LEAN DESIGN O DISSENY AJUSTAT: 10 COSES A FER JA

NATASHA WATSON

EngD, CEng, MICE
Natasha Watson és enginyera d’estructures sènior a Buro Happold. Va completar el seu doctorat a la Universitat de Bristol, la Universitat de Bath i Buro Happold amb una tesi sobre la millora de l’avaluació ambiental d’opcions estructurals durant l’etapa conceptual i de predimensionat. A més de dedicar-se al disseny estructural, assessora sobre carboni embegut i altres impactes dels materials de construcció i dels dissenys estructurals.

Traducció del text original de Natasha Watson publicat l’agost de 2020 a la revista The Structural Engineer, disponible a https://www.istructe.org/IStructE/media/Public/TSE-Archive/2020/Lean-design-10-things-to-do-now.pdf Agraïm a la seva autora i a The Institution of Structural Engineers el permís desinteressat per a la seva traducció i publicació. Traduït de l’anglès per Laureà Miró, coordinador de la comissió de sostenibilitat de l’ACE.

El número de juny de The Structural Engineer del 2020 va introduir sis temes per a abordar la qüestió climàtica. Un d’ells va ser el lean design o disseny ajustat, que representa una crida als consultors s’estructures per a esforçar-se al màxim en aconseguir dissenys que minimitzin la demanda de materials nous allà on sigui possible.

Aquest article dona consells pràctics per a reduir l’impacte dels nostres edificis al medi ambient des de ja mateix, i ho fa ordenant-los d’acord amb la magnitud de la capacitat d’estalvi.

1. No construïu!

Pot semblar contraintuïtiu, però la feina d’un consultor d’estructures és assegurar-se que s’acompleixen els objectius subjacents de crear un determinat espai, i això no implica necessàriament dissenyar i construir una estructura. Vegeu Ibell et all[1] al número de juny de 2020.

2. Actualitzeu els edificis existents quan sigui viable

Hi ha moltes formes d’actualitzar un edifici existent, des d’una actuació d’interiorisme fins a una intervenció estructural significativa. Fins i tot si la superestructura s’enderroca els fonaments poden ser aptes per a la reutilització^[2].

Utilitzant el model de Brand, que considera l’edifici com una sèrie de capes amb diferents vides útils, es pot explorar sistemàticament la intervenció sobre cada una d’aquestes capes (figura 1)^[3][4].

Alternativament, si la reutilització d’un determinat edifici no resultés viable, es pot dissenyar un nou edifici tenint present els principis de circularitat, i prendre per exemple mesures per a que el seu disseny permeti el desmuntatge o faciliti les reparacions.

Figura 1. Capes constructives [Buro Happold]

3. Maximitzeu les ràtios d’utilització

Els resultats de l’enquesta MEICON 2018[5] indiquen que l’èmfasi en la facilitat de construcció, el risc que es percep de cometre errors constructius i la falta de penalitzacions significatives pel fet de sobredimensionar les estructures donen lloc a un impacte negatiu en les ràtios finals d’utilització dels nostres elements estructurals. Moynihan i Allwood^[6] van concloure que les ràtios d’utilització mitjanes eren inferiors al 50% per als edificis d’acer típics.

Buro Happold ha elaborat una guia per als seus enginyers estructurals que se centra a augmentar les utilitzacions mínimes fins a nivells acceptables, nivells que canvien a mesura que s’avança en el projecte (figura 2).

Treballar amb ràtios baixes d’utilització permet als dissenyadors flexibilitat i un marge de maniobra per als canvis d’última hora, així que treballar amb ràtios més altes requereix controls de qualitat adequats, com per exemple:

• Obligacions contractuals per al refinament del disseny.

• Codificació amb colors de les ràtios d’utilització en els models BIM.

• Recomanacions de que els gestors de projectes prevegin un determinat temps/cost en les ofertes o pressupostos d’optimització.

