themaAardbevingen in Groningen: hoe nu verder?1201512thema1Verbetering van draagconstructies van bestaande gebouwenAardbevingenin Groningen:hoe nu verder?In een brief van minister Kamp aan de Tweede Kamer op 11 februari2013, werd aangekondigd dat enkele studies moesten worden uitge-voerd naar de problematiek rond gaswinning in Groningen. Een van diestudies betrof de verbetering van draagconstructies van gebouwen. Hetdaaruit volgende rapport is gepubliceerd als deel van het Winnings-plan, dat op 1 december 2013 door NAM is ingediend. In dit artikelwordt de strategie toegelicht die in het rapport werd geadviseerd.Een ongewenst effect van gaswinning is het veroorzaken vanaardbevingen die schade aan gebouwen kunnen veroorzaken.Aangezien het de verwachting is dat deze ge?nduceerde aard-bevingen toenemen in aantal en omvang, is het mogelijke risicovoor de persoonlijke veiligheid een groeiende zorg. Arup heeftin opdracht van NAM een `Strategie voor de verbetering vandraagconstructies' ontwikkeld. De doelstelling van deze strate-gie is het verminderen van het risico voor de persoonlijkeveiligheid, door het implementeren van maatregelen ter verbe-tering van draagconstructies van bestaande gebouwen.Aardbevingen in Groningen: hoe nu verder? 12015 13Nederland heeft een lange historie in het beheren van risico'sals overstromingen en het ontwikkelen van strategie?n omdergelijke risico's het hoofd te bieden. Veel van die strategie?nzijn deel geworden van relevante wetgeving. Het mogelijkerisico voor de persoonlijke veiligheid als gevolg van ge?ndu-ceerde aardbevingen in ons land is echter nieuw. Er is dan ookgeen wetgeving die ontwerpeisen afdwingt om weerstand tebieden tegen seismisch risico.Als onderdeel van de strategie zijn maatregelen ter verbeteringvan draagconstructies voorgesteld om de kwetsbaarheid vangebouwen te verminderen (niveau 1 t.m. 7, tabel 1). Dezemaatregelen kennen verschillende niveaus van complexiteit,afhankelijk van de verwachte amplitude van de seismischegrondbewegingen en de initi?le kwetsbaarheid van hetgebouwde. De maatregelen vari?ren van het aanpakken vaninstabiele schoorstenen, tot het bouwkundig versterken vancomplete wanden en gebouwfunderingen. Indien een verbete-ring van draagconstructies praktisch of economisch onhaalbaaris, kan sloop en nieuwbouw de uitweg zijn.In 2013 en 2014 is veel onderzoek gedaan om het seismischrisico in de regio beter in kaart te brengen. Deze studies hebbenbelangrijke variabelen aangetoond die van invloed zijn op ditseismisch gevaar en de gebouwkwetsbaarheid. Voor deze varia-belen is beperkte informatie beschikbaar en de invloed vansommige ervan is nog steeds niet volledig duidelijk. Als gevolgdaarvan wordt voorspelling van het seismisch risico en degebouwkwetsbaarheid gedaan met een grote onzekerheid en ishet nu te vroeg om een definitief verbeteringsprogramma teimplementeren. Daarom wordt een gefaseerde benaderingvoorgesteld. De locatie en de reikwijdte van het studiegebiedworden weergegeven in figuur 2.Over de hele wereld worden draagconstructies van bestaandegebouwen preventief verbeterd. De situatie in Groningen isuniek en om deze reden kunnen voorbeelden uit andere regio'sniet eenvoudigweg worden gekopieerd. De situatie is zo uniek,omdat de aardbevingen worden veroorzaakt door gaswinning,bekend als ge?nduceerde aardbevingen (in tegenstelling tottektonische aardbevingen waar het in de rest van de wereldmeestal om gaat). Daarnaast is de kennis over en ervaring methet ontwerpen en construeren van aardbevingsbestendigegebouwen in Nederland beperkt. Bovendien bestaat het grootstedeel van de gebouwenvoorraad in Groningen uit ongewapendmetselwerk. Zonder speciale ontwerpvoorzieningen reagerendeze constructies over het algemeen slecht op