themaVeiligheidsfilosofie bij aardbevingsbelasting1201520themaVeiligheidsfilosofie bijaardbevingsbelastingVeiligheid en rekenwaarden belastingen en sterkte bij aardbevingenVeiligheidsfilosofie bij aardbevingsbelasting 12015 21In de recent verschenen ontwerp-NPR 1998wordt uitgegaan van een streefwaarde van deveiligheid van bouwwerken onder aardbevings-belasting. Daarbij vormt de in Nederland gang-bare streefwaarde voor het individueel risico debelangrijkste inputparameter. Op basis van devoorgestelde betrouwbaarheidsindices wordenrekenwaarden afgeleid. Die spelen een rol bijhet bepalen van de aardbevingsbelasting enhet toetsen van de sterkte van bouwwerken.Regelgeving aardbevingsbestendig ontwerpenIn 2012 werd duidelijk dat er voor de Groninger regiovoorschriften moesten komen voor aardbevingsbestendigontwerpen en voor de beoordeling van de bestaande voorraad.Getracht werd aan te sluiten bij EN 1998-1, ofwel Eurocode 8`Ontwerp en berekening van aardbevingsbestendige construc-ties ? Deel 1: algemene regels, seismische belastingen en regelsvoor gebouwen' [1]. Dit deel van de code geeft algemeneEuropese regels, met de mogelijkheid om via nationaal tedefini?ren parameters in de nationale bijlage aan te sluitenop de Nederlandse situatie. Ook moet worden aangeslotenbij NEN-EN 1990 en de Nederlandse veiligheidsfilosofie voorbestaande bouw [2], die via NEN 8700 in Bouwbesluit 2012is verankerd. Dit betekent onder meer dat wordt gewerkt metde gevolgklassen CC1A/B, CC2 en CC3.Op basis van een achtergrondstudie is uiteindelijk in februari2015 de ontwerp-NPR verschenen [3]. In mei 2014 is opverzoek van de minister van Economische Zaken een `InterimAdvies aardbevingsbestendig bouwen' [4] uitgebracht. Deuitgangspunten in dit advies zijn ook gebaseerd op de streef-waarde voor de veiligheid zoals hieronder besproken. Echterde uitgangspunten in het Interim Advies zijn conservatievergeformuleerd dan de uitgangspunten die later in deontwerp-NPR 9998 zijn opgenomen.Betrouwbaarheidseisen aan bouwwerkenDe fundamentele eisen die aan bouwwerken kunnen wordengesteld, hebben een relatie met de mate van beschadiging vande bouwconstructie. Drie grenstoestanden worden onderschei-den:- De bouwconstructie staat vrijwel op instorten (Near Collapse,NC);- Significante beschadiging (Serious Damage, SD);- Schadebeperking (Damage Limitation, DL).In het Interim Advies en de NPR is gekozen voor een nadereuitwerking van het niveau NC, omdat dat een directe relatieheeft met voorkomen van slachtoffers. Daar ligt primair detaak voor de overheid. Er zijn aanwijzingen gegeven als deburger zou willen kiezen voor niveau SD.Voor een willekeurige bouwconstructie kan de fundamentelebetrouwbaarheidseis als volgt worden geformuleerd:De constructie mag de gedefinieerde grenstoestanden, gedu-rende de vastgestelde referentieperiode, met de vastgelegdemate van betrouwbaarheid, niet overschrijden.Voor het beoordelen van de veiligheid van constructies wordenbetrouwbaarheidsniveaus gekoppeld aan een bepaalde referen-tieperiode Tref. Hierbij wordt aangesloten bij de gangbarewaarden in NEN-EN 1990/NB en NEN 8700.Het betrouwbaarheidsniveau wordt in een probabilistischeveiligheidsbeschouwing uitgedrukt in de kans op falen of,gelijkwaardig daaraan, in de betrouwbaarheidsindex . Hetverband tussen beide grootheden wordt gegeven door:Pf= (-) (1)waarin:Pfis de faalkans(..) is de verdelingsfunctie voor de normale verdelingDe hoogte van de betrouwbaarheidsindex wordt bepaald dooroverwegingen van a) economie en b) menselijke