Forventede klimaendringers langsiktige konsekvenser for bygging og forvaltning på Svalbard

Transkript

1 Forventede klimaendringers langsiktige konsekvenser for bygging og forvaltning på Svalbard Samlerapport Johanna L. Rongved, Arne Instanes, Ketil Isaksen og Torgeir Eraker

2 2 1 Innhold 1 Innledning Klimascenarioer for Longyearbyen-området Forventede klimaendringers påvirkning på byggegrunn Klimaendringers langsiktige konsekvenser for statlige bygg Eksisterende bygg Planlegging for nybygg Figurliste: Figur 1: Oversiktskart med Longyeardalen, Svalbard lufthavn, Frøhvelvet og Kjell Henriksenobservatoriet markert... 7 Figur 2: Kart over Longyeardalen, med aktuelle områder og bygninger markert... 8 Tabelliste Tabell 1: Observert temperatur for og beregnet temperatur for «beste», «verste» og «middels» scenario for Longyearbyen Tabell 2: Mektighet av aktivt lag samt modellerte temperaturer i grunnen (dybder 10 og 20 m) ved år 2017 og år

3 3 1 Innledning er en sentral eiendomsaktør på Svalbard. Viktige bygg og konstruksjoner eies og forvaltes av, og er også byggherre for et stort antall boliger som skal bygges de nærmeste år. Klimaet er i endring, og på Svalbard endrer det seg raskere enn kanskje noe annet sted på kloden. Et varmere og våtere klima vil få konsekvenser for eksisterende bygg og konstruksjoner, og for hvordan nybygg bør utformes og fundamenteres. For å være føre var, har ønsket mer kunnskap om klimaendringers langsiktige konsekvenser for bygg og eiendom på Svalbard. Et av svarene har vært å gjennomføre et bredt anlagt FoU-prosjekt:. Denne rapporten er en samlerapport, som oppsummerer resultater og konklusjoner fra tre delrapporter: Delrapport 1, «Klimascenarioer for Longyearbyen-området, Svalbard» ble ferdigstilt forsommeren 2017, og er utarbeidet av Meteorologisk institutt /1/. Rapporten tar for seg både historisk klimautvikling i Longyearbyen og mulig utvikling frem mot De viktigste resultater er: - Årsmiddeltemperaturen har økt med ca. 3 C siden år Den største temperaturøkningen har skjedd om vinteren. Etter 2000 ser det ut til at temperaturøkningen er drevet av reduksjon av sjøis rundt Svalbard, sammen med høyere sjøtemperatur og en generell global oppvarming. - Fra midten av århundret gir beregninger for «best» og «verst scenario» en økning i årsmiddeltemperaturen på hhv. 4,0 C og 5,3 C. Størst oppvarming beregnes for vinteren, minst for sommeren. - Fram mot 2200 er den beregnede økningen i årsmiddeltemperaturen for Longyearbyen på om lag 13 C for «verst» utslippsscenario. - De siste årene har det vært en klar økning i nedbør i form av regn i vinterhalvåret. - Klimasimuleringer for Longyearbyen-området viser at både årsnedbør og sesongnedbør vil øke. For «verste» utslippsscenario viser beregninger en økning i årsnedbør på om lag 40 % mot slutten av århundret. Tilsvarende tall for middels og lavt utslippsscenario er hhv. 30 % og 20 %. Mot slutten av århundret beregnes det også en markant økning i dager med kraftig nedbør. I vinterhalvåret beregnes det opptil en tredobling i antall mildværsepisoder med nedbør i form av regn sammenlignet med dagens situasjon. Delrapport 2, «Forventede klimaendringers påvirkning på byggegrunn i Longyearbyen-området» ble ferdigstilt høsten 2017, og er utarbeidet av Instanes AS /2/. Rapporten retter søkelyset på forventede klimaendringers påvirkning på temperatur i grunnen. De viktigste resultatene fra rapporten er:

