themaFundering onder aardbevingsbelasting1201532themaFundering onderaardbevings-belasting1Aanzet tot toepassing Eurocode 8 voorfunderingen op staal en paalfunderingenFundering onder aardbevingsbelasting 12015 33Tot op heden is er weinig ervaring met gedrag en toetsen vanbestaande constructies en hun funderingen op aardbevingsbe-lastingen voor de Nederlandse situatie (uitgezonderd nucleaireinstallaties en energiecentrales). In tegenstelling tot andereaardbevingsgebieden, waar het gaat om tektonische aardbevin-gen, hebben we in Groningen te maken met ge?nduceerde aard-bevingen. De beoordelingsmethoden die internationaal wordentoegepast bij tektonische aardbevingen, zoals beschreven inEurocode 8 (NEN-EN 1998) [1], kunnen ten dele wordengevolgd voor de situatie in het noorden van Nederland.Om gedrag van funderingen tijdens een aardbeving te kunnenbeoordelen, is een goed inzicht in de ondergrond nodig. Ditmoet verder gaan dan hetgeen nodig is voor een statische bere-kening (volgens NEN 9997 - Geotechnisch ontwerp vanconstructies). Natuurlijk moet de laagopbouw bekend zijn envooral de eventuele aanwezigheid van los gepakt zand. Verderzijn het volumieke gewicht van de grondlagen van belang, dedichtheid van alle zandlagen en de schuifsterkte van de cohe-sieve lagen. Bij geavanceerde berekeningen (bijvoorbeeld voorConsequence Class 3) is ook inzicht nodig in de dynamischeeigenschappen zoals de schuifgolfsnelheid in de bodem. Dezekan worden afgeleid uit een normale sondering met behulp vaninternationale correlaties. Beter nog is het uitvoeren van seis-mische sonderingen of geofysisch onderzoek.Tijdens een aardbeving ontstaat een hogere (piek)belasting opde fundering en neemt de sterkte van de ondergrond juist af.De hogere belasting ontstaat door de versnelling die uit degrond, via de fundering naar het gebouw wordt overgedragenen door de massa van het gebouw wordt omgezet in een reac-tiekracht. De verlaging van de sterkte van de ondergrond treedtop door wisseling van de belasting, die kan leiden tot eenafname van sterkte door wateroverspanningsgeneratie (in gevalvan zand) of door softening (in geval van klei). De door deaardbeving verlaagde sterkte van de ondergrond moet in reke-ning worden gebracht bij het ontwerp of de beoordeling vanfunderingen op staal en paalfunderingen.Gedrag funderingen op staalHet berekenen van de draagkracht voor een fundering opstaal verloopt voor een statische berekening meestal volgensde methode Brinch Hansen, zoals ook is opgenomen inNEN 9997. Veel aspecten in de dynamische berekening zijnvergelijkbaar met de statische situatie. Zo is het mogelijk deinvloed van een gelaagde grondopbouw op dezelfde wijze inrekening te brengen en kunnen in de basis dezelfde grond-eigenschappen en parti?le factoren worden gebruikt. Afwijkendis dat er op de constructie en de ondergrond een horizontaleversnelling werkt. Voor het bepalen van de stabiliteit van eendr.ir. Mandy Korff, dr.ir. Piet MeijersDeltares1 Verweekte fundering kademuur in Kobe (Hanshin-Awaji,Japan) na de Hyogoken-Nanbu aardbeving in 1995foto: Mitsutoshi YoshimineNederlandse Praktijk RichtlijnAuteur dr.ir. Mandy Korff is lid van de NPR-commissie Aardbevingen. De tekst van ditartikel geeft onderdelen van de op ditmoment voorziene methode aan, die Delta-res in deze commissie heeft voorgesteld. Deartikelinhoud is bedoeld om nader inzicht tekrijgen in de problematiek van funderingenin combinatie met aardbevingen en is geenrecept voor toepassing in de praktijk, nocheen breed gedragen methode. Hiervoorwordt verwezen naar de ontwerp-NPR diebegin 2015 is verschenen.Het gedrag van funderingen en de ondergrond tijdens een aardbeving iscomplex. Niet altijd wordt de fundering meegenomen bij het beoordelenvan constructies onder aardbevingsbelasting. Funderingen op staal en ookpaalfunderingen worden door de aardbevingstrilling zwaarder belast ende ondergrond verliest aan sterkte. Hieraan kan voor beide soorten funde-ringen worden gerekend met methoden uit de internationale literatuur.Verweking van de ondergrond tijdens een aardbeving kan leiden tot verliesvan draagkracht en zettingen, wat een grote