Cálculo del potencial de reciclabilidad de materiales y desmontabilidad de componentes

Resumen del Trabajo Fin de Máster (TFM) en Estudios Avanzados en Arquitectura-Barcelona, línea de Innovación Tecnológica, de la ETSAB-UPC, desarrollado en el curso 2020-2021, bajo la tutoría de Josep M. González y Oriol Paris.

La trama superestructural de diseño en la que nos desenvolvemos consta de dos elementos esenciales: la masa (la Tierra) y la energía (el Sol). Nada entra o sale del sistema planetario salvo el calor y, ocasionalmente, algunos meteoritos. Al margen de esto, para nuestros propósitos prácticos, vamos a considerarlo como un sistema cerrado, cuyos elementos básicos son valiosos y finitos. Todo con lo que contamos es aquello que la naturaleza ha puesto aquí y lo que los seres humanos hagamos, no puede ser expelido “fuera” (McDonough & Braungart, 2005).

Tal como lo citan los autores en su libro ‘Cradle to cradle’, estas líneas hacen alusión a la condición indestructible de cualquier materia dentro de este espacio terrenal. Y precisamente, cuando se expuso el ‘Tratado elemental de Química por Antoine Lavoisier’ en 1784, se insertó una frase muy transcendental que sustenta el primer fragmento expuesto: “la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”.

Expresado de otra manera, toda la materia prima transformada en productos secundarios se utiliza, cumple su tiempo de vida o su “popularidad comercial”, se desecha y se acumula en vertederos, generando más de 11.200 millones de toneladas de residuos sólidos al año, lo que contribuye al 5% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero (2021).

Durante este proceso de fin de vida útil, particularmente de los materiales utilizados en el sector de la construcción, se pueden especificar dos situaciones de culminación circular o según la premisa “de la cuna a la cuna”, sea a través del reciclaje o la reutilización de los componentes de una edificación por medio de una planificación de su desmontaje (Imagen 1), sin optar por procesos más ágiles como la demolición y descomposición de los materiales que, a futuro, tendrán consecuencias ambientales catastróficas.

Hoy en día, estudios e investigaciones que centran su enfoque en temas relacionados a las nuevas formas de diseño y métodos constructivos eficaces, han puesto sus esfuerzos en desarrollar pautas o directrices que orienten a los profesionales sobre el por qué, cómo, cuándo y dónde se deben adoptar diseños con un fin de vida circular y con la posibilidad de reciclar al máximo los materiales que componen los sistemas de fachadas.

Existen resultados de varios análisis, en el que corroboran la existencia de barreras técnicas que dificultan los procesos de recuperación y reutilización de elementos, por lo que el descontrol en la generación de residuos por demolición, sin posibilidad de ser reversibles, crece ampliamente.

En efecto, Los RCD o Residuos por Construcción y Demolición alcanzan altos niveles de impacto ambiental, después de los residuos urbanos dentro de la Unión Europea. Por lo tanto, la relevancia de este tema se basa en orientar el cuidado ambiental desde una primera fase de control, precisamente en el diseño.

Por lo tanto, este estudio se focaliza en brindar una matriz evaluativa que cuantifique el grado o potencial que tienen los componentes de diferentes fachadas en ser reversibles y cuyos materiales sean potencialmente reciclables (Imagen 2).

Como producto final, se presenta un análisis comparativo sobre el índice de circularidad de estos elementos constructivos, mediante la valoración de lineamientos e indicadores durante su desmontaje (Imagen 3) y proceso de reciclabilidad. La utilidad de esta investigación pretende que, durante la elección de los materiales o tipología de diseño para nuestras edificaciones, exista un conocimiento previo sobre cuál o cuáles sistemas tienen un prolongado ciclo de vida después de su uso.

Una fachada se constituye como un elemento de revestimiento, que protege el perímetro inmediato habitable de cualquier construcción. Se concibe como la capa final exterior y la ‘cara’ o apariencia que se mostrará del edificio.