aardbevingen.VerbeteringsstrategieDe ontwikkelde verbeteringsstrategie moest kunnen omgaanmet de bestaande onzekerheden en toch een realistischebijdrage leveren aan het zo snel mogelijk verlagen van het risicovoor de persoonlijke veiligheid. De belangrijkste elementen vande voorgestelde strategie zijn een stapsgewijze implementatie,prioritering, bewaking en pilotprojecten.Stapsgewijze implementatieEr is een stapsgewijze implementatie voorgesteld die begint met1) het versterken of verwijderen van gebouwelementen met eenhoger risico (valgevaar), 2) het verbeteren van de integriteit vangebouwen en 3) het verbeteren van de sterkte en/of ductiliteitprof.dr.ir. Joop Paul MBAArup / TU Delft, fac. Bouwkunde1 Gaswinningsinstallatie in Groningenfoto: NAMPlatform Gaswinning en Aardbevingen2 Locatiekaart regio Groningen; studiegebied 2013 betrof binnengebied (blauw), studiegebied 2014 was het grotere gebied (rood)Relatie met NPRDit artikel geeft de strategie weer zoals opgesteld door Arup inopdracht van NAM. Uit deze strategie komt onder meer deontwikkeling van de NPR (NPR 9998:2015 Ontw.) voort. De uitein-delijke invulling van die NPR sluit niet per definitie exact aan opdeze strategie.2themaAardbevingen in Groningen: hoe nu verder?12015143 Elementen van de strategie en hun relaties4 Analysemethodengehele onderzoek als voor de mensen die deelnemen aan depilot. Als onderdeel van pilot 1 worden voor tien huizen maat-regelen aangebracht (niveau 2 en 3, tabel 1). Als onderdeel vanpilot 2 wordt ervaring opgedaan met het screenen van 4500huizen plus een aantal andere gebouwen en met het berekenenvan een aantal scholen.Elementen van de strategieIn figuur 3 staat aangegeven uit welke elementen de strategiebestaat en wat de relaties zijn tussen de verschillende elemen-ten. De studies overlappen in tijd, maar in algemene zin is devoortgang van links naar rechts, te beginnen bij de studie seis-misch risico en eindigend bij de implementatiestudie. Deimplementatiepilots sluiten aan bij deze volgorde. De drievan gebouwen. Door de verbeteringen in stappen te implemente-ren, wordt een balans gezocht tussen risicovermindering, invloedop de gebouwen en de omgeving, snelheid van implementatie encapaciteit van de middelen die nodig zijn voor de implementatie.PrioriteringNa uitvoering van enige pilotprojecten in 2014, wordt in 2015gestart met het grootschalige programma van bouwkundigversterken. Maar de gebouwen in het aardbevingsgebiedkunnen niet allemaal tegelijk worden gescreend en behandeld.Daarom moet er een prioritering plaatsvinden. Voorgesteld iste beginnen met de complexen die in het geval van een zwareaardbeving naar verwachting de meeste slachtoffers zullenveroorzaken. Hierbij wordt onder meer gekeken naar het seis-misch gevaar en de gebouwkwetsbaarheid.BewakingEr wordt uitgegaan van een constante bewaking en voortgangvan het onderzoek. Dit om onzekerheden omtrent het niveauvan seismische gevaren in de regio te verminderen, het begripvan de kwetsbaarheid van gebouwen te verbeteren, maatregelenverder te ontwikkelen en te helpen een acceptabel niveau vanseismisch risico voor de persoonlijke veiligheid te defini?ren.De resultaten van het onderzoek zullen naar verwachtingbijdragen aan verdere ontwikkeling van de NPR (NationalePraktijk Richtlijn).PilotprojectenEr is gestart met pilotprojecten (pilot 1 en 2). Het voordeelhiervan is dat er sneller resultaat mogelijk is, zowel voor hetstudie naar seismische risico: gevaar schatting van schade(instortingen, gewonden,dodelijke slachtoffers)studie naar constructieveverbetering: ontwerpregels en procedures haalbare verbeteringsmaatregelenstudie naar implementatie: vergunningen resourcebeoordelingsproces kennisoverdrachtprioriteringtechnische haalbaarheidoperationele