Rubberblokken voorkomen trillingshinder Appartementencomplex op ENKA-terrein in Ede dicht tegen het spoor aangebouwd 1 Blokken waarmee de bovenbouw is ontkoppeld van de fundering 1 18? CEMENT 2 20 22 Op het ENKA-terrein wordt een appartementencomplex gebouwd met 201 sociale huurwoningen. De oude fabriek op het terrein is voor het project grotendeels gesloopt. Wel zijn enkele kenmerkende gebouwen bewaard gebleven, waaronder de oude hoofdingang en de di- rect daaraan gelegen fabriekshallen, inclu- sief de karakteristieke sheddaken (zaag- tanddaken). De vorm van deze daken komt terug in de architectuur van de nieuwbouw.Het appartementencomplex bestaat uit twee blokken, H2 en H4. Deze zijn weer zijn onderverdeeld in de delen H2A, H2B, H2C, H4D, H4E en H4F. Deze delen zijn on- derling gedilateerd en op zichzelf stabiel. De gebouwen zijn zes of zeven lagen hoog en deels onderkelderd.. Ontwerpproces met betrekking tot trillingen Bij het realiseren van een prettig woon- en leefklimaat in gebouwen hoort het beperken van trillingshinder voor bewoners en ge- bruikers. ProRail volgt de laatste jaren de bouwplannen van gemeenten waar dicht bij het spoor wordt gebouwd. Als er geen aan- dacht voor het beperken van trillingshinder is, dient ProRail zienswijzen in bij bestem- mingsplanprocedures. Om vervelende ver- rassingen in late fasen van het ontwerppro- ces te voorkomen, is het van belang bij bouwprojecten nabij het spoor in een vroeg stadium trillingsonderzoek uit te voeren. Vanwege de nabijheid van de spoorlijn Ede-Arnhem, is met een quickscan inge- schat dat trillingshinder in de woningen op het ENKA-terrein op voorhand niet is uit te sluiten. Trillingsonderzoek? In 2018 heeft Movares voor een ander, eerder gebouwd apparte- mentenblok op het terrein, blok H5, een trillingsprognose afgegeven met een advies voor het bevorderen van het wooncomfort. Dit gebouw is nagenoeg vierkant en negen lagen hoog en staat op ongeveer eenzelfde afstand van de spoorlijn als de woonblokken H2 en H4. De draagstructuur van H5 bestaat uit haaks op elkaar staande, in het werk ge- storte betonwanden en betonvloeren. Hier- mee is een stijve en stabiele structuur gerea- liseerd. De extra voorzieningen die nodig waren voor dit gebouw bleven daarmee be- perkt tot het verzwaren van de begane- grondvloer. Voor het eerste ontwerp van de woon- blokken H2 en H4 is dit onderzoek in eerste instantie als uitgangspunt genomen. In een later stadium is voor de gebouwen H2 en H4 aan Movares een aanvullend beperkt advies gevraagd. Toetsingskader? In Nederland wordt voor het meten en beoordelen van trillingen het meest gebruikgemaakt van de SBR-richtlijn 'Meet- en beoordelingsrichtlijnen voor tril- lingen'. Deze richtlijn is gebaseerd op de Duitse DIN 4150-norm. De SBR-richtlijn heeft geen wettelijke status, maar vergun- ningsverleners verwijzen er wel regelmatig naar. De richtlijn bestaat uit 3 delen: ING. HENK HAZELAAR RC Projectleider / Adviseur BAM Advies en Engineering IR. MARK SLOTBOOM Projectconstructeur BAM Advies en Engineering DRS. WYBO GARDIEN Adviseur Dynamica Movaresauteurs Op het voormalig bedrijfsterrein van de ENKA-fabriek in Ede, tegen de spoorlijn Utrecht- Arnhem, wordt een nieuwe woonwijk gebouwd. Twee woonblokken staan erg dicht op het spoor: de kortste afstand tussen de gebouwen en het hart van het hoofdspoor bedraagt circa 39 m (fig. 2). Om trillingsoverlast door het treinverkeer te voorkomen, worden de woonlagen van de bovenbouw met behulp van rubberblokken ontkoppeld van de fundering