Klimatoptimering av broar - Åtgärder vid projektering för reducering av växthusgasutsläpp med LCA

Abstract

In 2017 the Swedish Parliament implemented a new national goal for limiting climate change. The goal is to have zero net emissions of greenhouse gases by year 2045 which will ultimately lead to negative net emissions. Further, the Swedish Transport Administration adapted the goal of making Sweden’s infrastructure climate neutral by the year 2050, with the milestones of reducing the emissions from 2015 with 20 % by 2020 and 30 % by 2025. In order to document this reduction, the Swedish Transport Administration has developed the tool Klimatkalkyl.

The purpose of this report is to investigate, analyse and compare different bridge designer actions for reducing emissions of greenhouse gases from bridges. In this report, two different main actions are studied: Climate optimized proportions – amount concrete/amount reinforcement and Choice of material. These two actions are applied on two different bridges, both designed and constructed by Skanska. A common method which is used to determine emissions of greenhouse gases, use of resources and other parameters contributing to climate change related to a product or service is life cycle assessment.

In the first part of the report, the action Climate optimized proportions – amount concrete/amount reinforcement is applied on Vägporten, a concrete frame bridge of a two lane highway with the open width 8.0 m. Only the bridge deck and its emissions of greenhouse gases in the material manufacturing phase are studied. Design calculations are made for five different heights of the bridge deck followed by an estimation of the emissions from each of the cross sections. The obtained results indicate that a smaller cross section of the bridge deck, and thereby less amount of concrete and higher amount of reinforcement, emits less greenhouse gases in the material manufacturing phase.

The second part of the report focuses on the action Choice of material. This action is applied on Bron över Hovaån, a two lane highway bridge. In the first design proposal, the bridge was intended to be constructed as a composite bridge with steel beams and concrete deck. However, in the end it was constructed as a concrete girder bridge. In the study, the two different design options are compared in relation to their greenhouse gas emissions. Further, the impacts of Choice of material, by choosing different manufacturers, are studied for concrete, reinforcement and structural steel of the two bridge designs. The entire study of Bron över Hovaån is done as a life cycle assessment according to the standard ISO 14044:2006 and includes the four phases material manufacturing, construction, maintenance and end of life. From the results of this study, it could not be definitively determined which of the two design proposals is to be preferred with regards to greenhouse gas emissions as the difference between the two was rather small. This was, however, based on the assumption that the steel girders of the composite bridge will be fully recycled after the end of life of the bridge. The results also showed that the choice of manufacturer during the action Choice of material had a high impact on greenhouse gas emissions for both bridge designs. Further, the results showed that the assumed recycling rate of the steel girders of the composite bridge had a significant impact on the results. If it, instead of 100 % recycling rate, was assumed that the girders were not recycled in the end of life phase, the results indicated that the concrete girder bridge having significantly less emissions of greenhouse gases.

Finally, calculations of greenhouse gas emissions in Klimatkalkyl are made for Bron över Hovaån and the action Choice of material. The purpose of this was to compare the results from the calculations previously made with the results obtained in Klimatkalkyl. It was also the aim to in Klimatkalkyl further determine the difference in greenhouse gas emissions of the two design proposals in comparison to their emissions using emission values of 2015. The results showed that the measured effect of the Choice of material was estimated similarly in Klimatkalkyl as in the calculations previously made. It was also established that the estimated reduction of greenhouse gas emissions for the two design proposals from the emissions in 2015 emission values was 18 % for the concrete girder bridge and 14 % for the composite bridge. These reductions are to be compared with the Swedish Transport Administration’s criteria of 17 % reduction in greenhouse gas emissions of bridges with completion in 2020-2024 and an investment cost of at least 50 million SEK.

Abstract (Swedish)

År 2017 togs beslut i Sveriges riksdag att anta ett nytt klimatmål där Sverige år 2045 ska ha noll nettoutsläpp av växthusgaser för att därefter ha negativa växthusgasutsläpp. Utifrån detta mål ställer Trafikverket vidare krav på sin verksamhet och sina väg- och järnvägsprojekt. Trafikverkets mål är att infrastrukturen ska vara klimatneutral till år 2050 med delmål att minska växthusgasutsläppen med 20 % till år 2020 och 30 % till år 2025 jämfört med 2015 års värde. Som en del att dokumentera denna utsläppsreduktion har myndigheten tagit fram verktyget Klimatkalkyl.

