20 thema Veiligheids­ filosofie bij aardbevings­ belasting Veiligheid en rekenwaarden belastingen en sterkte bij aardbevingen thema Veiligheids?loso?e bij aardbevingsbelasting 1 2015 21 In de recent verschenen ontwerp-NPR 1998 wordt uitgegaan van een streefwaarde van de veiligheid van bouwwerken onder aardbevings- belasting. Daarbij vormt de in Nederland gang- bare streefwaarde voor het individueel risico de belangrijkste inputparameter. Op basis van de voorgestelde betrouwbaarheidsindices worden rekenwaarden afgeleid. Die spelen een rol bij het bepalen van de aardbevingsbelasting en het toetsen van de sterkte van bouwwerken. Regelgeving aardbevingsbestendig ontwerpen In 2012 werd duidelijk dat er voor de Groninger regio voorschriften moesten komen voor aardbevingsbestendig ontwerpen en voor de beoordeling van de bestaande voorraad. Getracht werd aan te sluiten bij EN 1998-1, ofwel Eurocode 8 'Ontwerp en berekening van aardbevingsbestendige construc- ties ? Deel 1: algemene regels, seismische belastingen en regels voor gebouwen' [1]. Dit deel van de code geeft algemene Europese regels, met de mogelijkheid om via nationaal te definiëren parameters in de nationale bijlage aan te sluiten op de Nederlandse situatie. Ook moet worden aangesloten bij NEN-EN 1990 en de Nederlandse veiligheidsfilosofie voor bestaande bouw [2], die via NEN 8700 in Bouwbesluit 2012 is verankerd. Dit betekent onder meer dat wordt gewerkt met de gevolgklassen CC1A/B, CC2 en CC3. Op basis van een achtergrondstudie is uiteindelijk in februari 2015 de ontwerp-NPR verschenen [3]. In mei 2014 is op verzoek van de minister van Economische Zaken een 'Interim Advies aardbevingsbestendig bouwen' [4] uitgebracht. De uitgangspunten in dit advies zijn ook gebaseerd op de streef- waarde voor de veiligheid zoals hieronder besproken. Echter de uitgangspunten in het Interim Advies zijn conservatiever geformuleerd dan de uitgangspunten die later in de ontwerp-NPR 9998 zijn opgenomen. Betrouwbaarheidseisen aan bouwwerken De fundamentele eisen die aan bouwwerken kunnen worden gesteld, hebben een relatie met de mate van beschadiging van de bouwconstructie. Drie grenstoestanden worden onderschei - den: - De bouwconstructie staat vrijwel op instorten (Near Collapse, NC); - Significante beschadiging (Serious Damage, SD); - Schadebeperking (Damage Limitation, DL). In het Interim Advies en de NPR is gekozen voor een nadere uitwerking van het niveau NC, omdat dat een directe relatie heeft met voorkomen van slachtoffers. Daar ligt primair de taak voor de overheid. Er zijn aanwijzingen gegeven als de burger zou willen kiezen voor niveau SD. Voor een willekeurige bouwconstructie kan de fundamentele betrouwbaarheidseis als volgt worden geformuleerd: De constructie mag de gedefinieerde grenstoestanden, gedu - rende de vastgestelde referentieperiode, met de vastgelegde mate van betrouwbaarheid, niet overschrijden. Voor het beoordelen van de veiligheid van constructies worden betrouwbaarheidsniveaus gekoppeld aan een bepaalde referen- tieperiode T ref. Hierbij wordt aangesloten bij de gangbare waarden in NEN-EN 1990/NB en NEN 8700. Het betrouwbaarheidsniveau wordt in een probabilistische veiligheidsbeschouwing uitgedrukt in de kans op falen of, gelijkwaardig daaraan, in de betrouwbaarheidsindex ?. Het verband tussen beide grootheden wordt gegeven door: P f = ?(-?) (1) waarin: P f is de faalkans ?