Windbelasting Op slanke bouwwerken

Transcriptie

1 s tichting ouw esearch Windbelasting Op slanke bouwwerken de theorie getoetst door middel van praktijkmetingen

2 rapporteur: ir. H. A. Ph. van Roosmalen Rijksgebouwendienst

3 stichting houwij[fesearch Wind belasting op slanke bouwwerken de theorie getoetst door middel van praktijkmetingen Rotterdam, 1990

4 De stichting stelt zich ten doel: a. in de bouwnijverheid produktiviteit en kwaliteit te verhogen, en de continuïteit in de werkgelegenheid te bevorderen; b. de kennis op het terrein van de bouwnijverheid te vergroten en te verspreiden naar en binnen alle organisaties waarmede de stichting een relatie onderhoudt; c. voorts al hetgeen dat met een en ander rechtstreeks of zijdelings verband houdt of daartoe bevorderlijk kan zijn, alles in de ruimste zin des woords. De stichting en degenen die aan deze publikatie hebben medegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het verwerken - volgens de huidige stand van wetenschap en techniek - van de in deze publikatie vervatte gegevens. Nochtans moet de mogelijkheid dat zich toch onjuistheden in deze publikatie zouden bevinden niet worden uitgesloten. Degene die van deze publikatie gebruik maakt, aanvaardt daarvoor het risico. De stichting sluit, mede ten behoeve van degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van informatie in deze publikatie. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de Stichting Bouwresearch. No part of this book may be reproduced in any form by print, photoprint, microfilm or any other means without written permissioil from the Stichting Bouwresearch.

5 3 INHOUD WOORD VOORAF 4 SAMENVATTING 6 SUMMARY 8 SYMBOLEN 10 1 INLEIDING 11 2 DETOREN 13 3 INSTRUMENTATIE Stapbelasting Inrichting van de proef Meetresultaten 4.2 Windbelasting Inrichting van de proef Meetresultaten 5 RESULTATEN EN CONCLUSIES Algemeen Het windmodel De windbelasting De demping van de toren De fundering De spanningsvariaties in de schacht 33 en de paalkrachtvariaties 6 BEREKENING VAN DE WINDBELASTING MET DE TGB 36 LITERATUUR 38 BIJLAGE 39 Korte beschrijving van de T.N.O.-rapporten B Het meetrapport 39 -Het constructiemodel 39 -De windrespons 40 -Appendix 40

6 4 WOORD VOORAF Er is een toename in het bouwen,van hoge, slanke gebouwen. Hoewel er in het algemeen voldoende kennis aanwezig is, zowel in Nederland als in het buitenland, doen zich in ons land echter bijzondere situaties voor, die extra onderzoek noodzakelijk maken. Wij kennen immers de combinatie van veel wind, een bodem met weinig draagkracht en hoge grondwaterstanden, dus funderingen op lange palen. Daarnaast is er het probleem dat het rekenen aan dynamische effecten van (wind)belastingen bij gebouwen meestal slechts mogelijk is door van benaderingen gebruik te maken. Om te kunnen rekenen aan gebouwen moet schematisering tot een rekenmodel plaatsvinden. Dat model wijkt meer af van de werkelijkheid naarmate de constructie complexer is. Het is dan ook van groot belang de gehanteerde rekenmodellen te toetsen aan de werkelijkheid. De bouw van de straalverbindingstoren te Hoorn bood een unieke kans om zo'n toetsing uit te voeren. Van een toren met een eenvoudige vorm, geconstrueerd uit een relatief homogeen materiaal als voorgespannen beton, kan de dynamische respons op de windbelasting met vrij grote betrouwbaarheid worden voorspeld. Wel blijft het gedrag van de fundering natuurlijk enigszins onzeker. Naast de belasting door het eigen gewicht is de windbelasting de meest belangrijke. Tijdens de uitvoering van de bouw van de straalverbindingstoren in Hoorn, met een hoogte van 70 m en een diameter van 3 m, is voor deze toetsing meetapparatuur aangebracht, zowel in de paalfundering als onderin de toren. Aan het onderzoek hebben bijgedragen, in geld en/of in mankracht: - Grondmechanica Delft ir. C.E.H.M. Buijs, ir. W.J. Heijnen - Rijksgebouwendienst, hoofdafd. Constructie ir. H.W. Kliffen, ir. H.A.Ph. van Roosmalen, ing. J.P. Pover (tevens student TU Delft) - Rijkswaterstaat, afd. Bouwspeurwerk - TNO-IBBC ir. P. van Brederode, E. de Gruyter, ir. P. van Staalduinen prof. ir. A.C.W.M. Vrouwenvelder, J. van Zoest - TU-Delft, faculteit der civiele techniek ir. J. Albert, prof. dr. ir. J. Blaauwendraad ir. H.A. Dieterman, E. Romeijn (student) ir. J.M.J. Spijkers, prof. ir. A.F. van Wee Ie

