Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas. Helena Gervásio

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1 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas Helena Gervásio Universidade do Minho Guimarães, 12 de Maio 2011

2 2 INTRODUÇÃO GERAL: ANÁLISE DE CICLO DE VIDA

3 3 INTRODUÇÃO Uma ponte ou viaduto é um sistema construtivo que para além de respeitar as condições de segurança de acordo com os regulamentos estruturais, deverá também satisfazer critérios ambientais, sociais e económicos, ao longo do seu ciclo de vida, de acordo com os objectivos da construção sustentável; Contudo, a realização de uma análise de ciclo de vida de infraestruturas não é prática corrente; Uma das principais causas deve-se à falta de uma metodologia integrada que permita a projectistas a realização de uma análise deste tipo.

4 4 INTRODUÇÃO Neste trabalho é utilizada uma metodologia integrada para análise do ciclo de vida de obras-de-arte, na fase de projecto, contribuindo para a garantia de uma solução mais eficiente tendo em consideração os critérios ambiental, económico e social. Esta metodologia permite a análise comparativa entre várias soluções alternativas com recurso a uma análise multi-critério. A metodologia é aplicada a um caso de estudo, no qual serão analisadas três obras-de-arte semelhantes mas com sistemas estruturais e processos construtivos distintos.

5 5 METODOLOGIA INTEGRADA DE CICLO DE VIDA PROCESSOS INCLUÍDOS NA ANÁLISE ANÁLISE DE INVENTÁRIO

6 6 QUANTIFICAÇÃO DE INDICADORES Ambientais Económicos Sociais

7 7 ANÁLISE ESTRUTURAL DE CICLO DE VIDA t I t PI t PD t P o Estimativa da frequência das acções de manutenção target T RP Estimativa da vida de serviço da obra Abordagem probabilística, tendo em conta as diversas incertezas no desempenho estrutural; A condição da obra (com base em inspecções visuais) pode ser associada produzindo uma medida mais consistente da deterioração da obra ao longo do tempo; Podem ser incorporados algoritmos de optimização, a fim de encontrar uma estratégia de manutenção que resulte num custo inferior e com baixo nível de emissões ambientais. Principal desvantagem: Necessidade de muitos dados time

8 8 ANÁLISE ESTRUTURAL DE CICLO DE VIDA Abordagem com base em cenários: Plano de manutenção

9 9 ANÁLISE DE TRÁFEGO AO LONGO DO CICLO DE VIDA TRAFFIC UNDER AND ABOVE THE BRIDGE Year 2010 Year 2060 Year 2110 ADT (vehicles/day) Year 2010 Year 2060 Year 2110 ADT (vehicles/day) AVERAGE DAILY TRAFFIC (ADT) TRAFFIC GROWTH OVER TIME y = 13612ln(x) R² = 0,

10 10 ANÁLISE DE TRÁFEGO AO LONGO DO CICLO DE VIDA TRAFFIC CONGESTION QUEWZ model Total emissions in work zone

11 11 ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA TIPOS DE INCERTEZAS Inventory analysis Uncertainty in inventory data (parameter uncertainty) Uncertainties due to choices (allocation procedures) Impact assessment Model uncertainties Parameter uncertainty Scenario analysis Normalization Parameter uncertainty Uncertainty due to choices (different reference values) PROPAGAÇÃO DA INCERTEZA SIMULAÇÕES DE MONTE CARLO & LHS

12 12 ANÁLISE ECONÓMICA DE CICLO DE VIDA LCCA - expected present total costs LCCA CC T Ct t 0 ( 1 d ) t TIPOS DE INCERTEZAS Taxa de desconto (d) Custos unitários Quantidades dos principais materiais Frequência das manutenções Expected maintenance cost: C ( 1 d) ri E [ Cri, pj( t)] pi, j ti, j

13 13 ANÁLISE SOCIAL DE CICLO DE VIDA Custos do utilizador Custos para os condutores devidos a atrasos 24 DDC j1 5 k1 L S k a L S HT Custos de operação dos veículos VOC 24 j1 5 k1 L Custos de segurança k k k n S S AC L ADT N a k n 3 L k 4 DTC i pi N i1 HT 4 VOC i pi N i1 3 RAa RAn ca RVa RVn j j j j1 k1 k TIPOS DE INCERTEZAS Taxa de desconto (d) Custos unitários (custo de operação k do veículo, custo horário do condutor e custos de segurança) Frequência das manutenções cv k

14 14 ANÁLISE DE CICLO DE VIDA DE INFRA-ESTRUTURAS: CASOS DE ESTUDO

15 15 CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão 18.5 m m m (A = m 2 )

16 16 CASO ESTUDO 2 P.S. em Betão Pré-fabricado m m (A = m 2 )

