Meer dan vijftig jaar lang gaswinnen in Groningen heeft de laatste tijd diverse aardbevingen in deze regio tot gevolg gehad. Dit heeft geleid tot uitvoerig onderzoek naar de impact van aardbevingen op de samenleving. Dit onderzoek is echter veelal gericht op bovengrondse constructies. In een afstudeerstudie is gekeken naar de toetsing van een onderdoorgang op aardbevingsbestendigheid. Auteurs:ing. Rens Pater en ing. David-Jan Smeenge ENCI Studieprijs 2015Dit is het eerste artikel in een serie met bijdragen van prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2015. De studie die in dit artikel wordt beschreven, ontving de eerste prijs in de categorie Hogescholen. De jury over deze studie: “[… ] Een actueel en maatschappelijk gezien relevant onderwerp, waarmee de studenten de lat voor zichzelf zeer hoog hebben gelegd. Na een goede literatuurstudie en een statische berekening van verschillende soorten onderdoorgangen is het effect van aardbevingen berekend […]. De gevonden resultaten zijn bijzonder goed geëvalueerd en tonen daarmee een hoge mate van vak volwassenheid aan. Het verslag is zeer goed leesbaar, met een prima gevoel voor de verdeling van de informatie over het rapport en de bijlagen. Al met al een studie op uitzonderlijk hoog niveau waarvoor de jury grote bewondering heeft getoond, met resultaten die bovendien direct toepasbaar zijn voor de praktijk.”
Onderdoorgangen aardbevingsbestendig?2 20162Onderdoorgangenaardbevings-bestendig?Spoorse onderdoorgang in Gronings aardbevingsgebied getoetstOnderdoorgangen aardbevingsbestendig? 2 2016 3Meer dan vijftig jaar lang gaswinnen in Groningenheeft de laatste tijd diverse aardbevingen in dezeregio tot gevolg gehad. Dit heeft geleid tot uitvoerigonderzoek naar de impact van aardbevingen op desamenleving. Dit onderzoek is echter veelal gerichtop bovengrondse constructies. In een afstudeerstudieis gekeken naar de toetsing van een onderdoorgangop aardbevingsbestendigheid.In het afstudeeronderzoek stond de volgende vraag centraal:`Hoe kan een op staal gefundeerde spoorse onderdoorgang inhet aardbevingsgebied van de provincie Groningen wordengetoetst op aardbevingsbestendigheid?' De nadruk lag op hetvergelijken van een analytisch model met een volledig dyna-misch Plaxis-model. Zeer specifieke aspecten ten aanzien vangrondgedrag onder seismische belasting zijn beperktbeschouwd.OnderzoeksopzetOm de onderzoeksvraag te beantwoorden, is allereerst een lite-ratuurstudie uitgevoerd naar aardbevingen, onderdoorgangenen de toetsing van onderdoorgangen. Vervolgens is een spoorseonderdoorgang getoetst in een casestudie. Hierbij is uitgegaanvan drie constructietypen (fig. 1):- monolithische constructie (gesloten gedeelte), waarbij hetdek momentvast is verbonden met de wanden;- opgelegde constructie (gesloten gedeelte), waarbij het dekdoor middel van opleggingen vrij is opgelegd;- open bakconstructie (open gedeelte).Als aardbevingssignaal in de casestudie is de aardbeving op 16augustus 2012 in Huizinge gebruikt. De versnellingen zijn daarmet een tijdsstap van 0,005 s vastgelegd in drie richtingen.Het accelerogram dat is gebruikt als input voor de berekeningenis weergegeven in figuur 2.Om de spoorse onderdoorgang te toetsen, is een ontwerp-aardbevingssignaal benodigd. Om een signaal te verkrijgendat kan worden gebruikt in eindige-elementensoftware, is hetopgeschaald naar de ontwerpwaarde van NPR 9998. De maxi-male versnelling die is opgetreden ter plaatse van Garsthuizenis 0,67 m/s2. Deze is opgeschaald naar de ontwerpaccelaratievan 3,6 m/s2(fig. 3).Het toetsen van een onderdoorgang is in de casestudie op tweemanieren uitgevoerd: quasi-statisch en dynamisch.Quasi-statischIn de quasi-statische toetsing is de dynamische last als gevolgvan een aardbeving geschematiseerd als een extra statische last.Hierbij worden de wanden van een onderdoorgang extra belastals gevolg van verplaatsende grond tegen de wand. Dit isgekwantificeerd door de verschilverplaatsing met de Excelplug-in NERA te berekenen. Deze verschilverplaatsing isomgezet in een kracht op de wand met behulp van