en de onderbouw (foto 1). CEMENT 2 2022 ?19 Deel A: Schade aan gebouwen Deel B: Hinder voor personen in gebouwen Deel C: Verstoring van apparatuur Op basis van langdurige ervaring met trillin- gen langs het spoor, is schade als gevolg van passerende treinen onwaarschijnlijk op een afstand van meer dan 30 m tot het spoor en is ook verstoring van apparatuur niet aan de orde. Omdat de afstand in dit project 39 m bedraagt, is het project in dit onderzoek al- leen beoordeeld aan de hand van de SBR-B- richtlijn. Gedurende de looptijd van het project is de Handreiking Nieuwbouw en Spoortrillingen van het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat verschenen. Deze handreiking helpt gemeenten, projectinitiatiefnemers en andere stakeholders om bij nieuwbouw naast het spoor tijdig en concreet rekening te houden met trillingen van het spoor als gevolg van treinverkeer. De handreiking biedt houvast en handvatten om trillings- hinder voor bewoners en gebruikers zo veel mogelijk te voorkomen. Het is echter geen beoordelingskader; hiervoor wordt verwe- zen naar de SBR-richtlijnen. 2 Situatie blok H2 / H4 t.o.v. het spoor 3 Visualisaties blok H2 / H4 PROJECTGEGEVENS project OP ENKA Ede opdrachtgever AM/Woonstede architect MIX Architecten constructeur BAM Advies & Engineering adviseur trillingen Movares aannemer BAM Wonen Bouwen op Maat leverancier rubberblokken Vilton/CDM 2 3 20? CEMENT 2 20 22 De handreiking maakt, afhankelijk van de toepassing, onderscheid in verschillende de- tailniveaus voor de toe te passen rekenmo- dellen. Het rekenmodel dat is toegepast voor de eerste prognose is van detailniveau II conform de handreiking (empirische omre- kenfactoren met frequentie-afhankelijkheid). Voor de uitgebreide trillingsprognose is ge- bruikgemaakt van een rekenmodel met het hoogste detailniveau IV (driedimensionaal eindige-elementenmodel). Eerste trillingsprognose? De trillingsprognese voor de nieuwbouw op het ENKA-terrein is in eerste instantie gebaseerd op een combi- natie van trillingsmetingen en empirische frequentie-afhankelijke overdrachtsrelaties (detailniveau II conform de handreiking). De metingen zijn uitgevoerd op verschillende posities op het maaiveld (fig. 4, foto 5). Hier- mee is zowel de spreiding in de langsrichting van het spoor, als de afname van trillingen loodrecht op het spoor bepaald. Deze metin- gen hebben ruim een week geduurd en dat heeft geresulteerd in een representatief beeld van de trillingen over een looptijd van een week. Dit is vooral belangrijk voor de variatie in trillingen van goederentreinen. 4 Maaiveldmeetpunten in onderzoeksgebied 5 Straatkast voor maaiveldmeting met cameraregistratie Het is van belang om bij bouw- projecten nabij het spoor in een vroeg stadium trillingsonder- zoek uit te voeren 4 5 CEMENT 2 2022 ?21 6 Dynamisch 3D eindige-elementenmodel gebouw H2A 7 Trillingsspectrum voor vloer op bovenste verdieping van gebouw H2B 8 Blok H2 (a) en H4 (b) met de verschillende minimaal benodigde afveerfrequenties 6 7 8a 8b 22? CEMENT 2 20 22 Ontwerpproces met betrekking tot trillingen op basis van de eerste trillingsprognose? Uit de eerste trillingsprognose kwam naar voren dat de gebouwen H2 en H4 gevoeliger zijn dan het gebouw H5 en dat in de woonblok- ken H2 en H4 kans bestond op overschrij- ding van de SBR-B-streefwaarden. Dit is het gevolg van het ontbreken van langsstabili- teitswanden, die in blok H5 wel aanwezig zijn. Om de overlast door trillingen te be- perken, zijn verschillende scenario's beke- ken, zoals een