veiligheid.Deze worden hieronder toegelicht. Voor de Groningse situatieis uiteindelijk alleen uitgegaan van eisen voor menselijke veilig-heid en zijn geen economische argumenten gebruikt.Economische argumentenIn algemene zin geeft ISO 2394 (1998) suggesties voor destreefwaarde van de betrouwbaarheidsindex voor de levens-duur, als een functie van de gevolgen van falen en de kostenvan de veiligheidsmaatregelen (tabel 1).Tabel 1 Streefwaarde betrouwbaarheidsindex (voor de levensduur) ISO 2394 (1998)relative costs of safetymeasuresconsequences of failuresmall some moderate largehigh 0 1,5 2,3 3,1moderate 1,3 2,3 3,1 3,8low 2,3 3,1 3,8 4,3In Europa wordt in de meeste gevallen globaal de onderste regel(low) aangehouden. Dit vloeit onder meer voort uit kalibratiebe-rekeningen met het verleden. Een uitzondering in Nederlandvormt wind (en vermoedelijk impliciet ook brand) waarvoor demiddelste regel (moderate) is aangehouden. Het lijkt logisch dezeeconomische reductie ook aan te houden bij aardbevingen,prof.dr.ir. Rapha?l SteenbergenTNO / Universiteit Gentprof.ir. Ton VrouwenvelderTNO / TU Delftdr.ir. Nico ScholtenExpertisecentrum Regelgeving BouwVeiligheidsfilosofie bij aardbevingsbelasting1201522geacht. Hierbij wordt de stelregel gehanteerd dat de kans opoverlijden als gevolg van constructief falen of het vrijkomenvan gevaarlijke stoffen, significant lager dient te zijn dan andererisico's die mensen in het dagelijks leven ondervinden. De alge-mene acceptatie is dat de toename van de kans op overlijdendoor constructief falen of vrijkomen van gevaarlijke stoffen,niet groot mag zijn. Anders gezegd: de burger die is blootge-steld aan een plaatsgebonden risico veel kleiner dan 10-4perjaar, zal vroeg of laat vrijwel zeker overlijden door een anderedoodsoorzaak dan constructief falen of vrijkomen van gevaar-lijke stoffen.In Nederland heeft de overheid in het Besluit Externe Veilig-heid Inrichtingen (BEVI, 2004) bepaald dat het plaatsgebondenrisico in principe nergens groter mag zijn dan 10-6. Uitzonde-ring wordt gemaakt voor bestaande situaties, waarin eenbovengrens voor het PR is vastgesteld van 10-5per jaar en wordtgestreefd om een PR van 10-6per jaar te behalen nadrie jaar. In het Bouwbesluit 2012 (BZK, 2011) dat NEN 8700aanstuurt, is voor bestaande bouwwerken een PR vastgelegdvan 10-5(zie NEN 8700 achtergronddocumentTNO-060-DTM-2011-03086).We moeten dus de kans berekenen dat zich op een bepaaldeplaats (een bouwwerk) over een periode van ??n jaar een dode-lijk ongeluk voordoet, als direct gevolg van een aardbeving enindien zich op die plaats iemand bevindt. Hierbij is het niet vanbelang of op die plaats daadwerkelijk een persoon aanwezig is.Deze kans mag op grond van de actuele bouwvoorschriftenniet groter zijn dan 10-5per jaar; meestal is de kans veel kleiner.De kans op overlijden bij een aardbeving kan worden geschrevenals: de kans op instorten van een bouwwerk ten gevolge van deaardbevingsbelasting, vermenigvuldigd met de kans op overlij-omdat ook daar de kosten voor het realiseren van een hogeveiligheid aanzienlijk zijn. Er valt om die reden zelfs een reductienaar de bovenste regel te overwegen. Echter zijn in Nederlandook grenzen te stellen aan de economische reductie in verbandmet overwegingen van menselijke veiligheid.Eisen aan menselijke veiligheidAfgezien van de genoemde economische overwegingen, speci-ficeren autoriteiten een minimaal betrouwbaarheidsniveauzodra menselijke veiligheid in het geding is. Belangrijkste eisdaarin is een minimale vereiste met betrekking