Structural performance and sustainability assessment of a pedestrian bridge: A comparative study of aluminum and steel

Ζάντζας, Απόστολος; Zantzas, Apostolos

dc.contributor.author	Ζάντζας, Απόστολος	el
dc.contributor.author	Zantzas, Apostolos	en
dc.date.accessioned	2025-10-29T10:39:33Z
dc.date.available	2025-10-29T10:39:33Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62782
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30478
dc.rights	Default License
dc.subject	Structural Aluminum	en
dc.subject	Heat-Affected-Zones (HAZ)	en
dc.subject	Life Cycle Assessment (LCA)	en
dc.subject	Life Cycle Costing (LCC)	en
dc.subject	EN1999-1-1	en
dc.subject	Cradle-to-Grave	en
dc.subject	Δομικό Αλουμίνιο	el
dc.subject	Θερμοεπηρεαζόμενη Ζώνη	el
dc.subject	Ανάλυση Κύκλου Ζωής	el
dc.subject	Βιωσιμότητα	el
dc.subject	Ανάλυση Κόστους	el
dc.title	Structural performance and sustainability assessment of a pedestrian bridge: A comparative study of aluminum and steel	en
dc.title	Δομοστατικός Σχεδιασμός και Αξιολόγηση Βιωσιμότητας Πεζογέφυρας: Συγκριτική Μελέτη Αλουμινίου και Χάλυβα	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Structural Engineering	en
heal.classification	Environmental Engineering	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-03-10
heal.abstract	The structural design and sustainability assessment of pedestrian bridges, as well as other structures, play a crucial role in modern infrastructure, balancing performance, environmental impact, and cost efficiency. This study evaluates an aluminum pedestrian bridge as an alternative to an existing steel design, assessing both structural feasibility and sustainability through Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Costing (LCC). The bridge was modeled in RFEM 6 and structural verifications were carried out by hand according to EN 1999-1-1, with a detailed analysis of aluminum's mechanical behavior, including the effects of welding, which induce strength reduction in the Heat-Affected Zone (HAZ). Design verifications were conducted under both Ultimate Limit States (ULS) and Serviceability Limit States (SLS), ensuring compliance with structural safety and performance criteria. Comparisons with the steel model revealed that aluminum can achieve equivalent structural adequacy, provided that cross-section selection accounts for its lower stiffness and HAZ-related strength reductions. Based on the drawn assumptions and the input data that were used, to which the results of LCA and LCC show significant sensitivity, the sustainability analysis involved a cradle-to-grave LCA and LCC comparison between the aluminum and steel bridge designs, considering material extraction, transportation, construction, maintenance, and end-of-life scenarios. Results indicate that while aluminum exhibits a lower overall weight and enhanced corrosion resistance, it has a higher embodied energy and CO₂ footprint in the production phase. However, the carbon benefit from its high recyclability and potential for material reuse mitigate long-term environmental impacts even though aluminum has higher carbon emissions than steel throughout the life cycle of the structure. From a cost perspective, initial investment in aluminum is higher, but its lower maintenance requirements offer economic advantages over time. The findings highlight that material selection should not be solely based on structural criteria but also must integrate sustainability and life-cycle considerations. The study provides valuable insights for optimizing pedestrian bridge design by balancing mechanical performance, cost efficiency, and environmental responsibility.	en
heal.abstract	Ο δομοστατικός σχεδιασμός και η αξιολόγηση βιωσιμότητας των πεζογεφυρών (από άποψη εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και κόστους) αποτελούν βασικές παραμέτρους στον σύγχρονο σχεδιασμό υποδομών, συνδυάζοντας απόδοση, περιβαλλοντικό αποτύπωμα και οικονομική αποδοτικότητα. Η παρούσα μελέτη διερευνά 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). Το μοντέλο της πεζογέφυρας αναπτύχθηκε στο RFEM 6, ακολουθώντας τον Ευρωκώδικα 9 (EN 1999-1-1:2021), με έμφαση στη μηχανική συμπεριφορά του αλουμινίου και τις επιπτώσεις της συγκόλλησης στη μείωση αντοχής στη θερμοεπηρεαζόμενη ζώνη (HAZ). Η δομοστατική ανάλυση περιλάμβανε ελέγχους Οριακής Κατάστασης Αστοχίας (Ultimate Limit State-ULS) και Οριακής Κατάστασης λειτουργικότητας (Serviceability Limit State-SLS), εξασφαλίζοντας τη συμμόρφωση με τις απαιτήσεις ασφάλειας και λειτουργικότητας. Τα αποτελέσματα σύγκρισης με το μοντέλο χάλυβα έδειξαν ότι το αλουμίνιο μπορεί να επιτύχει ισοδύναμη δομοστατική επάρκεια, εφόσον η επιλογή διατομών λαμβάνει υπόψη τη σημαντική μείωση αντοχής λόγω της θερμοεπηρεαζόμενης ζώνης. Η ανάλυση βιωσιμότητας πραγματοποιήθηκε μέσω LCA και LCC με προσέγγιση «από την παραγωγή έως το τέλος του κύκλου ζωής του έργου» (cradle-to-grave), λαμβάνοντας υπόψη την εξόρυξη υλικών, τη μεταφορά, την κατασκευή, τη συντήρηση και το τέλος ζωής της κατασκευής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, παρά το μικρότερο βάρος και την αυξημένη αντοχή στη διάβρωση, το αλουμίνιο παρουσιάζει υψηλότερη ενσωματωμένη ενέργεια και αποτύπωμα CO₂ κατά τη φάση παραγωγής. Ωστόσο, ο βαθμός ανακύκλωσης και επαναχρησιμοποίησης του υλικού μειώνει τις μακροπρόθεσμες περιβαλλοντικές επιπτώσεις παρότι ο χάλυβας έχει μικρότερες εκπομπές καθόλη την διαρκεια ζωης του εργου. Από οικονομική άποψη, το αρχικό κόστος του αλουμινίου είναι υψηλότερο, αλλά οι μειωμένες ανάγκες συντήρησης και η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής προσφέρουν οικονομικά οφέλη σε βάθος χρόνου. Τα ευρήματα της μελέτης υπογραμμίζουν ότι η επιλογή υλικού δεν πρέπει να βασίζεται αποκλειστικά σε δομοστατικά κριτήρια, αλλά να ενσωματώνει παραμέτρους βιωσιμότητας και κόστους. Η έρευνα παρέχει χρήσιμες γνώσεις για τη βέλτιστη σχεδίαση κατασκευών γενικότερα, εξισορροπώντας τη μηχανική απόδοση, την οικονομική αποδοτικότητα και την περιβαλλοντική υπευθυνότητα.	el
heal.advisorName	Gantes, Charalampos	en
heal.advisorName	Gkatzogiannis, Stefanos	en
heal.committeeMemberName	Gantes, Charalampos	en
heal.committeeMemberName	Gkatzogiannis, Stefanos	en
heal.committeeMemberName	Vamvatsikos, Dimitrios	en
heal.committeeMemberName	Thanopoulos, Pavlos
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	89 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false