Valutazione della sostenibilità delle applicazioni strutturali in materiali cementizi avanzati tramite integrazione di analisi LCA e LCC in un approccio alla progettazione del tipo "Durability Assessment Design"

The evidence of the poor durability of current concrete structures cast in place has shown that today’s prescriptive approaches used for structural calculation fail to ensure an adequate level of safety of such structures over time. In this paper, the prescriptive approach recommended by national and international codes, which provides guidance on mix design and on iron cover, is replaced by a performance design based on durability. This shift in methodology allows to project and define changes in the structural performance over time and subsequently to prepare ordinary maintenance programs to help alleviate any deterioration of the structures. However, structural design alone cannot be the only method of choice but must also be followed by a life cycle analysis (both LCA and LCC) through which the advantages and disadvantages of all possible solutions can be defined globally to establish the betterment and make a rational choice. In fact, the construction industry can no longer afford to neglect the environmental impact of the construction industry but must fully align with the agreements undertaken in recent decades by the European Union about sustainability. The case study involved is a geothermal water collection tank located in Chiusdino. This structure can benefit from a design based on the durability and the use of high-performance building materials, since the retaining walls are exposed to a highly aggressive environment (XA) due to the high concentration of sulfates and chlorides inside the water. Different models, present in literature, have been identified to describe the problems associated with exposure to several types of degradation In this thesis, the first design phase involved the use of the prescriptive approach for ordinary concrete. The effectiveness of this design has been investigated through the study of the effects of degradation, such as sulfate attack, corrosion of the reinforcement due to chlorides and leaching. UHDC is thus introduced as an innovative fiber reinforced concrete with a very high durability that, with its peculiar characteristics, can lead to new design possibilities both in terms of structure and durability. A design based on durability has been adopted, defining the representative parameters of the material of the structure itself and the maintenance interventions according to the decrease in the evolution of the mechanical properties of the materials over time. All the solutions found were evaluated and compared within a life cycle analysis from the point of view of environmental and economic sustainability.

La scarsa durabilità delle strutture esistenti in calcestruzzo armato ha evidenziato come gli approcci odierni utilizzati per la progettazione strutturale non riescano a garantire un adeguato livello di sicurezza delle strutture nel tempo. Nel presente lavoro, l’approccio prescrittivo raccomandato dai codici nazionali ed internazionali, il quale fornisce indicazioni sul mix-design e sul copriferro, viene sostituito da una progettazione prestazionale basata sulla durabilità, che permette di definire le modifiche delle prestazioni strutturali nel tempo e di predisporre, conseguentemente, delle campagne di manutenzione ordinarie. Tuttavia, la sola progettazione strutturale non può essere il solo metodo di scelta, ma deve essere anche accompagnata da un’analisi a ciclo di vita (sia LCA sia LCC) tramite cui è possibile definire globalmente i vantaggi e gli svantaggi di tutte le possibili soluzioni, in modo tale da effettuare una scelta razionale. Infatti, l’industria delle costruzioni non può più permettersi di trascurare l’impatto ambientale delle opere edilizie, anche in relazione agli accordi intrapresi negli ultimi decenni dall’Unione Europea circa la sostenibilità. È stata considerata come caso di studio una vasca di raccolta dell’acqua geotermica situata a Chiusdino. Questa struttura può giovare di una progettazione basta sulla durabilità e sull’utilizzo di materiali da costruzione altamente performanti, dal momento che i muri di contenimento sono esposti ad un ambiente fortemente aggressivo (XA) a causa dell’alta concentrazione di solfati e cloruri all’interno dell’acqua ivi contenuta. In relazione alla tipologia di degrado sono stati individuati dei modelli, presenti in letteratura, che possono descrivere i problemi associati ad una tale esposizione. La prima fase di progettazione ha previsto l’utilizzo dell’approccio prescrittivo per il calcestruzzo ordinario. L’efficacia di questa progettazione è stata valutata attraverso lo studio degli effetti determinati dai fenomeni di degrado, come l’attacco solfatico, la corrosione dell’armatura dovuta ai cloruri e la lisciviazione. Viene, quindi, introdotto l’UHDC, un innovativo calcestruzzo fibrorinforzato ad altissima durabilità che, con le sue caratteristiche peculiari, può portare a nuovi paradigmi di progettazione sia dal punto di vista strutturale sia con riferimento alla durabilità. Relativamente a ciò, è stata adottata una progettazione basata sulla durabilità, definendo i parametri rappresentativi del materiale della struttura e gli interventi manutentivi in funzione della evoluzione nel tempo delle proprietà meccaniche dei materiali. Tutte le soluzioni riscontrate sono state valutate e confrontate all’interno di un’analisi a ciclo di vita dal punto di vista della sostenibilità ambientale ed economica.