implementatieconstructieve verbeteringsstrategieimplementatieplan voorconstructieve verbeteringgrootschaligeimplementatievoor duizendengebouwen:screening/beoordelingen +stap 1, 2 en 3voor honderdengebouwen:screening/beoordelingen +stap 1, 2 en 3voor tientallengebouwen:stap 1, 2 en 3pilot 1 pilot 2zijdelingse belastingsmethodeequivalent raamwerklineair statischlineair dynamisch (bijv. GSA)niet-lineair statisch(bezwijkvorm)niet-lineair statisch(macro elementen) niet-lineair dynamisch(bijv. LS-DYNA, DIANA)kosten/tijd van beoordeling/analyse [ / T]kosten/tijdversterkingsmaatregelen[/T]lineair niet-lineairmeer generiek meer specifiek43Aardbevingen in Groningen: hoe nu verder? 12015 15genoemde studies zijn in 2013 uitgevoerd en gerapporteerd inhet Winningsplan. In 2014 zijn deze studies doorgelopen en erzijn verschillende relaties met andere studies en activiteiten vanandere organisaties. Deze parallelstudies voorzien in belang-rijke inbreng voor deze studie:- Definitie van seismisch gevaar door het KNMI en onder-grondexperts (incl. NAM) (doorlopend);- Definitie van het veiligheidsniveau door de Nederlandseoverheid (is gestart maar nog niet volledig afgerond);- Ontwikkeling van nationale ontwerprichtlijnen (NPR ennationale annex bij Eurocode 8) voor de verbetering vandraagconstructies van bestaande gebouwen door NEN. Er ismomenteel een ontwerp-NPR gereed en er zal naar verwach-ting blijvend aan worden ontwikkeld.De studies en implementatiepilots dienen om te leren hoe eengrootschalige implementatie op een effectieve en tijdige manierkan worden uitgevoerd. Hiertoe wordt voorzien in feedbacklus-sen. Zo worden tijdens pilot 1 verschillende marktpartijenactief geconsulteerd. Resultaten uit alle pilots worden gedocu-menteerd en gebruikt om de strategie voor verbetering vandraagconstructies en het plan bij te werken. Dit proces leidt totverfijning van de kennisbasis, te beginnen met een aanpak bijbenadering en vervolgens leidend tot meer verfijning metbijbehorende verificatie en validatie.Gebouwprestaties bij seismische activiteitHoewel het aantal bestudeerde typerende gebouwen is beperkt,is waargenomen dat de volgende factoren van invloed zijn opgebouwprestaties:- openheid van wanden (bijv. ramen en deuren);- type wand;- gebouwmassa (wat een functie is van de massa van de vloer-constructie en het aantal verdiepingen).Op basis van de spectrumanalysen met modale respons worden(zie elders in dit nummer, bijvoorbeeld artikel `Aardbevingen:een nieuwe uitdaging voor de bouw in Nederland') tweegroepen onderscheiden: de meer kwetsbare gebouwen, zijnderijtjeshuizen en half vrijstaande huizen, en de minder kwets-bare gebouwen, zijnde vrijstaande huizen, arbeiderswoningen,herenhuizen en villa's.Meer kwetsbare gebouwenDe meer kwetsbare gebouwen zijn vooral kwetsbaar in de rich-ting evenwijdig aan de voor- en achtergevel. Deze gevels zijnrelatief open, wat zijn oorsprong heeft in een ontwerpmethodo-logie die de weerstand tegen windbelasting op de zijgevel vaneen gebouw verdeelt over alle wanden in het gebouw. Dit heeftgeleid tot relatief smalle metselwerk penanten per rijtjeshuis,om laterale belasting in die richting te weerstaan. In deze groepTabel 1 Permanente verbeteringsmaatregelenniveau maatregel voorbeeld1 mitigerende maatregelenvoor gebouwelementenmet een hoger risico(potentieel valgevaar)2 verbinden van vloeren enwanden3 verstijven van flexibelevloerschijven4 versterken van bestaandewanden5 vervangen en toevoegenvan wanden6 versterken van fundering7 sloop / nieuwbouwhebben alle gebouwen drie verdiepingen en zijn alle wandenspouwmuren. Gebouwen met relatief lichte vloeren presterenbeter in vergelijking met gebouwen met relatief zware vloeren.Minder kwetsbare gebouwenDe minder kwetsbare gebouwen zijn niet in de