de methodeWang. Deze methode bepaalt met behulp van de stijfheid vande wand en de verschilverplaatsing de uitbuiging van de wand.Deze uitbuiging is met behulp van SCIA Engineer omgezet ining. Rens Pater, ing. David-Jan Smeenge1) 1 Drie constructietypen uit de casestudie1) ing. Rens Pater en ing. David-Jan Smeenge zijn met hun studie `Aardbevings-bestendigheid van onderdoorgangen' afgestudeerd aan de Hogeschool Windesheim.Zij werden daarbij begeleid door ir. Renger van de Kamp en ir. Jeroen Bonnes vanArcadis en ir. Peter Bosman en Lukas Xu MSc van Hogeschool Windesheim.ENCI Studieprijs 2015Dit is het eerste artikel in eenserie met bijdragen van prijswin-naars van de ENCI Studieprijs2015. De studie die in dit artikelwordt beschreven, ontving deeerste prijs in de categorie Hogescholen. De jury over dezestudie:"[... ] Een actueel en maatschappelijk gezien relevantonderwerp, waarmee de studenten de lat voor zichzelf zeer hooghebben gelegd. Na een goede literatuurstudie en een statischeberekening van verschillende soorten onderdoorgangen is heteffect van aardbevingen berekend [...]. De gevonden resultatenzijn bijzonder goed ge?valueerd en tonen daarmee een hogemate van vakvolwassenheid aan. Het verslag is zeer goed lees-baar, met een prima gevoel voor de verdeling van de informatieover het rapport en de bijlagen. Al met al een studie op uitzon-derlijk hoog niveau waarvoor de jury grote bewondering heeftgetoond, met resultaten die bovendien direct toepasbaar zijnvoor de praktijk."Meer informatie op www.cementonline.nl/encistudieprijs.monolithischeconstructie opgelegde constructie open bakconstructie1Onderdoorgangen aardbevingsbestendig?2 201642 Accelerogram meetstation Garsthuizen, aardbevingHuizinge 2012bron fig. 2 en 3: KNMI3 Opgeschaald accelerogram meetstation Garsthuizen,aardbeving Huizinge 2012gramma Plaxis 2D. Daarna is het ontwerp-aardbevingssignaalop het model gezet. Vervolgens is geanalyseerd wat de uitwer-kingen zijn van de trillingen op de constructie.StatischEr is ook een statische berekening uitgevoerd waarin eenonderdoorgang is berekend zonder aardbevingsbelasting. Dit isuitgevoerd met Plaxis en met SCIA. Hiermee is inzicht gekregenin de verschillen tussen beide programma's en kan wordenbepaald of de combinatie inclusief aardbevingsbelasting maat-gevend is.ResultatenDe uitkomsten van de berekening met de quasi-statische en dedynamische methode zijn met elkaar vergeleken. Het ginghierbij om de siteresponse, de wandverplaatsingen en demomenten. Alleen de resultaten van een onderdoorgang in eenzandprofiel zijn weergegeven. Het is binnen deze studie nietgelukt een goed model van een kleiprofiel te construeren inPlaxis.SiteresponseHet Plaxis-model (dynamisch) vertoont meer demping dan hetNERA-model (quasi-statisch). De versnelling in het NERA-model wisselt tussen de 2,3 en 3,7 m/s2, in het Plaxis-modelvarieert deze van 1,0 tot 3,6 m/s2(fig. 4). De diepten waaropwordt gedempt of juist opgeslingerd, komen overeen; de piek inde versnelling op ongeveer 15 tot 20 m onder maaiveld is inbeide modellen duidelijk zichtbaar. Ook het opslingeren aanhet maaiveld komt duidelijk naar voren. De versnelling aanhet maaiveld is praktisch gelijk, terwijl onder aan het model er0,8 m/s2verschil zit tussen de twee modellen. Uit een naderebeschouwing is gebleken dat dit vooral werd veroorzaakt dooreen verschillende schematisering van het dempingsgedrag.Relatieve verplaatsingVoor de quasi-statische berekening zijn de relatieve verplaat-singen van de ondergrond die uit NERA voortkomen volgensde methode van Wang omgerekend naar wandverplaatsingen.Voor de dynamische berekening zijn de verplaatsingen bepaaldmet behulp van Plaxis. Gekeken is naar de verplaatsing van debovenkant van de wand. Verondersteld wordt dat het grond-lichaam de wanden naar binnen laat buigen door het relatieveverplaatsingsverschil. De belasting die dit teweegbrengt op dewand is met behulp van de stijfheid te bepalen. De verplaatsingenen de krachten die op de wand werken, zijn weergegeven intabel 1.De dynamische berekening vertoont, in tegenstelling