tot het indivi-dueel risico; hierop zijn de betrouwbaarheidseisen uiteindelijkgefundeerd.Voor het risico dat een individu loopt, wordt de term plaatsge-bonden risico (PR) gebruikt (ook het individueel risicogenoemd). Het plaatsgebonden risico dient ertoe het individueen basisbeschermingsniveau te garanderen. Bij het plaatsge-bonden risico gaat het om de kans in ??n jaar, die een denk-beeldige persoon loopt om op een bepaalde plek dodelijk teworden getroffen. Het plaatsgebonden risico is een zeer speci-fieke overlijdenskans. De bescherming van de individueleburger wordt hierin tot uitdrukking gebracht als een bepaaldekleine kans op een mogelijke doodsoorzaak. Klein in vergelij-king tot allerlei andere doodsoorzaken waaraan de burgerblootstaat.Als basis voor het bepalen van het persoonlijk acceptabel risicodient de levensverwachting van de Nederlandse bevolking. Uiteen analyse van statistische gegevens is gebleken dat mensen vanjonge of middelbare leeftijd een kans op overlijden in een jaarhebben van 10-4als gevolg ongelukken in het dagelijks leven.Voor bouwkundig falen of ongevallen met gevaarlijke stoffen,worden onevenredig grote risico's voor mensen niet acceptabelthemaVeiligheidsfilosofie bij aardbevingsbelasting 12015 231 Gaswinningsinstallatie in Slochteren, Groningenfoto: NAMPlatform Gaswinning en AardbevingenDe resultaten van het onderzoek van [11] zijn weergegeven intabel 2. Voor metselwerk bouwwerken (brick masonry) wordteen waarde van Pd|f= 0,06 gevonden. In [12] worden vergelijk-bare waarden vermeld, gebaseerd op diverse earthquakedamage databases.Tabel 2 Kansen op overlijden gegeven instorten bouwwerk door aardbeving [11]building type Pd|fadobe buildings 0,06mud wall buildings 0,06nonductile concrete moment frame 0,15precast framed buildings 0,10block or dressed stone masonry 0,08rubble field stone masonry 0,06brick masonry with lime/cement mortar 0,06steel moment frame with concrete infill wall 0,14Bovenstaande informatie dient te worden vertaald naar degevolgklassen zoals deze gangbaar zijn in NEN-EN 1990 enNEN 8700.- CC1B omvat voor het merendeel metselwerk woonhuizen(brick masonry met Pd|f= 0,06). Enkele gebouwen in hetgebied vallen in een andere categorie uit tabel 2 (bijv. framedbuildings met Pd|f= 0,14 of Pd|f= 0,10). Omdat we op zoekzijn naar een gemiddelde Pd|fen de metselwerk woonhuizendomineren, stellen we voor CC1B dat Pd|f= 0,07.- CC2 bevat voornamelijk de grotere bouwwerken (framedbuildings uit tabel 2). Hiervoor stellen we daarom Pd|f= 0,15.Voorbeeld: scholen.- CC3-bouwwerken zijn niet opgenomen in tabel 2. Er wordtgerekend met Pd|f= 0,5.Vooralsnog is echter onzeker of de Nederlandse (metselwerk)bouwwerken qua kans op levensgevaar bij instorting beter ofslechter presteren onder aardbevingsbelasting dan die in voor-noemde onderzoeken.Per gevolgklasse kan dan de uit het oogpunt van veiligheidacceptabele bezwijkkans voor ??n jaar voor een constructiedeelals volgt worden berekend:Pf? Pd|f< 10-5Gevolgklasse 1: Pf 1,43 ? 10-4 3,6Gevolgklasse 2: Pf 6,67 ? 10-5 3,8Gevolgklasse 3: Pf 2 ? 10-5 4,1Het effect van een langere referentieperiode (t) kan als volgtworden verwerkt:CC1B Pf t ? 1,43 10-4 -1{t 1,43 10-4}CC2: Pf t ? 6,67 ? 10-5 -1{t 6,67 10-5}CC3: Pf t ? 2 ? 10-5 -1{t ? 2 ? 