ene richtingsterker dan de andere. In deze groep hebben de meeste gebou-wen twee verdiepingen en massieve wanden. Opnieuw preste-ren gebouwen met relatief lichte vloeren beter in vergelijkingmet gebouwen met relatief zware vloeren.themaAardbevingen in Groningen: hoe nu verder?1201516Maatregelen ter verbetering van draagconstructiesVoor de meest voorkomende typologie?n zijn haalbare maatre-gelen ter verbetering van draagconstructies ontwikkeld. Dezemaatregelen zijn geschikt om levensbedreigende schade te voor-komen en worden ontwikkeld met oog op de lokale mogelijkhe-den, de sociale verstoring en esthetische gevoeligheid. Zevenniveaus van permanente verbeteringsmaatregelen zijn beschre-ven (tabel 1). Deze niveaus zijn uiteengezet in volgorde van demeest effectieve oplossingen die het snelst kunnen wordeningezet om het risico het snelst te verminderen, terwijl de impactvoor de bewoners wordt geminimaliseerd. Complexiteit, duur enimpact op bewoners groeien bij toenemend interventieniveau.Wanneer interventie is vereist, zal dat een mix zijn vanverschillende permanente en tijdelijke verbeteringsmaatrege-len. Tijdelijke verbeteringsmaatregelen zijn ook vastgesteldvoor snelle risicoreductie bij specifieke gebouwtypen, bijvoor-beeld rijtjeshuizen, half vrijstaande huizen en gebouwen meteen etalage die zijn ge?dentificeerd als meer kwetsbaar. Tijde-lijke verbeteringsmaatregelen worden buiten het gebouw toege-past en bieden laterale steun aan het gebouw (bijv. stalen`boekensteunframes').OnzekerhedenBij een traditionele benadering zijn er drie belangrijke bronnenvan onzekerheid, als het gaat om het schatten van het aantalgebouwen dat mogelijk verbetering van draagconstructiesbehoeft en het beoordelen van de omvang van de vereisteverbetering van draagconstructies. Te weten:1 Het model voor seismische activiteit bevat onzekerheden metbetrekking tot:AnalysenAls onderdeel van de studie zijn verschillende mogelijke analy-semethoden onderzocht. In alle gevallen werd beoogd eenjuiste balans te vinden tussen de nauwkeurigheid en de snel-heid van de beoordeling. Geconcludeerd werd dat er verschil-lende methoden kunnen worden gebruikt voor verschillendegebouwtypologie?n.Bij lage PGA-niveaus (Peak Ground Acceleration ook wel ag) ofwanneer de prestatie-eisen zijn gekoppeld aan geen of verwaar-loosbare schade, kan een lineair-elastische analyse op accuratewijze worden gebruikt.Bij grotere PGA's en bij acceptatie van significante schade voorprestatie-eisen met betrekking tot persoonlijke veiligheid, kanmet een niet-lineaire analyse rekening worden gehouden met deniet-lineaire, meer ductiele respons van het gebouw. Dezeanalyse is vereist om nauwkeuriger resultaten te verkrijgen endus beter inzicht in de vereiste verbeteringsmaatregelen. Dit isvooral het geval wanneer de analyse is bedoeld voor een speciaalgebouw of representatief is voor een typologie of subtypologie,waarbij een groter aantal gebouwen wordt vertegenwoordigd.Bij grotere PGA's is er een alternatieve benadering waarvoor eenlineair-elastische analyse wordt gebruikt, samen met ductiliteitsfac-toren op basis van materiaal, (sub)typologie en faalmodus. Dezeductiliteitsfactoren zijn niet beschikbaar voor de gebouwenvoor-raad in Groningen. Wel is duidelijk dat gebouwen met gewapendmetselwerk beperkte ductiliteit hebben. Na kalibratie via fysieke ennumerieke niet-lineaire testen, kunnen lineaire analysen op basisvan de representatieve ductiliteit van de Groningse gebouwenvoor-raad, leiden tot een effici?ntere algemene procedure. Deze methodeis mogelijk geschikter voor algemene, grootschalige inzet. Deontwikkeling van een dergelijke vereenvoudigde methode kanvanaf voorjaar 2015 ??n tot drie jaar in beslag nemen.5Aardbevingen in Groningen: hoe nu verder? 