Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas · Institute for Sustainability and Innovation in...
Transcript of Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas · Institute for Sustainability and Innovation in...
Análise de Ciclo de Vida
de Infra-estruturasHelena Gervásio
Guimarães, 12 de Maio 2011
Universidade do Minho
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 GERAL: ANÁLISE DE CICLO DE VIDA
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
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 infra-
estruturas 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
4|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
5|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
6|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
Ambientais Económicos Sociais
QUANTIFICAÇÃO DE INDICADORES
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
7|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
target
time
o
tPI tP tI tPD
TRP
Estimativa da frequência
das acções de manutenção
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
ANÁLISE ESTRUTURAL DE CICLO DE VIDA
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
8|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
Abordagem com base em cenários: Plano de manutenção
ANÁLISE ESTRUTURAL DE CICLO DE VIDA
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
9|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
Year 2010 Year 2060 Year 2110ADT (vehicles/day) 31522 70287 79723
Year 2010 Year 2060 Year 2110ADT (vehicles/day) 5000 7500 10000
TRAFFIC UNDER AND ABOVE THE BRIDGE
AVERAGE DAILY TRAFFIC (ADT)
y = 13612ln(x) + 17037R² = 0,9537
25000
30000
35000
40000
45000
50000
55000
60000
65000
70000
0 5 10 15 20 25 30
TRAFFIC GROWTH OVER TIME
ANÁLISE DE TRÁFEGO AO LONGO DO CICLO DE VIDA
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
10|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
Total emissions in work zone
TRAFFIC CONGESTION
QUEWZ model
ANÁLISE DE TRÁFEGO AO LONGO DO CICLO DE VIDA
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
11|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
TIPOS DE INCERTEZAS
Inventoryanalysis
• Uncertainty in inventory data (parameter uncertainty)
• Uncertaintiesdue to choices(allocationprocedures)
Impactassessment
• Modeluncertainties
• Parameteruncertainty
• Scenarioanalysis
Normalization
• Parameteruncertainty
• Uncertaintydue to choices(differentreferencevalues)
PROPAGAÇÃO DA INCERTEZA SIMULAÇÕES DE MONTE CARLO & LHS
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
12|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
LCCA - expected present total costs
T
t d
CCCLCCA
t
t
0 1 )(
jijti
ri
pjri pd
CtCE ,
,,
)()]([
1
Expected maintenance cost:
TIPOS DE INCERTEZAS
Taxa de desconto (d)
Custos unitários
Quantidades dos principais materiais
Frequência das manutenções
ANÁLISE ECONÓMICA DE CICLO DE VIDA
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
13|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
Custos do utilizador
Custos para os condutores devidos a atrasos
Custos de operação dos veículos
Custos de segurança
NpDTCHTS
L
S
LDDC
j iii
k n
k
a
k
k
24
1
4
1
5
1
NpVOCHTLS
SLVOC
j iii
kk
n
ak
k
24
1
4
1
5
1
3
1
3
1 kkkk
jjjj cvRVnRVacaRAnRAaNADTLAC
ANÁLISE SOCIAL DE CICLO DE VIDA
TIPOS DE INCERTEZAS
Taxa de desconto (d)
Custos unitários (custo de operação
do veículo, custo horário do condutor e
custos de segurança)
Frequência das manutenções
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
14|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
15|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
16|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
17|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
18|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
CASOS DE ESTUDO
Alternativa Cenário de fim-de-vida
PS mista 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”)
PS em betão pré-
fabricado
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”)
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
19|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
FASE DE PRODUÇÃO DE MATERIAIS
Reinforced
concrete
Steel
fabrication
Painting of
steel structure
Asphalt
production
Light-weight
concrete
Materials
production
Steel
production
Transportation
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100a
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100a
Terrestrial ecotoxicity 100a
Eutrophication
Photochemical oxidation
Reinforced concrete Steel production Steel fabrication
Painting of the bridge Asphalt Light-weight concrete
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
20|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
FASE DE CONSTRUÇÃO
Transportation
of materials
Use of
equipment
Traffic
congestion
problems
Construction of
bridge
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100a
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100a
Terrestrial ecotoxicity 100a
Eutrophication
Photochemical oxidation
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
21|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
FASE DE OPERAÇÃO
Transportation
of materials
Use of
equipment
Traffic
congestion
problems
Operation
of bridge
Production of
materials
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
22|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
-80% -60% -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100a
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100a
Terrestrial ecotoxicity 100a
Eutrophication
Photochemical oxidation
Equipment during demolition Traffic emission during demolition
Transportation Disassemble of composite bridge
FASE DE FIM-DE-VIDA
Demolition Use of
equipment
Traffic
congestion
problems
Operation
of bridge
Sorting of
materials
Transportation
of debris
Landfill Recycling
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
23|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
