Optimum design of precast and prestressed beams with focus on CO2 emission reduction

• Published in: Revista IBRACON de estruturas e materiais Vol. 15; no. 6
• Main Authors: Moraes, Matheus Henrique Morato de, Pereira Junior, Wanderlei Malaquias, Almeida, Sylvia Regina Mesquita de, Gonçalves Filho, Geraldo Magela, Vasconcelos, Rebeca Freitas
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: IBRACON - Instituto Brasileiro do Concreto 2022; Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON)
• Subjects: CO2 emission; ENGINEERING, CIVIL; optimization; precast concrete; prestressed concrete; sustainability; concreto protendido; optimization; emissão de CO2; sustentabilidade; precast concrete; otimização; concreto pré-fabricado; sustainability; CO2 emission; prestressed concrete
• ISSN: 1983-4195; 1983-4195
• DOI: 10.1590/s1983-41952022000600006

Abstract Among the main contributors to CO2 emissions on the ozone layer, the construction industry contributes with a significant portion. This emission is generated largely by applying concrete construction systems and their variations. Therefore, it is important to use tools that allow the development of projects which mitigate the effects of harmful gas emissions into the atmosphere. Thus, this study applied an optimization algorithm called Firefly Algorithm (FA) to design precast and prestressed rectangular beams focusing on reducing CO2 emissions in the structural design phase. The Objective Function (OF) was defined as the total weight of CO2 emitted in each construction phase (production, transportation, and placement) and the structural design constraints are based on the design criteria established in ABNT NBR 6118. The problem optimization’s variables are geometric properties and mechanical beam's conditions, where the beam height, beam width, the proportion of height generates prestressing eccentricity, and the proportion of prestressing load were considered as design variables. Ten beams were analyzed, with different loadings, where each of these beams was submitted to the optimization process thirty times. For the proposed conditions, the ten beams had an average CO2 emission of 3282.59 kg, maximum and minimum carbon emission of 3630.52 kg and 2910.67 kg, respectively. The study resulted in a feasibility rate higher than 90%, showing that the optimization tool was efficient in the structural design phase focusing on sustainability. Concerning carbon emission, it is possible to verify a relationship between the increase of emission and the load since element with greater inertia tend to emit a greater amount of CO2. It was also possible to determine a regression between carbon emission and beam load. Resumo Entre os principais responsáveis pelas emissões de CO2 na camada de ozônio, a indústria da construção civil contribui com uma parcela significativa. Esta emissão é gerada em grande parte pela aplicação de sistemas de construção em concreto e suas variações. Portanto, é importante o uso de ferramentas que permitam o desenvolvimento de projetos que mitiguem os efeitos das emissões de gases nocivos para a atmosfera. Desse modo, este estudo aplicou um algoritmo de otimização chamado Firefly Algorithm (FA) para projetar vigas retangulares pré-fabricadas e protendidas com foco na redução da emissão de CO2 na fase de projeto estrutural. A Função Objetiva (FO) foi definida como o peso total de CO2 emitido em cada fase de construção (produção, transporte e montagem) e as restrições de projeto estrutural são baseadas nos critérios de projeto estabelecidos na ABNT NBR 6118. As variáveis do problema de otimização tratam de propriedades geométricas e condições mecânicas da viga, onde foram consideradas variáveis de projeto a altura da viga, espessura da viga, a proporção de altura que gera excentricidade de protensão, e a proporção da força de protensão. Foram analisadas dez vigas, com diferentes carregamentos, onde cada uma dessas vigas foi submetida ao processo de otimização trinta vezes. Para as condições propostas, as dez vigas apresentaram uma emissão de CO2 médio de 3282.59 kg, emissão de carbono máximo e mínimo de 3630.52 kg e 2910.67 kg, respectivamente. O estudo resultou em uma taxa de factibilidade superior à 90%, mostrando que a ferramenta de otimização foi eficiente na fase de projeto estrutural com foco na sustentabilidade. Em relação a emissão de carbono, é possível verificar uma relação entre o aumento da emissão e o carregamento visto que peças com maior inércia tendem a emitir uma maior quantidade de CO2. Ainda foi possível determinar uma regressão entre a emissão de carbono e o carregamento da viga.