10-5}den gegeven de instorting. De kans op instorting van een bouw-werk onder aardbevingsbelasting is afhankelijk van de margetussen de weerstand tegen falen en de belastingen. Deze kans kanworden berekend door het in aanmerking nemen van de kans-dichtheidsfuncties van alle variabelen van de sterkte en de belas-tingen. De verdelingsfunctie van de sterkte wordt bij aardbevin-gen dikwijls de fragility curve (kwetsbaarheidscurve) genoemd,waarin de cumulatieve kans van instorten is weergegeven alsfunctie van de piekgrondversnelling (PGA). Voor de belastingenwordt een functie gebruikt waarbij voor de piekgrondversnellingde overschrijdingskans per jaar wordt weergegeven; deze volgenuit een Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA) zoals dezedoor het KNMI wordt uitgevoerd (KNMI, 2014).De berekening van de kans op overlijden Pdbij de aardbevingwordt dan:Pd= Pf? Pd|f(2)waarin:Pd|fis de kans op overlijden gegeven instortingPfis de kans op instorten van een bouwwerk ten gevolgevan de aardbevingsbelastingIn de literatuur zijn diverse studies naar deze kans Pd|fbeschik-baar. Jaiswal et al (2009) [11] hebben een analyse uitgevoerdvan instortingen door aardbevingen wereldwijd. Voor gebouw-typen uit de Verenigde Staten worden de kansen op overlijdengegeven instorten door aardbeving genomen uit HAZUS(NIBS-FEMA, 2006, with injury severity level 4 at the completedamage state). Voor aardbevingen uit andere landen wordtgewerkt met injury category-5 (deaths) associated with damagegrade D5 (partially or totally collapsed).1themaVeiligheidsfilosofie bij aardbevingsbelasting1201524In de achtergrondstudie van de NPR zijn probabilistischeanalysen uitgevoerd ter bepaling van herhalingstijden van depiekgrondversnellingen en de aan te houden materiaalfactoren.Deze analysen zijn omgeschreven naar semi-probabilistischerekenmethoden om de rekenwaarden te bepalen van de tegebruiken parameters in een aardbevingstoets. Zo wordenherhalingstijden van de piekgrondversnellingen en de aan tehouden materiaalfactoren afgeleid. De basisformules van dezeprobabilistische berekeningen zijn hier weergegeven.De faalkans volgt uit:Formule 3( ) ( )f R PGA= P F x f x dxFormule 5kmdR=fRR02_Formules.pdf 1 10-02-15 10:5202_Formules.pdf 1 12-02-15 09:32(3)Hierin is FR(x) de fragility curve en fPGA(x) is de kansdichtheids-functie van de PGA, berekend in de PSHA door het KNMI.De berekening van de kans op overlijden Pdbij de aardbevingwordt dan:Pd= Pf? Pd|f(4)Het semi-probabilistisch rekenvoorschrift in NPR 9998 is zoafgeleid dat volgens (3) en (4) wordt voldaan aan de eis voorhet individueel risico. De resulterende rekenwaarden voor debelasting (PGA) en de materiaalfactoren zijn in de volgendeparagrafen weergegeven.Herhalingstijden piekgrondversnellingenTabel 4 geeft de herhalingstijden voor de piekgrondversnelling(PGA), te gebruiken in een semi-probabilistische analyse.PiekgrondversnellingenIn het Interim Advies en ontwerp-NPR 9998 is een kaart opge-nomen met piekgrondversnellingen met een herhalingstijd vanIn de achtergrondstudie van de NPR zijn op basis van het indi-vidueel risico op deze wijze betrouwbaarheidsindices afgeleidvoor bestaande bouw (tabel 3). Voor nieuwbouw zijn waardenaangehouden die iets (0,2) hoger liggen.Tabel 3 Waarden voor de minimum referentieperiode en betrouwbaarheidsindices bij aardbevingengevolgklasse minimumreferentieperiodenieuwbouwnverbouwrafkeurenbCC1B 15 jaar 3,0 2,8* 2,8*CC2 15 jaar 3,2 3,0* 3,0*CC3 15 jaar 3,6 3,4* 3,4** is de ondergrens voor menselijke veiligheid, maatgevend voor de grenstoestand NCAls de doelwaarde voor de veiligheid is vastgesteld, is het vervol-gens nodig na te gaan of een bepaald ontwerp of bestaandeconstructie daaraan voldoet. We onderscheiden in dit verbandde probabilistische en semi-probabilistische