blijvende damwand tussen de woonblokken en de spoorlijn en het toe- passen van langsstabiliteitswanden (dwars- wanden) in de bovenbouw. De blijvende damwand is afgevallen vanwege de kosten en gaf niet het gewenste effect; er moesten nog steeds aanvullende voorzieningen wor- den getroffen. Met het toepassen van langs- stabiliteitswanden in de bovenbouw zou het project niet meer uitvoerbaar zijn met tun- nelgietbouw en daarmee te duur worden. Bovendien moesten ook dan nog aanvullen- de voorzieningen getroffen worden. Uitgebreide trillingsprognose? Voor het goed en juist beoordelen van de invloed van het trillen op het wooncomfort in de blokken H2 en H4 was dus een uitgebreide trillings- prognose noodzakelijk. Bij deze uitgebreide trillingsprognose zijn de gebouwen met dy- namische 3D FEM-modellen gesimuleerd. Movares gebruikt hiervoor een model dat parametrisch is opgezet, waarbij op basis van de constructieve tekeningen in relatief korte tijd een efficiënt 3D FEM-model van de gebouwen wordt opgezet. Door de parame- trische opzet zijn constructieve maatregelen eenvoudig aan het model toe te voegen. Een voorbeeld van een dergelijk FEM-model is weergegeven in figuur 6. Het model berekent de frequentie- afhankelijke overdracht van trillingen op de fundering naar alle vloeren in het frequen- tiegebied van 1 ? 100 Hz. Met het resultaat van de al tijdsafhankelijke trillingssignalen en deze berekende overdracht, worden de trillingssignalen op de vloeren voor alle trei- nen voorspeld. Zo ontstaat voor het hele ge- bouw een beeld van de trillingen gedurende een week. Vervolgens zijn uit de trillingssig- nalen de waarden V max (waarde van de maxi- male trillingssterkte) V per (trillingssterkte over de beoordelingsperiode) berekend en getoetst aan de streefwaarden uit de SBR-B- richtlijn. De uitgebreide trillingsprognose be- vestigde het beeld van overschrijding van de SBR-B-streefwaarden. De grootste trillingen traden op in de bouwblokken H2A en H4F, die het dichtst bij het spoor liggen. Verder was bij de beoordeling de trillingssterkte V max in de verticale richting maatgevend. De verticale trillingen overschreden de streef- waarden in alle gebouwen. Voor de horizon- tale trillingen was er alleen een enkele over- schrijding op de begane grond van blok H2B/H2E. Aanvullende maatregelen in verband met trillingen Vanwege de voorspelde overschrijding van de SBR-B-streefwaarden, is onderzocht met welke maatregelen de trillingen tot een aan- vaardbaar niveau terug te brengen zijn. Op de vloeren bleek de grootste bijdrage te komen van trillingen tussen 10 en 20 Hz (fig. 7). Maatregelen moeten de trillingen vooral in dit frequentiegebied reduceren. In de horizontale richting leveren fre- quenties tussen 3 en 8 Hz een bijdrage aan het trillingsniveau. Maatregelen om trillin- gen in de verticale richting te reduceren, mogen deze laagfrequente horizontale tril- lingen niet te veel versterken. In eerste in- stantie is een kwalitatieve inschatting ge- maakt van de maatregelen die het meest kansrijk zijn. Vervolgens is het effect van deze maatregelen met het 3D dynamisch FEM-model doorgerekend. Voor bouwblok H2A ging het om de volgende maatregelen: verwijderen van het zand en de 'kelder' dicht maken met een extra wand; eén bouwlaag minder; afveren van het gebouw met rubber; Voor de overige blokken (H2B, H4E, H2C, H4D en H4F): afveren van het gebouw met rubber. Voor alle gebouwen zijn rubberblokken met verticale afveerfrequenties van 7 en 8 Hz Voor een uitge- breide trillings- prognose