Geotechnisch ontwerp Dempende paalfundering

Transcriptie

1 Geotechnisch ontwerp Dempende paalfundering Jasper Vosdingh Bessem Fugro GeoServices B.V. ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - onderwerpen - Resumé aanleiding voor funderingsherstel Berekening funderingsdrukken Toetsing huidige fundering (op staal) Ontwerp paalfundering 1

2 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - resumé - Aanleiding voor het funderingsherstel zijn de gemeten zakkingsverschillen van de kolommen alsmede het scheefzakken van de kerktoren. bron: Constructiebureau De Prouw BV ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - funderingsdrukken - Uitgangspunten bepaling funderingsdrukken: De belasting in de huidige situatie (grenstoestand 2) bedraagt kn (Hierbij is de berekening van Ingenieursbureau Starmans bv, rapport nummer W 1861 gehanteerd als uitgangspunt). Deze belasting wordt tevens gebruikt voor zettingsberekeningen in de situatie na funderingsherstel. Door verzakking van de kerktoren, treedt de belasting excentrisch op : 113 mm in de richting van de gevel aan de westzijde 89 mm in de richting van de gevel aan de noordzijde De belasting werkt alleen in verticale richting 2

3 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - funderingsdrukken - Tabel: Bepaling van de excentriciteit van de belasting op de fundering, door scheefstand van de toren Onderdeel Hoogte [m t.o.v. mv] ΔF s;rep [kn] u xx;bk [mm] u xx;gem [mm] ΔM x [knm] u yy;bk [mm] u yy;gem [mm] ΔM y [knm] Torenspits+zolder (33,77 ± 39) Metselwerk (33,77 25,77) Metselwerk (25,77 14,07) Metselwerk (14.07 m.v.) Fundering (m.v ) F s;rep e L M x e B M y Totaal waarbij : ΔF s;rep u xx;bk u yy;bk u xx;bk u yy;bk ΔM x F s;rep M x M y e L e B Representatieve waarde van de verticale belasting per onderdeel van de toren Gemeten uitwijking ijki aan de bovenkant van dit onderdeel d in de richting van de westgevel Gemeten uitwijking aan de bovenkant van dit onderdeel in de richting van de noordgevel Gemiddelde uitwijking van dit onderdeel in de richting van de westgevel Gemiddelde uitwijking van dit onderdeel in de richting van de noordgevel Representatieve waarde van het moment op de toren in de richting van de westgevel Representatieve waarde van de totale verticale belasting van de toren Representatieve waarde van het totale moment op de toren in de richting van de westgevel Representatieve waarde van het totale moment op de toren in de richting van de noordgevel Excentriciteit van de belasting van de toren in de richting van de westgevel: e L = M x / F s;rep Excentriciteit van de belasting van de toren in de richting van de noordgevel: e B = M y / F s;rep ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - funderingsdrukken - Om de spanningen onder de toren te kunnen bepalen dient het funderingsoppervlak te worden bepaald. Hierbij zijn de volgende aannames gedaan : Het effectieve funderingsoppervlak wordt begrensd door de rand van de balken. De daaronder liggende takkenbossen en stierenhuiden hebben onvoldoende sterkte om spanningen verder te spreiden en worden derhalve niet meegenomen in het funderingsoppervlak. Hiermee wordt het funderingsoppervlak 14,8 m x 16,6 m (O-W x N-Z). De spanningsverdeling is op twee manieren bepaald : Methode 1: Volgens de NEN 6744 waarbij het gehele funderingsoppervlak is meegenomen als draagvlak (optimistisch). Methode 2: Met behulp van het weerstandsmoment, waarbij het funderingsoppervlak is beschouwd als vier aaneengesloten funderingstroken. Hierbij is de draagkracht getoetst onder de strookvormige belasting ter plaatse van een enkele funderingstrook (realistisch). Hierbij is de lengterichting (N-Z) maatgevend omdat de funderingstroken in deze richting smaller zijn, en dus de draagkracht van de stroken geringer. 3

