L'impatto ambientale degli edifici in struttura metallica

Valutazione del ciclo di vita degli edifici in acciaio

Fenomeno: crescente domanda globale di acciaio nel settore delle costruzioni

L'uso dell'acciaio nell'edilizia a livello mondiale è aumentato di quasi il 40% negli ultimi dieci anni, principalmente perché le città stanno crescendo e ovunque sono necessarie nuove strade, ponti e edifici. Qual è la ragione di questo boom? L'acciaio semplicemente funziona meglio della maggior parte delle alternative in termini di rapporto resistenza-peso; inoltre, i componenti possono essere prodotti fuori sede e assemblati rapidamente in loco, offrendo agli architetti una maggiore libertà creativa. Circa due terzi di questa domanda crescente proviene dai paesi in via di sviluppo, dove imprese e fabbriche stanno costruendo strutture con telai in acciaio anziché con materiali tradizionali. Tuttavia, esiste anche un aspetto negativo. Con l'aumento della produzione di acciaio, le organizzazioni ambientaliste stanno intensificando le critiche riguardo all'inquinamento di fiumi e foreste causato dalle attività estrattive, nonché alle tonnellate di gas serra emesse quotidianamente dagli impianti siderurgici. Ciò significa che le aziende devono riflettere più attentamente sul riciclo delle vecchie strutture e sulla ricerca di metodi di produzione dell'acciaio più ecologici, se desiderano continuare ad espandere i propri mercati in modo responsabile.

Principio: Come la LCA quantifica i carichi ambientali lungo le varie fasi

La valutazione del ciclo di vita, o LCA (Life Cycle Assessment) per brevità, analizza in che modo gli edifici influenzano l'ambiente durante l'intero arco della loro esistenza, a partire dall'estrazione delle materie prime fino alla fase finale di smaltimento. Applicata specificamente alle strutture in acciaio, questa metodologia tiene conto, ad esempio, dell'energia richiesta nelle operazioni di estrazione e lavorazione, nonché delle emissioni di carbonio generate dai sistemi di riscaldamento e raffreddamento nel corso del tempo. Considera inoltre la possibilità di riciclare tali strutture al termine della loro vita utile. Esistono metodi standardizzati, come la norma ISO 14040, che aiutano a classificare gli effetti ambientali lungo le diverse fasi. Questi quadri metodologici coprono generalmente circa 18 categorie di impatto, tra cui le emissioni di gas serra, il consumo idrico e gli effetti potenzialmente tossici, distribuiti nelle quattro fasi principali del ciclo di vita di un prodotto.

Questo approccio olistico rivela che il 73% dell’impronta carbonica di un tipico edificio con struttura in acciaio proviene dalle fasi di produzione, sottolineando l’importanza della decarbonizzazione della produzione e dell’ottimizzazione dei flussi di materiali.

Caso di studio: Analisi comparativa del ciclo di vita (LCA) di un edificio per uffici di 5 piani in acciaio rispetto a uno in calcestruzzo (IEA 2022)

Un’analisi dell’Agenzia Internazionale per l’Energia (2022) ha confrontato le prestazioni nel ciclo di vita di 50 anni di un edificio per uffici con struttura in acciaio con quelle di un’alternativa funzionalmente equivalente in calcestruzzo. Lo studio ha rilevato:

• La costruzione in acciaio ha richiesto il 23% in meno di energia durante la fase di montaggio, grazie alla prefabbricazione fuori cantiere
• Le emissioni operative sono state del 17% inferiori, principalmente a causa del ridotto carico sui sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria (HVAC), reso possibile da una massa strutturale più leggera e da un’integrazione migliore dell’involucro edilizio
• Nella fase finale, il riciclo ha permesso il recupero del 94% dell’acciaio, contro soltanto il 34% del calcestruzzo riutilizzato
• Il potenziale di riscaldamento globale complessivo è stato del 28% inferiore per l’edificio con struttura in acciaio

Va notato che i requisiti più leggeri per le fondazioni in acciaio hanno ridotto i volumi di materiale del 41%, mentre la progettazione modulare ha consentito future riconfigurazioni della pianta senza demolizioni strutturali, dimostrando come le pratiche dell’economia circolare potenzino i vantaggi di sostenibilità a ciclo completo dell’acciaio.

