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 | 2 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 | 3 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. Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 4 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 METODOLOGIA INTEGRADA DE CICLO DE VIDA PROCESSOS INCLUÍDOS NA ANÁLISE ANÁLISE DE INVENTÁRIO Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 5 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | QUANTIFICAÇÃO DE INDICADORES Ambientais Económicos Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering Sociais 6 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 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 Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering 7 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 ANÁLISE ESTRUTURAL DE CICLO DE VIDA Abordagem com base em cenários: Plano de manutenção Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 8 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 9 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 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 10 ANÁLISE DE TRÁFEGO AO LONGO DO CICLO DE VIDA TRAFFIC CONGESTION QUEWZ model Total emissions in work zone Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 11 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 Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 12 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 )] Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering Cri pi , j (1 d )ti , j Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 13 ANÁLISE SOCIAL DE CICLO DE VIDA Custos do utilizador Custos para os condutores devidos a atrasos 5L 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 k1 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 j1 Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 ANÁLISE DE CICLO DE VIDA DE INFRA-ESTRUTURAS: CASOS DE ESTUDO Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 14 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão 18.5 m + 40.8 m + 18.5 m (A = 936.71 m2) Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 15 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 CASO ESTUDO 2 – P.S. em Betão Pré-fabricado 28.78 m + 30.76 m (A = 425.12 m2) Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 16 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 CASO ESTUDO 3 – P.S. em Betão “in situ” 16.7 m + 48.5 m + 16.7 m (A = 777.39 m2) Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 17 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 18 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”) Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 19 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 | 20 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% Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 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% Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 23 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 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 25 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 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 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 | 26 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 | 27 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) Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 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% Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering 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 Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering | 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 Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011 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. Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
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