invloed kan hebben op hetgedrag van de fundering. Behalve dat een toets op de draagkracht enzetting van de fundering nodig is, be?nvloedt de fundering ook de over-dracht van trillingen uit de bodem naar het gebouw. Dit kan een gunstigof ongunstig effect hebben op de bovenbouw.themaFundering onder aardbevingsbelasting12015341,00,80,60,40,201,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6waterspanning/effectievespanning(ru)veiligheid tegen verweking volgens [5]grindzand2 Wateroverspanning rubij veiligheid tegen verweking [7]met de formules in [4]. Een controle op squeezen ? het zijdelingswegpersen van verweekt zand ? kan conform NEN 9997 wordenuitgevoerd. Indien is gerekend met de Newmark Sliding Block-methode moet tevens de zetting (en horizontale vervorming)volgend uit de glijvlakanalyse hierbij in rekening worden gebracht.De maximaal toelaatbare vervorming van de fundering wordtvervolgens vergeleken met de door de constructeur aangegeventoelaatbare vervorming voor de bovenbouw.Verweking van de ondergrondIn zandlagen zal door een wisselende belasting die heel snelverloopt waterspanningsopbouw plaatsvinden. Op het momentdat de wateroverspanning zo groot wordt dat de effectievespanning 0 wordt, is sprake van volledige verweking en verliestde ondergrond bijna al zijn sterkte. Een fundering op eenverweekte zandlaag verliest bijna al zijn draagkracht, waardoorbezwijken kan optreden en grote vervormingen kunnenontstaan (foto 1 en foto 5).Of in zand verweking optreedt tijdens een aardbeving wordtbepaald door vele factoren. Versnellingen vanaf 0,1g kunnen altot verweking leiden; onder deze waarde is evaluatie van deverwekingsgevoeligheid niet nodig. Verweking treedt vooral opin zandlagen met schoon, los gepakt zand. Lagen met relatiefeen groot kleiaandeel zullen minder snel verweken, net alsdichtgepakte lagen. Door de hogere leeftijd en daardoor ster-kere bijdrage van aging, is in Pleistoceen-zand de weerstandtegen verweking groter dan in jonger zand. Ook op groterediepte neemt de kans op verweking af omdat de schuifspan-ningsamplitude relatief afneemt ten opzichte van de effectievespanning.fundering op staal tijdens een aardbeving, is in NEN-EN1998-5 een rekenmethode gegeven (bijlage F van deze norm).De beoordeling van een fundering op staal tijdens een aard-bevingsbelasting verloopt als volgt:1 Bepaling van de grondeigenschappen en grondwaterstand(NEN 9997);2 Bepaling van de maatgevende (dynamische) belastingen(opgave constructeur);3 Toetsen stabiliteit fundering;4 Toetsen horizontaal evenwicht;5 Toetsen zetting; de totale vervorming (als gevolg van zetting,squeezing en eventueel stabiliteit) moet voldoen aan de eisenuit NEN 9997.Tijdens alle stappen moet rekening worden gehouden met hetoptreden van mogelijke (gehele of gedeeltelijke) verweking vande ondergrond.StabiliteitDe stabiliteitstoets wordt meestal quasistatisch uitgevoerd(NEN-EN 1998-5). In geval verweking optreedt, wordt vaak desterkte gereduceerd afhankelijk van de optredende waterover-spanning (zie formule 1 in dit artikel). Direct na de aardbevingkan de fundering echter alsnog bezwijken in geval van verwe-king.Als de quasistatische stabiliteitsberekening tijdens de aardbe-ving niet voldoet, hoeft dit niet te betekenen dat de funderingbezwijkt. De tijdsduur van de aardbeving is kort, zodat devervormingen ook beperkt zijn. Om te bepalen of de funderingdaadwerkelijk bezwijkt, kan worden overgestapt naar een tijds-domeinberekening. In de eenvoudige vorm lijkt deze op deberekeningsmethode voor dijken en wordt de Newmark SlidingBlock-methode genoemd [3].Door de korte duur van de Groningse aardbevingen is op dezewijze de verticale stabiliteit tijdens de aardbeving meestal geengroot probleem, tenzij de fundering al een heel lage veiligheidheeft in de statische situatie.Horizontaal evenwichtDe berekening van het horizontaal evenwicht is gelijk aan diebij de statische berekening, maar dan met de dynamische belas-ting en (net als bij stabiliteit, volgens formule 1) ook hier eenlagere wrijvingshoek ten gevolge van eventuele wateroverspan-ning.ZettingDe zakking ten gevolge van de aardbeving voor een