17 17 CASO ESTUDO 3 P.S. em Betão in situ 16.7 m m m (A = m 2 )

18 18 CASOS DE ESTUDO Alternativa Cenário de fim-de-vida PS mista CoA A estrutura metálica é reciclada (90%) com uma taxa de eficiência de (utilizando uma metodologia de close-loop ) e os resíduos resultantes da demolição do betão são conduzidos a aterro PS em betão préfabricado CoB CoD A estrutura metálica é reutilizada (80%) (utilizando uma metodologia de close-loop ) e os resíduos resultantes da demolição do betão são conduzidos a aterro A estrutura metálica é reciclada (90%) com uma taxa de eficiência de (utilizando uma metodologia de close-loop ) e a estrutura em betão é reciclada (80%) (utilizando uma metodologia de open-loop ) InA A estrutura em betão é demolida e os resíduos resultantes conduzidos a aterro InD A estrutura em betão é reciclada (80%) (utilizando uma metodologia de open-loop ) PS em betão in situ SiA A estrutura em betão é demolida e os resíduos resultantes conduzidos a aterro SiD A estrutura em betão é reciclada (80%) (utilizando uma metodologia de open-loop )

19 CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA 19 Materials production FASE DE PRODUÇÃO DE MATERIAIS Reinforced concrete Steel fabrication Painting of steel structure Asphalt production Light-weight concrete Steel production Transportation Photochemical oxidation Eutrophication Terrestrial ecotoxicity 100a Human toxicity 100a Ozone layer depletion steady state Global warming 100a Acidification Abiotic depletion 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Reinforced concrete Steel production Steel fabrication Painting of the bridge Asphalt Light-weight concrete

20 CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA 20 Construction of bridge FASE DE CONSTRUÇÃO Transportation of materials Use of equipment Traffic congestion Photochemical oxidation Eutrophication Terrestrial ecotoxicity 100a Human toxicity 100a Ozone layer depletion steady state Global warming 100a Acidification Abiotic depletion 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Equipment during construction Transportation of precast concrete Transportation of fresh concrete Transportation of reinforcement steel Traffic congestion Transportation of steel structure Transportation of debris

21 CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA 21 Operation of bridge FASE DE OPERAÇÃO Transportation of materials Use of equipment Traffic congestion Production of materials

22 CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA 22 Operation of bridge FASE DE FIM-DE-VIDA Photochemical oxidation Eutrophication Use of equipment Demolition Traffic congestion Terrestrial ecotoxicity 100a Human toxicity 100a Ozone layer depletion steady state Sorting of materials Global warming 100a Acidification Abiotic depletion Recycling Transportation of debris -80% -60% -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Equipment during demolition Traffic emission during demolition Landfill Transportation Disassemble of composite bridge

23 CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA 23 Photochemical oxidation Eutrophication Terrestrial ecotoxicity 100a SUMÁRIOS DE RESULTADOS Human toxicity 100a Ozone layer depletion steady state Global warming 100a Acidification Abiotic depletion -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Material production stage Construction stage Operation stage End-of-life stage Photochemical oxidation Eutrophication Terrestrial ecotoxicity 100a Human toxicity 100a Ozone layer depletion steady state Global warming 100a Acidification Abiotic depletion 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Production of materials Transportation of materials Use of equipment Traffic congestion

24 24 CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA Análise probabilística Student Version Abitoc depletion Acidification Eutrophication Global warming 95% 75% Mean 25% 5% Student Version Human toxicity Ozone depletion Photo. oxidation Ter. ecotoxicity 95% 75% Mean 25% 5%

25 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas Universidade do Minho 12 de Maio CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão Análise Determinística , , , , , , , , , , , ,00 0,00 ANÁLISE ECONÓMICA DE CICLO DE VIDA Análise probabilística

26 Values in Thousands ( ) Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas Universidade do Minho 12 de Maio CASO ESTUDO 1 P.S. Mista Aço-Betão Análise Determinística ,00 ANÁLISE SOCIAL DE CICLO DE VIDA , , , , , , , ,00 0, Análise probabilística Student Version % - 95% +/- 1 Std. Dev. Mean 300

27 27 CASO ESTUDO 2 P.S. em Betão Pré-fabricado Photochemical oxidation Eutrophication Terrestrial ecotoxicity 100 Human toxicity 100 Ozone layer depletion steady state Global warming 100 Acidification Abiotic depletion Photochemical oxidation Eutrophication Terrestrial ecotoxicity 100 Human toxicity 100 Ozone layer depletion steady state Global warming 100 Acidification Abiotic depletion 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Material production stage Construction stage Operation stage End-of-life stage 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Production of materials Transportation Use of equipment Traffic congestion CASO ESTUDO 3 P.S. em Betão in situ Photochemical oxidation Eutrophication Terrestrial ecotoxicity 100a Human toxicity 100a Ozone layer depletion steady state Global warming 100a Acidification Abiotic depletion Photochemical oxidation Eutrophication Terrestrial ecotoxicity 100a Human toxicity 100a Ozone layer depletion steady state Global warming 100a Acidification Abiotic depletion 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Material production stage Construction stage Operation stage End-of-life stage 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Material production Transportation Use of equipment Traffic congestion