4 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - funderingsdrukken - Methode 1 NEN 6744 B L ef ef = B 2e = 14,8 2 0,113 = 14,6m B = L 2e = 16,6 2 0,089 = 16,4m L Fs; rep σ s; max; rep = = = 292 kpa B L 14,6 16,4 ef ef 2e B B eff Onze Lieve Vrouwe Kerk Kerktoren Geometrisch F s centrum Fundering bovenaanzicht 13 m 14,8 m Y X 13 m 16,6 ml eff e L 2e L F s Fundering dwarsdoorsnede σ s;ma x 2e L Spanningsverdeling ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - funderingsdrukken - Methode 2 Weerstandsmoment excl. middengedeelte WB = LB LmBm = 16,6 14,8 7,9 4,7 = = 577m WL = BL BmLm = 14,8 16,6 4,7 7,9 = = 634m Fs; rep M y; rep M x; rep σ s;max; rep = + + = + + B L B L W W 14,8 16,6 4,7 7, σ s;max; rep m m = 334,8 + 13,6 + 9,8 = 358kPa σ B L s;max; strook; rep 16,6 4,1 = 334,8 + 9,8 = 342kPa 16.6 Onze Lieve Vrouwe Kerk Kerktoren 4,7 m F s 4,6 m 7,9 m 4,1 m 13 m 14,8 m Fundering bovenaanzicht Y X 13 m 16,6 me L F s Fundering dwarsdoorsnede Spanningsverdeling σ s;max σ s;gem 4

5 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - toetsing - Draagkracht bestaande fundering (BGT) Voor de berekening van de draagkracht zijn de volgende uitgangspunten gehanteerd aangaande de bestaande fundering : De kerktoren is aangelegd op een fundering op staal Het constructieve aanlegniveau van de fundering bevindt zich op een niveau van circa NAP - 1,6 m. De grondwaterstand bevindt zich op een niveau van NAP -1,7 m, oftewel circa 0,1 m onder het constructieve aanlegniveau van de fundering. Het maaiveld ter plaatse van de kerktoren bevindt zich op NAP + 2,5 m. Het maaiveld loopt af onder een helling van ca 1 in de richting van de verzakking. Het is mogelijk dat de ligging boven het grondwater houtrot veroorzaakt. Op basis van het uitgevoerde funderingsonderzoek is echter geconstateerd dat over het algemeen de funderingsbalken nog in goede staat verkeren. ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - toetsing - Bij de berekening van de draagkracht zijn drie gevallen beschouwd : 1. bezwijken van de grond direct onder het aanlegniveau 2. bezwijken vanwege doorponsen van de veenlaag op NAP - 3,3 m, vanuit de zandige kleilaag erboven. 3. bezwijken door squeezing van de veenlaag tussen NAP - 3,3 m en NAP - 5,4 m 5

