Hoogbouw is aan een sterke groei bezig, zowel wereldwijd [1] als in Nederland [2]. Alle grote steden in Ne- derland omarmen hoogbouw in hun visie op stadsontwikkeling. Er is niet alleen een trend naar hoger maar ook naar slanker en tege- lijk naar toepassing van andere materialen (zoals hout of hogesterktestaal en -beton). Duurzaamheidseisen vragen om lichtere gebouwen met minder materiaalgebruik. Het steeds hoger, lichter en slanker bouwen maakt gebouwen gevoeliger voor wind. De wind veroorzaakt trillingen in het gebouw die gevolgen kunnen hebben voor de con- structieve veiligheid (in de uiterste grenstoe- stand, UGT) en voor de beleving van gebrui- kers (in de bruikbaarheidsgrenstoestand, BGT). Beter voorspellen Inmiddels is met De Zalmhaven (foto 1) de grens van 200 m hoogte gepasseerd in Neder- land. Rond deze hoogte wordt de beleving van de trillingen door gebruikers bepalend voor de dimensionering van de constructie. Het wordt dus steeds belangrijker dit gedrag goed te voorspellen [3], om enerzijds te voor- komen dat achteraf problemen ontstaan die kostbare ingrepen vergen en anderzijds in het ontwerp niet te conservatief te zijn en onnodig veel materiaal te gebruiken. Eerste vuistregels voor trillings- gedrag van hoogbouw Het trillingsgedrag van hoge gebouwen wordt al onderzocht sinds de jaren 30 van de vorige eeuw. De eerste experimenten HIVIBE ? Monitoring van trillingen in hoogbouw Het trillingsgedrag van hoogbouw wordt niet goed voorspeld met de huidige rekenmethoden. De invloed van de ondergrond in de Nederlandse Delta speelt hierbij een belangrijke rol. Een consortium genaamd HIVIBE bouwt daarom kennis op over het trillingsgedrag van hoogbouw in Nederland door metingen uit te voeren aan acht hoge gebouwen, waaronder De Zalmhaven. Het doel van deze kennisontwikkeling is een betrouwbare voorspelling van windtrillingen in de ontwerpfase van hoogbouw. Het is de ambitie van het consortium om te komen tot een Nationaal Programma Hoogbouwmonitoring. Naar een Nationaal Programma Hoogbouwmonitoring IR. OKKE BRONKHORST Onderzoeker Bouwdynamica TNO DR.IR. CHRIS GEURTS Senior Scientist / Consultant TNO auteurs 46? CEMENT 1 20 22 1 De Zalmhaven, foto: BAM Tabel 1?Overzicht van gebouwen waaraan is gemeten GebouwOplevering Stad Meting Materiaal Hoogte [m] Eigenfrequentie [Hz] Demping [%] Laakhaven -Den Haag 1971staal361,2 1,5 De Nederlandsche Bank 1968Amsterdam 1971beton 58 0,631,6 Ommoord -Rotterdam 1971-600,80 1,3 Bouwes Palace 1970Zandvoort 1971beton610,96 1,8 De Generaal (C.R.M.) 1) 1966 Rijswijk 1971beton 65 0,631,7 EWI gebouw (TU Delft) 1967Delft 1971beton 90 0,441,5 E.M.C. I 2) 1968Rotterdam 1971beton 108 0,502,1 HBG gebouw 1966Amsterdam 2000beton261,3 2,6 's-Graventower I 1991Capelle a/d IJssel 2000beton 30 1,62,2 Mexx gebouw 1991Amsterdam 2000staal540,6 3,1 CIG gebouw 1995Groningen 2000staal222,1 2,8 Oval tower 2001Amsterdam 2002beton 99 0,40,7 Winston Churchill tower 1971Rijswijk 2005beton 82 0,551,7 La Fenetre 2005Den Haag 2005staal600,6 2 Hoftoren 2003Den Haag 2008beton1050,4 1,9 Montevideo 2005Rotterdam 2009beton/staal1420,42 1 Kennedytoren 2003Eindhoven 2010staal820,45 1,8 E.M.C. II 2) 2013Rotterdam 2011 3)beton 121 0,521,6 New Orleans 2010Rotterdam 2011 ? nubeton 158 0,280,8 JuBi toren (Zuidtoren) 2012Den Haag 2016beton 153 0,461,2 Tinbergen 1965Rotterdam 2021beton760,67 1,0 1) C.R.M. = Ministerie van Cultuur, Recreatie en Maatschappelijk werk2) E.M.C. = Erasmus Medisch Centrum3) Meting