verificatie.Probabilistische en semiprobabilistischerekenmethodeBij de probabilistische analyse wordt met probabilistische tech-nieken (bijvoorbeeld numerieke integratie of Monte Carlo) defaalkans van een constructie bepaald. Dit gebeurt op basis vanwiskundige modellen van de werkelijkheid en veronderstellin-gen over de kansverdelingen van de verschillende relevantegrootheden (belasting, sterkte). In de meeste gevallen is dit eenerg rekenintensieve procedure.Het alternatief voor de praktijk is de semi-probabilistischemethode (of niveau 1-procedure), waarbij voor alle groothedeneen of meer rekenwaarden worden gedefinieerd. Deze reken-waarden volgen uit de probabilistische analyse. De constructiegeldt als veilig genoeg als deze bij de gegeven modellen nietfaalt onder de set van gestelde rekenwaarden.Tabel 4 Minimum betrouwbaarheid en parameters voor het vaststellen van de ontwerpwaarden van de aardbevingsbelastingbetrouwbaarheidsniveauagevolgklassenieuwbouwbafkeur en verbouwCC1cCC2 CC3CC1cCC2 CC3CC1A CC1B CC1A CC1B - 3 3,2 3,6 - 2,8 3 3,4Tref[jaar] - 50 50 50 - 15 15 15herhalingstijd TNCRbehorende bij PGA [jaar] - 1 200 1 800 3 600 - 800 1 500 3 000aBij de vergelijking van de -waarden moet er rekening mee worden gehouden dat de betrouwbaarheidseis voor nieuwbouw geldt voor een langere periodebOnder nieuwbouw wordt ook verstaan het geheel vernieuwen van een bestaande constructie (= geheel gebouw) en een constructieve renovatie binnencKlasse CC1 is voor aardbevingen opgesplitst in klasse CC1A (geen gevaar voor mensenlevens) en CC1B (gering gevaar voor mensenlevens). Voor CC1A wordtontwerp op aardbevingsbelastingen niet noodzakelijk geacht. Desgewenst kan privaatrechtelijk voor nieuwbouw in CC1A worden uitgegaan van 3,0, 1 en 350voor respectievelijk , Trefen de herhalingstijd. Voor privaatrechtelijke verbouw- en afkeuropgaven kan worden uitgegaan van 1,8, 1 en 200 voor respectievelijk, Trefen de herhalingstijd.Veiligheidsfilosofie bij aardbevingsbelasting 12015 25worden gebracht, moeten de in hoofdstuk 5 tot en met 9 vande ontwerp-NPR beschreven waarden van mwordenaangehouden.Reliability basedDe NPR is door middel van de hier weergegeven benaderings-wijze een reliability based beoordelingsrichtlijn voor bouwwerkenonder aardbevingsbelastingen. Op deze wijze kan het risico voorde bewoner het meest inzichtelijk worden gemaakt. De NPRprobeert daar waar het kan aan te sluiten bij internationale kennisen ontwikkelingen en houdt een scherp oog op het betrouwbaar-heidsdenken. Van groot belang zijn kennis en gebruik van proba-bilistiek, in combinatie met modellen voor aardbevingsbelastingen modellen voor de weerstandsbeschrijving van bouwwerken. LITERATUUR1 NEN-EN 1998-1:2005 Eurocode 8 - Ontwerp en berekening vanaardbevingsbestendige constructies - Deel 1: Algemene regels,seismische belastingen en regels voor gebouwen.2 Vrouwenvelder, A.C.W.M., Scholten, N.P.M., Steenbergen, R.D.J.M.,Veiligheidsbeoordeling bestaande bouw, Achtergrondrapport bijNEN 8700, TNO-060-DTM-2011-03086, december 2011.3 NPR 9998:2015 Ontw. Beoordeling van de constructieve veiligheid vaneen gebouw bij nieuwbouw, verbouw en afkeuren - Grondslagen vooraardbevingsbelastingen: Ge?nduceerde aardbevingen.4 Steenbergen, R.D.J.M., Vrouwenvelder, A.C.W.M., Korff, M., Scholten,N.P.M., Eck, T. van, Voorlopige ontwerpuitgangspunten voor nieuw-bouw en verbouw onder aardbevingsbelastingen ten gevolge vangaswinning in het Groningenveld, NEN, 7 mei 2014.5 NEN 8700:2011 Beoordeling constructieve veiligheid van eenbestaand