zijn de gebouwen met dynamische 3D FEM-modellen gesimuleerd CEMENT 2 2022 ?23 beschouwd (lager dan 7 Hz is economisch gezien niet haalbaar). Deze afveerfrequentie is afgestemd op het voorspelde trillingsspec- trum van de vloeren. De stijfheid van de rubberblokken is vervolgens gebaseerd op de afveerfrequentie. Van belang is dat rub- berblokken in de horizontale richting een aanmerkelijk lagere stijfheid hebben dan in de verticale richting. De leverancier van de rubberblokken heeft geholpen met de bepa- ling van de horizontale veerstijfheid. Constructieve uitwerking In blok H2A zit een commerciële plint (in de 'kelderlaag') met daarboven een berging- slaag en vijf woonlagen. De bergingslaag en de vijf woonlagen worden uitgevoerd met een tunnelbekisting, de commerciële laag met een kolommenstructuur (de ruimten vallen buiten de gebruiksfuncties waarvoor de SBR-B van toepassing is).Aan de bovenzijde van de kolommen is een balk aangebracht voor het plaatsen van de rubberblokken. De ontkoppeling in H2A zit dus niet in de fundering, maar tus- sen de kelder en de beganegrondvloer. De vloer van de bergingslaag is een breedplaatvloer van 290 mm dik. Samen met de bovenbouw is dit een gesloten struc- tuur die in zijn geheel op veren staat. De knoop van de bergingswand met de ber- gingsvloer is één geheel en daarom is er geen dubbele balk nodig voor het ontkoppe- len. In de commerciële laag leveren de grondkerende wanden de stabiliteit. Onder de eerste verdieping is een extra horizontaal stabiliteitsframe aangebracht om de boven- bouw stabiel op de commerciële laag te kun- nen plaatsen (fig. 9). Behalve blok H2A, worden ook de blokken H2C, H4D en gedeeltelijk H2B en H4D on- derkelderd. De ontkoppeling bij de kelders zit hier aan de bovenzijde van de kelderwan- den en bij de overige gedeelten van de blok- ken en blok H4F boven op de funderingsbal- ken. Doordat de kelderwanden bovenin door de ontkoppeling niet meer horizontaal zijn gesteund, zijn er dwarswanden in de kelder gerealiseerd voor het opvangen van de hori- zontale gronddruk. Door het toepassen van een wanden- structuur en een vlakke beganegrondvloer in deze blokk en, die samen één geheel vormen, is er geen dubbele funderingsbalk nodig. Met andere woorden, de gehele bovenbouw is een gesloten structuur die op veren staat. De verdiepingsvloeren zijn 290 mm dik en de wanden 250 mm. De momentvaste knopen van de wanden-vloerenstructuur le- veren de stabiliteit in de langsrichting. De dwarswanden leveren de stabiliteit in de dwarsrichting. Rubberblokken zijn aangebracht boven de kelder- laag of boven de funderingsbalken 9 Stabiliteitsframe onder de beganegrondvloer, met in groen schematisch de locatie van de rubberblokken 9 24? CEMENT 2 20 22 Het gevelmetselwerk zit vast aan de boven- bouw en mag niet op de fundering worden geplaatst. Trillingen zouden dan via het met- selwerk kunnen worden doorgegeven aan de woonlagen. Het gevelmetselwerk wordt daarom op beganegrondniveau opgevangen met een geveldrager.Alle blokken zijn onderling gedilateerd en gefundeerd op mortelschroefpalen van rond 500 mm. Modellering Met de ontwerpnota's en de resultaten uit het trillingsonderzoek van Movares is de constructie verder uitgewerkt. Bij de ge- wicht- en stabiliteitsberekening werd al snel de impact duidelijk van de interactie tussen de rubberblokken en de palen. Er is een sys- teem ontstaan met twee 'veren' (de rubber- blokken en de palen) die beide zo veel moge- lijk gelijkmatig zijn belast en uitgenut, uiteraard met inachtneming