16 thema Eisen aan robuustheid Regelgeving ten aanzien van robuustheid niet eenduidig; verandering op komst thema Eisen aan robuustheid 4 2015 17 1 Het kantoorgebouw TransPort op Schiphol heeft een constructie met kolommen Huidige eisen Al langere tijd worden er eisen aan de robuustheid van bouw- constructies gesteld. In het navolgende worden de eisen in de TGB 1990, de huidige Eurocodes en het Bouwbesluit samengevat. TGB 1990 In NEN 6700 [1] was gesteld dat bouwconstructies zo moeten zijn ontworpen dat het bezwijken van een onderdeel van een constructie niet tot onevenredig grote schade leidt. In de ontwerppraktijk leidde dit ertoe dat constructies werden getoetst op de effecten van de in NEN 6702 [2] beschreven bijzondere belastingen zoals aanrijd- en explosiebelastingen. Het gedrag van de constructie moest hierbij zo zijn dat de schade beperkt bleef tot het primair belaste constructiedeel zelf en die delen die daar direct op aansluiten. Discussie o.a. in Stufib Over deze benaderingswijze is aan het begin van het vorige decennium, onder andere binnen Stufib studiecel 2, uitgebreid gediscussieerd tussen ontwerpende en toetsende constructeurs. De centrale vraag hierbij was of de schade aan een constructie ook beperkt moest blijven indien aangenomen werd dat een constructieonderdeel dat niet direct werd belast door een voor - geschreven bijzondere belasting, toch zou bezwijken. In deze discussie werd een gemeenschappelijk standpunt gevonden na het beschikbaar komen van een ontwerpversie van EN 1991-1-7 [3], een deel van de Eurocode 1-serie. In die norm wordt voor het beschouwen van het gedrag van de constructie in een bijzon- dere ofwel buitengewone situatie onderscheid gemaakt tussen constructies waarbij de gevolgen van het bezwijken van een element groot zijn en die waarbij deze gevolgen minder groot zijn. De bevindingen van de Stufib-studiecel zijn beschreven in Stufib rapport 8 [4]. Huidige Eurocodes Sinds 2012 worden de Eurocodes voorgeschreven in het Bouwbe- sluit [5]. In NEN-EN 1990 [6], ook wel aangeduid als Eurocode 0, is gesteld dat een constructie zodanig moet zijn ontworpen en uitgevoerd, dat in een buitengewone situatie zoals bij een explosie, 1 prof.ir. Simon Wijte Adviesbureau Hageman / TU Eindhoven Inventarisatie Adviesbureau Hageman heeft in opdracht van NEN een inven- tarisatie uitgevoerd van de huidige eisen aan robuustheid in binnen- en buitenland. Deze inventarisatie wordt gebruikt bij verdere initiatieven om robuustheid beter verankerd te krijgen in de Nederlandse regelgeving. Een constructie is robuust als de gevolgen van een schade aan een constructie in verhouding staan tot de oorzaak van die schade. De eisen aan de robuustheid van een constructie zijn echter niet eenduidig. Dat levert de nodige discussie bij het ontwerpen en beoordelen op robuustheid. Er zijn enkele initiatieven om hier verande - ring in te brengen. Eisen aan robuustheid 4 2015 18 2 Bijzondere ontwerpsituaties volgens NEN-EN 1991-1-7 (afgeleid van figuur 3.1 uit [3]) 3 Schematisch overzicht van de instorting van Ronan Point [7] 4 Plattegronden van constructies met, van boven naar onder gezien, een toename van de robuustheid ontwerp en/of detailleringsregels. Bij gevolgklasse CC3 moet een onderzoek naar de specifieke situatie worden uitgevoerd om het vereiste betrouwbaarheidsniveau en de benodigde diep- gang van het constructief ontwerp te bepalen. Hiervoor kan het noodzakelijk zijn dat een risicoanalyse wordt uitgevoerd. Een beperking van de schade bij constructies in CC2 kan worden bereikt door één of een combinatie van de volgende methoden toe te passen: ? het toepassen van detailleringsregels door het aanbrengen van trekbanden in vloeren en eventueel in wanden en/of kolommen; ? de constructie zo te ontwerpen dat in het geval van lokaal bezwijken ? bijvoorbeeld het bezwijken van een enkel element ? de stabiliteit van de gehele constructie of van een significant deel van de constructie niet in gevaar komt door het mogelijk maken van een alternatieve belastingsafdracht; ? het beschouwen van elementen die van wezenlijk belang zijn voor de stabiliteit van de gehele constructie als een