Εισαγωγή

Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στον δομοστατικό σχεδιασμό και την αξιολόγηση της βιωσιμότητας μιας πεζογέφυρας, συγκρίνοντας δύο διαφορετικά υλικά κατασκευής: το αλουμίνιο και τον χάλυβα. Σκοπός της μεταπτυχιακής εργασίας είναι να διερευνήσει τη χρήση αλουμινίου ως εναλλακτική επιλογή σε σχέση με τον υπάρχοντα σχεδιασμό πεζογέφυρας από χάλυβα, αξιολογώντας τόσο τη δομοστατική του επάρκεια όσο και τη βιωσιμότητα μέσω Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (Life Cycle Assessment-LCA) και Κοστολόγησης Κύκλου Ζωής (Life Cycle Costing-LCC) καθώς και να αξιολογηθεί η καταλληλότητα κάθε υλικού, όχι μόνο από άποψη αντοχής και μηχανικής συμπεριφοράς, αλλά και λαμβάνοντας υπόψη περιβαλλοντικά και οικονομικά κριτήρια. Για τον σκοπό αυτό, η έρευνα βασίζεται στη δομοστατική ανάλυση μέσω του λογισμικού RFEM 6, καθώς και σε μια εκτενή Ανάλυση Κύκλου Ζωής (Life Cycle Assessment - LCA) και Κοστολόγηση Κύκλου Ζωής (Life Cycle Costing - LCC). Η μελέτη διερευνά πώς η επιλογή υλικού μπορεί να επηρεάσει τη συνολική απόδοση της πεζογέφυρας, τόσο κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της όσο και στο τέλος του κύκλου ζωής της.

Μοντέλο και Γεωμετρία

Το μοντέλο της πεζογέφυρας αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό RFEM 6, ένα εξειδικευμένο εργαλείο ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Η γέφυρα σχεδιάστηκε ως τοξωτή δικτυωτή κατασκευή με συνολικό μήκος 25 μέτρα. Η κύρια δομική διάταξη αποτελείται από κυκλικές κοίλες διατομές (Circular Hollow Sections - CHS) για όλα τα κύρια στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων των κύριων τόξων, των δοκών, των δικτυωμάτων και των χιαστί συνδέσμων. Για τη συγκριτική ανάλυση, επιλέχθηκε το δομικό αλουμίνιο EN AW 6061-T6 ενώ το μοντέλο με τον χάλυβα διαστασιολογήθηκε με χάλυβα S355N. Όσον αφορά τις διαστάσεις τις κατασκεύης, το πλάτος ξεκινάει στις στηρίξεις από τα 5 m και καταλήγει στα 2.5 m στο μέσο του ανοίγματος. Το ύψος μεταξύ του καταστρώματος και του τόξου είναι 5.5 m για την ασφαλή διέλευση των πεζών ενώ το ύψος του καταστρώματος από τις στηρίξεις λόγω των κεκλιμένων δοκών φτάνει τα 2.5 m στο μέσο του ανοίγματος. Ο σχεδιασμός της διατηρεί μια ισορροπία μεταξύ αισθητικής, λειτουργικότητας και δομοστατικής επάρκειας, ώστε να εξασφαλίζεται η ασφάλεια και η βιωσιμότητα της κατασκευής.  

Εικόνα 1. Τελική γεωμετρία πεζογέφυρας στο λογισμικό RFEM 6.  

Δομοστατικός Σχεδιασμός

Η κύρια πρόκληση στον σχεδιασμό της γέφυρας από αλουμίνιο είναι η επίδραση της θερμοεπηρεαζόμενης ζώνης (HAZ), που δημιουργείται λόγω συγκόλλησης και οδηγεί σε μείωση της αντοχής του υλικού. Για την αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου, η μελέτη εξετάζει την επιλογή κατάλληλων διατομών και τη διαμόρφωση της κατασκευής με τρόπο που να αντισταθμίζει τις αδυναμίες του αλουμινίου. Οι δομοστατικοί έλεγχοι περιλαμβάνουν τόσο τις Οριακές Καταστάσεις Αστοχίας (Ultimate Limit States - ULS) όσο και τις Οριακές Καταστάσεις Λειτουργικότητας (Serviceability Limit States - SLS), ώστε να διασφαλιστεί η συμμόρφωση με τις απαιτήσεις ασφάλειας και λειτουργικότητας.