Syftet med rapporten är att undersöka, analysera och jämföra konstruktionsmässiga åtgärder för reducering av växthusgasutsläpp hos brokonstruktioner. I denna studie utreds två olika typer av åtgärder för reduktion av växthusgasutsläpp: Klimatoptimerat förhållande - mängd betong/mängd armering respektive Val av material. De två åtgärderna studeras på varsin bro, båda projekterade och byggda av Skanska. En metod för att beräkna utsläpp av klimatgaser, resursanvändning och andra miljörelaterade påverkningar kopplat till en produkt eller tjänst är livscykelanalyser.

I rapportens första del studeras åtgärden Klimatoptimerat förhållande - mängd betong/mängd armering för en plattrambro, Vägporten, för tvåfilig motorväg med fri öppning 8,0 m. Endast brobanan studeras och dess växthusgasutsläpp kopplat till materialtillverkningsfasen. Brobanan dimensioneras för fem olika tvärsnittshöjder varpå dess utsläpp sedan beräknas. Resultatet påvisade att ett tunnare tvärsnitt, med högre mängd armering och lägre mängd betong, gav lägre global uppvärmningspotential i materialtillverkningsfasen för brobanan.

I den andra delen av rapporten studeras åtgärden Val av material. Denna åtgärd appliceras på referensobjektet bron över Hovaån, även den med tvåfilig motorväg, vilken i anbudsskedet var tänkt att utföras som en samverkansbro men i slutänden utfördes som en betongbalkbro. I studien jämförs därmed de två utförandealternativen mot varandra med avseende på utsläpp av växthusgaser. Vidare studeras även åtgärden Val av material i form av att olika val av leverantör görs för materialen betong, armering och konstruktionsstål för de två utförandealternativen. Studien av bron över Hovaån görs som en livscykelanalys där de fyra faserna materialtillverkning, produktion, underhåll och slutbehandling inkluderas. Tillvägagångssättet för denna studie görs enligt standarden ISO 14044:2006. Resultaten från denna del gav att ingen tydlig skillnad i form av växthusgasutsläpp erhölls mellan de två utförandealternativen då det antogs att stålbalkarna hos Samverkansbron återvinns till 100 % när bron nått sin livslängd. Det påvisades att val av leverantör i samband med Val av material gav stor påverkan på utsläppen för de två utförandena av bron över Hovaån. Vidare gav resultatet även att antagen återvinningsgrad för konstruktionsstålet i slutbehandlingsfasen har stor påverkan på samverkansbrons totala globala uppvärmningspotential. Om det, istället för fullständig återvinning, antogs att ingen återvinning av stålbalkarna gjordes då livslängden uppnåtts erhölls tydligare indikationer att Betongbalkbron var det alternativ vilket gav lägst global uppvärmningspotential under livscykeln.

I rapportens sista del görs beräkningar för åtgärden Val av material för bron över Hovaån i Trafikverkets verktyg Klimatkalkyl. Detta görs för att jämföra resultatet från rapportens andra del med resultatet som erhålls i Klimatkalkyl. Vidare önskas det även jämföra växthusgasutsläppen för de två utförandealternativen för bron över Hovaån med dess utsläpp i 2015 års värde. Det visade sig att effekterna för åtgärden Val av material i form av val av leverantör skattades likvärdigt i beräkningarna i den andra delen av rapporten och i Klimatkalkyl. Det visades även att besparingen för bron över Hovaån blev 18 % för Betongbalkbron respektive 14 % för Samverkansbron. Dessa besparingar kan vidare jämföras med Trafikverkets reduktionskrav 17 % gällande klimatbelastning för broar med färdigställande mellan 2020-2024 och med investeringskostnad överstigandes 50 miljoner kronor.

• author: Jörnland, Carljohan and Henriksson, Jenny
• supervisor: Oskar Larsson; Viktor Hermansson
• organization: Division of Structural Engineering
• alternative title: Climate optimization of bridges - Actions for reducing greenhouse gas emissions with LCA
• course: VBKM01 20181
• year: 2018
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Brokonstruktion, Broar, Livscykelanalys, LCA, Global uppvärmning, Hållbara konstruktioner, CO2-ekvivalenter, Klimatoptimering
• publication/series: TVBK-5263
• report number: TVBK-5263
• ISSN: 0349-4969
• language: Swedish
• additional info: Examinator: Miklòs Molnàr
• id: 8943936
• date added to LUP: 2018-06-04 09:40:37
• date last changed: 2018-06-04 09:40:37