Probabilistic design for evaluation of indoor environment

In recent years indoor environment and indoor air quality has been subjected to extensive worldwide research efforts. Still, at present there are a lack of methods for prediction of risks and consequences for any defined damage to occur, similar to the probabilistic methods used in modern design codes for structures and buildings. Such a method, if available and usable, could be very beneficial as a tool for decision making at different stages of the building process. In this licentiate thesis a method is developed to estimate the risk of occurrence of high radon concentrations indoors. The method is developed using risk analysis applied on a concrete slab on the ground, which is a foundation method commonly used in Sweden for residential buildings. The undesirable event is "Leakage of radon into the building" and fault tree analysis is used starting in the top with the undesirable event and then working downwards finding the events, which causes the top event. This procedure continues until basic events are established and for which failure probabilities are available. Fault tree analysis is a deductive method mainly used for systems built up with electronic equipment where failure probabilities in terms of relative frequency are easy to establish. Failure probabilities are more difficult to establish in the building process since failures are rare. However, this uncertainty can be handled by applying structural reliability analysis on the quantitative analysis whereas several random variables can be taken into account in a single analysis, which makes it possible to analyse a whole branch of a fault tree in a single analysis. The basis for structural reliability methods is probability theory to handle the uncertainties and Monte Carlo simulation and first-order second-moment theory to estimate the risk. To get an indoor environment that is unhealthy to human beings environmental impact is needed together with fault due to human error in some phase of the building process. Examples of faults made in the building process are changes and/or addition of work ordered by the proprietor, unsuitable design or delivery of wrong material to the construction site. Several surveys have come to the same conclusion that a large amount of faults made in the building process depends on e.g. insufficient commitment or lack of knowledge. However, the building could be designed and constructed according to the state-of-the art of knowledge and still has an improper function. Errors cannot be ruled out completely but the use of fault tree technique to develop the causes to an unhealthy indoor environment and the estimation of risk can be a valuable communication tool to the quality management system to get an overview of the entire building process and to identify the week links. The residential building used as an example in this work is situated outside the municipality of Linköping since long-term measurements of radon concentrations in soil air are available from this area. The building has a self-draught ventilation system and the design of the concrete slab, starting from the excavated rock floor, include a geotextile, 150 mm well washed macadam, 50 mm insulation, 100 mm reinforced concrete, a levelling compound and finally a flooring. The causes to radon concentrations indoor has been developed with fault tree analysis where "Leakage of radon contaminated soil air into the building", "Radon contaminated drinking water" and "Building material contains radium disintegrating to radon" constitute the main causes. The event "Leakage of radon contaminated soil air...." is developed further, since it is the major contributor to radon concentrations indoor, into the events "Lower air pressure indoor than outdoor", "Radon contaminated soil air under or around the building" and "Fault in component with regard to air-tightness". A function expressing the relationship between the basic events and their random variables is established and both Monte Carlo simulation and first-order second-moment theory is applied to estimate the probability and the safety index b for the undesirable event to occur. The leakage of radon-contaminated soil air has only been considered through fissures in the concrete slab and it has been difficult to find proper relationships between how fissures occur, fissure width, and concrete and reinforcement properties. Approximations have therefore become necessary. However, the simulation and the analytical calculation gives e.g. safety index beta = 0.30 on normal risk area, which is 70 % of the total area of Sweden, in residential buildings where people stay more than temporary. Comparison can be made with the safety index beta larger or equal to 4.3 for safety class 2 in the Swedish Design Regulations for the structure of residential buildings. In a residential building on normal risk area and designed in accordance with the concrete slab in this work, the probability for radon concentrations indoor to