Aardbevingsbestendig ontwerpen

De Wereld op z’n Kop………?

Het fenomeen ‘Aardbevingen in Nederland’ heeft bij bouwkundigen en constructeurs de wereld op z’n kop gezet. Tot voor kort hoefde alleen rekening gehouden te worden met statische belastingen zoals het eigen gewicht, de veranderlijke belasting, sneeuwbelasting en windbelasting. Belastingen die normaliter van bovenaf op de fundering en vervolgens op de ondergrond afgedragen worden. Sinds de (door menselijk toedoen) geïnduceerde aardbevingen de gebouwen in Groningen ernstig beschadigen, moet tevens rekening worden gehouden met dynamische belastingen van onderaf.

Door het Nederlands Normalisatie Instituut NEN is een Interim advies 2014 aan de Minister van Economische Zaken overhandigd. Begin 2015 is t.b.v. het Aardbevingsbestendig ontwerpen en versterken van gebouwen de Nationale Praktijkrichtlijn de NPR 9998 ontwerp door de NEN werkgroep ‘Aardbevingen’ opgesteld. Het heeft echter nog niet de status van een nationale bijlage en is niet wettelijk verplicht. Diverse onderzoeken moeten nog worden uitgevoerd om de uiteindelijke norm vast te kunnen stellen.

In september 2015 wordt een Gronings gebouwd huis getest op een grote simulatietafel in het Italiaanse Pavia. Hierdoor zal meer duidelijkheid komen over de ‘weerbaarheid’ van bestaande bakstenen huizen en de mate waarin het versterken van bestaande constructies noodzakelijk wordt.

Ondertussen zijn bouwkundigen, constructeurs en architecten zich aan het verdiepen in de ‘nieuwe’ materie. Er worden seminars georganiseerd, kenniscentra opgezet en cursussen aangeboden om de kennis vanuit diverse invalshoeken met elkaar te delen.

Ook de sociaal maatschappelijke impact moet echter niet vergeten worden. De titel “My home is my castle” geldt ook zeker in de provincie Groningen. Wanneer de veiligheid en geborgenheid in de eigen woning en directe omgeving in het geding komt, heeft dat grote gevolgen voor het welzijnsgevoel.

Om meer duidelijkheid te verschaffen over waar we eigenlijk mee te maken hebben in het geval van aardbevingen is geprobeerd hier een korte uitleg te geven:

Door een aardbeving ontstaat er vanuit het hypocentrum een trilling in de grond. Te vergelijken met een geluidstrilling vanaf een puntbron. De trilling verplaatst zich in alle richtingen voort en veroorzaakt bij aardbevingen t.p.v. het epicentrum de grootste grondversnelling. De intensiteit neemt af naarmate de afstand tot het hypocentrum toeneemt, maar kan toenemen wanneer de lokale ondergrond de seismische trillingen versterkt. Een trilling verplaatst zich namelijk sneller door een homogeen en plastisch materiaal zoals bijvoorbeeld de kleigrond in de provincie Groningen.

Om te kunnen bepalen met welke kracht op de constructie rekening gehouden moet worden, is de tweede wet van Newton van toepassing, namelijk:  F = m x a

m = de massa in kilogram.

a = de grondversnelling.

F = de op de constructie uitgeoefende kracht.

Voor het ontwerpen of toetsen van constructies op aardbevingen is daarom de zogenaamde piekgrondversnelling een belangrijk gegeven.

Deze wordt meestal uitgedrukt als fractie van de valversnelling van de zwaartekracht g die in Nederland gelijk is aan 9,81 m/s2. Tot nu toe is de maximaal gemeten piekgrondversnelling PGA gelijk aan 0,09g.

De KNMI registreert de bevingen met hun karakteristieken ten behoeve van het opzetten van ontwerprichtlijnen. De intensiteit en de spreiding van de gemeten waarden wordt vastgelegd. In combinatie met een maximaal te accepteren kans op slachtoffers van een aardbeving, kan op een probabilistische wijze een gedefinieerde seismische ontwerpbelasting worden bepaald.

Om een keus te kunnen maken aan de seismische weerstand van een constructie, is het van belang te bepalen in welke mate de beschadiging acceptabel is.

Meestal wordt van een viertal niveaus uitgegaan.

  1. Een gebouw moet na een aardbeving nog volledig operationeel zijn met een verwaarloosbare schade. Ziekenhuizen, politiebureaus en crisiscentra behoren tot deze categorie.
  2. Het gebouw blijft operationeel met geringe schade en geringe onderbreking van alleen niet-essentiële diensten.
  3. De overlevingskans is zeer groot. Matige tot aanzienlijke schade wordt geaccepteerd.
  4. Het gebouw stort bijna in; het risico dat er slachtoffers vallen moet echter beperkt blijven.