4 4 - Det vil fortsatt være permafrost i Longyearbyen til langt etter år Det forventes imidlertid at økt temperatur i grunnen vil medføre dårligere bæreevne og økte setningshastigheter. - Økte temperaturer må tas hensyn til ved fremtidig planlegging og prosjektering av nybygg. - Det må også påregnes uheldige konsekvenser for eksisterende bygninger og infrastruktur. Dette forventes å oppstå både i form av økte setninger, men et våtere klima forventes også å medføre blant annet økte råteproblemer på eksisterende trepeler. Delrapport 3, «Forventede klimaendringers langsiktige konsekvenser for bygging og forvaltning på Svalbard» ble ferdigstilt høst/vinter 2017, og er utarbeidet av Instanes AS og Rambøll Norge AS /3/. Rapporten analyserer konsekvensene for sine bygninger og installasjoner i Longyearbyenområdet, ved et varmere klima, som beskrevet i delrapportene 1 og 2. De viktigste resultater og anbefalinger er - Nybygging bør skje i områder som i minst mulig grad vil påvirkes av klimaendringene, med tanke på grunnforhold og naturfare (skred og flom). - Det bør videre gjøres vurderinger av forventet temperaturøkning i levetiden til det planlagte bygget, slik at dette kan tas hensyn til i prosjekteringen. - Lengre peler og større pelediametre vil måtte påregnes i fremtiden, og aktive tiltak som kunstig kjøling vil bli mer aktuelt. Fundamenteringsmetoder som tradisjonelt har vært benyttet på fastlandet vil bli mer aktuelle. - Byggematerialer og arkitektur, samt overvannshåndtering, må tilpasses et våtere klima. 2 Klimascenarioer for Longyearbyen-området Med årene som referanseperiode beregnes klimautviklingen fram mot 2050, mot 2100 og fram mot 2200 for Longyearbyen-området under forskjellige antagelser (scenarioer) om utslipp av klimagasser. Det er benyttet tre utslippsscenarioer: - «Verste scenario» (RCP8.5), der utslippene av klimagasser fortsetter å øke helt fram til slutten av dette hundreåret - «Middels scenario» (RCP4.5), som innebærer små utslippsendringer fram til 2050 og deretter utslippskutt - «Beste scenario» (RCP2.6), som innebærer drastiske utslippskutt allerede fra Ufullstendig kunnskap om klimasystemets følsomhet, framtidig naturlig klimavariasjon og begrensninger i klimamodellene gjør at alle framskrivninger er beheftet med usikkerhet selv under et gitt utslippsscenario. Det er i dag ikke mulig å forutsi i hvilken grad de globale klimagassutslipp vil reduseres utover i dette århundret (avhenger i stor grad av politiske beslutninger internasjonalt), og derfor heller ikke mulig å si hvilke av de tre utslippsscenarioene som representere det «mest sannsynlige scenario».

5 5 Temperatur Årsmiddeltemperaturen for Svalbard lufthavn var for perioden ,9 C. Vintertemperaturen og sommertemperaturen var hhv. -14,0 C og +4,5 C. Årsmiddeltemperaturen har økt med ca. 3 C siden år Gjennom denne perioden er det både store år-til-år variasjoner og store variasjoner på 10-års skala, med kalde perioder både tidlig på 1900-tallet og på 1960-tallet og milde perioder på og tallet. Fra omkring 1970 har temperaturen steget betydelig og Svalbard er blant de områdene på jorden som nå varmes opp raskest. Den største temperaturøkningen har skjedd om vinteren. I løpet av de siste 30 år er antallet kalde dager mer enn halvert (dager der døgntemperaturen er under -15 C). Etter år 2000 har det vært flere usedvanlig varme år var det desidert varmeste året som er registrert; med årsmiddeltemperatur på -0,1 C. Sammenliknet med er det for perioden entydig at temperaturen for alle årstider er høyere. Denne temperaturøkningen ser ut til å være drevet av mindre sjøis rundt Svalbard, sammen med høyere sjøtemperatur og en generell global bakgrunnsoppvarming. Fram mot 2050 gir medianframskrivningene for «best» og «verst scenario» en økning i årsmiddeltemperaturen på hhv. 4,0 C og 5,3 C. Fram mot 2100 gir medianframskrivningene en økning på hhv. 3,6 C og 9,2 C for «best» og «verst». Størst oppvarming beregnes for vinteren og minst for sommeren. For «middels» scenario gir beregnede medianverdier for året en økning på 6,5 C fram mot Selv med «best scenario» viser beregningene at oppvarmingen i Longyearbyen vil fortsette i de nærmeste 10-årene. For dette utslippsscenarioet tyder imidlertid resultatene på at temperaturforholdene vil stabiliseres rundt midten av dette århundret. Årsmiddeltemperaturen vil dermed ved slutten av århundret være ca. 3,5 C høyere enn for perioden ; dvs. ca. -2,3 C. I «verst scenario» for Longyearbyen, beregnes en dramatisk økning i temperatur både for året som helhet og for de enkelte årstidene. Det vil gi en middeltemperatur for vintermånedene rundt år 2100 på like under 0 C. TABELL 1: OBSERVERT TEMPERATUR FOR OG BEREGNET TEMPERATUR FOR «BESTE», «VERSTE» OG «MIDDELS» SCENARIO FOR LONGYEARBYEN Observert temperatur og estimat av framtidig temperatur i Longyearbyen Observert for Estimat for Observert «BEST» «MIDDELS» «VERST» ÅR -5,9-2,3 0,6 3,3 VINTER -14,0-8,3-4,9-0,6 VÅR -9,6-5,9-2,9 0,1 SOMMER 4,5 5,6 7,1 8,5 HØST -4,7 0,5 2,0 4,7