(..) is de verdelingsfunctie voor de normale verdeling De hoogte van de betrouwbaarheidsindex wordt bepaald door overwegingen van a) economie en b) menselijke veiligheid. Deze worden hieronder toegelicht. Voor de Groningse situatie is uiteindelijk alleen uitgegaan van eisen voor menselijke veilig- heid en zijn geen economische argumenten gebruikt. Economische argumenten In algemene zin geeft ISO 2394 (1998) suggesties voor de streefwaarde van de betrouwbaarheidsindex voor de levens- duur, als een functie van de gevolgen van falen en de kosten van de veiligheidsmaatregelen (tabel 1). Tabel 1 Streefwaarde betrouwbaarheidsindex (voor de levensduur) ISO 2394 (1998) relative costs of safety measures consequences of failure small somemoderate large high 01,5 2,33,1 moderate 1,32,33,13,8 low 2,33,13,84,3 In Europa wordt in de meeste gevallen globaal de onderste regel (low) aangehouden. Dit vloeit onder meer voort uit kalibratiebe- rekeningen met het verleden. Een uitzondering in Nederland vormt wind (en vermoedelijk impliciet ook brand) waarvoor de middelste regel (moderate) is aangehouden. Het lijkt logisch deze economische reductie ook aan te houden bij aardbevingen, prof.dr.ir. Raphaël Steenbergen TNO / Universiteit Gent prof.ir. Ton Vrouwenvelder TNO / TU Delft dr.ir. Nico Scholten Expertisecentrum Regelgeving Bouw Veiligheidslosoe bij aardbevingsbelasting 1 2015 Veiligheidsfilosofie bij aardbevingsbelasting 1 2015 22 geacht. Hierbij wordt de stelregel gehanteerd dat de kans op overlijden als gevolg van constructief falen of het vrijkomen van gevaarlijke stoffen, significant lager dient te zijn dan andere risico's die mensen in het dagelijks leven ondervinden. De alge- mene acceptatie is dat de toename van de kans op overlijden door constructief falen of vrijkomen van gevaarlijke stoffen, niet groot mag zijn. Anders gezegd: de burger die is blootge- steld aan een plaatsgebonden risico veel kleiner dan 10 -4 per jaar, zal vroeg of laat vrijwel zeker overlijden door een andere doodsoorzaak dan constructief falen of vrijkomen van gevaar - lijke stoffen. In Nederland heeft de overheid in het Besluit Externe Veilig- heid Inrichtingen (BEVI, 2004) bepaald dat het plaatsgebonden risico in principe nergens groter mag zijn dan 10 -6. Uitzonde - ring wordt gemaakt voor bestaande situaties, waarin een bovengrens voor het PR is vastgesteld van 10 -5 per jaar en wordt gestreefd om een PR van 10 -6 per jaar te behalen na drie jaar. In het Bouwbesluit 2012 (BZK, 2011) dat NEN 8700 aanstuurt, is voor bestaande bouwwerken een PR vastgelegd van 10 -5 (zie NEN 8700 achtergronddocument TNO-060-DTM-2011-03086). We moeten dus de kans berekenen dat zich op een bepaalde plaats (een bouwwerk) over een periode van één jaar een dode- lijk ongeluk voordoet, als direct gevolg van een aardbeving en indien zich op die plaats iemand bevindt. Hierbij is het niet van belang of op die plaats daadwerkelijk een persoon aanwezig is. Deze kans mag op grond van de actuele bouwvoorschriften niet groter zijn dan 10 -5 per jaar; meestal is de kans veel kleiner. De kans op overlijden bij een aardbeving kan worden geschreven als: de kans op instorten van een bouwwerk ten gevolge van de aardbevingsbelasting, vermenigvuldigd met de kans op overlij- omdat ook daar de kosten voor het realiseren van een hoge veiligheid aanzienlijk zijn. Er valt om die reden zelfs een reductie naar de bovenste regel te overwegen. Echter zijn in Nederland ook grenzen te stellen aan de economische reductie in verband met overwegingen van menselijke veiligheid. Eisen aan menselijke veiligheid Afgezien van de genoemde economische overwegingen, speci- ficeren autoriteiten een minimaal betrouwbaarheidsniveau zodra menselijke veiligheid in het geding is. Belangrijkste eis daarin is een minimale vereiste met betrekking tot het indivi- dueel risico; hierop zijn de