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INFLUÊNCIA DO SISTEMA ESTRUTURAL NO GRAU DE IMPACTO
AMBIENTAL DE EDIFÍCIOS EM ALVENARIA ESTRUTURAL
Cassinelli, A. L.1; Garcez, M. R.1
1 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Construção e Infraestrutura - PPGCI, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil,
[email protected], [email protected].
RESUMO
A necessidade de um equilíbrio ambiental aliado ao desenvolvimento nos desafia ao
uso eficiente das matérias primas, o que já está sendo considerado por projetistas
estruturais, mas ainda é um desafio enfrentado pela engenharia. Neste sentido, a
engenharia civil pode considerar a análise dos impactos ambientais gerados pelas
edificações para tornar os projetos mais sustentáveis. Diferentes modelos estruturais,
por exemplo, podem ser considerados na tentativa de reduzir o uso de aço e concreto,
e, por consequência, o grau de impacto ambiental gerado por uma edificação. Sendo
assim, esse trabalho avalia os impactos ambientais gerados por diferentes
sistemas estruturais aplicados a edificações em alvenaria estrutural, considerando
variações no pavimento de transição. Os impactos ambientais de seis modelos
estruturais, gerados para edifícios de oito e doze pavimentos foram quantificados
por análise LCA (Life-Cycle Assessment). Os impactos foram quantificados em
diferentes fases do ciclo de vida da estrutura, desde a produção dos materiais até o
descarte final. Os resultados mostram a importância da análise de impactos
ambientais para a concepção de projetos estruturais eficientes e mais sustentáveis.
ABSTRACT
The need for an environmental balance coupled with development challenges
engineers for the efficient use of raw materials, which has already being considered by
structural designers, but it’s still a challenge faced by engineering. In this sense, civil
engineering can consider the analysis of the environmental impacts generated by
buildings to make projects more sustainable. Different structural models, for example,
can be considered in an intent to use less steel and concrete, reducing
the environmental impacts related to the building. Therefore, this work evaluates
the environmental impacts generated by different structural systems applied to
buildings in structural masonry, considering variations in the transition
pavement. The environmental impacts of six structural models generated for
buildings with eight and twelve floors were quantified by LCA analysis (Life Cycle
Assessment). The impacts were quantified at different stages during the life cycle
of the structure, from the production of materials to final disposal phases. The
results show the importance of analyzing environmental impacts on the design of
efficient and more sustainable structural projects.
1. INTRODUÇÃO
O setor de construção civil é um dos maiores geradores de emissões de gases do
efeito estufa, sendo esse responsável por 19% das emissões [1]. Tendo em
consideração esse cenário, a estimativa dos impactos ambientais gerados pelas
estruturas civis torna-se necessária.
Entre os materiais utilizados na construção civil, o aço e o concreto são os que
apresentam maiores emissões de carbono e consumo energético por m² de construção
[2]. Os dados para os diversos materiais empregados na construção civil estão
dispostos na Tabela 1.
Logo, nota-se que os projetos estruturais tem o potencial de reduzir drasticamente as
emissões, visto que uma estrutura projetada tendo em vista o uso de modelos
estruturais eficientes para a geometria da edificação e uso eficiente das tecnologias
construtivas irá apresentar, consequentemente, menor consumo dos materiais que
apresentam o maior grau de impacto, aço e concreto. Por exemplo, lajes nervuradas
são mais eficientes para grandes vãos, reduzindo o consumo de aço e concreto. Já
em vãos pequenos, lajes maciças se mostram mais econômicas. A escolha do tipo de
cubeta também apresenta impacto [3].
Tabela 1. Emissões e consumo energético por material.
Material Emissões de
Carbono (kgCO2e/m²)
Peso (kg/m²)
Consumo energético
(MJ/m²)
Aço 142,23 64,86 1415,8
Concreto 123,94 905,3 209,37
Paredes 68,19 334,13 260,29
Argamassa 58,1 372,76 223,69
Tubos PVC 33,44 5,89 16,96
Materiais isolamento 21,25 1,08 15,81
Cerâmicas 12,12 3,13 22,91
Portas e janelas 9,54 5,41 112,12
Tintas 5,03 0,68 19,82
Cabos de cobre 2,58 0,27 12,21
Madeira 1,4 5,03 5,88
Impermeabilização 0,62 0,51 0,02
Pedras 0,47 17,12 3,63
Os exemplos citados nos mostram que o projetista deve fazer escolhas adequadas
para o edifício que ele está dimensionando. O comparativo das hipóteses estruturais
é uma ferramenta válida nesse contexto, pois permite a escolha mais eficiente. Nesse
trabalho, utilizou-se diferentes modelos estruturais em um estudo comparativo dos
impactos ambientais originados por um edifício em alvenaria estrutural, utilizando
concreto armado e concreto protendido nos pavimentos de transição. Os impactos
ambientais das diferentes soluções estruturais foram avaliados através de uma
análise de ciclo de vida, que considera todas etapas envolvidas na cadeia produtiva,
desde a produção, transporte, construção até a disposição final da estrutura.
