Analisi LCA: confronto fra proprietà eco-meccaniche di edifici in calcestruzzo e legno

È più sostenibile un edificio in calcestruzzo o in legno?

Il considerevole impatto ambientale del calcestruzzo, dovuto principalmente ai significativi livelli di emissioni di gas climalteranti che avvengono durante il suo processo produttivo, è una problematica molto dibattuta nell’ambito della sostenibilità ambientale. Recenti ricerche sul tema mostrano che la cottura del clinker rilascia in atmosfera circa il 4% delle emissioni totali dovute alle attività antropiche. Per minimizzare il problema, negli ultimi decenni si è assistito ad un aumento nell’utilizzo di materiali da costruzione alternativi con una minore impronta ambientale, come il legno. Tuttavia, è necessario svolgere ulteriori E.I.A (Environmental Impact Assessment) su questi materiali, dal momento che i parametri e i fattori che rendono efficace questa scelta dal punto di vista ambientale sono ancora oggetto di approfondimento.

Uno studio per valutare la sostenibilità di un edificio in base a vari fattori

Nell’ottica di comprendere meglio il legame fra sostenibilità dei materiali impiegati in un edificio e la sostenibilità dell’edificio stesso al mutare delle sue caratteristiche, il presente studio si propone di rispondere ai seguenti interrogativi:

  • In quale misura la sostenibilità di un edificio è influenzata dalla tecnica costruttiva e dalla posizione geografica?
  • Quali risultati si conseguono dal Life Cycle Assessment - LCA condotto esclusivamente sui materiali che compongono la costruzione?
  • Quale esito si ottiene se nell’analisi si considerano anche le emissioni connesse all’utilizzo degli edifici (legate cioè ai fabbisogni di energia di riscaldamento e raffrescamento)?

Per rispondere a queste domande, si è condotto uno studio su due edifici esistenti (con struttura lignea) dimensionalmente differenti: una villetta monofamiliare ed un edificio condominiale. Il primo consiste in un piccolo fabbricato di tre piani fuori terra con una superficie totale di 120 m2, mentre il secondo è un edificio di cinque piani fuori terra che sviluppa una superficie complessiva di 1200 m2. Ognuno di questi due edifici è stato modellato con tre differenti tipologie di struttura:

  • A telaio in calcestruzzo armato gettato in opera e solai monodirezionali;
  • Con pannelli verticali in calcestruzzo prefabbricato e solai monodirezionali;
  • Con pannelli prefabbricati in X-Lam

L’influenza dei parametri climatici sui fabbisogni energetici è stata presa in considerazione analizzando tre differenti scenari: edifici realizzati a Catania, a Torino e ad Oslo. Di conseguenza, ognuno dei due edifici è stato analizzato nove volte per considerare tutte le combinazioni.

Analisi del caso studio

Lo studio è stato condotto su due edifici realmente esistenti, la cui forma e dimensioni principali sono fissate a priori. Al contrario, lo spessore dei pannelli prefabbricati e le dimensioni delle sezioni degli elementi strutturali che compongono i telai sono stati imposti in fase di realizzazione dei modelli, con il fine di soddisfare i requisiti di resistenza strutturale. La progettazione e l’analisi strutturale di tutti gli edifici sono state condotte utilizzando DOLMEN, software agli Elementi Finiti, sviluppato e distribuito da CDM DOLMEN Srl di Torino.

Modelli strutturali di due differenti edifici

 

La progettazione degli elementi strutturali del telaio in c.a. è stata svolta coerentemente con le reali dimensioni e forme dei due edifici esistenti, seguendo le raccomandazioni dell’Eurocodice 2, che stabiliscono le dimensioni minime di travi, solai, pilastri e setti. Sono stati, inoltre, previsti adeguati pacchetti tecnologici per murature esterne, partizioni interne, orizzontamenti e coperture (ad esempio i muri perimetrali sono costituiti, partendo dal lato interno, da uno strato di intonaco, una muratura in mattoni, pannelli isolanti in lana minerale e, infine, da un secondo strato di intonaco).

La soluzione a pannelli in calcestruzzo armato prefabbricati consente di combinare le ottime caratteristiche di resistenza meccanica e al fuoco del calcestruzzo, con la versatilità e il controllo delle condizioni al contorno che garantisce la prefabbricazione. Lo studio in esame prevede l’impiego di pannelli sandwich costituiti da due strati esterni di calcestruzzo, intervallati da uno strato interno di materiale isolante, ciò al fine di garantire ottime proprietà di isolamento e di inerzia termica.

