Effecten van bodemverplaatsingen op historische gebouwen
Introductie
Bodembewegingen en verzakkingen in de ondergrond hebben invloed op gebouwen en vooral monumenten. In dit artikel wordt ingegaan op algemene principes van bodembewegingen en hoe die tot schade kunnen leiden. De gevolgen van aardbevingen en trillen door gaswinning komen niet aan de orde.
water_en_zetting_Bron_Gem_Gouda.JPG)
Effecten van bodemverplaatsingen op historische gebouwen
Dat gebouwen in Nederland verzakken, is niets nieuws. Dat gebeurt al eeuwen, door natuurlijke processen in de bodem of als gevolg van menselijk ingrijpen. Een actueel voorbeeld van dat laatste is natuurlijk de schade aan gebouwen als gevolg van de gaswinning in Groningen en elders in Nederland. Dat heeft veel effect op gebouwen, waaronder monumenten. De Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed (RCE) wil kennis in kaart brengen over hoe in Nederland bodembewegingen en verzakkingen in de ondergrond invloed hebben op gebouwen en vooral monumenten. Niet alleen als gevolg van gaswinning, maar ook door andere processen.
Bureau Deltares heeft voor RCE uitgezocht wat hierover al bekend is. De resultaten van dit onderzoek staan in het rapport ‘Effecten van bodemverplaatsingen op historische gebouwen. Literatuurstudie’. Dit artikel is daarvan een samenvatting. Er wordt ingegaan op algemene principes van bodembewegingen en hoe die tot schade kunnen leiden. De gevolgen van aardbevingen en trillen door gaswinning komen in dit rapport niet aan de orde. Of er schade ontstaat aan gebouwen door bewegingen in de bodem, hangt grofweg af van drie factoren: 1 het soort bewegingen in de bodem (mechanismen), 2 de aard van de ondergrond en 3 de gebouweigenschappen.
Bodembewegingen
Bij bodembewegingen kun je bijvoorbeeld denken aan aardschokken en bodemstijging- of daling.
Aardschokken
In Nederland komen aardschokken voor door zowel natuurlijke oorzaken als door menselijk ingrijpen. Dit kan schade veroorzaken. Uit de literatuur blijkt echter dat natuurlijke aardbevingen in Nederland zo weinig ernstig zijn, dat je niet echt kan spreken van een risico op schade aan gebouwen. Wat betreft menselijk ingrijpen gaat het dan over gevolgen van zout- of gaswinning die leiden tot zogeheten geïnduceerde aardbevingen (aardbevingen met een niet-natuurlijke oorzaak). Zoutwinning levert (voor zover nu bekend) geen noemenswaardig risico te geven.
Bodemdaling en -stijging
De onderzoekers gaan in dit rapport specifiek in op de gevolgen van bodemdaling. Hoewel er in Nederland een paar gebieden zijn waar de bodem (licht) stijgt, is er vooral sprake van een daling van de bodem. In Nederland is er geen noemenswaardige bodemstijging die schade aan monumenten zou kunnen veroorzaken.
De grootste bodemdaling heeft tot nu toe plaatsgevonden in n veen- en kleigebieden (‘slappe bodems’). Die bodemdaling is vooral het gevolg van menselijk handelen: door het verlagen van de grondwaterstand voor inpoldering (creëren van landbouwgrond) of ten behoeve van bouwprojecten en door het droogleggen van veengebieden voor veenwinning. Vooral in de voormalige veenwingebieden is de bodem gedaald: in de afgelopen 1.000 jaar tot wel 8,5 meter.
De bodembewegingen door menselijk handelen leveren bij elkaar gemiddeld 2,5 cm aan daling op per jaar. De dalingen door natuurlijke oorzaken is gemiddeld slechts 3 cm per eeuw. Maar er zijn grote regionale verschillen. Waar bodemdaling (of -stijging) geleidelijk en gelijkmatig plaatsvindt, is er weinig kans op schade. Maar aan de randen van gelijkmatig verzakkende gebieden is er wél kans op ongelijkmatige daling; en dus meer kans op schade.