Así como cumple con un factor funcional, también adquiere atributos de visibilidad, soporte de cargas, estanqueidad y aislamiento térmico. En materia técnica, podemos identificar tres áreas principales de construcción de una fachada (Imagen 4), desde el interior hacia el exterior:

1. Estructura primaria o armazón del edificio, cuya doble función consiste en brindar soporte al edificio y a la estructura secundaria de la fachada.
2. Estructura secundaria o marco portante, el cual encapsula o sujeta el material de revestimiento o aislantes.
3. Material de revestimiento o relleno, como capa final.

El darles autonomía a estos tres componentes, de los cuales, tanto el segundo como el tercero pueden duplicarse o formar unidades inteligentes, proporcionan eficacia en los procesos de desmontaje.

El enfoque y estudio de fachadas que se plantea en esta investigación, se basará en un principio rector para evaluar estos prototipos de envolventes, dado que pueden existir diversas perspectivas energéticas, estética, económica, según la cantidad de recursos o materiales. De modo que, a partir de su composición por capas, la viabilidad de su desmontaje y su potencial de reciclaje es como se llevará a cabo este análisis.

Conocer la producción de sistemas de fachadas y su flexibilidad en términos de prefabricación técnica, permite desarrollar este estudio en base a las piezas que lo componen y la generación de fachadas autónomas en proyectos a gran escala. Por lo tanto, si se hace mención del tipo de fachadas (Imagen 5) que se adaptan a cualquier construcción, son cuatro las que lideran este sitial de envolventes:

• Macizas pesadas (Imagen 6)

- Caravista (1): fachadas con hojas principal e interior en ladrillo, bloque de hormigón y panel prefabricado, cuya unión entre capas se realiza mediante materiales húmedos, con aislamiento térmico entre las hojas y con un acabado exterior visto.

- Con acabado exterior continuo y discontinuo (2-3): igual composición que la fachada caravista, a diferencia que su acabado exterior es en pintura, piezas cerámicas y lamas de fibrocemento.

• Macizas ligeras (Imagen 7)

- SATE (4-5): es un sistema que consiste en la aplicación de un revestimiento aislante que se coloca directamente sobre la parte exterior del edificio. Existe una sola hoja principal, con revestimientos exteriores continuos en pintura, y discontinuos en piezas cerámicas y listones de ladrillos.

• Ventiladas (Imagen 8)

Se constituyen por dos o más capas en una misma fachada, en el cual es posible proporcionar confort térmico gracias a la cámara de aire existente entre sus hojas. Entre las cuales, se presentan los siguientes subtipos:

- Ventilada pesada (6): se plantea una segunda piel inmediata a la hoja principal maciza, por donde se articula el flujo de aire. Sus revestimientos exteriores son los paneles sándwich, baldosas cerámicas y placas de aluminio compuesto.

- Ventilada Ligera (7): Esta fachada suprime su hoja principal maciza y la sustituye por un entramado metálico con material aislante entre sus intersticios y placa de yeso como revestimiento interior. Su material de acabado exterior corresponde a placas de cemento, baldosas cerámicas y placas de aluminio compuesto.

- Ventilada accesible (8): Incluye una primera capa de contacto con el ambiente interior, que se adhiere a la estructura primaria del edificio; posteriormente, se agrega una segunda y última capa exterior no móvil, que se suspende aproximadamente 30-60 centímetros de la estructura interna.

• De entramado (Imagen 9)

- Entramado ligero o Wood Frame (9): tradicionalmente aplicada en Estados Unidos, con un entramado interior y exterior en madera. Como revestimiento exterior se utilizan planchas sólidas de madera o fibrocemento.

- Panel hueco de entramado o Post-and-beam-facade (10): Constituidas por una estructura ‘Loadbearing’, la cual evoluciona un siglo después de las fachadas Wood Frame. Predomina el marco entre postes o vigas en piezas prefabricadas metálicas y de hormigón, con paneles traslúcidos en los paneles.

- Muro cortina (11): Se plantea un material de revestimiento y hoja principal translúcido que se suspende desde el piso superior, con la ayuda de tirantes.

Además, se consideró el Catálogo de Elementos Constructivos del CTE, Código Técnico de la Edificación (2009) para poder establecer un total de 27 subsistemas de fachadas analizadas a partir de diversos materiales en sus hojas principales, revestimientos exteriores, sistemas constructivos y tipo de uniones (Imagen 10).

