applicazione del lca ad un ediFicio preFabbricato

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ASSOBETON
Applicazione del LCA ad un edificio
prefabbricato monopiano
Analisi comparata dell’impatto ambientale di strutture in calcestruzzo armato
prefabbricato e gettato in opera
Caterina Dattilo, Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Paolo Negro, European Laboratory for Structural Assessment
Antonella Colombo, ASSOBETON
1
2
Figura 1. Sviluppo Sostenibile
Figura 2. LCA nel settore edilizio
Sommario
1 Il Life Cycle Assessment (LCA) in edilizia
L’epoca della globalizzazione, caratterizzata da un conflitto
crescente tra economia dell’uomo ed economia della natura, nonché dal conflitto tra una maggioranza di popolazione
sempre più povera ed una minoranza sempre più ricca, ha
contribuito alla nascita del cosiddetto Sviluppo Sostenibile.
Lo sviluppo sostenibile è un concetto che contempla l’equilibrio dinamico tra le tre dimensioni (Figura 1) AMBIENTALE (Integrità degli ecosistemi; Riproducibilità risorse
naturali; Biodiversità), ECONOMICA (Generare lavoro e
reddito; Eco-efficienza: uso razionale delle risorse disponibili; Crescita economica; Produttività) e SOCIALE (Sicurezza; Salute; Istruzione; Identità culturale; Responsabilizzazione; Accessibilità; Stabilità; Uguaglianza).
L’affermarsi del Life Cycle Assessement (LCA) nel settore
delle costruzioni (Figura 2) è, dunque, l’effetto della crescente consapevolezza che i problemi ambientali non possono più essere affrontati per singoli comparti, ma richiedono una valutazione ed un intervento globale [1].
La progettazione basata sul concetto del ciclo di vita è, oggigiorno, una delle nuove sfide che i progettisti cercano di
perseguire. Secondo tale approccio, tutti i requisiti di sostenibilità (sociale, economico e ambientale), devono essere
verificati e rispettati durante l’intera vita dell’edificio, ovvero
durante quel periodo di tempo che parte dalla produzione
delle materie prime fino alla fase di smaltimento (from cradle
to grave); l’obiettivo è, dunque, proteggere le risorse naturali
massimizzando l’efficacia del progetto.
A tal fine, numerose metodologie sono state sviluppate,
come il Life Cycle Assessment (LCA), il Life Cycle Costing
(LCC), il Ciclo di Vita media (LCS).
Il presente lavoro descrive l’applicazione del metodo LCA
per valutare e mettere a confronto l’impatto ambientale
che un edificio monopiano in calcestruzzo armato prefabbricato produce rispetto ad una struttura analoga realizzata
con il tradizionale calcestruzzo armato gettato in opera.
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Figura 3. Prototipo in calcestruzzo prefabbricato
Figura 4. Prototipo in calcestruzzo gettato in opera
Obiettivo della LCA è quello di indirizzare le scelte di
progetto mediante una valutazione integrale (from cradle
to grave, ovvero dalla culla alla tomba) delle prestazioni dei
materiali, delle tecniche costruttive e delle tipologie degli
impianti di servizio che, a livello generale e non di singolo
componente, consentano un ridotto consumo delle risorse,
minori emissioni e rifiuti.
La metodologia LCA è, attualmente, regolamentata dalle
norme tecniche internazionali ISO della serie 14040 Gestione ambientale – Valutazione del ciclo di vita [2], emessa
dall’International Standard Organization (ISO), approvata
dal Comitato Europeo di Normazione (CEN) e recepita
dall’Ente Nazionale Italiano di Unificazione (UNI).
Tali normative descrivono i principi e le quattro fasi fondamentali per la valutazione del ciclo di vita (LCA), in particolare:
1. Definizione di scopi ed obiettivi (Goal and Scope
definition), che consiste nella descrizione degli obiettivi
generali dell’analisi in esame, precisando l’applicazione
prevista, le motivazioni che inducono a realizzare lo
studio ed il tipo di pubblico a cui esso è destinato. Si
individua, inoltre, il campo di applicazione, definendo
in particolare la funzione del sistema, i confini del sistema
prodotto, l’unità funzionale e la qualità dei dati.
2. Analisi dell’inventario (Life Cycle Inventory, LCI), ovvero la fase in cui si effettua un bilancio dei flussi di materiale (e/o energia) in entrata (input) e in uscita (output) relativi al ciclo di vita di un determinato sistema.
