Waterreservoir op aardbevingen belast7 201534Waterreservoirop aardbevingenbelast1Verschillende analyses voor waterbassinen pompengebouw in GhanaSchoon drinkwater is geen vanzelfsprekendheid in hetWest-Afrikaanse land Ghana. Lang niet iedereen heefter een aansluiting op het drinkwaternet en water raaktsoms in de leidingen vervuild door onderproductie enelektriciteitsstoringen. In het land worden relatief veelnieuwe waterreservoirs ontwikkeld. Bij het constructiefontwerp ervan moet rekening worden gehouden metaardbevingsbelastingen. Dit artikel gaat in op hetontwerp van een van die reservoirs.Het betreffende project bestaat uit een betonnen drinkwater-reservoir en een hier tegenaan gelegen pompengebouw (fig. 2).Het reservoir is door middel van een middenwand opgedeeldin twee tanks. De waterhoogte in de tanks is in principe altijdeven hoog, door de aanwezigheid van leidingen tussen detanks. In het pompengebouw zijn de pompen opgesteld dievoor het transport van het water zorgen.OntwerpoverwegingenGegeven het doel en de omgeving moet het bouwwerk vooralfunctioneel en maakbaar zijn met de middelen die hier terWaterreservoir op aardbevingen belast 7 2015 35beschikking staan, plus zo kosteneffici?nt mogelijk. Doordat defunctionaliteit voorop staat, valt er wat betreft constructie nietveel te ontwerpen. Toch moeten in de ontwerpfase een aantalbelangrijke keuzen worden gemaakt, zeker omdat de constructiebestand moet zijn tegen aardbevingen.Een belangrijke ontwerpkeuze voor dit gebouw was het wel ofniet aanbrengen van een dilatatie tussen het pompengebouw enhet reservoir. Constructief gezien is een dilatatie wenselijk,omdat het reservoir zwaar is belast en het pompengebouw niet.Het reservoir zal daardoor meer willen zetten. Voor het leiding-werk is het echter noodzakelijk de twee delen aan elkaar vast temaken, omdat de grote verschilzettingen niet door de leidingenkunnen worden opgenomen. Om deze reden is er geen dilatatietoegepast. De consequentie is dat de wand tussen het pompen-gebouw en het reservoir 500 mm dik moest worden. Het water-reservoir wordt ingeklemd aan de wanden van het pompengebouw.In de aansluitende dwarswanden ontstaan door dit momentgrote trek- en drukkrachten. Omdat de wanden van het reservoiren het pompengebouw niet in elkaars verlengde staan, veroor-zaakt dit grote dwarskrachten en momenten in de tussenwand.Berekeningswijze: lateral force methodHet gebouw is op aardbevingen berekend met behulp van de`lateral force method', de meest eenvoudige rekenwijze om aan tetonen dat een constructie aardbevingsbestendig is. Het is eenlineaire methode waarmee de constructie wordt uitgerekend metbehulp van een quasi-statische belasting. Om deze methode temogen gebruiken, moet aan bepaalde voorwaarden wordenvoldaan. Aangezien de constructie een lage eigen periode T1heeft en een vrij regelmatige opbouw, is aan deze voorwaardenvoldaan. Hoewel de aardbeving in deze methode mag wordenbeschouwd als een quasi-statische belasting, is het een misver-stand dat voor het toepassen van deze `simpele' methode dyna-micakennis niet is vereist. Een modale analyse is uitgevoerd omhet dynamisch gedrag van de constructie te begrijpen en deeigen periode T1 te onderbouwen. Daarover later meer.UitgangspuntenDuctility classDe krachten die door aardbevingen in de constructie kunnenworden opgenomen, zijn afhankelijk van de hoeveelheid ducti-liteit die in de constructie aanwezig is. Een hoge ductiliteitbetekent een grotere mogelijke reductie van de belastingen tengevolge van demping door plastische vervorming, maar vraagtmeer aandacht als het gaat om de detaillering van de verschil-lende constructieonderdelen.De ductiliteit wordt in rekening gebracht met een zogenoemdegedragsfactor. Betonconstructies worden in NEN-EN 1998-1 inverschillende ductiliteitsklassen ingedeeld: DCL, DCM en DCH,achtereenvolgens constructies met een lage, een gemiddelde eneen hoge ductiliteit.Gegeven de lokale omstandigheden, is het vanuit praktischoogpunt wenselijk om tot een niet al te ingewikkelde detailleringte komen. Daarom is voor het ontwerp van de waterreservoirsuitgegaan van klasse DCM (Ductility Class Medium). KlasseDCL (Ductility Class Low) wordt in gebieden met gemiddeldeof hoge seismiciteit als niet-economisch beschouwd.Large lightly reinforced wallsBinnen de klasse DCM bestaat de mogelijkheid te kiezen vooreen