28 28 ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS: COMPARAÇÃO ENTRE SOLUÇÕES ALTERNATIVAS

29 29 METODOLOGIA INTEGRADA DE CICLO DE VIDA ESQUEMA GERAL

30 30 PONDERAÇÃO DOS INDICADORES Abiotic Depletion Analytic Hierarchy Process (AHP) Acidification Eutrophication Global Warming Environmental Ozone layer depletion Human Toxicity Terrestrial Ecotoxicity Photochemical Oxidation Aggregated index Waste Initial Costs Economic Future Costs Vehicle opration costs Driver delay costs Social Safety costs Noise Aesthetics

31 31 PONDERAÇÃO DOS INDICADORES Ponderações obtidas para a LCEA Impact Category Weight Global warming 0.23 Acidification 0.09 Eutrophication 0.13 Photo-oxidant form Ozone depletion 0.05 Ecotoxicity 0.07 Human toxicity 0.22 Abiotic depletion 0.12

32 32 ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS Comparação entre soluções alternativas Preference Ranking Organization Methodology of Enrichment Evaluation (PROMETHEE)

33 33 ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS PROMETHEE Abordagem probabilística... Incerteza nas preferências do analista: ponderação dos indicadores Environmental Economical Social Upper bound 15% 25% 15% Lower bound 50% 70% 50% Função de preferência

34 34 ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS PROMETHEE Abordagem probabilística Probabilidade (%) de cada alternativa de atingir determinada classificação: As decisões podem ser efectuadas com razoável certeza que a alternativa preferencial é a melhor solução tendo em consideração o leque de prováveis circunstâncias

35 35 RECOMENDAÇÕES PARA PROJECTO DE PONTES E VIADUTOS FASE DE PROJECTO Na fase inicial do projecto é aconselhável ter em consideração o ciclo de vida completo da estrutura Deve-se privilegiar a solução construtiva que seja mais favorável em termos de ambientais, económicos e sociais Deve-se privilegiar a utilização de materiais com potencial de reciclagem de ou reutilização ton CO 2 eq./m % ton ton CO CO 2 eq./m 2 2 eq ton CO 2 eq./m ton CO 2 eq./m ton CO 2 eq./m 2

36 36 RECOMENDAÇÕES PARA PROJECTO DE PONTES E VIADUTOS FASE DE CONSTRUÇÃO Reduzir as distâncias de transporte de materiais e equipamentos; Minimizar o período de tempo de construção; Promover um processo de construção seguro. FASE DE OPERAÇÃO Considerar a capacidade de adaptação da estrutura para requisitos futuros; Ter em consideração as necessidades de manutenção e a durabilidade dos materiais; Optimizar a manutenção da obra, em termos de custos, impactos ambientais e custos para o utilizador; FASE DE FIM-DE-VIDA Pormenorização da estrutura de forma a permitir a desconstrução; Privilegiar o uso de resíduos provenientes da demolição. GESTÃO DE TRÁFEGO EM ZONAS DE OBRAS Evitar a interrupção do tráfego sempre que possível; Se a interrupção do tráfego for inevitável, providenciar um planeamento adequado para o tráfego na zona de obras a fim de reduzir os correspondentes Institute impactos. for Sustainability and Innovation in Structural Engineering

37 37 CONCLUSÕES FINAIS

38 38 CONCLUSÕES FINAIS Os casos de estudo realizados permitiram demonstrar a importância de se considerar uma análise de ciclo de vida de pontes, em vez de se considerar apenas a fase inicial da obra. Da análise comparativa entre as três soluções construtivas, concluiu-se que a solução que oferecia o melhor desempenho global era aquela que apresentava um maior custo inicial, que é normalmente o critério de seleção actual; A interrupção de tráfego e respectivo congestionamento é uma das principais causas de impactos ambientais e sociais durante o ciclo completo de uma ponte. Portanto, um dos principais requisitos para um desempenho eficaz ao longo do ciclo de vida de uma ponte é o recurso a um sistema estrutural que facilite a construção, a manutenção e a operação da ponte, minimizando as interrupções de tráfego; Para a sociedade (e para os utilizadores da obra) é muito importante que a manutenção e reabilitação da obra seja feita de forma a que todos os custos sejam minimizados.