Έγιναν οι περισσότεροι έλεγχοι του ΕΝ 1999-1-1 για την οριακή κατάσταση αστοχίας με στόχο την δημιουργία ενός εγχειριδίου για την διαστασιολόγηση κατασκευών από αλουμίνιο. Ακόμα, οι έλεγχοι πραγματοποιήθηκαν και με το ανανεωμένο προσχέδιο του ΕN1999-1-1 του 2021 αλλά και με την παλαίτερη έκδοση του 2007 που είναι σε ισχύ, για να αξιολογηθούν οι αλλαγές στον τρόπο υπολογισμού των ελέγχων και οι επίδραση αυτών στην διαστασιολόγηση των κατασκευών από αλουμίνιο. Τέλος για να αξιολογηθεί η επίδραση της θερμοεπηρεαζόμενης ζώνης λόγω συγκολλήσεων στην διαστασιολόγηση, οι παραπάνω έλεγχοι πραγματοποιήθηκαν δυο φορές, μια για την απομειωμένη αντοχή λαμβάνοντας υποψη την θερμοεπηρεαζόμενη ζώνη λόγω συγκολλήσεων και μία με την αρχική αντοχή του υλικού αγνοώντας την επίδραση της συγκόλλησης.  

 Στην εικόνα 2 παρουσιάζονται οι τελικές διατομές που έχουν επιλεχθεί στο μοντέλο και στον πίνακα 1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των ελέγχων.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, αν και το αλουμίνιο παρουσιάζει μικρότερη δυσκαμψία από τον χάλυβα, μπορεί να επιτύχει ικανοποιητική αντοχή εφόσον ληφθεί υπόψη η μείωση της αντοχής στις συγκολλήσεις και σχεδιαστούν οι διατομές αναλόγως. Το αλουμίνιο παρέχει επίσης το πλεονέκτημα του χαμηλότερου βάρους αλλά από την άλλη η επίδραση των συγκολλήσεων προκαλεί μεγάλη απομείωση αντοχής οδηγώντας σε διαστασιολόγηση με αρκετά μεγάλες διατομές.

 Πίνακας1 ‘Ελεγχοι αντοχής μελών για τις δυο εκδόσεις του ευρωκώδικα αλλά και για τις δυο περιπτώσεις λαμβάνοντας υπόψην την επίδραση της συγκόλλησης και αγνοώντας την.

 Ανάλυση Κύκλου Ζωής (LCA) και Κοστολόγηση Κύκλου Ζωής (LCC)

Η Ανάλυση Κύκλου Ζωής (Life Cycle Assessment - LCA) και η Κοστολόγηση Κύκλου Ζωής (Life Cycle Costing - LCC) είναι δύο θεμελιώδεις μεθοδολογίες που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της περιβαλλοντικής και οικονομικής απόδοσης μιας κατασκευής καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής της. Η LCA επικεντρώνεται στον προσδιορισμό των εκπομπών CO₂ και των συνολικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις φάσεις της ζωής μιας κατασκευής, από την εξόρυξη πρώτων υλών μέχρι την ανακύκλωση ή την απόρριψη των υλικών στο τέλος του κύκλου ζωής τους. Από την άλλη πλευρά, η LCC αναλύει το συνολικό κόστος του έργου, συμπεριλαμβανομένων του αρχικού κόστους κατασκευής, των εξόδων συντήρησης και της αποσυναρμολόγησης στο τέλος της ζωής του έργου.

Στην παρούσα εργασία, η LCA και η LCC εφαρμόστηκαν για τη σύγκριση της πεζογέφυρας από αλουμίνιο και χάλυβα, με έμφαση στις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) και το συνολικό κόστος του έργου. Η διαδικασία της LCA ακολουθεί τα στάδια που περιγράφονται στα διεθνή πρότυπα ISO 14040 και ISO 14044, περιλαμβάνοντας:

1. Καθορισμό του στόχου και του εύρους της ανάλυσης, όπου προσδιορίζονται τα όρια του συστήματος και οι περιβαλλοντικές κατηγορίες που θα αξιολογηθούν.