Diepe en ondiepe bodemdaling
Bodemdaling kan het gevolg zijn van processen vlak onder het maaiveld of juist in diepere aardlagen. Bij diepe bodemdaling gaat het dan om bewegingen meer dan 400 meter onder het maaiveld. Dit kan onder meer op natuurlijke wijze worden veroorzaakt door bewegingen van aardschollen (tektoniek). In Nederland is diepe bodemdaling vooral het effect van menselijk ingrijpen, zoals grondwaterwinning en vooral mijnbouw. Bij gas- of zoutwinning kan de bodem dalen (inzakken) doordat op diepere lagen gas of zout wordt weggenomen. Eventuele bebouwing zakt dan mee. Voor Groningen wordt tot 2030 een maaiveldverzakking door aardgaswinning voorspeld van maximaal 0,4 m. Uit de literatuur blijkt echter niet dat diepe bodemdaling leidt tot een noemenswaardig risico op schade. Het inzakken van de bodem verloopt meestal gelijkmatig en regelmatig, beetje bij beetje. De onderzoekers stellen dan: ‘dit leidt niet tot schade in directe zin’. Dat wil zeggen: er is niet veel kans op scheuren of verzakkingen simpelweg door deze bodemverzakkingen alléén. Maar: diepe bodemdaling (zoals bij mijnbouw) kan wel op een indirecte manier oorzaak zijn van (aanzienlijke) schade aan gebouwen. Deze schade is vooral het gevolg van het (veranderende) grondwaterpeil ten opzichte van het gebouw, en dan met name tov de funderingen.
Ondiepe bodemdaling vindt plaats in de lagen dichter onder het maaiveld. In Nederland is ondiepe bodemdaling meestal het gevolg van veranderingen in het grondwaterniveau. Ondiepe bodemdaling verloopt vaak minder gelijkmatig dan diepe bodemdaling, door plaatselijke verschillen in de bodem.
Grondwaterstand
De grondwaterstand in Nederland is deels afhankelijk van klimaatprocessen zoals droogte/neerslag. Wateroverlast kan lokaal impact hebben op de grondwaterstand zowel door hevige regenval als door een verhoogd waterpeil in rivieren, . Maar de grondwaterstand is – zeker in Nederland – ook een gevolg van menselijk ingrijpen. Dankzij inpoldering is in Nederland bijvoorbeeld gebouwd beneden zeeniveau. In Groningen en ook in veel andere delen van Nederland wordt de grondwaterstand door menselijk ingrijpen beïnvloed. Op basis van maatschappelijke belangen (bijv. agrarisch, ecologisch) kan worden ingegrepen in de grondwaterstand (verhogen of verlagen van het waterpeil), soms met gevolgen voor de gebouwde omgeving. Ook klimaatverandering leidt tot wijziging in de grondwaterstand. Een verhoogde grondwaterstand kan dus het gevolg zijn van menselijk ingrijpen in de waterstand, of het gevolg zijn van bodemdaling. Bij bodemdaling zakt het maaiveld met bebouwing mee ten opzichte van het grondwaterniveau. Het grondwaterniveau stijgt dan in relatieve zin ten opzichte van de bodem en de fundering.
Zowel een verlaagde als verhoogde grondwaterstand heeft invloed op de gebouwde omgeving. Waar er meer variatie (mogelijk) is wat betreft grondwaterniveau, zijn gebouwen in principe dus meer kwetsbaar voor schade. Door lokale omstandigheden en ingrepen kunnen deze mogelijke effecten worden voorkomen of gedempt; denk aan dijken, afwatering en waterretentie, begroeiing, etc.
Maar de relatie tussen waterpeil, bodem en risico en schade aan gebouwen blijkt ingewikkelder.. Een verandering in grondwaterstand of waterpeil kan namelijk ook gevolgen hebben voor de bodem zelf . Dit maakt gebouwen op die bodems vervolgens extra kwetsbaar voor schade.