6 6 Fram mot år 2200 er den beregnede økningen i årsmiddeltemperaturen for Longyearbyen i «verste» scenario på om lag 13 C. For «beste» scenario viser simuleringene for både temperatur og nedbør at verdiene gradvis blir lavere etter «Middels» scenario viser en fortsatt økning etter 2100, men økningen avtar gradvis ut mot slutten av perioden. Nedbør, snø og vind Observert midlere årsnedbør for Svalbard lufthavn er 196 mm for referanseperioden Årsnedbøren har økt i gjennomsnitt med 2 % pr tiår siden målingene startet i 1912, og økningen er størst om sommeren og høsten. Den største observerte døgnsummen i perioden er 43,2 mm fra august Denne episoden førte til flere store jordskred. Nedbørintensitet på over 20 mm/døgn og 3 mm/time medfører betydelig økt fare for jord- og flomskred i Longyearbyen-området. De siste årene har det vært en klar tendens til en økning i nedbør i form av regn i vinterhalvåret. Dette medfører oftere is på bakken, skarelag og ustabilt snødekke gjennom vinteren og skaper store utfordringer for dyreliv, trafikkavvikling og generell sikkerhet for innbyggere og tilreisende til Svalbard. Antall dager med snødekke var i gjennomsnitt 253 dager i perioden fra 1976 til 1997, mens det for perioden 2006 til 2016 var 216 dager. Nye klimasimuleringer for Longyearbyen-området viser at både årsnedbør og sesongnedbør beregnes å øke. For «verste» scenario beregnes en økning i årsnedbør på om lag 40 % mot slutten av århundret. Tilsvarende tall for «middels» og «beste» scenario er hhv. 30 % og 20 %. Mot slutten av århundret beregnes det også en markant økning i dager med kraftig nedbør, og nedbørmengden på dager med kraftig nedbør beregnes å øke. I vinterhalvåret beregnes det opptil en tredobling i antall mildværsepisoder med nedbør i form av regn sammenlignet med dagens situasjon. Videre beregnes det mot slutten av århundret en kortere snøsesong og mindre snømengder for alle scenarioer. Det er viktig å poengtere at nedbørmålinger i Arktis generelt er beheftet med relativt stor usikkerhet. Ved Svalbard lufthavn blåser det i gjennomsnitt stiv kuling (14 m/s) eller mer i 2 % av året og om vinteren 4 %. De siste 40 årene har det vært en svak nedgang i frekvensen av sterk vind ved Svalbard lufthavn, men det er store variasjoner fra år til år og vindforholdene varierer svært mye lokalt. Det simuleres noe økt gjennomsnittlig vindstyrke øst for Svalbard, mens vindstyrken ser ut til å svakt avta i Longyearbyen-området, spesielt om vinteren.