I pannelli prefabbricati X-Lam o CLT (Cross Laminate Timber) sono costituiti da tre fino a nove strati di listelli di legno, sono caratterizzati da un impatto ambientale molto contenuto poiché derivano da piantagioni arboree che prevedono la ripiantumazione degli alberi utilizzati per la produzione del legno. Questo virtuoso ciclo ecologico non vale, invece, per la colla presente tra gli strati, il cui impatto dipende dalla tipologia utilizzata dal produttore (in questi esempi è stato previsto l’utilizzo di pannelli “Dolomiti”). Per ovvi motivi di durabilità, le parti dell’edificio a diretto contatto con il suolo (come le fondazioni e il solaio controterra) sono costituite da elementi in calcestruzzo gettato in opera. Nel caso degli edifici condominiali in legno, anche il primo piano è realizzato con telaio di calcestruzzo armato (Figura 4) dal momento che l’edificio reale prevede questo tipo di soluzione.

Analisi strutturale

Per l’analisi strutturale è stato utilizzato il software DOLMEN tramite il quale sono state modellate le strutture e computati e combinati i pesi propri e le azioni esterne, secondo quanto indicato dall’EC 2.

Nel caso dei telai in calcestruzzo armato, il processo computazionale di ciascuna struttura ha seguito due fasi: dapprima si è proceduto al disegno dei modelli e alla definizione delle proprietà geometriche dei singoli elementi strutturali, tramite i quali sono state eseguite le analisi statiche e dinamiche che hanno restituito il quadro sollecitativo globale; in secondo luogo, il software ha calcolato l’armatura necessaria a sopportare le suddette sollecitazioni.

Nel caso degli edifici costituiti da pannelli prefabbricati in calcestruzzo armato o in pannelli in legno, le relative strutture sono state modellate con elementi “guscio” (Figura 3 e 4). Nelle strutture in legno, le verifiche di resistenza sui pannelli sono state condotte tramite il confronto tra le sollecitazioni computate dal software e le caratteristiche meccaniche proposte dai produttori. Lo spessore e la quantità di armatura dei pannelli prefabbricati in calcestruzzo armato sono stati determinati tramite valori presi in letteratura in accordo con i requisiti meccanici e termici richiesti.

Modello strutturale a gusci, valido per le strutture con pannelli prefabbricati sia in X-Lam che in c.a., dell’edificio monofamiliare	  

 

Life Cycle Assessment

La Life Cycle Assessment (LCA) è una metodologia di calcolo dell’impatto ambientale complessivo di un prodotto che si può estendere all’intero ciclo di vita dello stesso, cioè dall’estrazione della materia prima fino al suo fine vita (ossia alla gestione del rifiuto in discarica oppure al suo riciclo, riuso o rinnovo).

In questo studio l’analisi LCA sui materiali è stata eseguita basandosi principalmente su dati secondari, cioè su valori provenienti da appositi database e ipotizzando che:

  • La distanza tra i siti di produzione dei materiali e il cantiere sia di 50 km per tutti i casi;
  • Il fine vita dei materiali sia:
    • Acciaio per armatura: 70% riciclato e 30% inviato in discarica;
    • Calcestruzzo ed altri materiali cementizi: 70% riciclato e 30% inviato in discarica;
    • Pannelli X-Lam: 100% riciclati
    • Altri materiali: 100% smaltiti in discarica.

Nello studio ci si riferisce a scenari ipotetici e, quindi, molti parametri non sono noti; per uno studio più approfondito sono necessari dati primari, cioè dati raccolti sui casi studio specifici.

Analisi della sostenibilità dei materiali

I pannelli in X-Lam sono composti anche dalla colla, che, essendo sovente di origine sintetica, può essere responsabile di impatti significativi. Siccome non sono disponibili dati primari, si utilizzano dati secondari contenuti nel Environmental Product Declaration (EPD), forniti dall’azienda produttrice dei pannelli.

Ogni tipologia di calcestruzzo è caratterizzata da un impatto ambientale differente; esiste una relazione empirica tra la CO2 emessa durante la produzione di calcestruzzo e la resistenza a compressione dello stesso, fornita da Habert e Roussel:formula-habert-roussel.JPG

L’utilizzo di calcestruzzi più performanti può condurre a un decremento dell’ammontare di tale gas serra nel caso in cui la riduzione in volume del materiale strutturale dovuto alla migliore qualità dello stesso sia tale da compensarne le peggiori prestazioni ambientali. Tuttavia, in entrambe le tipologie di fabbricati in esame, l’utilizzo di calcestruzzi di classe superiore non apporta benefici ambientali perché le esigue altezze degli edifici fan sì che le dimensioni delle sezioni degli elementi strutturali siano uguali o prossime a quelle minime richieste dalle normative già con calcestruzzi ordinari. Infatti, l’utilizzo di calcestruzzi ad alta resistenza rende efficace questa strategia solo negli edifici a molti piani, caratterizzati da dimensioni di pilastri e setti nei piani bassi notevolmente maggiori a quelle minime. Per questo motivo, per entrambe le tipologie di edificio è stato previsto solo l’utilizzo del calcestruzzo C25/30 composto unicamente da cemento Portland (Cem I), caratterizzato da un impatto di 0,808 kg CO2 equivalente per kg di cls finito.

