25. júní 2019

Loftslagsbreytingar, álag og öryggi bygginga

Loftslagsbreytingar og veðurfar

Hitastig jarðar hefur hækkað á síðustu öld. Þessi hlýnun hefur í för með sér bráðnun jökla, hækkun sjárvarmáls, hlýnun sjávar og auknar líkur á öfgaveðri. Vísindamenn eru almennt sammála um að þessi hlýnun sé af mannavöldum. Það hefur verið mikil aukning í losun á gróðurhúsalofttegundum á síðustu árum vegna aukins iðnaðar. Gróðurhúsalofttegundir eru koltvíoxíð (CO2), vatnsgufa, metan, tvínituroxíð (N2O), óson (O3) og ýmis halógen-kolefnissambönd. Þessar lofttegundir eru í daglegu tali nefndar gróðurhúsalofttegundir vegna þess að þegar þeim er hleypt út í loftið virka þær eins og gler í gróðurhúsi og halda sólarvarma innan lofthjúpsins.

Kolefni er að finna í öllum lífefnum. Kolefnishringrásin er losun og binding kolefnis. Meirihluti kolefnis jarðar er geymdur í bergi og setlögum. Afgangurinn er geymdur í hafinu, andrúmslofti og lífverum. Aukin brennsla jarðefnaeldsneytis á síðustu öld hefur aukið losun á kolefni út í andrúmsloftið og þar með truflað kolefnishringrásina. Styrkur kolefnis í andrúmsloftinu hefur hækkað um 36% á síðustu 250 árum og helmingur aukningarinnar hefur átt sér stað á síðustu 50 árum.

Milliríkjanefnd Sameinuðu Þjóðanna um loftslagsbreytingar (IPCC) spáir því að hitastig jarðar muni hækka um 0,3 til 4,8°C á næstu hundrað árum. Hitastig jarðar hefur þegar hækkað um 0,8°C á síðustu hundrað árum. Mikil hröðun hefur átt sér stað á síðustu 30 árum þar sem 75% af hækkuninni hefur átt sér stað á þeim tíma. Rannsóknir sýna fram á það að hitastigið á Íslandi gæti hækkað um 1,4 – 2,4 °C fyrir lok þessarar aldar.

IPCC varar einnig við því að veðurfar muni breytast á komandi árum vegna breytinga á loftslagi. Spár sýna að úrkoma muni líklegast aukast um 2-4% fyrir hverja gráðu sem hitastigið hækkar. Þurrum dögum, eða dögum án úrkomu, muni þar af leiðandi að öllum líkindum fækka. Erfitt er að segja til hvernig vindhraði eða hvassviðri muni breytast. Flestar rannsóknir benda til þess að vindstyrkur muni hækka lítillega á norðurslóðum. En hins vegar má búast við aukningu í úrkomuákefð og öfgaveðri.

Rannsóknir sýna líka að það er möguleiki á auknum náttúruhamförum eins og fellibyljum og jarðskjálftum. Mælingar sýna að tíðni sterkari fellibylja hefur aukist með hærri sjávarhita og eru miklar líkur á áframhaldandi þróun í sömu átt. Hins vegar er varasamt  að spá fyrir um breytingar á jarðskjálftum vegna loftslagsbreytinga.

Svört spá var lögð fram af hagfræðingnum Nicholas Stern árið 2006. En hann spáði að ef ekkert er gert til að draga úr loftslagsbreytingum munu þær kosta samfélagið 2,8% af heimsframleiðslu á ári til ársins 2100 og 13,8% af heimsframleiðslu á ári ef litið er til ársins 2200. Þetta samsvarar 1.200 trilljón íslenskra króna ($10 trilljón) á ári til ársins 2200. Tíu árum seinna endurskoðaði hann spána og ályktaði að hann hafði verið of bjartsýnn og að kostnaðurinn muni verða mun meiri. Stjórnvöld í Bandaríkjunum lögðu fram skýrslu árið 2014 þar sem áætlað er að loftslagbreytingar munu kosta ríkið um 0,9% af landsframleiðslu, eða 18 milljarðir íslenskra króna ($150 milljón), á ári ef ekkert er gert til að draga úr losun gróðurhúsaloftegunda. Það er mikil óvissa í að áætla hvað það muni kosta samfélagið að gera ekki neitt en það eru allir sammála um að það þarf að draga úr losun eins mikið og unnt er.

