Prognosemodel trillingshinder

Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving rapport 95-2 Prognosemodel trillingshinder

Postbus 420 2800 AK Gouda Telefoon 01820-39600 CUR 95-2 PROGNOSEMODEL TRILLINGSHINDER Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving

Dit rapport is onder de volgende trefwoorden opgenomen in het CUR-infobestand: demping dynamica gebouwen dynamische belastingen, trillingsbronnen heien overdrachtsfuncties verkeer treinverkeer wegverkeer trillingen demping prognoseltiodellen tri 11ingshinder Auteursrechten Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieen, opnamen of op enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de CUR. Het is toegestaan overeenkomstig artikel 15a Auteurswet 1912 gegevens uit deze uitgave te citeren in artikelen, scripties en boeken, mits de bron op duidelijke wijze wordt vermeld, alsmede de aanduiding van de maker, indien deze in de bron voorkomt.,, Rapport 95-2 "Prognosemodel tri11ingshinder", februari 1995, Stichting CUR, Gouda." Aansprakelijkheid De CUR en degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het samenstellen van deze uitgave. Nochtans moet de mogelijkheid niet worden uitgesloten dat er toch fouten en onvolledigheden in deze uitgave voorkomen. Ieder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risico van de gebruiker en de CUR sluit, mede ten behoeve van al degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze uitgave en de daarin opgenomen gegevens, tenzij de schade mocht voortvloeien uit opzet of grove schuld zijdens de CUR en/of degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt.

VOORWOORD Zwaar wegverkeer, railverkeer, heiwerkzaatnheden alsmede zware industriele installaties en machines kunnen trillingen in de bodem veroorzaken. Deze trillingen breiden zich via de bodem uit naar de bebouwde omgeving waar ze kunnen leiden tot hinder voor personen, schade aan gebouwen en/of verstoring van apparatuur en processen, die gevoelig zijn voor trillingen. Het aantal en de intensiteit van deze trillingsbronnen neemt sterk toe als gevolg van het toenemen van industriele activiteiten, bouwwerkzaamheden en verkeer in stedelijke gebieden. Aan de andere kant neemt ook de gevoeligheid van gebouwen voor trillingen toe door het toepassen van steeds slankere constructies in een steeds dichter bebouwde omgeving. De maatschappelijke relevantie van de trillingsproblematiek blijkt uit de toename van het aantal klachten. In het Nationaal Milieubeleidsplan 2 wordt als algemene doelstelling geformuleerd "het terugdringen van verstoringen". Hieronder vallen ook trillingen. Om verstoring door trillingen terug te dringen en in toekomstige situaties te voorkomen, is het van belang te beschikken over enerzijds, een berekeningsvoorschrift waarmee voor toekomstige situaties de trillingssterkte kan worden voorspeld en anderzijds, een meet- en beoordelingscriterium waaraan mogelijke verstoringen door trillingen kunnen worden getoetst. De CUR heeft in 1990 samen met de Stichting Bouwresearch (SBR), een onderzoekprogramma opgesteld met betrekking tot trillingshinder in de bebouwde omgeving. Voor de aanpak hiervan is een taakverdeling gemaakt tussen beide organisaties waarbij SBR de volgende taken op zich nam: Inventarisatie van kennis en knelpunten, opstellen van meet- en verwerkingsvoorschriften voor het bepalen van trillingsniveaus en het opstellen van beoordelingscriteria voor trillingsniveaus. Inmiddels heeft SBR drie meet- en beoordelingsrichtlijnen opgesteld voor de beoordeling van trillingen in gebouwen in relatie tot: - schade aan gebouwen; - hinder voor personen; - storing aan gevoelige apparatuur. De CUR heeft de taak op zich genomen de kennis op het gebied van trillingsprognoses te vergroten en een model te ontwikkelen ter voorspelling van trillingen in de bebouwde omgeving. Dit heeft geresulteerd in het instellen van CUR-onderzoekcon1missie 0 11 "TriIlingshinder". De taak van deze commissie was het ontwikkelen van een modulair opgebouwd rekenmodel ter voorspelling van trillingen in de bebouwde omgeving en dit prognosen1odel geschikt te maken voor praktisch gebruik. Hierbij werd een splitsing gemaakt naar het emissiesysteenl (de bran), het transmissiesysteem (overdracht in de bodem) en het immissiesysteem (het gebouw). 3