Carbonio incorporato negli edifici con struttura in acciaio

Contributo della produzione di acciaio alle emissioni globali di CO₂

Secondo i dati dell'Associazione Mondiale dell'Acciaio del 2023, il settore siderurgico è responsabile di circa il 7–9 percento di tutte le emissioni globali di CO₂. La maggior parte di queste emissioni proviene da processi che richiedono ingenti quantità di energia per ridurre il minerale di ferro e produrre coke, processo fortemente dipendente dal carbone. Analizzando le strutture in acciaio negli edifici, l’impronta carbonica si accumula in diverse fasi, tra cui l’estrazione delle materie prime, il trasporto su lunghe distanze e la fabbricazione dei componenti. Ciò contribuisce a circa l’11 percento di tutte le emissioni legate agli ambienti edilizi a livello globale. Anche se gli edifici diventano sempre più efficienti energeticamente durante il loro funzionamento, ciò che conta maggiormente oggi sono le emissioni iniziali derivanti direttamente dalla produzione. È quindi fondamentale innovare il modo in cui produciamo l’acciaio: non si tratta di una semplice opzione auspicabile, ma di una necessità assoluta per raggiungere i nostri obiettivi climatici nei prossimi decenni.

Altoforno vs. Forno ad arco elettrico: intensità di carbonio e percorsi di decarbonizzazione

Il tradizionale metodo per la produzione dell'acciaio basato sul altoforno e sul convertitore a ossigeno produce circa cinque volte più CO2 rispetto ai processi di riciclo mediante forno ad arco elettrico. I forni ad arco elettrico operano principalmente con rottami metallici riciclati, che presentano naturalmente un'impronta di carbonio molto inferiore. Tuttavia, se questi forni siano effettivamente sostenibili dipende in larga misura da quanto le nostre reti elettriche diventeranno pulite e dalla possibilità di reperire quantità sufficienti di materiale di scarto. Nuovi approcci, come l'integrazione dell'idrogeno nella produzione di ferro direttamente ridotto, potrebbero ridurre le emissioni degli altiforni fino al 95 percento, purché vengano utilizzate fonti di idrogeno verde. Passare una quota maggiore della capacità mondiale di produzione dell'acciaio alla tecnologia EAF è una scelta sensata per raggiungere gli obiettivi ambientali. Attualmente solo circa il 28 percento dell'acciaio prodotto a livello globale proviene da processi EAF, quindi, secondo le recenti proiezioni dell'Agenzia Internazionale per l'Energia per raggiungere le emissioni nette zero entro il 2023, vi è ampio spazio per miglioramenti.

Gestione della fine del ciclo di vita e potenziale circolare degli edifici con struttura in acciaio

Alti tassi di riciclo rispetto a barriere sistemiche alla vera circolarità

Il tasso globale di riciclo delle strutture in acciaio è in realtà piuttosto impressionante, pari a circa il 90%, soprattutto perché l'acciaio può essere separato magneticamente e disponiamo di sistemi ben consolidati per la gestione dei rottami. Tuttavia, raggiungere uno stato di economia circolare completa sembra ancora irraggiungibile. Il problema sorge quando le verniciature vengono mescolate a diversi tipi di leghe e, inoltre, vengono inclusi anche vari materiali non metallici. Questo compromette la qualità del materiale di scarto e ne rende più difficile il riutilizzo a livelli di valore più elevato. Attualmente, la maggior parte delle normative premia sostanzialmente la demolizione piuttosto che lo smontaggio accurato degli elementi. E, a essere sinceri, nessuno vuole pagare un sovrapprezzo per far eseguire ai lavoratori questo laborioso lavoro di smontaggio. Inoltre, non esistono standard coerenti a livello internazionale su quali componenti riusati possano essere considerati accettabili. Tutti questi fattori concorrono a creare mercati in cui la maggior parte dell'acciaio riciclato finisce per essere declassata, anziché essere nuovamente impiegata in applicazioni strutturali adeguate, nonostante una quantità significativa di materiale venga comunque recuperata complessivamente.

Miglioramento del recupero delle leghe e della qualità dei rottami per il riutilizzo dell'acciaio a basse emissioni di carbonio

I nuovi sviluppi nel recupero dei materiali svolgono un ruolo fondamentale nel migliorare l'efficienza del riciclo. I sistemi di separazione dei materiali basati su sensori, inclusa la spettroscopia di rottura indotta da laser (nota anche con l'acronimo inglese LIBS), consentono di identificare con precisione le leghe. Ciò evita la perdita di metalli importanti, come il cromo e il nichel, durante le fasi di lavorazione. Quando tali sistemi vengono combinati con approcci che privilegiano lo smontaggio preliminare dei componenti e con registri digitali che tracciano i materiali lungo l'intero ciclo di vita, si ottiene un maggiore controllo sulla composizione effettiva dei rottami e sulla loro provenienza. Rottami più puliti riducono il carico di lavoro dei forni elettrici ad arco. Studi indicano una riduzione del 30–40% del consumo energetico necessario per fondere rottami puri rispetto a quelli misti. Questo risultato è coerente con il fatto che materie prime più pure consentono di produrre acciaio strutturale con minori emissioni di carbonio, mantenendo comunque tutti i requisiti di resistenza richiesti dalle costruzioni.

