22 De effectiviteit van base isolation Twee oplossingen vergeleken voor Groningse woning geval zullen de constructieonderdelen grote vervormingen ondergaan die moeilijk zijn te herstellen. Dat kan leiden tot een onherstelbaar gebouw. 'Base isolation' is een creatieve oplossing waarbij niet direct wordt gekozen deze krachten te weerstaan, maar waarbij de aardbevingsenergie en de krachten die op het gebouw werken worden gereduceerd. Kenmerkend voor base isolation is de horizontale flexibiliteit van de opleggingen op funderingsniveau, wat de trillingstijd van het totale gebouw vergroot. Hoewel de verplaatsing toeneemt door de toegeno- men flexibiliteit, is het mogelijk de verplaatsingen te reduceren door demping toe te voegen aan het isolatiesysteem. Omdat base isolation de aardbevingsenergie die uiteindelijk op het gebouw werkt kan reduceren, is het een zeer geschikte oplossing voor monumentale gebouwen waarbij traditionele versterkings- constructies een te grote impact hebben. Het traditionele ontwerpprincipe van aardbevingsbestendige constructies, met bijvoorbeeld een versterkingsconstructie in staal, is dat elk constructieonderdeel in staat is de optredende seismische krachten te weerstaan met voldoende ductiliteit om de energie als gevolg van een aardbeving te absorberen. In dit Door gebouwen te voorzien van base isolation, ofwel seismische isolatie, worden belastingen uit aardbevingen gereduceerd. In dit artikel worden twee isolatiesystemen vergeleken: een systeem met frictiependulums en een systeem met rubberopleggingen met loden kern (LRB). De eectiviteit van base isolation 2 2017 23 Eigenschappen base isolation Bij traditionele gebouwen is de versnelling aan de top groter dan bij de fundering. Dit is het zogenoemde opslingereffect. Een gebouw met base isolation (seismisch geïsoleerd gebouw) beweegt echter als een vast geheel met grote verplaatsingen op funderingsniveau. Kenmerkend voor base isolation is: ? het flexibele gedrag bij hoge belastingen uit aardbevingen waardoor de effectiviteit met betrekking tot het reduceren van de horizontale krachten toeneemt bij toenemende trillingstijd; ? de energiedissipatie waardoor de verplaatsingen van het systeem worden gereduceerd; ? het stijve gedrag bij lage belastingen als bij wind en kleine bevingen. Moderne isolatiesystemen kunnen in twee categorieën worden onderverdeeld: ? elastomeeropleggingen; ? glijopleggingen. Elastomeeropleggingen De belangrijkste elastomeeropleggingen die worden toegepast zijn elastomeeropleggingen met demping of rubberopleggingen met loden kern. De loden kern genereert demping en daarmee energiedissipatie. Glijopleggingen Bij glijopleggingen wordt energiedissipatie gegenereerd door de frictie tussen de materialen van de oplegging, die bestaat uit een glijoppervlak van roestvaststaal en een glijmateriaal. Bij een bestaand gebouw wordt het aantal opleggingen gedicteerd door de sterkte van de bestaande constructie en het draagvermogen van de fundering, waardoor de ontwerper slechts beperkt het glijopper - vlak en de frictie kan beïnvloeden. De fabrikanten leveren echter ook gepatenteerde frictiependulums met lage frictiecoëfficiënten. Glijopleggingen met een concaaf (holvormig) oppervlak, zoals frictiependulums, beschikken in tegenstelling tot de systemen met een vlak oppervlak over recentreercapaciteit die wordt beïnvloed door de vorm van de opleggingen en de zwaarte- kracht. Bij systemen met een vlak oppervlak zijn additionele apparaten nodig die voldoende recentreerkracht genereren om te voorkomen dat het gebouw een cumulatieve, blijvende verplaatsing ondergaat. Als de invloed van deze apparaten buiten beschouwing