Aardbevingen en gebouwen

Transcriptie

1 Aardbevingen en gebouwen Matthijs de Hertog Introductie Inhoud presentatie Introductie Wat is een aardbeving? Karakteristieken van aardbevingsbelastingen Rekenmethoden Aardbevingsbestendig bouwen 1

2 Introductie Doel presentatie Niet specifiek geotechnisch Algemeen inzicht in gevolgen van toepassen aardbevingsbelastingen bij het ontwerpen/toetsen van gebouwen Achtergrondinformatie bij belastingen op funderingen Introductie 16 Augustus 2012: Aardbeving bij Huizinge (Magnitude 3,6) Zwaarste aardbeving tot dat moment, dichtbij aangehouden bovengrens van 3,9 op schaal van Richter Onderzoek Staatstoezicht op de Mijnen (SodM): Toename seismiciteit als gevolg van Gaswinning in Groningen Verwachting: zwaardere aardbevingen mogelijk dan eerder werd aangehouden Gevolg: Besluit om Nederlandse bouwregelgeving op te stellen omtrent aardbevingen 2

3 Introductie Eurocode 8 Ontwerp en berekening van aardbevingsbestendige constructies Nationale Bijlage Eurocode 8: nog te ontwikkelen, verwachte termijn 3 jaar NPR 9998 als praktische voorloper Nationale Bijlage, verwacht eind 2014 Gevolg: Nieuw belastingsgeval en nieuwe regels voor het ontwerpen van nieuwe bouwwerken en het toetsen van bestaande bouwwerken Wat is een aardbeving? Plotseling vrijkomen van energie in de aardkorst Tectonisch: Verschuiven van platen Geïnduceerd: Inklinken van bodem (door bv. gaswinning) Sterkte van aardbevingen uitgedrukt in: Schaal van Richter (maat voor vrijgekomen energie) Schaal van Mercalli (intensiteit op maaiveld) Gevolgen op maaiveld afhankelijk van diepte en bodemopbouw 3

4 Wat is een aardbeving? Belangrijkste karakteristieken aardbevingsbelasting: Een aardbevingsbelasting heeft een bepaalde frequentie (het is een trilling) Een aardbevingsbelasting bestaat uit een versnelling van de ondergrond Frequentie Eigenfrequentie constructie bepaalt grootte aardbevingsbelasting Aardbevingsbelasting te bepalen middels Elastisch response spectrum [Bron: Nederlands Normalisatie Instituut, Voorlopige ontwerpuitgangspunten voor nieuwbouw en verbouw onder aardbevingsbelasting ten gevolge van de gaswinning in het Groningerveld, NEN 15 mei 2014] 4

5 Frequentie Elastisch response spectrum wordt bepaald aan de hand van bestaande aardbevingssignalen Weergave van de relatieve versnelling van de massa (m) van een één-massa-veer-demper systeem ten opzichte van de ondergrond Frequentie Gebruik van meerdere signalen Elastisch response spectrum is geschematiseerde weergave van response versnellingen uit éénmassa-veer-demper systeem 5

6 Frequentie Response bouwwerk bepaald door de Eigenfrequentie(s) Eigenfrequentie onder andere afhankelijk van stijfheid en massa van de constructie Veranderingen in massa en/of stijfheid van de constructie resulteren in verandering van de aardbevingsbelasting Constructies met gelijke vorm en buitenafmetingen kunnen afwijkend reageren onder aardbevingsbelastingen! Frequentie Input: Fundamentele periode constructie T [s] Output: Vergrotingsfactor voor de versnelling 1.4 (2) (1) 0.7 sec. 6

7 Versnelling Aardbevingen resulteren in versnelling aardoppervlak Basis: Kracht = massa x versnelling (F = m a) Grootte belasting afhankelijk van massa object! Uitbreiding basisvergelijking om dynamische effecten mee te nemen (vergrotingsfactor) Versnelling Versnelling ondergrond (a g ) opgenomen in S d (T 1 ) Middels formules voor Elastisch response spectrum 0 T 1 T B S d T 1 = a g S 1 + T 1 T B T B T 1 T C S d T 1 = a g S T C T 1 T D S d T 1 = a g S 2,8 q T C T 1 2,8 q 2,8 q 1 T D T 1 S d T 1 = a g S 2,8 T C T D q T2 1 7