betrouwbaarheidseisen uiteindelijk gefundeerd. Voor het risico dat een individu loopt, wordt de term plaatsge- bonden risico (PR) gebruikt (ook het individueel risico genoemd). Het plaatsgebonden risico dient ertoe het individu een basisbeschermingsniveau te garanderen. Bij het plaatsge- bonden risico gaat het om de kans in één jaar, die een denk- beeldige persoon loopt om op een bepaalde plek dodelijk te worden getroffen. Het plaatsgebonden risico is een zeer speci- fieke overlijdenskans. De bescherming van de individuele burger wordt hierin tot uitdrukking gebracht als een bepaalde kleine kans op een mogelijke doodsoorzaak. Klein in vergelij- king tot allerlei andere doodsoorzaken waaraan de burger blootstaat. Als basis voor het bepalen van het persoonlijk acceptabel risico dient de levensverwachting van de Nederlandse bevolking. Uit een analyse van statistische gegevens is gebleken dat mensen van jonge of middelbare leeftijd een kans op overlijden in een jaar hebben van 10 -4 als gevolg ongelukken in het dagelijks leven. Voor bouwkundig falen of ongevallen met gevaarlijke stoffen, worden onevenredig grote risico's voor mensen niet acceptabel thema 23 1 Gaswinningsinstallatie in Slochteren, Groningenfoto: NAMPlatform Gaswinning en Aardbevingen De resultaten van het onderzoek van [11] zijn weergegeven in tabel 2. Voor metselwerk bouwwerken (brick masonry) wordt een waarde van P d|f = 0,06 gevonden. In [12] worden vergelijk- bare waarden vermeld, gebaseerd op diverse earthquake damage databases. Tabel 2 Kansen op overlijden gegeven instorten bouwwerk door aardbeving [11] building type P d|f adobe buildings0,06 mud wall buildings 0,06 nonductile concrete moment frame 0,15 precast framed buildings 0,10 block or dressed stone masonry 0,08 rubble field stone masonry 0,06 brick masonry with lime/cement mortar 0,06 steel moment frame with concrete infill wall 0,14 Bovenstaande informatie dient te worden vertaald naar de gevolgklassen zoals deze gangbaar zijn in NEN-EN 1990 en NEN 8700. - CC1B omvat voor het merendeel metselwerk woonhuizen (brick masonry met P d|f = 0,06). Enkele gebouwen in het gebied vallen in een andere categorie uit tabel 2 (bijv. framed buildings met P d|f = 0,14 of P d|f = 0,10). Omdat we op zoek zijn naar een gemiddelde P d|f en de metselwerk woonhuizen domineren, stellen we voor CC1B dat P d|f = 0,07. - CC2 bevat voornamelijk de grotere bouwwerken (framed buildings uit tabel 2). Hiervoor stellen we daarom P d|f = 0,15. Voorbeeld: scholen. - CC3-bouwwerken zijn niet opgenomen in tabel 2. Er wordt gerekend met P d|f = 0,5. Vooralsnog is echter onzeker of de Nederlandse (metselwerk) bouwwerken qua kans op levensgevaar bij instorting beter of slechter presteren onder aardbevingsbelasting dan die in voor - noemde onderzoeken. Per gevolgklasse kan dan de uit het oogpunt van veiligheid acceptabele bezwijkkans voor één jaar voor een constructiedeel als volgt worden berekend: P f · P d|f < 10 -5 Gevolgklasse 1: P f ? 1,43 · 10 -4 ? ? ? 3,6 Gevolgklasse 2: P f ? 6,67 · 10 -5 ? ? ? 3,8 Gevolgklasse 3: P f ? 2 · 10 -5 ? ? ? 4,1 Het effect van een langere referentieperiode ( t) kan als volgt worden verwerkt: CC1B P f ? t · 1,43 ? 10 -4 ? ? ? ? -1{t ? 1,43 ? 10 -4} CC2: P f ? t · 6,67 · 10 -5 ? ? ? ? -1{t ? 6,67 ? 