Análisis comparativo del ciclo de vida de edificaciones construidas con prefabricación industrializada en latitudes mediterránea y tropical

Abstract

(English) This research focuses on the study and comparative analysis of buildings constructed with industrialized prefabrication systems, based on the premise that industrialization implies resource optimization, technological innovation and environmental sustainability. Taking advantage of the European regulatory framework on the subject, the analysis will be based on the methodology of Life Cycle Assessment (LCA) in selected cases under parametric criteria. The methodology will also be applied to buildings in the Central American region, which does not yet have a consolidated framework for the regulation of environmental sustainability strategies, and which is ideal given the growing use of new industrialized technologies for construction in the region, immersed in a context of seismic hazards.

The International Organization for Standardization (ISO) has developed a set of LCA standards that focus on the technical and organizational aspects of a building. However, pragmatically, the studies are conducted using different approaches and there is insufficient clarity as to whether their results are comparable or useful for decision making in the design process and subsequent building evaluation. Many authors agree that it is difficult to make meaningful comparisons between the results and, therefore, to draw conclusions to inform project decision making. There are allegedly several reasons for this, such as: methodological differences, discrepancies in the scope of the evaluation, data uncertainties, differences in location, and differences between units of analysis. However, in the present research, these barriers have been overcome largely by developing a calculation model with an open database that allows the same type of data to be entered for all cases, allowing comparative analysis and verification of the parameters that affect the carbon footprint throughout its life cycle. The data was also compared to the state of the art.

To this end, this thesis is divided into three parts: Part I: Introduction, which includes chapters I through VI. Part II: State of the Art, which contains chapters 1 through 8. Part III: Analysis, which contains chapters 9, 10, and 11. As a whole, it represents a qualitative and quantitative research on environmental sustainability in buildings and its influencing parameters, among which; optimization, life extension, circularity and energy independence. Among the main findings, it can be stated that the decarbonization of the life cycle of a building, even without the optimization of the construction systems, can be carbon neutral in the operational phase, thanks to the surplus of renewable energy generation (photovoltaic) associated with sunlight, depending on the latitude, which is one third higher in the tropics than in the Mediterranean area.

The initial hypothesis that industrialized prefabrication contributes to environmental sustainability is confirmed, despite the fact that specialized structural systems designed for disassembly require a high mechanical performance that can only be achieved through the hybridization of materials; their end-of-life recovery leads to an average reduction of 60% in the carbon footprint.

On the other hand, the optimization of buildings can begin by reducing their weight, especially in the case of soils with low bearing capacity, since foundations can represent up to 50% of the embodied carbon, significantly influencing the total carbon footprint; moreover, since foundations are monolithic, their non-recovery at the end of the building's life results in the loss of raw materials. These facts lead to the important lesson of performing LCA before demolishing a building, rather than just at the beginning of the project.

(Català) Aquesta recerca s'enfoca en l'estudi i l'anàlisi comparatiu d'edificis construïts amb sistemes de prefabricació industrialitzada, partint de la premissa que la industrialització implica optimització de recursos, innovació tecnològica i sostenibilitat ambiental. L'anàlisi es basarà en la metodologia: Anàlisi de Cicle de Vida, (Life Cycle Assessment, LCA) en casos seleccionats sota criteris paramètrics, aprofitant el marc regulador europeu en aquesta temàtica, a més s'aplicarà la metodologia a edificis de la regió centreamericana, que encara no tenen un marc consolidat per a la regulació d'estratègies de sostenibilitat ambiental, i que és idònia atès l'ús creixent de noves tecnologies industrialitzades per a l'edificació a la regió, immersa en un context d'amenaça sísmica.

Atès que l'Organització Internacional de Normalització ISO, va produir una sèrie de normes d'Anàlisi de Cicle de Vida centrades en els aspectes tècnics i organitzatius d'un edifici, però, en termes pragmàtics, els estudis es fan sota enfocaments diferents i no hi ha prou claredat sobre si les troballes són comparables entre si o, si són útils per informar en la presa de decisions del procés de disseny i en la posterior avaluació de l'edifici. Molts autors coincideixen que és difícil fer una comparació significativa entre els resultats i per tant, obtenir conclusions per informar a la presa de decisions de projecte. Suposadament hi ha diverses raons com les diferències metodològiques, les discrepàncies a l'abast de l'avaluació, les incerteses de les dades, les diferències en la localització i les diferències entre unitats d'anàlisi. Tot i això en aquesta investigació s'han superat aquestes barreres en gran mesura, mitjançant el desenvolupament d'un model de càlcul amb base de dades oberta, que permet introduir el mateix tipus de dades per a tots els casos, fent possible l'anàlisi comparativa i la verificació dels paràmetres que incideixen en la petjada de carboni al llarg del cicle de vida.

