Optimizing low carbon concrete in reinforced concrete structure design

Thumbnail Image

Files

master_Rubel_Md._2024.pdf (11.19 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-08-19

Department

Major/Subject

Structural Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Building Technology (CIV)

Language

en

Pages

112+132

Series

Abstract

Concrete is the most essential and used material for construction, but it has a very large contribution to global carbon emissions. To reduce the emission, this study focuses on ensuring minimal CO2 emissions by utilizing low-carbon concrete (LCC) replacing the conventional concrete (CC) in reinforced concrete structure design stage and evaluate the structural compatibility and the efficiency. This research is theoretical, and design based, covering a case study of three types of load-bearing structural elements of an 8-story building that includes, intermediate floor slab (solid and hollow-core), column, and wall. “Euro Codes” and “Finnish National Annex to Eurocodes” were used for structural design of the elements. After that, “BY Low Carbon Classification (BYLCC)” is applied to the emission calculation. Finally, “Feature Importance” method was adopted to determine the influence rate of emissions for the selected parameters. However, it has been observed that the design combination profiles of any elements give different level of CO2 emission based on its volumetric and areal dispersal. For instance, if a specific design combination has the lowest emission by volume, it does not have the same position when the basis of emission calculation changes from volumetric unit to areal. Hollow-core slab pro-vides significantly lower emission than the solid slab with conventional concrete (CC). Feature importance analysis defined that that the diameter of steel reinforcement is the least and the concrete strength is the most influential parameters for CO2 emissions of a reinforced slab by its volume and area. Volumetric carbon emission of the wall follows the same trend as the slab, but the areal emission shows differences. The wall thickness, concrete strength, and rebar diameter ranked respectively as the first, second, and third impact variables for CO2 emissions per square meter. Similarly, the cross-section area, concrete strength, and the diameter of steel reinforcement are respectively the 1st, 2nd, and 3rd important parameters for CO2 emissions per cubic meter of a reinforced concrete column. However, in all cases, rebar diameter has the lowest effect to leading CO2 emissions from the elements irrespective to its volumetric or areal dispersal. Among the three structural elements, wall has the most potential, then slab and column respectively in minimizing the CO2 emissions from the structure. Finally, this study results in a positive hypothesis and concludes with providing further research opportunities.

Betoni on rakennusmateriaalina välttämätön ja laajimmin käytetty, mutta sillä on merkittävä osuus maailmanlaajuisissa hiilidioksidipäästöissä. Päästöjen vähentämiseksi tämä tutkimus keskittyy varmistamaan vähäisimmät mahdolliset CO2-päästöt korvaamalla tavanomainen betoni (CC) vähähiilisellä betonilla (LCC) raudoitettujen betonirakenteiden suunnitteluvaiheessa sekä arvioimaan rakenteellista yhteensopivuutta ja tehokkuutta. Tutkimus on teoreettinen ja suunnittelupohjainen, ja se kattaa tapaustutkimuksen, jossa tarkastellaan kolmen tyyppisiä kantavia rakenteellisia elementtejä kahdeksankerroksisessa rakennuksessa. Nämä elementit ovat välikerroksen laatta (massiivinen ja ontelolaatta), pilari ja seinä. Elementtien rakennesuunnittelussa käytettiin "Eurokoodeja" ja "Suomen kansallista liitettä eurokoodeihin". Tämän jälkeen päästölaskennassa sovellettiin "BY Low Carbon Classification (BYLCC)" -luokitusta. Lopuksi käytettiin "Feature Importance" -menetelmää valittujen parametrien päästövaikutusten määritysasteen selvittämiseksi. On kuitenkin havaittu, että minkä tahansa elementin suunnittelukombinaatioprofiilit antavat eri tasoisia CO2-päästöjä riippuen niiden tilavuudellisesta ja pinta-alaisesta jakautumisesta. Esimerkiksi, jos tietyn suunnittelukombinaation tilavuudellinen päästö on alhaisin, se ei välttämättä ole sama, kun päästöjen laskentaperuste muuttuu tilavuusyksiköstä pinta-alaan. Ontelolaatta tuottaa merkittävästi vähemmän päästöjä kuin massiivinen laatta tavanomaisella betonilla (CC). Feature importance -analyysi osoitti, että raudoituksen halkaisija on vähiten vaikuttava ja betonin lujuus on merkittävin parametri raudoitetun laatan CO2-päästöille tilavuuden ja pinta-alan perusteella. Seinän tilavuudellinen hiilipäästö noudattaa samaa trendiä kuin laatan, mutta pinta-alainen päästö näyttää eroavaisuuksia. Seinän paksuus, betonin lujuus ja raudoituksen halkaisija ovat vastaavasti ensimmäinen, toinen ja kolmas vaikutusmuuttuja CO2-päästöille neliömetriä kohden. Vastaavasti poikkileikkausala, betonin lujuus ja raudoituksen halkaisija ovat ensimmäinen, toinen ja kolmas tärkein parametri raudoitetun betonipilarin CO2-päästöille kuutiometriä kohden. Kaikissa tapauksissa raudoituksen halkaisijalla on vähäisin vaikutus elementtien CO2-päästöihin tilavuudellisesta tai pinta-alaisesta jakautumisesta riippumatta. Kolmesta rakenteellisesta elementistä seinällä on suurin potentiaali, sitten laatalla ja pilarilla vähentää rakennuksen CO2-päästöjä. Lopuksi tämä tutkimus tuottaa positiivisen hypoteesin ja päättyy tarjoamalla jatkotutkimusmahdollisuuksia.

Description

Supervisor

Punkki, Jouni

Thesis advisor

Punkki, Jouni

Keywords

low carbon concrete, global warming potential, embodied carbon, limit state design, life cycle assessment, feature importance

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408255801

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG