Sustainable composite steel-concrete construction

The current policies in Europe and in the world are promoting a transition towards a circular economy with the aim of responding to the urgent environmental demands. One of the main sectors of the economy with the greatest business potential within the circular economy is the building sector due of its massive impact on the resource consumption, waste generation and environmental emissions. In this scenario, a more sustainable construction can be achieved by demountable structural systems enabling the disassembly and the reuse of the structural elements at the deconstruction time. This work focuses on composite steel-concrete flooring system which represents the most efficient structural solution for buildings and bridges, as the composite action combines and optimizes the structural properties of the two most used and impactful building materials, i.e. steel and concrete. These systems are currently designed, produced and erected with a shear connection system which makes the disassembly of the structural elements almost impossible. Demountable shear connection systems for composite steel concrete beams were proposed by previous research studies, showing the high potential of these technical solutions compared to the welded headed studs. However, none of these systems has been introduced in the construction practices and regulated by design codes due to a series of shortcomings. This work focuses on the demountable steel-concrete beams made of precast concrete slabs and steel beams connected by pretensioned high strength friction-grip bolts. In fact, this technical solution investigated in few previous studies provides the highest reuse potential due to the full disassembly of all the elements, as well as the dry and modularity properties guaranteed by precast concrete planks instead of cast in-situ concrete slabs. An unusual and comprehensive interdisciplinary study was performed on the investigated system with a transversal approach capable of breaking down the barriers between different disciplines. Initially, a solution similar to the ones proposed in the previous studies was examined to validate the behaviour of the structural system by means of a combined experimental and numerical approach. This stage of the research allowed to gain an extensive knowledge of the system in order to develop an optimized and novel solution able to address all the requirements of the different life-cycle phases of the structure, i.e. the production, the assembly, the use, the disassembly and the reuse phases. The feasibility of the novel coupling system was proved by means of experimental push-out tests that showed the significant improvement of the structural performance in terms of both strength and ductility (ultimate limit state), as well as stiffness at early stage of loading (serviceability limit state), compared with the conventional welded studs. At this stage, a design worked example of a multi-storey building was performed, comparing the proposed novel solution to the most diffused ones. The quantities of the building materials were used as input data in the environmental and economic assessments. The environmental benefits of the reuse compared to the conventional recycling scenario were quantified through a Life Cycle Assessment, considering all the life cycle phases of the building and including the peculiar end-of-life scenarios. Finally, a global cost analysis was developed in order to evaluate the economic viability of the proposed novel system. Based on the obtained outcomes, this interdisciplinary study demonstrated that the proposed novel coupling system ensures an optimal structural performance, facilitates the manufacturing and the assembly/disassembly of all the structural elements, significantly reduces the environmental impacts of the construction through the reuse of the elements and finally also provides a business opportunity that can be profitably addressed within the growing circular economy.

Le attuali politiche europee e mondiali stanno promuovendo una transizione verso un'economia circolare con l'obiettivo di rispondere alle urgenti richieste ambientali. Uno dei settori principali dell'economia con il maggiore potenziale di business nell'ambito dell'economia circolare è il settore edilizio a causa del suo enorme impatto sul consumo di risorse, sulla produzione di rifiuti e sulle emissioni ambientali. In questo scenario, una costruzione più sostenibile può essere realizzata con sistemi strutturali smontabili che consentono il riuso degli elementi strutturali. Questo lavoro si concentra su strutture composte acciaio-calcestruzzo che rappresentano la soluzione strutturale più efficiente sia per gli edifici che per i ponti, in quanto l'azione composta combina e ottimizza le proprietà strutturali dei due materiali da costruzione più utilizzati e di maggior impatto ambientale, ovvero l’acciaio e il calcestruzzo. Questi sistemi sono attualmente progettati, prodotti ed installati con un sistema di connessione a taglio che rende quasi impossibile lo smontaggio degli elementi strutturali. Differenti sistemi di connessione a taglio smontabili sono stati proposti in precedenti progetti di ricerca, mostrando l’elevato potenziale offerto da queste soluzioni rispetto i collegamenti tradizionali a taglio realizzati con pioli saldati. Tuttavia, nessuno di questi sistemi è stato introdotto nelle pratiche costruttive attuali e regolamentato da normative vigenti di progettazione a causa di una serie di difetti. Questa tesi si concentra sulle travi composte acciaio-calcestruzzo smontabili realizzate in lastre di calcestruzzo prefabbricato e travi in acciaio collegate da bulloni ad alta resistenza. Infatti, questa soluzione tecnica, che è stata esaminata in un numero limitato di progetti di ricerca precedenti, offre il massimo potenziale di riutilizzo grazie alla possibilità di smontare integralmente tutti gli elementi strutturali. Uno studio interdisciplinare inusuale e completo è stato svolto su tale sistema strutturale con un approccio trasversale in grado di abbattere le barriere tra le differenti discipline. Inizialmente, è stata esaminata una soluzione simile a quella proposta nei precedenti studi di ricerca per convalidare il comportamento del sistema strutturale mediante un approccio combinato sperimentale e numerico. Questa fase della ricerca ha permesso di acquisire una vasta conoscenza del sistema al fine di sviluppare una soluzione ottimizzata e innovativa in grado di soddisfare tutte le esigenze delle diverse fasi del ciclo di vita della struttura, ovvero la produzione, l'assemblaggio, l'uso, lo smontaggio e infine il riuso. La fattibilità del sistema di accoppiamento proposto è stata dimostrata mediante prove sperimentali di push-out che hanno mostrato il significativo miglioramento delle prestazioni strutturali sia in termini di resistenza e duttilità (stato limite ultimo), che di rigidità nella fase iniziale di carico (stato limite di esercizio), rispetto i pioli saldati convenzionali. A questo punto, è stato progettato un caso studio consistente in un edificio a più piani, in modo da confrontare l’innovativa soluzione strutturale con quelle più diffuse nelle pratiche costruttive attuali. Una volta definite le quantità necessarie dei materiali da costruzione, queste sono state utilizzate come dati di input nelle valutazioni ambientali ed economiche. I benefici ambientali del riuso rispetto allo scenario usuale di riciclaggio sono stati quantificati attraverso una valutazione di impatto ambientale dell’intero ciclo di vita dei materiali, includendo i differenti scenari di fine vita. Infine, è stata sviluppata un'analisi dei costi al fine di valutare la fattibilità economica del sistema proposto. Sulla base dei risultati ottenuti, questa ricerca interdisciplinare ha dimostrato che l’innovativo sistema di accoppiamento acciaio-calcestruzzo è in grado di garantire prestazioni strutturali ottimali, facilitare la produzione e l'assemblaggio/disassemblaggio di tutti gli elementi strutturali, abbattere significativamente gli impatti ambientali legati al ciclo di vita dei materiali da costruzione e infine fornire anche un'opportunità di business da poter sfruttare con margini di profitto all'interno della crescente economia circolare.