Bodemsoorten
Nederland kent verschillende bodemsoorten, waarvan sommige meer stabiel zijn dan andere. Vooral bodemsoorten die goed vocht kunnen opnemen en afgeven, veranderen in volume (en zijn dus minder stabiel) In Nederland hebben we het dan vooral over bodems met een groot aandeel klei. Maar ook veengrond (waarin veel plantaardig materiaal aanwezig is) heeft deze eigenschap. Bodems met veel zand zijn stabieler. Het zand neemt geen vocht op; het vocht vult de holtes tussen de zandkorrels en bij droogte verdwijnt dat daar weer, zonder dat er veel in de bodem zelf beweegt: deze grond is dus stabieler dan klei- of veengrond. Maar ook klei- en veenhoudende bodems kunnen stabiel zijn, zolang de grondwaterstand niet verandert.
Bij gebouwen op kleihoudende gronden of veengrond is er dus meer kans op krachten die funderingen en muren beschadigen. Deze ‘stijve’ gebouwdelen reageren immers anders op bewegingen. Er is dus meer kans op breuk en scheuren; of zoals we dat noemen ‘constructieve ontzetting’.
Bij het voorafgaande gaat het om tijdelijke veranderingen. Maar bij in klei- en veengrond kunnen er bij droogte ook onomkeerbare processen plaatsvinden; veenoxidatie en compactie (samendrukking) van klei.
Onomkeerbare effecten op veen en klei
Op plekken waar de bodem vochtopnemende kwaliteiten heeft (dus bij klei- of veengrond), zet de bodem in natte tijden uit. Het bodemniveau zal dan stijgen ten opzichte van NAP (hoewel meestal maar licht). In droge perioden (met weinig neerslag) klinkt de bodem in. Maar bij veengrond kan het proces van dalende bodem door langdurige of vaak terugkerende droogte (lage grondwaterstand) onomkeerbaar zijn: deze bodem verliest bij droogstand sterkte door oxidatie en het organische materiaal verdwijnt zelfs op den duur. Door klimaatveranderingen is een versnelling van dit proces te verwachten.
Ook klei kent krimp bij droogte. Klei zwelt in nattere periodes weer op. Het vernatten en verdrogen vindt echter niet altijd gelijkmatig plaats; onder gebouwen bijvoorbeeld verdampt het vocht minder snel en wordt minder snel vocht opgenomen dan aan de randen of naast het gebouw. Vooral bij dikkere kleilagen kunnen er verschillen zijn in het krimp-/zwelgedrag; door deze ongelijkmatigheid is er dan meer kans op schade. Het zwelvermogen van klei is onder meer afhankelijk van de minerale samenstelling.
In de loop der tijd kan er ook sprake zijn van samendrukking (compactie): langzaamaan wordt steeds meer vocht tussen de poriën van bodemsoorten uitgedrukt. Vooral bij klei en veen veroorzaakt deze compactie een daling van de bodem. Deze daling kan gelijkmatig zijn en dan relatief weinig schade veroorzaken. Maar als er onder gebouwen geen homogene ondergrond is, zal de daling bij samendrukking van klei en veen ongelijkmatig zijn en ontstaat daardoor kans op schade aan gebouwen (door ongelijkmatige verzakking).
Door klimaatverandering versnelt de bodemdaling: veen oxideert sneller bij hogere temperaturen en bij aanhoudende droogte (dus daling van het grondwater) vindt nóg meer oxidatie van veen plaats. Klei krimpt nog meer en sterk veen- en kleihoudende bodems zullen nog meer worden samengedrukt.
Dit hoeft overigens niet per se schade te veroorzaken aan gebouwen. Schade aan gebouwen ontstaat vooral door ongelijkmatige dalingen: zakkingsverschillen.