Amb aquesta finalitat aquesta Tesi està estructurada en tres parts: La part I: Introducció, que conté els apartats de l'I al VI. La part II: Estat de l'Art, que conté els capítols de l'1 al 8. I la part III: Anàlisi, que conté els capítols 9, 10 i 11. En conjunt conforma una investigació qualitativa i quantitativa sobre la sostenibilitat ambiental a l'edificació i els paràmetres que incideixen, entre ells; l'optimització, la prolongació de la vida útil, la circularitat i la independència energètica. Entre les principals troballes podem afirmar que la descarbonització en el cicle de vida d'un edifici, tot i no haver optimitzat els sistemes constructius, en etapa operativa pot ser neutral en carboni, gràcies al superàvit de la generació energètica renovable (solar fotovoltaica) associat a l'assolellament segons la latitud, sent al tròpic un terç més gran que a la zona mediterrània.

Es comprova la hipòtesi inicial que la prefabricació industrialitzada contribueix a la sostenibilitat ambiental, tot i que els sistemes estructurals especialitzats dissenyats per al desmuntatge requereixen d’altes prestacions mecàniques, aconseguides només amb la hibridació de materials; la seva recuperació al final de vida comporta una disminució mitjana del 60% de la petjada de carboni. D'altra banda, l'optimització de les edificacions es pot iniciar reduint-ne el pes, especialment en el cas de terrenys amb poca capacitat de càrrega, atès que les fonamentacions poden representar fins al 50% del carboni incorporat, influint considerablement en la petjada de carboni total; a més en ser la fonamentació monolítica, la seva no recuperació al final de vida de l'edificació redunda en pèrdua de matèries primeres. Aquests fets deixen un aprenentatge important sobre realitzar LCA previ a l'enderrocament d'una edificació i no només a l'inici del projecte.

(Español) La presente investigación se enfoca en el estudio y análisis comparativo de edificios construidos con sistemas de prefabricación industrializada, partiendo de la premisa que la industrialización implica optimización de recursos, innovación tecnológica y sostenibilidad ambiental. El análisis se basará en la metodología: Análisis de Ciclo de Vida, (Life Cycle Assessment, LCA) en casos seleccionados bajo criterios paramétricos, aprovechando el marco regulatorio europeo en esta temática, además se aplicará la metodología a edificios de la región centroamericana, que aún no poseen un marco consolidado para la regulación de estrategias de sostenibilidad ambiental, y que es idónea dado el creciente uso de nuevas tecnologías industrializadas para la edificación en la región, inmersa en un contexto de amenaza sísmica.

Considerando que la Organización Internacional de Normalización ISO, produjo una serie de normas de Análisis de Ciclo de Vida centradas en los aspectos técnicos y organizativos de un edificio, no obstante, en términos pragmáticos, los estudios se realizan bajo enfoques diferentes y no hay suficiente claridad sobre si sus hallazgos son comparables entre sí o, si son útiles para informar en la toma de decisiones del proceso de diseño y en la posterior evaluación del edificio. Muchos autores coinciden en que es difícil hacer una comparación significativa entre los resultados y por lo tanto, obtener conclusiones para informar en la toma de decisiones de proyecto. Presuntamente hay varias razones como: las diferencias metodológicas, las discrepancias en el alcance de la evaluación, las incertidumbres de los datos, las diferencias en la localización y las diferencias entre unidades de análisis. A pesar de ello en la presente investigación en gran medida, se han superado esas barreras, mediante el desarrollo de un modelo de cálculo con base de datos abierta, que permite introducir el mismo tipo de datos para todos los casos, haciendo posible el análisis comparativo y la verificación de los parámetros que inciden en la huella de carbono a lo largo de su ciclo de vida.

Para ese fin la presente Tesis está estructurada en tres partes: La parte I: Introducción, que contiene los apartados del I al VI. La parte II: Estado del Arte, que contiene los capítulos del 1 al 8. Y la parte III: Análisis, que contiene los capítulos 9, 10 y 11. En conjunto conforma una investigación cualitativa y cuantitativa sobre la sostenibilidad ambiental en la edificación y los parámetros que inciden, entre ellos; la optimización, la prolongación de la vida útil, la circularidad y la independencia energética. Entre los principales hallazgos se puede afirmar que la descarbonización en el ciclo de vida de un edificio, aún sin haber optimizado los sistemas constructivos, en etapa operativa puede ser neutral en carbono, gracias al superávit de la generación energética renovable (solar fotovoltaica) asociado al asoleamiento según la latitud, siendo en el trópico un tercio mayor que en la zona mediterránea.

Se comprueba la hipótesis inicial de que la prefabricación industrializada contribuye a la sostenibilidad ambiental, a pesar de que los sistemas estructurales especializados diseñados para el desmontaje, requieren de altas prestaciones mecánicas, logradas solamente con la hibridación de materiales; su recuperación al fin de vida conlleva una disminución media del 60% de la huella de carbono. Por otra parte, la optimización de las edificaciones puede iniciarse reduciendo su peso, especialmente en el caso de terrenos con poca capacidad de carga, dado que las cimentaciones pueden representar hasta el 50% del carbono incorporado, influyendo considerablemente en la huella de carbono total; además al ser la cimentación monolítica su no recuperación al final de vida de la edificación redunda en pérdida de materias primas. Estos hechos dejan un importante aprendizaje sobre realizar LCA previo al derribo de una edificación y no solo al inicio de proyecto.