uitgevoerd in ruwbouwfase 1 CEMENT 1 2022 ?47 werden gedaan aan het Empire State Buil- ding. Een beschrijving van die eerste experi- menten is bijvoorbeeld te vinden in Holmes en Bekele [4]. In de jaren 60, 70 en 80 is dit onderzoek verder ontwikkeld door onder andere Davenport [5], Ellis [6] en Jeary [7] om tot generieke regels voor het trillingsge- drag te komen. In Nederland zijn toen ook de eerste trillingsmetingen uitgevoerd door Van Koten [8] aan diverse gebouwen (tabel 1). Deze metingen stonden aan de basis van de eerste vuistregels voor demping en eigenfre- quenties van gebouwen (zie kader Vuistregels), die ook nu nog worden gebruikt in de normen. De onvoorspelbaarheid van demping Promotieonderzoek door van Oosterhout [9] en Geurts [10] leverde het inzicht op welke parameters van invloed zijn op het bereken- de dynamisch gedrag van hoge gebouwen. In het kader van deze onderzoeken zijn geen VUISTREGELS In de internationale literatuur zijn eenvoudige vuistregels gegeven voor de dynamische eigenschappen van hoogbouw, met name voor de eigenfrequenties, de demping en de trilvormen. De meest eenvoudige vuistregels voor de eigenfrequentie zijn gerelateerd aan de gebouwhoogte H. Zo geeft de Eurocode f? = 46/H, gebaseerd op het werk van Ellis [6]. Soortgelijke relaties zijn in meerdere handboeken en artikelen terug te vinden, zie bijvoorbeeld Holmes en Bekele [4]. Soms wordt ook onderscheid gemaakt op basis van het construc- tiemateriaal, zoals door Tamura [18]: ? V oor gebouwen uit beton (of beton gecombineerd met staal): f ? = 1/0,015H (voor BGT-toetsing) tot 1/0,018H (voor UGT-toet- sing) (ofwel 66/H tot 55/H) ? V oor gebouwen met een constructie van staal: f? = 1/0,020H (voor BGT-toetsing) tot 1/0,024H (voor UGT-toet- sing) (ofwel 50/H tot 42/H) Naast deze empirische relaties zijn er ook vuistregels met een meer theoretische basis. Uit de theorie voor een uitkragende ligger met uniforme verdeling van stijfheid en massa volgt: = = e 4 e 3, 52 2 0, 385 f ml f EI d Dit komt overeen met= = e 4 e 3, 52 2 0, 385 f ml f EI d waarbij d de verplaatsing is als gevolg van het eigen gewicht van de ligger, wanneer deze horizontaal wordt verondersteld. Deze vuistregel was ook in NEN 6702 opgenomen. Voor de demping van hoogbouw zijn in de normen doorgaans waarden gegeven die afhankelijk zijn van het constructiemateriaal. Deze getalswaarde betreft ofwel de dempingsmaat D, ofwel het logaritmisch decrement ?. De verhouding tussen deze grootheden is bij benadering ? = 2?D. Soms wordt onderscheid gemaakt tussen de demping in BGT-berekeningen versus UGT-berekeningen. De demping is dan wat hoger aangenomen voor UGT-berekeningen. Voorbeelden van dergelijke waarden staan in tabel 2. Tabel 2?Voorbeelden van waarden voor dempingsmaat D en logaritmisch decrement ? D uit NEN 6702 ? uit EN 1991-1-4 Staalconstructies 0,010,05 Betonconstructies 0,02 (BGT: 0,01)0,10 Gemengd beton en staal geen waarde 0,08 Houtconstructies 0,05geen waarde Verschillende onderzoekers hebben dempingsschatters afgeleid op basis van de dempingswaarden verkregen van metingen aan (hoge) gebouwen. Zo geeft Jeary [15] de volgende dempingsschatter: D = f? + 10^(?d/2) · x H/H + 0,15 met de limiet D ? 60/H + 1,3 Hierin is f? de eigenfrequentie, d de diepte van het gebouw in de trillingsrichting, x H de amplitude aan de top, en H de gebouwhoogte. Tamura [18] geeft een dempingschatter waarbij onderscheid is gemaakt tussen gebouwen met een hoofddraagconstructie van beton of van staal: ? D = 0,93/H + 470 · x H/H ? 