6 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - toetsing - Tabel: Representatieve waarden van de belasting en de draagkracht van de fundering van de kerktoren z 0 [m + NAP] σ max;rep [kpa] σ v;z;o;rep B ef x L ef σ s;max;re Δσ s;rep Mechanisme [kpa] [m] p [kpa] [kpa] 1. bezwijken -1,6 m 60 14,6 x 16, ) 342 2) doorponsen -3,3 m 73 15,1 x 16, ) 303 2) squeezing -1,6 tot -5,3 m 60 14,6 x 16, ) 342 2) Waarbij : z 0 Niveau van het te toetsen (fictief) funderingselement σ v;z;o;rep Effectieve verticale grondspanning direct naast de fundering op het fictieve funderingsniveau B ef x L ef Effectieve oppervlak van het fictief funderingselement uitgaande van belastingspreiding onder 8 met de verticaal, inclusief excentriciteit van de belasting σ s;max;rep Representatieve waarde van de belasting op het fictief funderingsniveau : 1) Bepaald met methode 1 NEN 6744 (optimistisch) 2) Bepaald met methode 2 Weerstandsmoment (realistisch) σ max;rep Representatieve waarde van de draagkracht bepaald op het fictief funderingsniveau volgens NEN (bezwijken), (doorponsen) en (squeezing) Δσ s Representatieve waarde van de benodigde draagkracht door aanvullende maatregelen. De berekening van de draagkracht en belasting met representatieve waarden geeft aan dat de kerktoren in de gebruikstoestand stabiel is, wat strookt met de werkelijkheid. ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - toetsing - Tabel: Rekenwaarden van de belasting en de draagkracht van de fundering van de kerktoren Mechanisme z 0 [m + NAP] σ v;z;o;d [kpa] B ef x L ef [m] 1. bezwijken -1,6 m 60 14,6 x 16,4 2. doorponsen -3,3 m 73 15,1 x 16,9 3. squeezing -1,6 tot -5,3 m 60 14,6 x 16,4 σ s;max;d [kpa] σ max;d [kpa] 351 1) 411 2) 323 Δσ s;d [kpa] ) 359 2) ) 411 2) 327 Waarbij : z 0 Niveau van fictief funderingselement σ v;z;o;d Effectieve verticale grondspanning direct naast de fundering op het fictieve funderingsniveau B ef x L ef Effectieve oppervlak van het fictief funderingselement uitgaande van belastingspreiding onder 8 met de verticaal, inclusief excentriciteit van de belasting σ s;max;d Rekenwaarde van de belasting zoals bepaald in paragraaf 3.2, op het fictief funderingsniveau, waarbij een belastingfactor van 1.2 is toegepast : 1) Bepaald met methode 1 NEN 6744 (optimistisch) i 2) Bepaald met methode 2 Weerstandsmoment (realistisch) σ max;d Rekenwaarde van de draagkracht bepaald op het fictief funderingsniveau volgens NEN (bezwijken), (doorponsen) en (squeezing) Δσ s Rekenwaarde van de benodigde draagkracht door aanvullende maatregelen

7 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - toetsing - Conclusies: Het gehanteerde veiligheidsniveau zoals voorgeschreven in NEN 6744 voor funderingen op staal wordt niet gehaald. Dit geeft aan dat er onvoldoende veiligheid is om te garanderen dat de kerktoren geen schade zal ondervinden, gegeven en veranderende omstandigheden. De toren is het dichtst bij bezwijken volgens het mechanisme van squeezing (wegpersen van de slappe grondlagen) tussen NAP -1,6 en NAP -5,3 m, of door onvoldoende draagkracht direct onder de fundering. Doorponsen van de tweede veenlaag op niveau NAP -3,3 m is niet het maatgevende mechanisme. Er is geen directe aanleiding waardoor de huidige belastingssituatie zou veranderen en leiden tot bezwijken. De toenemende excentriciteit van de toren speelt slechts een kleine aandrijvende rol. Ongelijkmatige zetting door kruip van de slappe grond onder de fundering zal de belangrijkste oorzaak zijn van schade. ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - toetsing - Uit de berekening volgt een benodigd extra draagvermogen van 28 kpa, volgens methode 1, oftewel NEN 6744, waarbij de funderingsbalken samen als plaat fungeren. Indien de meer realistische benadering wordt gehanteerd van berekeningsmethode 2, waarbij de ruimte middenin de toren niet als fundering wordt beschouwd, bedraagt het benodigde extra draagvermogen maximaal 88 kpa. 7

8 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - ontwerp - Paaldraagvermogens ter plaatse van de kerktoren zijn bepaald met de volgende uitgangspunten : berekeningsmethode volgens NEN 6743; grondgesteldheid afgeleid uit sondering , DKM-3. gedrukte stalen buispalen (Walinco of gelijkwaardig) g) met gesloten punt, waarbij : α p = 1,0 α s = 0,010 de bovenkant van de draagkrachtige zandlaag bevindt zich op NAP -5,2 m, in eerste instantie wordt uitgegaan van een paalpuntniveau van NAP -5,7 m (0,5 m in de zandlaag). palen wordt niet voorgespannen. geen negatieve kleef ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - ontwerp - Tabel: Paalpuntdraagvermogens Paaltype Niveau [m +NAP] F r;max;rep [kn] Gedrukte stalen buispaal (Walinco of gelijkwaardig) Ø 273 mm ,7 529 Concept palenplan Fundering bovenaanzicht Ø 324 mm - 5,7 632 Ø 355 mm - 5,7 739 Ø 406 mm - 5,7 874 Ø 273 mm - 6,7 532 Ø 324 mm - 6, Onze Lieve Vrouwe Kerk Ø 355 mm - 6,7 795 Ø 406 mm - 6, Kerktoren ,8 m Ø 273 mm - 7,7 769 Ø 324 mm - 7, Ø 355 mm - 7, Ø 406 mm - 7, Gedrukte stalen buispaal Ø 273 mm Paalpuntniveau NAP -5,7 m (14 stuks) 16,6 m 8