12015 175 Voorbeeld van een nietlineair analysemodel waar afzonderlijkestenen worden gemodelleerd6 Voorbeeld van scheurvorming in de wand van een huisnieuwbouwkosten met zich meebrengen. Bij bestaande gebou-wen kunnen de maatregelen ter verbetering van draagconstruc-ties meer dan 50% van de huidige gebouwwaarde kosten.Indirecte effecten die gepaard gaan met het implementeren vanverbetering van draagconstructies kunnen hier nog kosten aantoevoegen. Daarom is de vermindering van onzekerheidbelangrijker voor bestaande gebouwen dan voor gebouwen dienog moeten worden gebouwd.Implicaties van modelonzekerhedenAfhankelijk van de geselecteerde waarde van de variabelen,kunnen de benodigde maatregelen voor een specifiek gebouwvari?ren van geen maatregelen tot alle maatregelen tot en metniveau 6 uit tabel 1. Het doen van voorzichtige (pessimistische)veronderstellingen kan resulteren in te veel inmenging metinterventieniveaus die hoger zijn dan nodig. Het doen van opti-mistische veronderstellingen kan resulteren in onvoldoendetussenkomst van de juiste interventieniveaus om het veronder-stelde veiligheidsniveau te waarborgen. Voor verschillendevariabelen is beperkte informatie beschikbaar en de invloedvan sommige van deze variabelen is nog steeds niet geheelduidelijk.Vermindering van onzekerhedenVoorgesteld is de onzekerheden op drie verschillende manierente reduceren:- Vergroten van de representativiteit van de analytische model-len van de lokale situatie;- Kalibreren van modellen met fysieke laboratoriumtesten en/of veldmetingen;- Vergroten van de basiskennis van specifieke be?nvloedings-factoren.- De amplitude van de piekgrondbewegingen bij een aard-beving en de geografische verdeling ervan;- Karakteristieken van verwachte grondbewegingen bij eenaardbeving, met inbegrip van de frequentie-inhoud en duurervan;- Lokale grondcondities en het effect ervan op seismischeversnellingen en karakteristieken van de grondbewegingenbij een aardbeving;- Behandeling van de tijdelijke aard van ge?nduceerd seismischgevaar, de correlatie ervan met gaswinning en de interpretatieervan met betrekking tot codevereisten.2 Het model voor seismische weerstand bevat onzekerhedenmet betrekking tot:- Analysemethoden voor draagconstructies;- Informatie over/kennis van de gebouwen en materiaaleigen-schappen;- Toegestane ductiliteit waarmee rekening mag worden gehou-den voor de Nederlandse gebouwenvoorraad;- Het effect van de grondbewegingsduur op seismische presta-ties;- Kwetsbaarheid; een onderdrempel voor versnelling waarvoorgeen seismische verbetering is vereist;- Kwetsbaarheid; verschillen tussen afzonderlijke gebouwenbinnen elke typologie en de representativiteit van afzonder-lijke analysemodellen voor het beoordelen van de totalepopulatie;- Het kwantitatieve effect van maatregelen ter verbetering vandraagconstructies.3 Het beoogde veiligheidsniveau is afhankelijk van:- Een uitgebalanceerde visie op de waarschijnlijkheid vanoptreden van de verschillende niveaus van grondbeweging bijeen aardbeving en de verwachte gevolgen van hun optredenvoor nieuwe en bestaande gebouwen;- Tolerantie van de lokale gemeenschap aangaande risico's alsgevolg van grondbeweging bij een ge?nduceerde aardbeving.Benadering onzekerheid nieuwe en bestaandegebouwenBij nieuwbouwontwerpen kan de huidige onzekerheid in demodellen worden ge?ntegreerd en kunnen er specifieke seismi-sche ontwerpcriteria worden aangenomen die de impact van deonzekerheden minimaliseren. Dientengevolge kan een aard-bevingsbestendig ontwerp een maximum van 5 tot 10% extra6themaAardbevingen in Groningen: hoe nu verder?12015187 Werkstromen, screenings, beoordeling en prioriteringventieniveaus. Stap 1 richt zich op het ontwerpen en uitvoerenvan interventiemaatregelen om urgente risico's