0,0018 (beton) ? D = 0,65/H + 400 · x H/H + 0,0029 (staal) Deze schatters kunnen worden toegepast voor x H/H ? 2 · 10 -5. 48? CEMENT 1 20 22 trillingen aan gebouwen gemeten. Met de toenemende hoogte van hoogbouw in Neder- land zijn er sinds 2000 metingen door TNO verricht aan meerdere hoge gebouwen in Nederland. Een overzicht daarvan is gepre- senteerd in [11] en ook te vinden in tabel 1. Deze metingen zijn over het algemeen uitge- voerd over periodes van een dag tot een week, en bij windsnelheden lager dan de ontwerpomstandigheden voor bruikbaar- heid en veiligheid. In eerder onderzoek door TNO [12] is een vergelijking gemaakt tussen de voor- spelde en gemeten trillingseigenschappen van gebouwen. Hieruit volgde dat er ver- schillen zijn tussen het gemeten en voor- spelde gedrag wat in werkelijkheid zowel ongunstiger als gunstiger was dan voorspeld. Uit de vergelijking blijkt vooral ook dat de demping niet goed wordt voorspeld met de huidige voorspellingsmodellen. Om tot een betere voorspelling van het trillingsgedrag te komen is een beter model nodig. Rol van de fundering Sanchez Gomez [13] toonde met modelbere- keningen aan dat de fundering een signifi- cant aandeel heeft in de demping van veel Nederlandse hoogbouw. De slappe onder- grond speelt hierbij een belangrijke rol. Cruz en Miranda [14] laten zien dat met de interactie tussen de grond en de gebouw- constructie een fysische verklaring kan wor- den gegeven voor de in situ waargenomen afname in demping met gebouwhoogte. Deze relatie tussen de demping en de ge- bouwhoogte vormt de basis voor de meeste empirische dempingsschatters die in het verleden zijn ontwikkeld, zoals [15] en [16]. Op basis van het werk van Sanchez Gomez is een dempingsmodel ontwikkeld waarmee de invloed van de ondergrond expliciet wordt meegenomen [17]. Uit een vergelijking van dit model met gemeten dempingswaarden bleek dat voor een betrouwbare schatting van de totale demping het cruciaal is de ei- genfrequentie van de constructie en de ma- teriaaldemping van de grond goed te kennen. Rol van de amplitude Naast de invloed van de ondergrond speelt de amplitude van de trillingen een grote rol in het trillingsgedrag van hoogbouw. De empirische dempingsschatters uit [15] en [16] gaan uit van een toename van de dem- ping met amplitude. Tamura [18] liet zien dat vanaf een bepaalde trillingsamplitude de demping weer kan afnemen. Deze afname in demping is ook gevonden uit metingen aan de woontoren New Orleans in Rotterdam [19]. Tamura [18] geeft een mogelijke fysische verklaring voor deze amplitudeafhankelijk- heid van de demping. Er bestaat op dit mo- ment echter geen algemeen toepasbaar dempingsmodel dat dit gedrag betrouwbaar beschrijft, vooral door een gebrek aan vol- doende validatiedata. Noodzaak van langeduurmonitoring Een laatste aspect waar nog weinig over be- kend is, is de verandering van het dynamisch gedrag over de levensduur van hoogbouw. Bronkhorst en Geurts [20] hebben een ana- lyse uitgevoerd over vier jaar aan data van de New Orleans-toren. Hieruit blijkt dat er over deze periode een kleine maar gestage afname waarneembaar is in de eigenfre- quenties van deze toren, terwijl de demping geen significante verandering onderging. De oorzaak van de afname in eigenfrequentie in de tijd is niet bekend. Het zou bijvoorbeeld te maken kunnen hebben met scheurvor- ming in het beton of het zettingsgedrag