10 -5} CC3: P f ? t · 2 · 10 -5 ? ? ? ? -1{t · 2 · 10 -5} den gegeven de instorting. De kans op instorting van een bouw- werk onder aardbevingsbelasting is afhankelijk van de marge tussen de weerstand tegen falen en de belastingen. Deze kans kan worden berekend door het in aanmerking nemen van de kans- dichtheidsfuncties van alle variabelen van de sterkte en de belas- tingen. De verdelingsfunctie van de sterkte wordt bij aardbevin- gen dikwijls de fragility curve (kwetsbaarheidscurve) genoemd, waarin de cumulatieve kans van instorten is weergegeven als functie van de piekgrondversnelling (PGA). Voor de belastingen wordt een functie gebruikt waarbij voor de piekgrondversnelling de overschrijdingskans per jaar wordt weergegeven; deze volgen uit een Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA) zoals deze door het KNMI wordt uitgevoerd (KNMI, 2014). De berekening van de kans op overlijden P d bij de aardbeving wordt dan: P d = P f · P d|f (2) waarin: P d|f is de kans op overlijden gegeven instorting P f is de kans op instorten van een bouwwerk ten gevolge van de aardbevingsbelasting In de literatuur zijn diverse studies naar deze kans P d|f beschik - baar. Jaiswal et al (2009) [11] hebben een analyse uitgevoerd van instortingen door aardbevingen wereldwijd. Voor gebouw- typen uit de Verenigde Staten worden de kansen op overlijden gegeven instorten door aardbeving genomen uit HAZUS (NIBS-FEMA, 2006, with injury severity level 4 at the complete damage state). Voor aardbevingen uit andere landen wordt gewerkt met injury category-5 (deaths) associated with damage grade D5 (partially or totally collapsed). 1 Veiligheidslosoe bij aardbevingsbelasting 1 2015 24 In de achtergrondstudie van de NPR zijn probabilistische analysen uitgevoerd ter bepaling van herhalingstijden van de piekgrondversnellingen en de aan te houden materiaalfactoren. Deze analysen zijn omgeschreven naar semi-probabilistische rekenmethoden om de rekenwaarden te bepalen van de te gebruiken parameters in een aardbevingstoets. Zo worden herhalingstijden van de piekgrondversnellingen en de aan te houden materiaalfactoren afgeleid. De basisformules van deze probabilistische berekeningen zijn hier weergegeven. De faalkans volgt uit: Form ule 3 ( ) () f RPGA = P Fxf xdx F orm ule 5 k m d R = f R R 02_Formules.pdf 1 10-02-15 10:52 02_Formules.pdf 1 12-02-15 09:32 (3) Hierin is F R( x ) de fragility curve en f PGA (x ) is de kansdichtheids - functie van de PGA, berekend in de PSHA door het KNMI. De berekening van de kans op overlijden P d bij de aardbeving wordt dan: P d = P f · P d|f (4) Het semi-probabilistisch rekenvoorschrift in NPR 9998 is zo afgeleid dat volgens (3) en (4) wordt voldaan aan de eis voor het individueel risico. De resulterende rekenwaarden voor de belasting (PGA) en de materiaalfactoren zijn in de volgende paragrafen weergegeven. Herhalingstijden piekgrondversnellingen Tabel 4 geeft de herhalingstijden voor de piekgrondversnelling (PGA), te gebruiken in een semi-probabilistische analyse. Piekgrondversnellingen In het Interim Advies en ontwerp-NPR 9998 is een kaart opge- nomen met piekgrondversnellingen met een herhalingstijd van In de achtergrondstudie van de NPR zijn op basis van het indi- vidueel risico op deze wijze betrouwbaarheidsindices afgeleid voor bestaande bouw (tabel 3). Voor nieuwbouw zijn waarden aangehouden die iets (0,2) hoger liggen. Tabel 3 Waarden voor de minimum referentieperiode en betrouwbaarheids­ indices bij aardbevingen gevolgklasse minimum referentieperiode nieuwbouw ? n verbouw? r afkeuren? b CC1B 15 jaar 3,0 2,8* 2,8* CC2 15 jaar 3,2 3,0* 3,0* CC3 15 jaar 3,6 3,4* 3,4* * is de ondergrens voor menselijke veiligheid, maatgevend voor de grenstoestand NC Als de doelwaarde voor de veiligheid is vastgesteld, is het vervol- gens nodig na te gaan of een bepaald ontwerp of bestaande constructie daaraan voldoet. We onderscheiden in dit verband de probabilistische en semi-probabilistische verificatie. Probabilistische en