El compendio de procesos colaterales, es decir, el desarrollo de fichas para el cálculo de pesos de fachadas y valoración de indicadores de circularidad, son consecuentes para proporcionar información técnica en la determinación de los diferentes índices. A continuación, se detalla brevemente en qué consisten estos procesos.

• Fichas para el cálculo de pesos de fachadas (Kg/m2) y su contenido de material reciclable obtenido de las especificaciones técnicas de las Declaraciones ambientales del producto o ‘Environmental Product Declaration -EPD’, más conocidas como Ecoetiquetas. Como muestra y ejemplificación de este cálculo, se adjunta la ficha aplicada al subtipo de Fachada ventilada con revestimiento exterior discontinuo, código 6B (Tabla 1).

Tabla 1. Ficha de cálculos de pesos, fachada ventilada con revestimiento exterior discontinuo. Configuración 6B. Fuente: Fuente: Ghyslaine Manzaba, 2021.

(Um: unidad de medida; kg/m3: densidad; kg/Um: peso nominal en kilogramos; cant: cantidad; kg/m2: peso de material por m2 de fachada en kilogramos; kg MRe/m2: peso de material reciclable por m2 de fachada en kilogramos; kg MRo/m2: peso de material reciclado postconsumo utilizado por m2 de fachada en kilogramos; kg MV/m2: peso de material virgen por m2 de fachada en kilogramos).

A efectos de mantener parámetros estandarizados en las configuraciones de las fachadas, todos los revestimientos interiores corresponden a placa de yeso laminado, a excepción de las fachadas con material traslúcido, dado el caso de los sistemas porticados y los muros cortina.

• Fichas de valoración de 24 indicadores de circularidad según sus materiales, componentes, conexiones y viabilidad del proceso, en referencia a los principios del Dr. Philip Crowther (2005) en su guía ‘Design for Disassembly - Themes and Principles’. Cada indicador es evaluado sobre un máximo de 0,9 ya que ningún sistema puede llegar al 100% de circularidad, al existir un mínimo margen de residuos. Para mantener congruencia con los datos proporcionados en el cálculo de pesos de fachadas (kg/m2), se adjunta la siguiente ficha aplicada al mismo subtipo de fachada, código 6B (Tabla 1).

La definición del rango de valoraciones dadas a cada indicador de circularidad, se encuentran especificadas en el Trabajo Fin de Máster al que hace referencia este resumen ejecutivo, disponible en el portal UPCommons.

Los procesos colaterales explicados en el apartado anterior permiten desarrollar el cálculo de tres índices en las 27 configuraciones de subsistemas de fachadas pertenecientes a cuatro grupos, índices que se exponen en breve:

• Índice de reciclabilidad: Valor numérico que expresa el nivel de transformación de un material usado a un proceso para que se pueda volver a utilizar. Para calcular el índice de reciclabilidad de materiales, se aplica la siguiente fórmula, en la que se considera únicamente la evaluación de los indicadores de circularidad de la categoría Materiales:

• Índice de desmontabilidad: Valor numérico que expresa el nivel de separación de las piezas o componentes de una edificación o parte de él. Así mismo, a partir de los fundamentos dados por Andreea Cutieru (2020) en su artículo ‘Una guía para proyectos de arquitectura desmontables’, el concepto ‘Design for Disassembly’ DfD o diseño para el desmontaje se denomina como:

“Un enfoque de diseño destinado a facilitar las futuras alteraciones y el desmontaje de las estructuras construidas -ya sea parcial o total- previendo la reutilización de sus sistemas, componentes y materiales, asegurando así que el edificio pueda ser reciclado eficientemente hasta el final de su vida útil”.

Para calcular el índice de desmontabilidad de sistemas de fachadas, se consideran tres de las cuatro categorías de los indicadores de circularidad, es decir, componentes, conexiones y viabilidad del desmontaje. De esta forma, se aplican las siguientes fórmulas:

• Índice de circularidad: Valor numérico que expresa el nivel de circularidad de un sistema o edificio, que pretende alcanzar un sistema de producción regenerativo en el que los materiales que componen un producto sean ciclables o reutilizados indefinidamente y de forma segura por las personas y el medioambiente. Para calcular el índice de circularidad de sistemas de fachadas, se aplica la siguiente formulación:

Es necesario mencionar que el proceso es reiterativo en todas las configuraciones de fachadas conformadas, para poder establecer un análisis comparativo al término de este estudio. Como muestra del estudio realizado, se aplicarán las fórmulas de cada índice al sistema de Fachada ventilada con revestimiento exterior discontinuo, configuración 6B, expuestas en la Tabla 3.