2. MÉTODO
Nesse estudo, foram considerados 6 modelos estruturais para uma edificação em
alvenaria estrutural, sendo 3 soluções estruturais com 8 pavimentos e outras 3
soluções, modelos com 12 pavimentos, conforme Figuras 1 e 2. Os modelos foram
inseridos em ambiente urbano, onde a classe de agressividade é II e a resistência do
concreto utilizada foi de 50 MPa, respeitando as condições estabelecidas pela NBR
6118 [4] (Tabelas 2 e 3), conforme tabela abaixo. As edificações são do tipo residencial
e todos os carregamentos foram considerados de acordo com as recomendações da
norma brasileira de carregamentos em edificações, NBR 6120 [5].
Tabela 2 – Relação água/cimento e classe de concreto pela NBR 6118
Concreto Tipo Classe de agressividade do ambiente
I II III IV
Relação a/c em massa Concreto armado ≤0,65 ≤0,60 ≤0,55 ≤0,45
Concreto protendido ≤0,60 ≤0,55 ≤0,50 ≤0,45
Classe de concreto (NBR 8953) Concreto armado ≥C20 ≥C25 ≥C30 ≥C40
Concreto protendido ≥C25 ≥C30 ≥C35 ≥C40
Tabela 3 – Cobrimentos nominais pela NBR 6118
Tipo de estrutura
Componente ou elemento
Classe de agressividade do ambiente
I II III IV
Cobrimento nominal (mm)
Concreto armado
Laje 20 25 35 45
Viga/pilar 25 30 40 50
Elementos em contato com o solo
30 40 50
Concreto protendido
Laje 25 30 40 50
Viga/pilar 30 35 45 55
Os modelos estruturais apresentam as seguintes configurações:
Modelo 1: 8 pavimentos, estrutura em concreto armado e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 5m, área por pavimento 354,6m². (8CA)
Modelo 2: 8 pavimentos, estrutura em concreto protendido e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 7,5m no sentido longitudinal e 5.0m no sentido transversal, área por pavimento 354,6m², sem vigas (laje plana, vigas somente nas caixas de elevador). (8CP7,5)
Modelo 3: 8 pavimentos, estrutura em concreto protendido e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 5.0m (longitudinais e transversais, igual ao modelo em concreto armado), área por pavimento 354,6m², sem vigas (laje plana, vigas somente nas caixas de elevador). (8CP5,0)
Modelo 4: 12 pavimentos, estrutura em concreto armado e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 5m, área por pavimento 354,6m². (12CA)
Modelo 5: 12 pavimentos, estrutura em concreto protendido e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 7,5m no sentido longitudinal e 5.0m no sentido transversal, área por pavimento 354,6m², sem vigas (laje plana, vigas somente nas caixas de elevador). (12CP7,5)
Modelo 6: 12 pavimentos, estrutura em concreto protendido e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 5.0m (longitudinais e transversais, igual ao modelo em concreto armado), área por pavimento 354,6m², sem vigas (laje plana, vigas somente nas caixas de elevador). (12CP5,0)
Figura 1 - Modelos de 8 e 12 andares em concreto armado.
Figura 2 - Modelos de 8 e 12 andares em concreto protendido.
O concreto de 50MPa considera o traço mostrado na Tabela 4. Para obter os quantitativos dos agregados graúdos e miúdos, cimento, água e aditivos, seguiu-se o método proposto pelo ACI 211.1 [6], com cimento Portland tipo CPII – F, agregado graúdo de basalto (2.90 g/cm³, Dmax 25mm), areia (2.63 g/cm³, finura 2.4), aditivo plastificante e 1,5% de ar aprisionado [7].