55 ríki undirrituðu Parísarsáttmálinn 2015 með það að markmiði að draga úr losun gróðurhúsalofttegunda og halda hlýnun innan við 2°C á þessari öld. Ísland er aðildarríki að sáttmálanum og hefur það að markmiði að draga úr losun gróðurhúsalofttegunda um 40% fyrir árið 2030. En þrátt fyrir þessa stefnu eru við nú þegar byrjuð að glíma við þær afleiðingar sem fóru af stað í kjölfar iðnbyltingarinnar.  

Við hönnun bygginga á Íslandi er tekið tillit til álags vegna jarðskjálfta, vinds, hitastigsbreytinga, rigningar og snjós. Það er nauðsynlegt að skoða hvort breytingar í loftslagi muni hafa í för með sér áhrif á þessar álagsforsendur. Einnig er brýnt að skoða hvaða breytingar í álagsforsendum og hönnun þurfa að eiga sér stað til þess að lágmarka tjón vegna aukinnar tíðni á öfgaveðri. Viðbragðsláætlanir þurfa þess vegna að vera tvíþættar:

  1. Mótvægisaðgerðir: Draga úr losun á gróðurhúsaloftslagstegundum við uppbyggingar og byggingaframkvæmdir
  2. Aðlögunaraðgerðir: Draga úr tjónnæmni bygginga með því að aðlagast þeim loftslagsbreytingum sem eru nú þegar til staðar

Öryggi og áreiðanleiki bygginga

Byggingar eru hannaðar til þess að standast ákveðnar álagsforsendur. Það er að segja efnistyrkur þarf að vera nægur til þess að standast ákveðið álag. Við hönnun er því verið að tryggja áreiðanleika bygginga og lágmarka þar með tjón. Til þess að ákvarða áreiðanleika er líkindafræðilegum aðferðum beitt.

Grunnstaðall Eurocode, EN 1990, inniheldur m.a. upplýsingar um álagsforsendur. Hins vegar eru upplýsingar um efnistyrk byggingaefna yfirleitt að finna hjá framleiðendanum sjálfum. Líftími bygginga samkvæmt Eurocode er 50 ár fyrir almenn burðarvirki og 100 ár fyrir mannvirki sem eru mikilvægir innviðir eins og t.d. brýr. Reiknilíkön eru notuð til þess að skoða áreiðanleika bygginga miðað við gefnar álagsforsendur og efnisstyrk. 

Myndin sýnir áreiðanleikagreiningu í sinni einföldustu mynd. Við sjáum líkindaferlana fyrir álag og styrk með ákveðni óvissu. Byggingar eru hannaðar þannig að styrkur byggingar er meiri en álagið sem reiknað er með en þrátt fyrir það eru óvissuþættir sem eiga alltaf eftir að leiða til einhvers tjóns. Það er til dæmis ákveðin óvissa í framleiðslu á byggingarefnum og í uppbyggingu bygginga. Það má reikna með meiri óvissu þegar það er verið að áætla álag vegna veðurs, þess vegna er ferilinn fyrir álagið breiðari með lægri topp. Það er of kostnaðarsamt að hanna til að koma í veg fyrir öll tjón og þess vegna skarast ferlarnir alltaf eitthvað. Hönnuðir og notendur þurfa að sætta sig við ákveðna áhættu í áreiðanleika bygginga.

Álagsforsendur og veðurfar

Álagsforsendur eru að hluta til ákvarðaðar út frá veðurfari. Byggingar þurfa að standast ákveðið álag frá veðri eins og til dæmis vindálag, rigningaálag og snjóálag. Þegar álagsforsendurnar eru ákvarðaðar er litið til fortíðarinnar. Ef gert er ráð fyrir því að veðurfar muni breytast vegna aukinna gróðurhúsalofttegunda þá þarf að skoða hvaða breytingar eiga eftir að eiga sér stað á líftíma byggingarinnar.