zoge- noemd 'key-element'. In de informatieve bijlage A van NEN-EN 1991-1-7 zijn de detailleringsregels, het beschouwen van een alternatieve belas- tingsafdracht en de beoordeling van key-elementen verder uitgewerkt. Een overzicht van de benadering van de verschil- lende buitengewone belastingssituaties is gegeven in figuur 2. Bouwbesluit Tot zover de huidige Eurocodes. Het Bouwbesluit 2012 heeft voor het beoordelen van de buitengewone situatie echter een andere keuze gemaakt. Volgens het Bouwbesluit 2012 artikel 2.3 een aanrijding of een situatie die ontstaat als gevolg van een menselijke fout, de constructie niet zal worden beschadigd in een mate die niet in verhouding staat tot de aanvankelijke oorzaak. Met de komst van de Eurocodes wordt het beschouwen van de gevolgen van een menselijke fout dus als een oorzaak van schade aan een constructie geïntroduceerd. Tot dan toe is dit aspect niet direct beschouwd geweest in de Nederlandse normen. Anderzijds wordt de beperking van de omvang van de schade in de Eurocodes minder strikt omschreven dan dat in de TGB 1990-serie het geval was. Immers, de omvang van de toelaatbare schade moet volgens de Eurocode in verhouding staan tot de aanvankelijke oorzaak en hoeft niet per definitie beperkt te blijven tot de directe aansluitende delen van de het onderdeel dat is bezweken. In NEN-EN 1991-1-7 zijn de buitengewone belastingen nader beschouwd. Het beoordelen van de gevolgen van een mense- lijke fout heeft hierbij, naast de bekende belastingen zoals explosies en aanrijdingen, een plaats gekregen door de eis dat de gevolgen van het bezwijken van een enkel constructie- onderdeel ten gevolge van een niet nader gedefinieerde oorzaak, voldoende moeten zijn beperkt. Naast de bekende oorzaken van buitengewone belastingen, wordt deze eis ook wel aangeduid als 'het beschouwen van de onbekende oorzaak'. Gevolgklasse De toegestane schade aan de constructie bij het optreden van een buitengewone situatie, ofwel de prestatie die de constructie moet kunnen leveren, is volgens NEN-EN 1991-1-7 afhankelijk van de gevolgklasse waarbij de constructie wordt beschouwd. Bij constructies in CC1 hoeven de effecten van de buitenge- wone belastingssituatie niet te zijn beschouwd. Bij gevolgklasse CC2 mag zijn volstaan met het toepassen van voorgeschreven buitengewone ontwerpsituatie volgens bouwbesluit 2012 ontwerpstrategieën ? het ontwerpen van kritische elementen op denkbeeldige bijzondere belasting ? het ontwerpen van een constructie waarbij lokaal bezwijken niet tot onevenredig grote schade leidt ? toepassen van detailleringsregels ten behoeve een betere robuustheid onbekende oorzaken bekende oorzaken beperken van gevolgen van lokaal bezwijken beschouw buitengewone belastingen: ? explosies ? aanrijdingen ontwerpstrategieën: ? voorkomen of reduceren van het belastingeffect ? ontwerp van constructie op het belastingeffect buitengewone ontwerpsituatie (om onevenredig grote schade ten gevolge van een buitengewone belasting te voorkomen) 2 thema Eisen aan robuustheid 4 2015 19 op de 17e verdieping blootgesteld aan een gasexplosie. Door deze ontploffing werd een van de dragende buitengevels wegge- drukt. De bovenliggende wanden en vloeren konden hierdoor hun belasting niet meer afdragen en vielen als gevolg op de vloer van de 17e verdieping. Wat volgde was een kettingreactie van bezwijken van de hieronder gelegen wanden en vloeren, waarbij uiteindelijk de constructie van een gehele hoek van het gebouw bezweek (fig. 3) [7]. Diverse Britse onderzoeken hebben onder andere geresulteerd in het verschijnen van vermeldingen in de British Standard 8110 [8]. In deze norm zijn regels opgenomen voor de detaillering van trekbanden die in grote mate overeenkomen met de regels in bijlage A van NEN-EN 1991-1-7. In part 2 van de norm wordt in paragraaf 2.6 ingegaan op de robuustheid van een construc- tie. Daarbij wordt ook de beoordeling van key-elementen besproken, waarbij de belasting van 34 kN/m² wordt vermeld die ook in bijlage A van NEN-EN 1991-1-7 is beschreven. De grootte van deze belasting is volgens [9] ontleend aan het onderzoek naar de oorzaak van de instorting bij Ronan