Tabela 4 - Proporções por m³ de concreto
Concreto Cimento kg/m³ Areia kg/m³ Brita kg/m³ A/C Aditivo l/m³
C50 500.000 644.240 1192.800 0.340 3.000
Para a análise de impacto ambiental, utilizou-se o método LCA (Avaliação do Ciclo de vida), de acordo com os padrões internacionais ISO 14040 [8] e ISO 14044 [9]. O software usado na avaliação dos impactos ambientais foi o OpenLCA [10], um programa open source de uso livre. De forma geral, a metodologia LCA considera todos os aspectos de uso de recursos, energia e disposição final, desde a fabricação de determinado produto até o fim de sua vida útil, incluindo a extração de matéria-prima, produção, distribuição e disposição final. Seu objetivo é ser uma ferramenta de comparação e tomada de decisão entre as alternativas envolvidas em todas as fases do desenvolvimento de um produto [11].
Na categoria de transportes, as distâncias utilizadas nesse estudo são mostradas na Tabela 5. Elas se referem a um cenário de construção em uma cidade de tamanho médio (496,8km², 1,5 milhões de habitantes) no sul do Brasil [12].
Tabela 5 - Distâncias médias de transporte
Modo de transporte Distância (km)
Transporte do aditivo da fábrica até a concreteira Caminhão (27 ton.) 1100
Transporte do cimento da fábrica até a concreteira Trem 950
Transp. de agreg. grosseiros da fábrica até a concreteira Caminhão (27 ton.) 60
Transporte da areia até a concreteira Barca 100
Transporte do concreto da concreteira para o canteiro Caminhão (27 ton.) 20
Tranporte do aço da fábrica para o canteiro Caminhão (27 ton.) 30
Transporte das formas da fábrica para o canteiro Caminhão (27 ton.) 750
Disposição final do concreto e aço Caminhão (27 ton.) 30
A unidade funcional considerada é o sistema estrutural de uma edificação residencial de 8 e 12 pavimentos, em alvenaria estrutural, formada por pilares e vigas em concreto armado ou protendido para cada modelo. Nesse estudo foram consideradas as etapas envolvidas na produção de materiais, a qual corresponde à fase de produto da BS 15978 [13], incluindo fornecimento de matéria-prima (A1), transporte (A2), e produção (A3) de concreto e aço. A construção da estrutura de concreto armado corresponde à fase de construção da BS 15978 [13], que inclui transporte (A4) e o processo de instalação/construção (A5). Final de vida de projeto inclui demolição (C1), transporte (C2), separação dos resíduos (C3) e disposição final (C4) de acordo com a fase de final de vida da BS 15978 [13]. Estão fora do escopo do trabalho a contabilização dos impactos referentes a atividades de manutenção durante a vida útil das estruturas e
possíveis modificações futuras nas edificações, como reformas para modernização. A Figura 3 apresenta esquematicamente as fronteiras do sistema analisado.
Figura 3: Fronteiras do sistema estudado
Os processos e fluxos considerados na avaliação dos impactos ambientais, assim como os dados obtidos pela análise estrutural, estão apresentados na Tabela 6, levando em consideração quantitativos de materiais, energia utilizada na produção dos materiais, construção da estrutura de concreto armado e protendido e o final de vida útil. Na análise de impacto feita pelo software OpenLCA, o produto da distância pela massa de material transportado é utilizado como medida do impacto causado pelo transporte, estando esses valores apresentados na Tabela 7.
Neste trabalho, foi considerado o modelo cut-off, que considera que a produção primária de materiais é sempre alocada ao usuário primário do material. Se o material é reciclado, o produtor primário não recebe crédito pelo fornecimento de materiais reciclados [14]. O database utilizado na na análise do openLCA foi o Ecoinvent, versão 3.5 [15], sendo necessárias algumas adaptações para se ter uma maior fidelidade aos cenários e condições do território brasileiro.
A avaliação de impacto foi baseada no método de pressão orientada CML (baseline), desenvolvido pela Universidade de Leiden em 2001 [16]. As categorias de impacto analisadas foram as seguintes [17]: Potencial de acidificação, mudança climática, potencial de eutrofização, ecotoxicidade aquática de água doce, ecotoxicidade sedimentar de água doce, toxicidade humana, uso do solo, ecotoxicidade aquática marinha, oxidação fotoquímica, recursos, depleção da camada de ozônio e ecotoxicidade terrestre.
Tabela 6 - Quantitativos usados na análise LCA
Processo Fluxo de Saída Fluxo de Entrada 8CA 8CP7,5 8CP5,0 12CA 12CP7,5 12CP5,0 Un.
