Investigating the Reuse of Cast-inPlace Reinforced Concrete in Load Bearing Structures in Norway

Abstract

Betong er verdens nest mest brukte materiale etter vann, med et årlig forbruk på 30 milliarder tonn og en stadig økende etterspørsel. På grunn store utslipp under produksjonen av materialet har dette forbruket ført til at betong er en av de største utslippskildene av klimagasser i byggebransjen. For å begrense de pågående klimaendringene er det derfor nødvendig å redusere utslippene fra betong. Hvert år rives mer enn 22 000 bygninger i Norge, noe som fører til store mengder avfall. I 2021 kom 8 % av avfallet som ble produsert i Norge fra betong, murstein og andre tunge byggematerialer. Noe av dette avfallet gjenvinnes, først og fremst til knust betong, men en stor del deponeres. I henhold til avfallshierarkiet som er fastsatt av EU og Klima- og miljødepartementet, er resirkulering rangert på tredjeplass over foretrukne metoder for avfallshåndtering. Selv om reduksjon er den høyest rangerte metoden, vil det sannsynligvis alltid oppstå noe avfall. Da vil gjenbruk være den foretrukne metoden for håndtering dette. Ombruk av plasstøpt (CIP) armert betong (RC) kan oppleves som utfordrende på grunn av konstruksjonens art, som er sammenkoblede, skreddersydde strukturer. Nyere forskning og pilotprosjekter viser imidlertid at det kan være en levedyktig praksis. Forskningen har også vist at gjenbruk kan gi en betydelig reduksjon i konstruksjonens GWP. Å designe med gjenbrukte komponenter har blitt beskrevet som en utfordring. For å oppnå en effektiv designprosess bør komponentene identifiseres på et tidlig stadium i designprosessen, slik at man unngår flere revisjoner av designet. Tidlig anskaffelse av komponentene fører imidlertid til behov for lagring. Dette kan føre til ekstra kostnader i prosjektet. Det er nå i ferd med å etableres markedsplasser for brukte byggematerialer, og disse kan ha potensial til å løse utfordringen med tidsaspektet mellom anskaffelse og bruk av gjenbrukte komponenter, slik at behovet for lagring elimineres. Dokumentasjon av de gjenvunnede komponentene nevnes også av flere forskere som en av hovedutfordringene for gjenbruk av CIP RC. For at et produkt skal kunne selges i Norge, må det være godkjent i henhold til fastsatte krav og standarder. En brukt CIP RCkomponent kan ha tidligere dokumentasjon som kan brukes som grunnlag for å dokumentere kvaliteten, men siden egenskapene sannsynligvis er endret under uttaket fra en donorbygning, er det nødvendig med tester for å dokumentere kvaliteten på nytt. Slike tester ble beskrevet i standarden for hulldekker av betong til ombruk som ble publisert i 2022. Hullbetongelementer er imidlertid prefabrikkerte og dermed av en mer forutsigbar karakter enn CIP RC. I denne oppgaven ble det gjennomført en spørreundersøkelse for å finne ut hvilke ekstra utfordringer et prosjekt som implementerer ombruk av CIP RC i bærende konstruksjoner i Norge sannsynligvis vil møte, sammenlignet med et prosjekt som kun bruker nye materialer. Videre ble det gjennomført en LCA for å undersøke hvordan GWP kan påvirkes ved å velge ombruk fremfor ny CIP RC i bærende konstruksjoner. Det ble også undersøkt hvilke konsekvenser det kan ha å velge ombruk fremfor ny CIP RC i bærende konstruksjoner. Det viste seg at den norske byggebransjen er motivert for ombruk, men at det finnes flere barrierer. Dokumentasjon av komponenter og logistikk trekkes frem som de viktigste. Dokumentasjonsbarrieren kan overvinnes ved å etablere standardiserte løsninger for testing, mens logistikken kan forbedres gjennom etablering og bruk av markedsplasser. Gjenbruk av CIP RC-søyler ble estimert til å representere en betydelig reduksjon i GWP for en bærende konstruksjon sammenlignet med bruk av ny betong, med remontering som det største bidraget til den totale GWP. Det bør imidlertid tas hensyn til gjenbrukets potensielle innvirkning på bygningens levetid og tilgangen på knust betong.

Concrete is the second most consumed material in the world after water, with 30 billion tonnes being used annually and a steadily increasing demand. Due to the large emissions from its production, this consumption has led to concrete being one of the main emitters of greenhouse gasses in the building industry. Therefore, in order to limit the on-going climate changes, a reduction in the emissions from concrete is necessary. More than 22 000 buildings are demolished every year in Norway, leading to large amounts of waste. In 2021, 8% of the waste that was produced in Norway was from concrete, bricks and other heavy building materials alone. Some of this waste is recycled, primarily into crushed concrete aggregates, but a large amount is disposed of in landfills. Following the waste hierarchy set by the European Union (EU) and the Norwegian ministry of climate and environment, recycling is ranked third in preferred methods for handling waste. While reduction is the highest ranked method, some waste will likely always occur, leaving reuse as the preferred method for handling it. Reuse of cast-in-place (CIP) reinforced concrete (RC) can be seen as challenging due to the nature of its construction, as interconnected custom-made structures. However, newer research and pilot projects show that it could be a viable practice. The research has also found that reuse could represent a significant reduction in GWP of the structure. Designing with reused components has been stated as a challenge. To achieve an efficient design process, the components should be identified at an early stage in the design process, eliminating multiple revisions of the design. However, early procurement of the components leads to the need for storage. This can lead to additional costs in the project. Marketplaces for used building materials are now being established, and could have the potential to combat the challenge of timing between procurement and use of reclaimed components, eliminating the need for storage. Documentation of the reclaimed components is also stated by several researchers as one of the key challenges for reuse of CIP RC. For a product to be sold in Norway, it needs to be approved in line with set requirements and standards. A used CIP RC component might have previous documentation that can be used as a basis for documenting its quality, but seen as its properties are likely altered during extraction from a donor building, tests are necessary for it to be redocumented. Such tests were outlined in the standard for reuse of hollow core concrete that was published in 2022. Hollow core concrete elements are however precast, thus being of a more predictable nature than CIP RC. In this thesis, a questionnaire was conducted to establish what additional challenges is a project implementing reuse of CIP RC in load bearing structures in Norway likely to face compared to one that only uses virgin materials. Further, an LCA was conducted to investigate how the global warming potential could be affected when choosing reused over new CIP RC in load bearing structures. The potential implications of choosing reused over new CIP RC in load bearing structures were also investigated. It was found that the Norwegian building industry is motivated for reuse, but that several barriers are present. Primarily, documentation of components and logistics are pointed out to be most significant. The barrier of documentation could be overcome by establishing standardized solutions for testing while logistics could be improved though establishment and use of marketplaces. Reuse of CIP RC columns was estimated to represent a significant reduction in the GWP of a load bearing structure compared to using new concrete, with reassembly being the largest contribution to its total GWP. The reuse’s potential impact on the lifespan of the building and availability of crushed concrete aggregates should however be taken into account.