van de toren. Dit is echter nog niet eerder onder- zocht. Meer kennis over de rol van de trillings- amplitude en de invloed van de tijdsduur kunnen alleen worden verkregen met tril- lingsdata over een langdurige periode. Om tot meer betrouwbare voorspellingsmodel- len te komen voor de bruikbaarheidsgrens- toestand en de uiterste grenstoestand van hoogbouw is langdurige monitoring aan ver- schillende hoge gebouwen dus een vereiste. HIVIBE Ondanks de onderzoeksresultaten en kennis verkregen uit meetcampagnes is er nog steeds sprake van een discrepantie tussen voor- spelling en praktijk als het gaat om het tril- lingsgedrag. De beschikbare meetdata zijn meestal voor een bepaalde casus gemeten, gedurende korte tijd, met een beperkte Uit een vergelijking van meetresultaten met waarden in richtlijnen bleek de noodzaak van betere voorspel- lingsmodellen voor de demping CEMENT 1 2022 ?49 2a 2e 2b 2f 2d 2h 2c 2g 2 HIVIBE hoogbouwcasussen: (a) De Zalmhaven (bron: BAM), (b) New Orleans (bron: TNO), (c) The Grace (bron: Mecanoo), (d) European Patent Office (bron: Zonneveld), (e) Tinbergen (bron: TNO), (f) The Terraced Tower (bron: TNO), (g) Delftse Poort (bron: TNO), (h) Grotius (foto: Steven Scholten) meetopzet en onder specifieke omstandig- heden. Dergelijke metingen zijn vaak lastig te gebruiken om generieke rekenmo- dellen mee te ontwikkelen. Verder zijn er vrijwel geen metingen uitgevoerd op basis waarvan het mogelijk is de invloed van de fundering op het trillingsgedrag te bepalen. Metingen op ware grootte aan gerealiseerde gebouwen zijn noodzakelijk om rekenmo- dellen te kunnen ontwikkelen, kalibreren en valideren. Om deze metingen uit te voeren is het zogenoemde HIVIBE-consortium opgericht (zie kader HIVIBE). Het doel van dit consor- tium is tot een nauwkeuriger voorspelling van het trillingsgedrag van hoogbouw te komen. Dit heeft impact op het leefcomfort, biedt mogelijkheden voor efficiënt gebruik van materialen en helpt constructeurs om alternatieven voor de constructie af te wegen. Het onderzoek is in twee fases opgezet. De eerste fase, die begin 2021 is afgerond, diende als vooronderzoek om vast te stellen welke eigenschappen moeten worden geme - ten, en welke technieken daarvoor ter beschik- king staan. Daarnaast hebben de partners g ebouwen aangedragen, en is vastgesteld welke criteria worden gehanteerd om de selectie uit deze gebouwen te maken. HIVIBE HIVIBE staat voor HIghrise VIBrations in delta cities Explored. Het HIVIBE- onderzoek wordt uitgevoerd als Topconsortium voor Kennis en Innovatie (TKI Deltatechnologie). Dit consortium wordt geleid door TNO en bestaat daarnaast uit de partners BAM, Zonne- veld, Fugro, IMd Raadgevende Ingeni- eurs, Aronsohn Constructies, Structure Portante Grimaud, BESIX, Peutz, SCIA en Stichting Kennisoverdracht Wind- technologie. 50? CEMENT 1 20 22 Mezzanine (3 m): 12 reksensoren 2 versnellingsopnemers 2 tiltsensoren 58e verdieping (183 m): 2 versnellingsopnemers 2 tiltsensoren mast (209 m): 2