wordt gelaten, geldt voor vlakke glijopleg- gingen dat de totale horizontale kracht uit aardbevingen niet verder kan toenemen dan de frictieweerstand. In de praktijk worden vlakke glijopleggingen nooit als enige component toegepast om de volgende twee redenen: ? Door het gebrek aan recentreercapaciteit zullen cumulatieve verplaatsingen optreden bij naschokken. ? Waarschijnlijk is de initiële frictieweerstand groter dan de kracht die nodig is om het glijden in stand te houden. Hierdoor zal er sprake zijn van een ongecontroleerde verplaatsing. ing. André Schouten Arcadis 1 Voorbeeld van elastomeeropleggingen 1 De eectiviteit van base isolation 2 2017 24 2 Voorbeeld van glijopleg- gingen 3 Spectrale versnelling [1] 4 Kracht-verplaatsings- gedrag [8] 5 Glijoplegging met concaaf oppervlak 6 Spectrale verplaatsing [1] fi = m j Se (T eff, ?eff) waarin: f j zijn de horizontale krachten m j is de massa S e is de spectrale versnelling T eff is de effectieve trillingstijd ? eff is de effectieve demping De horizontale krachten f j zijn afhankelijk van de massa m j en de versnelling. De grootte van de spectrale versnelling S e, zoals weergegeven in figuur 3 (NPR 9998 fig. 3.3), wordt bepaald door de ontwerpwaarde van de piekgrondversnelling a g ? k ag en de effectieve demping ? eff. Aan de dempingscorrectiefactor is in NPR 9998 een ondergrens gesteld van ? = 0,55 wat overeenkomt met een maximale demping van 28% (volgens NPR 9998 uitdrukking 3.16). Het heeft geen zin een hogere demping te kiezen. De versnelling wordt afgelezen bij een trillingstijd T eff. De trillingstijd T eff wordt berekend met uitdrukking 10.1 van NEN-EN 1998-1: d sd sd eff eff e b ff bd 2 N M T d K N k R =+ = waarin: M is de meetrillende massa K eff is de stijfheid van het isolatiesysteem Vergelijking prestaties Om de effectiviteit van de twee systemen te bepalen, worden ze vergeleken bij toepassing in een monumentale woning in Noord-Nederland. Begonnen wordt met het bepalen van de versnelling van deze woning als frictiependulums zijn toege- past. De resultaten worden vergeleken met een systeem met rubberopleggingen met loden kern. Een isolatiesysteem met conventionele elastomeren is vanwege het gebrek aan demping niet in de vergelijking meegenomen. Voor het seismische ontwerp van gebouwen in Noord-Neder - land geldt in de eerste plaats NPR 9998 van december 2015 [1]. Verder beschrijft NEN-EN 1998 (Eurocode 8) [2, 3] hoe een isolatiesysteem moet worden geschematiseerd. Voor gebouwen is dit geregeld in hoofdstuk 10 van deel 1 en voor bruggen in hoofdstuk 7 van deel 2. Voor de base isolators geldt daarnaast NEN-EN 15129 (Seismische dempers) [4] voor het seismische ontwerp en de NEN-EN 1337-serie [5, 6, 7] voor het niet-seis- mische ontwerp. Bovendien geldt de betreffende ETA (European Technical Approval) van de fabrikant van de opleggingen. Frictiependulum In dit artikel maken we gebruik van een vereenvoudigde bere- keningsmethode op basis van de effectieve trillingstijd. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat het gebouw en de fundering stijf zijn ten opzichte van het isolatiesysteem. De beweging van het gebouw kan dan worden beschreven met drie vrijheidsgraden: twee horizontale translaties en een torsiebeweging om de verticale as. De horizontale krachten worden berekend met uitdrukking 10.6 van NEN-EN 1998-1: 2 De eectiviteit van base isolation 2 2017 25 0,0 1,0 2,03,0 0,0 0,2 0,4 T B T C Te g ebouw ve rsnel ling [g ] tril lings tijd [s ] F0= dNsd Kp= N sd/ Rb fo rc e F disp lacem en t d f o rc e - d isp lacem en t l oop f o r se ismic a n al ysi s id ealise d monot onic resp onse f o r st atic anal ysi s dbd