És important comunicar a l’equip del projecte el valor del temps i de les despeses invertides en el desenvolupament i optimització del disseny, i confrontar-ho amb l’estalvi potencial de materials que conduirà a una reducció de costos i de carboni emès.

ràtios no recomanades

ràtios a usar amb flexibilitat

ràtios objectiu

Figura 2. Objectius de les ràtios d’utilització per a cada etapa de disseny [Buro Happold]

4. Qüestioneu els criteris per als estats límit de servei

Si algun dels criteris de servei (com per exemple el de deformació) és el que limita el dimensionat d’un determinat element estructural val la pena mirar de relaxar aquest criteri tot consultant amb el client i amb la resta d’agents que participen en el projecte.

• Façanes. Els límits establerts pel contractista son realistes i estan basats en les condicions reals o son genèrics i es poden revisar? Es pot percebre una relació llum/fletxa de 1/360 a simple vista?
• Particions internes. Es pot incrementar sistemàticament la folgança dels sistemes utilitzats per a absorbir les deformacions dels forjats? Aquesta folgança pot tenir un impacte negatiu en les prestacions acústiques; es pot relaxar el criteri acústic?
• Bigues de gran llum i deformacions de lloses. Es poden preveure contrafletxes? Es poden emprar elements o materials de menys resistència si son els estats límit de servei els que regeixen el dimensionat? Es pot assumir una rigidesa addicional tot considerant que les unions es troben en un punt intermedi entre l’articulació i l’encastament?
• Criteris dinàmics. Els límits han estat fixats adequadament per a l’ús previst? Es podria acceptar sobrepassar-los en algun punt?
• Amples màxims de fissura. L’ample de les fissures només hauria de regir el dimensionat si cal considerar l’estanquitat davant l’aigua.

5. Refineu l’estat de càrregues

Considerar estats de càrrega conservadors pot ser adequat a les primeres etapes de disseny, quan les especificacions estan obertes i encara hi ha moltes incerteses.
Pel que fa a les càrregues permanents i semipermanents, les diferents capes de l’edifici es trobaran definides a mesura que el disseny avanci, així que el seu ajust serà bastant senzill. Pel que fa a les sobrecàrregues (figura 3), tot i que pot ser més difícil ajustar-les, es poden adaptar de diferents formes.

Figura 3. Diversos escenaris de càrregues [Michal Drewniok / Meicon]

Reducció de sobrecàrregues

Recordem que d’acord amb l’Eurocodi 1^[7] les sobrecàrregues es poden reduir si l’àrea carregada és superior als 10 m² mitjançant el coeficient α_A i, si l’estructura és formada per tres pisos o més amb la mateixa categoria d’ús, mitjançant el coeficient α_n¹ :

amb la restricció per a les categories C i D: α_A ≥ 0,6

on:
ψ₀ és el coeficient extret de la taula A.1.1 de l’annex A1 de la norma EN 1990
A₀ = 10,0 m²
A és l’àrea carregada

on:
ψ₀ és el coeficient extret de la taula A.1.1 de l’annex A1 de la norma EN 1990
n és el nombre de pisos (>2) per sobre dels elements estructurals de la mateixa categoria

Sobrecàrregues mínimes adequades

L’Eurocodi 1 estableix categories de sobrecàrregues per a cobrir la major part dels usos dels edificis, i s’hauria de fer servir el mínim valor que resulti adequat (per exemple, es pot ajustar la càrrega de 7,5 kN/m² que se sol prendre per a les àrees d’instal·lacions² tot considerant la càrrega real de les instal·lacions projectades). A més, els factors de combinació s’haurien d’aplicar sempre quan existeixi més d’una sobrecàrrega.

Especificacions clares

Quan es preparin diferents opcions durant l’etapa conceptual, una d’elles hauria de contemplar la mínima sobrecàrrega possible i l’estalvi associat en el cost i les emissions, de forma que es pugui comentar amb el client i aquest entengui la importància de clarificar els usos dels espais.

