۰۱مقالات

مقاله ژورنالی

Analysis and assessment of life-cycle carbon emissions of space frame structures

تحلیل و ارزیابی انتشار کربن در چرخه عمر سازه‌های فضاکار

ناشر: Journal of Cleaner Productionتاریخ انتشار: ۱۱ خرداد ۱۴۰۱

DOI10.1016/j.jclepro.2022.135521 مشاهده در سایت ناشر دانلود فایل پیوست

نویسندگان

Xian Xu

Jianzhou You

Yafeng Wang a c

Yaozhi Luo

چکیده

The construction industry takes up a significant part of global energy consumption and carbon emissions, and thus accurate calculation and evaluation of full life-cycle energy consumption and carbon emissions of different types of building structures are important for low carbon-oriented structural design. Large-span structures usually consume more materials, need more complex construction processes, and thus have a larger environmental impact. In this study, the life cycle assessment of the carbon emission of space frame structures which is a classical type of large-span structure is conducted. Space frame structures with bolted spherical joints and space frame structures with welded hollow spherical joints are considered. The life cycle of a space frame structure is divided into four phases including component production, construction, maintenance, and demolition. The tiered hybrid method that combines process-based calculation and input-output analysis is adopted to evaluate the carbon emission of space frame structures. Parametrical studies on the height-span ratio and grid number are carried out using the proposed assessment scheme. The carbon emissions of the space frame structures with different types of joints are investigated and compared. It is found that lower material consumption does not always result in lower carbon emission, and thus it is necessary to evaluate the life-cycle carbon emission during lower carbon-oriented design of space frame structures. An equation for approximately and quickly estimating the carbon emission of space frame structures is fitted from the material consumption to carbon emission datum obtained from the parametrical studies. This study provides a useful reference for the carbon emission assessment and low-carbon oriented design of space frame structures.

چکیده فارسی

صنعت ساخت‌وساز بخش قابل‌توجهی از مصرف جهانی انرژی و انتشار کربن را به خود اختصاص می‌دهد؛ بنابراین محاسبه و ارزیابی دقیق مصرف انرژی و میزان انتشار کربن در کل چرخه عمر انواع مختلف سازه‌های ساختمانی، برای طراحی سازه‌ای با رویکرد کاهش کربن اهمیت زیادی دارد. سازه‌های دهانه‌بلند معمولاً مصالح بیشتری مصرف می‌کنند، به فرآیندهای اجرایی پیچیده‌تری نیاز دارند و در نتیجه اثرات زیست‌محیطی بیشتری ایجاد می‌کنند.
در این مطالعه، ارزیابی چرخه عمر انتشار کربن در سازه‌های فضاکار، به‌عنوان یکی از انواع رایج سازه‌های دهانه‌بلند، انجام شده است. در این پژوهش، دو نوع سازه فضاکار مورد بررسی قرار گرفته‌اند: سازه‌های فضاکار با اتصالات کروی پیچ‌ومهره‌ای و سازه‌های فضاکار با اتصالات کروی توخالی جوشی.
چرخه عمر یک سازه فضاکار در این تحقیق به چهار مرحله تقسیم شده است: تولید قطعات، ساخت و اجرا، نگهداری و تخریب. برای ارزیابی انتشار کربن سازه‌های فضاکار، از روش ترکیبی سلسله‌مراتبی استفاده شده است؛ روشی که محاسبات مبتنی بر فرآیند را با تحلیل داده-ستانده ترکیب می‌کند.
مطالعات پارامتریک بر روی نسبت ارتفاع به دهانه و تعداد شبکه‌ها با استفاده از روش ارزیابی پیشنهادی انجام شده است. همچنین میزان انتشار کربن در سازه‌های فضاکار با انواع مختلف اتصالات بررسی و با یکدیگر مقایسه شده است.
نتایج نشان می‌دهد که کاهش مصرف مصالح، همیشه به معنای کاهش انتشار کربن نیست؛ بنابراین در طراحی سازه‌های فضاکار با رویکرد کم‌کربن، ارزیابی انتشار کربن در کل چرخه عمر سازه ضروری است. همچنین بر اساس داده‌های به‌دست‌آمده از مطالعات پارامتریک، یک رابطه تقریبی برای تخمین سریع میزان انتشار کربن سازه‌های فضاکار بر مبنای مصرف مصالح ارائه شده است.
این مطالعه می‌تواند مرجعی مفید برای ارزیابی انتشار کربن و طراحی کم‌کربن سازه‌های فضاکار باشد.