8 Versnelling Zowel versnelling als frequentie gevat in spectrale acceleratie S d (T 1 ) Eurocode 8: Lateral Force Analysis F b = S d (T 1 ) m l (4.5) F b = base shear force Statisch equivalente aardbevingsbelasting Versnelling Aardbeving middels frequentie en grondversnelling vertaald naar (statische) belasting Aardbevingsbelastingen staan door het Elastisch response spectrum los van de werkelijke te verwachten (maar onbekende) grondversnelling (ground motion recording) Geschikt voor ontwerp van nieuwe bouwwerken en toetsing van bestaande bouwwerken 8

9 Voorbeeld Voorbeeld: Fabrieksschoorsteen Hoogte = 25 meter Buitendiameter = 1,8 meter Variant 1: wanddikte 20 cm, E-modulus = N/mm 2 Variant 2: wanddikte 35 cm, E-modulus = N/mm 2 Variant EI [Nmm 2 ] T (1) S d /a g 1 1, ,51 s 1,94 2 1, (+10%) 0,60 s 1,62 (-16%) Voorbeeld Soortelijk gewicht = 25 kn/m 3 Piekgrondversnelling = 0,2g (aanname) q-factor = 1,0 F b = S d (T1) m l (l = 1,0) Variant S e /a g a g (g) m (kg) F b (kn) M b (knm) 1 1,94 0, ,62 (-16%) 0, (+33%)

10 Voorbeeld Algemene conclusies 1. Identieke vorm en buitenafmeting, afwijkende aardbevingsbelasting! 2. Invloed van zowel de stijfheid als massa op de totale belasting is significant Conclusies voorbeeld fabrieksschoorsteen 1. Stijfheid variant 2 ligt 10% hoger dan bij variant 1 2. Spectrale versnelling variant 2 ligt 16% lager dan bij variant 1 (massa!) 3. Belastingen variant 2 ligt 33% hoger dan bij variant 1 (massa!) Rekenmethoden Voorbeeld gaat uit van eenvoudige rekenmethode In principe 4 rekenmethoden beschikbaar (EN 1998) 1. Lateral Force Analysis = Lineair Statisch 2. Modal Response Spectrum Analysis = Lineair Dynamisch 3. Push-over Analysis = Niet-Lineair Statisch 4. Time-History Analysis = Niet-Lineair Dynamisch Full-scale testing (shake-table test) 10

11 Rekenmethoden Lateral Force Analysis (zie voorbeeld!) Lineair statische methode EN : Lateral Force Analysis (LFA) ASCE: Linear Static Procedure (LSP) Gebruikt equivalente horizontale aardbevingsbelasting F b Proces: Bepaal eigen gewicht (m) en Eigenfrequentie (T 1 ) Bereken spectrale acceleratie S d (T 1 ) en base shear force F b Verdeel base shear force F b over de hoogte van het gebouw en over de verschillende elementen van het gebouw Controleer de elementen op de equivalente statische aardbevingsbelasting Rekenmethoden Lateral force analysis Verdeel base shear force F b over de hoogte van het gebouw en over de verschillende elementen van het gebouw Verdeling middels de vorm van de vervormde constructive volgens de eerste Eigenfrequentie (weer invloed van de Eigenfrequentie!) s i = verplaatsing van massa m i in de eerste Eigenfrequentie 11

12 Rekenmethoden Modal response spectrum analysis Lineair dynamische methode EN : Modal Response Spectrum Analysis (MRSA) ASCE: Linear Dynamic Procedure (LDP) Decompositie van de responsie in verschillende trilvormen (meenemen meerdere Eigenfrequenties) Proces: Creëer een (3D) rekenmodel Bepaal de Eigenfrequenties van verschillende gebouwdelen en verschillende trilvormen Bepaal de zijdelingse belastingen per gebouwdeel/trilvorm Combineer de zijdelingse belastingen (SRSS of CQC) Rekenmethoden Modal response spectrum analysis Eisen EN 1998: Neem alle modes mee welke minstens 5% effective massa mobiliseren Neem zoveel modes mee dat minstens 90% van de massa van het gebouw gemobiliseert wordt Kan resulteren in aanzienlijk aantal (locale) modes Vaak gebruik van software/rekenpakketten 12

