Onderzoek instorting van tribune-element Goffertstadion Hoe een springende menigte een prefab element liet bezwijken 1 Tribune net na bezwijken, foto: Pro Shots 1 48? CEMENT 2 20 22 Op zondag 17 oktober 2021 is het voorste tribune-element van het bezoekersvak in het Goffertstadion ingestort tijdens de voetbalwed- strijd NEC ? Vitesse. Doordat het be- zwijken tijdens een wedstrijd gebeurde, is het voorval goed vastgelegd op zowel foto en video. Foto 1 is genomen net na het bezwij- ken van het tribune-element. In de video- beelden is te zien dat een dichtgepakte groep supporters aan het springen is op de staantribune. Dit springen begon aanvanke- lijk ongecoördineerd, waarbij men uit de maat sprong of zelfs stilstond. Op het mo- ment dat de voetbalspelers de maat begon- nen aan te geven, werd het springen van de supporters gecoördineerder en sprong vrij- wel de gehele tribune mee. Na ongeveer 14 sprongen van de gehele menigte bezweek het tribune-element. Het tribune-element bewoog eerst beperkt mee met de springende menigte; de doorbuiging was maximaal enkele milli- meters. Bij elke volgende sprong nam de doorbuiging toe als gevolg van de toenemende plastische vervorming. Uit de videobeelden is de maximale doorbuiging van het tribune- element lastig in te schatten, maar het is duidelijk dat deze meer dan enkele centime- ters bedroeg. Door de hoge belasting ontstond een scheur direct naast de trapelementen in het midden van het tribune-element. De scheur ontwikkelde zich tot een breuk, waardoor het element bezweek (foto 2 en 3). Gelukkig kwamen de supporters met de schrik vrij en zijn er geen ernstige gewonden gevallen. Het bezweken element is het voorste element van de tribune (fig. 4) en heeft in totaal drie treden. Het element is 8,7 m lang en werd aan weerszijde ondersteund door betonnen balken. In het midden van het ele- ment waren extra traptreden aangebracht (foto 2). Aanleiding en doelstelling onderzoek De gemeente Nijmegen heeft, met goedkeuring van en in overleg met NEC, een onderzoek laten instellen door Royal HaskoningDHV. Het onderzoek bestaat uit verschillende fases waarbij de volgende onderzoeksvragen worden beantwoord: 1 W at is de (bouwtechnische) oorzaak van het instorten van het tribune-element? 2 W at is de bouwtechnische staat van de overige tribune-elementen? 3 W elke maatregelen zijn nodig om het sta- dion weer in gebruik te kunnen nemen? In dit artikel ligt de focus op het beantwoor- den van de eerste onderzoeksvraag. Hierbij zijn alleen de directe technische oorzaken geïdentificeerd. De achterliggende en proces- matige oorzaken zijn niet onderzocht. Opzet en aanpak onderzoek Royal HaskoningDHV gebruikt de zoge- noemde 'Delftse aanpak' voor technisch IR. WOUTER MEIJERS Structural Engineer / Dynamica Expert Royal HaskoningDHV IR. ERIK MIDDELKOOP RO Associate Director Industry & Buildings / Senior Consultant Royal HaskoningDHV auteurs In oktober 2021 bezweek een tribune-element in het Goffertstadion in Nijmegen. Royal HaskoningDHV heeft onderzoek gedaan naar de technische oorzaken van de instorting. In het onderzoek wordt geconcludeerd dat de belasting op de tribune aanzienlijk hoger was dan de ontwerpbelasting. De normen blijken onvoldoende rekening te houden met de dynamische effecten van een springende menigte. CEMENT 2 2022 ?49 bezweken element 2 De breuk direct naast de trapelementen in het midden van het tribune-element, foto: Royal HaskoningDHV3 Bezweken tribune-element, foto: Pro Shots / Stefan Koops 4 Bezweken tribune-element, aangegeven in een dwarsdoorsnede van de constructie, bron: HIBEX Het tribune- element is con - form de norm ontworpen als zittribune met een verdeelde belasting van 4 kN/m² 2 3 4 50? CEMENT 2 20 22 forensisch onderzoek naar de oorzaken van instortingen. Deze aanpak is ontwikkeld door de TU Delft en zorgt ervoor dat het onder- zoek