24 thema Groningse panden versterkt NAM werkt in Groningen aan het programma Bouwkundig Versterken. Dit als gevolg van de aardbevingsschade die door gaswinning is ontstaan. In dit programma wordt een strategie ontwikkeld voor de omgang met het preventief versterken van het gebouwenbestand. Groot- schalige preventieve inspecties maken deel uit van de werkzaamheden, alsmede het ontwerpen van generieke maatregelen voor gebouwdelen. In het kader van dit programma werkt Arcadis aan het integraal bouwkundig versterken van een groot aantal panden, dat tijdens eerdere aard- bevingen constructieve schade hebben ondervonden. 1 Analyse, schadeherstel en constructieve stappen van Groningse gebouwen thema Groningse panden versterkt 2 2015 25 q = 1 (lineair elastisch) T Sd / ag q > 1 evenwichtsvergelijking: m · x c + k · x c = -m · x g ¨ ¨ ¨ x t xg xc massa m grondversnelling tijd [s] F u elastisch gedrag plastisch gedrag energie dissipatie 0 12 345 k 1 2 k 1 2 k · xc 1 2 k · x c 1 2 m · x t q = 1 (lineair elastisch) T Sd / ag q > 1 evenwichtsvergelijking: m · x c + k · x c = -m · x g ¨ ¨ ¨ x t xg xc massa m grondversnelling tijd [s] F u elastisch gedrag plastisch gedrag energie dissipatie 0 12 345 k 1 2 k 1 2 k · x c 1 2 k · x c 1 2 m · x t De meeste van de gebouwen die deel uitmaken van dit verster - kingsprogramma, zijn woningen en boerderijen. Besloten is om het schadeherstel te combineren met de benodigde constructieve maatregelen om ze tegen toekomstige, zwaardere bevingen te beschermen. De woningen zijn in een groot aantal gevallen vrijstaand, hetgeen de analyse van de aardbevingsbestendigheid versimpelt. Soms zijn de woningen gekoppeld aan de belendin- gen en moet ook de constructie van het naastliggende pand in kaart worden gebracht. De hoofddraagconstructie van de panden is in vrijwel alle gevallen metselwerk, geheel volgens Nederlandse bouwtraditie. De muurtypen variëren van halfsteens tot steens en in een aantal gevallen spouwmuren met een al dan niet geïsoleerde luchtspouw, variërend van enkele centimeters tot 10 á 12 cm. Binnen hetzelfde pand kunnen meerdere muurtypen voorko- men. Deels al vanaf de oorsprong van het gebouw, maar deels ook ontstaan door verbouwingen in de loop van de tijd. De vloerconstructies bestaan over het algemeen uit houten balklagen of betonvloeren. De dakconstructies van de schuren zijn in alle gevallen uitgevoerd in houten kappen met daarover simpele afwerkingen. Vaak voorkomende systemen zijn gespannen gaas met daarover een bitumineuze laag en dakpan- nen, of een rieten afwerking eventueel met daarop later aange- brachte asbestcementplaten. De funderingen zijn in vrijwel alle gevallen gemetselde funde- ringen op staal, waarbij de aanlegdiepte vaak niet meer bedraagt dan 50 tot 60 cm. Bij een aantal van de nieuwere panden zijn betonnen funderingsstroken aangetroffen. In een enkel geval zijn er afwijkende funderingstypen, bijvoorbeeld bestaande uit gemetselde (spaar)bogen. Paalfunderingen komen slechts in zeer beperkte aantallen voor. Toetsingskader Bij een aardbeving treden verticale en horizontale grondbewe- gingen op die de funderingen van gebouwen aanstoten. Hierdoor ontstaan bewegingen en krachten in de gebouwen waartegen de draagconstructie weerstand moet kunnen bieden. De controle van de gebouwen en het ontwerp van eventuele versterkingen, is gebaseerd op Eurocode 8. Deze is feitelijk bedoeld voor tektonische aardbevingen terwijl hier sprake is van geïnduceerde bevingen. Deze Eurocode heeft geen Neder - landse