Klei- en veenhoudende bodems reageren dus anders op water en droogte dan zandgrond. Waar er géén grote veranderingen zijn wat betreft de vochthuishouding, is er ook minder kans op verzakking of scheuren aan gebouwen.
Gebouw- en funderingstypen
Bodemsoort en water(beheer) zijn bepalend voor het risico van schade aan gebouwen, en natuurlijk monumenten. Maar sommige gebouwen zijn meer gevoelig voor schade dan andere. Natuurlijk hangt dat ook af van de bouwwijze (zoals formaat van gebouw, opbouw van muren, metselwerk) en of een gebouw los staat of tegen ander gebouwn aan is gebouwd.
Het Deltares-rapport gaat echter vooral in op de aard van de fundering. In Nederland was bebouwing eeuwenlang licht en werd er niet of nauwelijks gefundeerd. Bouwen met steen maakte meer serieuze fundering nodig, zeker op slappe bodems. Veel voorkomend zijn ondiepe funderingen (‘op staal’) of funderingen op houten palen. Bij een fundering ‘op staal’ rust de dragende muur met een verbrede gemetselde voet of betonvoet op de onderliggende bodem. (De term ‘op staal’ is misleidend, want er wordt geen staal gebruikt, tenzij als wapening in beton.)
Deze funderingen komen veel bij monumenten voor. Ook zijn deze beide technieken wel gecombineerd toegepast onder een gebouw (gemengde funderingen), bijvoorbeeld als er sprake is van uitbouwen. Sinds begin twintigste eeuw wordt voor fundering een heitechniek toegepast met behulp van dieselhamers, waardoor tot op veel grotere diepte kan worden gefundeerd. Sinds 1920 wordt ook geheid met betonnen palen. De traditionele funderingstechnieken kennen een aantal kwetsbaarheden. Houten funderingspalen - zoals veel toegepast in bijvoorbeeld Amsterdam en Rotterdam - zijn bijvoorbeeld gevoelig voor aantasting door schimmel en bacteriën (eiken funderingspalen zijn minder rotgevoelig dan die van grenen of vuren). Schimmel krijgt kans als funderingspalen droogstaan. In 1638 voerde Amsterdam daarom een wet in die stelde dat houten palen minimaal een halve voet onder grondwaterniveau moesten staan. Houten fundering is dus kwetsbaar bij waterpeilverlagingen . Bepaalde houtsoorten, zoals grenen, zijn ook gevoelig voor aantasting door bacteriën, die ook onder water kan optreden.
Ook ondiepe funderingen op staal blijken schadegevoelig, vooral die op een ondergrond met weinig draagkracht (zoals veen of klei), omdat de stabiliteit ervan afhankelijk is van (veranderingen in) het grondwaterpeil.
Schades aan monumenten
De omstandigheden en mechanismen zoals hierboven benoemd kunnen leiden tot schade aan monumenten. Bewegingen in de bodem (meestal in combinatie met de veranderingen ten opzichte van de grondwaterstand) verzwakken de stabiliteit van monumenten; er ontstaan krachten die niet gelijkmatig doorwerken in de constructie. Gevolg is dat bepaalde delen van het gebouw meer verzakken dan andere, dat er scheuren ontstaan in muren en gevels, dat er scheefstand is die schade geeft aan deuren, ramen, daken, etc. Als gevolg hiervan ontstaat ook bijvoorbeeld vochtschade en schade aan huisaansluitingen zoals die op het riool. Het rapport gaat alleen in op schade aan monumenten als gevolg van bodembewegingen, niet door andere oorzaken zoals een constructief mankement.
Schadeverschijnselen
Scheuren en scheefstand
Schade aan gebouwen zoals scheuren en scheefstand kan ontstaan bij zowel diepe als ondiepe bodemdaling. Bij diepe bodemdaling is er met name kans op schade aan de rand van het verzakkende gebied, waar de bodem ongelijkmatig verzakt in tegenstelling tot wat verder weg van de rand (waar gebouwen gelijkmatig meezakken met de bodem). Bij ondiepe bodemdaling ontstaat schade aan gebouwen als gevolg van bijvoorbeeld verschillen in de samenstelling van de bodem.
