Análise de Ciclo de Vida
de Infra-estruturas
Helena Gervásio
Universidade do Minho
Guimarães, 12 de Maio 2011
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
INTRODUÇÃO GERAL: ANÁLISE DE CICLO DE VIDA
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
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Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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.
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
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Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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.
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METODOLOGIA INTEGRADA DE CICLO DE VIDA
PROCESSOS INCLUÍDOS NA ANÁLISE
ANÁLISE DE INVENTÁRIO
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QUANTIFICAÇÃO DE INDICADORES
Ambientais
Económicos
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Sociais
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ANÁLISE ESTRUTURAL DE CICLO DE VIDA

tPI
tI
tP
tPD
o

Estimativa da frequência
das acções de manutenção


 Estimativa da vida de
serviço da obra
target
TRP
time
 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
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ANÁLISE ESTRUTURAL DE CICLO DE VIDA
Abordagem com base em cenários: Plano de manutenção
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ANÁLISE DE TRÁFEGO AO LONGO DO CICLO DE VIDA
TRAFFIC UNDER AND ABOVE THE BRIDGE
ADT (vehicles/day)
Year 2010
31522
Year 2060
70287
Year 2110
79723
ADT (vehicles/day)
Year 2010
5000
Year 2060
7500
Year 2110
10000
TRAFFIC GROWTH OVER TIME
AVERAGE DAILY TRAFFIC (ADT)
70000
y = 13612ln(x) + 17037
R² = 0,9537
65000
60000
55000
50000
45000
40000
35000
30000
25000
0
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
5
10
15
20
25
30
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ANÁLISE DE TRÁFEGO AO LONGO DO CICLO DE VIDA
TRAFFIC CONGESTION
QUEWZ model
Total emissions in work zone
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ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
TIPOS DE INCERTEZAS
Inventory
analysis
• Uncertainty
in inventory
data
(parameter
uncertainty)
• Uncertainties
due to
choices
(allocation
procedures)
PROPAGAÇÃO DA INCERTEZA
Impact
assessment
• Model
uncertainties
• Parameter
uncertainty
• Scenario
analysis
Normalization
• Parameter
uncertainty
• Uncertainty
due to
choices
(different
reference
values)
SIMULAÇÕES DE MONTE CARLO & LHS
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ANÁLISE ECONÓMICA DE CICLO DE VIDA
LCCA - expected present total costs
T
Ct
LCCA  CC  
t
t  0 (1  d )
TIPOS DE INCERTEZAS
 Taxa de desconto (d)
 Custos unitários
 Quantidades dos principais materiais
 Frequência das manutenções
Expected maintenance cost:
E [Cri , pj(t )] 
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Cri
pi , j
(1  d )ti , j
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ANÁLISE SOCIAL DE CICLO DE VIDA
 Custos do utilizador
 Custos para os condutores devidos a atrasos
5L

4
Lk 
k

DDC    

 HT   DTC i  pi   N

Sn 
j 1 k 1  Sak
i 1


24
TIPOS DE INCERTEZAS
 Taxa de desconto (d)
 Custos de operação dos veículos
24  5 
4

Sa

VOC      Lk  k  Lk   HT   VOC i  pi   N
Sn
j 1 
i 1


k1 
 Custos unitários (custo de operação
do veículo, custo horário do condutor e
custos de segurança)
Frequência das manutenções
 Custos de segurança
3
3

