och tillämpas i två olika scenarier. Det första scenariot består i renovering av det nuvarande byggnadsbeståndet, medan det andra representerar fallet om byggnaden hade designats från grunden idag, för att uppfylla Boverkets krav på nollenergihus ("New Minneberg" scenario). Resultaten visar att det nuvarande distriktet redan är ganska energieffektivt, där installation av solpaneler verkar vara den enda ekonomiskt lönsamma åtgärden. Gällande "New Minneberg" scenariot är det möjligt att uppfylla kraven och uppnå en C-klass byggnad genom att minska primärenergitalet, men det resulterar i en högre verklig energiförbrukning.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται μια νέα τεχνική ενίσχυσης υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος με βάση τη χρήση συνθέτων υλικών, τα οποία αποτελούνται από πλέγματα ινών σε ανόργανη μήτρα (π.χ. κονίαµα µε βάση το τσιμέντο), αποσκοπώντας στην επίλυση προβλημάτων που χαρακτηρίζουν τα Ινοπλισμένα Πολυμερή (ΙΟΠ) σχετικά µε τη χρήση εποξειδικών ρητινών. Τα Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) δοκιμάζονται στη μορφή μανδύα µε στόχο την περίσφιγξη και την αύξηση της πλαστιμότητας υποστυλωμάτων παλαιού τύπου, σχεδιασμένων δηλαδή χωρίς τις νέες αντισεισμικές λεπτομέρειες όπλισης. Εξετάζονται διάφορες παράμετροι, που περιλαμβάνουν τη χρήση ράβδων λείων ή με νευρώσεις, την πιθανή ένωση των ράβδων με υπερκάλυψη στον πόδα των υποστυλωμάτων και το μήκος υπερκάλυψης. Έτσι προσδιορίζεται η αποτελεσματικότητα των μανδυών ΙΑΜ και συγκρίνεται με αυτή τον ΙΟΠ ως μέσου περίσφιγξης στις κρίσιμες περιοχές υφισταμένων υποστυλωμάτων για όλες τις περιπτώσεις καμπτικών αστοχιών στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Το πειραματικό πρόγραμμα που ακολουθείται για την απόκτηση δεδομένων γύρω από τη συμπεριφορά υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος, ενισχυμένων με μανδύες ανόργανης (ΙΑΜ) ή οργανικής (ΙΟΠ) μήτρας, περιλαμβάνει συνολικά 28 δοκιμές επί δοκιμίων υποστυλωμάτων δύο τύπων: (α) 15 πρισματικά δοκίμια οπλισμένου σκυροδέματος που δοκιμάζονται σε κεντρική θλίψη και (β) 13 δοκίμια υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας, τα οποία δοκιμάζονται σε ανακυκλιζόμενη κάμψη με σταθερό αξονικό φορτίο. Καταδεικνύεται ότι η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ είναι υψηλή και γενικώς παρόµοια µε αυτή των µανδυών ΙΟΠ για όλες τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν. Επιπροσθέτως, τα πειραματικά αποτελέσματα των 13 υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας που υποβλήθηκαν σε ανακυκλιζόμενη κάμψη (με σταθερό αξονικό φορτίο), συμβάλλουν στη διερεύνηση δύο ακόμα “θολών” μέχρι σήμερα πεδίων, όπως: (α) Ο λυγισμός των διαμήκων ράβδων σε περισφιγμένο με μανδύες ΙΑΜ ή ΙΟΠ σκυρόδεμα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ του μανδύα ΙΑΜ ή ΙΟΠ και των διαμήκων ράβδων, κατά την έναρξη και εξέλιξη του λυγισμού των τελευταίων. (β) Η αντοχή σε συνάφεια μεταξύ των ενωμένων με παράθεση ράβδων και του περισφιγμένου με μανδύες ΙΑΜ ή ΙΟΠ σκυροδέματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην πειραματική και αναλυτική μελέτη του μηχανισμού με τον οποίο η περίσφιγξη με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ συνεισφέρει στη βελτίωση των συνθηκών συνάφειας μεταξύ ράβδων οπλισμού και σκυροδέματος. Ακόμα στην παρούσα διδακτορική διατριβή διεξάγεται η πρώτη συστηματική μελέτη καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη κάμψη (και σταθερό αξονικό φορτίο) με Πρόσθετους Οπλισμούς νέου τύπου σε Εγκοπές (ΠΟΕ). Εξετάζονται υποστυλώματα που έχουν ενισχυθεί με πρόσθετο οπλισμό ινοπλισμένων πολυμερών (ελάσματα άνθρακα ή ράβδους γυαλιού) καθώς και με ράβδους ανοξείδωτου χάλυβα τοποθετημένων σε εγκοπές. Άλλη μια καινοτομία που εισαγάγει η παρούσα διατριβή είναι ο συνδυασμός του ΠΟΕ με τοπικούς μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα (IAM), οι οποίοι αποτελούν ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό και πολλά υποσχόμενο σύστημα περίσφιγξης, όπως αναπτύσσεται και περιγράφεται λεπτομερώς στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Η έρευνα που υλοποιείται για την απόκτηση δεδομένων γύρω από τη συμπεριφορά υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένων σε κάμψη με ΠΟΕ, περιλαμβάνει τη διεξαγωγή 11 δοκιμών επί υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας, τα οποία υποβάλλονται σε ανακυκλιζόμενη κάμψη υπό σταθερό αξονικό φορτίο. . Καταδεικνύεται ότι μέσω ενός κατάλληλου σχεδιασμού, στα πλαίσια του οποίου ο ΠΟΕ συνδυάζεται με τοπικό μανδύα στα άκρα του υποστυλώματος (κορυφή και πόδα), είναι εφικτό η αύξηση της καμπτικής αντίστασης των υποστυλωμάτων να μην συνοδεύεται από μείωση της διαθέσιμης ικανότητας παραμόρφωσης. Τα χρήσιμα πειραματικά ευρήματα από τα ενισχυμένα με ΠΟΕ υποστυλώματα, συμπληρώνονται με την ανάπτυξη ενός αναλυτικού και υπολογιστικού προσομοιώματος, το οποίο έχει διττή συμβολή, καθώς επιτρέπει: (α) την εκτέλεση παραμετρικών αναλύσεων ώστε να μελετηθεί σε βάθος και χωρίς κόπο (πειραματικές δοκιμές) η επίδραση όλων σχεδόν των παραμέτρων, στην καμπτική αντίσταση των ενισχυμένων με ΠΟΕ υποστυλωμάτων. (β) Τη χρήση του ως πολύτιμου υπολογιστικού εργαλείου από το Μηχανικό για το σχεδιασμό καμπτικών ενισχύσεων υποστυλωμάτων με ΠΟΕ και / ή μανδύες συνθέτων υλικών. Η αξία της συμβολής του εν λόγω προσομοιώματος μεγιστοποιείται αν ληφθούν υπόψη ορισμένα χαρακτηριστικά του όπως: (1) Η μείωση των ροπών αντοχής ως προς τους δύο κύριους άξονες (ισχυρός και ασθενής), η οποία οφείλεται στην έντονη σύζευξή τους, για τα ενισχυμένα σε κάμψη υποστυλώματα που υποβάλλονται σε διαξονική κάμψη. (2) Η εφαρμογή ενός τραπεζοειδούς στερεού τάσεων για το σκυρόδεμα σε θλίψη, το οποίο σε σύγκριση με το κλασικό ορθογωνικό στερεό, προσομοιώνει με αρκετά μεγαλύτερη ακρίβεια τον όγκο του σκυροδέματος της θλιβόμενης ζώνης, ιδιαίτερα για τις ενισχυμένες διατομές. (3) Η ταυτόχρονη δράση της εξωτερικής περίσφιγξης με μανδύες συνθέτων υλικών στις ενισχυμένες σε κάμψη διατομές. / The effectiveness of a new structural material, namely Textile-Reinforced Mortar (TRM), was investigated experimentally in this PhD Thesis as a means of confining old-type reinforced concrete (RC) columns with limited capacity due to bar buckling or due to bond failure at lap splice regions. Comparisons with equal stiffness and strength fiber-reinforced polymer (FRP) jackets allow for the evaluation of the effectiveness of TRM versus FRP. Tests were carried out on nearly full scale non-seismically detailed RC columns subjected to cyclic uniaxial flexure under constant axial load. Thirteen cantilever-type specimens with either continuous or lap-spliced deformed longitudinal reinforcement at the floor level were constructed and tested. Experimental results indicated that TRM jacketing is quite effective as a means of increasing the cyclic deformation capacity of old-type RC columns with poor detailing, by delaying bar buckling and by preventing splitting bond failures in columns with lap-spliced bars. Compared with their FRP counterparts, the TRM jackets used in this study were found to be equally effective in terms of increasing both the strength and deformation capacity of the retrofitted columns. From the response of specimens tested in this study, it can be concluded that TRM jacketing is an extremely promising solution for the confinement of RC columns, including poorly detailed ones with or without lap splices in seismic regions. Moreover this PhD Thesis presents the results of a large-scale experimental program aiming to study the behavior of RC columns under simulated seismic loading, strengthened in flexure (of crucial importance in capacity design) with different types and configurations of near-surface mounted (NSM) reinforcing materials. The role of different parameters is examined, by comparison of the lateral load versus displacement response characteristics (peak force, drift ratios, energy dissipation, stiffness). Those parameters were as follows: carbon or glass fiber-reinforced polymers (FRP) versus stainless steel; configuration and amount of NSM reinforcement; confinement via local jacketing; and type of bonding agent (epoxy resin or mortar). The results demonstrate that NSM FRP or stainless steel reinforcement is a viable solution towards enhancing the flexural resistance of reinforced concrete columns subjected to seismic loads. With proper design, which should combine compulsory NSM reinforcement with local jacketing at column ends, it seems that column strength enhancement does not develop at the expense of low deformation capacity.