Met betrekking tot het voorkomen van de instorting van een gebouw is het constructieve gedrag van een bouwwerk het product van draagweerstand en vervormbaarheid (ductiliteit). Een drietal mogelijkheden zijn:

  1. De constructie is overal even sterk om de schokken op te vangen. De rekenkundige aardbeving kan bij elastisch gedrag worden doorstaan. Er zijn geen eisen t.a.v. de ductiliteit. Dit is in het algemeen de economisch minst aantrekkelijke oplossing.
  2. De constructie heeft een lage sterkte maar een grote ductiliteit. Bij een aardbeving treden grote plastische vervormingen op en kan aanzienlijke schade ontstaan. Het risico op instorting is echter laag. De eisen t.a.v. de ductiliteit zijn zeer groot en in het ontwerp worden vaak plastische zones ingebouwd.
  3. De derde mogelijkheid is een constructie te ontwerpen die qua eigenschappen tussen de bovenste twee uitersten inzit. Deze opzet is geschikt in gebieden met een geringe seismische activiteit of waarbij een beperkte schade aan de constructie geen bezwaar is.

Belasting op de constructie.Massa-Veer-systeem

In gebouwen bevindt de massa zich voornamelijk in de vloeren. De constructie is daarmee tot een één-massa-veersysteem te vereenvoudigen.

Door de grondversnelling (veroorzaakt door de aardbeving) ontstaat een beweging in de grond, waarbij de fundering verplaatst wordt en de verdiepingsvloer als het ware na-ijlt door de massatraagheid en er een verplaatsing optreedt. Daarbij wordt het effect van de versnelling omgezet in een kracht F op de constructie. Als de kolommen in de figuur star zijn kan de formule van Newton F = m x a worden gebruikt. In werkelijkheid zullen de kolommen een eindige stijfheid hebben, waardoor de massa heen en weer gaat slingeren. Elk constructief systeem heeft een eigenfrequentie en is te berekenen. Deze is een inverse van de natuurlijke trillingsperiode van de constructie. Als de trillingsperiode van de aardbeving in de buurt komt van de natuurlijke trillingsperiode van de constructie ontstaat het opslingereffect. Hierdoor kan een aanzienlijke vergroting van de maximale verplaatsing optreden. Denk bijvoorbeeld aan het mee resoneren van de behuizing van een motor bij een bepaald toerental waardoor een duidelijke geluidsverhoging waarneembaar is. Door dat opslingereffect ontstaan er grotere krachten en momenten.

Niet alleen de piekgrondversnelling is van belang maar dus ook de trillingsperiode van de aardbeving. Om die reden worden voor het ontwerp in de normen de zogenoemde elastische responsspectra gedefinieerd.

Op de verticale as van zo’n elastisch responsspectrum is de verhouding tussen de piekgrondversnelling a en de responsversnelling  van de constructie bij aanname van lineair-elastisch constructiegedrag Se aangegeven. Op de horizontale as is de natuurlijke trillingsperiode van het constructieve systeem uitgezet.Responsspectrum

De lokale aardbevingskarakteristieken zijn impliciet in het diagram meegenomen maar ook de grondslag speelt een rol. De curve E staat voor een weke grondslag en A voor een stijve bodem. Het diagram is in de Eurocode 8 opgenomen en geldt voor heel Europa. Via de nationale bijlagen kan de elastische responsspectra toegesneden worden op de eigen situatie.

De maximale kracht op de constructie wordt hiermee: F = m x a x Se/ag

Dit geldt echter alleen voor het speciale geval van volledige elastische respons waarbij geen rekening wordt gehouden met het toelaten van plastische vervormingen. Wanneer dit wel in de beoordeling wordt meegenomen, dus wanneer er sprake is van een bepaalde vorm van ductiliteit (vervormbaarheid) kan Se/ag factor door de gedragsfactor q worden gedeeld. Hierdoor wordt F maximaal gereduceerd. De basisvergelijking kan worden uitgebreid met coëfficiënten die rekening houden met demping.

Omdat de kracht F afhankelijk is van de massa en de grootste massa voornamelijk in de vloer van een gebouw zit, wordt bij een uit meerdere verdiepingen tellend gebouw, bij elke verdieping een kracht F x de hoogte vanaf het grondniveau op het gebouw geprojecteerd. Hierdoor kan het zwaartepunt, de F resultante worden bepaald. 

Conclusie: Des te hoger het aangrijpingspunt van F resultante, des te hoger het aangrijpingsmoment.

Op deze manier kunnen bestaande gebouwen in verticale en horizontale weergave worden geanalyseerd. Wanneer geconstateerd wordt dat de aangrijpingsmomenten niet door de bestaande constructie opgevangen kunnen worden en forse schade zullen opleveren, zijn de volgende oplossingen denkbaar:

1. Het verlagen van het zwaartepunt, door bijvoorbeeld het verzwaren/versterken van de fundering en/of begane grondvloer, het plaatsen van extra stabiliteitswanden op de begane grond en/of de onderste verdiepingen van het gebouw.

2. Het opdelen van een langwerpig gebouw in kleinere rechthoekige vormen. Het gebouw wordt dan van boven naar beneden in verticale zin als het ware doorgesneden.

Uiteraard zijn er ook andere oplossingen te bedenken om de krachten en momenten uit de seismische belastingen op te kunnen vangen:

Bron: Artikel van prof.dr.ir. Joost Walraven TU Delft, fac. CiTG en prof.ir. Ton Vrouwenvelder TNO/TU Delft fa. CiTG uit het Vakblad over betonconstructies, Cement nr. 1 van 2015.