fundering opstaal, bestaat uit verschillende componenten zoals zetting doorverdichting, squeezing en eventueel verplaatsingen bij momentaneinstabiliteit van de fundering. De verdichting kan worden bepaald2Fundering onder aardbevingsbelasting 12015 35grondvervorming grondbelasting op palen3 Kinematische belasting op palenPGA) de constructie bereikt. Er kan dan met de volgende tweefasen worden gerekend, die beide dienen te voldoen:1 Situatie tijdens de aardbeving: de controle van de stabiliteittijdens de aardbeving betreft het moment dat de belasting opde fundering maximaal is (het moment van de grootste piek-versnelling). Er kan worden uitgegaan van een gereduceerdewateroverspanning die afhankelijk is van de veiligheid tegenverweking.2 Situatie na de aardbeving: hierbij wordt met de maximalewateroverspanning gerekend; de aardbevingsversnellinghoeft niet in rekening te worden gebracht.In Groningen zal het veelal zo zijn dat de situatie tijdens deaardbeving maatgevend is in geval van een kleiachtige onder-grond en de situatie na de aardbeving bij een zandige onder-grond en hoge grondwaterstand.Als de fundering niet voldoet, kan in geval van een nieuweconstructie een hogere draagkracht worden gevonden doorbijvoorbeeld verbreding van de fundering. Bij een bestaandeconstructie is versterking van de fundering mogelijk zoalsdoor het verdichten of injecteren van (los gepakt) zand of hetaanbrengen van een paalfundering. Deze opties zijn echterzeer kostbaar.Gedrag van paalfunderingenBij paalfunderingen is de situatie tijdens een aardbevingcomplexer dan bij een fundering op staal. In het algemeen iseen paalfundering echter minder gevoelig voor een beving (opdezelfde locatie bij eenzelfde trillingsniveau). Als los gepaktzand nabij de paalpunt voorkomt, is dit mogelijk niet het geval.In NEN-EN 1998-5 wordt voor het bepalen van de verwekings-gevoeligheid een methode gegeven. Deze methode is in feitegelijk aan die beschreven in [5]. Voor ge?nduceerde aardbevin-gen (relatief lage magnitude en hoge piekversnelling) is dezemethode niet voldoende veilig en is de meer recente methodezoals beschreven in [6] beter geschikt.Behalve in zand kan ook in klei een vermindering van dedraagkracht optreden ten gevolge van de wisselende belasting.De mate waarin die optreedt, is afhankelijk van onder anderede plasticiteit van de klei. Of dit verschijnsel voor de situatie inNederland (Limburg, Groningen) van belang is, is nog nietonderzocht.SterktereductieHet in rekening brengen van een wateroverspanning tengevolge van verweking, kan door het reduceren van de sterktevan de grond via een gereduceerde hoek van inwendige wrij-ving. De karakteristieke waarde van deze hoek van inwendigewrijving volgt via een verlaagde effectieve spanning uit:liq,k= atan ((1 - ru) tan (k)) (1)waarin:ruis de relatieve wateroverspanning (verhouding waterover-spanning en effectieve verticale spanning bij begin aard-beving)kis de karakteristieke waarde hoek van inwendige wrijvingAls minimum waarde kan liq,k= 3? worden gebruikt. Dezewaarde is in de internationale literatuur meestal afgeleid uit eenstabiliteitsanalyse van situaties waarbij een talud is bezwekendoor verweking. De gerapporteerde waarden vertonen veelspreiding.Ook als de veiligheid tegen verweking groter is dan 1,0 zalsprake zijn van wateroverspanning, zonder dat de betreffendegrondlaag volledig verweekt. Indien de veiligheid tegen verwe-king groter is dan 2,0 zal de wateroverspanning gering zijn enhoeft geen rekening te worden gehouden met opbouw vanwateroverspanning. Figuur 2 geeft de waterspanningen alsfunctie van de veiligheid tegen verweking zoals gepresenteerdin [7].Als bij een toets met de maximale piekversnelling en de maxi-male verweking bezwijken wordt berekend, is het mogelijk inplaats daarvan een gefaseerde berekening te maken. In depraktijk is het zo dat het opbouwen van waterspanning tijdkost (enkele belastingwisselingen) en dat de aardbevingen (dege?nduceerde in Groningen in elk geval) relatief weinig wisse-lingen kennen. De maximale waterspanning is dan ook nogniet opgebouwd als de hoogste piek van de aardbeving (de3themaFundering