Concrete block masonry is a common building material used worldwide, including Canada. Reinforced masonry buildings, designed according to the requirements of recent building codes, may result in seismically safe structures. However, unreinforced masonry (URM) buildings designed and constructed prior to the development of modern seismic design codes are extremely vulnerable to seismic induced damage. Replacement of older seismically deficient buildings with new and seismically designed structures is economically not feasible in most cases. Therefore, seismic retrofitting of deficient buildings remains to be a viable seismic risk mitigation strategy. Masonry load bearing walls are the most important elements of such buildings, potentially serving as lateral force resisting systems. A seismic retrofit research program is currently underway at the University of Ottawa, consisting of experimental and analytical components for developing new seismic retrofit systems for unreinforced masonry walls. The research project presented in this thesis forms part of the same overall research program. The experimental component includes design, construction, retrofit and testing of large-scale load bearing masonry walls. Two approaches were developed as retrofit methodologies, both involving reinforcing the walls for strength and deformability. The first approach involves the use of ordinary deformed steel reinforcement as internally added reinforcement to attain reinforced masonry behaviour. The second approach involves the use of internally placed post-tensioning tendons to attain prestressed masonry behaviour. The analytical component of research consists of constructing a Finite Element computer model for nonlinear analysis of walls and conducting a parametric study to assess the significance of retrofit design parameters. The results have led to the development of a conceptual retrofit design framework for the new techniques developed, while utilizing the seismic provisions of the National Building Code of Canada and the relevant CSA material standards.

In a Reinforced Concrete (RC) building subjected to lateral loads such as earthquake and wind pressure, the beam to column joints constitute one of the critical regions, especially the exterior ones, and they must be designed and detailed to dissipate large amounts of energy without a significant loss of, strength, stiffness and ductility. This would be achieved when the beam-column joints are designed in such a way that the plastic hinges form at a distance away from the column face and the joint region remain elastic. In existing frames, an easy and practical way to implement this behaviour following the accepted design philosophy of the strong-column weak-beam concept is the use a Fibre Reinforced Plastic (FRP) retrofitting system. In the case of damaged buildings, this can be achieved through a FRP repairing system. In the experimental part of this study, seven scaled down exterior subassemblies were tested under monotonic or cyclic loads. All specimens were designed following the strong-column weak-beam principal. The three categories selected for this investigation included the FRP-repaired and FRP-retrofitted specimens under monotonic loads and FRP-retrofitted specimen under cyclic loads. All repairing/retrofitting was performed using a new technique called a web-bonded FRP system, which was developed for the first time in the current study. On the basis of test results, it was concluded that the FRP repairing/retrofitting system can restore/upgrade the integrity of the joint, keeping/upgrading its strength, stiffness and ductility, and shifting the plastic hinges from the column face toward the beam in such a way that the joint remains elastic. In the analytical part of this study, a closed-form solution was developed in order to predict the physical behaviour of the repaired/retrofitted specimens. Firstly, an analytical model was developed to calculate the ultimate moment capacity of the web-bonded FRP sections considering two failure modes, FRP rupture and tension failure, followed by an extended formulation for estimating the beam-tip displacement. Based on the analytical model and the extended formulation, failure mechanisms of the test specimens were implemented into a computer program to facilitate the calculations. All seven subassemblies were analysed using this program, and the results were found to be in good agreement with those obtained from experimental study. Design curves were also developed to be used by practicing engineers. In the numerical part of this study, all specimens were analysed by a nonlinear finite element method using ANSYS software. Numerical analysis was performed for three purposes: to calculate the first yield load of the specimens in order to manage the tests; to investigate the ability of the web-bonded FRP system to relocate the plastic hinge from the column face toward the beam; and to calibrate and confirm the results obtained from the experiments. It was concluded that numerical analysis using ANSYS could be considered as a practical tool in the design of the web-bonded FRP beam-column joints.