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Life Cycle Assessments LCA di un ponte pedonale realizzato con FRP

Il primo ponte network arch del Regno Unito: il Ponte sul fiume Irwell

20 Maggio 2024
il Ponte sul fiume Irwell
ing. Ciro Polita
Ingegnere dei materiali, attualmente si occupa di certificazioni e caratterizzazione di materiali da costruzione.

Lo scopo del seguente approfondimento, è di riportare un caso studio [1] che si pone l’obiettivo di valutare, attraverso i metodi di Life Cycle Assessment LCA e Life Cycle Costing LCC, l’impatto ambientale ed economico di un ponte pedonale con 23.2 metri di campata, realizzato con materiali compositi FRP dalla Network Rail nel Regno Unito e poter poi comparare i risultati ottenuti con la stessa opera ma utilizzando rinforzi in acciaio. In questo modo ci si può confrontare rispetto a due temi importanti: l’analisi dell’impatto ambientale di grandi opere e possibili soluzioni innovative nel settore civile, con i relativi pro e contro.

Da un lato con la valutazione LCA, si cerca di ottenere un termine equivalente di emissioni di CO2e che ci deve permettere di poter paragonare prodotti differenti e che nel caso in esame si lega prevalentemente alla quantità di materiale richiesto in opera, questo tenendo conto di quattro diverse fasi di vita dell’infrastruttura: Produzione, Costruzione, Uso e Fine Vita. 

Nell’analisi LCC invece, si intende stimare i costi legati alla vita dell’opera, partendo dalla sua realizzazione sino alla demolizione, senza dimenticare i costi legati alla manutenzione, tema che spesso risulta fondamentale ed impattante nella vita di grandi opere

Sviluppo dell’analisi LCA della struttura [1]

In un’analisi di questo tipo, i principali ostacoli che si incotrano, riguardano la limitatezza di input relativi ai materiali compositi applicati nel settore delle infrastrutture, dalla realizzazione alla destinazione ultima a fine vita. Questo è da valutare rispetto ad un’applicazione nuova all’interno del contesto civile, secondo analisi i cui parametri cambiano fortemente da stato a stato e che si lega allo studio di opere con una vita utile importante. Risulta comunque molto interessante poter valutare qualche dato completo sui due casi reali, potendo “quantificare” la sostenibilità di opere strutturali. È inoltre utile capire quali assunzioni e valutazioni si debbano intraprendere all’interno di un’analisi di questo tipo, definendo le variabili in gioco. 

Produzione

Il primo passo analizzato all’interno dello studio è la produzione, questa si compone di un design modulare realizzato in stabilimento e assemblato in opera per il prodotto rinforzato con barre FRP, mentre l’opera con rinforzo in acciaio rispetta i criteri di analisi del caso precedente ma non si considera l’utilizzo di prefabbricati all’interno della realizzazione, bensì optando per una realizzazione in cantiere della struttura. I costi in questo caso derivano dalla media preventivata da tre diversi fornitori o ditte. 

Costruzione

Nella fase di costruzione, non potendo contare su una metodologia di realizzazione dettagliata dell’opera, si ricorre ad un fattore di emissione legato alle attività di costruzione CAEF, che stima le emissioni di CO2e, sulla base delle quantità di materiale richiesto. 

I costi e gli impatti legati al trasporto invece, sono da considerarsi identici sia per il ponte realizzato con materiali compositi che per l’acciaio. 

L’analisi ora si compone di 5 scenari di durata della vita utile per l’opera: 40, 60, 80, 100 e 120 anni. All’interno di una vita utile molto lunga, manutenzione e smaltimento ricoprono ora un ruolo cruciale; si assume infatti che per il ponte in rinforzato in FRP, la manutenzione sia relativa alle sole pulizie ogni 25 anni e a riparazioni significative ogni 40; mentre con l’uso dell’acciaio si stimano: ispezioni visive ogni anno, esaminazione dettagliata della struttura ogni 6 anni, valutazioni strutturali ogni 18 anni e ripittura ogni 25 anni. Emerge qui un primo importante vantaggio legato all’utilizzo dei materiali compositi nel settore. 

Fine vita

Resta infine da valutare il fine vita del ponte, dove l’utilizzo di materiali compositi ci riporta a 4 possibili scenari: discarica, downcycle, termovalorizzazione e riutilizzo. Nel caso di barre in acciaio la possibilità di riciclare oltre il 90% di materiale rappresenta ragionevolmente un enorme vantaggio nel confronto tra le due possibilità, cosa non possibile quando invece si impiegano materiali compositi uniti attraverso una matrice termoindurente.

Riassumendo, i risultati, espressi in termini di emissioni di CO2e, illustrano come il ponte realizzato rinforzato in FRP presenti maggiori emissioni, questo considerando l’insieme delle fasi di realizzazione e costruzione. Questo primo risultato suggerisce che la struttura snella ed alleggerita, ottenuta utilizzando gli FRP, non compensi le più alte emissioni rispetto alla produzione con l’acciaio. Analizzando invece le emissioni relative alla fase d’uso, l’impatto ambientale è minore per il ponte in FRP, e questo lo si deve alla capacità di allungare molto la vita utile dell’opera.

A tal proposito, considerando l’impatto del ponte nel suo intero ciclo di vita, si determina come questo sia preponderante proprio nella fase d’uso, che si compone anche di manutenzioni e riparazioni. È qui che l’utilizzo dei materiali compositi fa la differenza in termini di emissioni, poiché estendendo la vita utile del ponte si ha un notevole risparmio in termini di impatto ambientale, che si lega ai ridotti costi di manutenzione e alla possibilità di non dover dover demolire l’opera in tempi ridotti; lo stesso ragionamento si può estendere anche ai costi. In aggiunta, a tal proposito, emerge che la produzione, è la maggior responsabile anche delle emissioni, impatta fortemente anche nei costi di realizzazione del ponte con GFRP, considerando anche la necessità di realizzare stampi e modelli che il ponte in acciaio non ha, dati i due differenti design progettuali.

Al contrario però ne beneficiano invece i costi di costruzione che nel complesso determinano un risparmio nella realizzazione dell’opera con materiali compositi. 

Conclusione

Concludendo, il ponte realizzato con materiali compositi beneficia, in termini di costi, considerando qualsiasi scenario di durata di vita utile, questo perché costi di realizzazione più alti rispetto al caso in acciaio vengono fortemente controbilanciati da costi di costruzione notevolmente più bassi. Per quanto riguarda la sostenibilità dell’opera in acciaio questa rappresenta indubbiamente l’opzione migliore fintanto che la vita utile delle due opere risulta paragonabile. Si ha di conseguenza che, allungando la vita utile dell’opera attraverso l’impiego di materiali compositi meno sensibili a fenomeni di degrado strutturale come la corrosione, l’iniziale impatto ambientale si vada a ridurre notevolmente con l’aumentare della vita utile dell’infrastruttura. Restano però ancora dei limiti sulla sostenibilità a fine vita dei materiali compositi che dovranno essere risolti in futuro, puntando ad esempio al riutilizzo degli stessi anche all’interno di nuove opere civili. 

[1] Jena, T.; Kaewunruen, S. Life Cycle Sustainability Assessments of an Innovative FRP Composite Footbridge. Sustainability 2021, 13, 13000.

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