کلیدواژه‌ها

Space frame structure, Carbon emission, Life-cycle assessment, Material consumption

متن مقاله

خلاصه مقاله

این مقاله درباره کاهش تغییرشکل و کنترل لنگر پیچشی در سازه‌های فضاکار است. نویسندگان نشان می‌دهند که در سازه‌های فضاکار، مخصوصاً سازه‌های تک‌لایه، اصلاح تغییرشکل سازه فقط با تغییر طول اعضا می‌تواند باعث افزایش شدید لنگر پیچشی در بعضی اعضا شود. بنابراین کنترل تغییرشکل به‌تنهایی کافی نیست و باید همزمان پیچش اعضا هم کنترل شود.

روش مقاله بر پایه Force Method و بهینه‌سازی عددی در MATLAB است. در این روش، تعدادی از اعضای سازه به‌عنوان اعضای فعال یا مجهز به عملگر در نظر گرفته می‌شوند و با تغییر طول کنترل‌شده آن‌ها، تغییرمکان گره‌ها و لنگر پیچشی اعضا در محدوده مجاز نگه داشته می‌شود.

مدل عددی مقاله یک سازه فضاکار تک‌لایه تخم‌مرغی‌شکل با ۹۰ گره و ۱۷۶ عضو خمشی است. هدف این بوده که تغییرمکان گره‌ها در محدوده ±۱۰ میلی‌متر و لنگر پیچشی اعضا در محدوده ±۴۰۰ نیوتن‌میلی‌متر باقی بماند.

نتیجه مهم مقاله این است که اگر فقط تغییرشکل کنترل شود، لنگر پیچشی برخی اعضا ممکن است از حدود ۵۰۰ نیوتن‌میلی‌متر به نزدیک ۲۰۰۰ نیوتن‌میلی‌متر برسد. اما با کنترل همزمان تغییرشکل و پیچش، هم فرم سازه اصلاح می‌شود و هم پیچش اعضا در محدوده ایمن باقی می‌ماند.

از نظر کاربردی، مقاله برای طراحی سازه‌های فضاکار تطبیق‌پذیر، سقف‌های دهانه‌بلند، سازه‌های سبک و سیستم‌های کنترل‌شونده با عملگر اهمیت دارد؛ چون نشان می‌دهد در کنترل فرم سازه، باید اثرات داخلی مثل پیچش اعضا نیز حتماً بررسی شود.

نکات کلیدی مقاله

•مقاله چرخه عمر سازه فضاکار را به چهار مرحله تولید قطعات، ساخت و نصب، نگهداری و تخریب تقسیم می کند.

• دو نوع سیستم اتصال بررسی شده است: گره کروی جوشی و گره کروی پیچی.

• روش محاسبه استفاده شده، روش هیبریدی طبقه بندی شده است که تحلیل فرآیندی را با تحلیل داده-ستانده ترکیب می کند.

•مرحله تولید قطعات، سهم غالب انتشار کربن را دارد و حدود 70 تا 80 درصد انتشار کل چرخه عمر را تشکیل می دهد.

•مرحله ساخت حدود 17 درصد، نگهداری حدود 2 تا 3 درصد و تخریب حدود 3 تا 10 درصد انتشار کل را شامل می شود.

• سازه فضاکار با نسبت ارتفاع به دهانه 0.09 و تعداد شبکه 8، در مطالعه موردی کمترین انتشار کربن را نشان داده است.

• مصرف کمتر فولاد همیشه به معنی انتشار کربن کمتر نیست؛ زیرا تعداد قطعات، سطح رنگ آمیزی، جوشکاری، نیروی کار و عملیات ساخت نیز در نتیجه اثر دارند.

شرح فنی مقاله به زبان ساده

در روش های سنتی، هنگام مقایسه چند گزینه سازه ای، معمولاً وزن فولاد به عنوان شاخص اصلی اقتصادی و زیست محیطی بررسی می شود. این مقاله نشان می دهد که چنین رویکردی برای سازه های فضاکار کامل نیست. یک سازه ممکن است وزن فولاد کمتری داشته باشد، اما به دلیل تعداد بیشتر قطعات، سطح بیشتر برای پوشش ضدخوردگی، عملیات جوشکاری یا نصب پیچیده تر، در نهایت انتشار کربن بالاتری ایجاد کند.

نویسندگان برای رسیدن به نتیجه دقیق تر، چرخه عمر سازه فضاکار را مرحله به مرحله مدل کرده اند. در مرحله تولید، تولید فولاد، حمل از کارخانه فولاد به کارگاه ساخت، ماشین کاری، فورج، سوراخ کاری، جوشکاری، چربی گیری، زنگ زدایی و رنگ پودری بررسی شده است. در مرحله ساخت نیز حمل قطعات به سایت، جوشکاری کارگاهی، نصب، بالابری، عملکرد ماشین آلات و حتی اثر نیروی کار و تجهیزات در نظر گرفته شده است.