¹ A Espanya es pot emprar com alternativa (almenys en edificis de titularitat privada) el Codi Tècnic de l’Edificació, que al seu document DB-SE-AE estableix disposicions semblants. Nota del traductor.
² Costum que es manté al Regne Unit derivat de l’antiga normativa britànica BS6399. Nota del traductor.

6. Dissenyeu per a utilitzar ara i reforçar si l’ús canvia

La urgència de la crisi climàtica significa que hem de prioritzar les emissions actuals^[8]. No hauríem de dissenyar edificis amb redundàncies inicials que potser mai es necessitin, sinó que hauríem de projectar d’acord amb l’ús actual de l’edifici i establir una estratègia per a facilitar el seu reforç en el futur.
Buro Happold va realitzar l’estudi del forjat d’un pòrtic simple de formigó amb i sense redundància inicial. En el segon cas calia un 12% menys de material i el seu reforç només hi afegia un 3% addicional (figura 4).

Figura 4. Comparació de la utilització de materials en dos dissenys alternatius.

7. Concentreu-vos en els forjats i en reduir les llums

Diversos estudis indiquen que els forjats representen normalment un 40-50% del carboni embegut en un edifici. Els estudis de sensibilitat estructural^[9] mostren que una forma infal·lible de reduir la quantitat de material en un forjat és reduir les llums de la seva retícula (figura 5)^[10].
Si el temps o els honoraris d’un projecte son ajustats, concentrar els esforços en refinar els forjats de les estructures pot significar un estalvi significatiu en el carboni embegut.

Figura 5. Distribució del carboni embegut a l’estructura.

8. No oblideu la subestructura

Normalment l’estructura sota rasant conforma el 20% del carboni embegut sobre el que el consultor d’estructures té un control directe (figura 5). Tot seguit s’indiquen algunes consideracions específiques en relació a aquests elements:

• Eviteu els soterranis i els forjats sanitaris quan sigui possible.
• Utilitzeu la superestructura i l’emplaçament per minimitzar els fonaments. Per a minimitzar les mides de la fonamentació la superestructura que es proposi ha de funcionar amb el terreny on s’assentarà. Si el terreny és pobre, la superestructura hauria de ser lleugera o hauria d’acceptar majors deformacions.
• Utilitzeu, quan sigui possible, tubs d’acer recuperats de la indústria petroliera i gasística si a la fonamentació s’empren pilons encamisats.
• Especifiqueu un formigó amb baix contingut de ciment amb la mínima resistència possible, especialment si el que regeix el dimensionat és la capacitat del terreny.
• Dissenyeu per a una resistència a 56 dies. Normalment les fonamentacions no estaran subjectes a la totalitat de la càrrega fins més tard, d’acord amb el programa de construcció.
• Ajusteu el criteri d’assentaments. El criteri d’assentaments per a fonamentacions es tria sovint d’acord a uns assentaments màxim i diferencial «típics» en comptes de prendre uns valors específics per a l’estructura en qüestió. Aquest «cafè per a tots» pot donar lloc a un increment significatiu de material a la fonamentació i la subestructura.
• Assegureu un estudi del terreny adient i detallat. Un estudi del terreny adequat permet incrementar la confiança en els supòsits utilitzats per al disseny de la subestructura, tot minimitzant el risc de realitzar un disseny conservador fruit de la incertesa.

9. Eviteu el ciment CEM I

La quantitat de carboni embegut al formigó està determinada fonamentalment per la quantitat de ciment Portland que empra, motiu pel qual les dosificacions amb ciment CEM I haurien d’evitar-se sempre que fos possible. Com a mínim s’hauria de fer servir un 20% de substituts de ciment a la superestructura, la subestructura i al formigó de neteja.
Durant l’etapa de construcció, el subcontractista podria demanar un canvi de dosificació per a emprar ciment CEM I amb l’objectiu d’assolir la resistència especificada del formigó en menys dies, de forma que pugui compensar possibles endarreriments en la planificació de l’obra. Treballant amb aquest contractista, no obstant, es podrien determinar les resistències necessàries per a cada període, i comparant-les amb les corbes de resistència de la dosificació inicial es podria mitigar la necessitar d’emprar ciment CEM I.