Produção de materiais
Concreto
Aditivo 377.1 526.5 405.0 441.9 645.6 475.2 l
Transporte do aditivo da fábrica até a concreteira
0.5 0.7 0.5 0.5 0.8 0.6 t
Água 21.4 29.8 23.0 25.0 36.6 26.9 t
Cimento 62.9 87.8 67.5 73.7 107.6 79.2 t
Transporte do cimento da fábrica até a
concreteira 62.9 87.8 67.5 73.7 107.6 79.2 t
Agregados grosseiros 149.9 209.3 161.0 175.7 256.7 188.9 t
Transp. de agreg. graúdos da fábrica até
a conc. 149.9 209.3 161.0 175.7 256.7 188.9 t
Areia 81.0 113.1 87.0 94.9 138.6 102.0 t
Transporte da areia até a concreteira
81.0 113.1 87.0 94.9 138.6 102.0 t
Energia para preparo do concreto
402.2 561.6 432.0 471.4 688.6 506.9 kWh
Aço Aço 16.2 12.0 9.7 22.8 16.6 13.8 t
Madeira das formas
Madeira das formas 992.1 766.3 764.9 1129.9 810.0 816.4 m2
Construção da estrutura de Concreto Armado
Transporte dos materias para o canteiro
Transporte do concreto da concreteira para o
canteiro 125.7 175.5 135.0 147.3 215.2 158.4 m3
Tranporte do aço da fábrica para o canteiro
484.6 360.8 291.7 683.9 497.4 414.4 t
Transporte das formas da fábrica para o
canteiro 744.1 574.7 573.7 847.4 607.5 612.3 t
Água para cura do concreto
Água para cura do concreto
102.0 142.5 109.6 119.6 174.7 128.6 t
Bombeamento do concreto
Diesel para bombeamento
628.5 877.5 675.0 736.5 1076.0 792.0 kWh
Compactação do concreto
Eletricidade para compactação do
concreto 3771.0 5265.0 4050.0 4419.0 6456.0 4752.0 kWh
Disposição final das formas
Disposição final das formas
11.3 8.7 8.7 12.9 9.2 9.3 t
Transporte das formas para aterro
11.3 8.7 8.7 12.9 9.2 9.3 t
Fim da vida útil
Demolição e disposição final
Diesel para demolição da est. de concreto
armado 41726 58257 44813 48896 71435 52581 kWh
Diesel de máquina carregadeira no canteiro
1294 1806 1390 1516 2215 1630 kWh
Transporte para aterro 319.9 446.6 343.6 374.9 547.7 403.1 t
Disposição final 319.9 446.6 343.6 374.9 547.7 403.1 t
Tabela 7 - Produtos de transporte
Fluxo de Entrada 8CA 8CP7,5 8CP5,0 12CA 12CP7,5 12CP5,0 Un.
Transporte do aditivo (1) 414810 579150 445500 486090 710160 522720
t*km
Transporte do cimento (1) 59707500 83362500 64125000 69967500 102220000 75240000
Transp. de agreg. grosseiros (1)
8996098 12560184 9661680 10541966 15401434 11336371
Transporte da areia (1) 8098097 11306412 8697240 9489655 13864045 10204762
Transporte de concreto (2) 2514 3510 2700 2946 4304 3168
Tranporte de aço (2) 484623 360841 291666 683937 497433 414444
Transporte das formas de madeira (2)
744075 574725 573675 847425 607500 612300
Transporte de entulho (3) 9597 13399 10307 11246 16430 12093
(1) da fábrica até a concreteira; (2) para o canteiro, (3) para o aterro.
3. RESULTADOS
A avaliação do grau de impacto ambiental foi realizada para os 6 modelos e foi possível tirar algumas conclusões interessantes, que serão apresentadas abaixo. As siglas dos gráficos estão apresentadas na Tabela 8.
Tabela 8 – Siglas
Sigla Etapas do processo construtivo
Descrição
CT Construção Envolve toda a fase de construção da edificação que envolve o canteiro de obras.
DF Descarte Final Fase em que há o desmonte da estrutura e o transporte dessa para sua deposição final.
PA Produção de aço Fase que envolve a produção em fábrica do aço.
PC Produção de concreto Fase que inclui a produção do concreto em fábrica. (produção de clínquer, etc).
PF Produção de formas Produção das formas.
TA Transporte de aço Transporte do aço.
TC Transporte de concreto
Transporte do concreto.
TF Transporte de formas Transporte das formas.
