Effect of performance-based fire safety design on building’s carbon footprint

Abstract

The objective for this master’s thesis was to estimate performance-based fire safety design effect on building’s carbon footprint. Plenty of research have been focused on carbon emissions of different building elements and their materials. However, the effect of different fire safety design methods to building’s carbon footprint has not been studied. The traditional prescriptive fire safety design based on tabulated values often overestimates the true thermal stress affected on building elements which might result in excessive amount of material in different building solutions which can often be optimized by performance-based design.

In this thesis two structure types in buildings are studied. These two structure types are load-bearing steel structures and fire separating glass structures. Three different load-bearing steel frames were studied as they had been designed according to both fire safety design methods. The design solutions of both design methods were provided by structural engineer as input data. The fire separating glass structures were studied as they would consist of constant size glass element and aluminum frame.

The study aimed to measure the difference between fire safety design methods. In load-bearing steel structures carbon footprint related to mass of the steel elements were calculated. Additionally, the amount of carbon footprint accumulate on fire protection of the steel were calculated. In glass structures the glass units carbon footprint were measured according to available environmental product declaration of different manufacturers products. The aluminum frames carbon footprint was estimated based on literature findings.

Results indicates that carbon footprint reduction were found in each steel frame. However, in low fire class requirement load-bearing frame carbon footprint was negligible. For significant reduction in carbon footprint of the load-bearing steel frame additional steel volume should be reduced with the performance-based design. In fire separating glass structures lower fire safety requirement results lower carbon footprint.

Tämän diplomityön tavoitteena oli arvioida toiminnallisen palomitoituksen vaikutusta rakennuksen hiilijalanjälkeen. Rakennuselementtien ja niiden materiaalien hiilidioksidipäästöjä on tutkittu paljon, mutta eri paloturvallisuus suunnittelumenetelmien vaikutusta ei ole tutkittu. Perinteiset paloturvallisuuden suunnittelumenetelmät perustuen taulukoituihin arvoihin usein yliarvioivat rakennuselementteihin kohdistuvaa lämpörasitusta, mikä voi johtaa liialliseen materiaaliin käyttöön eri rakennusosissa. Rakennusosien tarvitsemien materiaalien määrää voidaan optimoida toiminnallisella palomitoituksella.

Tässä työssä tarkastellaan kahta eri rakennetyyppiä: kantavia teräsrakenteita sekä palo-osastoivia lasirakenteita. Kolmea eri kantavaa teräsrakennetta on tarkasteltu kuin niiden palotekninen suunnittelu olisi toteutettu toiminnallisesti ja perinteisesti perustuen taulukoituihin arvoihin. Kaikki rakennesuunnitelmat on saatu rakennesuunnittelijalta. Lasirakenteiden hiilijalanjälkeä tutkittiin siten, että vakiokokoisen lasirakenteen ja sen alumiinikehyksen hiilijalanjälki laskettiin lasirakenteen eri paloluokissa.

Tutkielmassa tarkasteltiin eri palomitoituksien aiheuttamia eroja hiilijalanjäljessä. Teräsrakenteissa molempien suunnitelmien teräksen massasta ja palosuojauksesta aiheutuva hiilijalanjälki laskettiin. Lasirakenteissa lasielementin hiilijalanjälki laskettiin perustuen saatavilla oleviin eurooppalaisiin ympäristöselosteisiin. Alumiinirungon hiilijalanjälki laskettiin perustuen kirjallisuudesta löydettyihin arvoihin.

Tuloksien mukaan hiilijalanjälki pieneni kaikissa tarkasteltavissa kantavissa teräsrakenteissa. Merkittävää hiilijalanjäljen pienentymistä voidaan olettaa, kun toiminnallinen palomitoitus pystyy pienentämään myös teräsrakenteen teräskiloja. Lasirakenteissa huomataan, että palovaatimuksen pudotus pienentää lasirakenteen hiilijalanjälkeä.