Dit project is de eerste stap op weg naar een integraal prognosemodel. Het totale traject kent een aantal fasen: - fase I: - fase 11: - fase Ill: - fase IV: - fase V: - fase VI: ontwikkeling van een prototype van een modulair computermodel; aanpassing en uitbreiding van de modulen, en het prototype model; verificatie en validatie-onderzoek; ontwikkeling van een software pakket voor praktische toepassingen; afstemmen van het model op toetsingscriteria en het opstellen van normen voor grenswaarden; maatregelen om trillingshinder te voorkomen. Met het gereed komen van dit rapport wordt de eerste fase van het onderzoek afgesloten. Het rapport werd opgesteld door ing. J. van der Vecht van Cauberg-Huygen en is gebaseerd op de rapportages van een groot aantal deelprojecten. De belangrijkste daarvan zijn: - DGMR: Literatuurstudie naar de trillingsemissie van bronnen - Fugro: Studie naar het heiproces als trillingsbron - TNO Bouw: Bronmodel voor wegverkeer - TNO Bouw: Bronmodel voor treinverkeer - GD: Uitbreiding van oppervlaktegolven over eenvoudig gelaagde bodem - Peutz: Berekeningsmodel voor overdracht van trillingen van de bodem naar gebouwen - DHV AIB BV: Prototype van een prognose model voor trillingshinder Voor een volledig overzicht wordt verwezen naar de literatuur. Voor de afstemming van de verschillende deelopdrachten is een begeleidingscommissie ingesteld. Tijdens het verschijnen van dit rapport was de samenstelling van de commissie: ir. C. van Weeren, voorzitter ir. E. C. Klaver, secretaris ing. B. de Ruiter, voorzitter werkgroep ir. G.J.H.Vergeer, coordinator tot 1-1-1993 ir. M. Geense, coordinator vanaf 1-1-1993 ir. H.A.Ph. van Roosmalen, mentor ir. J.J.M. Cauberg dr.ir. W.M.G.Courage ir. H. Dorgelo ir. J.J.A. Geertse ir. H.J. van der Graaf ir. L.A.M. Groenewegen ir. P. Holscher ing. B.K.J. Obladen ir. P.K. van der Schuit, corresponderend lid ir. M.Th.J.H. Smits ir. A.G.Spruijt ii'. C.D.B. Sol ir. A. van der Toorn, corresponderend lid pr0f. ir. A.C.W.M. Vrouwenvelder ir. M.L.S. Vercammen 4

ing. J.J.A.van Leeuwen ing. J. van der Vecht De werkgroep was als volgt samengesteld: ing. B. de Ruiter, voorzitter ir. E.C.Klaver, rapporteur overall prognosemodel ir. M. Geense, coordinator ir. 1.1.A. Geertse dr. ir. P. Holscher, rapporteur bodemmoduul dr.ir. W.M.G. Courage, rapporteur bronmodulen weg- en treinverkeer ir. M.Th.J.H. Smits, rapporteur heimoduul ir. M.L.S. Vercammen, rapporteur gebouwmoduul ing. J. van der Vecht, rapporteur eindrapportage ir. C.D.B. Sol ir. P. van Rangelrooij, rapporteur literatuurstudie De CUR spreekt haar dank uit aan onderstaande instellingen en bedrijven, die dit onderzoek door een financiele bijdrage mede mogelijk hebben gemaakt: Adviesbureau Peutz en Associes B. V. Ballast Nedam Beton en Waterbouw B.V. Cauberg-Huygen Raadgevende Ingenieurs B. V. DHV AIB BV DGMR Raadgevende Ingenieurs B.V. Fugro Ingenieursbureau B.V. Gemeentewerken Rotterdam Grondmechanica Delft HBG HTM Joustra Geomet B. V. Ministerie van Economische Zaken Ministerie van Volkshuisvesting Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer N.V. Nederlandse Spoorwegen Rijkswaterstaat, Bouwdienst TNO Bouw februari 1995 Het bestuur van de CUR 5

INHOUD SAMENVATTING 8 SUMMARY 9 1 1.1 1.2 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 5 5.1 5.2 5.3 INLEIDING....................................... 10 Taakstelling, 10 Leeswijzer........................................ 10 OPZET VAN HET PROGNOSEMODEL 12 Uitgangspunten...................................., 12 Te beoordelen trillingsgrootheden 12 Elementen in de trillingsoverdracht 12 Overwegingen en beperkingen..........................., 13 Prototype prognosemodel............................... 13 Kenmerken prognosemodel 13 Bron 14 Bodem 14 Gebouwen........................................ 14 Resultaten en onzekerheden..... 15 Verwerken van luetingen............................... 15 BESCHRIJVING BASISMODULEN 16 Basis bronmodulen................................... 16 Bronmoduul wegverkeer 16 Bronmoduul treinverkeer 19 Bronmoduul heien................................... 22 Basis bodemmodulen 24 Inleiding......................................... 24 Bodemprofielen..................................... 25 Basisgebouwmoduul.................................. 26 GEBRUIK VAN HET PROGNOSEMODEL 28 Algemeen 28 Bron 28 Bodem..... 29 Gebouw 29 Onzekerheden...................................... 31 Prognoseresultaten................................... 32 AANBEVELINGEN VOOR VERDERE STUDIE............ 34 Algemeen 34 Fase I: prognosemodel trillingshinder....................... 35 Fase II: Aanpassing en uitbreiding van de modulen............... 35 6