13 Rekenmethoden Push-over berekening Niet-lineaire statische methode EN : Non-linear static (pushover) analysis ASCE: Non-linear Static Procedure (NSP) Niet-lineaire berekening middels opgelegde belastingen of vervormingen Doel: Verificatie of herziening oversterkte ratio a u /a 1 (bepalen q-factor) Bepalen plastische bezwijkmechanisme en spreiding schade Beoordelen van bestaande of versterkte gebouwen (EN ) Alternatief voor het ontwerp van gebouwen met lineaire methoden (q-factor aanpak) Rekenmethoden Push-over berekeing Toetsing middels toelaatbare verplaatsingen (EN , Annex B) Proces: Creëer een (3D) rekenmodel en leg verplaatsingen op Bepaal het kracht-vervormings diagram (capacity curve) Transformeer dit diagram naar een equivalent SDOF system Bepaal de toelaatbare verplaatsingen aan de hand van het verplaatsingsspectrum (afgeleid uit het response spectrum) 13

14 Rekenmethoden Time-History analysis Niet-lineaire dynamische methode EN : Non-linear time-history analysis ASCE: Non-linear Dynamic Procedure (NDP) Niet-lineaire berekening middels tijdsdomein registraties (aardbevingssignalen) Zeer specifieke en complexe methode Rekenmethoden 14

15 Interventions Rekenmethoden Vergelijking rekenmethoden Rekenmethoden weergegeven in volgorde van oplopende complexiteit Nauwkeurigheid resultaten (naar verwaching) in omgekeerde volgorde Kosten-baten afweging beschikbare en geschikte rekenmethoden Lateral force analysis 2. Modal response spectrum analysis 3. Push-over analysis 4. Time-history analysis 3 4 Engineering effort (time/ ) aardbevingsbestendig bouwen Algemene regels om de gevolgen van een aardbeving op een bouwwerk zo veel mogelijk te minimaliseren Toepasbaar op zowel nieuwe bouwwerken als bij het toetsen van bestaande bouwwerken 15

16 Principe 1: Reduceer de massa Grootte aardbevingsbelasting in grote mate afhankelijk van de massa van het bouwwerk Lichte (ductiele) bouwmaterialen zoals hout en staal hebben de voorkeur boven (brosse) materialen als metselwerk en (ongewapend) beton Principe 2: Streef naar regelmatigheid in plattegrond Voorkom additionele belastingseffecten door bijvoorbeeld torsie 16

17 Principe 2: Streef naar regelmatigheid in plattegrond Voorkom additionele belastingseffecten door bijvoorbeeld torsie Principe 2: Streef naar regelmatigheid in plattegrond Voorkom additionele belastingseffecten door bijvoorbeeld torsie 17

18 Principe 3: Streef naar regelmatigheid over de hoogte Voorkom zwakke schakels in de draagconstructie Principe 3: Streef naar regelmatigheid over de hoogte Voorkom zwakke schakels in de draagconstructie 18

19 Principe 4: Materialen en details (verhogen ductiliteit) Vorming van een stabiel ductiel bezwijkmechanisme (opnemen energie) in uiterste grenstoestand Geen lokaal bezwijken Bezwijken op geconcentreerde plaatsen plastisch scharnier Sterkte aansluiting > sterkte elementen Principe 5: Continuiteit Stijve schijven vloeren en daken Continuiteit van weerstand biedende elementen tot aan de fundering Voorkom (grote) sprongen of onderbrekingen in het lastpad 19

20 Principe 6: Gelijkmatige verdeling van de draagconstructie Voorkom onregelmatigheden in de draagconstructie Principe 6: Gelijkmatige verdeling van de draagconstructie Voorkom onregelmatigheden in de draagconstructie 20

21 Principe 7: Verdeling van de veranderlijke belasting Plaats hoge veranderlijke belastingen (bijvoorbeeld archief- en opslagruimtes) zo laag mogelijk en zo dicht mogelijk bij het centrum van het gebouw Voorkom additionele belastingseffecten door torsie (plattegrond) Voorkom additionele belastingseffecten door vergrotingsfactor (hoogte) Einde Bedankt voor uw aandacht! 21