on sustainability aspects through the prism of - ETH E

DISS. ETH NO. 23520
ON SUSTAINABILITY ASPECTS
THROUGH THE PRISM OF STONE
AS A MATERIAL FOR CONSTRUCTION
A thesis submitted to
attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Dimitra Ioannidou
Civil Engineer, National Technical University of Athens,
M.S., Stanford University,
born on 23.11.1983
citizen of Greece
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Guillaume Habert, examiner
Prof. Dr. Stefano Zerbi, co-examiner
Prof. Karen Allacker, co-examiner
Prof. Guido Sonnemann, co-examiner
2016
Abstract
Sustainability as a concept was developed in the last thirty years, as a reaction to the
overexploitation of natural resources, the increase of greenhouse gas emissions and the
degradation of the environment due to anthropogenic activities. Its essence lies in the
preservation of the ecosystem and resources in order not to endanger the well-being of future
generations.
The present dissertation attempts to further examine the concept of sustainability through the
prism of stone and stone buildings, by treating all three dimensions: environment, society and
economy. The ultimate goal is to better understand the meaning of this concept and to provide
tools and methodologies that will facilitate policy-makers and construction industry
stakeholders define strategies and take decisions that will be in alignment with sustainable
development. The choice of stone is related to the various sustainability features of the material,
its longevity when used in construction and the values that it integrates. The study of stone at
different levels (the level of the material, the wall and the building) which is followed in the
present dissertation allows to examine multiple issues related to the construction sector.
At the material level, the environmental impact of the extraction of stone is studied based on
site visits of quarries in Switzerland. Extensive use of aggregates in some countries has led to
overexploitation of the local resources and the risk of resource depletion is imminent. For this
reason, it is important to focus on the local availability of construction resources. This thesis
introduces a new indicator for evaluating the regional accessibility of stone intended for
construction aggregates. The indicator reflects the impact of social factors on resource
exploitation and expresses the space competition between built area and quarry based on land
cover data. The indicator is validated for the cases of France and Switzerland, at a regional and
national level. In addition, in order to calculate the criticality of stone in a region, the metal
criticality methodology developed at Yale University is adapted to the case of natural aggregates.
The adapted methodology is tested for the different cantons of Switzerland and the results are
compared to the criticality of steel in the country.
At the wall level, the life cycle assessment of various wall systems with stone (either massive
stone or cladding) shows that the use of a thin cladding in the façade is not necessarily the most
ecological solution and that the type of stone product to be used in a structure largely depends
on the local availability of the material.
At the building level, one of the buildings of the 60-year-old residential stone complex
Résidence-le-Parc, in Paris, is used as a testbed to examine the concept of sustainability. A Life
Cycle Assessment of the building is performed based on historic data from its life cycle, both
its construction and maintenance. Different what-if scenarios for the refurbishment serve to
examine what impact various interventions in the cell of the building can have on the embodied
energy and the energy consumption. It is observed that although the building is a massive stone
structure, the contribution of stone to the life cycle assessment and the thermal performance is
minimal. Furthermore, the study shows that apart from the environmental and economic aspect,
there is some hidden value in the use of stone in multi-ownership residential buildings, related
to the social dimension.
Moreover, the economic aspects of the construction of a project are examined through a new
methodology introduced in this dissertation. This new methodology traces the economic flows
in construction projects till the final recipient and the regional level that benefits from these
flows. The goal is to facilitate economic decision making by evaluating the economic
transformation of the society as a result of the specific project. The methodology categorizes
costs into labor, materials, energy, infrastructure, taxes and overhead and into local and national.
Three case studies of structures made out of stone and reinforced concrete are selected and
analyzed to test the application of this method. The case studies show that the methodology
developed and the representation by a Sankey diagram can provide useful insights both
ABSTRACT
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regarding the spatialized distribution of the cost of a project and the economic flows going to
direct labor vs overhead and taxes.
In conclusion, the examination of the multiple facets of sustainability pertaining to the
construction industry, which was performed during this research, showed that a construction
project has to take into account the interests of the different stakeholders and provide a reply
to the questions where, how, with whom. Optimal results are reaped when these aspects are
considered upfront in a project, in the design phase. Future work to complement the present
dissertation could be directed toward the integration of the three dimensions of sustainability.
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Zusammenfassung
Das Prinzip der Nachhaltigkeit wurde in den letzten dreissig Jahren entwickelt und kann als
Reaktion auf die Übernutzung der natürlichen Ressourcen, die Steigerung der
Treibhausgasemissionen und die Zerstörung der Umwelt durch anthropogene Aktivitäten
verstanden werden. Der Grundsatz liegt in der Erhaltung des Ökosystems und Ressourcen, um
das Wohlergehen künftiger Generationen zu sichern.
Die vorliegende Dissertation versucht das Konzept der Nachhaltigkeit durch den Blickwinkel
von Stein als Baumaterial und Gebäuden aus Stein zu untersuchen, indem sie alle drei
Dimensionen behandelt: Umwelt, Gesellschaft und Wirtschaft. Das ultimative Ziel ist die
Bedeutung dieses Konzept besser zu verstehen und politischen Entscheidungsträgern und
Akteuren der Bauindustrie Tools und Methoden zur Verfügung zu stellen die es erleichtern
Strategien zu definieren und Entscheidungen zu treffen, die eine nachhaltige Entwicklung
ermöglichen. Der bewusste Entscheid den Fokus auf das Baumaterial Stein auszurichten beruht
auf den verschiedenen nachhaltigen Eigenschaften des Materials, wie beispielsweise seine
Langlebigkeit bei der Verwendung in der Konstruktion, sowie die ihm eigenen Werte. Die
Untersuchung von Stein auf verschiedenen Stufen (auf Stufe Material, Wand und Gebäude), die
in der vorliegenden Dissertation erfolgt, ermöglicht es, viele relevante Fragen bezüglich Stein
im Bausektor zu analysieren.