7 7 3 Forventede klimaendringers påvirkning på byggegrunn I delrapport 2 fokuseres det på grunnforholdene i Longyeardalen, samt i noen grad ved Kjell Henriksen Observatoriet og ved Svalbard Globale Frøhvelv (se Figur 1). Det er ikke utført egne grunnundersøkelser eller temperaturmålinger for dette FoU-prosjektet, men vurderingene og beregningene er basert på tilgjengelige resultater fra tidligere utførte undersøkelser i de aktuelle områdene. FIGUR 1: OVERSIKTSKART MED LONGYEARDALEN, SVALBARD LUFTHAVN, FRØHVELVET OG KJELL HENRIKSEN- OBSERVATORIET MARKERT Grunnforhold I Longyeardalen består dalbunnen hovedsakelig av elvemasser av sand og grus, over mer finstoffholdige, marine masser av silt og leire. Det er stor dybde til berg, relativt høyt saltinnhold og stedvis mye is i grunnen. Saltinnholdet er typisk økende mot fjorden. For områdene lenger opp i dalsidene, som Skjæringa, Lia og i Gruvedalen (se Figur 2), kan det forventes mindre dybder til berg. I sjøområdet forventes elvemasser og fyllmasser over gammel sjøbunn.

8 8 FIGUR 2: KART OVER LONGYEARDALEN, MED AKTUELLE OMRÅDER OG BYGNINGER MARKERT Det foreligger ikke grunnundersøkelser for Kjell Henriksen Observatoriet, men undersøkelser fra EISCAT lenger nede i fjellsiden, samt topografien på stedet antyder relativt beskjedne dybder til berg. Grunnforholdene ved Frøhvelvet er godt kartlagt, etter at det er utført omfattende grunnundersøkelser og installert temperaturmålere (termistorstrenger), både i byggegropen for adkomsttunnelen og mellom hvelvene. Da det pågår egne prosjekter for å sikre Frøhvelvet for fremtidig forventede klimaendringer er Frøhvelvet bare kort omtalt i dette FoU-prosjektet. Temperatur i grunnen Hovedprinsippet for bygging i permafrostområder er å unngå å forstyrre temperaturforholdene i bakken, da dette i de fleste tilfeller vil medføre oppvarming og tining av permafrost. Problemstillingen blir typisk løst ved å løfte byggene opp fra bakken, enten på betongfundamenter eller på peler, for på den måten å tillate lufting under bygget. For bygg som er spesielt følsomme for setningsskader, eller hvor det ønskes lang levetid, kan det benyttes kunstig kjøling for å redusere temperaturen i grunnen, og dermed setningshastighetene. Frosset jord, spesielt der den er salt- og isrik som i Longyearbyen, vil være svært utsatt for krypsetninger ved belastning. Setningshastigheten er sterkt avhengig av temperaturprofilet i grunnen. Økende temperatur i permafrosten vil derfor kunne medføre økte setninger, med