wetenschappelijk en objectief wordt uitgevoerd. In het artikel 'Improving reliability in forensic engineering: the Delft approach' in de Proceedings of the Institution of Civil Engineers wordt de aanpak uitgebreid be- schreven.Het onderzoek begint met een oriën - tatie en het verzamelen van informatie. Daarna worden alle mogelijke hypotheses systematisch geïnventariseerd met behulp van de Tree house of failures. Deze is doorlo- pen voor de gehele levenscyclus van het bezweken tribune-element. Met verschillende analyses en deelon- derzoeken wordt geprobeerd om de hypo- theses aan te tonen of te verwerpen. Hierbij ligt de focus op de meest waarschijnlijke hypotheses. Voor het onderzoek naar de instorting van het tribune-element lag de focus op het bepalen van de belastingen, belastingeffecten en de capaciteit. De volgende deelonderzoeken zijn uitge- voerd: 1 anal yse beeldmateriaal; 2 materiaalk undig onderzoek; 3 meting eig enfrequentie en demping; 4 contr ole ontwerpberekening; 5 liter atuuronderzoek dynamica-effecten; 6 lineair e dynamica-analyse in Abaqus; 7 anal ytische niet-lineaire dynamica analyse; 8 detailanal yses constructief gedrag in DIANA. Na het rangschikken van de aangetoonde hypotheses en rapportage van de oorzaken van de instorting, is het onderzoek afgerond. Op basis van de bevindingen zijn aanbeve- lingen gedaan om de veiligheid te verbeteren en vergelijkbare instortingen te voorkomen. Resultaten deelonderzoeken De resultaten van de deelonderzoeken die de directe technische oorzaken ondersteu- nen (1, 4, 5, 8) worden hierna verder toege- licht. Hiermee is een statische belasting van de menigte bepaald (3,5 kN/m²), een quasi- statische belasting door het springen (8 kN/m²) en een quasi-statisch belastingeffect ten gevolge van de response van de constructie (9 kN/m²). De bezwijkbelasting in het DIANA- model is ongeveer 9,6 kN/m². In diversie kaders worden de dynamica-analyses, het materiaalonderzoek en het niet-lineaire model verder toegelicht. DYNAMICA-ANALYSES Het dynamisch belastingeffect kan opgesplitst worden in verschil- lende factoren (zie onderstaand overzicht). Hierbij wordt onder- scheid gemaakt in de belasting en de respons van de constructie. De genoemde waarde voor de belastingen uit de literatuur in dit artikel zijn voornamelijk gericht op het gezamenlijk effect van factoren a en b. 1. Met betrekking tot de belasting, onafhankelijk van de constructie: a) Sprongfactor: De maximale dynamische kracht veroorzaakt door een enkele sprong van een individu ten opzichte van zijn eigen gewicht. b) Coördinatiefactor: De verhouding van de totale dynamische kracht veroorzaakt door een groep springende personen t.o.v. de som van de individuele dynamische krachten. 2. Met betrekking tot de respons, afhankelijk van de constructie: c) Stootfactor: Een maat voor de respons van de constructie in rust op een enkele sprong, uitgedrukt als de verhouding tussen de maximale inwendige kracht ten gevolge van een enkele sprong en de dynamische kracht die bij die sprong hoort. d) Resonantiefactor: De verhouding van de maximale inwendige kracht in de tijd, veroorzaakt door ritmisch springen, ten opzichte van de maximale inwendige kracht ten gevolge van een enkele sprong. Het effect van de respons van de constructie is onderzocht met analytische lineaire en niet-lineaire dynamica-analyses aan de hand van equivalente één-massa-veersystemen. Hiermee zijn fac- toren gevonden tussen de 0,9 en 1,3 voor het gezamenlijk effect van de stoot- en resonantiefactor. Met een lineaire dynamica- analyse in Abaqus zijn vergelijkbare waarden bepaald voor deze factoren. De laagst gemeten eigenfrequentie van de niet-bezweken tribune- elementen was 10 Hz. Die waarde is gebruikt voor de dynamica- analyses. Doordat de eigenfrequentie significant hoger is dan de sprongbelasting van 2 Hz heeft resonantie maar een