Valori unitari delle emissioni

La Tabella 1 riporta i valori unitari di CO2 eq. emessa (valori positivi) e assorbita (valori negativi) dal complesso dei materiali impiegati nei due edifici durante il loro intero ciclo di vita, in funzione della tecnologia costruttiva e del contesto climatico. I valori negativi di CO2 assorbita per carbonatazione dalle strutture in calcestruzzo fanno riferimento al solo fine vita di questo materiale. 

Il valore negativo negli edifici con pannelli in legno, invece, è imputabile alla CO2 biogenica, ovverosia alla capacità degli alberi da cui proviene il legno di assorbire anidride carbonica durante la loro crescita.

 

Global Warming Potential dei materiali edilizi per fase di vita

Analisi termodinamica

L’obiettivo di quest’analisi è la stima dei fabbisogni di riscaldamento invernale e raffrescamento estivo dei due edifici in funzione della tipologia strutturale e delle condizioni climatiche, considerando, in particolare, l’incidenza complessiva sui consumi dell’inerzia termica, maggiore nelle strutture in calcestruzzo. La valutazione è stata effettuata tramite software.

Per quanto riguarda la tipologia dell’impianto termico, è stato previsto in tutti gli edifici un sistema ideale consistente in una pompa di calore alimentata da energia elettrica; tale sistema soddisfa sia i fabbisogni di riscaldamento che di raffrescamento. Inoltre, non sono stati ipotizzati impianti di ventilazione meccanica.

I risultati dello studio 

La Tabella 2 riporta il computo totale della CO2 eq. per ciascun caso, normalizzato sulla superficie utile complessiva dell’edificio. Il computo totale della CO2 eq. emessa si ottiene sommando i prodotti tra i quantitativi complessivi dei singoli materiali edilizi, provenienti dal computo metrico, e le relative emissioni unitarie (Tabella 1).

Tabella riassuntiva dei valori unitari di CO2

Poiché le caratteristiche geometriche delle strutture in c.a. sono indipendenti dal luogo di costruzione degli edifici, il valore di anidride carbonica assorbita rimane lo stesso da città a città. I valori mostrati nell’ultima sezione sono relativi al bilancio totale delle emissioni correlate ai materiali, cioè le quantità di anidride carbonica della prima sezione al netto degli assorbimenti per carbonatazione (seconda sezione).

La Figura 5 riporta il grafico sul confronto tra i valori globali di emissioni di CO2 eq. per unità di superficie utile (terza sezione della Tabella 2) per ciascuno dei due edifici e per ogni tipologia di struttura e città.

Confronto tra le emissioni globali di anidride carbonica dei materiali

Conclusioni: la sostenibilità di un edificio non è legata solamente alla sostenibilità dei materiali di cui è composta

I principali risultati ottenuti sono:

Se si considera solamente l’impatto ambientale legato ai materiali da costruzione, gli edifici condominiali risultano avere un Carbon footprint più elevato, dovuto alle maggiori dimensioni degli elementi strutturali che comportano un maggiore volume di materiale per superficie unitaria. Se, invece, l’analisi viene estesa ad un adeguato periodo di esercizio dell’edificio (50 anni per gli edifici residenziali), valutando quindi anche le emissioni legate ai consumi energetici, l’edificio di taglia minore manifesta una maggiore impronta ambientale. Infatti, i fabbisogni di energia per il riscaldamento e raffrescamento sono maggiori nella villetta monofamiliare poiché il rapporto tra superficie esposta e volume riscaldato è maggiore. Inoltre, siccome è evidente che le emissioni correlate ai consumi energetici valutati sui suddetti 50 anni hanno un peso maggiore di quelle relative ai materiali da costruzione, si evince che l’aspettativa di vita di un edificio è un parametro con un’incidenza notevole sull’analisi della sostenibilità di una costruzione.

Complessivamente, le emissioni preponderanti di gas serra che si riscontrano nei climi più rigidi sono causate in piccola parte dal maggior volume di materiale isolante impiegato e, soprattutto, dai consumi energetici più elevati; questa differenza è più marcata nelle strutture in legno, caratterizzate da una ridotta inerzia termica.

Al contrario di quanto ci si aspetta, alle strutture in pannelli X-Lam non corrispondono riduzioni apprezzabili di emissioni di gas serra; anzi, nel caso del condominio, la CO2 complessivamente emessa dalla struttura lignea è leggermente superiore a quella della struttura in pannelli prefabbricati in calcestruzzo armato. Infatti, se da una parte il legno conferisce alle strutture una maggiore sostenibilità legata al materiale, dall’altra comporta una maggiorazione dei fabbisogni energetici legati, come già detto, alla sua scarsa inerzia termica.

In conclusione, quando si effettua un’analisi sull’impatto ambientale, è fondamentale definire accuratamente i parametri iniziali e le condizioni al contorno. Appare quindi evidente come, al contrario dell’opinione comune, la sostenibilità di un edificio non sia solamente legata alla sostenibilità dei materiali di cui è composta.

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