area enc lose d in loop = d issi pat ed en ergy p er cyc le Ed Ed Fma x Rb dbd Nsd Fm ax F0= dNsd Kp= N sd/ Rb fo rc e F disp lacem en t d f o rc e - d isp lacem en t l oop f o r se ismic a n al ysi s id ealise d monot onic resp onse f o r st atic anal ysi s dbd area enc lose d in loop = d issi pat ed en ergy p er cyc le Ed Ed Fma x Rb dbd Nsd Fm ax 0 1 2 3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T C T e verplaatsing [mm] trillingstijd [s] De meetrillende massa M, de piekgrondversnelling (PGA) en de dempingscorrectiefactor ? zijn bekend. Hierdoor is de stijf- heid K eff bepalend voor de effectiviteit van het isolatiesysteem. Deze K eff is af te leiden uit het kracht-verplaatsingsgedrag van het isolatiesysteem (fig. 4). Figuur 4 is ontleend aan JRC Scien- tific and Technical Reports [8]. De stijfheid k eff van een individuele frictiependulum bij een verplaatsing d bd wordt berekend aan de hand van uitdrukking 7.2 van NEN-EN 1998-2. d sd sd eff eff e b ff bd 2 N M T d K N k R =+ = waarin: ? d is de dynamische frictiecoëfficiënt N sd is de axiale kracht d bd is de verplaatsing R b is de radius De radius R b van het concaafoppervlak bepaalt de flexibiliteit van de individuele oplegging, samen met de axiale kracht, de frictiecoëfficiënt ? d en de verplaatsing d bd. De diverse parame- ters zijn weergegeven in figuur 5. De dynamische frictiecoëfficiënt ? d is drukafhankelijk en volgt uit de opgave van de fabrikant. Maurer [9] blijkt speciaal ontworpen frictiependulums te kunnen leveren waarbij een demping van 28% wordt gerealiseerd (NEN-EN 1998-2 uitdrukking 7.5). Uit figuur 3 blijkt dat de trillingstijd T eff groter is dan T C. Hier - door is de verplaatsing bekend bij gegeven waarden voor de piekgrondversnelling en de demping. Dit is weergegeven in figuur 6 (NEN-EN 1998-1 uitdrukking 10.5). Flexibel gedrag wordt gegenereerd door een zo vlak mogelijk concaafoppervlak te kiezen. De oplegging moet echter voldoende recentreercapaciteit beschikken. De recentreercapa - citeit kan worden bepaald met de formules van Medeot [10]. De effectiviteit met betrekking tot het reduceren van de hori- Praktijkvoorbeelden Over de toepassing van base isolation in een Rijksmonument in Groningen staat elders in dit nummer een Cement-artikel 'Gecompliceerde reddingsoperatie Rijksmonument'. Ook in het Groninger Forum is base isolation overwogen. Daarover staat meer in het artikel 'Groninger Forum aardbevingsveilig (2)', elders in dit nummer. 3 4 5 6 De eectiviteit van base isolation 2 2017 26 0 20 40 60 80 100 traditioneel rubberopleggingen frictiependulums versnelling [%] 7 Vergelijking van de versnellingen ? Demping, waarvan de grootte in het geval van frictiependu- lums wordt bepaald door de grootte van de frictieweerstand, heeft een significante invloed op het verbeteren van de effec- tiviteit met betrekking tot het reduceren van de verplaatsin- gen en de versnellingen. Aan de dempingscorrectiefactor is in NPR 9998 een ondergrens gesteld van 0,55 wat overeenkomt met een maximale demping van 28%. ? Het isolatiesysteem met rubberopleggingen waarbij de loden kern zorgt voor demping, en waarvan het benodigd aantal opleggingen wordt gedicteerd door de sterkte van de bestaande constructie en het draagvermogen van de funde- ring, is in dit voorbeeld niet effectief, en leidt niet tot de gewenste verbetering van de prestaties met betrekking tot het reduceren van de versnellingen. ? zontale krachten is maximaal door het toepassen van frictie- pendulums met een demping van ten minste 28% (volgens NPR 9998 uitdrukking 3.16), en door een radius van het concaafoppervlak te kiezen waarbij net wordt voldaan aan