beperkte bijdrage. De dynamische belasting en weerstand van de constructie beïn- vloeden elkaar sterk in niet-lineaire dynamica-analyses waardoor het lastig is deze twee effecten uit elkaar te houden. Voor ontwerp- doeleinden wordt daarom sterk aangeraden om de respons van de constructie te beperken tot het lineair-elastische gebied. CEMENT 2 2022 ?51 163 kN Permanente belasting 176 kN Scheurmoment 227 kN Vloeimoment 253 kN Bezwijkmoment DIANA 0 50 100 150 200 250 300 350 0 510 15 2025303540 4550 Totale belasting [kN] Verplaatsing [mm] 4 kN/m2 5 kN/m2 Ontwerpcapaciteit tribune element 135 kN Permanente belasting 211 kN Statische variabele + permanente belasting 249 kN Scheurmoment 279 kN V loeimoment 376 kN Bezwijkmoment DIANA 350 kN Bezwijkbelasting 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 510 1520253035404550 Totale belasting [kN] Verplaatsing [mm] 5 6 7 5 Inventarisatie aantal mensen op de tribune, foto: ANP / Vincent Jannink 6 Krachtverplaatsingsdiagram ter bepaling ontwerpcapaciteit tribune-element 7 Krachtverplaatsingsdiagram (blauwe lijn) tribune-element inclusief bezwijkbelasting (rode lijn) met onder- en bovengrens (gestippelde rode lijn) 52? CEMENT 2 20 22 Analyse beeldmateriaal (1)? Op basis van foto's van hoge kwaliteit is bepaald dat er 93 mensen aanwezig waren op het tribune- element ten tijde van bezwijken. Dit zijn ongeveer 4 personen per vierkante meter. Foto 5 is een van de gebruikte foto's. Hierin zijn de mensen op de eerste tribunetrede met een blauwe stip aangegeven, op de tweede trede met een groene stip en op de derde trede met een oranje stip. Doordat de aanwezige supporters constant in beweging waren, is het lastig om het exacte aantal en de precieze locatie van de mensen te bepalen. Het is wel duidelijk dat de meeste personen zich op de eerste twee treden bevonden. Als een gemiddeld gewicht van 85 kg wordt aangehouden, betekent dit dat er een gemiddelde statische belasting van ongeveer 3,5 kN/m² aanwezig was op de tribune. De vergroting van de belasting door het ritmisch en gecoördineerd springen van de menigte is in deze belasting nog niet meegenomen. Controle ontwerpberekening (4)? Het tribune- element is ontworpen als zittribune met een verdeelde belasting van 4 kN/m². De toen geldende belastingnormen zijn correct ge- volgd. Er is onder andere voldaan aan het criterium geen volledige dynamica-analyse te doen. Deze zittribune is na enige tijd veran- derd in een staantribune. Dat leidde tot een hogere ontwerpbelasting maar in combinatie met het verbouwniveau volgens NEN 8700 werd de rekenbelasting slechts 1,5% hoger. Deze vergroting blijft beperkt omdat een groot deel van de belasting bestaat uit het eigengewicht. Op basis van de NEN-EN 1992-2 is een niet-lineaire berekening gemaakt om de ontwerpcapaciteit van het tribune-element te bepalen. In het kader Model geometrische en fysische niet-lineaire analyse wordt het gebruikte model verder beschreven. In het model zijn ontwerpwaarden gebruikt voor de materiaaleigenschappen en belastingen. Volgens artikel 5.7 van NEN-EN 1992-2 moe- ten de materiaaleigenschappen aanvullend met een factor 1,15 worden verlaagd. Deze factor is bedoeld voor de onzekerheden in het modelleren van de weerstand en het effect van belastingen ten gevolge van niet- lineair gedrag in het rekenmodel. In de ana- lyse wordt eerst de permanente belasting in een aantal stappen aangebracht, gevolgd door de variabele belasting die oploopt tot het model bezwijkt. Figuur 6 toont het krachtverplaatsings- diagram dat uit deze analyse volgt. Hierin is te zien dat er een significant plastisch traject was voordat het element bezweek, bij een verdeelde belasting lager dan 4 kN/m². De berekende capaciteit van het tribune- element is ongeveer 14% lager dan uit de ori- ginele ontwerpberekening volgde. Dit komt doordat het element in de ontwerpbereke- ning