28 Gecompliceerde reddingsoperatie 1 Base isolation verlaagt aardbevingsbelasting in rijksmonument Groningen Praktijkvoorbeelden Over de theorie van base isolation is elders in dit nummer het Cement-artikel 'De effectiviteit van base isolation' verschenen. Ook in het Groninger Forum is base isolation overwogen. Daarover staat meer in het artikel 'Groninger Forum aardbevingsveilig (2)', ook elders in dit nummer. Als gevolg van de gaswinning in Groningen moet rekening worden gehouden met het ontstaan van aardbevingsschade aan Groningse panden. Naast het preventief versterken, bestaat ook de mogelijkheid ervoor te zorgen dat de aardbevingstrillingen de gebouwen niet bereiken en zodoende schade wordt voorkomen. Dit kan met behulp van base isolation. Het principe wordt toege- licht aan de hand van een praktijkvoorbeeld. Gecompliceerde reddingsoperatie 2 2017 29 Een rijksmonument in Groningen, met een onvoldoende draagkrachtige fundering op staal (fig. 2), wordt, net als veel andere panden, bedreigd door seismische belasting. Die belasting is dusdanig dat deze zonder constructief ingrijpen niet kan worden opgenomen en het pand ernstig zal beschadigen. Omdat het complete gebouw (interieur en exterieur) grote monumentale waarde heeft, is het niet mogelijk versterkingen aan te brengen zonder afbreuk te doen aan het monumentale karakter. Overwogen oplossingsrichtingen Omdat fysiek versterken niet mogelijk is, was het noodzakelijk te zoeken naar een oplossing waarbij de aardbevingsbelasting buiten het gebouw wordt gehouden. Een oplossing is het seis- misch isoleren, dat in de praktijk en internationale normen ook wel 'base isolation' wordt genoemd. Base isolation berust op het principe van het isoleren van het gebouw van de ondergrond, zodanig dat de optredende krachten als gevolg van de aardbeving beperkt blijven tot die capaciteit van het gebouw waarbij geen schade optreedt. Voor het betreffende gebouw is een 3D-model gecreëerd waarbij de toelaatbare aardbevingsversnellingen zijn onder- zocht. In dit specifieke geval blijkt de bijbehorende belasting groter te zijn dan de normaal in rekening te brengen windbe- lasting. De toelaatbare versnelling bepaalt uiteindelijk het type base isolation. Daarbij moet ook worden gekeken of er met aanwezigheid van de base isolation onder windbelasting geen hinderlijke trillingen in het gebouw ontstaan. Met behulp van de uit het 3D-model gevonden maximaal toelaatbare waarde van de respons, kan de benodigde trillings- tijd worden afgelezen in het elastisch response spectrum dat volgt uit NPR 9998 (fig. 3). Uit figuur 3 volgt dat bij een toelaat - bare horizontale versnelling 0,13 g een minimale trillingstijd T van 2 seconden hoort. Met behulp van de trillingstijd wordt vervolgens de benodigde effectieve horizontale stijfheid bepaald volgens: () () () () eff 2 ee M1 e T 2 e M1 2 2 , , 2 , 4 m T k T T S T S S T T S = ?? = ?? ?? = = waarin: T is de trillingstijd m is de massa k eff is de effectieve veerconstante k eff wordt bepaald door de gekozen base isolation (k eff = 4? 2 m / T 2). In principe zijn er twee soorten base isolation: het systeem met rubberoplegblokken en glijopleggingen met een concaaf (holvormig) oppervlak zoals frictiependulums. Na het uitkomen van de laatste versie van NPR 9998 is gebleken dat bij het huidige elastische spectrum, de oplossing met rubberoplegblokken moeilijk is te realiseren vanwege de geringe massa van het onderhavige pand. Bijkomend nadeel van rubberoplegblokken is dat deze beperkt zelfcentrerend zijn waardoor excentriciteiten worden geïntroduceerd. Het systeem van frictiependulums kan ? met zeer geringe rest- verplaatsing ? wel zelfcentrerend worden uitgevoerd. Hierbij wordt de veerstijfheid gestuurd door de kromming van het pendulum. Er bestaan zowel enkel- als dubbelwerkende frictie- pendulums (fig. 4). Piet van Bezu, ing. Siebe de Boer, ing. Paul Minartz Arcadis 1 Te versterken rijksmonument 2 Funderingsdetail bestaande situatie 3 Elastisch spectrum volgens NPR 9998 maaiveld bestaand 500 2300 peil = 0 390 100 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12 3 4 0,15 0,74 0,941 trillingstijd Se( T );a[g] Se( T ) 0,130 2 3 Gecompliceerde reddingsoperatie 2 2017 30 4 Enkel- en dubbelwerkend frictiependulum 5 Detail nieuwe situatie blijkt dat we in de derde tak van het spectrum zitten en de verplaatsing wordt bepaald door de volgende formule (NPR 9998): () () () () eff 2 ee M1 e T 2 e M1 2 2 , , 2 , 4 m T k T T S T S S T T S = ?? = ?? ?? = = waarin: T is de eigen trillingstijd van het geïsoleerde gebouw ? is de dempingsmaat S e is de spectrumwaarde ? e is de verplaatsing De vergelijking van de derde tak van het elastisch spectrum is gelijk aan: () () () () eff 2 ee M1 e T 2 e M1 2 2 , , 2 , 4 m T k T T S T S S T T S = ?? = ?? ?? = = Waarmee de verplaatsing gelijk wordt aan: () () () () eff 2 ee M1 e T 2 e M1 2 2 , , 2 , 4 m T k T T S T S S T T S = ?? = ?? ?? = = waarin: S M1 is een spectrumbepalende factor uit NPR 9998, in dit geval S M1= 0,518 ? is een dimensieloze dempingscorrectiefactor conform NPR 9998, in dit geval ? = 1 De verplaatsing is daarmee alleen afhankelijk van de grondver - snelling en bedraagt voor het beschouwde pand circa 75 mm. Het is evident dat met deze verplaatsing rekening moet worden gehouden in de detaillering. Het moet zeker zijn dat de beweging inderdaad zonder belemmering zal kunnen optreden. Detaillering Om het pand daadwerkelijk los te kunnen houden van de ondergrond is een 'dubbele' funderingsconstructie nodig. Gekozen is voor een basisplaat op palen met daarop de trillings- isolatoren met daar bovenop een nieuw betonnen balkrooster als fundering van het pand (fig. 5). De funderingsplaat heeft tevens een functie als horizontale koppeling van het balkrooster. Voor de beganegrondvloer is een PS-renovatievloer gekozen die is opgelegd in het balkrooster. Vanwege de eis dat de isola- toren inspecteerbaar en vervangbaar moeten zijn, zijn inspectie- en toegangsluiken opgenomen. Voor de funderingspalen is gekozen voor een geschroefde stalen buispaal. De reden hiervoor is dat deze trillingsvrij kunnen worden aangebracht om te vermijden dat er schade aan het monument ontstaat. In dit geval is gekozen voor enkelwerkende pendulums omdat er bij dubbelwerkende pendulums torsie in de relatief hoge en slanke betonbalken optreedt, hetgeen ongewenst is. De excen- triciteiten in de funderingsplaat (onder de base isolation) kunnen gemakkelijk worden opgenomen. Uitwerking Uit het ontwerpspectrum (fig. 3) en de capaciteit van het gebouw volgt de vereiste veerstijfheid van het één-massa-veer - systeem en daarmee de optredende verplaatsing. Uit figuur 3 fundering fundering betonbalk betonblok dubbelwerkend pendulum enkelwerkend pendulum funderingsvloer PS-renovatievloer met afwerking betonblok casing-draaipaal peil = 0 390 nieuw maaiveld keerwand frictiependulum 2350 340 310 300 4 5 Gecompliceerde reddingsoperatie 2 2017 31 6 Aanbrengen geschroefde buispalen 7 Aanbrengen staalcon- structie 8 Ontgraven en stempelen 9 Aanbrengen betonnen balkrooster en pendulums 10 Aanbrengen grondkeren- de wanden en grond aanvullen vervolgens de vervormingen van de staalconstructie en de zetting van de palen geneutraliseerd. Tijdens het vijzelen, is dit zorgvuldig gecontroleerd en gemonitord. Ontgraven en sloop Met het opvangen van het gebouw werd het mogelijk de nood- zakelijke ontgravingen uit te voeren en de te vervangen delen van de bestaande fundering te verwijderen. Vanwege de stabili- teit in deze fase is het gebouw zijdelings afgestempeld (fig. 8). Na deze ontgraving en sloopwerkzaamheden zijn de funde- ringsvloer en het betonnen balkrooster gemaakt en de pendu - lums geplaatst (fig. 9). Vijzels ontspannen Na voldoende verharding van de nieuwe betonconstructies zijn de vijzels ontspannen. Hiermee zijn de belastingen van het gebouw via het balkrooster en de funderingsvloer op de palen overgebracht. Hiervoor is een speciale detaillering voor de paal-vloerverbinding ontworpen en uitgevoerd. Nadat de stalen hulpconstructie was gedemonteerd en de palen waren afgebrand, is de binnenvloer aangebracht en de grond- kerende wanden rondom het gebouw gemaakt. Daarna is de grond weer aangevuld (fig. 10). Succesvol De uitvoering van het project is inmiddels zo goed als klaar. Ondanks de toepassing van ? voor Nederlandse begrippen ? nieuwe technieken, is dankzij de vooraf uitgevoerde en zeer uitgebreide risico-inventarisatie, de zorgvuldige monitoring en de uitstekende samenwerking tussen ontwerpende en uitvoe - rende partijen het project succesvol verlopen. ? Bestaande situatie In de bestaande situatie had de fundering onvoldoende grond- dekking (slechts 100 mm, fig. 2). De pakketdikte van de dubbele vloer en funderingsconstructie inclusief base isolation bedraagt 950 mm (fig. 5). Voor dit pakket was er boven de fundering onvoldoende hoogte beschikbaar. Anderzijds had de bestaande fundering onvoldoende gronddekking om verder de grond in te gaan. Het souterrain had net voldoende vrije ruimte om de geschroefde stalen buispalen te kunnen aanbrengen. Uitvoering en fasering Zettingsvrij opvangen Om het constructieprincipe te kunnen uitvoeren, was het nodig het bestaande gebouw zettingsvrij op te vangen. Daartoe is op de nieuw ingebrachte palen een stalen hulpconstructie geplaatst waarop de bestaande wanden kwamen te rusten. Tussen de paalkoppen en de staalconstructie zijn platte vijzels (Freyssinet-vijzels) aangebracht (fig. 6 en 7). Met de vijzels zijn stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling 6 7 8 9 10 stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling stempeling Gecompliceerde reddingsoperatie 2 2017