10. Continueu aprenent, parlant i compartint

Necessitem treballar junts i compartir el nostre coneixement de forma que puguem aprendre dels nostres errors i puguem avançar més ràpidament per a mitigar el canvi climàtic, aconseguint així, per a tots nosaltres, un futur més sostenible.

Agraïments

Gràcies a Matthew Jackson-Jones, Rachel Monteith, Jonathan Roynon i Maria Smith per ajudar a escriure aquest article. Gràcies també a Will Arnold, Robin Jones i IStructE per publicar aquesta sèrie d’articles i guies per fer front a l’#EmergènciaClimàtica.

Recursos útils

• LETI (www.leti.london/). Diverses guies útils per al disseny baix en carboni.

• RICS BUILDING CARBON DATABASE (https://ww3.rics.org/uk/en/journals/built-environment-journal/built-environment-carbon-database.html). El lloc recomanat per a compartir els càlculs de carboni embegut al Regne Unit.
• ISTRUCTE CLIMATE EMERGENCY HUB (www.istructe.org/climate-emergency). Recursos per ajudar els consultors d’estructures a respondre davant de l’emergència climàtica.

Per a saber-ne més

• Adams K.A. and Hobbs G. (2017) Material resource efficiency in construction: Supporting a circular economy, Watford; BRE Press
• MPA The Concrete Centre (2018) Material efficiency [Online] Disponible a: www.concretecentre.com/Publications-Software/Publications/Material-Efficiency.aspx (Data d’accés: Juny 2020)
• MPA The Concrete Centre (2020) Specifying sustainable concrete [Online] Disponible a: www.concretecentre.com/Publications-Software/Publications/Specifying-Sustainable-Concrete.aspx (Data d’accés: Juny 2020)
• SCI (2019) Structural steel reuse: assessment, testing and design principles [Online] Disponible a: https://steel-sci.com/assets/downloads/steel-reuse-event-8th-october-2019/SCI_P427.pdf (Data d’accés: Juny 2020)

Referències

[1] Ibell T., Norman J. and Broadbent O. (2020) ‘Nothing is better than something’, The Structural Engineer, 98 (6), p. 12

[2] Chapman T., Anderson S. and Windle J. (2007) C653: Reuse of foundations, London: CIRIA

[3] Brand S. (1995) How buildings learn: What happens after they’re built, s.l.: Penguin

[4] Adaptable Futures (s.d.) Toolkit [Online] Disponible a: http://adaptablefutures.com/our-work/toolkit/ (Data d’accés: Juny 2020)

[5] Orr J., Copping A., Drewniok M., Emmitt S. and Ibell T. (2018) Minimising Energy in Construction: Survey of Structural Engineering Practice – Report [Online] Disponible a: https://doi.org/10.17863/CAM.35178 (Data d’accés: Juny 2020)

[6] Moynihan M.C. and Allwood JM. (2014) ‘Utilization of structural steel in buildings’,
Proc. R. Soc. A., 470, 2014170

[7] British Standards Institution (2002–06) BS EN 1991 Eurocode 1: Actions on structures, London: BSI

[8] Carbon Leadership Forum (2017) The Time Value of Carbon [Online] Disponible a: http://carbonleadershipforum.org/projects/the-time-value-of-carbon/ (Data d’accés: Juny 2020)

[9] Roynon J. (2020) Embodied carbon: structural sensitivity study [Online] Disponible a: https://www.istructe.org/resources/case-study/embodied-carbon-structural-sensitivity-study/ (Data d’accés: Juny 2020)

[10] Thornton Thomasetti (2019) Thornton Tomasetti shares results of comprehensive embodied carbon measurement study [Online] Disponible a: https://www.prnewswire.com/news-releases/thornton-tomasetti-shares-results-of-comprehensive-embodied-carbon-measurement-study-300959484.html