nationale bijlage en het Bouwbesluit 2012 kent geen bepalingen betreffende aardbevingen. Begin 2015 is de ontwerpversie van de Nederlandse Praktijk Richtlijn (NPR 9998) beschikbaar gekomen. Tot het verschijnen en het van toepassing verklaren van de NPR 9998, is er op basis van uitgevoerd onderzoek een vertaal- slag gemaakt van tektonische naar geïnduceerde bevingen. Er is een ontwerpspectrum opgesteld met relevante parameters die voor de controleberekeningen van bestaande panden zijn benodigd. Deze parameters zijn onder andere de locatiegebon- den maximale grondversnelling (PGA), de bodemfactor, de overschrijdingskans en de daarmee gerelateerde importance factoren (te vergelijken met consequentieklassen), en de gedragsfactor (behaviour factor). Na het verschijnen en het van toepassing verklaren van de commentaarversie van NPR 9998, zijn de tot dat moment gehanteerde parameters hierop afge- stemd. ing. Paul Minartz, ir. a ndré de roo Arcadis Piet van Bezu Evers Partners 1 Voorbeeld van een typische Groningse boerenwoning 2 Voorbeeld van grondbeweging 3 Mechanicamodel bij aardbevingsbelasting (demping verwaarloosd) 3 2 groningse panden versterkt 2 2015 26 q = 1 (lineair elastisch) T Sd / ag q > 1 evenwichtsvergelijking: m · x c + k · x c = -m · x g ¨ ¨ ¨ x t xg xc massa m grondversnelling tijd [s] F u elastisch gedrag plastisch gedrag energie dissipatie 0 12 345 k 1 2 k 1 2 k · x c 1 2 k · x c 1 2 m · x t q = 1 (lineair elastisch) T Sd / ag q > 1 evenwichtsvergelijking: m · x c + k · x c = -m · x g ¨ ¨ ¨ x t xg xc massa m grondversnelling tijd [s] F u elastisch gedrag plastisch gedrag energie dissipatie 0 12 345 k 1 2 k 1 2 k · x c 1 2 k · x c 1 2 m · x t 4 Voorbeeld ontwerpspectrum 5 Elastisch en plastisch materiaalgedrag zeggen dat slechts de eerste eigentrilling in de berekening wordt betrokken. De constructie wordt vertaald in een één-massa-veersysteem waarbij de traagheidsbelasting met één kracht kan worden berekend: de afschuifkracht ter plaatse van de fundering. Deze kracht moet vervolgens zodanig over de hoogte worden verdeeld dat de effecten van hogere trillingen in rekening worden gebracht. Bij een eerste trillingstijd van minder dan twee seconden kan met een lineair over de hoogte toenemende belasting worden gerekend. Gelet op de aard en omvang van het project, is voor de panden besloten om in eerste instantie te rekenen volgens deze eerste methode. Geaccepteerd wordt dat de methode aan de conser - vatieve kant is. Wat ook meespeelt, is dat uitgevoerde testen laten zien dat de onzekerheden in materiaaleigenschappen bij de beschouwde projecten extreem groot zijn, zodat heel nauw- keurig rekenen niet direct zinvol is. Aan de hand van het voorgeschreven ontwerpspectrum (fig. 4) wordt de totale seismische belasting op het gebouw bepaald. Deze seismische belasting wordt lineair toenemend over de hoogte van het gebouw verdeeld. Rekenmethodiek bestaande constructies Onder invloed van de grondbeweging zal een bouwwerk dat als het ware aan de grond vastzit, versnellen. Door zijn traagheid biedt de massa van het gebouw echter weerstand tegen deze versnellingen, waardoor traagheidskrachten in het gebouw worden geïntroduceerd. De veer- en dempingskrachten in de constructie maken even - wicht met deze traagheidskrachten, die recht evenredig zijn met de massa van het gebouw (fig. 3) De optredende grondbe- wegingen zijn geen regelmatige, harmonische trillingen, maar hebben een willekeurige vorm zoals schematisch is aangegeven in figuur 