Point. mag een onderdeel van een gebouw gedurende de ontwerp- levensduur bij de effecten van de buitengewone belastingscom- binatie niet bezwijken, als dit bezwijken leidt tot het bezwijken van andere onderdelen van het gebouw die niet in de directe nabijheid liggen van het bezweken onderdeel. Bij het beschrij- ven van de te beschouwen buitengewone belastingscombinatie moet daarbij worden uitgegaan van de bekende buitengewone belastingen. Geconcludeerd moet worden dat op het gebied van de buiten- gewone belastingssituatie het Bouwbesluit en de Eurocodes in het geheel niet op elkaar aansluiten: ? het Bouwbesluit grijpt terug naar de beschrijving van de toelaatbare schade die in de TGB 1990-serie werd gebruikt; ? het Bouwbesluit maakt bij het bepalen van de eisen aan het gedrag van de constructie geen onderscheid tussen de verschillende gevolgklassen; ? het Bouwbesluit stelt, door te stellen dat moet worden uitge- gaan van de bekende buitengewone belastingen, het beoorde- len van de effecten van de onbekende oorzaken zoals de menselijke fout, buiten de geldende regels (fig. 2). Achtergronden regels Eurocode Naast de discrepantie tussen de Eurocodes en het Bouwbesluit bestaat er enige twijfel over de effectiviteit van de regels in de Eurocodes. Omdat de regels in de Eurocodes voor een deel zijn gebaseerd op al bestaande Britse regels, wordt eerst een toelich- ting gegeven op de situatie in Groot-Brittannië. Daar is na het instorten van een deel van het Ronan Point flatgebouw in 1968 een onderzoek gestart naar de noodzaak van robuuste constructies. Dit flatgebouw van 23 verdiepingen bestaande uit geprefabriceerde betonnen elementen werd in een appartement toenemende robuustheid 3 4 Eisen aan robuustheid 4 2015 20 Geconcludeerd moet worden dat de constructieve plattegron- den van constructies van bijvoorbeeld woongebouwen, in Nederland significant anders zijn. De plattegrond van de constructies met de minste robuustheid, de bovenste platte- gronden in figuur 4, wordt in Nederland gebruikt voor woon- gebouwen met meerdere bouwlagen. Een voorbeeld van een dergelijke constructie is getoond in figuur 5. Deze wijze van opbouw van constructies is wezenlijk anders dan bijvoorbeeld in Groot-Brittannië tegenwoordig het geval is, zie hiervoor bijvoorbeeld de opbouw in figuur 4. Dit heeft een significante invloed op de effectiviteit van de trekbanden die is beschreven in bijlage A, als een voorbeeld van een toe te passen detailleringsregel. De trekbanden in vloeren kunnen effectief worden indien er door het wegvallen van een dragend onder - deel grote verplaatsingen optreden en de trekbanden op span- ning komen. Als de vloerconstructie voldoende vervormings - capaciteit heeft zodat de trekbanden hun sterkte bij de optre- dende vervormingen kunnen behouden, kan zich een nieuwe evenwichtstoestand instellen (fig. 6). Bij de in Nederland gebruikelijke raamwerken ontbreekt echter vaak ? vanwege het beperkt aantal dwarswanden ? de capaciteit om de horizontale kracht nodig voor een effectieve trekband op te kunnen nemen en af te voeren naar andere vloeren. Het kan dus worden betwijfeld of het aanbrengen van trekbanden de robuustheid wel altijd verbetert. Een tweede regel waarvan de effectiviteit om de robuustheid van de constructie te verbeteren niet altijd even duidelijk is, is de wijze waarop volgens NEN-EN 1991-1-7 key-elementen moeten worden beschouwd. Gesteld is dat een key-element de effecten van een ? op het element en de daarop aansluitende delen ? in één richting werkende druk van 34 kN/m² moeten kunnen weerstaan. De achtergrond van de grootte van deze druk is gebaseerd op een gasexplosie. Een explosie wordt echter, als hiervan sprake kan zijn, reeds beschouwd als bekende oorzaak. Het verbeteren van de robuustheid door het creëren van een capaciteit in het key-element tegen deze druk is dus een oneigenlijke methode. Daarnaast zullen vooral kolommen vaak zonder verdere aanpassingen al tegen de effec- ten van deze druk bestand zijn. Ofwel de beschouwing van een kolom als key-element voegt dan niets toe aan de robuustheid. In fib bulletin 63 [13] wordt vanwege het beperkte effect van de in