9 9 konsekvenser varierende fra noe økt vedlikehold, til store setningsskader og til slutt brudd i fundamenter og bygningselementer. Geotermiske beregninger er utført på grunnlag av den forventede temperaturutviklingen for RCP4.5 (middels høyt utslippsscenario) presentert i delrapport 1. Analyser av temperaturer og grunnforhold er gjort ved sine viktigste bygg i og rundt Longyearbyen. Beregningene viser at mektigheten på aktivt lag, dvs. tykkelsen på laget som tiner i sommerhalvåret, må forventes å øke fra i størrelsesorden 1,5 m til nærmere 2,5 m frem mot Beregningene viser videre at temperaturen i grunnen må forventes å øke, men at temperaturøkningen i dybden (dypere enn m) vil dempes og gå saktere enn den forventede temperaturøkningen ved terrengoverflaten. Ved år 2100 antyder beregningene at temperaturen på 20 m dyp fortsatt vil ligge på rundt -2⁰ til -3⁰ C i Longyeardalen. De viktigste resultatene fra modelleringen er oppsummert i Tabell 2. Det poengteres at beregningene er utført på grunnlag av simuleringer for middels høyt utslippsscenario. For høyt utslippsscenario (RCP8.5) forventes en større temperaturøkning i Longyearbyen, som over tid også vil få konsekvenser for temperaturprofilet i grunnen. TABELL 2: MEKTIGHET AV AKTIVT LAG SAMT MODELLERTE TEMPERATURER I GRUNNEN (DYBDER 10 OG 20 M) VED ÅR 2017 OG ÅR 2100 Modellert Modellert temperatur i bakken Mektighet årsmiddeltemperatur 10 m dybde 20 m dybde aktivt lag Sentrum -3,7-0,4-3,9-2,3-4,2-3,2 1-1,5 m Ca. 2,5 m Skjæringa -3,7-0,4-2,8-1,1-3,1-1,4 Ca. 1,5 m Ca. 2,5 m Forskningsparken -3,7-0,4-3,6-1,9-3,7-2,7 Ca. 1,5 m Ca. 2,5 m Selv om beregningene viser at det fortsatt vil være permafrost i Longyearbyen til langt etter 2100, så forventes det at de økte temperaturene i grunnen vil medføre dårligere bæreevne og økte setningshastigheter for tradisjonelle fundamenter. Fremtidig temperaturøkning i grunnen må derfor tas hensyn til ved fremtidig planlegging og prosjektering av nye bygg og installasjoner. Det kan være aktuelt å vurdere lengre peler og/eller peler med en større diameter enn det som er vanlig i dag. Det kan også bli økt behov for aktive fundamenteringsmetoder som kunstig kjøling, spesielt for særlige viktige bygg eller for bygg med levetid lengre enn 50 år. For områder med små dybder til berg kan det være aktuelt å vurdere masseutskifting eller peling til berg. Et våtere og varmere klima må påregnes å få konsekvenser for eksisterende bygninger, ikke bare i form av økte setningshastigheter, men også ved økt råte på eksisterende trepeler. Vann, både overflatevann fra snøsmelting og regnvann, må tas mer hensyn til i kommende år.

10 10 4 Klimaendringers langsiktige konsekvenser for statlige bygg 4.1 Eksisterende bygg I delrapport 3 gis en oversikt over de mest brukte fundamenteringsløsninger i Longyearbyen, inkludert hvilke skader som er observert på bygningsmassen og årsakene til disse. En stor del av bygningsmassen i Longyearbyen er utsatt for setninger i større eller mindre grad. Noe av setningene er «forventede setninger», kommet som følge av pålastning på grunnen over tid, og medførende tidsavhengige deformasjoner. Det observeres imidlertid også setningsskader forårsaket av oppvarming av permafrosten i all hovedsak som følge av menneskelig aktivitet og byggearbeider som har endret temperaturforholdene i grunnen. Størst skader ses generelt på bygninger som er direktefundamentert med varm kjeller direkte mot grunnen. Bygninger fundamentert på korte peler er også svært utsatt for setninger og frostjekking av pelene. Det er observert mindre skader på bygninger fundamentert på lange peler og på sålefundamenter (betongfundamenter installert under aktivt lag). Fundamentering på fryseplate er også benyttet for enkelte bygninger, og med denne fundamenteringsmetoden vil det generelt forventes svært små setninger, forutsatt at systemet vedlikeholdes og driftes riktig. Det er gjort beregninger av bæreevne og setningshastighet for både punktfundament og pelefundament ved varmere permafrost. Som forventet viser beregningene økte setningshastigheter ved varmere permafrost. Som eksempel viser beregningene at et tenkt bygg fra 1986 på 30 år vil få setninger på ca. 5 cm. Et tilsvarende bygg (med samme fundamentering, laster og grunnforhold) som bygges i 2045, vil imidlertid på 30 år få setninger på 26 cm (og da i praksis et brudd i fundamenteringen). Dette illustrerer også noe av utfordringen ved å forlenge levetiden på bygg utover opprinnelig planlagt levetid, da fremtidig temperaturøkning ofte ikke er tatt høyde for i den opprinnelige prosjekteringen. Det er observert tegn til bevegelse på de fleste av s bygninger i Longyearbyen, men de observerte bevegelsene var generelt av relativt beskjeden størrelse. Både for Kirka, Sysselmannsbygget og Forskningsparken ble det observert tegn til relativ bevegelse mellom peler og jorda rundt. Uten bevegelsesmålinger er det imidlertid ikke mulig å bestemme om det er pelene som kommer opp av grunnen, eller om det er jorda rundt som setter seg rundt pelene. For Kirka og boligbyggene ble det observert råteskade på flere av tre-pelene. Da Svalbard Kirke er vurdert som et viktig bygg, anbefales det å utrede alternativer for fremtidig refundamentering av den pelefundamenterte delen av bygget.