2. Het oplossen van de evenwichtsvergelijking in figuur 3 is geen eenvoudige zaak. Daarom worden berekeningsmethoden gehanteerd zoals uiteengezet in Eurocode 8. In toenemende mate van complexiteit zijn onder andere de volgende rekenme- thoden te hanteren: 1. Quasi-statische methode (zijdelingse belastingmethode) 2. Modale analyse 3. Niet-lineaire pushover 4. Methoden in het frequentiebereik, fouriertransformatie 5. Probabilistische methoden Gezien de aard van de beschouwde panden, komen om prakti- sche redenen alleen de methoden 1, 2 en 3 in aanmerking. Methode 1 is een versimpeld geval van methode 2, dat wil 4 5 6 thema Groningse panden versterkt 2 2015 27 6, 7 Voorbeelden van een traditionele Groningse landbouwschuur betekent afnemende seismische belasting. Verschillende vormen van ductiliteit zijn: - Ductiliteit van de gehele constructie: systeemductiliteit; - Ductiliteit van het materiaal: materiaalductiliteit; - Ductiliteit van een constructieonderdeel: lokale ductiliteit. Voor de gedragsfactor voor metselwerk wordt in dit project een waarde van twee aangehouden. Pandanalyse Bouwkundig Versterken Zoals vermeld, betreft het programma Bouwkundig Versterken voornamelijk op staal gefundeerde, gemetselde gebouwen die maximaal uit twee verdiepingen en een zolder bestaan. De bestaande gebouwen in noordoost Groningen zijn niet ontwor - pen op aardbevingsbelastingen en zijn door hun bouwwijze daar ook niet voor geschikt. De stabiliteit van dergelijke gebou- wen wordt verzekerd door een aantal stabiliteitswanden die in de meeste gevallen de windbelasting maar net kunnen opnemen. De verdeling van de seismische belasting over de stabiliteits- wanden vindt plaats naar rato van de buigstijfheid, waarna zo nodig conform EC8 herverdeling van belasting plaatsvindt. Voor de toetsing van de wanden is het toegestaan uit te gaan van de bezwijktoestand. In de meeste gevallen zijn de stabiliteitskernen niet in staat om de seismische belasting op te nemen en moeten ze worden versterkt (zie alinea Versterkingsmethoden). In veel gevallen is de seismische belasting loodrecht op het vlak van de wanden niet op te nemen en is ook daar versterking noodzakelijk. Een deel van het project wordt gevormd door landbouwschu- ren die op traditionele wijze zijn gebouwd met houtconstruc- ties (foto 6 en 7) volgens intuïtieve ontwerpmethoden. Veel van deze schuren zijn oorspronkelijk met riet gedekt waarover in de jaren vijftig asbestcementplaten zijn gelegd. Uit berekeningen is gebleken dat de wind- en sneeuwbelastingen op de daken van deze schuren meestal dominant zijn ten opzichte van de seismi- sche belasting. Dat wil zeggen dat als ze voldoen aan de mini- male eisen uit het Bouwbesluit, versterking voor seismische belasting voor deze houtconstructies niet nodig is. In NPR 9998 is bepaald dat landbouwschuren in consequentie- klasse CC1A niet op seismische belasting hoeven te worden gecontroleerd. Metselwerk De meeste panden zijn dus opgebouwd uit metselwerk. Om een betrouwbare rekenkundige controle van dit metselwerk te kunnen uitvoeren, is het noodzakelijk de aanwezige materiaal- kwaliteit vast te stellen. Conform Eurocode 8 deel 3 bepaalt het kennisniveau (KL) van de bestaande constructie de grootte van de zogenoemde Benodigde parameters De benodigde invoerparameters voor de berekening zijn: - De bodemfactor, afhankelijk van de bodemeigenschappen (in NPR 9998 gesteld op 1); - De belangrijkheidsfactor, afhankelijk van de consequentie- klasse; - De gebouwmassa; - De eerste