Life cycle assessment of timber structures: a cradle-to-grave perspective

Abstract

The increasing concern for the environment has led to a worldwide increase of initiatives that promote the reduction of the environmental impacts of products and services used by Society. In Europe, the construction sector is responsible for approximately 40% of total energy consumption and 36% of carbon dioxide emissions into the atmosphere. It is therefore important that decision-making in this sector takes into account the environmental impacts of products and services. Life Cycle Assessment (LCA) is a methodology regulated by Global and European standards that intends to quantify the environmental impacts of products and services. It has been used in scientific and industrial studies to quantify and compare the environmental impacts of various products and construction solutions. Some of these studies have identified environmental benefits from the use of wood-based products in construction, mainly due to the carbon dioxide captured during the growth phase of the trees. In this context, this study intends to apply the LCA methodology to the Portuguese reality of construction with wood-based products, through the following objectives: i) identification of the LCA procedures that must be followed to perform a LCA study of wood-based structural and durability solutions, ii) identification of the structural and durability design procedures of wood-based structures, iii) definition of the methods for comparison of products and solutions based on structural and durability equivalence units, iv) comparison of the environmental impacts of roundwood of various wood species, countries of origin and forest management, v) comparison of the environmental impacts of various structural products and solutions for a residential floor, vi) comparison of the environmental impacts of various durability solutions for a deck floor, vii) identification of the environmental hotspots during the life cycle of wood-based structural and durability solutions, and viii) analysis of the influence of variations of LCA approaches on environmental impacts of various solutions. In this study, the quantification of environmental impacts of wood-based products through LCA methodology was performed following the procedures recommended by the Global and European standards (mainly ISO 14040, ISO 14044, EN 15804, and EN 16485). The structural and durability design of wood products followed the rules given by the standards EN 1990, EN 1991, EN 1995 and EN 350. The methods developed for the comparison of structural products were based on the methods for determining the strength classes defined by EN 14081-1 (visual and mechanical) and bending strength and modulus of elasticity. The methods for comparison of structural and durability solutions followed the European design standards. The comparison of roundwood analysed the environmental impacts of: Maritime pine (Pinus Pinaster), Cryptomeria (Cryptomeria Japonica), Eucalyptus (Eucalyptus globulus), Scots pine (Pinus Sylvestris), and Norway spruce (Picea Abies); from Portugal, Sweden and Germany; and with different forest management models. Cryptomeria was the wood species that showed the lowest environmental impact on the majority of the environmental categories. Eucalyptus was the wood species that presented the highest environmental impacts. German management models showed higher environmental impacts than Swedish models. As regards the Maritime pine, the forest management model that considers natural regeneration of the trees had the lowest environmental impacts. For a residential floor, the following four products were compared: sawnwood (same species as roundwood) (SW), glued laminated timber (GLT), laminated veneer lumber (LVL) and I-beams with OSB on the core and SW and LVL on the flanges (I-Joists). For the whole life cycle, the solutions that used LVL (LVL and I-Joists (OSB + LVL)) had the highest impacts in most environmental categories. On the other hand, SW of Maritime pine had the lowest environmental impacts. In the solutions for the use of wood in a deck varied the: wood species (same as roundwood), treatment method (surface and pressurised) and products applied. Cryptomeria treated with surface treatment had the lowest impacts in most environmental categories. On the other hand, surface treated Maritime pine had the highest impacts in most environmental categories. The analysis of the environmental impacts during the life cycle identified that, during the forest management phase, the operations with the greatest influence on the majority of environmental categories were fertilisation and thinning carried out with chainsaws. During the sawnwood production phase, the main influence of impacts was due to energy and diesel consumption. For the products used in the deck, the production of preservatives had the highest influence in most impact categories. Finally, the analysis of the influence of LCA procedures on the results identified that the volumetric allocation led to a lower environmental impact of roundwood and sawnwood. The choice of different databases for inventory influences mainly the impacts related to fuel production and consumption.