SUMÁRIOS DE RESULTADOS
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
-10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100a
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100a
Terrestrial ecotoxicity 100a
Eutrophication
Photochemical oxidation
Material production stage Construction stage Operation stage End-of-life stage
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100a
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100a
Terrestrial ecotoxicity 100a
Eutrophication
Photochemical oxidation
Production of materials Transportation of materials Use of equipment Traffic congestion
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
24|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
ANÁLISE AMBIENTAL DE CICLO DE VIDA
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
Análise probabilística
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Abitoc depletion Acidification Eutrophication Global warming
95%
75%
Mean
25%
5%@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Human toxicity Ozone depletion Photo. oxidation Ter. ecotoxicity
95%
75%
Mean
25%
5%
@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
25|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
0,00 €
100.000,00 €
200.000,00 €
300.000,00 €
400.000,00 €
500.000,00 €
600.000,00 €
700.000,00 €
800.000,00 €
900.000,00 €
1.000.000,00 €
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
10
0
535.142,88 €
911.492,37 €
Análise Determinística
Análise probabilística
ANÁLISE ECONÓMICA DE CICLO DE VIDA
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
26|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
0,00 €
100.000,00 €
200.000,00 €
300.000,00 €
400.000,00 €
500.000,00 €
600.000,00 €
700.000,00 €
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
387.289,50 €
614.173,55 €
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
0 5 10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
10
0
Val
ue
s in
Th
ou
san
ds
(€)
5% - 95%
+/- 1 Std. Dev.
Mean
@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version@RISK Student Version
ANÁLISE SOCIAL DE CICLO DE VIDA
CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão
Análise Determinística
Análise probabilística
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
27|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100a
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100a
Terrestrial ecotoxicity 100a
Eutrophication
Photochemical oxidation
Material production Transportation Use of equipment Traffic congestion
CASO ESTUDO 2 – P.S. em Betão Pré-fabricado
CASO ESTUDO 3 – P.S. em Betão “in situ”
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100
Terrestrial ecotoxicity 100
Eutrophication
Photochemical oxidation
Production of materials Transportation Use of equipment Traffic congestion
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100
Terrestrial ecotoxicity 100
Eutrophication
Photochemical oxidation
Material production stage Construction stage Operation stage End-of-life stage
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Abiotic depletion
Acidification
Global warming 100a
Ozone layer depletion steady state
Human toxicity 100a
Terrestrial ecotoxicity 100a
Eutrophication
Photochemical oxidation
Material production stage Construction stage Operation stage End-of-life stage
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
28|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
29|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
30|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
Analytic Hierarchy Process (AHP)PONDERAÇÃO DOS INDICADORES
Aggregated index
Environmental
Abiotic Depletion
Acidification
Eutrophication
Global Warming
Ozone layer depletion
Human Toxicity
Terrestrial Ecotoxicity
Photochemical Oxidation
Waste
Economic
Initial Costs
Future Costs
Social
Vehicle opration costs
Driver delay costs
Safety costs
Noise
Aesthetics
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
31|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
Ponderações obtidas para a LCEA
Impact Category Weight
Global warming 0.23
Acidification 0.09
Eutrophication 0.13
Photo-oxidant form. 0.09
Ozone depletion 0.05
Ecotoxicity 0.07
Human toxicity 0.22
Abiotic depletion 0.12
PONDERAÇÃO DOS INDICADORES
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
32|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
Comparação entre soluções alternativas
Preference Ranking Organization Methodology of Enrichment
Evaluation (PROMETHEE)
ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
33|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
PROMETHEE – Abordagem probabilística
.......
Incerteza nas preferências do analista:
Environmental Economical Social
Upper bound 15% 25% 15%
Lower bound 50% 70% 50%
ponderação dos indicadores Função de preferência
ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
34|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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
ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS
PROMETHEE – Abordagem probabilística
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
35|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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
0.935 ton CO2
eq./m2
0.118 ton CO2 eq./m2
0.516 ton CO2 eq./m2
0.106 ton CO2
eq./m20.196 ton CO2 eq./m2- 12 % ton CO2 eq.
RECOMENDAÇÕES PARA PROJECTO DE PONTES E VIADUTOS
FASE DE PROJECTO
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
36|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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
impactos.
RECOMENDAÇÕES PARA PROJECTO DE PONTES E VIADUTOS
Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering
37|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
38|Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas – Universidade do Minho – 12 de Maio 2011
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.