trillingstijd van het gebouw; - De maximale grondversnelling (PGA); - De gedragsfactor, afhankelijk van de ductiliteit van de constructie; - Een gebouwtype-afhankelijke reductiefactor. De bodemeigenschappen worden vastgesteld door middel van sonderingen, boringen en zo nodig seismische sonderingen. De eigentrillingstijd wordt berekend aan de hand van de vervor - mingen van het gebouw en de vervormingen van de funde- ringsgrond. Voor dat laatste is de bepaling van de dynamische beddingsconstanten van belang. Deze worden bepaald op basis van het grondonderzoek. De gedragsfactor en de ductiliteit van de constructie hangen af van het vermogen van de constructie om energie te absorberen (fig. 5). Toenemende gedragsfactor 7 groningse panden versterkt 2 2015 28 +10 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 waterspanning u 2, [MPa] conusweerstand q c, [MPa] maaiveld = NAP +0,33 m voorgeboord 1,30 m wrijvingsweerstand f s, [MPa] wrijvingsgetal R f, [%] -0,3 0 10 20 30? in 2 -0,1 0,10,30,50,70,9 0,00 0,10 0,200,30 1210 864 208 Proefmonster metselwerk 9 Typische sondering Groningse bodemopbouw riaalkwaliteit wordt op locatie getest en er worden monsters in het laboratorium onderzocht. Vervolgens wordende in situ resultaten met de resultaten uit het laboratorium vergeleken. Dit proces is voor het verschijnen van de commentaarversie van NPR 9998 afgerond. Uiteindelijk kan op basis van het oriënterend onderzoek een protocol met bijbehorende meettechniek worden ontwikkeld. Hiermee wordt het onderzoek voor de overige panden tot een standaard praktijktest beperkt. De praktijktest bestaat bij voor - keur uit kleinschalig destructief onderzoek of (indien mogelijk) non-destructieve testen. Door analyse van de meetresultaten worden druksterkte, schuifsterkte, hechtsterkte, volumieke massa en bloksterkte bepaald ten behoeve van de constructieve berekening. Foto 8 toont een voorbeeld van een proefmonster. Nadat de belasting per wand is bepaald, wordt op basis van de testresultaten en Eurocode 6 (NEN-EN 1996) het metselwerk gecontroleerd op de aardbevingsbelastingen. Funderingen Er zijn niet of nauwelijks gegevens bekend van de panden die moeten worden herberekend. Dit geldt ook voor de fundering. In het algemeen is de Groningse bodem opgebouwd uit een dik kleipakket op een vaste zandlaag. Ondanks het slappe kleipak- ket blijken veel, met name oudere panden, op smalle (gemet- selde) ondiepe funderingsstroken te zijn gefundeerd (fig. 9). Aangezien zakking en rotatie van de fundering een grote invloed hebben op de eigen trillingstijd van het gebouw en daarmee ook op de optredende aardbevingsbelasting, is het zaak te onderzoeken hoe groot de invloed onder aardbevings- omstandigheden is. Hiertoe worden naast de alom bekende betrouwbaarheidsfactor (CF), waarmee de sterkte van het materiaal extra wordt gereduceerd. De Eurocode maakt onder - scheid in drie kennisniveaus: - KL1: beperkt kennisniveau (weinig van de constructie bekend) CF KL1 = 1,35; - KL2: normaal kennisniveau (technische specificaties zijn redelijk goed bekend) CF KL2 = 1,2; - KL3: volledig kennisniveau (uitgebreide informatie over de constructie is bekend) CF KL3 = 1,0. NPR 9998 heeft alle betrouwbaarheidsfactoren op 1,0 gesteld. Van zowel het oorspronkelijke ontwerp als de kwaliteit van de toegepaste materialen, zijn over het algemeen geen gegevens bekend. Daarom worden, gelet op het grote aantal woningen dat uiteindelijk moet worden berekend, eerst oriënterende testen aan circa twintig