5.4 5.5 5.6 5.7 Fase Ill: Verdere uitbreiding, verificatie- en validatieonderzoeken 38 Fase IV: Ontwikkelen van een software-pakket voor praktische toepassingen................................ 39 Fase V: Afstemmen van het model op toetsingscriteria 39 Fase VI: Maatregelen om trillingshinder te voorkomen 39 A Korte samenvatting van de SBR-richtlijnen 1, 2 en 3.............. 41 B Grondslagen bronmodel voor wegverkeer..... 42 C Grondslagen bronmodel voor treinverkeer... 52 D Grondslagen studie naar heiproces als trillingsbron. 57 E Uitbreiding van oppervlaktegolven over eenvoudig gelaagde bodem. 63 F Kern van het prototype van een prognosemodel TP (versie 2.3). 75 G Berekeningsmodel voor overdracht van de bodem naar gebouw. 82 H Toepassingsvoorbeeld prototype prognosemodel TP 95 LITERATUUR....................... 104 7

SAMENVATTING In de bebouwde omgeving kunnen trillingen schade of hinder veroorzaken. Daarom is een onderzoek gestart om voor gebouwen een voorspelling mogelijk te maken van de te verwachten hinder of schade als gevolg van deze trillingen. Dit onderzoek heeft geleid tot een prototype prognosemodel dat de trillingssnelheid in een gebouw voor de tertsbandmiddenfrequenties tussen 1 en 100 Hz berekent. Hiertoe is het model opgebouwd uit drie hoofdmodulen: - het bronmoduul, waarin trillingsbronnen worden gekarakteriseerd; - het bodemmoduul, waarin de trillingsuitbreiding via de bodem wordt beschreven; - het gebouwmoduul, waarin de trillingsoverdracht van de bodem op het gebouw en de responsie van het gebouw worden voorgesteld. Deze modulen zijn gelntegreerd in het rekenmodel dat het datatransport tussen de diverse modulen regelt. De gegevens waarmee deze modulen worden gevoed zijn afkomstig uit de deelstudies. De resultaten hiervan zijn opgeslagen in databestanden waarvan bij de uitvoering van een prognoseberekening gebruik wordt gemaakt. Het prototype prognosemodel heeft door deze opzet groeimogelijkheden in die zin, dat met het toenemen van de theoretische en/of praktische kennis van trillingsbronnen, bodemkentallen of gebouwenresponsies de databestanden verder kunnen worden uitgebreid. Het rekenmodel is flexibel van opzet, dat wil zeggen dat er voor ieder ltioduul verschillende niveaus van geavanceerdheid mogelijk zijn. De structuur is zodanig dat bij toepassing in de praktijk ook lokale meetresultaten kunnen worden verwerkt. Hierdoor wordt het mogelijk een grotere zekerheid in de geprognotiseerde trillingssnelheid te verkrijgen. Voor een aantal variabelen is in het rekenmodel de invloed van onzekerheden in termen van variantiecoefficienten meegenomen. Het model berekent hieruit de trillingssnelheid bij een drietal overschrijdingskansen. Het rapport geeft tevens een samenvatting van de deelstudies waarin de relevante parameters voor de beschrijving van de hoofdmodulen zijn afgeleid. Voor drie standaard trillingsbronnen zijn de relevante parameters beschreven die de trillingsexcitatie op de bodem bepalen dan wel op een referentieafstand de trillingssnelheid van het maaiveld geven. Het betreft de bronnen wegverkeer, treinverkeer en heien. Voor drie kenmerkende Nederlandse bodemprofielen, namelijk "Utrecht", "Rotterdam" en "Amsterdam", zijn de relevante parameters beschreven die de trillingsoverdracht via de bodem bepalen. In het gebouwmoduul wordt de trillingsoverdracht van de vrijeveld trilling ter plaatse van het gebouwfundament naar een specifiek punt in het gebouw beschreven met gebruikmaking van dynamische amp1itudefactoren. Het rapport besluit met een toepassingsvoorbeeld van een prognoseberekening en een aantal aanbevelingen voor verdere studie. 8