AC  L  ADT  N   RAa j  RAn j  caj   RVak  RVnk   cvk 
k 1
 j1



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ANÁLISE DE CICLO DE VIDA DE INFRA-ESTRUTURAS:
CASOS DE ESTUDO
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CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
18.5 m + 40.8 m + 18.5 m (A = 936.71 m2)
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CASO ESTUDO 2 – P.S. em Betão Pré-fabricado
28.78 m + 30.76 m (A = 425.12 m2)
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CASO ESTUDO 3 – P.S. em Betão “in situ”
16.7 m + 48.5 m + 16.7 m (A = 777.39 m2)
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CASOS DE ESTUDO
Alternativa Cenário de fim-de-vida
PS mista
PS em betão préfabricado
PS em betão “in situ”
CoA
A estrutura metálica é reciclada (90%) com uma taxa de eficiência de
0.952 (utilizando uma metodologia de “close-loop”) e os resíduos
resultantes da demolição do betão são conduzidos a aterro
CoB
A estrutura metálica é reutilizada (80%) (utilizando uma metodologia
de “close-loop”) e os resíduos resultantes da demolição do betão são
conduzidos a aterro
CoD
A estrutura metálica é reciclada (90%) com uma taxa de eficiência de
0.952 (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”)
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”)
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CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
FASE DE PRODUÇÃO DE MATERIAIS
Materials
production
Reinforced
concrete
Steel
fabrication
Painting of
steel structure
Transportation
Steel
production
Asphalt
production
Light-weight
concrete
Photochemical oxidation
Eutrophication
Terrestrial ecotoxicity 100a
Human toxicity 100a
Ozone layer depletion steady state
Global warming 100a
Acidification
Abiotic depletion
0%
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Reinforced concrete
Steel production
Steel fabrication
Painting of the bridge
Asphalt
Light-weight concrete
80%
90%
100%
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
Construction of
bridge
Transportation
of materials
Use of
equipment
FASE DE CONSTRUÇÃO
Traffic
congestion
problems
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%
Equipment during construction
Traffic congestion
Transportation of precast concrete
Transportation of steel structure
Transportation of fresh concrete
Transportation of debris
Transportation of reinforcement steel
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
80%
90%
100%
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CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
Operation
of bridge
Transportation
of materials
Use of
equipment
FASE DE OPERAÇÃO
Traffic
congestion
problems
Production of
materials
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
| 21
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
| 22
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
FASE DE FIM-DE-VIDA
Operation
of bridge
Photochemical oxidation
Eutrophication
Use of
equipment
Demolition
Traffic
congestion
problems
Terrestrial ecotoxicity 100a
Human toxicity 100a
Ozone layer depletion steady state
Global warming 100a
Sorting of
materials
Acidification
Abiotic depletion
Transportation
of debris
Recycling
-80%
-60%
Landfill
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
Equipment during demolition
Traffic emission during demolition
Transportation
Disassemble of composite bridge
80%
100%
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CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
Photochemical oxidation
Eutrophication
SUMÁRIOS DE RESULTADOS
Terrestrial ecotoxicity 100a
Human toxicity 100a
Ozone layer depletion steady state
Global warming 100a
Acidification
Abiotic depletion
-10%
0%
Material production stage
10%
20%
30%
Construction stage
40%
50%
60%
Operation stage
70%
80%
90%
100%
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%
Production of materials
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
10%
20%
30%
Transportation of materials
40%
50%
60%
Use of equipment
70%
80%
90%
Traffic congestion
100%
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
| 24
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
Análise probabilística
90
80
70
95%
60
75%
50
Mean
40
25%
@RISK Student Version
5%
30
20
10
0
Abitoc depletion
Acidification
Eutrophication
Global warming
10
9
8
7
95%
6
75%
5
Mean
25%
@RISK Student Version
4
5%
3
2
1
0
Human toxicity
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
Ozone depletion
Photo. oxidation
Ter. ecotoxicity
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CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
Análise Determinística
ANÁLISE ECONÓMICA DE CICLO DE VIDA
1.000.000,00 €
911.492,37 €
900.000,00 €
800.000,00 €
700.000,00 €
600.000,00 €
535.142,88 €
500.000,00 €
400.000,00 €
300.000,00 €
200.000,00 €
100.000,00 €