de benodigde recentreercapaciteit. Uiteraard moet het systeem voldoende stijf reageren onder normale belastingen als wind. LRB Vervangen we in het voorbeeld de frictiependulums door rubberopleggingen met een loden kern (LRB), dan blijkt dit een minder effectieve oplossing. Om aan de knikstabiliteit te kunnen voldoen (NEN-EN 15129), blijkt een rubberdiameter van 500 mm nodig te zijn bij een dikte van 200 mm rubber en een afschuifmodulus van 0,40 MPa. Het voert te ver om de berekening van dit systeem in dit artikel uit te werken. De demping, die voor de vergelijking gelijk is gehouden aan 28%, wordt in dit geval gerealiseerd door een loden kern. De versnel- ling blijkt een veelvoud te zijn van de versnelling die optreedt bij het isolatiesysteem met de frictiependulums. De horizontale krachten zijn evenredig toegenomen. Deze zijn zelfs zodanig toegenomen dat optillen van de opleggingen optreedt. Hier - door zal er sprake zijn van een ongecontroleerde verplaatsing. Vergelijk De versnelling van de monumentale woning met een traditio- nele fundering is eenvoudig te bepalen aan de hand van de fundamentele trillingstijd die in dit voorbeeld kleiner is dan T C, en de gedragsfactor q. Stellen we deze versnelling op 100 dan is bij een isolatiesysteem met rubberopleggingen met loden kern ? zo blijkt uit berekeningen die niet zijn opgenomen in dit artikel ? de versnelling 59, en bij een isolatiesysteem met frictie- pendulums 11 (fig. 7). De vergelijking laat zien dat, bij het spectrum volgens de NPR9998 van december 2015, de effectiviteit met betrekking tot het reduceren van de versnellingen, en daarmee het reduce- ren van de horizontale krachten significant verbetert door het toepassen van een isolatiesysteem met frictiependulums. Conclusies ? De resultaten in dit voorbeeld laten zien dat de effectiviteit van het isolatiesysteem met frictiependulums ? met betrek- king tot het reduceren van de versnellingen ? toeneemt bij toenemende flexibiliteit van het systeem. Het isolatiesysteem moet echter wel in staat blijven te recentreren. ? De verplaatsingen op funderingsniveau nemen toe bij toene- mende trillingstijd. De maximale verplaatsing wordt gevon- den bij trillingstijd T C, daarna blijft de verplaatsing gelijk. ? LITERATUUR 1 NPR 9998:2015 Ontw. Beoordeling van de constructieve veiligheid van een gebouw bij nieuwbouw, verbouw en afkeuren - Grondslagen voor aardbe - vingsbelastingen: Geïnduceerde aard- bevingen, februari 2015. 2 NEN-EN 1998-1:2005 (en)+C1/A1:2013 Eurocode 8 ? Ontwerp en berekening van aardbevingsbestendige construc- ties ? Deel 1: Algemene regels, seismi- sche belastingen en regels voor gebouwen. 3 NEN-EN 1998-2:2006 (en) Eurocode 8 ? Ontwerp en berekening van aardbe - vingsbestendige constructies ? Deel 2: Bruggen. 4 NEN-EN 15129: 2009 Seismische dempers. 5 NEN-EN 1337-2: 2004 (en) Opleg gingen voor bouwkundige en civiel technische toepassingen ? Deel 2: Glijdelen. 6 NEN-EN 1337-3: 2005 (en) Opleggin- gen voor bouwkundige en civieltech- nische toepassingen ? Deel 3: Opleg- gingen van elastomeren. 7 NEN-EN 1337-7: 2004 (en) Opleggin- gen voor bouwkundige en civiel- technische toepassingen ? Deel 7: Bolvormige en cilindrische opleg- gingen van PTFE. 8 JRC Scientific and Technical Reports: 2012 Bridge Design to Eurocodes Worked examples ISBN 978-92-79- 22823-0. 9 ETA 06-0131: 2013 European Tech nical Approval Maurer MSM Spherical and Cylindrical Bearing Maurer. 10 13th World Conference on Earth- quake Engineering Canada 2004 Paper No. 3106: R. Medeot: Re-cente - ring capability evaluation of seismic isolation systems based on energy concepts. 7 De eectiviteit van base isolation 2 2017