• Reciclabilidad

El análisis comparativo inicia con la demostración de los 27 índices de reciclabilidad de las fachadas en estudio. Los resultados de la Gráfica 1 detallan el análisis. La utilización de ecoetiquetas o declaraciones ambientales del producto EPD, resulta ser fundamental para realizar el cálculo de índices, ya que son los únicos documentos técnicos que acreditan, con exactitud, el peso de los materiales, su contenido de reciclado, su porcentaje de reciclabilidad y la cantidad de residuos generados. En caso de no registrar el contenido con potencial reciclable, su valoración final se verá afectada ante la carencia de sustento técnico, por ello, es vital diferenciar aquellas ecoetiquetas que declaran este módulo y tener una mayor proximidad a la realidad constructiva de nuestro medio.

Por lo tanto, se puede concluir en que la reciclabilidad de productos es más viable en sistemas industrializados o prefabricados, de manera que la formación de capas constructivas se simplifica por la utilización de uniones mecánicas ‘secas’, reversibles o de inserción entre sus elementos y que, mantiene la integridad de sus superficies para evitar la contaminación entre materiales, generalmente expuesta cuando todos los procesos constructivos se desarrollan in situ.

Los revestimientos exteriores húmedos, lisos e indivisibles, refiriéndose a los empastes de yeso, cemento y pinturas, pueden reducir los índices de reciclabilidad hasta en un 33,00% respecto a otros tipos de acabados caravista.

A razón del 73% hasta el 95% de contenido reciclable en materiales, así como la valoración de los siete indicadores de reciclabilidad en la categoría Materiales, las fachadas de panel hueco de entramado y muro cortina, son los sistemas que presentan los índices de reciclabilidad más altos de los 27 demostradores evaluados, traducidos en coeficientes dentro del rango de 0,56 -0,75.

• Desmontabilidad

Desde un punto de vista generalizado, los sistemas de fachadas con un mayor porcentaje de piezas prefabricadas, con acabados exteriores discontinuos y con uniones reversibles, presentan los mejores índices de desmontabilidad en el mercado. A partir de aquella premisa y los cálculos desarrollados, la Gráfica 2 evidencia los resultados del índice de desmontabilidad.

Los sistemas de fachadas macizas pesadas y ligeras de hojas principales en ladrillo y bloque de hormigón, con revestimientos exteriores continuos y discontinuos, con pesos promedios entre 207,05 y 426,28 kg/m2 de superficie, se caracterizan por ser sistemas de manipulación y desmontaje manual tardío, con un promedio del 31,00 al 50,00% de uso de piezas prefabricadas, con procesos químicos de sujeción parcialmente irreversibles y que deterioran en gran medida el material utilizado. Por lo tanto, presentan los coeficientes de desmontabilidad más bajos de todos los sistemas de fachada, dentro del rango de 0,37 y 0,50.

Respecto a los sistemas de fachadas macizas con hojas principales en paneles prefabricados, su potencial varía dependiendo de su apariencia exterior; en tanto que, si se muestran sistemas industrializados con acabado caravista, su alto índice de desmontabilidad se expresa en un coeficiente de 0,71, que decrece en un 31% cuando sus pieles exteriores son pinturas, piezas cerámicas o baldosas.

Entre menor cuantía de materiales, componentes, conexiones y ligereza de un sistema, mayor viabilidad de desmontaje podrá obtenerse; por lo tanto, las fachadas ligeras y muros cortina resultan ser los casos de estudio con mejores índices de desmontabilidad de 0,76 y 0,85 respectivamente, puesto que se trata de un proceso reversible de instalación de piezas estandarizadas.

• Circularidad

Para culminar con el estudio y análisis del tema propuesto, se exponen los índices de circularidad de los diferentes sistemas de fachada en la Gráfica 3.