1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
40
43
46
49
52
55
58
61
64
67
70
73
76
79
82
85
88
91
94
97
100
0,00 €
Análise probabilística
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
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CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
ANÁLISE SOCIAL DE CICLO DE VIDA
Análise Determinística
700.000,00 €
600.000,00 €
614.173,55 €
500.000,00 €
387.289,50 €
400.000,00 €
300.000,00 €
200.000,00 €
100.000,00 €
0,00 €
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Análise probabilística
700
Values in Thousands (€)
650
600
550
500
450
400
350
@RISK Student Version
5% - 95%
+/- 1 Std. Dev.
Mean
300
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
750
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Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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CASO ESTUDO 2 – P.S. em Betão Pré-fabricado
Photochemical oxidation
Photochemical oxidation
Eutrophication
Eutrophication
Terrestrial ecotoxicity 100
Terrestrial ecotoxicity 100
Human toxicity 100
Human toxicity 100
Ozone layer depletion steady state
Ozone layer depletion steady state
Global warming 100
Global warming 100
Acidification
Acidification
Abiotic depletion
Abiotic depletion
0%
Material production stage
10%
20%
30%
Construction stage
40%
50%
60%
Operation stage
70%
80%
90%
100%
End-of-life stage
0%
10%
Production of materials
20%
30%
Transportation
40%
50%
60%
Use of equipment
70%
80%
90%
100%
Traffic congestion
CASO ESTUDO 3 – P.S. em Betão “in situ”
Photochemical oxidation
Photochemical oxidation
Eutrophication
Eutrophication
Terrestrial ecotoxicity 100a
Terrestrial ecotoxicity 100a
Human toxicity 100a
Human toxicity 100a
Ozone layer depletion steady state
Ozone layer depletion steady state
Global warming 100a
Global warming 100a
Acidification
Acidification
Abiotic depletion
Abiotic depletion
0%
Material production stage
10%
20%
30%
Construction stage
40%
50%
60%
Operation stage
70%
80%
90%
End-of-life stage
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
0%
100%
Material production
10%
20%
Transportation
30%
40%
50%
Use of equipment
60%
70%
80%
Traffic congestion
90%
100%
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS: COMPARAÇÃO ENTRE
SOLUÇÕES ALTERNATIVAS
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
| 28
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
METODOLOGIA INTEGRADA DE CICLO DE VIDA
ESQUEMA GERAL
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
| 29
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
PONDERAÇÃO DOS INDICADORES
Abiotic
Depletion
Acidification
Eutrophication
Global Warming
Environmental
Ozone layer
depletion
Human Toxicity
Terrestrial
Ecotoxicity
Photochemical
Oxidation
Waste
Aggregated
index
Initial Costs
Economic
Future Costs
Vehicle opration
costs
Driver delay
costs
Social
Safety costs
Noise
Aesthetics
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
Analytic Hierarchy Process (AHP)
| 30
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
| 31
PONDERAÇÃO DOS INDICADORES
Ponderações obtidas para a LCEA
Impact Category
Global warming
Acidification
Eutrophication
Photo-oxidant form.
Ozone depletion
Ecotoxicity
Human toxicity
Abiotic depletion
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
Weight
0.23
0.09
0.13
0.09
0.05
0.07
0.22
0.12
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS
Comparação entre soluções alternativas
Preference Ranking Organization Methodology of Enrichment
Evaluation (PROMETHEE)
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| 32
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS
PROMETHEE – Abordagem probabilística
.......
Incerteza nas preferências do analista:
ponderação dos indicadores
Environmental Economical
Upper bound
15%
25%
Lower bound
50%
70%
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Função de preferência
Social
15%
50%
| 33
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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
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| 34
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
| 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
0.106 ton CO2
2
0.196
2 ton CO2 eq./m
eq./m
- 12 % ton CO2 eq.
0.516 ton CO2 eq./m2
0.935 ton CO2
2
eq./m
Institute for Sustainability
and Innovation in Structural Engineering
0.118 ton CO2 eq./m2
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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
for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
impactos.
| 36
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
CONCLUSÕES FINAIS
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
| 37
Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
| 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.
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