7 Het onderzoek resulteerde in een viertal TNO-rapporten, lit. 2 tlm 5 en in een afstudeerverslag van ing. J.P. Pover en E. Romeijn. In de bijlage van oeze publikatie is een kort verslag van genoemde rapporten opgenomen. In de reeks SBR-publikaties over funderingen verschenen tot nu onder meer de volgende publikaties: 5 SBR-B28-1 SBR-149 SBR-171 SBR-192 Metingen aan funderingen van gebouwen Richtlijnen voor paalfunderingen; ontwerp en uitvoering van op druk belaste palen, ingebracht met grondverdringing Richtlijnen voor avegaarpalen, ontwerp en uitvoering Richtlijnen voor funderingen op staal; ontwerp en uitvoering Andere publikaties zijn in voorbereiding of worden herzien. De samenstelling van de studie-adviesgroep was als volgt: voorzitter coördinator leden rapporteur ir. W. Stevelink ir. P.K. van der Schuit ir. W.J. Heijnen ir. E.J. Huiden ir. G.J.H. Vergeer prof. ir. A.F. van Weele ir. H.A.Ph. van Roosmalen Grondmechanica Delft SBR Grondmechanica Delft Nederhorst Grondtechniek en KIVI, afd. geotechniek CUR-liaison Technische Universiteit Delft Rijksgebouwendienst De commissie hoopt met dit rapport bij te dragen tot meer inzicht in de respons van slanke bouwwerken op de dynamische belasting door wind. Gezien het belang van dit onderzoek voor de bouw, heeft de studieadviesgroep Funderingen besloten de resultaten voor een brede kring belanghebbenden toegankelijk te maken door naast de genoemde rapporten deze samenvattende SBR-publikatie uit te brengen. ir. W. Stevelink, voorzitter studie-adviesgroep Funderingen.

8 6 SAMENVATTING / Omtrent de dynamische respons van gebouwen op windbelasting is onvoldoende kennis aanwezig. De tot nu toe beschikbare gegevens zijn afkomstig van proeven op schaalmodellen, die in een windtunnel zijn geplaatst. Het is dan ook van groot belang om de rekenregels van de oude TGB en de binnenkort te publiceren NEN 6702: TGB-1990 'belastingen en vervormingen' te toetsen aan een eenvoudige gebouwvorm, zoals een slanke toren, die door 'echte' wind wordt belast. Tijdens de bouw van de straalverbindingstoren te Hoorn zijn daartoe meetinstrumenten aangebracht. Dit werd gedaan met het doel een antwoord op de volgende vragen te verkrijgen: 1. Zijn windvlagen meetbaar, ook in de palen? 2. Zo ja, zijn deze zo belangrijk dat zij in de berekening moeten worden betrokken? 3. Hoe groot is de windbelasting waarop de toren moet worden berekend? Meer specifiek: hoe groot zijn de wjridvormfactoren? 4. Hoe groot is de demping? In deze publikatie zijn de resultaten samengevat van een meetprogramma dat is uitgevoerd aan een toren van voorgespannen beton. Met name de uitwerking van de meetresultaten bleek een omvangrijke en moeilijke taak. De volledige verantwoording van het onderzoek is vastgelegd in TNO-rapporten (Iit. 2 Um 5). De responsie van de toren op een kunstmatig aangebrachte stapvormige belasting is gemeten. De toren is daartoe met een kabel, bevestigd aan de top, uit de evenwichtsstand getrokken en vervolgens plotseling losgelaten. Het bleek daarbij mogelijk de laagste eigen frequentie en de demping via metingen nauwkeurig vast te stellen. Op basis van die gegeyens kon een betrouwbaar model van de constructie worden opgesteld. Daarna zijn metingen verricht bij windkracht 6 à 7 volgens de schaal van Beaufort. Gemeten zijn windsnelheden, versnellingen, rekken, verplaatsingen van de paalkoppen en krachten in de palen. De windsnelheid, die voor de toetsing van de grenstoestanden ongeveer twee maal zo hoog moet worden genomen als de tijdens deze metingen opgetreden windsnelheden, maakt een directe vergelijking tussen meetgegevens en rekenregels onmogelijk. Teneinde een dergelijke, vergelijking toch mogelijk te maken zijn de dynamische

