Calificarea cladirilor in parametrii de dezvoltare durabila (II)

(Continuare din numarul anterior) 

Studii de caz

CLADIRI CU STRUCTURA METALICA

In cele ce urmeaza prezentam doua studii de caz pentru cladiri care utilizeaza otelul la structura principala de rezistenta si il combina cu diferite materiale si solutii pentru pereti, acoperisuri si plansee, cu scopul de a obtine cladiri de inalta performanta termo-energetica.

Studiu de caz 1

Casa modulara

In ultima perioada, arhitectii, ingi­nerii si utilizatorii sunt in cautarea solutiilor economice pentru siste­mele de locuinte. In acest context, casele cu structura metalica au devenit o solutie viabila in multe dintre tarile europene, incluzand Romania.

Pe langa criteriul economic, una dintre problemele ridicate de aceste sisteme structurale este legata de impactul asupra mediului. Studiul de caz prezinta o solutie inovativa structura-anvelopa, care permite flexibilitatea partitionarii, constructia modulara, fabricarea si construirea rapida, precum si diversificarea solutiilor pentru structura planseelor si a anvelopei.

Proiectul a fost dezvoltat in cadrul Affordable Houses Project, coordonat de firma ArcelorMittal si Universitatea din Liège, in anul 2009. In cadrul proiectului au fost prezente opt echipe din Portugalia, Cehia, Romania, Polonia, Suedia, Brazilia, India si China [5], [6].

Conceptul arhitectural dezvoltat de arh. Mihai Mutiu se bazeaza pe dezvoltarea unei amprente rectangulare de baza, de 5,60 m x 13,40 m, care ofera un prim modul de 75 m2 pentru o unitate de nivel. Constructia pe doua nivele, cu acoperis terasa, are o arie construita de 150 m2, respectiv o arie utila de 124.41 m2.

Figura 3 prezinta vederea 3D a unui modul, iar figura 4, planurile constructiei. O dezvoltare ulterioara a cladirii este posibila prin adaugarea unui al doilea modul prin aditie orizontala, sporind, in acest mod, aria totala.

Sistemul de constructie propus, asa cum este prezentat in figura 3, consta din: (1) structura in cadre din profile laminate; (2) structura secundara din montanti cu elemente formate la rece (sau din lemn) rigi­dizate cu OSB; (3) diverse sisteme de invelitoare; (4) structura de planseu din beton usor, turnat pe table profilate trapezoidale; (5) loggia cu doi pereti vitrati, cu structura din aluminiu sau PVC; (6) fundatii si placa din beton; (7) acoperis terasa sau in panta.

Structura a fost proiectata luand in considerare conditiile seismice si climatice specifice municipiului Timi­soara. Incarcarile considerate in proiectare sunt in conformitate cu normativele in vigoare in anul 2009.

Un alt scop al proiectantilor a fost realizarea eficientei termo-energe­tice. Pentru aceasta au fost conside­rati mai multi factori: (1) temperatura interioara si calitatea aerului; (2) izolarea termica; (3) protectia la umezeala, (4) ventilatia pasiva si umbrirea; (5) actiunea terasei vitrate, ca zona tampon si (6) dispunerea unor luminatoare pentru a realiza ventilarea casei cu un singur nivel.

Pentru a putea identifica impactul pe care il are casa cu structura me­talica asupra mediului, in cadrul centrului de cercetare CEMSIG al Universitatii Politehnica Timisoara a fost efectuat un studiu comparativ de tip LCA pentru structura proiectata in patru variante distincte, fiecare dintre ele avand propriul sistem structural [5], [6], conform descrierilor de mai jos.

Pentru analiza de impact asupra mediului au fost considerate urmatoarele stadii LCA: (a) faza de construire; (b) faza de construire, plus faza de debarasare si (c) faza de construire, faza de debarasare, plus mentenanta pe parcursul ciclului de viata, calculata pentru o perioada de 50 de ani.

Fiecare sistem structural a fost proiectat considerand aspecte particulare:

(1) Structura metalica din profile laminate: conform prezentarii de mai sus.