onder aardbevingsbelasting12015364 3D-berekening met grond-paal-gebouw-interactie [12]In geval van een paalfundering geldt dat de belasting dooreigen gewicht van de constructie op de palen en de bijbeho-rende traagheidskrachten, tijdens de aardbeving moetenworden opgenomen. Dit worden inertiebelastingen genoemd.Daarnaast kan er een belasting op de palen ontstaan door eenverschil in verplaatsing tussen de palen en de grond (kinemati-sche belasting, fig. 3). In geval er verweking kan optreden, istevens controle nodig van de draagkracht en zetting aan heteinde van de aardbeving (als de verweking maximaal is).Voor een paalfundering kent de berekening de volgende onder-delen:a Toets op verticale draagkracht conform NEN-EN 1998-5paragraaf 5.4.2 en NEN-EN 1997 met de dynamische belas-ting uit de bovenbouw en de gereduceerde sterkte ten gevolgevan de wateroverspanning.b Toets op zakking van de paal conform NEN-EN 1997, inclu-sief zakking door verdichting (bijvoorbeeld volgens [4]). Alsconsequentie hiervan kan (een deel van de) positieve kleefomslaan in negatieve kleef, waardoor extra paalzakkingontstaat.c Toets op horizontale belasting uit de bovenbouw conformNEN-EN 1998-5 paragraaf 5.4.2. Voor de laterale bedding-constante moet rekening worden gehouden met de water-overspanning.d Toets op horizontale belasting uit de ondergrond. Deze bere-kening is volgens EC8 alleen van toepassing voor construc-ties in CC3 in geval er sprake is van afwisselend klei- enzandlagen en de ontwerppiekversnelling tevens groter is dan0,1g.e Controle op momenten in de paal door blijvende (horizon-tale) belasting. Van een horizontale belasting is sprake indiener in de directe nabijheid van de fundering blijvende horizon-tale grondverplaatsingen (instabiliteit talud enz.) voorkomen.f Toets op knik van de palen. Bij dikkere lagen zand die volle-dig verweken, dient tevens te worden gecontroleerd of knikvan palen kan optreden. Bij die berekening moet wordenaangenomen dat over de dikte van de volledig verweektezandlaag de paal geen zijdelingse steun heeft.Bij controle van de paalfundering tijdens de aardbevingsbelas-ting moet de afname conusweerstand door wateroverspanningin aanmerking worden genomen. Voor de reductie kan wordenuitgegaan van:liq 0 u(1 )q q r=u(1 )r??? (2)waarin:ruis de relatieve wateroverspanning (verhouding waterover-spanning en effectieve verticale spanning bij begin aard-beving)qliqis de in rekening te brengen conusweerstandq0is de gemeten conusweerstandDe interactie tussen de paal en de grond is van belang voor detoetsing van de palen, zoals reeds beschreven. Een tweedeaspect van de interactie grond-constructie, is de invloed van depaalfundering op de overdracht van de trilling van de grondnaar het gebouw. Deze interactie is afhankelijk van de relatievestijfheid van de fundering ten opzichte van de grond. Stijve en/of diepe funderingen be?nvloeden de trilling die in deconstructie wordt ervaren ten gevolge van de aardbeving.Typisch vindt demping van hoge frequenties plaats ten opzichtevan de vrijveldtrilling. Het bepalen van de interactie grond-constructie is een complexe, niet-lineaire situatie. Aanwezig-heid van wateroverspanningen kan de stijfheid be?nvloeden enook groepseffecten spelen een belangrijke rol. In een construc-tieve berekening van de bovenbouw kan de veerstijfheid (hori-zontaal en buiging) worden bepaald volgens bijlage C vanNEN-EN 1998-5. Het effect van wateroverspanning op de veer-stijfheid kan in rekening worden gebracht door de veerstijfheidvoor de situatie zonder wateroverspanning te vermenigvuldi-gen met de factorliq 0 u(1 )q q r=u(1 )r???, waarin rude relatieve waterover-spanning is. Het groepseffect (paal-grond-paal-interactie)speelt een rol als de h.o.h-afstand kleiner is dan acht keer depaaldiameter.In veel normen wordt ervan uitgegaan dat constructies bijmodellering met veren voor de fundering meestal lagere krach-ten en momenten ontwikkelen dan zonder. Voor gemiddeldegebouwen kan de be?nvloeding dan ook meestal wordenverwaarloosd. Er zijn echter ook voorbeelden van een ongun-stigere reactie als de fundering wordt meegenomen [8, 9, 10].4Fundering