Besichtigungen von Steinbrüchen dienen auf der Stufe Material dazu Umweltauswirkungen
durch die Förderung von Stein in Steinbrüchen in der Schweiz zu studieren. Umfangreiche
Verwendung von Aggregaten hat in einigen Ländern zum Raubbau an den lokalen Ressourcen
geführt und die Gefahr einer unmittelbaren Erschöpfung der Ressourcen herbeigeführt. Aus
diesem Grund ist es wichtig, sich auf die lokale Verfügbarkeit von Ressourcen für den Bausektor
zu konzentrieren. Die vorliegende Arbeit stellt einen neuen Indikator vor, der die regionale
Erreichbarkeit von Stein für Bau-Aggregate bewertet. Der Indikator spiegelt die Auswirkungen
sozialer Faktoren bezüglich Ausbeutung der Ressourcen wider und drückt den räumlichen
Wettbewerb zwischen bebauter Fläche und Steinbrüchen auf Basis von Landnutzungsdaten aus.
Der Indikator wird für die Fälle Frankreich und Schweiz auf regionaler und nationaler Ebene
validiert. Darüber hinaus wird die Methode für die Metall Kritikalität („metal criticality
methodology“), die an der Yale University entwickelt wurde für den Fall der natürlichen
Aggregate angepasst um die Kritikalität von Stein in einer Region zu berechnen. Die angepasste
Methode wird für die verschiedenen Kantone der Schweiz getestet und die Ergebnisse werden
mit der Kritikalität von Stahl im Land verglichen.
Auf der Stufe Wand zeigt die Ökobilanz verschiedener Wandsysteme mit Stein (entweder aus
massivem Stein oder als Verkleidung), dass die Verwendung einer dünnen Verkleidung in der
Fassade nicht unbedingt die ökologischste Lösung ist, und dass die Art der verwendeten Stein
Produkte in einer Struktur von der regionalen Verfügbarkeit des Materials abhängt.
Auf der Stufe Gebäude wird der 60 Jahre alte Wohnkomplex aus Stein „Résidence-le-Parc“ in
Paris als Fallstudie herangezogen um das Konzept der Nachhaltigkeit zu studieren. Eine
Ökobilanz des Gebäudes wird mithilfe von historischen Daten über den Lebenszyklus des
Gebäudes, sowie über dessen Konstruktions- und Wartungsphasen durchgeführt. Verschiedene
“Was-wäre-wenn” Szenarien für die Sanierung des Gebäudes sollen die Auswirkungen
verschiedener Interventionen bezüglich grauer Energie und Energieverbrauch prüfen. Es fällt
auf, dass, obwohl das Gebäude eine massive Steinstruktur besitzt, der Beitrag von Stein an der
Ökobilanz und der thermischen Leistung minimal ist. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass Stein
zusätzlich zum ökologischen und ökonomischen Vorteil, bei der Verwendung in
Eigentumswohngebäuden einen versteckten Wert auf sozialer Dimension aufzeigt.
Ausserdem werden die wirtschaftlichen Aspekte eines Bauprojekts durch eine neue Methode
untersucht, die in dieser Arbeit eingeführt wird. Diese neue Methode verfolgt die
Wirtschaftlichkeitsflüsse in Bauvorhaben bis zum Endempfänger und der regionalen Ebene, die
ZUSAMMENFASSUNG
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von diesen Flüssen profitiert. Das Ziel ist es, die wirtschaftliche Entscheidungsfindung zu
erleichtern, indem die wirtschaftliche Umgestaltung der Gesellschaft als Folge des speziellen
Projekts bewertet wird. Die Methode ordnet Kosten in die Kategorien Arbeit, Materialien,
Energie, Infrastruktur, Steuern und Unkosten und in lokalen und nationalen Kosten ein. Drei
Fallstudien von baulichen Strukturen aus Stein und Stahlbeton werden ausgewählt und
analysiert, um die Anwendung der Methode zu testen. Die Fallstudien zeigen, dass die
entwickelte Methode und die Darstellung mithilfe von Sankey Diagrammen nützliche Einblicke
bieten können in die räumlichte Verteilung der Kosten eines Projekts, sowie in dessen
Wirtschaftlichkeitsflüsse, die mit direkter Arbeit oder mit Steuern und Unkosten verbunden
sind.
Schliesslich zeigt die durchgeführte Analyse von vielfältigen Facetten der Nachhaltigkeit in der
Bauindustrie, dass ein Bauprojekt die Interessen der verschiedenen Akteure berücksichtigen
muss und Antwort auf die Fragen wo, wie und mit wem bieten soll. Optimale Ergebnisse
werden erreicht, wenn diese Aspekte bereits im Vorfeld, in der Planungsphase eines Projekts,
berücksichtigt werden. Weiterführende Forschung um die vorliegende Arbeit zu ergänzen
könnte in Richtung Integration der drei Dimensionen der Nachhaltigkeit ausgerichtet werden.
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