semi­probabilistische rekenmethode Bij de probabilistische analyse wordt met probabilistische tech- nieken (bijvoorbeeld numerieke integratie of Monte Carlo) de faalkans van een constructie bepaald. Dit gebeurt op basis van wiskundige modellen van de werkelijkheid en veronderstellin- gen over de kansverdelingen van de verschillende relevante grootheden (belasting, sterkte). In de meeste gevallen is dit een erg rekenintensieve procedure. Het alternatief voor de praktijk is de semi-probabilistische methode (of niveau 1-procedure), waarbij voor alle grootheden een of meer rekenwaarden worden gedefinieerd. Deze reken - waarden volgen uit de probabilistische analyse. De constructie geldt als veilig genoeg als deze bij de gegeven modellen niet faalt onder de set van gestelde rekenwaarden. Tabel 4 Minimum betrouwbaarheid en parameters voor het vaststellen van de ontwerpwaarden van de aardbevingsbelasting betrouwbaarheidsniveau a gevolgklasse nieuwbouw b afkeur en verbouw CC1 c CC2 CC3 CC1 c CC2 CC3 CC1A CC1B CC1ACC1B ? -33,2 3,6 -2,8 33,4 T ref [ jaar] -50 5050 -15 1515 herhalingstijd T NCR behorende bij PGA [ jaar] -1 200 1 8003 600 -800 1 500 3 000 a Bij de vergelijking van de ?-waarden moet er rekening mee worden gehouden dat de betrouwbaarheidseis voor nieuwbouw geldt voor een langere periodeb Onder nieuwbouw wordt ook verstaan het geheel vernieuwen van een bestaande constructie (= geheel gebouw) en een constructieve renovatie binnenc Klasse CC1 is voor aardbevingen opgesplitst in klasse CC1A (geen gevaar voor mensenlevens) en CC1B (gering gevaar voor mensenlevens). Voor CC1A wordt ontwerp op aardbevingsbelastingen niet noodzakelijk geacht. Desgewenst kan privaatrechtelijk voor nieuwbouw in CC1A worden uitgegaan van 3,0, 1 en 350 voor respectievelijk ?, T ref en de herhalingstijd. Voor privaatrechtelijke verbouw- en afkeuropgaven kan worden uitgegaan van 1,8, 1 en 200 voor respectievelijk ?, T ref en de herhalingstijd. thema Veiligheids loso e bij aardbevingsbelasting 1 2015 25 worden gebracht, moeten de in hoofdstuk 5 tot en met 9 van de ontwerp-NPR beschreven waarden van ? m worden aangehouden. Reliability based De NPR is door middel van de hier weergegeven benaderings - wijze een reliability based beoordelingsrichtlijn voor bouwwerken onder aardbevingsbelastingen. Op deze wijze kan het risico voor de bewoner het meest inzichtelijk worden gemaakt. De NPR probeert daar waar het kan aan te sluiten bij internationale kennis en ontwikkelingen en houdt een scherp oog op het betrouwbaar - heidsdenken. Van groot belang zijn kennis en gebruik van proba - bilistiek, in combinatie met modellen voor aardbevingsbelasting en modellen voor de weerstandsbeschrijving van bouwwerken. ? ? LITERATUUR 1 NEN-EN 1998-1:2005 Eurocode 8 - Ontwerp en berekening van aardbevingsbestendige constructies - Deel 1: Algemene regels, seismische belastingen en regels voor gebouwen. 2 Vrouwenvelder, A.C.W.M., Scholten, N.P.M., Steenbergen, R.D.J.M., Veiligheidsbeoordeling bestaande bouw, Achtergrondrapport bij NEN 8700, TNO-060-DTM-2011-03086, december 2011. 3 NPR 9998:2015 Ontw. Beoordeling van de constructieve veiligheid van een gebouw bij nieuwbouw, verbouw en afkeuren - Grondslagen voor aardbevingsbelastingen: Geïnduceerde aardbevingen. 4 Steenbergen, R.D.J.M., Vrouwenvelder, A.C.W.M., Korff, M., Scholten, N.P.M., Eck?, T. van, Voorlopige ontwerpuitgangspunten voor nieuw- bouw en verbouw onder aardbevingsbelastingen ten gevolge van gaswinning in het Groningenveld, NEN, 7 mei 2014. 5 NEN 8700:2011 Beoordeling constructieve veiligheid van een bestaand bouwwerk bij verbouw en afkeuren ? Grondslagen. 