referentiepanden uitgevoerd. De mate- 8 9 thema Groningse panden versterkt 2 2015 29 balklaagkruipruimte balklaag kruipruimte seismische belasting maaiveld stucwerk met glasvezelwapening stucwerk met glasvezelwapening gewapend spuitbeton inkassingen maaiveld gewapend beton lichtbeton metselwerk metselwerk ingefraisde en gelijmde wapeningstaaf metselwerk maaiveld 10 Funderingsdoorsnede 11 Fundering onder seismische belasting 12 Metselwerk met glasvezelwapening 13 Versterking metselwerk met gewapend spuitbeton 14 Infrezen van wapeningsstaven in metselwerk 15 Versterken van de funderingen Versterkingsmethoden Er zijn verschillende mogelijkheden om constructies te verster - ken. Naast het toepassen van bekende technieken als het verlij- men van koolstofwapening en toepassing van stalen portalen, zijn er onder meer de volgende mogelijkheden: 1. Metselwerk met glasvezelwapening 2. Versterking metselwerk met gewapend spuitbeton 3. Infrezen van wapeningsstaven in metselwerk 4. Versterken van de funderingen 5. Versterken of verstijven van vloerschijven 6. Verankering van constructieonderdelen onderling 7. Vervangen van gemetselde binnenwanden door houtskelet- bouw Versterken met spuitbeton en het infrezen van wapening is tot dusver niet toegepast. 1. Metselwerk met glasvezelwapening Deze techniek (fig. 11) is al vaker in Italië toegepast. Met het glasvezel worden trekspanningen opgenomen. Voordat het glasvezelnetwerk kan worden aangebracht, moet eerst de bestaande stuclaag van het metselwerk worden verwijderd. Daarna moet het metselwerk worden schoongemaakt om een sonderingen en boringen, op beperkte schaal ook seismische sonderingen uitgevoerd. Hierbij wordt door middel van opge - legde trilling de voortplantingssnelheid van de trilling gemeten over de hoogte van de sondeerstang. Deze zogenoemde vs 30- meting wordt tot 30 m diepte uitgevoerd. Aan de hand van de meetresultaten kan het bodemtype worden geclassificeerd. Eurocode 8 maakt onderscheid in vijf bodemtypen, variërend van vs 30 > 800 m/s (zeer stijf ) tot vs 30 < 100 m/s (zeer slap). Op enig moment kunnen aan de hand van de correlatie tussen de gewone sonderingen, boringen en seismische sonderingen, de benodigde dynamische bodemparameters worden bepaald. Op basis van de dynamische beddingsconstanten worden de definitieve aardbevingsbelastingen bepaald en wordt de funde- ring gecontroleerd. Indien de fundering onvoldoende draag- vermogen voor de belastingcombinatie met aardbevingen (Eurocode 8 deel 5) heeft, wordt een versterking bepaald. Een veel voorkomend probleem hierbij is dat de fundering in de huidige situatie niet voldoet aan de belastingcombinaties conform NEN 8700. Vanwege de traditionele bouwwijze en de grootte van de op te nemen horizontale belastingen, worden de eisen die in Euro- code 8 deel 5 zijn genoemd met betrekking tot sterkte en de onderlinge koppeling van de funderingselementen, vrijwel nooit gehaald (fig. 10). Hierdoor zijn op uitgebreide schaal versterkingen noodzakelijk. 10 11 12 13 14 15 groningse panden versterkt 2 2015 30 16 Aardbevingsschade bij een Groningse woning 5. Versterken van vloerschijven De houten vloerschijven moeten in staat zijn om de seismische belastingen af te voeren naar de stabiliteitswanden. Mogelijke versterkingen bestaan uit het verspijkeren of vastschroeven van underlayment platen en/of het plaatsen van stalen kruizen en trekbanden. Betonvloeren zullen in het algemeen deze belastingen kunnen overbrengen. De vroeger toegepaste systeemvloeren als Nehobovloeren, combinatievloeren en metselwerkvloeren (bijvoorbeeld cusveller), zullen wellicht moeten worden versterkt. 