niet goed is geschematiseerd en er geen rekening is gehouden met de excentriciteit van de belasting ten opzichte van de weer- stand. Hierdoor wordt de wapening voor in het tribune-element zwaarder belast dan aan de achterzijde. Door herverdeling in het element wordt uiteindelijk een groot deel van de wapening benut. De herverdeling is terug te zien in het plastische traject van het krachtverplaatsingsdiagram. Literatuuronderzoek dynamica effecten (5) In de literatuur zijn meerdere onderzoeken gedaan naar de belasting van springende mensen en menigten, waarvan de meeste zijn uitgevoerd door B.R. Ellis [1] [2] [3]. In die onderzoeken is het quasi-statische be- lastingeffect van een enkele sprong van een individu experimenteel bepaald. Afhankelijk van het type en de hoogte van de sprong kan dit oplopen tot 4,7 keer het gewicht. De ver- groting van de belasting wordt veroorzaakt door het neerkomen en het afzetten tijdens een sprong. Hierin is de response van de constructie nog niet meegenomen.Doordat een menigte minder hoog zal springen dan een enkel individu, en moeite heeft om perfect gecoördineerd te springen, zal de vergroting van de belasting voor een springende menigte lager zijn. Volgens de literatuur ligt deze factor tussen de 2 en 2,5 voor een groep van 93 mensen. Dit betekent dat de quasi-statische belasting op de NEC- tribune bij de eerste semi-gecoördineerde sprong ongeveer 7 kN/m² was. Toen de me- nigte gecoördineerder ging springen, werd de quasi-statische belasting op de tribune ongeveer 8 kN/m². Uit een niet-lineaire berekening bleek dat de capaciteit van het tribune- element ongeveer 14% lager is dan uit de originele ontwerpbereke - ning volgde MATERIAALONDERZOEK Uit het bezweken element zijn boorkernen en wapeningssta- ven gehaald. Met materiaal- proeven is bepaald dat de beton- en staalsterkte groter was dan waarmee tijdens het ontwerp was gerekend. Daar- naast had het bezweken tribune- element enkele scheuren die eerder zijn gerepareerd. De gevonden scheuren hebben niet significant bijgedragen aan het bezwijken van het tribune- element, omdat deze adequaat waren hersteld. Voor de rest zijn er geen indicaties dat het tribune- element defecten had. CEMENT 2 2022 ?53 De variabele belastingen in de Nederlandse belastingnorm zijn gebaseerd op onderzoe- ken uit de jaren 70 en 80. In deze onderzoe- ken zijn vergelijkbare vergrotingen van de belasting gevonden voor springen, maar de hoeveelheid springende mensen per vier- kante meter was hier significant lager. Hier- door is in de normen verondersteld dat de maximale dynamische belasting die kan optreden ten gevolge van een menigte 5 kN/m² is.Ook een mogelijk resonantie-effect is onderzocht. Resonantie treedt op wanneer de frequentie van de belasting dichtbij de eigenfrequentie van de constructie zit. Uit metingen en berekeningen volgde als eigen- frequentie van het tribune-element 10 Hz en als belasting 2 Hz. Wanneer algemeen geaccepteerde formules worden gebruikt om de vergroting door resonantie te bereke- nen, is dit slechts ongeveer 4%. Hiermee is de instorting dus niet te verklaren. Detail-analyses constructief gedrag in DIANA (8)? Met het niet-lineaire eindige- elementenmodel (EEM) (zie kader Model geometrische en fysische niet-lineaire analyse) is tevens de capaciteit en het bezwijkgedrag van het tribune-element bepaald. Hierbij zijn gemiddelde waarden gebruikt voor ma- teriaaleigenschappen en belastingen, die zijn bepaald met materiaalproeven (zie kader Materiaalonderzoek) en de analyse van het beeldmateriaal. Er zijn dus geen veilig- heidsfactoren gebruikt in de analyse. De variabele belasting is in stappen vergroot tot het model van het tribune-element bezweek (fig. 7). In de figuur is een bandbreedte van 10% aangegeven voor de bezwijkbelasting door middel van de rode lijnen. Dit om de onzekerheid in de niet-lineaire