tot dequasi-statische berekening, een verplaatsing van de wand naareen kracht op de wand. De bedding is daarbij gemodelleerd alslineaire veer. De invloed van een aardbeving op de beddings-constante wordt hierin niet meegenomen.DynamischIn de dynamische berekening zijn het grondmodel en deconstructie gemodelleerd met het eindige-elementenpro-051015202530350 10 20 30 400,40,30,20,10-0,1-0,2-0,3versnellingAgrst.e[m/s2]tijd t1[s]tijd t2[s]versnellingAscaled[m/s2]0,40,30,20,10-0,1-0,2-0,30 10 20 30 402344 Versnelling uitgezet tegen de diepte, zandprofiel,resultaten quasi-statisch m.b.v. NERA (a) enresultaten dynamisch m.b.v. Plaxis (b)diepte[m]maximum acceleration [m/s2]0 2 4-0,80-1,00-1,20-1,40-1,60-1,80-2,00-2,20-2,40-2,60-2,80-3,00-3,20-3,40-3,60-3,80-4,00[m/s2]Onderdoorgangen aardbevingsbestendig? 2 2016 5Uit de resultaten komt naar voren dat de aardbevingsbelastingniet maatgevend is voor de uiterste grenstoestand. Dat komtomdat het hier een spoorse onderdoorgang betreft die is bere-kend op hoge rem- en aanzetkrachten. Of dit zal gelden vooralle ondergrondse constructies is niet nader onderzocht in dezestudie.buiten toe (de negatieve waarden in tabel 1). Dit komt doordatde vloer van de opgelegde constructie opbolt als gevolg van dewaterdruk en doordat de vloer momentvast is verbonden metde wanden. De wanden drukken hierdoor tegen de grond aan.Als tijdens een aardbeving de grond van de constructie afbeweegt, zal de horizontale bedding afnemen en de wandverder naar buiten verplaatsen. In de quasi-statische bereke-ning is de bedding als een lineaire veer geschematiseerd; deinvloed van de dynamische belasting is hierin niet meegenomen.De methode Wang is bedoeld om de werkende kracht van eenaardbeving op een monolithische tunnelconstructie te bepalen.Voor de opgelegde of open bakconstructie geeft deze methodedaarom geen goed beeld van de invloed van de aardbeving opde onderdoorgang.MomentVoor de berekening van de momenten in de quasi-statische bere-keningen is de berekende verplaatsing omgezet in een kracht metbehulp van SCIA Engineer. Voor de dynamische berekeningen isgekeken naar de output vanuit Plaxis. De resultaten van de quasi-statische berekeningen zijn weergegeven in tabel 2, de resultatenvan de dynamische berekeningen in tabel 3.De maximale momenten berekend met SCIA zijn hoger danberekend met Plaxis. Omdat in een situatie zonder aardbevingSCIA ook conservatiever is dan Plaxis, is gekeken naar detoename van het moment als gevolg van de aardbevings-belasting.Bij de monolithische constructie komen de toenamen redelijkovereen. Net als bij de relatieve verplaatsingen is dit te verklarendoor het feit dat de methode van Wang (gebruikt voor dequasi-statische berekening) is bedoeld voor tunnels en nietvoor opgelegde constructies of open bakconstructies.Praktische toepassingIn de dynamische berekening wordt de werkelijkheid beterbenaderd dan in de quasi-statische berekening. In Plaxis is hetechter niet mogelijk veiligheidsfactoren mee te nemen en belas-tingscombinaties in te voeren. Een mogelijke methode omhiermee om te gaan, is door de toename van het moment alsgevolg van de aardbevingsbelasting volgens de Plaxis-bereke-ning op te tellen bij de momentenlijn in de statische situatie,bepaald met SCIA. In tabel 4 zijn de resultaten van dezemethode weergegeven.Volgens Eurocode 0 moet w?l worden gerekend met variabelebelasting in de seismische belastingscombinatie ( = 0,45).Volgens de nationale bijlage die ten tijde van het onderzoekwerd gebruikt, hoeft dit niet ( = 0). Beide resultaten zijn intabel 4 weergegeven.Tabel 1 Verschilverplaatsingen van een onderdoorgang met de quasi-statische en dynamischeberekeningsmethodetype constructie quasi-statisch constructie[mm]dynamisch constructie[mm]verschil in constructie[mm]monolitisch 8 0 8opgelegd 10 -8 18open bak 10 -7 17Tabel 2 Momenten zonder en inclusief aardbevingsbelasting quasi-statisch, zandprofieltypeconstructiemoment moment zonderaardbevings-belasting [kNm]maximalemoment incl.aardbevings-belasting [kNm]toenamemomentmonolithisch inklemmingsmoment 581 731 