9 7 vergrotingsfactoren in de voorschriften en het model vergeleken voor een situatie met identieke invoergegevens. Daarbij bleek de overeenstemming goed, met een kleine onderschatting van de vergrotingsfactor in de TGB's. Met het opgestelde rekenmodel bleken de relaties tussen de verschillende gemeten grootheden in het algemeen goed te kunnen worden beschreven. Een vrij compleet beeld van het verband tussen de karakteristieken van de,. wind en de responsieparameters van de toren kon worden opgebouwd. Bij een gegeven windsnelheid wordt de windbelasting voor een belangrijk deel bepaald door de waarde voor Ct. Berekend werd dat voor de toren, met een uitwendige diameter van 3,00 m, deze grootheid tijdens de metingen tussen 0,2 en 0,5 lag. Deze waarden stemmen redelijk overeen met resultaten uit windtunnelmetingen. De TGB-1972 eist een waarde van 0,4; de TGB-1990 vraagt voor de onderhavige constructie 0,7. Dat kan een veilige bovengrens worden genoemd. Volgens de voorschriften zou voor de materiaaldemping een waarde van 0,02 (beton) kunnen worden aangehouden. De metingen gaven een waarde van gemiddeld 0,007 aan. Op dit punt is het voorschrift dus aan de onveilige kant. Analyse toonde aan dat de demping vrijwel geheel door de fundering werd veroorzaakt. De toren zelf had nauwelijks enige demping. Als de toren in staal zou zijn uitgevoerd zouden gelijke resultaten zijn verkregen, omdat de gladheid van de geprefabriceerde beton-elementen die van een staaloppervlak benadert. In tegenstelling tot wat algemeen werd verwacht, werden tijdens de metingen ook in de funderingspalen rek- en spanningswisselingen waargenomen. Zij waren van dezelfde orde van grootte als die in de torenschacht. Met de uit dit onderzoek verkregen resultaten wordt het praktisch inzicht van de bouwtechnische ontwerper in de effecten van belasting door wind van slanke constructies vergroot. In hoofdstuk 6 is de berekening van de windbelasting op de toren uitgevoerd, zowel met de TGB-1972 als met de binnenkort uit te brengen TGB In hoofdstuk 5 zijn de belangrijkste resultaten en conclusies weergegeven.

10 8 SUMMARY Still insufficient knowledge exists about the dynamic response of buildings to windloads. The information available prior to this report originates from scale model tests carried out in windtunnels. In view of this lack of data it is very important to check the methods of calculation given in the TGB-1972 and the shortly to be published NEN 6702: TGB (NEN= Dutch Building Standards). The checks should preferably be made for a simple building shape, such as a slender tower, which is loaded by the 'real' wind. The transmitter tower at Hoorn is such a check. During the construction of this tower many measuring instruments have been installed in order to obtain answers to the followingquestions : 1. Can the effect of wind gusts on the structure and the foundation piles be measured? 2. If so, are these effe cts sufficiently important to be taken into account in the calculations? 3. What strength of wind has to be taken into account in the design of this tower? More specifically, how large are the wind-shape factors? 4. How large is the damping? This publication includes a summary of the results of measurements made on this tower of prestressed concrete. The working out and interpretation of the measurements appeared to be particularly complicated and difficult. A full account of the investigation is given in various TNO-reports (refs. 2 to 5 inclusive). The response of the tower to an artificially applied step-ioad was measured. This step-ioad was applied by pulling the tower with a cable attached to the top of the tower. The tower out of its equilibrium position was th en suddenly released and the response monitored. It appeared possible to determine the lowest natural frequency and the damping from the measurements accurately. Areliabie numerical model of the structure was set up with the information obtained. In subsequent tests measurements were taken at winds of Beaufort Scale 6 and 7. The wind speeds, accelerations, strains, displacements of pile heads and forces in the piles were measured. Since the wind speed for the verification of the limit states in the design should be about two times the value which occurred during the measurements, it was not possible to make a direct comparison between the measurements and the values mentioned in the building regulations (NEN 6702).