Of schade aan gebouwen optreedt, hangt natuurlijk ook af van het type fundering. Bij gebouwen met gemengde funderingen (deels ‘op staal’, deels op palen) is er extra kans op schade, omdat die kans hebben op ongelijkmatig scheefzakken. In gebouwen die scheefzakken, ontstaan vaak scheuren, verzakken vloeren en klemmen deuren. Vooral wanneer bouwdelen door de bodemverzakking ten opzichte van elkaar gaan verdraaien (en er hoekverdraaiingsverschillen ontstaan) is er kans op ernstige scheurvorming en zelfs instortingsgevaar.
Vochtindringing
Gebouwen die laag liggen ten opzichte van het maaiveld en de grondwaterstand zijn gevoelig voor wateroverlast. Het risico op vochtindringing neemt toe als er sprake is van verzakking van de bodem (met een relatief verhoogde grondwaterstand), of bij een gelijkblijvende bodem en een in absolute zin verhoogde grondwaterstand, bijvoorbeeld na hevige regenval of overstroming. Er is kans op vochtschade zodra het grondwaterpeil op minder dan 60 cm van het vloerpeil komt. Een en ander hangt natuurlijk ook af van bouwwijze en bouwmaterialen. Harde natuursteen en beton nemen bijvoorbeeld minder vocht op dan baksteen. Poreuze bouwmaterialen, waaronder baksteen, kennen capillaire werking. Vocht wordt erin omhoog gezogen (‘optrekkend vocht’). Indringend vocht kan leiden tot fysieke schade aan bijvoorbeeld houten vloeren en pleisterwerk, en ook tot gezondheidsklachten van de gebruikers van het gebouw.
Schade aan aansluitingen
Ongelijke zetting tussen gebouw en ondergrond kan ook op een andere manier leiden tot schade. Er kan frictie ontstaan op plekken waar leidingen en rioleringen het pand in- en uitgaan. Er kunnen dan breuken komen in deze aansluitingen, met als gevolg hinderlijke of zelfs gevaarlijke lekkage van waterleiding, riolering of gasleiding. Sinds begin twintigste eeuw is vaak wel rekening gehouden met het optreden van zettingsverschillen. Vooral in de eenentwintigste eeuw blijken die maatregelen meer doordacht.
Schade en menselijk ingrijpen
Hierboven zijn verschillende factoren genoemd die bij bodemverplaatsing kunnen leiden tot schade aan monumenten. In de praktijk blijkt het te gaan om een combinatie van factoren zoals bodembewegingen, bodemsoort, (variërend) grondwaterpeil en bouwkundige factoren zoals toegepaste funderingstype(n).
Voor eigenaren van monumenten en andere belanghebbenden is het natuurlijk van belang welke factoren hiervan door menselijk ingrijpen te beïnvloeden zijn. In Nederland gaat het dan vooral om bodemverzakking en het verhogen/verlagen van grondwaterpeil. Deltares concludeert dat de effecten van bodembewegingen door zout- en gaswinning te verwaarlozen zijn (het effect van aardbevingen door gaswinning is zoals gemeld geen onderdeel van de studie). Uit deze studie volgt dat vooral ingrepen wat betreft het grondwaterpeil van invloed zijn op (het voorkomen van schade aan) monumenten.
Schade door laag grondwaterpeil
Uit onderzoek blijkt dat er bij een relatieve grondwaterpeilverlaging tot 0,30 m nauwelijks een grotere kans is op schade (alleen lichte scheuren). ‘De toename van de kans op schade is acceptabel’, zo staat in het rapport, want die is minder dan 5%. Vooral gebouwen op houten paalfunderingen en op ondiepe funderingen ‘op staal’ lopen risico op schade bij een lage grondwaterstand. Bij fundering op houten palen is het dus belangrijk dat de relatieve grondwaterstand op peil blijft, om vermindering van draagkracht en vervolgens verzakking te voorkomen. Bij gebouwen met een fundering ‘op staal’ (en die met gemengde funderingen) zijn vooral gebouwen met ondiepe funderingen op een ondergrond met weinig draagkracht (zoals veen of klei) gevoelig voor schade door lage grondwaterstanden.