NEN-EN 1991-1-7 beschreven beschouwing van key- elementen gesteld, dat het beter is het aantal kritische elemen- ten zo beperkt mogelijk te houden. Geconcludeerd moet worden dat de verschillende methoden, die vooral bij constructies in CC2 volgens NEN-EN 1991-1-7 zijn toegelaten, leiden tot een verschillende prestatie van de Uit het onderzoek is naar voren gekomen dat de explosiedruk circa 5 psi (pounds per square inch) bedroeg [10]. Dit komt overeen met 34 kN/m². In 2004 is in Engeland Approved Document A [11] uitgebracht. In hoofdstuk 5 van dit document zijn eisen verwoord om de mate van schade bij lokaal bezwijken te beperken. Het uitgangs- punt voor de eis die wordt gesteld, is gelijk aan dat van andere normen, namelijk: 'The building shall be constructed so that in the event of an accident the building will not suffer collapse to an extent disproportionate to the cause'. In hoofdstuk 5 van dit document worden de 4 klassen, 1, 2a, 2b en 3 geïntroduceerd die in bijlage A van NEN-EN 1991-1-7 zijn beschreven als CC1, CC2a, CC2b en CC3. Deze indeling is gemaakt omdat de economische en maatschappelijke gevolgen van het bezwijken van bouwconstructies sterk kunnen verschillen. Effectiviteit regels Eurocode Om de effectiviteit van de regels uit bijlage A van NEN-EN 1991-1-7 te kunnen beoordelen, moeten eerst de Nederlandse en Britse bouwmethoden met elkaar worden vergeleken. De Britse gewoonten voor het ontwerpen van constructies met robuustheidseigenschappen zijn bijvoorbeeld beschreven in [12]. Hierin wordt onder andere gesteld dat een constructie voldoende robuust moet zijn. Uit [12] zijn plattegronden met een constructie waarvan de robuustheid toeneemt in figuur 4 overgenomen. Aanzicht constructie woongebouw Plattegrond constructie woongebouw 5 thema Eisen aan robuustheid 4 2015 21 5 Karakteristieke constructie voor een meerlaags woongebouw in Nederland 6 Alternatieve belastingafdracht na wegvallen ondersteuning met behulp van trekbanden in de vloer robuuste constructies kunnen worden ontworpen; dit zijn zowel prestatie-eisen als detailleringseisen; ? Prestatie-eisen voor constructies moeten onafhankelijk zijn van het materiaal waarvan de constructie is vervaardigd. Voorstel nieuwe regels Geconcludeerd moet worden dat zowel de huidige eisen in de Eurocode als de eisen in het Bouwbesluit niet volledig geschikt zijn om een voldoende robuuste constructie te ontwerpen binnen de Nederlandse bouwwijze. In de Eurocode ontbreekt een duidelijke prestatie-eis en is het niet mogelijk de effecten van de maatregelen te toetsen die in het ontwerp worden voor - gesteld. Daarvoor moeten prestatie-eisen worden opgesteld. Dit kan bijvoorbeeld worden gedaan door een beschrijving te geven van de omvang van de schade die mag ontstaan ten gevolge van het bezwijken van een element door een onbe- kende oorzaak. Deze is afhankelijk van de gevolgklasse waar - voor de constructie wordt beschouwd. In het geval van een CC1-constructie zou bijvoorbeeld kunnen worden gesteld dat de gehele constructie mag bezwijken, terwijl bij een CC3-constructie het bezwijken bijvoorbeeld beperkt zou moeten blijven tot het betreffende element en de direct aangrenzende constructieve elementen. Evident ligt de toege - stane omvang van de schade bij constructies in CC2 dan tussen deze twee uitersten in. Als de prestatie-eisen bekend zijn, zouden vervolgens detail- leringseisen kunnen worden uitgewerkt, die indien zij worden toegepast in een constructie tot de gewenste prestatie van de constructie leiden. Deze detailleringseisen kunnen verschillend zijn voor verschillende typen constructies en constructiemate - rialen. Tot slot moet worden bedacht dat het risico op een dispropor- tionele schade ook kan worden beïnvloed door de kans op een gebeurtenis, zoals een menselijke fout, te verkleinen. Dit kan bijvoorbeeld door key-elementen op een andere wijze te beschouwen, namelijk door het toepassen van een aanvullende partiële factor en/of door op basis van het toepassen van een risicobeoordeling het ontwerp en de uitvoering zo te organise- ren dat de kans op fouten significant wordt verkleind. Dit laatste kan bijvoorbeeld door