systeem van `ductile walls' of voor een systeem van `largelightly reinforced walls'. Bij ductile walls wordt ervan uitgegaanMaartje Dijk MScWitteveen+Bos1 Betonnen drinkwaterreservoirfoto's: Siert Meijer2 Ontwerp waterbassin en pompengebouwontwerp: Wim Meulenbrugge3 Bestaand pompengebouw23Waterreservoir op aardbevingen belast7 2015365432100 0,5 1 1,5 2 2,5hor. type 1vert. type 1hor. type 2vert. type 2Sd[m/s2]T [s]beweegt op de fundatie (het zogenoemde `rocking'). Door ditmechanisme verdwijnt ook energie uit het systeem. Door hetkantelen van de gehele constructie wordt de energie uit deaardbeving omgezet in potenti?le energie. De constructieondervindt hiervan weinig schade, aangezien het kantelen ofverplaatsen van de constructie als geheel geen grote krachtenin de verschillende constructieonderdelen oplevert. Aan largelightly reinforced walls worden daarom veel minder zwaredetailleringseisen gesteld dan aan ductile walls.De ontworpen waterreservoirs bestaan uit lange wanden, eenfundatievloer en een dek en voldoen daarmee aan de voor-waarden voor large lightly reinforced walls. Uit de uitgevoerdemodale analyse blijkt dat het rocken van de constructie ookdaadwerkelijk optreedt. Een groot voordeel van de classificatieals large lightly reinforced walls, is, naast de eenvoudigeredetaillering, dat er geen verstijvingen zijn benodigd ter plaatsevan hoekaansluitingen. De wanden kunnen geheel vlak wordenuitgevoerd, wat de kans op vervuiling in het waterreservoir eenstuk kleiner maakt. Omdat de energie niet wordt gereduceerddoor plasticiteit maar door de interactie met de fundatie, zal erook minder blijvende schade zijn door zware aardbevingen.Importance classEurocode 8 maakt gebruik van `importance classes' I t.m. IV.Deze komen niet geheel overeen met de veiligheidsklassen CC1t.m. CC3 uit NEN-EN 1990, maar zijn hieraan wel gerelateerd.De importance class bepaalt de herhalingstijd van de aardbevingwaarmee moet worden gerekend door middel van een impor-tance factor 1. Hoe belangrijker het gebouw, hoe groter deherhalingstijd en dus hoe groter de versnelling waarmee moetworden gerekend. Het is belangrijk dat een drinkwatervoorzie-ning blijft functioneren in geval van een aardbeving. Er bevin-den zich echter normaal gesproken weinig mensen in hetgebouw. Voor dit type gebouw wordt daarom meestal gekozenvoor importance class II of III. In dit geval is voor importanceclass II gekozen, met als overweging dat de voorgeschrevenversnelling op maaiveldniveau van 0,25 g aan de conservatievekant is.Type spectrum en grondclassificatieBij de lateral force method is de quasi-statische belasting op hetgebouw afhankelijk van het elastisch responsspectrum gegevenin NEN-EN 1998-1(fig. 4). De aanwezige ondergrond en demate van seismiciteit hebben invloed op dit spectrum. Er islokaal grondonderzoek verricht, waarbij enkele boringen zijngemaakt en standaard penetratietesten (spt's). NEN-EN 1998-1geeft in tabel 3.1 aan hoe vanuit deze gegevens een keuze moetworden gemaakt voor een grondtype. Deze tabel is echter voorinterpretatie vatbaar. De beschrijving van de boringen levert indit geval een andere classificatie op dan de spt-waarden. Opbasis van `engineering judgement' en het meenemen van anderedat de energie van de aardbeving wordt gereduceerd door hetontstaan van een plastisch scharnier aan de onderzijde van dewand. Bij large lightly reinforced walls (grote lichtgewapendewanden) is het soms lastig een plastisch scharnier te latenontstaan ter hoogte van de fundering. Een kenmerk van eenconstructie met grote lichtgewapende wanden is dat bij eenaardbeving niet alleen de wand, maar de constructie als geheelTabel 3.1 NEN-EN 1998-1ground type description of stratigraphic profile parametersvs,30[m/s]NSPT[blows / 30 cm]cu[kPa]A rock or other rock-like geologicalformation, including at most 5 m ofweaker material at the surface.>800 - -B deposits of very dense sand, gravel, orvery stiff clay, at least several tens ofmetres in thickness, characterised by agradual increase of mechanicalproperties with depth.360 ? 800 > 50 > 250C deep deposits of dense or medium-dense sand, gravel or stiff clay withthickness from several tens to manyhundreds of metres.180 ? 360 15 - 50 70 - 250D deposits of loose-to-medium cohe-sionless soil (with or without somesoft cohesive layers), or of predomi-nantly soft-to-firm cohesive soil.