van de mini- male onderlinge afstand van de palen. De onderlinge afstand van de rubberblokken was een variabele en deze blokken kunnen zelfs 'mannetje-mannetje' (zonder tussen- ruimte) worden gepositioneerd. Hiervoor is voor alle unieke wanden (in de zin van geometrie, bovenbouwbelas- ting, met of zonder kelder) een raamwerk- model gemaakt waarin zowel de palen als de rubberblokken zijn gemodelleerd als veren (fig. 11, 12). De rubberblokken zijn gemodel- leerd met een vaste onderlinge afstand. De in werkelijkheid variërende onderlinge af- stand van de blokken wordt in rekening ge- bracht door de stijfheid van de veren aan te passen. Door iteratief de posities van de palen en de stijfheid van de blokken aan te passen, is een optimaal resultaat gegene- reerd. Op deze manier werd de belasting op zowel de blokken als de palen zo duidelijk mogelijk inzichtelijk gemaakt voor alle ver- schillende belastingssituaties (fig. 13). Dit had als bijkomend voordeel dat de raam- werken direct konden worden gebruikt in de fase Uitvoeringsgereed Ontwerp om de wapening van de fundering, de kelder en de wanden te bepalen. De horizontale belasting gaat via de- zelfde blokken en wordt door de boven- bouwwanden gelijkmatig verdeeld, waar- door de belasting per rubberblok laag genoeg is. De horizontale veerstijfheid van de onderbouw en rubberblokken hadden hier een niet-merkbare invloed op. Door de hoeveelheid blokken / lengte stabiliteitswan- den en de zo veel mogelijk gelijkmatige ver- deling zijn de krachten/vervormingen ook gelijkmatig. Voor bouwdeel H2A is ervoor gekozen een 3D EEM-model toe te passen in verband met de overgang van wonen (wanden- 10 Constructie blok H2 en H4; grijs: in-situbeton, geel: prefab-betonwanden, oranje: prefab kolommen, blauw: prefab balkons 10 CEMENT 2 2022 ?25 11 12 13 11 Stijfheid van 7 Hz-rubberblokken met 4 en 5 lagen rubber, die als input voor de raamwerkmodellen geldt12 Voorbeeld van een gebruikt raamwerkmodel 13 Resultaat van de belastingen op de rubberblokken 26? CEMENT 2 20 22 structuur) naar de commerciële ruimte (ko- lomstructuur) met het bijbehorend excen- trisch stabiliteitsprincipe (fig. 14). Voor de bepaling van de belasting op de rubberblok - ken en de palen is hetzelfde systeem (met de vaste onderlinge afstand van de veren, fig. 15) g ebruikt als in de raamwerkmodellen. In de voorgevel van bouwdelen H2B en H4E zijn enkele kolommen naast de dub- bele balkons aanwezig die op de begane grond uitkomen. Door middel van een stalen HEM280 ter plaatse van de kelders of een prefab-betonbalk ter plaatse van de funde- ring onder de begane grond, wordt de belas- ting naar de bouwmuren overgebracht en is een minimale belasting op de oplegblokken gerealiseerd (fig. 16, foto 17, foto 18). Overige aandachtspunten Overige aandachtspunten vanuit de ont- werpfase als gevolg van de toepassing van de trillingsisolatie waren de minimale opleg- breedten van de rubberblokken (zowel bo- ven als onder de vloer), het hoogteverschil tussen de 7 Hz (VHS-150)- en de 8 Hz (SEB-UHR80)-rubberblokken, de brandwe- rende afwerking ter plaatse van de rubber- blokken en de opvang van het metselwerk en de trappen uit de kelder op beganegrond- niveau. In de eerste ontwerpen was de begane- grondvloer overal een massieve plaat van 290 mm dik (met waar mogelijk de toepas- sing van breedplaten). Omdat de vloeren 14 15 14 EEM-model H2A 15 Resulterende belasting op de ontkoppeling CEMENT 2 2022 ?27 16 17 18 16 Locatie stalen HEM (groen), THQ-liggers (oranje), prefab balk (blauw), kolommen (rode cirkel) en de afdracht op de akoestische ontkoppeling (paarse rechthoek) 17 Uitvoering prefab randbalk, THQ-ligger en HEM-ligger 18 Oplegging HEM-profiel op de 7 Hz-blokken 28? CEMENT 2 20 22 19 20 19 Detaillering van de oplegging kanaalplaat (incl. prefab-betonplaatje) / breedplaat op de 8 Hz-rubberblokken 20 De oplegging van de 8 Hz-blokken op de vlakke funderingsbalk met daarop het prefab-betonplaatje CEMENT 2 2022 ?29 geen blijvende ondersteuning kunnen heb- ben (en dus niet op een werkvloer kunnen worden gestort), is er vrij snel in het proces voor gekozen om op de locaties waar geen kelder aanwezig is, kanaalplaten toe te pas- sen met een dikke druklaag. Om te blijven voldoen aan het trillingsonderzoek is de dik- te van de druklaag zodanig gekozen, dat de begane grond zowel bij de massieve bekis- tingsplaatvloer als de kanaalplaat met dru- klaag dezelfde massa heeft.Om de kanaalplaten te kunnen leggen (en direct aan de vlakheidseis van de opleg- ging op de rubberblokken te voldoen), wordt eerst in de richting van de bouwmuur een prefab-betonplaatje op de rubberblokken gelegd, waar de kanaalplaat kan worden op- gelegd (fig. 19, foto 20). Om er in de bouwfase voor te zorgen dat de kanaalplaten niet weg- draaien van de oplegging, of de rubberblok- ken kantelen, worden de blokken versprin- gend toegepast, met een onderlinge afstand van de breedte van de dragende wand erbo- ven. De blokken hebben dan 'meer breedte' en staan dan deels direct onder de kanaal- platen in plaats van enkel centrisch onder de wand (foto 21). De bovenzijde van de funderingsbalken/kel- derwanden wordt afgewerkt met een giet- mortel om de vlakheid onder de rubber- blokken te garanderen. De rubberblokken zullen door de uit- gezochte gelijkmatige belasting allemaal, op 1 à 2 mm onderling verschil, in de eindsitua- tie 20 mm indrukken ten opzichte van de onbelaste situatie. De indrukking verloopt echter niet lineair in relatie tot de belasting. Voor de uitvoering is per bouwlaag de in- drukking van de rubberblokken bepaald, zodat dit buiten kon worden gemonitord. Economische oplossing Uiteindelijk was de ontkoppeling met rub- berblokken de enige economische oplossing om trillingen veroorzaakt door treinverkeer te neutraliseren. De kosten zijn daarbij het hoogst voor de rubberblokken met de laag- ste afveerfrequenties (7 Hz). De kosten voor de rubberblokken inclusief de overige aan- passingen in de constructie zijn uiteindelijk uitgekomen op 5% van de totale bouwsom. Er zullen steeds vaker woongebouwen dicht tegen het spoor worden gerealiseerd. Daar- bij moet rekening worden gehouden met trillingen uit treinverkeer. Hier zijn steeds meer gemeenten en ProRail zich al bewust van. Door zo vroeg mogelijk in het ontwerp- proces de trillingsonderzoeken uit te voe- ren, kunnen de kosten zo laag mogelijk wor- den gehouden. Het later inpassen van oplossingen in een ontwerp kan namelijk erg ingrijpend en kostbaar zijn. Bovendien zijn niet alle oplossingen geschikt voor alle typen gebouwen en constructies. Bij de toe- passing van verticale trillingsisolatie is het belangrijk dat in een vroeg stadium de inter- actie tussen fundering, blokken en de boven- bouw inzichtelijk wordt gemaakt in het con- structieve ontwerp. Als vanaf het begin van een bouwplan rekening met trillingen wordt gehouden, is comfortabel wonen vlak naast het spoor op een economisch verantwoorde manier mo- gelijk. 21 21 De 7 Hz-blokken worden verspringend toegepast op de fundering van H4F 30? CEMENT 2 20 22