3. Analisi degli impatti ambientali (Life Cycle Impact
Assessment, LCIA), in cui sono stimati gli effetti che un
dato sistema ha sull’ambiente. Tale fase si articola in:
classificazione degli impatti, caratterizzazione, normalizzazione, valutazione o pesatura. In particolare, nella fase
di valutazione si associa al sistema studiato un indice
ambientale finale che rappresenta un punteggio volto a quantificarne l’impatto. In termini matematici, si
moltiplicano i valori normalizzati per fattori peso che
esprimono l’importanza intesa come criticità di ciascun
problema ambientale ed i valori risultanti possono essere sommati per ottenere un unico valore adimensionale, detto eco-indicatore che quantifica l’impatto
ambientale associato al prodotto.
4. Analisi di interpretazione dei risultati (Life Cycle
Interpretation). Gli impatti ambientali quantificati nella
precedente fase sono analizzati in maniera critica al
fine di trarre delle conclusioni e fornire raccomandazioni per il miglioramento della performance ambientale del sistema studiato.
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Data l’enorme mole di dati da trattare, le analisi LCA vengono, generalmente, condotte con l’ausilio di software dedicati che implementano le fasi precedentemente descritte.
Tra i molteplici pacchetti LCA software tool (circa trentacinque) disponibili in commercio, il più diffuso è probabilmente
il software SimaPro. Compatibile con l’ambiente Windows,
SimaPro è uno strumento versatile, in quanto si interfaccia
con le banche dati europee più importanti, che possono
essere facilmente corrette e integrate.
In particolare, le valutazioni ambientali condotte sul caso
studio sono state effettuate con il codice di calcolo SimaPro
v.7.1.8 [3].
2 Caso studio: Edificio monopiano
2.1 Descrizione del caso studio
Il presente lavoro analizza, come caso studio, due strutture
monopiano realizzate con tecnologie costruttive differenti,
calcestruzzo armato prefabbricato (Figura 3) e calcestruzzo
armato gettato in opera (Figura 4).
Tali strutture sono state realizzate in scala reale e studiate nell’ambito di due importanti progetti di ricerca, ECOLEADER (2004) [4] e PRECAST EC8 (2003) [5] condotti
presso il Laboratorio Europeo per le Verifiche Strutturali
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Figura 5. Pianta del prototipo in calcestruzzo armato prefabbricato
7
Figura 7. Pianta del prototipo in calcestruzzo armato gettato in opera
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6
Figura 6. Prospetto del prototipo in calcestruzzo armato prefabbricato
Figura 8. Prospetto del prototipo in calcestruzzo armato gettato in opera
(ELSA) del CCR di Ispra (Varese, Italia). I progetti hanno
affrontato il problema relativo al comportamento sismico
di strutture in calcestruzzo prefabbricato (Precast) rispetto
a strutture in calcestruzzo gettato in opera (Cast in Situ).
Anche se estremamente semplificati (in particolare per le
ridotte luci delle travi e dei solai), i prototipi sono stati concepiti per rappresentare in maniera adeguata le due scelte
progettuali alternative, corrispondenti alle stesse azioni verticali e sismiche. In questo senso le due strutture rappresentano un ottimo caso studio per confrontare le due scelte
progettuali anche in termini di LCA.
In Tabella 1 sono riportate le proprietà meccaniche del
calcestruzzo e dell’acciaio impiegato per le armature delle
strutture in esame.
Calcestruzzo C40/50
1
Resistenza caratteristica a compressione
Resistenza di calcolo a compressione di progetto
Acciaio B500 H
Resistenza caratteristica del materiale
Resistenza di calcolo
Tabella 1. Caratteristiche dei materiali
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Ciascuno dei due prototipi è caratterizzato da una configurazione regolare sia in pianta che in elevazione (Figura
5, Figura 6, Figura 7, Figura 8) e consiste di due campate di
lunghezza 4 m e larghezza 3 m con travi di forma rettangolare (300 mm x 600 mm).
In particolare, le travi della struttura in calcestruzzo prefabbricato presentano un’armatura ridotta, risultando nulli i
momenti flettenti alle estremità.
Nel caso del prototipo in calcestruzzo gettato in opera, le
travi sono state progettate con un’adeguata armatura, tale
da comportare una sovraresistenza rispetto ai pilastri adiacenti, con conseguente formazione di cerniere plastiche alle
estremità dei pilastri, soluzione accettabile per un edificio
monopiano.
Entrambe le strutture sono caratterizzate da solai a pannelli
in calcestruzzo armato precompresso con trefoli aderenti,
alleggerito da alveoli longitudinali e con intradosso piano
tipo Neocem (altezza 150 mm).