(2) Structura din cadre din elemente formate la rece. In acest caz sistemul structural consta din:

• fundatii izolate sub stalpi, legate cu grinzi de fundare si placa din beton;
• structura metalica din cadre din profile formate la rece (profile tip C150);
• structura secundara realizata cu montanti din profile formate la rece (profile C150 dispuse la o distanta de 600 mm), rigidizate prin placi OSB la interior si exterior;
• structura usoara de planseu realizata din placi OSB, dispuse peste tabla profilata trapezoidal;
• sistemul de invelitoare si loggia dublu vitrate cu cadre din aluminiu;
• acoperis terasa, izolat termic si hidro, dispus peste tabla profilata trapezoidal.

(3) Structura din cadre de lemn, realizata pe acelasi principiu cu casa din profile usoare formate la rece.
In acest caz, structura de rezistenta din lemn este extinsa pana la nivelul 2. Structura secundara si anvelopa
structurii este realizata identic cu cea pentru structura din profile usoare.

(4) Structura din zidarie. Repre­zinta solutia clasica pentru reali­zarea caselor, cu ziduri din caramizi cu goluri (25 cm) si stalpisori, izolate termic cu polistiren. Sistemul de fundatii este asigurat prin fundatii continue sub pereti si placa din beton armat. Planseele de la etaj si de acoperis sunt, de asemenea, din placi de beton armat de 13 cm.

Procesul de proiectare a structurilor a urmarit aceleasi planuri arhitecturale, aceeasi locatie si aceleasi incarcari utile si climatice. De asemenea, proiectarea a urmarit atingerea unor conditii similare pentru mediul interior.

Detaliile pentru componenta si stratificatia macro-componentelor con­siderate in ana­liza de impact asupra mediului sunt prezentate in [6]. Pentru analiza LCA a fost necesara eva­luarea cantitatilor de materiale pentru fiecare tip de structura in parte.

Analiza comparativa de impact a fost efectuata considerand programul SimaPro [2]. Pentru simplificarea modelului analizat, analiza de inventar a fost efectuata considerand urmatoarele conditii de margine:

• sistemele electrice si de incal­zire nu au fost integrate in analiza, deoarece contribuie, cu acelasi impact, asupra mediului;
• transportul materialelor nu a fost luat in considerare, desi valorile (in special masele transportate) sunt diferite pentru diferitele sisteme structurale;
• consumabilele domestice (apa, gaz, electricitate) nu au fost conside­rate in analiza de impact;
• energia folosita pentru constructie (macarale si utilaje de san­tier) nu a fost inclusa in analiza comparativa.

Pentru analiza LCA, elementele constructive au fost considerate in concordanta cu listele de materiale rezultate din procesul de proiectare, respectiv stratificatiile peretilor. Pentru a face mai usoara introducerea materialelor in programul de analiza, acestea au fost integrate in mai multe macro-componente:

• materiale pentru infrastructura: beton si bare de armare, straturile de pietris si nisip, folia impotriva vaporilor, polistiren extrudat, beton si bare de armare a placii din beton;
• materiale constitutive pentru suprastructura: conform sistemului de constructie: (1) profile laminate si beton usor, plus tabla profilata; (2) profile metalice formate la rece si elemente de montanti, tabla profilata pentru planseu; (3) structura din lemn; (4) zidarie si plansee din beton;
• materiale pentru structura secundara: montantii pentru structura realizata din profile laminate;
• materiale integrate in anvelopa: placarile cu OSB, izolatia termica pentru zidurile interne si externe, izolatiile hidro (incluzand foliile de polietilena) etc. pentru structurile metalice si din lemn, sistemul de izolare termica pentru structura din zidarie;
• materiale integrate in finisaje: finisaje exterioare (tip stucco) si interioare (vopsea acrilica), placi din gips­-carton pentru pereti si tavane sau tencuiala, usi interioare, peretii vitrati, sisteme de finisaj cald (interior) respectiv rece (exterior) etc.