?indmeters 3 3 Overzicht van monitorsysteem De Zalmhaven, bron: BAM LANGEDUURMONITORING ZALMHAVEN Onlangs heeft De Zalmhaven in Rotterdam haar hoogste punt bereikt. Uit de dynamische berekeningen blijkt dat deze toren ruim voldoet aan de norm. Nog voor de oplevering van het gebouw wordt een meetsysteem geïnstalleerd. Het doel is om het trillings- gedrag en de gebouw- en funderingseigenschappen te bepalen en deze over een lange periode te monitoren. De volgende eigenschappen van het gebouw en de wind worden gemeten: ? De trillingseigenschappen eigen frequenties f?, dempings - w aarden D n en trilvormen ?? van het gebouw inclusief fundering. ? De gebouw eigenschappen buigstijfheid EI en massa M. ? De f underingseigenschappen rotatie- en translatiestijfheden K r en K t. ? De windsnelheid V en de windrichting ?. Het meetsysteem bestaat uit de volgende sensoren verdeeld over drie verdiepingen: ? Dak: - twee windmeters op de mast van het gebouw. ? 58e v erdieping: - twee versnellingsmeters waarmee de trillingen in de hoofd- draagrichtingen van het gebouw worden gemeten; - twee inclinometers waarmee de hoekverdraaiingen in de hoofddraagrichtingen van het gebouw worden gemeten. ? Me zzanine: - twee versnellingsmeters waarmee de trillingen in de hoofd- draagrichtingen van het gebouw nabij de fundering worden gemeten. Hiermee wordt de invloed van de fundering op het trillingsgedrag bepaald; - twee inclinometers waarmee de hoekverdraaiing nabij de fundering wordt gemeten; - twaalf reksensoren waarmee de rekken worden gemeten en de belasting op de fundering wordt ingeschat. Met de versnellingsmetingen op de 58e verdieping worden de eigenfrequenties en dempingswaarden van het gebouw bepaald. In combinatie met de versnellingen gemeten op de mezzanine wordt de invloed van de fundering op de trilvormen bepaald. Met behulp van de bepaalde trillingseigenschappen kan een inschatting worden gemaakt van de gebouwmassa M, de gebouwstijfheid EI, en de rotatie- en translatiestijfheden K r en K t van de fundering. Deze inschatting wordt gemaakt door de trillingseigenschappen van een model te tunen op de gemeten eigenschappen. In combinatie met de rek- en hoekverdraaiing - met ingen kunnen de gebouw- en funderingseigenschappen nauwk euriger worden bepaald, en kan de dempingsbijdrage van de fundering D f worden ingeschat. Zoals geconstateerd voor de New Orleans-toren kunnen de trillings- eigenschappen in de tijd variëren, enerzijds door veranderingen in het gebouw zelf [20], en anderzijds omdat deze afhankelijk kunnen zijn van de mate waarin een gebouw beweegt [19]. Om de oorzaak van deze veranderingen te bepalen, zullen zowel de trillingseigen- schappen als de gebouw- en funderingseigenschappen gedurende lange tijd worden gemonitord op De Zalmhaven. Zodra het meetsysteem operationeel is, zal het volcontinu in bedrijf zijn. De meetgegevens worden met een meetfrequentie van 50 Hz (50 maal per seconde) gemeten en opgeslagen. Het is de bedoeling om de metingen voor een periode van minstens vier jaar door te laten lopen. CEMENT 1 2022 ?51 In de tweede fase, lopend van begin 2021 tot eind 2024, zijn acht gebouwen (fig. 2a t/m h) geselecteerd waarvoor monitoringcampag- nes zullen worden opgezet en uitgevoerd. De Zalmhaven vormt hierbij een bijzondere casus omdat er zeer uitgebreid en over een lange tijd gemonitord zal worden (zie kader Langeduurmonitoring Zalmhaven). Tevens worden door de betrokken ingenieursbureaus rekenmodellen voor de gebouwen opgezet. Deze rekenmodellen worden gebruikt om vooraf het dynamisch gedrag te voorspellen, om gevoeligheidsanalyses uit te voeren en om na de metingen de meetresultaten te vergelijken met de modelresultaten. TNO gebruikt de meetdata om het voorspellings- model voor demping van hoogbouw verder te ontwikkelen waar in het onderzoek van Sanchez Gomez [13] een begin mee is gemaakt. Nationaal Programma Hoogbouwmonitoring De metingen die in het lopende project