Edifici bassi e alti: quale calcestruzzo scegliere per rendere la costruzione più sostenibile?

Alessandro P. Fantilli - Politecnico di Torino Bernardino Chiaia - Politecnico di Torino Oscar Mancinelli - Politecnico di Torino Giuseppe Stivala - CDM DOLMEN 09/11/2018 2823

Sostenibilità delle costruzioni a pochi e a molti piani realizzate con calcestruzzi normali e ad alta resistenza

Le fonti di inquinamento dall'industria delle costruzioni

Oggigiorno la riduzione delle emissioni di gas serra rappresenta una delle sfide più ardue per l’umanità. Gli sforzi necessari per vincere tale sfida devono coinvolgere l’intero settore industriale, responsabile del 25% dell’emissione globale di anidride carbonica, e anche gli impianti di produzione del cemento, responsabili per circa il 7% dell’emissione globale di anidride carbonica.

Per quanto attiene l’industria del cemento il 95% dell’anidride carbonica è emessa durante il processo produttivo, mentre solamente il restante 5% è legata al trasporto della materia prima e del prodotto finito.

Un altro dato interessante riguarda le proporzioni fra le emissioni di CO2 durante la cottura delle materie prime (calcare e argilla) per la realizzazione del prodotto finale (clinker), infatti, quasi il 74% dell’anidride carbonica emessa è dovuta alla decarbonatazione del calcare, mentre il restante 26% circa è dovuto all’utilizzo del carbone o altri combustibili fossili per la cottura. Ne consegue che, accanto a strategie indirizzate verso la sostituzione dei combustibili fossili con fonti di energia alternative a ridotto impatto ambientale, sia necessario adottare soluzioni che riducano l’impatto ambientale per volume unitario di cemento prodotto e il quantitativo di calcestruzzo da impiegare per un dato processo costruttivo.

Modalità per la riduzione dell'impatto ambientale dovuto alla produzione di cemento

La riduzione dell’impatto ambientale per volume unitario di cemento prodotto avviene tramite il ricorso a materiali a zero (o a ridotte) emissioni di anidride carbonica come alternativa al clinker, il contenimento del volume di calcestruzzo necessario per la realizzazione di un manufatto si ottiene invece confezionando materiali ad alte prestazioni meccaniche.

In questo articolo si descrive il lavoro di tesi di Oscar Mancinelli al Politecnico di Torino e si adotta la cosiddetta “performance strategy”, cioè il decremento delle emissioni di CO2 dovuto alla riduzione del materiale strutturale necessario per la realizzazione di un’opera, ottenuto attraverso l’utilizzo di calcestruzzi più performanti. Bisogna però premettere che a calcestruzzi con prestazioni meccaniche migliori corrispondono maggiori emissioni di anidride carbonica durante la produzione, pertanto, l’eventuale riduzione del materiale strutturale potrebbe non essere sempre sufficiente a compensare l’incremento delle emissioni di CO2 relative alle classi di calcestruzzo superiori.

In quali situazioni la performance strategy è efficace? 

Con il presente articolo si vuole dunque indagare in quali circostanze la strategia che prevede la riduzione delle emissioni con l’utilizzo di calcestruzzi maggiormente performanti risulta efficacie e in quale misura; in particolare, tale problematica è affrontata con riferimento agli edifici alti e bassi in cemento armato.

Si vuole rispondere, quindi, a due specifiche domande:

  • Le strutture in calcestruzzo armato di edifici a molti piani sono più sostenibile di quelle relative agli edifici bassi?
  • Il calcestruzzo ad alta resistenza meccanica è più sostenibile di quello normale sia negli edifici bassi che in quelli a molti piani?

Lo studio condotto per rispondere a tali quesiti, inizia con l’individuazione di 3 edifici esistenti in calcestruzzo armato di 14, 30 e 60 piani e nella successiva ricostruzione del modello computazionale delle relative strutture portanti con il software di calcolo agli elementi finiti DOLMEN, prodotto e distribuito da CDM DOLMEN (Figura 1). Sono state successivamente condotte le verifiche strutturali dei tre modelli con 4 differenti classi di calcestruzzo ed estrapolate le rispettive quantità di materiale strutturale (calcestruzzo e acciaio d’armatura) necessarie al soddisfacimento dei requisiti statici e dinamici. Tali quantitativi sono stati infine moltiplicati per le emissioni unitarie di CO2 dei relativi materiali e, tramite il confronto tra i dati, sono state formulate le opportune conclusioni.

 I modelli FEM, creati con il software DOLMEN dei tre edifici esistenti

Figura 1 - I modelli FEM, creati con il software DOLMEN dei tre edifici esistenti

Come noto, nel mercato edilizio esistono diversi tipi di calcestruzzo, classificati in base alle proprie resistenze meccaniche; nel presente lavoro, si considerano 4 differenti classi di calcestruzzo: C25/30, C40/50, C60/75 e C80/95, non considerando la composizione dei 4 calcestruzzi esaminati, tralasciando quindi lo studio del mix-design che consente lo sviluppo di differenti resistenze meccaniche. Si riportano in Figura 2 le caratteristiche meccaniche in termini di funzione σ-ε relative alle 4 classi di calcestruzzo esaminate (diagramma parabola-rettangolo “a”) e all’acciaio di armatura (diagramma trilineare “b”), secondo quanto indicato dall’Eurocodice 2.

Per quanto riguarda le prestazioni ambientali delle quattro classi di calcestruzzo e dell’acciaio d’armatura, si considera unicamente la quantità di CO2 emessa nella sola fase produttiva del materiale e non durante l’intera LCA (Life Cycle Assessment). Questi dati, riportati in Tabella 1, sono estrapolati dalle analisi del carbon footprint eseguite da Purnell.

Diagrammi σ-ε relativi alle quattro classi di calcestruzzo (a) e all’acciaio di armatura B450 (b) come indicato dall’EC2

Figura 2 - Diagrammi σ-ε relativi alle quattro classi di calcestruzzo (a) e all’acciaio di armatura B450 (b) come indicato dall’EC2

Proprietà ambientali dei calcestruzzi e dell’acciaio d’armatura utilizzati

Tabella 1 - Proprietà ambientali dei calcestruzzi e dell’acciaio d’armatura utilizzati

È importante sottolineare come le quantità unitarie di CO2 dovute alla produzione di calcestruzzo riportate in Tabella 1 siano in linea con la seguente relazione empirica proposta da Habert e Roussel: 

formula-cls-co2.JPG

in cui sono posti in relazione la classe del calcestruzzo con la relativa massa di anidride carbonica emessa durante il suo processo di produzione. Nell’Equazione, ripotata in Figura 3, δ è una costante che assume un valore pari a 46.5  kg CO2 ⁄√MPa.

Confronto tra la relazione di Habert e Roussel e i dati sperimentali misurati da Purnell

Figura 3 - Confronto tra la relazione di Habert e Roussel e i dati sperimentali misurati da Purnell

Dal grafico si osserva che solo una riduzione del volume di calcestruzzo e di acciaio d’armatura possa vincere l’aumento dell’anidride carbonica necessaria per la produzione dei calcestruzzi con classe di resistenza maggiore.

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