Schade door verhoogd grondwaterpeil
Wanneer het grondwater stijgt, kan dit leiden tot schade aan gebouwen door wateroverlast of verminderde draagkracht van de fundering en vervolgens zetting en zettingsverschillen.
Vooral ondiepe funderingen ‘op staal’ zijn kwetsbaar bij een verhoging van het waterpeil. Het blijkt dat het draagvermogen van deze funderingen gedurende de waterstijging vermindert, totdat de fundering in zijn geheel iets dieper is gezakt in de bodem. Tijdens dit verzakkingsproces treedt ongelijkmatige belasting op. Vooral waar een fundering al bijna tot de maximale capaciteit was belast kan dit tot problemen leiden. Door verschillen in de belastingen kunnen ongelijkmatige verzakkingen ontstaan in het gebouw en eventueel daardoor schade.
Uit onderzoek blijkt een geringe grondwaterpeilverhoging (bijvoorbeeld 0,15 cm) nagenoeg nooit oorzaak is van schade. En dat de schade beperkt blijft, zolang het grondwaterniveau niet meer dan 50 cm stijgt en nog onder het funderingsniveau blijft. Maar bij een stijging van meer dan 1 meter en tot boven funderingsniveau, is er zeker kans op verminderde draagkracht en dus schade.
Conclusies
In het rapport van Deltares is nadrukkelijk NIET onderzocht wat de effecten door bevingen door aardgaswinning zijn op monumenten. In het rapport is welis onderzocht wat er bekend is over vooral andere oorzaken van bodembewegingen op monumenten. Vooral gebouwen met een houten paalfundering of een ondiepe fundering op staal zijn gevoelig voor bodembewegingen. En eigenlijk moeten we dan zeggen: voor veranderingen ten opzichte van het grondwaterpeil. Want de bewegingen van de bodem op zich (zoals door natuurlijke aardbeving, diepe bodemdaling) hebben volgens de literatuurstudie geen belangrijk effect op onze monumenten. Waar het om draait is het grondwaterniveau, in combinatie met het funderingstype van een monument. Omdat funderingen verschillend reageren op bodembewegingen en droogte/grondwaterpeil, zijn vooral gebouwen met een combinatie van funderingstypen gevoelig voor schade.
Tot slot
Het rapport van Deltares biedt zicht op wat er al aan kennis (literatuur) beschikbaar is over het effect van bodembewegingen op gebouwen, waaronder monumenten. Het biedt nog zeker geen totaalbeeld, onder meer omdat de gevolgen van gaswinning voor monumenten door aardbevingen grotendeels buiten beschouwing zijn gebleven. In een vervolgstudie komen de gevolgen van aardbevingen en trillingen mogelijk wél aan bod. Op een later moment zal mogelijk ook worden gezocht naar een breder inzicht in de schadeverschijnselen, herstelmethoden en herstelkosten in relatie tot de oorzaken, het type fundering het gebouwtype en de bouwperiode van monumenten. Doel is om hierover meer kennis te verschaffen aan gebouweigenaren én adviseurs van RCE die vergunnings- en subsidie-aanvragen beoordelen.
Het volledige rapport: Effecten van bodemverplaatsingen op historische gebouwen.
Dit artikel is een samenvatting van een door Deltares uitgevoerde literatuurstudie, in opdracht van de Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed. Auteur (s): Henri Havinga, 23 augustus 2022.
Zie ook
Hoort bij deze thema's TrefwoordenGroningen, Aardbevingen, Bodemdaling, Bodembeweging
Specialist(en)
Deze pagina is voor het laatst bewerkt op 15 mrt 2024 om 04:02.