worden uitgevoerd, leveren waardevolle informatie op om in de toekomst het trillings- gedrag van hoge gebouwen beter te voor- spellen. De reikwijdte van deze informatie wordt bepaald door de gebouwen die in het onderzoek worden meegenomen, en de ma- nier waarop aan deze gebouwen kan worden gemeten. Het is de ambitie van het HIVIBE- consortium om tot een Nationaal Programma Hoogbouwmonitoring te komen. Het HIVIBE- consortium heeft als doel om aan de hand van metingen tot een nauwkeuriger voorspelling van het trillingsge- drag van hoog- bouw te komen LITERATUUR 1?CTBUH, The global impact of 9/11 on tall buildings, www.skyscrapercenter.com/ 9-11-global-impact, 2021. 2?Stichting Hoogbouw, HOOG ? Hoogbouw in Nederland 2020, www.stichtinghoogbouw.nl/hoogbouw- in-nederland-2020/, 2021. 3?Caulil, E. van, Is de tijd rijp voor slankere gebouwen in Nederland, Cementonline, 21 oktober 2021. 4?Holmes, J.D., Bekele, S., Wind Loading of Structures, 4th edition, Taylor & Francis, 2020. 5? Davenport, A.G., The treatment of wind loading on tall buildings, Proc. Symp. Tall Buildings, Southampton, p. 3-45, 1967. 6?Ellis, B.R., An assessment of the accuracy of predicting the fundamental natural frequencies of buildings and the implications concerning the dynamic analysis of structures, Proc. Inst. Civil Eng., Part 2, 69, p. 763-776, 1980. 7?Jeary, A.P., Ellis, B.R., On predicting the response of tall buildings to wind excitation, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 13(1-3), p. 173-182, 1983. 8?Van Koten, H., Some measurements on tall buildings in the Netherlands, Proc. of the Conf. on Wind Effects on Buildings and Structures, Ottawa, p. 685-704, 1968. 9?Van Oosterhout, G.J., Wind-induced dynamic behaviour of tall buildings, PhD Thesis, TU Delft, 1996. 10?Geurts, C.P.W., Fluctuating wind loads on building facades, PhD Thesis, TU Eindhoven, 1997. 11?Geurts, C.P.W., Van Bentum, C.A., Sanchez, S., Van Dijk, S., Demping hoog- bouw voorspeld, Cement 3, p. 60-65, 2015. 12?Geurts, C., Bronkhorst, O., Dynamica van hoogbouw onder windbelastingen, Cement 6/7, p. 20-26, 2019. 13?Sanchez Gomez, S., Energy flux method for identification of damping in high-rise buildings subject to wind, PhD Thesis, TU Delft, 2019. 14?Cruz, C., Miranda, E., Insights into damping ratios in buildings, Earthquake Eng. Struct. Dyn., p. 1-19, 2020. 15?Jeary, A., Designer's guide to the dynamic response of structures, First edition, The University Press, Cambridge, 1997. 16?Tamura, Y., Suda, K., Sasaki, A., Damping in buildings for wind resistant design, Proc. Int. Symp. on Wind and Structures for the 21st Century, Cheju, Korea, p. 115-130, 2000. 17?Bronkhorst, A.J., Geurts, C.P.W., Slappe ondergrond dempt trillingen van hoogbouw, Bouwen met Staal 266, p. 40-44, 2018.18?Tamura, Y., Amplitude dependency of damping in buildings and critical tip drift ratio, Int. Journal High-Rise Buildings 1, p. 1-13, 2012. 19?Bronkhorst, A.J., Van Bentum, C.A., Sanchez Gomez, S., Wind-induced vibrations and damping in high-rise buildings, report TNO 2018 R10644, 2018. 20?Bronkhorst, A.J., Geurts, C.P.W., Long-term vibration and wind load monitoring on a high-rise building, Proc. Int. Conf. Noise and Vibration Eng., Leuven, 2020. 21?Bronkhorst, A.J., Moretti, D., Geurts, C.P.W., Identification of the dynamic properties of the residential tower New Orleans, 9th Int. Conf. on Experimental Vibration Analysis for Civil Eng. Struct., 2021. 52? CEMENT 1 20 22