CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE

Optimization of structural solutions for paving and artificial structures based on a multi-criteria analysis of the cost of the life cycle, durability, maintainability and carbon footprint

Authors

  • Alexey A. Soldatov North Caucasus Federal University, 355017, Stavropol, 1 Pushkina Street
  • Peter V. Rozhkov Russian Technological University – branch in Stavropol, 355035, Stavropol, 18 Kulakova Avenue
  • Julia G. Lozikova North Caucasus Federal University, 355017, Stavropol, 1 Pushkina Street
  • Sergey O. Yashin North Caucasus Federal University, 355017, Stavropol, 1 Pushkina Street
  • Vyacheslav V. Kornienko North Caucasus Federal University, 355017, Stavropol, 1 Pushkina Street

How to cite

GOST Soldatov A. A., Rozhkov P. V., Lozikova J. G., Yashin S. O., Kornienko V. V. Optimization of structural solutions for paving and artificial structures based on a multi-criteria analysis of the cost of the life cycle, durability, maintainability and carbon footprint // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2025. Vol. 69. No. 11. P. 41-51.
APA Soldatov, A. A., Rozhkov, P. V., Lozikova, J. G., Yashin, S. O. & Kornienko, V. V. (2025). Optimization of structural solutions for paving and artificial structures based on a multi-criteria analysis of the cost of the life cycle, durability, maintainability and carbon footprint. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 69(11), 41-51.

Abstract

The article is devoted to the optimization of structural solutions for pavement and civil engineering structures based on a multi-criteria analysis of life-cycle cost, durability, maintainability, and carbon footprint under the conditions of the industry’s transition to life-cycle contracts and climate constraints. The aim of the study is to develop a methodological and mathematical framework that allows for the selection of pavement and span structures not by minimal initial estimated cost, but by an integrated efficiency criterion aggregating economic, technical, and environmental indicators. The empirical basis consists of data on 1,240 road sections and 315 bridge structures in three road-climatic zones for the period 2010-2022, including data from PMS systems, laboratory material tests, cost estimates, and operational reports. The methodology is based on combining life-cycle cost analysis using the NPV scheme with a discount rate of 3-8% and carbon footprint assessment according to ISO 14040 standards «from cradle to grave», numerical modeling of structural stress-strain states using the finite element method, and multi-criteria optimization employing the analytic hierarchy process and genetic algorithms. It is shown that traditional asphalt concrete, modified, and cement concrete pavements form fundamentally different profiles of capital and operational costs, inter-repair periods, and CO2-equivalent emissions; rigid structures are characterized by a higher initial carbon footprint but a lower gradient of accumulated costs. For bridge structures, a fundamental contradiction is identified between reducing the mass of the span structure and increasing the energy intensity and carbon intensity of production when switching to high-strength steels and composites, partially offset by high recycling potential. It is established that an increase in initial investments by 15-20% when using optimized structures and modern materials can reduce the discounted life-cycle cost by 30-40% and the carbon footprint by up to 25% due to extended inter-repair intervals and reduced labor intensity of repair operations. The formation of a set of Pareto-efficient solutions and the calculation of a dimensionless integrated efficiency index demonstrate that environmental indicators, when the full life cycle is considered, do not contradict economic rationality but act as a driver for the implementation of innovative technologies. It is concluded that the integration of the developed algorithms into BIM environments, digital twins, and asset management systems is advisable to shift from static standardization to dynamic management of transport infrastructure based on risk-oriented and climate-resilient strategies.

Keywords

pavement bridge structures life-cycle cost carbon footprint multi-criteria optimization

Funding

The authors did not declare any external funding for this research.

References

Арус Н.Н., Горячев М.Г. Оценка усталостной долговечности покрытий из различных асфальтобетонных дорожных одежд на железобетонных дорожных сооружениях // Наука и техника в дорожной отрасли. 2022. № 4. С. 20-22.

Бондарев Б.А., Бондарев А.Б., Ярцев В.П., Жидков В.К. Определение остаточного ресурса жестких дорожных одежд промышленных предприятий // Строительные материалы. 2024. № 3. С. 71-82.

Горячев М.Г., Лугов С.В., Каленова Е.В. Прогнозирование эксплуатационного состояния дорожных одежд при их проектировании // Наука и техника в дорожной отрасли. 2024. № 4. С. 14-16.

Ермошин Н.А., Кириллова Д.Ю. Метод прогнозирования долговечности дорожных сооружений // Инновационные транспортные системы и технологии. 2023. Т. 9. № 4. С. 46-58.

Карамышева Н.А., Горячев М.Г., Лугов С.В., Каленова Е.В. Методика обоснования оптимального уровня проектной надёжности при проектировании дорожных одежд // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. 2022. № 4 (34).

Клековкина М.П., Бондарева Э.Д. Прогнозирование жизненного цикла дорожных одежд нежесткого типа // Промышленное и гражданское строительство. 2022. № 5. С. 61-65.

Козбагаров Р.А., Камзанов Н.С., Бегимкулова Э.А., Каукаров А.К. Новые методы определения и восстановления ровности автомобильных дорог // Наука и техника Казахстана. 2022. № 2. С. 124-134.

Кузнецов Ю.В., Моисеенко Д.А., Кузнецов В.А., Гавриленко А.А. Проблемы оценки прочности дорожных одежд и оснований из несвязных материалов и пути их решения // Автомобильные дороги. 2024. № 4(1109). С. 106-110.

Морозова Л.Н., Пархоменко В.В. Определение долговечности железобетонных автодорожных мостов // Вести Автомобильно-дорожного института. 2022. № 1(40). С. 41-45.

Обидина Е.Е. Основные конструктивные решения при проектировании при капитальном ремонте автомобильной дороги М10 Россия // Тенденции развития науки и образования. 2022. № 851. С. 109-113.

Огурцов Г.Л., Ермошин Н.А. Метод определения безотказности пролетного строения моста на основе структурно-функционального подхода // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2025. Т. 27. № 1. С. 203-216.

Пегин П.А., Капский Д.В., Буртыль Ю.В. Разработка методики оценки продольной ровности дорожного покрытия при изменении прочности дорожных конструкций // Бюллетень результатов научных исследований. 2022. № 4. С. 37-47.

Руденский А.В. О состоянии нормативно-технической базы в области строительства автодорог с асфальтобетонными покрытиями // Автомобильные дороги. 2024. № 4(1109). С. 111.

Спиридонова В.В., Клековкина М.П. Основные критерии надежности дорожных конструкций // Автомобильные дороги и транспортная инфраструктура. 2024. № 1(5). С. 93-100.

Тиратурян А.Н., Воробьев А.В., Ян Ч. Сценарии эксплуатационной стадии жизненного цикла автомобильных дорог в условиях действующего нормативного регулирования // Вестник МГСУ. 2025. Т. 20. № 3. С. 429-439.

Issue

Section

CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE

Metrics

196 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Similar Articles

1 2 3 4 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.