onder aardbevingsbelasting 12015 37Figuur 4 laat een berekening zien waarbij de interactie tussengebouw en fundering is gemodelleerd [10]. Er is gebruikge-maakt van een 3D EEM-berekening met niet-lineaire grond-eigenschappen en lineair-elastische eigenschappen voor deconstructiematerialen. Uit deze berekening bleek dat deversnelling van de fundering in dit geval ongeveer gelijk wasaan de versnelling van de grond naast de fundering en dat erdus sprake is van een interactiefactor gelijk aan 1,0. Bij afwij-kende ondergronden en funderingen zijn factoren groter enkleiner dan 1,0 mogelijk. Deze overdracht is van belang voorhet beoordelen van de kans op gebouwschade.ConclusieHet gedrag van funderingen in aardbevingsgebieden wordtgrotendeels bepaald door het mogelijk optreden van verwe-king. Voor het berekenen van de effecten van de versnelling ende vervorming zijn rekenmethoden voorhanden die kort zijngenoemd in dit artikel. Validatie van deze methoden voor(noord) Nederlandse omstandigheden dient nog te geschieden.Grond-constructie-interactie is complex en kan een positiefmaar soms ook een negatief effect hebben op de bovenbouw.Op dit moment wordt gewerkt aan de implementatie van Euro-code 8 voor aardbevingsbestendig bouwen in Nederland. Voorhet gedrag van ondergrond en funderingen is specifiekeaandacht nodig voor het aspect verweking en de consequentieshiervan. Het bepalen van overdracht van de trilling via defundering naar het gebouw speelt een rol bij het beoordelenvan de bovenbouw. De combinatie van de toets op de funde-ring en de bovenbouw is ook nog onderwerp van studie. LITERATUUR1 NEN-EN 1998-5:2005 Eurocode 8 - Ontwerp en berekening vanaardbevingsbestendige constructies - Deel 5: Funderingen,grondkerende constructies en geotechnische aspecten.2 NEN 9997-1+C1: 2012 Geotechnisch ontwerp van constructies ?Deel 1: Algemene regels.3 Newmark, N.M., Effects of earthquakes on dams and embankment.Fifth Rankine lecture G?otechnique, Vol. 15, No. 2, 1965, pp. 139-159.4 Yoshimine, M., Nishizaki, H., Amano, K., Hosono, Y., Flow deforma-tion of liquefied sand under constant shear load and its applicationto analysis of flow slide of infinite slope. Soil Dynamics and Earth-quake Engineering 26, 2006, pp. 253?2645 Youd, T., Idriss, I., Andrus, R., Arango, I., Castro, G., Christian, J., Dobry,R., Finn, W., Harder, L., Jr., Hynes, M., Ishihara, K., Koester, J., Liao, S.,Marcuson, W., III, Martin, G., Mitchell, J., Moriwaki, Y., Power, M.,Robertson, P., Seed, R., Stokoe, K., Liquefaction resistance of soils:Summary report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSFworkshops on evaluation of liquefaction resistance of soils. Journalof Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 127 (10), 2008,pp. 817?833.6 Idriss, I.M., Boulanger, R.W., Soil liquefaction during earthquakesMonograph EERI MNO-12, Earthquake Engineering ResearchInstitute, 2008.7 Marcuson, W. F. III, Hynes, M. E., Franklin, A. G., Evaluation and Useof Residual Strength in Seismic Safety Analysis of Embankments.Earthquake Spectra Vol. 6(3) 1990, pp. 529-572.8 Poland, C., Soulages, J., Sun, J., Mejia, L., Quantifying the effect ofsoil-structure interaction for use in building design, CaliforniaDepartment of Conservation Division of Mines and Geology Officeof Strong Motion Studies, Data Utilization Report CSMIP/00-02(OSMS 00-04), 2002.9 Zhang, J.J., Seismic soil-structure interaction in the time domain,PhD thesis University of Canterbury, Christchurch, New Zealand,2000.10 Pecker, A., Pender, M.J., Earthquake Resistant Design of Foundati-ons, GeoEng2000 Conference vol 1., Melbourne, 2002.11 Deltares (2014a) Effecten aardbevingen op kritische infrastructuur? Verwekingstudie, Kenmerk 1208624-007-GEO-0001, januari 2014.12 Deltares (2014b) Effecten aardbevingen op hoogspanningsnet inGroningen, Kenmerk 1208624-010-GEO-0001, januari 2014.13 Korff, M., Meijers, P., Visschedijk, M., Effect van ge?nduceerdeaardbevingen op waterkeringen en waterkerende constructies.Vaktijdschrift Geotechniek, oktober 2014.5 Schade aan de pijlers van de Napa Slough Bridge na de aardbevingin South Napa (VS) in 20145