مطالعه موردی مقاله یک سازه فضاکار مربعی به ابعاد 50 در 50 متر است که با واحدهای هرم مربعی مدل سازی شده و برای نسبت های مختلف ارتفاع به دهانه و تعداد شبکه های متفاوت تحلیل شده است. این کار به نویسندگان امکان داده است اثر هندسه، تعداد مدول ها و نوع گره را بر مصرف فولاد و انتشار کربن بررسی کنند.

مقایسه اتصال کروی جوشی و کروی پیچی

یکی از بخش های ارزشمند مقاله، مقایسه سازه فضاکار با گره کروی جوشی و سازه فضاکار با گره کروی پیچی است. نتایج نشان می دهد که سیستم دارای گره کروی پیچی در مرحله تولید قطعات، به دلیل فرآیندهای ساخت و اجزای اتصال، مقدار کمی انتشار بالاتری دارد. با این حال، همین سیستم در مرحله ساخت و نصب می تواند انتشار کمتری داشته باشد، زیرا نیاز به جوشکاری کارگاهی و عملیات کنترلی مرتبط با جوش در آن کمتر است.

این نتیجه برای پروژه های اجرایی بسیار مهم است. انتخاب اتصال نباید فقط بر اساس وزن قطعات یا قیمت اولیه انجام شود. در پروژه های دهانه بلند، عواملی مانند سرعت نصب، کنترل کیفیت، نیاز به نیروی متخصص، مقدار جوشکاری در سایت، قابلیت باز و بسته شدن قطعات و امکان دمونتاژ در پایان عمر سازه، همگی باید در تصمیم نهایی لحاظ شوند.

اهمیت مقاله برای طراحی سازه فضاکار

مقاله تأکید می کند که طراحی کم کربن سازه فضاکار باید از مرحله کانسپت آغاز شود. در همین مرحله است که انتخاب سیستم باربر، نسبت ارتفاع به دهانه، ابعاد شبکه، نوع گره، محل تکیه گاه ها و روش اجرای پروژه تعیین می شود. تصمیم های اولیه اگر درست گرفته شوند، می توانند هم مصرف فولاد و هم انتشار کربن را کاهش دهند.

در نمونه بررسی شده، سازه فضاکار برای پوشش سقف 50 در 50 متر به حدود 51.8 تن فولاد نیاز داشته است. برای مقایسه، سیستم تیرآهن ساده حدود 601.3 تن فولاد و خرپای صفحه ای حدود 65.1 تن فولاد نیاز داشته است. این مقایسه نشان می دهد که رفتار سه بعدی سازه فضاکار، در بسیاری از سقف های دهانه بلند، از نظر راندمان مصالح برتری قابل توجهی نسبت به سیستم های دو بعدی دارد.

برداشت اجرایی

• در طراحی سقف های دهانه بلند، ارزیابی همزمان وزن، تعداد قطعات و روش نصب ضروری است.

• بهینه سازی فقط بر پایه کم کردن وزن سازه ممکن است نتیجه زیست محیطی دقیق ندهد.

• انتخاب نوع گره باید با توجه به شرایط ساخت، حمل، نصب، کنترل کیفیت و نگهداری انجام شود.

• کیفیت پوشش ضدخوردگی و دوام رنگ، به دلیل اثر مستقیم بر مرحله نگهداری، بخشی از طراحی پایدار سازه است.

• در پروژه هایی مانند سالن های صنعتی، ورزشگاه ها، نمایشگاه ها، فرودگاه ها و سقف های دهانه بلند، سازه فضاکار می تواند گزینه ای کم وزن و کم کربن تر نسبت به بسیاری از سیستم های خطی یا صفحه ای باشد.

جمع بندی نهایی

این مقاله نشان می دهد که سازه فضاکار فقط یک راهکار اقتصادی و سبک برای پوشش دهانه های بزرگ نیست، بلکه در صورت طراحی صحیح می تواند در مسیر ساخت و ساز کم کربن نیز نقش مؤثری داشته باشد. با این حال، رسیدن به این هدف نیازمند نگاه چرخه عمر است؛ یعنی باید تولید فولاد، ساخت قطعات، حمل، نصب، نگهداری و حتی تخریب آینده سازه به طور همزمان بررسی شود.