9 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - ontwerp - Veerconstante volgens NEN 6743 voor grenstoestand 2 Veerconstante stalen buispaal Deq Lpaal Lwrijving Aschacht = 273 mm = 8.2 m = 0.5 m = m2 60 Ep;mat = MPa Fr;max;pnt;rep = 496 kn Fr;max;sch;rep = 33 kn Fr;max;rep = 529 kn 50 Veerconstante Veerconstante K [MN/m] Paalbelasting Fs;tot;rep = 495 kn NEN6743 LZ diagram versie: MS Draagkracht Fr,max;d en paalbelasting Fs,tot;rep [kn] ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie - Verificatie m.b.v. Plaxis 2D (stappenplan) 1. Bepalen van de geometrie van fundering en toren, en de grootte en excentriciteit van de torenbelasting 2. Eerste inschatting maken van de stijfheid van de slappe lagen onder de fundering. 3. Een 2D-model opstellen voor de N-Z doorsnede en de O-W doorsnede van de kerktoren, 4. De excentriciteit van de belasting blijkt, bij een realistische stijfheid van de grond, niet voldoende om de gemeten scheefstand te veroorzaken. Daarom wordt iteratief gezocht naar een verschil in grondstijfheid die de huidige scheefstand kan veroorzaken (factor α). 5. De kruip van de fundering wordt vervolgens gesimuleerd door een gelijkmatige afname in de stijfheid van de grondparameters. Afname wordt bepaald door iteratief de stijfheid te verlagen totdat de gemiddelde zakking van de fundering wordt bereikt, zoals die is gemeten tussen 2003 en 2006 (factor β). Bovendien moet deze afname lijden tot dezelfde rotatie van de fundering zoals gemeten. Zo niet dan is de aanname van de stijfheid van de grond onjuist en dient deze te worden aangepast en stap 4 en 5 opnieuw doorlopen. 6. De kruip over 3 jaar wordt geprojecteerd naar 2009 (3 jaar) en 2036 (30 jaar), om de verwachte zakking en rotatie te bepalen. 7. De kruip over 3 jaar wordt geprojecteerd naar 2009 (3 jaar) en 2036 (30 jaar), na plaatsen van palen. 8. De belasting en verplaatsing gevonden in 7 worden getoetst. 9

10 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie Er mag redelijkerwijs worden aangenomen dat de scheefstand wordt veroorzaakt door verschil in stijfheid van de grond onder de fundering. De grond aan de zijde van de Onze Lieve Vrouwe Kerk is waarschijnlijk stijver door de (voor)belasting van de kerk. θ 0 F M=F e x Δw F M Δθ E stijf E slap βe stijf βe slap Draagkrachtige laag Draagkrachtige laag E stijf =(1+α)E gem E slap =(1-α)E gem θ 0 Initiële scheefstandsmeting gevel 2003 Δθ Gemeten rotatie fundering Δw Gemeten zakking fundering E gem Gemiddelde stijfheid van de slappe grondlagen [te ijken parameter] α Verschil in grondstijfheid [te ijken parameter] β Stijfheidsreductie door kruip (3 jaar) [te ijken parameter] ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie - De volgende uitgangspunten zijn gehanteerd in het Plaxis 2D model : De fundering kan in een 2-dimensionaal model worden gemodelleerd als twee oneindig lange stroken. Er zijn twee doorsneden gemodelleerd, langs de middelloodlijn van de Noordgevel en van de Westgevel. Lineair elastisch grondgedrag (van toepassing op kleine rekincrementen) De stijfheidsparameters zijn gecorrigeerd voor het verticale spanningsniveau. Een gemiddelde h.o.h. afstand van de palen bepaald uit het concept palenplan. (Noord-, Zuid-, Oost- en Westzijde respectievelijk 3,0 m, 4,1 m, 4,5 m en 2,3 m) Een constante paalveerstijfheid van 55 MN/m. 2 Alternatieven doorgerekend: geen actie palen aanbrengen 10