het toevoegen van een controle op ontwerp en uitvoering met een daaraan gekoppelde gedeelde verantwoordelijkheid. Het is evident dat dergelijke nieuwe eisen vanuit een herzien Bouwbesluit moeten gaan worden aangewezen. De komende jaren wordt gewerkt aan een revisie van de huidige generatie van Eurocode-normen. Dit zou rond 2020 onder andere moeten leiden tot een gereviseerde versie van NEN-EN 1991-1-7. Om in deze gereviseerde norm iets van het voorgaande geeffec- constructie. Ofwel de omvang van de schade die ontstaat bij het bezwijken van een constructieonderdeel door een niet nader gedefinieerde oorzaak, zal bij de verschillende methoden fors verschillend kunnen zijn. Dit maakt het zeer lastig de manier waarop een constructie robuust is gemaakt, te toetsen. Er is daarvoor eerst een duidelijke prestatie-eis noodzakelijk. Gevolgen huidige regels en hoe verder Bouwtoezicht dient nieuwbouwplannen te toetsen aan het Bouwbesluit. Het bouwtoezicht kan echter het beschouwen van de effecten van het bezwijken van een constructieonderdeel door een niet nader gedefinieerde oorzaak niet eisen. Dit wordt veroorzaakt door het ontbreken van consistentie tussen de Eurocodes en het Bouwbesluit en het feit dat de onbekende oorzaak volgens het Bouwbesluit niet hoeft te worden beschouwd. Anderzijds dient bouwtoezicht te eisen dat constructies die mogen worden getoetst voor CC1 in staat zijn de effecten van buitengewone belastingen te weerstaan. Dit leidt tot verwarring. Om na te gaan in welke richting een oplossing voor dit probleem moet worden gezocht, zijn door VNconstructeurs, tezamen met het COBc en NEN vier rondetafelgesprekken georganiseerd. Hierbij is door ontwerpende en toetsende constructeurs van gedachten gewisseld over het onderwerp robuustheid. Uit deze gesprekken zijn de volgende conclusies getrokken: ? Constructies moeten voldoende robuust zijn; ? De mate waarin een constructie robuust moet zijn, moet afhankelijk zijn van de gevolgklasse waarvoor de constructie wordt beschouwd; ? Er is behoefte aan regels op basis waarvan voldoende F T T F/2 F /2 H H 6 Eisen aan robuustheid 4 2015 22 7 Politietoren in Charleroi tueerd te krijgen, is het nodig dat in Nederland de komende jaren deze voorstellen worden verwerkt in conceptvoorstellen. Vervolgens dienen deze bij de relevante CEN-commissie te worden aangeleverd. Hieraan moet op korte termijn binnen de betreffende TGB-commissies gaan worden gewerkt. ? ? LITERATUUR 1 NEN 6700:2005 Technische grondslagen voor bouwconstructies ? TGB 1990 ? Algemene basiseisen, NEN, 2005. 2 NEN 6702:2001 Technische grondslagen voor bouwconstructies ? TGB 1990 ? Belastingen en vervormingen, NEN, 2001. 3 NEN-EN 1991-1-7:2006 Eurocode 1: Belastingen op constructies ? Deel 1-7: Algemene belastingen ? Buitengewone belastingen: Stootbelastingen en ontploffingen, NEN, 2006. 4 Sagel, R., Boer, S. de, Bruin, G., Huyben, R., Roo, A. de, Vollebregt, V., Vrouwenvelder, A., Wijte, S., Windt, J. van der, Vambersky, J., Constructieve samenhang van bouwconstructies. Stufib-rapport 8, 2006. 5 Bouwbesluit 2012, Nederlandse Overheid. 6 NEN-EN 1990:2002 Eurocode ? Grondslagen van het constructief ontwerp, NEN, 2002. 7 Leyendecker, E.V., Ellingwood, B.R., Design Methods for Reducing the Risk of Progressive Collapse in Buildings. National Bureau of Standards (NBS), april 1977. 8 BS 8110-1:1985 Structural use of concrete. Code of practice for design and construction, BSI, 1985. 9 Dijk, M. van., Voortschrijdende instorting bij Prefab Betonconstruc- ties. Afstudeerverslag TU Eindhoven, maart 2011. 10 Burnet, E.F.P., The avoidance of progressive collapse: Regulatory approaches to the problem. Center for building technology institute for applied technology National Bureau of Standards Washington, 1975. 11 The Building Regulations 2000: Structure, Approved Document A, 2004 Edition. Office of the Deputy Prime Minister, 2004. 12 The Institution of Structural Engineers, Manual for the design of plain masonry in building structures to Eurocode 6, February 2008. 13 Design of precast concrete structures against accidental actions. fib bulletin 63, 2012. 7 thema Eisen aan robuustheid 4 2015