Κριτήρια και μεθοδολογίες αποτίμησης της περιβαλλοντικής αειφορίας των μεταλλικών κατασκευών

Abstract

The current PhD thesis belongs to a subject area that includes both the field of construction and in particular metal constructions and also the assessment of environmental sustainability. The goals that were set concern the adjusting of the design and construction processes for metal structures to the recently outlined requirements to ensure environmental sustainability within the framework of sustainable development promoted on a European and international level. After conducting research on the principles and the content of sustainable development (Chapter 1), the relevant concepts are examined, along with their evolution and meaning for metal structures. The examination of existing environmental sustainability assessment methodologies allows for the selection of the appropriate one for the case of metal structures, which was found to be Life Cycle Assessment (LCA). The application of this methodology to a simple metal building highlights the issues that have to be researched in order to ensure the reliable and efficient use of the methodology for metal structures. In Chapter 2 research focuses on one of the critical issues in regard to the efficiency of LCA, namely the Life Cycle Inventory (LCI) data. The validity of LCI data directly affects the results of the methodology and as they are currently not available for steel structural elements, primary data is collected for the development of a new LCI database which concerns the steel structural members used in structures. Hot-rolled sections (IPE, HEA etc.) are selected as the starting point and a detailed documentation of the manufacturing processes in terms of environmental impacts caused is conducted. In order to verify the validity of the developed LCI database and the included environmental data and also to gain complete perspective on the range of its application in LCA studies, a comparative study is conducted (Chapter 3) with a number of existing databases which contain some similar data. In Chapter 4 the complementary research which led to the extension of the LCI database to also include cold-formed hollow structural steel members (sections SHS, RHS etc.) is presented. Furthermore (Chapter 5), the data referring to the complete range of acquisition routes of the steel structural members used in Greece are examined and documented. As a result, LCI datasets referring to the steel structural members imported from abroad and also those processed from imported semi-finished steel products are added to the newly developed database. Connection elements used for steel members are also examined, namely steel plates and bolts. The end-of-life scenarios that can be applied to steel building projects are examined in Chapter 6 and the respective environmental impacts for each scenario are calculated and compared. In Chapter 7 LCA studies of four existing steel building projects are conducted, based on the data of the developed LCI database and the end scenarios analyzed. The results obtained, as well as their comparison (Chapter 8), lead for the first time to the quantification of the influence of certain significant parameters on LCA studies. For the facilitation of the management of the LCA data contained in the developed LCI database a software tool was designed (Chapter 9), which also allows for the direct LCA studies of metal building structures. The last chapter of the thesis (10th) contains the most notable conclusions drawn from the research conducted.