berekening nabij bezwijken aan te geven. In de analyse is te zien dat bij een kleine vergroting van de statische variabele belasting er scheuren ontstaan direct naast de trapelementen in het midden van het tribune- element. De belastingeffecten zijn het grootst bij de onderste trede, de scheuren die hier ontstaan groeien bij toenemende belasting omhoog naar bovenliggende treden. Hier- door wordt de wapening ongelijkmatig belast, de vloeispanning in de eerste wapenings- staaf wordt bereikt bij een quasi-statische belasting van ongeveer 6,4 kN/m². Het tribune-element moet flink her- verdelen om alle wapening op spanning te brengen, waardoor in het krachtverplaat- singsdiagram een lang plastisch traject is te zien. Dit gaat gepaard met een stijfheids - afname in het tribune-element, waardoor het dynamische belastingeffect toeneemt. Hierdoor loopt de belasting van de springen- de menigte van 8 kN/m² op tot een quasi- statische belasting van ongeveer 9 kN/m². Het ontlasten en herbelasten van het tribune-element in het plastische gebied leidt tot toenemende doorbuigingen en belas - ting effecten. Wanneer de breukrek in de eerste wapeningsstaaf wordt bereikt, kan het tribune-element niet meer herverdelen en bezwijkt het element. Dit gebeurt bij een quasi-statische belasting van ongeveer 9,6 kN/m². Er blijft een klein verschil over tussen het belastingeffect van 9 kN/m² en de bezwijk - belasting van 9,6 kN/m². Door het maken van meerdere aannames in de analyses, zit er een vrij grote marge rond deze getallen. Hierdoor wordt dit kleine verschil als ver- waarloosbaar beschouwd. Daarnaast is vaak gekozen voor licht conservatieve aan- names, waardoor het aannemelijk is dat het belastingeffect ook groter kan zijn dan de bezwijkbelasting en visa versa. Technische oorzaken instorting Samenvattend is de primaire technische oorzaak van het bezwijken van het tribune- element dat de belasting veel groter was dan waar het tribune-element op ontworpen is. De quasi-statische belasting van de sprin- gende mensenmassa was ongeveer 8 kN/m². Door de respons van de constructie was het belastingeffect hiervan ongeveer 9 kN/m². Dit terwijl de ontwerpbelasting (conform de nom) 4 kN/m² was. De secundaire technische oorzaak is dat er een fout is gemaakt in het ontwerp van het tribune-element. Door de incorrecte schematisering is de excentriciteit van de belasting ten opzichte van de weerstand niet meegenomen. Hierdoor was de feitelijke capaciteit van het ontwerp 14% lager dan in de originele ontwerpberekening. De meest voor de hand liggende oplossing is om de quasi-stati - sche belasting van een mensen- massa in de normen te ver- hogen, eventueel in combinatie met een lagere drempel voor het uitvoeren van een dynamica- analyse 54? CEMENT 2 20 22 Aanbevelingen In de normen wordt verondersteld dat de maximale dynamische belasting die kan op- treden ten gevolge van een menigte 5 kN/m² is. Voor vaste zitplaatsen wordt in de prak- tijk soms een belasting van 4 kN/m² ge- bruikt. De gedachte hierachter is dat wan- neer er vaste stoelen aanwezig zijn, het moeilijker is voor mensen om dicht bij el- kaar te staan en/of te springen. Dit is sterk afhankelijk van het type stoel (foto 8). Kuip- stoeltjes met of zonder rugleuning belem- meren het publiek nauwelijks, waardoor zit- tribunes als staantribunes kunnen worden gebruikt. Op zittribunes waar het mogelijk is om te dicht op elkaar te staan en tegelijker-tijd te gaan springen kan dus een significan- te hogere belasting optreden, net zoals bij staantribunes. De belasting voor vaste zit- plaatsen geldt alleen wanneer er bij iedere stoel slechts één persoon aanwezig is. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de eerste stoel in foto 8. De belasting van een springende me- nigte is in de praktijk een stuk hoger dan de voorgeschreven belasting van 5 kN/m². Dit is opgetreden in het Goffertstadion en zou ook kunnen optreden in andere stadions. Er zijn verschillende mogelijkheden om de veilig- heid in stadions te garanderen. De meest voor de hand liggende oplossing is om de quasi-statische belasting van een mensen - MODEL GEOMETRISCHE EN FYSISCHE NIET-LINEAIRE ANALYSE Met het eindige-elementensoftwarepakket DIANA FEA (versie 10.5) is een model van het tribune-element opgezet (fig. 10). Het 3D-model bestaat hoofdzakelijk uit volume- elementen. Hiermee kunnen meerdere bezwijkmechanismes tegelijkertijd worden geanalyseerd. De wapening is ingebed in de volume-elementen als individuele lijnele- menten. Voor een goede beschrijving van de buiging en dwarskrachten is er gekozen om minimaal drie elementen over de hoogte te hebben in het rekennet. Hierbij is gebruik gemaakt van kwadratische ele- menten. Het model is gebruikt voor de bepaling van de ontwerpcapaciteit (1) en de werkelijke capaciteit (8). Met het model is eerst een lineaire analyse gedaan, gevolgd door een geometrisch en fysisch niet-lineaire push- over-analyse en een gevoeligheidsstudie. In de push-over-analyse is de variabele belasting in stapjes vergroot tot het model bezwijkt. Er is gekozen om de push-over krachtgestuurd uit te voeren, zodat het effect van de ongelijke verdeling van de belasting kon worden meegenomen. Daar- naast had een verplaatsingsgestuurde analyse geleid tot een foutief vervormings- patroon. Met een verplaatsingsgestuurde analyse leg je een specifiek vervormings- patroon op, terwijl de constructie in werke- lijkheid mogelijk anders zal vervormen. De lineaire analyse en de gevoeligheids- analyse zijn voornamelijk gebruikt om het model te verifiëren en het effect van modelparameters inzichtelijk te maken. 8 8 Verschillende typen tribunestoelen CEMENT 2 2022 ?55 massa in de normen te verhogen. Dit kan eventueel in combinatie met een lagere drempel voor het uitvoeren van een dyna- mica-analyse. Het is dan wel nodig om de dynamische belasting in de norm te specifi- ceren. Voor bestaande stadions zou kunnen worden voorkomen dat een dergelijke belas- ting kan optreden, bijvoorbeeld door te voorkomen dat mensen zo dicht op elkaar gaan staan. Versterkingen Om de veiligheid in het Goffertstadion te verbeteren, zijn versterkingen voorgesteld voor zowel de zit- als staantribunes. Deze zijn inmiddels uitgevoerd. Stalen strips zijn met spreidankers bevestigd aan de onder- kant van de tribune-elementen. Hierdoor is de capaciteit van de tribune-elementen ver- groot en voldoen ze aan de nieuwbouweisen voor staantribunes. Daarnaast wordt er op de staantribunes safe standing aangebracht om overbelasting te voorkomen. Daarmee wordt voorkomen dat de mensen te dicht op elkaar gaan staan. Een voorbeeld van dit principe is te zien in foto 9. Betekenis voor overige stadions De belastingen op tribunes ten gevolge van een springende mensenmassa kan groter zijn dan waar de tribunes op zijn ontwor- pen. Als er regelmatig op de tribunes wordt gesprongen, is het zelfs waarschijnlijk dat de ontwerpbelasting al overschreden is. Op staantribunes en zittribunes die als staan- tribune worden gebruikt, bestaat er daarom een verhoogd risico. Op staantribunes en zittribunes die als staan- tribune worden gebruikt, bestaat er een verhoogd risico voor overige stadions LITERATUUR 1?Ellis, B., en et al, The response of grandstands to dynamica crowd loads, ICE Proceedings Structures and Buildings vol. 140, 2004, p. 355-365. 2?Ellis, B., Ji, T., Loads generated by jumping crowds: experimental assessment, BRE Centre for Structural Engineering, 2002. 3?Ellis, B., Ji, T., Loads generated by jumping crowds: numerical modelling, The Structural Engineer, September 2004, p. 35-40. 9 10 9 Voorbeeld van safe standing, foto: Wikipedia 10 Geometrie van het EEM-model van het tribune-element in DIANA FEA-software 56? CEMENT 2 20 22