Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas · Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering Análise de Ciclo de Vida de Infra-estruturas –Universidade

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



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.



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.



METODOLOGIA INTEGRADA DE CICLO DE VIDA

PROCESSOS INCLUÍDOS NA ANÁLISE

ANÁLISE DE INVENTÁRIO



Ambientais Económicos Sociais

QUANTIFICAÇÃO DE INDICADORES



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



Abordagem com base em cenários: Plano de manutenção

ANÁLISE ESTRUTURAL DE CICLO DE VIDA



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



Total emissions in work zone

TRAFFIC CONGESTION

QUEWZ model

ANÁLISE DE TRÁFEGO AO LONGO DO CICLO DE VIDA



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



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



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



ANÁLISE DE CICLO DE VIDA DE INFRA-ESTRUTURAS:

CASOS DE ESTUDO



CASO ESTUDO 1 – P.S. Mista Aço-Betão

18.5 m + 40.8 m + 18.5 m (A = 936.71 m2)



CASO ESTUDO 2 – P.S. em Betão Pré-fabricado

28.78 m + 30.76 m (A = 425.12 m2)



CASO ESTUDO 3 – P.S. em Betão “in situ”

16.7 m + 48.5 m + 16.7 m (A = 777.39 m2)



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”)




FASE DE PRODUÇÃO DE MATERIAIS

Reinforced

concrete

Steel

fabrication

Painting of

steel structure

Asphalt

production

Light-weight

concrete

Materials

production

Steel

production

Transportation


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



FASE DE CONSTRUÇÃO

Transportation

of materials

Use of

equipment

Traffic

congestion

problems

Construction of

bridge



0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Abiotic depletion

Acidification

Global warming 100a


Human toxicity 100a


Eutrophication


Equipment during construction Traffic congestion

Transportation of precast concrete Transportation of steel structure

Transportation of fresh concrete Transportation of debris

Transportation of reinforcement steel



FASE DE OPERAÇÃO

Transportation

of materials

Use of

equipment

Traffic

congestion

problems

Operation

of bridge

Production of

materials





-80% -60% -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100%

Abiotic depletion

Acidification

Global warming 100a


Human toxicity 100a


Eutrophication


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





SUMÁRIOS DE RESULTADOS



-10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Abiotic depletion

Acidification

Global warming 100a


Human toxicity 100a


Eutrophication


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


Human toxicity 100a


Eutrophication


Production of materials Transportation of materials Use of equipment Traffic congestion





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



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 ECONÓMICA DE CICLO DE VIDA




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


Análise Determinística




0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Abiotic depletion

Acidification

Global warming 100a


Human toxicity 100a


Eutrophication


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


Human toxicity 100

Terrestrial ecotoxicity 100

Eutrophication


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


Human toxicity 100

Terrestrial ecotoxicity 100

Eutrophication



0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Abiotic depletion

Acidification

Global warming 100a


Human toxicity 100a


Eutrophication





ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS: COMPARAÇÃO ENTRE

SOLUÇÕES ALTERNATIVAS



METODOLOGIA INTEGRADA DE CICLO DE VIDA

ESQUEMA GERAL



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



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



Comparação entre soluções alternativas

Preference Ranking Organization Methodology of Enrichment

Evaluation (PROMETHEE)

ANÁLISE MULTI-CRITÉRIOS



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




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


PROMETHEE – Abordagem probabilística



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



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



CONCLUSÕES FINAIS



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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