In afara sistemului constructiv considerat, o cladire necesita, pe parcursul ciclului de viata, lucrari de mentenanta. Aceste lucrari poti fi de diferite tipuri si reprezinta un aspect important din viata unei constructii. In anumite situatii, materialele pot fi schimbate de mai multe ori in timpul ciclului de viata. In general, intr-o analiza de tip LCA integrarea lucrarilor de mentenanta este relativ greu de realizat deoarece scenariile facute in avans nu corespund intotdeauna realitatii. Totusi, pentru a putea face un studiu LCA complet al structurilor analizate, a fost conside­rat urmatorul scenariu (vazut ca o mentenanta planificata), in decursul unei durate de serviciu de 50 de ani:

• 9 decoratii interioare (la fiecare 5 ani);
• 4 schimbari ale finisajelor interioare (la fiecare 10 ani);
• 4 schimbari ale sistemului de hidroizolatie (la fiecare 10 ani);
• 3 redecorari exterioare (la fiecare 12,5 ani);
• 3 schimbari ale sistemelor sani­tare pentru bai si bucatarii: gresie, mobilier (la fiecare 12,5 ani);
• 1 schimb al sistemului electric si de incalzire (la fiecare 25 de ani);
• 1 schimb al sistemului de aco­peris (la fiecare 25 de ani);
• 1 schimb al sistemului de izolare termica (la fiecare 25 de ani).

Cantitatile de materiale conside­rate pentru faza de mentenanta au fost calculate folosind aceleasi conditii de margine si cele de debarasare ca in cazul materialelor de constructie [7].

Trebuie specificat faptul ca, in cazul structurilor metalice si din lemn, schimburile de materiale datorate mentenantei conduc la pastrarea, in faza finala, numai a sistemului structural, in timp ce celelalte elemente structurale sunt schimbate cel putin o data in cei 50 de ani. In cazul casei traditionale scenariul de mentenanta se reduce la nivelul schimbului de tencuiala, al sistemului de izolatie termica si partial al sistemului de acoperis. Pentru niciuna dintre structuri nu a fost considerat un scenariu de mentenanta la infrastructura.

Este evident faptul ca intr-o abordare pe ciclu de viata nu poate fi exclus procesul de debarasare a materialelor la sfarsitul ciclului de viata. In mod normal, destinatia finala a deseurilor materialelor de constructii reprezinta o problema in fiecare tara, dar poate diferi si de la zona la zona. Pentru scopul studiului prezentat in aceasta lucrare, deba­rasarea materialelor, la sfarsitul ciclului de viata, a fost gandita ca fiind in concordanta cu conditiile curente din Romania pentru refo­losire, reciclare si debarasare finala.

Figura 5 prezinta rezultatele obtinute din analiza de tip LCA ca suma directa a fazelor de construire, de mentenanta si de debarasare. Toate rezultatele sunt oferite in „eco-puncte“, pentru a obtine rezultate finale unitare si comparabile. Metoda folosita in analiza de impact este Eco-indicator ‘99 [4].

Ca o concluzie generala se remarca faptul ca, atat in cazul ana­lizei pentru faza de construire cat si pentru analiza LCA globala, impactul pentru aproape toate categoriile este mai mare pentru structura din zidarie. In comparatia sco­rului global (figura 5 dreapta), structurile metalice (6096, respectiv 6481 eco-puncte) prezinta un avans in fata structurii din zidarie (7192 eco-puncte), in timp ce scorul cladirii cu structura din lemn repre­zinta media celorlalte trei solutii.

Studiul efectuat conduce la urma­toarele concluzii:

• solutiile de constructie din otel (cu elemente laminate sau cu profile formate la rece) reprezinta o alternativa buna solutiilor clasice de constructie din zidarie, atat din punctul de vedere al sigurantei cat si din punctul de vedere al dezvoltarii durabile. Din acest punct de vedere toate solutiile in cadre conduc la un impact mai mic asupra mediului in comparatie cu structura din zidarie;
• faza de mentenanta a solutiilor metalice si respectiv lemn este mult mai complexa decat pentru solutia din zidarie. In analiza de impact, mentenanta joaca un rol important;
• exista trei categorii de impact care reprezinta cea mai mare parte din scorul global de impact: (i) folo­sirea combustibililor fosili, prin utilizarea energiei in faza de productie; (ii) emisiile de substante anorganice care sunt nocive respiratiei – tot ca rezultat al utilizarii energiei, respectiv (iii) utilizarea terenului in special in cazul structurii din lemn. Aceste categorii arata, practic, directia care trebuie urmata pentru limitarea impactului asupra mediului.

