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1 38 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 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. 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) AMBIEN- TALE (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]. industrie manufatti cementizi - n 23

2 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 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. 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 [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, ECO- LEADER (2004) [4] e PRECAST EC8 (2003) [5] condotti presso il Laboratorio Europeo per le Verifiche Strutturali n 23 - industrie manufatti cementizi

3 40 Figura 5. Pianta del prototipo in calcestruzzo armato prefabbricato 5 Figura 7. Pianta del prototipo in calcestruzzo armato gettato in opera 7 Figura 6. Prospetto del prototipo in calcestruzzo armato prefabbricato 6 Figura 8. Prospetto del prototipo in calcestruzzo armato gettato in opera 8 (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 industrie manufatti cementizi - n 23

4 41 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 CO 2 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 Figura 9. Dettaglio del pilastro rettangolare del prototipo in calcestruzzo armato prefabbricato Figura 10. Dettaglio del pilastro quadrato del prototipo in calcestruzzo armato gettato in opera 9 10 n 23 - industrie manufatti cementizi

5 42 Figura 11. Ipotesi di collocazione geografica dei prototipi 11 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 Figura 12. Confini del sistema del prototipo in calcestruzzo prefabbricato Figura 13. Confini del sistema del prototipo in calcestruzzo gettato in opera industrie manufatti cementizi - n 23

6 43 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 14 Figura 14. Schema ad albero (tree) del prototipo prefabbricato n 23 - industrie manufatti cementizi

7 44 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 CO 2 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 (CO 2 ) 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 Figura 15. Schema ad albero (tree) del prototipo in calcestruzzo gettato in opera Fase 3 Fine Vita 15 industrie manufatti cementizi - n 23

8 45 16 Figura 16. Risultati dell LCA del prototipo prefabbricato Denominazione Gas Fattori di conversione 100 anni 500 anni Biossido di carbonio CO Ossido di carbonio CO 2 2 Protossido di azoto N 2 O Metano CH Organici volatili non metanici NM-COV 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 CO 2 equivalente n 23 - industrie manufatti cementizi

9 46 17 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 CO 2 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 industrie manufatti cementizi - n 23

10 47 19 Figura 19. Risultati a confronto dell LCA dei due prototipi (barra rossa) produce minore impatto ambientale (15,61 ton CO 2 equivalente) rispetto a quella in calcestruzzo gettato in opera (barra grigia) (16,57 ton CO 2 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). 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; [4] Ferrara L., Negro P. (2004). Seismic Behaviour of Reinforced Concrete Structures: Test on the Precast Prototype. EUR EN [5] Ferrara L., Negro P. (2004). Seismic Behaviour of Reinforced Concrete Structures: Test on the Cast in Situ Prototype. EUR 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, Available on line at: [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 Climate Change IPCC Fourth Assessment Report The Physical Science Basis. Disponibile on line sul sito: < >. # n 23 - industrie manufatti cementizi