Más allá de plantear valoraciones de circularidad obtenidas para cada configuración de envolvente resulta más beneficioso establecer qué criterios o indicadores influyen sustancialmente su variación. Referente a las categorías evaluadas, el porcentaje de incidencia de la categoría Materiales es del 29%, en contraposición a un 71% de incidencia de las otras tres categorías que intervienen en el índice de circularidad, por este motivo, los índices de circularidad serán siempre menores a los índices de desmontabilidad.

Durante los tres primeros tipos de fábricas, la trayectoria de crecimiento se vuelve constante; es decir, para las configuraciones de materiales en fachadas macizas pesadas, de hojas principales en ladrillo y bloque de hormigón, los coeficientes se encuentran dentro de un rango cuantitativo de 0,35-0,37 que, al valorar los mismos sistemas de fachadas con hojas principales en paneles prefabricados, los índices aumentan y alcanzan valores de 0,49-0,71.

La industrialización de fachadas y su característica reversible en uniones y desmontaje permiten mostrar los índices de circularidad más alejados al eje cero de la gráfica y que presentan una viabilidad constructiva adaptada a los principios del fin de vida útil de los materiales, con una mínima generación de residuos irrecuperables y con un buen desempeño durante el proceso de desmontabilidad, como el caso del Panel hueco de entramado y Muro cortina. Este último alcanza un índice de 0,82 por lo que se considera a este demostrador de estudio como el sistema con mejores resultados en el fin de vida circular de sus componentes.

En la metodología aplicada no solamente se analiza sus capas y conexiones, sino que todo el contexto en el que se desarrolla la deconstrucción circular.

Se recomienda para los futuros temas de investigación, lo siguiente:

• Aplicar la metodología de cálculo en otros elementos constructivos como forjados, cubiertas, cimentaciones, tabiquerías interiores, aberturas y escaleras, para conocer los índices de circularidad en edificaciones completas.
• Desarrollar un manual técnico con medidas e indicaciones sobre cómo llevar a cabo el proceso de desmontabilidad en elementos constructivos de una edificación, a fin de conocer un proceso metódico para separar las capas que lo componen.
• Generar un listado completo de materiales, en función de su cuantía en kilogramos de masa reciclable y, en paralelo, mostrar su viabilidad económica respecto a los costos de producción, transporte, tiempo de vida y alternativas de productos secundarios que podrían obtenerse de su infraciclado.
• Analizar, de forma comparativa, los costos de demolición y desmontabilidad de diversas tipologías de sistemas constructivos, para definir cuál o cuáles procesos tienen mayor rentabilidad según su impacto ambiental.
• Diseñar prototipos industrializados de viviendas con modelado BIM, para registrar su proceso de instalación y futuro desmantelamiento, cuantificando pesos de materiales y cantidad de residuos generados al finalizar su vida útil.

Bibliografía

• Código Técnico de la Edificación. (2009). Catálogo de Elementos Constructivos del CTE.
• Cottafava, D., & Ritzen, M. (2021). Circularity indicator for residential buildings: Addressing the gap between embodied impacts and design aspects, Resources, Conservation and Recycling, Elsevier, 164, 17.
• Crowther, P. (2005). Design for Disassembly - Themes and Principles. RAIA/BDP Environment Design Guide, 9.
• Dent, A. (2017). Recycled, reclaimed, waste, and Rapidly Renewable Materials. En e. b. Columbia University GSAPP, Embodied Energy and Design. Making Architecture between Metrics and Narratives, 178-195. Lars Müller Publishers, NY.
• The International EPD System (2022). Publication of ISO 14025 and EN 15804 compliant EPDs. Enlace: https://www.environdec.com/home.
• Manzaba, G. (2021). TFM: Estudio comparativo del Índice de Circularidad en sistemas de fachadas: cálculo del potencial de reciclabilidad de materiales y desmontabilidad de componentes. Disponible en: http://hdl.handle.net/2117/356894.
• McDonough, W., & Braungart, M. (2005). Cradle to Cradle. Madrid: Mc Graw Hill.

Más información en: https://upcommons.upc.edu/handle/2117/356894