Studiu de caz 2

Bloc de apartamente

Studiul de caz prezinta un bloc de apartamente construit in anul 2007 in Timisoara, Romania, pe baza unui proiect de arhitectura conceput de arh. Mihai Mutiu [7, 8]. Structura este realizata din profile de otel si plansee usoare (vezi fig. 6). Mai multe solutii de proiectare inovative au fost folosite in cadrul proiectului. O atentie deosebita a fost acordata aspectelor legate de pro­iectarea de ansamblu si detaliu, precum si pentru solutiile de inchidere, inclusiv performanta termo-energetica.

Referitor la ana­liza de impact asupra mediului s-a efectuat un studiu comparativ, numai pentru faza de construire, pentru structura realizata in doua solutii: (a) structura metalica in cadre si (b) structura in cadre de beton armat.

Analiza de impact asupra mediului a fost realizata cu ajutorul pro­gramului de calcul SimaPro [2], pro­gram utilizat, pe scara larga, in analiza de mediu si LCA, care foloseste baza de date Ecoinvent [3]. Analiza a considerat doar fazele de productie a materialelor si faza de construire.

Analiza inventarului a fost reali­zata in conformitate cu conditiile la limita ale sistemului. In consecinta, s-au considerat urmatoarele limite (conditii de margine):

• nu au fost luate in considerare finisajele (spre exemplu zugraveala, finisajele planseului, usile, feres­trele, respectiv instalatiile electrice si pentru incalzire);
• transportul nu a fost considerat;
• consumul de apa / gaz / energie electrica nu a fost considerat;
• energia utilizata pentru faza de construire (cum ar fi energia pentru macarale si alte utilaje) nu a fost inclusa in comparatie.

Trebuie remarcat ca, pentru inventar, din cauza lipsei de informatii pentru procesele si materialele din Romania s-au folosit valorile medii europene. Pentru calcularea impactului cladirii asupra mediului, materialele de intrare au fost luate in considerare in functie de elementele constructive: (1) pereti exteriori; (2) pereti interiori; (3) planseu; (4) acoperis; (5) fundatie-infrastructura.

Pentru a simplifica procesul de introducere a datelor de intrare a materialelor de constructii in programul de calcul SimaPro, au fost calculate valorile medii pentru greutatea materialelor, pe suprafata de element constructiv. Acestea au fost estimate pentru fiecare tip de element constructiv, dupa cum urmeaza: greutatea totala a materialelor (rezultat din extrasele de mate­riale) a fost impartita la supra­fata totala a elementului constructiv (in mp); in acest fel, rezultatul final reprezinta o medie pe metru patrat al elementului constructiv, care ulterior se poate inmulti cu suprafata totala de element constructiv.

Figura 7 prezinta impactul pentru faza de construire, la constructia cu structura metalica, pe baza datelor de intrare (listele de materiale), dar considerand condi­tiile de margine mentionate mai sus.

Toate rezultatele sunt prezentate in „eco-puncte“ (Pt) [4], care exprima sarcina totala de mediu a unui produs sau proces, pe baza datelor de la o evaluare a ciclului de viata, in scopul de a avea rezultate unitare si comparabile.

Metoda utilizata pentru analiza de impact este Eco-indicator ‘99 [4]. Rezultatele sunt date pe categorii de impact (figura 7 stanga, respectiv pe elemente constructive in figura 7 dreapta). Se poate observa ca pentru structura analizata, impactul major provine din utilizarea combustibililor fosili, deoarece aceste resurse sunt folosite pentru fabricarea materialelor de constructie la toate nivelurile. De asemenea, valori importante ale impactului sunt inre­gistrate pentru emisiile respiratorii anorganice si ecotoxicitate. In ceea ce priveste rezultatele evaluate pe elemente constructive, impactul major corespunde peretilor exteriori si infrastructurii. Aceste elemente constructive sunt mari consumatoare de resurse si, de asemenea, au un mare impact asupra sanatatii umane.