Tali pannelli sono collegati attraverso giunti longitudinali
gettati in opera e, al fine di avere una lastra completamente
rigida, presentano un cordolo disposto lungo tutto il perimetro dell’opera.
Le travi della struttura in calcestruzzo prefabbricato sono
dotate di staffe di collegamento, affinché sia consentita
un’adeguata collaborazione tra il solaio rigido e i telai che
devono resistere all’azione sismica. Un cuscinetto di neoprene (di spessore pari a 6 mm) è stato, inoltre, inserito tra
la parte superiore del pilastro e le travi.
Tutte le connessioni sono state progettate in modo da avere una sufficiente sovraresistenza, che consente il pieno rispetto dei criteri di capacity design che stanno alla base della
progettazione sismica.
Il prototipo prefabbricato è caratterizzato da pilastri di forma rettangolare (300 mm x 450 mm) con armatura longitudinale di 8 F 16 (Figura 9); la struttura in calcestruzzo in
opera ha, invece, pilastri a sezione quadrata (300 mm x 300
mm) e presenta 8 F 14 per l’armatura longitudinale (Figura
10). Per quanto riguarda l’armatura trasversale dei pilastri,
le staffe sono posizionate nel modo seguente: al di fuori
della regione critica, F 6 ogni 150 mm, mentre all’interno
di essa, 1 m dalla parte più bassa del pilastro prefabbricato
e 1 m da entrambe le estremità del pilastro in calcestruzzo
gettato in opera, vi sono inoltre staffe F 6 ogni 50 mm.
In entrambi i prototipi le fondazioni consistono di sei plinti
prefabbricati, ancorati al pavimento del laboratorio di prova; in particolare, i pilastri della struttura prefabbricata sono
inseriti in plinti a bicchiere e ulteriormente fissati con malta
a ritiro compensato (Figura 6 e Figura 8).
2.2 L’analisi del ciclo di vita applicata al
caso studio
Definizione di scopi ed obiettivi (Goal and Scope definition)
La definizione di ambito ed obiettivo di uno studio LCA
è un passaggio cruciale, in quanto è la fase in cui vengono
prese le decisioni più importanti.
Nel caso in esame, l’analisi LCA ha per oggetto la valutazione degli impatti ambientali (in termini di emissioni di CO2
equivalente) prodotti dalle strutture monopiano descritte
nel precedente paragrafo. L’obiettivo è, infatti, quello di
quantificare il guadagno ambientale del prototipo in calcestruzzo armato prefabbricato rispetto alla tradizionale tecnologia costruttiva del cemento armato gettato in opera.
In accordo con tale obiettivo, e prima di procedere all’analisi vera e propria, è importante definire i cosiddetti confini
del sistema, ovvero le procedure da includere nell’indagine
relativamente al ciclo di vita dei materiali e/o prodotti che
entrano in gioco. In particolare, l’analisi è stata sviluppata
9
Figura 9. Dettaglio del pilastro rettangolare del prototipo in calcestruzzo armato
prefabbricato
10
Figura 10. Dettaglio del pilastro quadrato del prototipo in calcestruzzo armato
gettato in opera
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Figura 11. Ipotesi di collocazione geografica dei prototipi
tenendo conto di tre fasi principali:
• Fase 1 “Produzione”, che comprende la produzione dei materiali (o prodotti) compresa la raccolta delle materie prime.
• Fase 2 “Costruzione”, in cui si considera il trasporto dei
materiali (o prodotti) dal luogo di produzione al cantiere
e le attività relative alla messa in opera dei prototipi. Tuttavia in questa fase non sono stati considerati i processi
di manutenzione.
• Fase 3 “Fine vita”, che ingloba il trasporto dal cantiere allo
stabilimento dove i materiali (o prodotti) vengono trattati
per poter essere riciclati, riusati o condotti in discarica.
Al fine di contestualizzare l’analisi e tener conto dei trasporti, è stato ipotizzato che i prototipi fossero ubicati in
Campedei (BL) (Figura 11). La scelta di questo luogo è legata alla definizione della sismicità data in studi precedenti
relativamente alle analisi sul comportamento sismico.
I confini del sistema del prototipo in calcestruzzo armato
prefabbricato e gettato in opera sono descritti in dettaglio
rispettivamente in Figura 12 e Figura 13.