27%veldmoment 481 461 -4%opgelegd inklemmingsmoment 470 776 65%veldmoment 695 592 -15%open bak inklemmingsmoment 450 644 43%veldmoment 507 449 -11%Tabel 3 Momenten zonder en inclusief aardbevingsbelasting dynamisch, zandprofieltypeconstructiemoment moment zonderaardbevings-belasting [kNm]maximalemoment incl.aardbevings-belasting [kNm]toenamemomentmonolithisch inklemmingsmoment 486 603 24%veldmoment 391 413 6%opgelegde inklemmingsmoment 337 486 44%veldmoment 509 696 37%open bak inklemmingsmoment 299 332 11%veldmoment 436 498 14%Tabel 4 Vergelijking maximaal moment, berekening inclusief aardbevingsbelasting = 0 en = 0,45typeconstructiemoment moment UGT[kNm]moment incl.aardbevings-belasting volgensNB ( = 0)[kNm]moment incl.aardbevings-belasting volgensEC ( = 0,45)[kNm]monolithisch inklemmingsmoment 1341 648 833veldmoment 868 478 560opgelegd inklemmingsmoment 1363 531 731veldmoment 1309 557 648open bak inklemmingsmoment 487 483 483veldmoment 606 569 569Onderdoorgangen aardbevingsbestendig?2 201665 Extreme phase acceleration van de spoorse onderdoorgangvan de casestudie in het zandprofiel- Voor het toetsen van een onderdoorgang op aardbevings-bestendigheid is een quasi-statische berekening te beperkt.Het wordt aanbevolen een dynamische berekening uit tevoeren met eindige-elementensoftware zoals Plaxis. Door degevonden toename in krachten en momenten van de aardbe-vingsbelasting in de dynamische berekening te combinerenmet de krachten en momenten van een statische berekening,is het mogelijk de maatgevende belastingscombinatie tebepalen.- De gevonden resultaten in het kleiprofiel staan ter discussie.Deze komen in mindere mate overeen met de resultaten uitliteratuur. In vervolgonderzoek wordt aangeraden te kijkennaar de demping, de grondparameters en het numeriekemodel.- Op basis van de nationale bijlage van NEN-EN 1990 magvoor de variabele belasting van weg- en spoorverkeer tijdenseen aardbeving een van 0 worden toegepast, waardoor detreinbelasting niet hoeft te worden meegenomen. Maar naarverwachting heeft de massa van een trein een grote invloedop de onderdoorgang als die onderhevig is aan een aardbeving.Aangeraden wordt deze factor te heroverwegen en bijvoor-beeld Eurocode 0 hierin te volgen. LITERATUUR1 ASCII tabellen Huizinge. De Bilt, Utrecht, Nederland, KNMI,16 augustus, 2012.2 Kramer, L., Geotechnical Earthquake Engineering. UpperSaddle River, Verenigde staten, Prentice Hall, 1996.ConclusieUit de vergelijking van de momenten blijkt dat de belastings-combinatie inclusief aardbevingsbelasting niet maatgevend isvoor een onderdoorgang, ongeacht de toetsingsmethode diewordt gebruikt. Wel zijn er grote verschillen tussen beideberekeningsmethoden. De quasi-statische berekening is eenvereenvoudiging van de werkelijkheid waarin alleen de krachtenals gevolg van een aardbeving worden meegenomen. De quasi-statische berekening neemt niet alle effecten van een aardbevingmee en is daardoor onvolledig. Zo wordt de afname van debedding als gevolg van een aardbeving in de quasi-statischeberekening niet meegenomen, omdat de bedding is vereenvou-digd tot een lineaire veer.In de dynamische berekening is een analyse uitgevoerd metPlaxis en is zowel het omliggende grondlichaam als deconstructie gemodelleerd. De grond-constructie-interactiewordt hierdoor beter meegenomen in de berekening, wat leidttot een betrouwbaarder resultaat.AanbevelingenUit dit onderzoek komen de volgende aanbevelingen naarvoren:- Voor ondergrondse constructies is het wenselijk te rekenenmet een (aantal) ontwerpaardbevingen in plaats van uitslui-tend een piekgrondversnelling zoals aangegeven in NPR 9998.Hiermee zou beter rekening kunnen worden gehouden metde gevarieerde grondopbouw in de provincie Groningen. Hetis van belang dat hier verder onderzoek naar wordt gedaan endeze wordt opgesteld en/of beschikbaar gesteld.510,09,59,08,58,07,57,06,56,05,55,04,54,03,53,02,52,01,51,0[m/s2]9,006,003,000,00-3,00-6,00-9,00-12,00-15,00-30,00 -27,00 -24,00 -21,00 -18,00 -15,00 -12,00 -9,00 -6,00 -3,00 0,00 3,00 6,00 9.00 12,00 15,00 18,00 21,00 24,00 27,00
Reacties