6 Bouwbesluit 2012, Besluit van 29 augustus 2011 houdende vaststelling van voorschriften met betrekking tot het bouwen, gebruiken en slopen van bouwwerken (Bouwbesluit 2012). Staatsblad 2011, 416, 27 september 2011. 7 Steenbergen, R.D.J.M., Vrouwenvelder, A.C.W.M., Scholten, N.P.M., Veiligheidsbeschouwing aardbevingen, TNO 2013 R12071. 8 Eck?, T. van, Caccavale, M., Dost, B., Kraaijpoel, D., Probabilistic Seismic Hazard Analyses Induced Earthquakes Groningen, KNMI, March 2014. 9 Besluit externe veiligheid inrichtingen, houdende milieukwaliteits- eisen voor externe veiligheid van inrichtingen milieubeheer. Staatsblad 204, 250, 27 mei 2004. 10 Coburn, A., Spence, R., Earthquake Protection, John Wiley and Sons Ltd, 2nd Edition, 2002. 11 Jaiswal, K.S., Wald, D.J., Earle, P.S., Porter, K.A., Hearne, M., Earthquake casualty models within the USGS prompt assessment of global earthquakes for response (Pager) system. Second International Workshop on Disaster Casualties University of Cambridge, UK, 2009. 12 Spence, R., So, E., Scawthorn, C., Human Casualties in Earthquakes, Progress in Modelling and Mitigation, Spinger, 2011. 500 jaar. Verwachting is dat op korte termijn deze kaart wordt aangepast aan de laatste stand van de wetenschap en de inzich- ten zoals die zijn ontstaan na de recente productiebeperkingen. Bijvoorbeeld het met 80% reduceren van de productie bij Loppersum (besluit minister Kamp januari 2014) en het redu- ceren van de productie in het zuidwestelijk deel van het gasveld (besluit minister Kamp december 2014). Ook dienen de effec- ten van de productiestrategie, zoals die door Minister Kamp op 9 februari j.l. zijn gepresenteerd, bezien te worden. Omrekening van de waarden op deze kaart naar de volgens tabel 4 vereiste herhalingstijden, kan geschieden door verme - nigvuldiging met belangrijkheidsfactoren ? I volgens tabel 5. Tabel 5 Belangrijkheidsfactoren ? I voor verschillende gevolgklassen en beoor ­ delingssituaties (Near Collapse) gevolgklasse belangrijkheidsfactor ? I nieuwbouwverbouw en afkeuren CC1A a b CC1B1,3 1,2 CC2 1,5 1,4 CC3 1,7 1,6 a Voor CC1A worden aardbevingsbelastingen verondersteld niet maatgevend te zijn. Desgewenst kan echter voor nieuwbouw een belangrijkheidsfactor van 0,8 worden aangehouden. b Voor CC1A worden aardbevingsbelastingen verondersteld niet maatgevend te zijn. Desgewenst kan echter voor verbouw een belangrijkheidsfactor van 0,6 worden aangehouden. Rekenwaarde van de weerstand De rekenwaarde van de weerstand van het te toetsen element, dient te worden berekend in overeenstemming met de regels specifiek voor het gebruikte materiaal. Ze zijn gegeven in de hoofdstukken 5 tot en met 9 van de ontwerp-NPR en de rele- vante Eurocodes. De karakteristieke waarden van de materiaal- eigenschappen f k dienen te worden gedeeld door de partiële factor ? m. De zo bepaalde weerstand van het element dient daarna te worden gedeeld door de partiële factor ? R, overeen - komstig formule (6.6) van NEN-EN 1990: R d = R (f k / ? m) / ? R (5) waarin: ? R is de partiële factor voor de weerstand van het element: 1,1 voor CC1B, 1,2 voor CC2 en 1,3 voor CC3. Opgemerkt wordt dat het hier niet gaat om de materiaalfactor ? m (waarmee vloei of breukspanning wordt gereduceerd), maar om de partiële factor ? R voor de sterkte uitgedrukt in de PGA waarbij bezwijken optreedt. ? m is de partiële factor voor de materiaaleigenschappen, waarbij voor ? m de waarde 1,0 kan worden aangehouden als degra- datie-effecten expliciet in rekening worden gebracht. Indien degradatie-effecten niet via een expliciet model in rekening Veiligheidslosoe bij aardbevingsbelasting 1 2015