Helstu líkön sem skoða áhrif loftslagsbreytinga á veðurfar horfa 50 til 100 ár fram í tímann sem samsvarar vel áætluðum líftíma bygginga. Ef við erum að hanna byggingu núna sem á að standa í 50 til 100 ár þá þarf hún að vera í stakk búinn til að standast það álag sem er áætlað eftir 50 til 100 ár.  

Rannsóknir á áhrifum loftslagsbreytinga á álagsforsendur eru að finna í mörgum löndum enda oft talinn mikilvægur þáttur í aðlögunarstefnum. Það er því brýnt að vinna svipaðar rannsóknir hérlendis. Náttúruhamfaratryggingar Íslands reikna að um einn fjórði af tjónakostnaði síðustu þrjátíu ára sé tilkominn vegna atburða tengdum loftslagi.  

Skoðum aftur einfalda mynd af áreiðanleikagreiningu en tökum nú tillit til loftslagsbreytinga. Fyrir þetta einfalda dæmi er skoðuð 5% aukning í álagi. Þegar loftslagsbreytingar eru skoðaðar má vænta meiri óvissu í veðurfari og þess vegna er ferillinn breiðari en áður. Ef styrkur byggingar er ennþá sá sami þá má reikna með töluvert meira tjóni eins og greinilega sést á myndinni.

Aðlögun til að draga út tjónnæmni

Vatn og raki valda verulegum skaða á byggingum á Íslandi. Tryggingafélög hérlendis eru sammála um að flestar kröfur vegna húsnæðistjóns eru raktar til tjóns vegna vatns eða raka. Auk þess hafa blaut efni, eins og til dæmis blautir veggir, áhrif á loftgæði innanhúss og geta skaðað líkamlega heilsu. Myglumál hafa verið mikið á milli tannana á fólki á Íslandi og almenningur krefst þess nú að innviðir séu ekki einungis hannaðir til að standast álagsforsendur heldur einnig til að tryggja heilsu.

Ef við ætlum að vera viðbúin þeim afleiðingum sem loftslagsbreytingar geta haft í för með sér er því brýnt að endurskoða álagsforsendur sem eru notaðar við hönnun á mannvirkjum.

Tryggingarfélög í Bandaríkjunum eru nú farin að mælast til þess að byggingar sem eru staðsettar þar sem er hætta er á fellibyljum séu hannaðar á grunnvelli álagsforsenda sem eru 10-20% hærri en hönnunarforsendur í byggingarreglugerð segja til um. Á sama hátt eru tryggingfélög í Bretlandi farin að krefjast þess að byggingar séu hannaðar til þess að standast vindálag sem er 10% hærra en grunnigildi úr byggingareglugerð. Með því að hækka grunngildi álags er verið að knýja fram sterkari hönnunarlausnir. Til dæmis eru tengingar milli byggingahluta oft veikur hlekkur í utanhúsklæðningu, með því að hækka álagsforsendur er verið að tryggja þéttari tengingar sem þola tíðari öfgaveður.

Ef það má áætla að veðurfar breytist vegna breytinga í loftslagi verða byggingarnar okkar ekki að vera tilbúnar til þessa að standast það álag? Það er þarft að skoða hversu mikilla breytinga í álagsforsendum má vænta á næstu 100 árum. Það einnig nauðsynlegt að skoða hversu kostnaðarsamt það er að bregðast við þessum breytingum? Meta þarf hvaða aðgerðir eru nauðsynlegar til þess að draga úr tjónnæmi bygginga og athuga hversu lengi þær eru að borga sig. Einnig þarf að skoða hvað á að gera til þess að styrkja byggingarnar og mannvirkin sem eru nú þegar í notkun? En þessar strangari kröfur til bygginga mega ekki ganga á markmið Íslands að draga úr losun gróðurhúsalofttegunda. Það þarf að vera jafnvægi milli mótvægisaðgerða og aðlögunaraðgerða þegar tekist er á við áhrif loftslagsbreytinga.

Greinina skrifaði Sigríður Ósk Bjarnadóttir, byggingarverkfræðingur Ph.D 
Hún veitir fúslega nánari upplýsingar ef óskað er.