Progettazione per la demolizione negli edifici con struttura in acciaio

Colmare il divario: riutilizzabilità strutturale rispetto all’adozione reale della progettazione per la demolizione (DfD)

La resistenza dell’acciaio lo rende ideale per strutture che possono essere riutilizzate in un secondo momento, ma, onestamente, nella pratica la maggior parte degli operatori non applica effettivamente le metodologie di progettazione per la demolizione (DfD). Al momento, i fattori economici pesano più degli obiettivi di sostenibilità, quindi demolire rapidamente rimane ancora la scelta più conveniente dal punto di vista economico rispetto al dedicare tempo e risorse a smontare con cura gli edifici. Inoltre, le normative non prevedono obiettivi specifici di recupero dei materiali. L’intera catena di approvvigionamento è disorganizzata quando si tratta di pianificare correttamente progetti di demolizione. Nessuno sa, infine, quali saranno gli standard futuri, rendendo l’investimento in componenti potenzialmente riutilizzabili almeno rischioso. A causa dell’assenza di regole standardizzate, enormi quantità di robusti profilati d’acciaio finiscono come rottame a basso costo anziché essere riutilizzati come materiali da costruzione di alta qualità.

Abilitatori: Collegamenti bullonati, Passaporti digitali dei materiali e Librerie standardizzate di componenti

Tre innovazioni interdipendenti stanno accelerando l’implementazione del Design per lo Smontaggio (DfD):

• Elementi di Fissaggio Meccanici : I collegamenti bullonati sostituiscono i giunti saldati per consentire lo smontaggio non distruttivo, mantenendo al contempo l’integrità strutturale per tutta la durata di servizio
• Passaporti digitali dei materiali : La documentazione basata su cloud sulla composizione chimica, sulla storia dei carichi e sulla protezione contro la corrosione consente un abbinamento preciso degli elementi recuperati ai requisiti specifici di nuovi progetti
• Librerie standardizzate di componenti : Lunghezze modulari di travi e dettagli di collegamento semplificano il rimontaggio, riducendo al minimo il ritaglio o la rifusione delle sezioni recuperate

L’analisi del settore mostra che i progetti che applicano tutte e tre le strategie raggiungono tassi di riutilizzo superiori all’85%, rispetto al solo 35% negli scenari convenzionali di demolizione — dimostrando che un design intenzionale può trasformare la gestione della fine vita da smaltimento di rifiuti a recupero di valore.

Domande Frequenti

Qual è la principale causa dell’aumento della domanda di acciaio nel settore edile?

Il motivo principale dell’aumento della domanda di acciaio nel settore delle costruzioni è il suo eccellente rapporto resistenza-peso e la facilità di produzione dei componenti fuori cantiere e del loro montaggio in cantiere, che offre agli architetti una maggiore libertà creativa.

In che modo la Valutazione del Ciclo di Vita (LCA) contribuisce alla valutazione delle strutture in acciaio?

La LCA contribuisce alla valutazione delle strutture in acciaio quantificando gli impatti ambientali lungo l’intero ciclo di vita di un edificio, dall’estrazione delle materie prime allo smaltimento finale, misurando fattori quali il consumo energetico e le emissioni di carbonio.

Quali sono le principali differenze tra il processo Altoforno e il processo Forno ad Arco Elettrico?

Il processo Altoforno è più intensivo in termini di emissioni di carbonio, producendo circa cinque volte la quantità di CO₂ rispetto al processo Forno ad Arco Elettrico, che utilizza principalmente rottame metallico riciclato e presenta un'impronta di carbonio inferiore.

In che modo la Progettazione per lo Smontaggio (DfD) contribuisce alla sostenibilità?

La progettazione per lo smontaggio (DfD) contribuisce alla sostenibilità consentendo lo smontaggio non distruttivo delle strutture in acciaio, favorendo il riutilizzo e riducendo al minimo i rifiuti nella gestione della fase di fine vita.