Figura 8 prezinta rezultatele com­paratiei directe pe categorii de impact ale analizelor sistemelor structurale considerate: otel, respectiv structura echivalenta din beton.

Din rezultatele analizelor reiese faptul ca structura din beton are un impact mai mare asupra mediului pentru aproape toate categoriile de impact (cu singura exceptie a substantelor eco-toxice) si conduce la un scor global (graficul interior) mai mare decat impactul structurii meta­lice cu aproape 50%. Cu toate acestea, si in acest caz, rezultatele trebuie interpretate mai degraba ca valori orientative decat ca valori exacte dar demonstreaza, in mod cert, faptul ca structurile metalice ofera performante de mediu bune comparativ cu structurile din beton. 

Concluzii

Cu siguranta ca toate rezultatele prezentate in studiul de caz sunt obtinute tinand cont de o serie larga de ipoteze si scenarii. Schimband unele dintre aceste scenarii, rezultatele ar putea fi diferite. In orice caz, rezultatele prezentului studiu arata foarte clar faptul ca sistemele moder­ne pentru cladirile rezidentiale pot conduce la solutii viabile, in consens cu ideea dezvoltarii durabile si „prietenoase“ cu mediul inconjurator. In mod sigur, acest tip de analize vor fi, in viitor, parte a proiectarii integrate a cladirilor, care, pe langa calculele structurale si economice, trebuie sa acopere aspectele de impact asupra mediului. 

Bibliografie

[1] The Chartered Institute of Building – CIOB. Sustainability and Construction, www.ciob.org.uk;

[2] SimaPro 7 – „Software and database manual“. Amersfoort, The Netherlands, 2008, www.pre.nl;

[3] Ecoinvent Centre 2000 – Ecoinvent data vl. 3, Final reports Ecoinvent 2000, No. 1-15, Swiss Centre for Life Cycle Inventories, Dübendorf, online at: www.ecoinvent.ch;

[4] Eco-indicator’99 2000 – Eco-indicator ’99 – Manual for Designers. A damage oriented method for Life Cycle Impact Assessment, online at: http://www.pre.nl/download;

[5] DubinA, D., Ungureanu, V., Ciutina, A., Tuca, I, MuTiu, M.  Sustainable detached family house – case study. Journal of Steel Construction. Design and Research. 2010, Vol. 3, pp. 154-162;

[6] DubinA, D., Ungureanu, V., Ciutina, A., MuTiu, M., Grecea, D. Innovative sustainable steel framing based affordable house solution for continental seismic areas. Proceedings of the First International Conference on Structures and Architecture, ICSA 2010, Guimaraes, Portugal, 21-23.07.2010, pp. 367-368+CD;

[7] Ungureanu, V., Ciutina, A., DubinA, D. Sustainable steel framed building – Case study. Proceedings of the 6th European Conference on Steel and Composite Structures. August 31 – September 2, 2011, Budapest, Hungary;

[8] Ungureanu, V., Ciutina, A., DubinA, D. Life cycle analysis of a steel framed building in Romania. Proceedings of the International Conference: Sustainability of Constructions – Towards a better built environment. 3-5 February 2011, Innsbruck, Austria, pp. 341-350.

*** Lucrare inclusa in vol. „Tendinte actuale in ingineria structurilor metalice. Lucrarile celei de-a XIII-a Confe­rinte Nationale de Constructii Metalice, Bucuresti, 21 – 22 noiembrie, 2013“.

Autori:
conf. dr. ing. Adrian CIUTINA,
prof. dr. ing. Viorel UNGUREANU,
prof. dr. ing. Daniel GRECEA,
prof. dr. ing. Dan DUBINA – Universitatea „Politehnica“ din Timisoara, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 109 – noiembrie 2014, pag. 66