Gebouwen leveren een grote bijdrage aan de opwarming van de aarde, niet alleen in hun lopende operaties, maar ook in de materialen die bij hun constructie worden gebruikt. Truss-structuren - die kriskras reeksen diagonale stijlen die in moderne constructies worden gebruikt, in alles van antennetorens tot steunbalken voor grote gebouwen - zijn meestal gemaakt van staal of hout of een combinatie van beide. Maar er is weinig kwantitatief onderzoek gedaan naar het kiezen van de juiste materialen om de bijdrage van deze structuren aan de opwarming van de aarde te minimaliseren.

De "belichaamde koolstof" in een constructiemateriaal omvat de brandstof die wordt gebruikt bij de productie van het materiaal (bijvoorbeeld voor de mijnbouw en het smelten van staal, of voor het kappen en verwerken van bomen) en bij het transporteren van de materialen naar een locatie. Het omvat ook de apparatuur die voor de constructie zelf wordt gebruikt.

Nu hebben onderzoekers van MIT een gedetailleerde analyse gedaan en een reeks rekentools gemaakt waarmee architecten en ingenieurs truss-structuren kunnen ontwerpen op een manier die hun belichaamde koolstof kan minimaliseren, terwijl alle benodigde eigenschappen voor een bepaalde bouwtoepassing behouden blijven. Hoewel hout over het algemeen een veel lagere ecologische voetafdruk heeft, kan het gebruik van staal op plaatsen waar de eigenschappen ervan maximaal kunnen profiteren, een geoptimaliseerd resultaat opleveren, zeggen ze.

De analyse wordt beschreven in een paper dat vandaag is gepubliceerd in het tijdschrift Engineering Structures, door afgestudeerde student Ernest Ching en MIT-assistent-professor civiele en milieutechniek Josephine Carstensen.

"De bouw is een enorme uitstoter van broeikasgassen die de afgelopen decennia min of meer onder de radar heeft gevlogen", zegt Carstensen. Maar de laatste jaren beginnen bouwontwerpers "zich meer te concentreren op het verminderen van niet alleen de bedrijfsenergie die gepaard gaat met het gebruik van gebouwen, maar ook de belangrijke koolstof die samenhangt met de structuur zelf." En daar komt deze nieuwe analyse om de hoek kijken.

De twee belangrijkste opties om de koolstofemissies van spantconstructies te verminderen, zegt ze, zijn het vervangen van materialen of het veranderen van de constructie. Er is echter "verrassend weinig werk" geweest aan tools om ontwerpers te helpen bij het bedenken van emissiebeperkende strategieën voor een bepaalde situatie, zegt ze.

Het nieuwe systeem maakt gebruik van een techniek genaamd topologie-optimalisatie, waarmee basisparameters kunnen worden ingevoerd, zoals de hoeveelheid te ondersteunen belasting en de afmetingen van de constructie, en kan worden gebruikt om ontwerpen te maken die zijn geoptimaliseerd voor verschillende kenmerken, zoals zoals gewicht, kosten of, in dit geval, de impact van de opwarming van de aarde.

Hout presteert zeer goed onder drukkrachten, maar niet zo goed als staal als het gaat om spanning - dat wil zeggen, de neiging om de structuur uit elkaar te trekken. Carstensen zegt dat hout over het algemeen veel beter is dan staal in termen van ingebed koolstof, dus "vooral als je een structuur hebt die geen spanning heeft, moet je zeker alleen hout gebruiken" om de uitstoot te minimaliseren. Een afweging is dat "het gewicht van de constructie groter zal zijn dan bij staal", zegt ze.

De tools die ze ontwikkelden, die de basis vormden voor de masterproef van Ching, kunnen in verschillende stadia worden toegepast, hetzij in de vroege planningsfase van een constructie, of later in de laatste fasen van een ontwerp.

Als oefening ontwikkelde het team een ​​voorstel voor het opnieuw ontwerpen van verschillende spanten met behulp van deze optimalisatietools, en toonde aan dat een aanzienlijke besparing op de uitstoot van broeikasgassen kon worden bereikt zonder prestatieverlies. Hoewel ze hebben aangetoond dat verbeteringen van ten minste 10 procent kunnen worden bereikt, zegt ze dat die schattingen "niet echt appels op appels" zijn en dat de besparingen waarschijnlijk twee tot drie keer zo hoog kunnen zijn.

"Het gaat om het slimmer kiezen van materialen", zegt ze, voor de specifieke kenmerken van een bepaalde toepassing. Vaak heb je in bestaande gebouwen "hout waar compressie is, en waar dat logisch is, en dan zal het heel dunne stalen onderdelen hebben, in spanning, waar dat logisch is. En dat is ook wat we zien in onze ontwerpoplossingen die worden voorgesteld , maar misschien kunnen we het nog duidelijker zien." De tools zijn echter nog niet klaar voor commercieel gebruik, zegt ze, omdat ze nog geen gebruikersinterface hebben toegevoegd.

Carstensen ziet een trend naar een toenemend gebruik van hout in grote constructies, wat een belangrijk potentieel vertegenwoordigt voor het verminderen van de totale CO2-uitstoot in de wereld. "Er is een grote belangstelling in de bouwsector voor massale houtconstructies, en dit spreekt recht in dat gebied. Dus de hoop is dat dit de bouwsector zal doordringen en daadwerkelijk een deuk zal hebben in die zeer grote bijdrage aan de uitstoot van broeikasgassen ."