Tømmer eller stål? Undersøgelse hjælper bygherrer med at reducere CO2-fodaftrykket fra truss-strukturer

Bygninger er en stor bidragyder til den globale opvarmning, ikke kun i deres løbende drift, men i de materialer, der bruges i deres konstruktion. Truss-strukturer - de kryds og tværs af diagonale stivere, der bruges gennem moderne byggeri, i alt fra antennetårne ​​til støttebjælker til store bygninger - er typisk lavet af stål eller træ eller en kombination af begge. Men der er lavet lidt kvantitativ forskning i, hvordan man vælger de rigtige materialer for at minimere disse strukturers bidrag til den globale opvarmning.

Det "indlejrede kulstof" i et byggemateriale omfatter det brændstof, der anvendes i materialets produktion (for eksempel til minedrift og smeltning af stål, eller til fældning og forarbejdning af træer) og til transport af materialerne til et sted. Det omfatter også det udstyr, der bruges til selve konstruktionen.

Nu har forskere ved MIT lavet en detaljeret analyse og skabt et sæt beregningsværktøjer, der gør det muligt for arkitekter og ingeniører at designe truss-strukturer på en måde, der kan minimere deres indbyggede kulstof og samtidig bevare alle nødvendige egenskaber til en given bygningsapplikation. Mens træ generelt producerer et meget lavere CO2-fodaftryk, kan brug af stål på steder, hvor dets egenskaber kan give maksimal fordel, give et optimeret resultat, siger de.

Analysen er beskrevet i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Engineering Structures af kandidatstuderende Ernest Ching og MIT assisterende professor i civil- og miljøteknik Josephine Carstensen.

"Byggeri er en enorm drivhusgasudleder, som på en måde har fløjet under radaren i de sidste årtier," siger Carstensen. Men i de senere år er bygningsdesignere "begyndt at være mere fokuserede på, hvordan man ikke kun reducerer driftsenergien forbundet med bygningsbrug, men også det vigtige kulstof, der er forbundet med selve strukturen." Og det er her, denne nye analyse kommer ind.

De to vigtigste muligheder for at reducere kulstofemissionerne forbundet med truss-strukturer, siger hun, er at erstatte materialer eller ændre strukturen. Men der har været "overraskende lidt arbejde" med værktøjer til at hjælpe designere med at finde ud af emissionsminimerende strategier for en given situation, siger hun.

Det nye system gør brug af en teknik kaldet topologioptimering, som giver mulighed for input af grundlæggende parametre, såsom mængden af ​​belastning, der skal understøttes og dimensionerne af strukturen, og kan bruges til at producere design optimeret til forskellige egenskaber, som f.eks. som vægt, omkostninger eller, i dette tilfælde, påvirkning af den globale opvarmning.

Træ klarer sig meget godt under kompressionskræfter, men ikke så godt som stål, når det kommer til spænding - det vil sige en tendens til at trække strukturen fra hinanden. Carstensen fortæller, at træ generelt er langt bedre end stål med hensyn til indlejret kulstof, så "især hvis man har en struktur, der ikke har nogen spænding, så skal man bestemt kun bruge tømmer" for at minimere udledningen. En afvejning er, at "vægten af ​​strukturen bliver større, end den ville være med stål," siger hun.

De værktøjer, de udviklede, som var grundlaget for Chings kandidatafhandling, kan anvendes på forskellige stadier, enten i den tidlige planlægningsfase af en struktur eller senere i de sidste faser af et design.

Som en øvelse udviklede holdet et forslag til omstrukturering af flere spær ved hjælp af disse optimeringsværktøjer og demonstrerede, at der kunne opnås betydelige besparelser i indbyggede drivhusgasemissioner uden tab af ydeevne. Selvom de har vist, at der kan opnås forbedringer på mindst 10 procent, siger hun, at disse estimater er "ikke ligefrem æbler til æbler", og sandsynlige besparelser kan faktisk være to til tre gange så meget.

"Det handler om at vælge materialer mere smart," siger hun for de specifikke specifikationer af en given applikation. Ofte i eksisterende bygninger "vil du have træ, hvor der er kompression, og hvor det giver mening, og så vil det have virkelig tynde stålelementer, i spænding, hvor det giver mening. Og det er også det, vi ser i vores designløsninger, der er foreslået , men måske kan vi se det endnu tydeligere." Værktøjerne er dog ikke klar til kommerciel brug, siger hun, fordi de endnu ikke har tilføjet en brugergrænseflade.

Carstensen ser en tendens til at øge brugen af ​​træ i større byggeri, hvilket repræsenterer et vigtigt potentiale for at reducere verdens samlede CO2-udledning. "Der er en stor interesse i byggebranchen for massive tømmerkonstruktioner, og det taler lige ind i det område. Så håbet er, at det her vil slå igennem i byggebranchen og faktisk gøre et indhug i det meget store bidrag til udledningen af ​​drivhusgasser. ."