exceed the Swedish Building Regulations threshold value 200 Bq/m3 is over 40.000 times larger than the risk for structural failure.Världen över bedrivs det omfattande forskning på inomhusmiljö och luftkvalitet. Trots det finns det fortfarande ingen metod för att bestämma sannolikheten för att någon form av definierad skada inträffar på inomhusmiljön med konsekvenser för människors hälsa på samma sätt som det finns metoder i moderna konstruktionsregler för att bestämma risken för mekanisk påverkan på byggnadskonstruktioner. Förekomsten av en sådan metod skulle vara ett viktigt instrument för miljöbeslut i alla led i byggprocessen.En metod har utvecklats i denna licentiatuppsats för att bestämma risken för att höga koncentrationer av radon skall förekomma i inomhusluften. Metoden har tagits fram genom att tillämpa riskanalys på en platta på mark som är en vanlig handläggningsmetod för bostadshus i Sverige. Orsakerna till den oönskade händelsen "Läckage av radon in i byggnaden" har kunnat härledas med hjälp av felträdsanalys genom att starta i toppen av trädet och arbeta sig nedåt. Proceduren upprepas tills primärhändelser erhålls för vilka sannolikheter kan bestämmas. Felträdsanalys är en deduktiv metod som är utvecklad för system som är uppbyggda av elektroniska komponenter och för vilka sannolikheter för fel i form av relativa frekvenser är enkla att bestämma. Det är svårare att bestämma sannolikheter för fel i byggprocessen eftersom varje objekt oftast är unikt. Denna osäkerhet kan dock hanteras genom att använda samma säkerhetsfilosofiska modell som används för mekanisk påverkan på bärande konstruktioner där hänsyn kan tas till flera stokastiska variabler i samma analys vilket gör det möjligt att ersätta en hel gren i ett felträd. För att hantera osäkerheter används den säkerhetsfilosofiska modellen för bärande konstruktioner sannolikhetsteori och för att bestämma risken kan Monte Carlosimuleringar och 'första ordningens nivå 2'-metod användas.För att få en ohälsosam inomhusmiljö behövs miljöpåverkan tillsammans med ett fel i byggnaden orsakat i något led av byggprocessen. Exempel på fel som kan medföra en ohälsosam inomhusmiljö är att byggherren ändrar eller gör kompletteringar i byggnaden, konstruktionen är olämpligt utförd eller att materialleveranser är felaktiga. Flera undersökningar har kommit fram till att t.ex. bristande engagemang eller bristande kunskap många gånger är orsakerna till de fel som uppkommer i byggprocessen. Bristande kunskap kan också bero på att kunskapen inte finns, dvs byggnaden utförs på ett riktigt sätt med avseende på den kunskap som finns. Fel kan aldrig elimineras helt men användandet av felträdsanalys för att ta fram orsakerna till en ohälsosam inomhusmiljö och bestämmandet av risken skulle kunna vara ett värdefullt verktyg i kvalitetssystem för att få en överblick över hela byggprocessen och för att kunna identifiera de svaga länkarna.Bostadshuset som exemplifieras i den här uppsatsen är beläget utanför Linköping eftersom det där har förekommit långtidsmätningar på radonhalten i marken. Byggnaden ventileras genom självdrag och grundplattans konstruktion består, med start från schaktbotten, av en geotextil, 150 mm vältvättad makadam, 50 mm isolering, 100 mm armerad betong, avjämningsmassa samt golvbeläggning. Orsakerna till radonkoncentrationer inomhus har bestämts genom felträdsanalys och består av "Läckage av radonhaltig jordluft", "Radonhaltigt dricksvatten" och "Byggnadsmaterialet innehåller radium som sönderfaller till radon". Den huvudsakliga orsaken till radon i inomhusluften är "Läckage av radonhaltig jordluft" och den utvecklas därför vidare och orsakas av "Lägre lufttryck inomhus än utomhus", "Jordluften under eller runt byggnaden innehåller radon" och "Fel i byggnadsdelen med hänsyn till lufttäthet". En funktion som beskriver förhållandet mellan de olika primärhändelserna och dess stokastiska variabler har tagits fram och genom att använda både Monte Carlo-simulering och första ordningens nivå 2-metod har sannolikheten samt säkerhetsindex β bestämts för att den oönskade händelsen skall inträffa.Hänsyn har bara tagits till läckage av radonhaltig jordluft genom sprickor i betongplattan och det har varit svårt att hitta lämpliga förhållanden mellan hur sprickor uppkommer, sprickvidd och betongens och armeringens egenskaper. Därför har antaganden gjorts i vissa fall. För normalriskmark, som 70 % av Sveriges yta består av, har simuleringarna och beräkningarna givit ett säkerhetsindex β = 0.30 för bostadshus där människor uppehåller sig mer än tillfälligt. En jämförelse kan göras med de svenska konstruktionsreglerna där bärande konstruktioner i ett bostadshus skall uppfylla säkerhetsklass 2 med ett säkerhetsindex β ≥ 4.3 för att ett bostadshus, byggt på normalriskmark med en platta på mark enligt denna uppsats, skall innehålla radonkoncentrationer över det svenska normgränsvärdet 200 Bq/m3, är alltså mer än 40.000 gånger större än risken för att den bärande konstruktionen inte skall hålla.<p>Godkänd; 2003; 20070217 (ysko)