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ανήκει σε μία θεματική ενότητα που περιέχει τόσο τον κλάδο των κατασκευών και συγκεκριμένα τις μεταλλικές κατασκευές, όσο και την αποτίμηση της περιβαλλοντικής αειφορίας. Οι στόχοι που τέθηκαν αφορούν την προσαρμογή των διαδικασιών σχεδιασμού και κατασκευής των μεταλλικών κτιριακών έργων στις προσφάτως καθορισμένες απαιτήσεις για εξασφάλιση περιβαλλοντικής αειφορίας στο πλαίσιο της βιώσιμης ανάπτυξης που προωθείται σε ευρωπαϊκό και διεθνές επίπεδο. Κατόπιν έρευνας σχετικά με τις αρχές και το περιεχόμενο της βιώσιμης ανάπτυξης (Κεφάλαιο 1) εξετάζονται οι σχετικές έννοιες, η εξέλιξή τους και η σημασία τους για τις μεταλλικές κατασκευές. Η εξέταση των υφιστάμενων μεθοδολογιών αποτίμησης της περιβαλλοντικής αειφορίας επιτρέπει την επιλογή της κατάλληλης μεθόδου για την περίπτωση των μεταλλικών κατασκευών, η οποία είναι η μέθοδος Αξιολόγησης Κύκλου Ζωής (LCA, Life Cycle Assessment). Η εφαρμογή της μεθόδου σε μια απλή μεταλλική κτιριακή κατασκευή αναδεικνύει τα σημεία όπου απαιτείται έρευνα προκειμένου να εξασφαλιστεί η αξιόπιστη και αποτελεσματική χρήση της μεθόδου στις μεταλλικές κατασκευές. Στο Κεφάλαιο 2 η έρευνα εστιάζει σε ένα από τα κρίσιμα θέματα που αφορούν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου LCA, τα περιβαλλοντικά δεδομένα Καταγραφής Κύκλου Ζωής (Life Cycle Inventory, LCI). Η εγκυρότητα των δεδομένων LCI επηρεάζει άμεσα τα αποτελέσματα της μεθόδου και καθώς τα τελευταία δεν διατίθενται για μεταλλικά δομικά στοιχεία, συλλέγονται πρωτογενή στοιχεία για τη δημιουργία μιας νέας βιβλιοθήκης περιβαλλοντικών δεδομένων LCI που αφορούν τα μεταλλικά δομικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές. Ως σημείο εκκίνησης επιλέγονται οι διατομές θερμής έλασης (IPE, HEA κτλ.) για τα οποία γίνεται λεπτομερής καταγραφή των διαδικασιών παραγωγής όσον αφορά στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκαλούν. Προκειμένου να ελεγχθεί η αξιοπιστία της βιβλιοθήκης LCI που αναπτύχθηκε και των δεδομένων που περιέχει, καθώς και για να σχηματιστεί μία πλήρη εικόνα σχετικά με το εύρος εφαρμογής της στις μελέτες Κύκλου Ζωής διεξάγεται συγκριτική μελέτη (Κεφάλαιο 3) με άλλες υφιστάμενες βιβλιοθήκες LCI που περιέχουν ορισμένα παρόμοια δεδομένα. Στο Κεφάλαιο 4 παρατίθεται η συμπληρωματική έρευνα που οδήγησε στην επέκταση της βιβλιοθήκης LCI για τα κοίλα χαλύβδινα δομικά στοιχεία ψυχρής διαμόρφωσης (διατομές SHS, RHS κτλ.). Στη συνέχεια (Κεφάλαιο 5) καταγράφονται τα δεδομένα που αφορούν όλες τις πιθανές κατηγορίες προέλευσης των μεταλλικών δομικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα. Ως αποτέλεσμα, προστίθενται στην αναπτυχθείσα βιβλιοθήκη δεδομένα LCI που αναφέρονται στα δομικά στοιχεία που εισάγονται από το εξωτερικό και αυτά που προκύπτουν από τη μεταποίηση εισαγμένων ημιτελών προϊόντων. Εξετάζονται επίσης και τα στοιχεία σύνδεσης των μεταλλικών στοιχείων, δηλαδή οι χαλύβδινες πλάκες και οι κοχλίες σύνδεσης. Τα σενάρια τέλους του κύκλου ζωής που μπορούν να εφαρμοστούν στις μεταλλικές κτιριακές κατασκευές εξετάζονται στο Κεφάλαιο 6, ενώ υπολογίζονται και συγκρίνονται οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν για κάθε σενάριο τέλους. Στο Κεφάλαιο 7 διεξάγονται μελέτες κύκλου ζωής για τέσσερις υφιστάμενες μεταλλικές κτιριακές κατασκευές με βάση τα δεδομένα της βιβλιοθήκης LCI που αναπτύχθηκε και των σεναρίων τέλους που αναλύθηκαν. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν, καθώς και η σύγκρισή τους (Κεφάλαιο 8), οδηγούν για πρώτη φορά στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης ορισμένων καθοριστικών παραγόντων για τις μελέτες κύκλου ζωής. Για τη διευκόλυνση της διαχείρισης των περιβαλλοντικών δεδομένων LCI που περιέχονται στη βιβλιοθήκη που αναπτύχθηκε σχεδιάστηκε ένα σχετικό λογισμικό εργαλείο (Κεφάλαιο 9), το οποίο επιτρέπει και την άμεση διενέργεια μελέτης κύκλου ζωής για κτιριακές μεταλλικές κατασκευές. Στο τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής (10ο) παρουσιάζονται τα σημαντικότερα συμπεράσματα που διεξάγονται από την έρευνα που διεξάχθηκε.