12
Figura 12. Confini del sistema del prototipo in calcestruzzo prefabbricato
13
Figura 13. Confini del sistema del prototipo in calcestruzzo gettato in opera
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Analisi dell’inventario (Life Cycle Inventory, LCI)
La fase d’inventario è l’essenza dello studio LCA. Si tratta,
infatti, di un vero e proprio computo metrico estimativo
in cui i dati dei processi ed attività (in termini di materia
e/o energia), inclusi nei confini del sistema, sono raccolti ed
elaborati. Con riferimento al caso studio, l’inventario è stato costruito considerando la scomposizione della struttura
portante in classe di elementi tecnici (fondazioni, elevazione verticale ed orizzontale, chiusure orizzontali).
I dati dei processi provengono sia da banche-dati incluse nel
pacchetto software SimaPro v.7.1.8, sia da dati di letteratura
(dati secondari). In particolare, le banche-dati IDEMAT 2001
[6], ETH-ESU [7], ECOINVENT [8] sono state impiegate
per i materiali da costruzione e per il processo di riciclaggio;
BUWAL 250 [9] per le operazioni di trasporto. Nelle Figure 14 e 15 si riportano gli output dell’inventario costruito
in ambiente SimaPro. Tale rappresentazione grafica (tree)
consente di visualizzare le quantità dei processi che entrano in gioco per ciascuna fase descritta nel ciclo di vita del
sistema considerato.
Fase 1 “Produzione”
Fase 2 “Costruzione”
Fase 3 “Fine Vita”
Figura 14. Schema ad albero” (tree) del prototipo prefabbricato
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Analisi degli impatti ambientali (Life Cycle Impact Assessment, LCIA) ed interpretazione dei risultati (Life
Cycle Interpretation)
L’analisi degli impatti ambientali, prodotti dalle strutture
in esame, è stata eseguita utilizzando il metodo IPCC (v.
2007) che quantifica i danni in termini di CO2 equivalente.
Detto metodo, incluso nel software SimaPro v.7.1.8, è stato sviluppato dall’Intergovernmental Panel on Climate Change
(IPCC), un’istituzione fondata nel 1988 dall’ONU (in particolare dall’UNED, United Nations Environment Program-
me) e dal World Meteorological Organization (WMO) con lo
scopo di studiare i problemi legati ai potenziali cambiamenti
climatici su scala mondiale [10].
È ben noto come l’effetto serra sia un fenomeno climatico causato dall’eccessiva presenza di gas nell’atmosfera che
provoca l’aumento della temperatura terrestre. L’anidride
carbonica (CO2) è considerato il gas che maggiormente
contribuisce alla formazione di questo evento, ma non è
l’unico; altri gas ad effetto serra sono, infatti, il metano, il
protossido di azoto, l’esafluoruro di zolfo, i gas refrigeranti
Fase 1 “Produzione”
Fase 2 “Costruzione”
Fase 3 “Fine Vita”
15
Figura 15. “Schema ad albero” (tree) del prototipo in calcestruzzo gettato in opera
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Figura 16. Risultati dell’LCA del prototipo prefabbricato
Denominazione
Gas
Fattori di conversione
100 anni
500 anni
Biossido di carbonio
CO2
1
1
Ossido di carbonio
CO
2
2
Protossido di azoto
N2O
320
180
Metano
CH4
25
8
Organici volatili non metanici
NM-COV
25
8
Tabella 2. Fattori di conversione dei gas serra (GWP)
(clorofluorocarburi CFC, idroclorofluorocarburi HCFC,
idrofluorocarburi HFC, ecc.). Per tenere conto del contributo di questi gas, la comunità scientifica internazionale ha
introdotto dei fattori di conversione che esprimono il loro
effetto rispetto all’anidride carbonica, per tre diversi archi
temporali (20, 100 e 500 anni).