O aumento das preocupações com o meio ambiente tem levado a um aumento, em todo o Mundo, de iniciativas que promovem a redução dos impactes ambientais dos produtos e serviços utilizados pela Sociedade. Na Europa, o setor da construção é responsável por aproximadamente 40% do consumo total de energia e 36% das emissões de dióxido de carbono para a atmosfera. Desta forma, é importante que as decisões a serem tomadas neste setor tenham também em consideração os impactes ambientais dos produtos e serviços. A Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) é uma metodologia regulada por normas Globais e Europeias, que tem como objetivo a quantificação de impactes ambientais de produtos e serviços. Esta metodologia foi utilizada em outros estudos para quantificar e comparar os impactes ambientais de vários produtos e várias soluções construtivas. Alguns desses estudos identificaram benefícios ambientais em utilizar produtos à base de madeira na construção, principalmente devido ao dióxido de carbono capturado durante a fase de crescimento das árvores. Neste contexto, este estudo aplicou a metodologia de ACV à realidade portuguesa da construção com produtos à base-de-madeira, tendo como objetivos: i) identificar os procedimentos que devem ser seguidos para quantificar os impactes ambientais de produtos e soluções à base de madeira, ii) identificar os procedimentos de dimensionamento estrutural e de dimensionamento para a durabilidade que devem ser seguidos no dimensionamento de estruturas de base-de-madeira, iii) definir métodos de comparação de produtos e soluções tendo por base o seu comportamento estrutural, iv) comparar os impactes ambientais de madeira em toro variando espécies de madeira, país de origem e modelos de gestão florestal, v) comparar os impactes ambientais de diferentes produtos e soluções estruturais para um pavimento residencial, vi) comparar os impactes ambientais de diferentes soluções de durabilidade para um deck exterior, vii) identificar “hotspots” ambientais do ciclo de vida de produtos estruturais à base de madeira, e viii) analisar a influência de diferentes abordagens de ACV nos impactes ambientais das diferentes soluções. Neste estudo, a quantificação de impactes ambientais de produtos à base de madeira através da metodologia de ACV foi feita seguindo os procedimentos recomendados pelas normas Globais e Europeias (ISO 14040, ISO 14044, EN 15804 e EN 16485). O dimensionamento estrutural e de durabilidade de produtos de madeira seguiu as regras dadas pelas normas: EN 1990, EN 1991, EN 1995 e EN 350. Os métodos desenvolvidos para a comparação de produtos estruturais tiveram por base os métodos de determinação das classes de resistência definidos pela EN 14081-1 (visual e mecânico) e as propriedades de resistência à flexão e módulo de elasticidade dos produtos. Os métodos de comparação de soluções estruturais e de durabilidade seguiram as normas de dimensionamento europeias. A comparação da madeira em toro analisou os impactes ambientais de: Pinheiro-bravo (Pinus Pinaster), Criptoméria (Cryptomeria Japonica), Eucalipto (Eucalyptus globulus), Pinho Silvestre (Pinus Sylvestris), e Espruce (Picea Abies); com origem em Portugal, Suécia e Alemanha; e com diferentes modelos de gestão florestal. A Criptoméria foi a espécie que apresentou menor impacte ambiental na maioria das categorias ambientais. O Eucalipto foi a espécie que apresentou os maiores impactes ambientais. Os modelos de gestão da Alemanha apresentaram maior impacte ambiental do que os Suecos. Para o Pinheiro-bravo, o modelo de gestão que considera a regeneração natural das árvores foi o que apresentou menor impacte ambiental. Para o pavimento residencial, foram comparadas soluções de diferentes tipos de produtos: madeira serrada (mesmas espécies do que madeira em toro) (SW), madeira lamelada colada (GLT), madeira microlamelada (LVL) e vigas mistas em forma de I com OSB na alma e SW e LVL nos banzos (I-Joists). Para a totalidade do ciclo de vida, as soluções de produtos com LVL (LVL e I-Joists) tiveram maior impacte ambiental na maioria das categorias. Por outro lado, o SW de Pinheiro-bravo apresentou os menores impactes ambientais. Nas soluções para o uso de madeira num deck exterior, variaram: as espécies de madeira (as mesmas do que na madeira em toro), método de tratamento (superficial e em profundidade) e os produtos aplicados. A Criptoméria tratada com tratamento superficial teve o menor impacte na maioria das categorias de impacte. Por outro lado, Pinheiro-bravo tratado com tratamento superficial teve o maior impacte ambiental na maioria das categorias. A análise dos impactes ambientais durante o ciclo de vida identificou que, durante a fase de gestão florestal, as operações que tiveram maior influência na maioria das categorias ambientais foram a fertilização e o desbaste feito com motosserras. Durante a fase de produção de madeira serrada, a principal influência dos impactes deveu-se ao consumo de energia e gasóleo. Para os produtos usados no deck exterior, o fabrico de produtos preservadores teve a maior influência na maioria das categorias de impacte. Por fim, a análise da influência de procedimentos de ACV nos resultados identificou que uma alocação volúmica levou a um menor impacte ambiental de madeira em toro e de madeira serrada. As principais diferenças da escolha de diferentes bases de dados de inventário estão relacionadas com as modelações de produção e consumo de combustíveis.