6. Verankeringen constructieonderdelen Het spreekt voor zich dat de verbindingen tussen de construc- tieve onderdelen onderling, zoals vloer-wand, wanden onderling en wand-fundering, voldoende sterk moeten zijn. Door middel van stalen platen of hoeklijnen of bijvoorbeeld koolstofwape- ning, kunnen deze verbindingen voldoende worden versterkt. 7. Vervangen door houtskeletbouw Als de gemetselde wanden van slechte kwaliteit zijn en daar - door onvoldoende de seismische belasting op kunnen nemen, is vervanging door een houtskeletbouwwand een goede optie. Bovendien wordt daarmee de massa verminderd. Complexe aangelegenheid Het nauwkeurig analyseren en vervolgens efficiënt versterken van bestaande gebouwen in de regio Groningen, is om meer - dere redenen een complexe aangelegenheid. Enerzijds zijn er nog onzekerheden in de grootte en aard van de belasting en over de meest efficiënte analysemethode. De optimale balans tussen de engineeringsinspanning en de betrouwbaarheid en economie van de resultaten, moet nader worden onderzocht. Anderzijds is er nog een aantal technische aspecten die aandacht vragen. Aangezien een aardbeving een opgelegde vervorming is, is het noodzakelijk om een zo nauwkeurig mogelijke inschatting te maken van het gedrag van de bestaande constructie. Het (veelvuldig) ontbreken van goede tekeningen en informatie over de gebruikte materiaalkwalitei- ten (met name van metselwerk) maken dit een lastig proces. Uitgevoerd metselwerkonderzoek tot heden laat zien dat de metselwerkkwaliteit over het algemeen vrij slecht is. Hier komt nog bij dat aspecten als onvoldoende verbindingen tussen vloeren en wanden, onvoldoende schijfwerking van de vloeren en de dakvlakken en te weinig koppelingen tussen funderings- elementen, een goede beoordeling extra moeilijk maken. Dat het bouwkundig versterken daarnaast ook nog de nodige poli- tieke, maatschappelijke, sociale en financiële aspecten heeft, moge duidelijk zijn. Dit valt echter buiten het kader van dit artikel. ? goede hechting te krijgen met de op te brengen stuclaag met daarin het glasvezelnetwerk. Voordeel is dat er nauwelijks massa wordt toegevoegd en er nauwelijks ruimte gaat verloren. Nadeel is dat de hele woning moet worden gestript. 2. Versterking met gewapend spuitbeton Spuitbeton (fig. 12) is in Nederland een bekende techniek. De voorbewerking is in feite niet anders dan bij toepassing van glasvezelversterking. De opneembare krachten zijn echter veel groter. Nadelig is dat er massa wordt toegevoegd en dat de beschikbare ruimte kleiner wordt vanwege de dikte van het spuitbeton (6-8 cm). 3. Infrezen van wapeningsstaven Deze techniek (fig. 13) is onder andere in Japan toegepast en komt eenvoudigweg neer op het frezen van een sleuf in het metselwerk, waarin een stalen staaf wordt ingelijmd. Conform Eurocode 8 moet nadrukkelijk rekening worden gehouden met het minimumwapeningspercentage van 0,05%. Bovendien kunnen aanwezige leidingen of nog aan te brengen leidingen voor problemen zorgen. 4. Versterken van funderingen Toepassing van een gewapend betonnen ringbalk of een (schuim)betonnen funderingsplaat met gewapende druklaag (fig. 14), zijn mogelijkheden voor het opnemen van de hori- zontale seismische belastingen en het vergroten van het draag- vermogen. Dit laatste ten behoeve van de extra verticale belas- tingen. 16 thema Groningse panden versterkt 2 2015