La diversa azione di un gas serra rispetto all’anidride carbonica dipende, infatti, dal periodo in anni che si considera,
perché i composti riescono ad essere distrutti naturalmente ad opera della radiazione elettromagnetica ultravioletta
con tempi diversi legati soprattutto alla loro struttura chimica. La Tabella 2 include fattori di conversione per 100 e
500 anni. Nell’analisi ambientale condotta nel presente studio
si fa riferimento all’indicatore GWP 100 anni. I risultati dell’analisi LCA sono descritti nelle Figure 16, 17, 19. In particolare, il grafico a barre in Figura 16 mostra le emissioni di CO2 equivalente
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Figura 17. Risultati dell’LCA del prototipo in calcestruzzo gettato in opera
18
Figura 18. Processi della FASE 2 relativi al prototipo in calcestruzzo gettato in opera
prodotte in ciascuna delle fasi del ciclo di vita dell’edificio monopiano in calcestruzzo prefabbricato. Si può notare come
la fase 1, relativa alla produzione, sia quella che maggiormente incide sull’economia dell’intero ciclo. Analogamente
la Figura 17 mostra gli impatti ambientali (in termini di
emissioni di CO2 equivalente) del prototipo in calcestruzzo gettato in opera; anche in questo caso la fase 1 è quella
più importante rispetto alle altre due. Tuttavia, dal confronto con il prototipo prefabbricato, la fase 2 “costruzione”
produce una quantità maggiore di emissioni in atmosfera (il
27,5% in più). Ciò è legato al fatto che realizzare un’opera con la tradizionale tecnologia costruttiva comporta un
numero maggiore di attività e processi che devono essere
inevitabilmente quantificati, rispetto alla prefabbricazione
(Figura 19). I risultati finali dell’analisi LCA sono descritti nel
diagramma in Figura 19. Il confronto globale tra i due prototipi è stato condotto considerando le tre fasi (Fase 1, Fase
2 e Fase 3) incluse nei confini del sistema descritti nei precedenti paragrafi. In particolare, il diagramma a barre dimostra che la struttura in calcestruzzo armato prefabbricato
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Figura 19. Risultati a confronto dell’LCA dei due prototipi
(barra rossa) produce minore impatto ambientale (15,61 ton
CO2 equivalente) rispetto a quella in calcestruzzo gettato in
opera (barra grigia) (16,57 ton CO2 equivalente).
3 Conclusioni
Nell’articolo sono stati illustrati i concetti che stanno alla
base del Life Cycle Assessment. È stato inoltre presentato
un esempio di applicazione della metodologia a due scelte
progettuali alternative (con uso di calcestruzzo gettato in
opera oppure con l’adozione di tecniche di prefabbricazione). Nel caso di studio la procedura è risultata sufficientemente semplice e i risultati sono serviti a identificare la soluzione progettuale prefabbricata come la più conveniente
in termini di impatto ambientale.
Una corretta progettazione non potrà non tener conto
dei fattori relativi al Life Cycle Assessment. Per far questo
occorre dunque definire una metodologia progettuale che
includa tali aspetti nelle normali valutazioni tecnico-economiche che stanno alla base della progettazione strutturale
e architettonica.
Ringraziamenti
Il presente lavoro è stato svolto nell’ambito del progetto di
ricerca SAFECAST “Performance of Innovative Mechanical
Connections in Precast Buildings Structures under Seismic
Conditions”, presso il Laboratorio Europeo per le Verifiche
Strutturali (ELSA) del CCR di Ispra (Varese, Italia).
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Bibliografia
[1] Neri P. (2008) (a cura di), Verso la valutazione ambientale degli edifici. Life Cycle Assessment a supporto della progettazione
eco-sostenibile, Firenze, Alinea Editrice, 2008
[2] UNI EN ISO 14040: Gestione ambientale - Valutazione del ciclo
di vita - Principi e quadro di riferimento, Ente Nazionale Italiano di
Unificazione (UNI), 2006
[3] SimaPro v.7.1.8, Software and database manual. Amersfoort, The
Netherlands: Pre Consultants BV; 2008.
[4] Ferrara L., Negro P. (2004). Seismic Behaviour of Reinforced Concrete Structures: Test on the Precast Prototype. EUR 21096 EN
[5] Ferrara L., Negro P. (2004). Seismic Behaviour of Reinforced
Concrete Structures: Test on the Cast in Situ Prototype. EUR
21097 EN
[6] IDEMAT 2001 Database, The Netherlands: Faculty of Industrial
Design Engineering of Delft University of Technology, 2001
[7] ETH-ESU 96, Ökoinventare von Energiesystemen, ESU Group,
ETH Technical University of Zürich, 1996
[8] ECOINVENT, Life cycle inventories of production systems. Swiss
Centre for Life Cycle Inventories, 2004. Available on line at:
http://www.ecoinvent.ch
[9] BUWAL 250, Life cycle inventory for packaging, vols. I and II.
Environmental series no. 250/I and II. Berne, Switzerland: Swiss
Agency for the Environment, Forest and Landscape (SAEFL),
1998
[10] IPCC 2007. Climate Change 2007. IPCC Fourth Assessment Report “The Physical Science Basis”. Disponibile on line sul sito:
<http:// www.ipcc.ch/ipccreports/ar4-wg1.htm >.
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