11 Planlegging for nybygg Aktuelle fundamenteringsmetoder Sålefundamenter vil trolig bli en mer aktuell fundamenteringsmetode ved oppvarming av permafrosten. For denne fundamenteringsmetoden anbefales det at selve byggkonstruksjonen gis en viss tyngde og stivhet, slik at eventuelle endringer i grunnen kan tas opp gjennom en omfordeling av laster i konstruksjonen. Fundamentene må plasseres dypt nok til at underkant fundament ligger dypere enn aktivt lag i byggets levetid. Peling vil fortsatt være en aktuell fundamenteringsmetode, i hovedsak på grunn av lavere kostnader, kortere installasjonstid og at laster på denne måten føres ned til dype og mer bæredyktige masser. Ved å øke pelelengden og eventuelt også diameteren, vil peler kunne benyttes også i et varmere klima. Trepeler bør imidlertid unngås. Ved å benytte andre peletyper (av stål eller evt. betong) kan det også legges inn mulighet for fremtidig kjøling på pelene dersom det skulle bli behov for det. For bygninger med krav til lang levetid eller strenge krav til skjevsetninger, vil fundamentering på fryseplate eller andre typer aktiv kjøling være aktuelt. Dette er imidlertid en fundamenteringsmetode med behov for kontinuerlig energitilførsel, og den er også mer vedlikeholdskrevende enn for eksempel peling. For områder med relativt liten løsmassemektighet over berg kan det for fremtidig utbygging vurderes fundamenteringsløsninger som er kjent fra ikke-permafrostområder. Ved små dybder til berg bør det vurderes masseutskifting med fryse-/tinestabile masser, eventuelt korte peler til berg. Også for større løsmassemektigheter størrelsesorden 6 til 20+ m kan peling til berg vurderes. Bygningsfysiske hensyn For fremtidige bygninger i Longyearbyen anbefales det at fundamenteringsmetoder og bygninger ses i sammenheng med langsiktige planer for byens infrastruktur. Det er ikke gitt at byen vil bli forsynt med strøm og varme fra kullkraftverk eller generatorer/oljefyring i fremtiden, og da kan energiøkonomisering og alternative energikilder bli mer lønnsomme. Ved bruk av fryseplater kan for eksempel overskuddsvarmen fra grunnen utnyttes til oppvarming av bygninger. Det anbefales planlegging med fuktsikre løsninger, for å ta høyde for et forventet våtere klima med mer regn. Det kan være utfordrende med «spesielle» arkitektoniske løsninger i et krevende klima, og byggeier bør sikre at grunnleggende bygningsfysiske forutsetninger ivaretas. Generelle anbefalinger Fremtidig utbygging bør skje på tomteområder med god plassering (ikke skred- og flomutsatt) og med gode grunnforhold (friksjonsmasser eller kort til berg). I prosjekteringen må det også tas stilling til realistisk levetid for bygningen, for deretter å gjøre en vurdering av sannsynlig oppvarming av permafrosten i løpet av levetiden. Det må påregnes et større behov for grunnundersøkelser enn hva

12 12 som tradisjonelt har vært utført for byggeprosjekter på Svalbard, og i planleggingen av nybygg bør det også legges inn tid for temperaturmålinger i grunnen. Som del av planleggingen og prosjekteringen må det tas stilling til tillatte deformasjoner i løpet av byggets levetid. Her vil også både byggemåte, materialvalg, arkitektoniske løsninger samt ønsket nivå av drift/vedlikehold av fundamenteringsløsningen innvirke. Referanseliste: /1/ Delrapport 1: Meteorologisk Institutt, Klimascenarioer for Longyearbyen-området, Svalbard. Rapportnr. ISSN , datert /2/ Delrapport 2: Instanes AS, Forventede klimaendringers påvirkning på byggegrunn i Longyearbyen-området. Rapport nr. IAS2171-1, rev. 1, datert /3/ Delrapport 3: Instanes AS og Rambøll AS, Forventede klimaendringers langsiktige konsekvenser for bygging og forvaltning på Svalbard. Rapport nr. IAS2171-1, rev. 1, datert