bouwwerk bij verbouw en afkeuren ? Grondslagen.6 Bouwbesluit 2012, Besluit van 29 augustus 2011 houdendevaststelling van voorschriften met betrekking tot het bouwen,gebruiken en slopen van bouwwerken (Bouwbesluit 2012).Staatsblad 2011, 416, 27 september 2011.7 Steenbergen, R.D.J.M., Vrouwenvelder, A.C.W.M., Scholten, N.P.M.,Veiligheidsbeschouwing aardbevingen, TNO 2013 R12071.8 Eck, T. van, Caccavale, M., Dost, B., Kraaijpoel, D., Probabilistic SeismicHazard Analyses Induced Earthquakes Groningen, KNMI, March 2014.9 Besluit externe veiligheid inrichtingen, houdende milieukwaliteits-eisen voor externe veiligheid van inrichtingen milieubeheer.Staatsblad 204, 250, 27 mei 2004.10 Coburn, A., Spence, R., Earthquake Protection, John Wiley and SonsLtd, 2nd Edition, 2002.11 Jaiswal, K.S., Wald, D.J., Earle, P.S., Porter, K.A., Hearne, M., Earthquakecasualty models within the USGS prompt assessment of globalearthquakes for response (Pager) system. Second InternationalWorkshop on Disaster Casualties University of Cambridge, UK, 2009.12 Spence, R., So, E., Scawthorn, C., Human Casualties in Earthquakes,Progress in Modelling and Mitigation, Spinger, 2011.500 jaar. Verwachting is dat op korte termijn deze kaart wordtaangepast aan de laatste stand van de wetenschap en de inzich-ten zoals die zijn ontstaan na de recente productiebeperkingen.Bijvoorbeeld het met 80% reduceren van de productie bijLoppersum (besluit minister Kamp januari 2014) en het redu-ceren van de productie in het zuidwestelijk deel van het gasveld(besluit minister Kamp december 2014). Ook dienen de effec-ten van de productiestrategie, zoals die door Minister Kamp op9 februari j.l. zijn gepresenteerd, bezien te worden.Omrekening van de waarden op deze kaart naar de volgenstabel 4 vereiste herhalingstijden, kan geschieden door verme-nigvuldiging met belangrijkheidsfactoren Ivolgens tabel 5.Tabel 5 Belangrijkheidsfactoren Ivoor verschillende gevolgklassen en beoordelingssituaties (Near Collapse)gevolgklassebelangrijkheidsfactor Inieuwbouw verbouw en afkeurenCC1A a bCC1B 1,3 1,2CC2 1,5 1,4CC3 1,7 1,6aVoor CC1A worden aardbevingsbelastingen verondersteld niet maatgevend tezijn. Desgewenst kan echter voor nieuwbouw een belangrijkheidsfactor van 0,8worden aangehouden.bVoor CC1A worden aardbevingsbelastingen verondersteld niet maatgevend tezijn. Desgewenst kan echter voor verbouw een belangrijkheidsfactor van 0,6worden aangehouden.Rekenwaarde van de weerstandDe rekenwaarde van de weerstand van het te toetsen element,dient te worden berekend in overeenstemming met de regelsspecifiek voor het gebruikte materiaal. Ze zijn gegeven in dehoofdstukken 5 tot en met 9 van de ontwerp-NPR en de rele-vante Eurocodes. De karakteristieke waarden van de materiaal-eigenschappen fkdienen te worden gedeeld door de parti?lefactor m. De zo bepaalde weerstand van het element dientdaarna te worden gedeeld door de parti?le factor R, overeen-komstig formule (6.6) van NEN-EN 1990:Rd= R (fk/ m) / R (5)waarin:Ris de parti?le factor voor de weerstand van het element: 1,1voor CC1B, 1,2 voor CC2 en 1,3 voor CC3. Opgemerktwordt dat het hier niet gaat om de materiaalfactor m(waarmee vloei of breukspanning wordt gereduceerd), maarom de parti?le factor Rvoor de sterkte uitgedrukt in dePGA waarbij bezwijken optreedt.mis de parti?le factor voor de materiaaleigenschappen, waarbijvoor mde waarde 1,0 kan worden aangehouden als degra-datie-effecten expliciet in rekening worden gebracht. Indiendegradatie-effecten niet via een expliciet model in rekening