برای شرکت هایی که در طراحی، ساخت و نصب سازه فضاکار فعالیت می کنند، پیام مقاله روشن است: طراحی پایدار زمانی شکل می گیرد که مهندسی سازه، فناوری ساخت، جزئیات اتصال، پوشش محافظ، برنامه نصب و مدیریت مصالح به صورت یکپارچه تصمیم گیری شوند. چنین رویکردی می تواند علاوه بر کاهش مصرف فولاد و هزینه های اجرایی، اثرات زیست محیطی پروژه را نیز کاهش دهد.

ارزیابی انتشار کربن سازه فضاکار در چرخه عمر | ROZAN

منابع

[1]Amico B, D., Pomponi, F., 2018. Accuracy and reliability: a computational tool to minimise steel mass and carbon emissions at early-stage structural design. Energ Build. 168236–168250.
[2]Brütting, J., Vandervaeren, C., Senatore, G., De Temmerman, N., Fivet, C., 2020. Environmental Impact Minimization of Reticular Structures Made of Reused and New Elements through Life Cycle Assessment and Mixed-Integer Linear Programming. ENERG BUILDINGS, 215109827.
[3]Building Carbon Emission Calculation Standard. GB/T 51366-2019, 2019. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.
[4]Caruso, M.C., Menna, C., Asprone, D., Prota, A., Manfredi, G., 2017. Methodology for life-cycle sustainability assessment of building structures. ACI Struct. J. 114.
[5]Chau, C.K., Hui, W.K., Ng, W.Y., Powell, G., 2012. Assessment of CO2 emissions reduction in high-rise concrete office buildings using different material use options. Resour. Conserv. Recycl. 6122–6134
[6]China Association of Building Efficiency, 2020. China building energy research report 2020 (in Chinese). Available from: https://www.cabee.org/site/content/24021. html.
[7]Ching, E., Carstensen, J.V., 2022. Truss topology optimization of timber–steel structures for reduced embodied carbon design. Eng. Struct., 252113540 Crawford, R.H., 2014. Post-occupancy life cycle energy assessment of a residential building in Australia. Archit. Sci. Rev. 57114–57124.
[8]Crippa, M., Guizzardi, D., Solazzo, E., Muntean, M., Schaaf, E., Monforti-Ferrario, F., et al., 2021. GHG Emissions of All World Countries-2021 Report. EUR 30381 EN. Publications Office of the European Union, Luxembourg. Available from: https://e dgar.jrc.ec.europa.eu/report_2021.
[9]Ding, T., Xiao, J., 2014. Estimation of building-related construction and demolition waste in Shanghai. Waste Manage. (Tucson, Ariz.) 342327–342334.
[10]Dixit, M.K., Culp, C.H., Fernandez-Solis, J.L., 2015. Embodied energy of construction materials: integrating human and capital energy into an IO-based hybrid model. Environ. Sci. Technol. 491936–491945.
[11]Dong, Y.H., Jaillon, L., Chu, P., Poon, C.S., 2015. Comparing carbon emissions of precast and cast-in-situ construction methods – a case study of high-rise private building. Constr. Build. Mater. 9939–9953.
[12]Drewniok, M.P., Campbell, J., Orr, J., 2020. The Lightest Beam Method – a methodology to find ultimate steel savings and reduce embodied carbon in steel framed buildings. Structures 27687–27701.
[13]Dunant, C.F., Drewniok, M.P., Orr, J.J., Allwood, J.M., 2021. Good early stage design decisions can halve embodied CO2 and lower structural frames’ cost. Structures 33343–33354.
[14]Ecoinvent Association. Ecoinvent database 3.7.1. Available from: https://ecoinvent. org/the-ecoinvent-database/.
[15]Gan, V.J.L., Cheng, J.C.P., Lo, I.M.C., Chan, C.M., 2017. Developing a CO2-e accounting method for quantification and analysis of embodied carbon in high-rise buildings.
[16]J. Clean. Prod. 141825–141836. Gauch, H.L., Hawkins, W., Ibell, T., Allwood, J.M., Dunant, C.F., 2022. Carbon vs. cost option mapping: a tool for improving early-stage design decisions. Automat. Constr., 136104178 Gong, X., Nie, Z., Wang, Z., Cui, S., Gao, F., Zuo, T., 2012. Life cycle energy consumption and carbon dioxide emission of residential building designs in beijing. J. Ind. Ecol. 16576–16587.

مقالات مرتبط

گزارش فنی

Comparative Study of Space Frame Structures and Conventional Plate-Girder Sheds

مقاله ژورنالی

The Ultimate Strength of Hexa-node for Double-Layer Lattice Cooling Towers

مقاله ژورنالی

An Efficient Network-Based QoE Assessment Framework for Multimedia Networks Using a Machine Learning Approach

بازگشت به فهرست مقالات