11 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie - Onze Lieve Vrouwe Kerk 1,1 3,0 15 1,5 13,6 15 1,5 1,1 1,2 Fundering bovenaanzicht 3,4 2,8 2,0 Kerktoren 4,0 4,0 2,0 14,8 m Concept palenplan is naar aanleiding van de eerste resultaten aangepast om na zakking een gelijkmatige paalbelasting te verkrijgen en daarmee een gelijkmatige zakking 2,5 25 2,5 2,4 2,0 2,4 3,6 3,8 2,4 16,6 m Gedrukte stalen buispaal Ø 273 mm Paalpuntniveau NAP -5,7 m (15 stuks) Gedrukte stalen buispaal Ø 273 mm (Gewijzigd n.a.v. Plaxis-analyse) Initieel palenplan draagkrachtanalyse ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie - Tabel: Gemeten en voorspelde verplaatsingen rondom de kerktoren Gemeten 2006 (t.o.v. 2003) Voorspeld 2036 (geen actie) Voorspeld 2036 (+palen) Zakking Oostgevel + 2,7 mm + 32 mm + 10 mm Zakking Westgevel + 4,5 mm + 40 mm + 5 mm Ongelijkmatige zakking O-W + 1,8 mm + 8 mm - 5 mm Zakking Noordgevel + 3,9 mm + 41 mm + 8 mm Zakking Zuidgevel + 3,3 mm + 31 mm + 8 mm Ongelijkmatige zakking N-Z + 0,6 mm + 10 mm 0 mm De palen worden niet voorgespannen. Dit heeft als consequentie dat de toren eerst met hetzelfde tempo verder zakt voordat draagkracht aan de palen ontleend wordt 11

12 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie - oost - west richting (A) ZONDER AANVULLENDE WERKZAAMHEDEN (B) NA AANBRENGEN PALEN Verticale Zakking [mm] ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie - noord - zuid richting (A) ZONDER AANVULLENDE WERKZAAMHEDEN (B) NA AANBRENGEN PALEN Verticale Zakking [mm] 12

13 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie - Voorspeld zakkingsverloop tot 2036 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - verificatie - Tabel: Representatieve waarde van de belasting van palen voorspelling voor 2036 Gemiddelde h.o.h. afstand palen Voorspelde belasting 2036 F s;rep [kn/paal] Streefbelasting (draagkracht rep. waarde) F r;rep [kn/paal] [m] Palenrij Oostgevel 4, Palenrij Westgevel 2, Palenrij Noordgevel 3, Palenrij Zuidgevel 4, De palen dienen te worden ontworpen met representatieve waarden, zodat ze niet onbeperkt belasting naar zich toe kunnen trekken, en de draagkracht van de bestaande fundering op staal benut blijft. 13

14 ONZE LIEVE VROUWEKERK KAMPEN - conclusie - Samenvattend kan worden gesteld dat: door een nauwe samenwerking van constructeur en geotechnisch adviseur een optimaal ontwerp wordt verkregen; het kunnen beschikken over langjarige meetgegevens essentieel is voor een goed ontwerp; het langjarig meten en monitoren van gebouwen kan leiden tot een maatwerkoplossing waarbij het gebouw en haar omgeving in acht worden genomen. Kortom: Tijd als duurzaam materiaal Dit project geeft goed aan dat langjarig meten en monitoren ook duurzaam is. Op deze wijze wordt gericht herstel verricht terwijl een alternatief is het volledig op palen zetten. 14