Modelos estruturais (área por pavimento: 354,6m²)
8CA 8 pavimentos, estrutura em concreto armado e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 5m
8CP7.5 8 pavimentos, estrutura em concreto protendido e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 7,5m
8CP5.0 8 pavimentos, estrutura em concreto protendido e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 5,0m
12CA 12 pavimentos, estrutura em concreto armado e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 5m
12CP7.5 12 pavimentos, estrutura em concreto protendido e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 7,5m
12CP5.0 12 pavimentos, estrutura em concreto protendido e alvenaria estrutural. Vãos entre pilares de 5.0m
A Figura 4 mostra o resultado obtido pela análise no openLCA. Os dados foram tratados e normalizados para o valor máximo relativo 100%. Todos os demais valores são relativos ao maior, para se ter um parâmetro comparativo de fácil visualização e interpretação. Pela análise desses dados se percebe que as fases da produção de aço e de concreto são as que apresentam maior grau de impacto em 11 das 12 categorias analisadas, sendo o aço a mais impactante. Esse resultado mostra a importância de um projeto estrutural eficiente e corrobora com outras pesquisas que mostram o aço e concreto como grandes geradores de impacto, como foi citado na introdução deste
trabalho. A disposição final da edificação também apresenta alto grau de impacto para 7 das 12 categorias.
Figura 4 – Resultados da análise
No comparativo dos modelos de 8 e 12 pavimentos, a simulação com 12 pavimentos se mostrou uma melhor solução com relação à geração de impactos ambientais. Apesar de 50% a mais de pavimentos na estrutura, não se observou aumento semelhante nos impactos em todas as categorias. Os impactos para a edificação com 12 pavimentos apresentaram incremento de apenas 15 a 25% nos indicadores de impacto, quando comparados por meio da mesma solução estrutural (8CA com 12CA, 8CP7.5 com 12CP7.5 e 8CP5.0 com 12CP5.0). Isso significa que construir 12 pavimentos apresenta menor impacto por m² do que 8 pavimentos.
No comparativo de solução estrutural, observou-se que o concreto protendido é uma boa solução para edificações com vãos pequenos, considerando-se apenas aspectos ambientais. Apesar de maior consumo de concreto nos modelos desse trabalho, devido a necessidade de seções maiores para a aplicação da protensão (lajes devem ser mais espessas para que as armaduras ativas possam ser eficientes, há também necessidade de espessura maior das lajes visto que os modelos em concreto protendido não apresentam vigas), o consumo de aço menor acaba tornando a solução menos impactante.
Na análise de todas soluções estruturais nas configurações de 8 e 12 pavimentos, considerando o impacto por m² de edificação construída, a solução com 12 pavimentos em concreto protendido, com vãos de 5m, foi a mais eficiente. Na contramão deste pensamento, a solução com 8 andares em concreto protendido com vãos de 7.5m apresenta maior grau de impacto por m². Logo essa solução não apresenta bom desempenho no quesito ambiental.
A Figura 5 mostra um comparativo entre todas soluções estruturais para o mesmo número de pavimentos. A produção de concreto apresentou maiores níveis de impacto nos modelos com concreto protendido, novamente devido ao maior consumo de concreto nessa solução estrutural. Por outro lado, os impactos gerados pelo aço reduziram nos dois modelos em concreto protendido, devido as características do sistema estrutural.
Figura 5 – Comparativo dos modelos estruturais
4. CONCLUSÕES
A produção de materiais é a maior contribuidora de impactos ambientais nos modelos estudados, independente do sistema estrutural ou de número de pavimentos. Aço e concreto são os de maior relevância para os impactos. Concreto apresenta importantes impactos para mudança climática, potencial de acidificação e eutrofização, recursos e ecotoxicidade terrestre. Já o aço apresenta grandes impactos em 11 das 12 categorias avaliadas. Contudo, a redução do uso de aço nos modelos em concreto protendido não compensaram o alto consumo de concreto, não sendo suficiente para reduzir os impactos gerados por esses modelos estruturais.
Do ponto de vista ambiental, a solução de 12 pavimentos com concreto protendido e vãos de 5m é a melhor para os modelos estudados, apresentando o menor grau de impacto por m². Já a solução de 8 pavimentos com vãos de 5m, também em concreto protendido, tem a solução menos viável com relação à geração de impactos ambientais, para a unidade funcional avaliada.
Por fim, este estudo mostra a importância na escolha dos sistemas estruturais no nível de impacto que esses apresentarão durante sua construção e vida útil, sendo os resultados encontrados válidos exclusivamente para o modelo estudado.
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