te verminderen,alsook interventiemaatregelen om gebouwelementen met eenhoog risico (zoals beschadigde schoorstenen of balustrades) temitigeren. Stap 2 richt zich op het ontwerpen en uitvoeren vaninterventiemaatregelen om de constructieve integriteit ingebouwen te verbeteren. Dat wil zeggen het verbinden vanvloeren en wanden en het verstijven van vloerschijven. Stap 3gaat over mogelijke nadere interventieniveaus om draagcon-structies van gebouwen te verbeteren. Elke stap begint met eenpilotfase (tijdens pilot 2) om de haalbaarheid van de uitvoeringvan maatregelen te testen.Aangezien de variatie in gebouwen in werkstroom 2 groter ende herhaling kleiner is, wordt een afzonderlijke benaderinggebruikt om de voorgestelde risicomatiging of de maatregelenter verbetering van draagconstructies voor deze gebouwen (ofgroep gebouwen) uit te voeren.Op dit moment is werkstroom 1 getest tot maatregelniveau 3.Voor werkstroom 2 is getest tot en met de niveau 2-beoorde-ling.TijdspadDe omschreven strategie is gebaseerd op de stand van zakeneind 2013. In de tussentijd is begonnen met het uitwerken vande studies en opstarten van pilots en grootschalige implemen-tatie.In 2014 is de opeenvolging van studies, pilot 1, pilot 2 en groot-schalige implementatie losgelaten en in elkaar geschoven, zodatze nu min of meer parallel verlopen. Dit is een aanpak die hetuiterste vergt van alle betrokken partijen. De pilots lopen nogtot in 2015. LITERATUUR1 REP/229746/ST001 Structural Upgrading Strategy, Arup, Amsterdam,29 november 2013.2 REP/229746/SU003 Structural Upgrading Study, Arup, Amsterdam,29 november 2013.3 REP/229746/SR001 Seismic Risk Study ? Earthquake ScenarioBasedRisk Assessment, Arup, Amsterdam, 29 november 2013.4 REP/229746/IS001Implementation Study, Arup, Amsterdam,29 november 2013.ImplementatieOp basis van de tot op heden gedane beoordelingen, is aanbe-volen zo snel mogelijk te beginnen met de volgende maatrege-len ter verbetering van draagconstructies, in het gebied met hetgrootste seismische gevaar:- Versterken of verwijderen van gebouwelementen met eenhoger risico (valgevaar);- Verbeteren van de integriteit van gebouwen;- Verbeteren van de sterkte en/of ductiliteit van gebouwen.Werkstromen, screenings en beoordelingenEr zijn twee afzonderlijke werkstromen gedefinieerd als onder-deel van de voorgestelde implementatie; ??n voor normalegebouwen (importantieklasse II volgens Eurocode 8) en ??nvoor belangrijke gebouwen (importantieklasse III en IVvolgens Eurocode 8, fig. 4).Voor het initi?le gebied worden externe, snelle visuelescreenings (Rapid Visual Screening, RVS) uitgevoerd op allegebouwen in klasse II. Deze screeningsmethode zal nietworden toegepast op gebouwen in klasse III en IV, aangeziendeze is gericht op het snel identificeren van grote risico's en ophet prioriteringsproces binnen de grootste groep gebouwen(klasse II). Voor soortgelijke huizen (bijv. rijtjeshuizen) kan debeoordeling minder uitgebreid zijn.Om het risiconiveau snel te verminderen, wordt werkstroom 1in figuur 7 uitgevoerd in drie stappen voor verschillende inter-uitvoering vanmaatregelen opniveau 2prioriteiten volgensgebouwkwetsbaarheidindividuele benadering vanuitvoering van maatregelenvoor elk gebouwpilot 2pilot 2pilot 2pilot 2pilot 2pilot 2pilot 2pilot 2niveau 2beoordelingstap 1niveau 2beoordelingniveau 2beoordelingniveau 2beoordelingstap 3stap 2prioriteiten volgensgebouwkwetsbaarheidprioriteiten volgensgebouwkwetsbaarheidwerkstroom 1klasse Iklasse IIwerkstroom 2klasse IIIklasse IVniveau 1beoordelingstudiespilot 1elementen met hoger risicogeen gebouwen/elementengebouwen met hoger risico(visueel of lage Sscore)uitvoering vanmaatregelen opniveau 3, 4, 5, 6 of 7uitvoering vanmaatregelen opniveau 0uitvoering vanmaatregelen opniveau 17