2. Καταγραφή του Κύκλου Ζωής (Life Cycle Inventory - LCI), η οποία περιλαμβάνει τη συλλογή δεδομένων για όλες τις εισροές και εκροές (πρώτες ύλες, ενέργεια, εκπομπές CO₂, απόβλητα).

3. Ανάλυση Επιπτώσεων Κύκλου Ζωής (Life Cycle Impact Assessment - LCIA), όπου υπολογίζονται οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις βάσει των καταγεγραμμένων δεδομένων.

4. Ερμηνεία των αποτελεσμάτων και λήψη συμπερασμάτων, για την λήψη αποφάσεων.

Εικόνα 2 Στάδια για την εφαρμογή LCA, LCC.

Η ανάλυση των εκπομπών CO₂ ακολούθησε την προσέγγιση «από την παραγωγή έως το τέλος του κύκλου ζωής» (cradle-to-grave). Η LCA λαμβάνει υπόψη όλες τις φάσεις του κύκλου ζωής της κατασκευής, από την εξόρυξη και την παραγωγή των πρώτων υλών, μέχρι την κατασκευή, τη λειτουργία, τη συντήρηση και την τελική διάθεση ή ανακύκλωση των υλικών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, ενώ το αλουμίνιο έχει υψηλότερες εκπομπές CO₂ στην παραγωγή του λόγω της ενεργοβόρας διαδικασίας διύλισης, η ικανότητά ανάκτησης του μειώνει σημαντικά το συνολικό του περιβαλλοντικό αποτύπωμα στο τέλος   του κύκλου ζωής. Αντίθετα, ο χάλυβας, παρότι αρχικά έχει χαμηλότερες εκπομπές, απαιτεί υψηλότερο κόστος συντήρησης και προστασίας από τη διάβρωση γεγονός του αυξάνει το περιβαλλοντικό αποτύπωμα του καθόλη την διάρκεια ζωής του έργου.

 Εικόνα 3 Φάσεις κύκλου ζωής.

Η LCC ακολούθησε την ίδια προσέγγιση «cradle-to-grave» για τον υπολογισμό του συνολικού κόστους της πεζογέφυρας, λαμβάνοντας υπόψη το αρχικό κόστος παραγωγής των διατομών, το κόστος μεταφοράς και συναρμολόγησης καθώς και το κόστος συντήρησης,. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, παρόλο που το αρχικό κόστος του αλουμινίου είναι υψηλότερο, η μειωμένη ανάγκη για συντήρηση του μπορούν να οδηγήσουν σε οικονομικά οφέλη σε βάθος χρόνου. Αντίθετα, η χαμηλότερη αρχική δαπάνη του χάλυβα αντισταθμίζεται από τις ανάγκες συντήρησης που απαιτούνται λόγω της διάβρωσης.

 Η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η επιλογή υλικού για την κατασκευή πεζογεφυρών δεν πρέπει να βασίζεται αποκλειστικά σε δομοστατικά κριτήρια και αρχικά κόστη, αλλά να λαμβάνει υπόψη τόσο το κόστος όσο και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις σε όλη την διάρκεια ζωής του έργου. Το αλουμίνιο μπορεί να αποτελέσει μια βιώσιμη εναλλακτική στον τομέα των κατασκευών, εφόσον η σχεδίαση προσαρμοστεί στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του.Τέλος, η εργασία υπογραμμίζει τη σημασία της χρήσης της LCA και της LCC στη λήψη αποφάσεων για έργα πολιτικού μηχανικού. Η εφαρμογή αυτών των μεθοδολογιών επιτρέπει την επιλογή υλικών με βάση έναν συνδυασμό μηχανικών, οικονομικών και περιβαλλοντικών παραμέτρων, συμβάλλοντας έτσι στην ανάπτυξη πιο βιώσιμων και αποδοτικών υποδομών.