Byggnader är ett stort bidrag till den globala uppvärmningen, inte bara i deras pågående verksamhet utan i de material som används i deras konstruktion. Fackverkskonstruktioner - de där kors och tvärs av diagonala strävor som används genom modern konstruktion, i allt från antenntorn till stödbalkar för stora byggnader - är vanligtvis gjorda av stål eller trä eller en kombination av båda. Men lite kvantitativ forskning har gjorts om hur man väljer rätt material för att minimera dessa strukturers bidrag till global uppvärmning.

Det "förkroppsligade kolet" i ett konstruktionsmaterial innefattar det bränsle som används i materialets produktion (till exempel för brytning och smältning av stål, eller för att fälla och bearbeta träd) och för att transportera materialen till en plats. Det inkluderar även den utrustning som används för själva konstruktionen.

Nu har forskare vid MIT gjort en detaljerad analys och skapat en uppsättning beräkningsverktyg för att göra det möjligt för arkitekter och ingenjörer att designa fackverksstrukturer på ett sätt som kan minimera deras förkroppsligade kol samtidigt som de bibehåller alla nödvändiga egenskaper för en given byggnadsapplikation. Även om trä i allmänhet ger ett mycket lägre koldioxidavtryck, kan användning av stål på platser där dess egenskaper kan ge maximal nytta ge ett optimerat resultat, säger de.

Analysen beskrivs i en artikel som publicerades idag i tidskriften Engineering Structures, av doktoranden Ernest Ching och MIT biträdande professor i civil- och miljöteknik Josephine Carstensen.

"Byggverk är en enorm utsläppare av växthusgaser som typ har flugit under radarn under de senaste decennierna", säger Carstensen. Men under de senaste åren har byggnadskonstruktörer "börjar bli mer fokuserade på hur man inte bara kan minska den driftsenergi som är förknippad med byggnadens användning, utan också det viktiga kol som är förknippat med själva strukturen." Och det är där denna nya analys kommer in.

De två huvudsakliga alternativen för att minska koldioxidutsläppen i samband med fackverkskonstruktioner, säger hon, är att ersätta material eller ändra strukturen. Men det har gjorts "förvånansvärt lite arbete" med verktyg för att hjälpa designers att ta reda på utsläppsminimerande strategier för en given situation, säger hon.

Det nya systemet använder sig av en teknik som kallas topologioptimering, som möjliggör inmatning av grundläggande parametrar, såsom mängden belastning som ska stödjas och dimensionerna på strukturen, och kan användas för att producera konstruktioner optimerade för olika egenskaper, t.ex. som vikt, kostnad eller, i det här fallet, påverkan på den globala uppvärmningen.

Trä presterar mycket bra under kompressionskrafter, men inte lika bra som stål när det kommer till spänning - det vill säga en tendens att dra isär strukturen. Carstensen säger att trä generellt sett är mycket bättre än stål när det gäller inbäddat kol, så "speciellt om du har en struktur som inte har några spänningar, då bör du definitivt bara använda timmer" för att minimera utsläppen. En avvägning är att "strukturens vikt kommer att bli större än den skulle vara med stål", säger hon.

De verktyg de utvecklade, som låg till grund för Chings masteruppsats, kan tillämpas i olika skeden, antingen i den tidiga planeringsfasen av en struktur, eller senare i slutskedet av en design.

Som en övning utvecklade teamet ett förslag för att omkonstruera flera takstolar med dessa optimeringsverktyg och visade att betydande besparingar i förkroppsligade växthusgasutsläpp kunde uppnås utan prestandaförlust. Även om de har visat att förbättringar på minst 10 procent kan uppnås, säger hon att dessa uppskattningar är "inte precis äpplen till äpplen" och sannolika besparingar kan faktiskt vara två till tre gånger så mycket.

"Det handlar om att välja material smartare", säger hon, för specifikationerna för en given applikation. Ofta i befintliga byggnader "kommer du att ha timmer där det finns kompression och där det är vettigt, och sedan kommer det att ha riktigt smala stålelement, i spänning, där det är vettigt. Och det är också vad vi ser i våra designlösningar som föreslås , men vi kanske kan se det ännu tydligare." Verktygen är dock inte redo för kommersiell användning, säger hon, eftersom de ännu inte har lagt till något användargränssnitt.

Carstensen ser en trend att öka användningen av virke i stora byggen, vilket utgör en viktig potential för att minska världens totala koldioxidutsläpp. "Det finns ett stort intresse inom byggbranschen för träkonstruktioner i massa, och det här talar rakt in i det området. Så förhoppningen är att det här skulle göra intåg i byggbranschen och faktiskt göra en buckla i det mycket stora bidraget till utsläppen av växthusgaser ."