Monitoring van seismische bewegingen in gebouwen in Groningen in relatie tot schade
Introductie
Aan historische gebouwen kan constructieve schade ontstaan, zeker in Groningen waar zich extra trillingen voordoen door geïnduceerde aardbevingen. Om op een passende en effectieve manier in te kunnen grijpen moet vooraf een zo goed mogelijk beeld worden gevormd van de ontwikkeling van de schade in de tijd en van de oorzaken die daarbij een rol kunnen spelen. Dit artikel gaat in op methoden om schadefenomenen en mogelijk schadeoorzaken te monitoren.
Afb. 7. Voorbeeld van scheurdetectie en -meting (foto rechtsonder) met een artificial Intelligence light monitoring tool waarbij een foto van metselwerk met een scheur (linksboven) is ingevoerd. bron: Seismic Monitoring of Historical buildings in Groningen - Onderzoeksrapport, I.E. Bal en E. Smyrou.
impressie van het online Monument Diagnose en Conservering Systeem. bron: https://mdcs.monumentenkennis.nl
Inleiding
In het aardbevingsgebied in Groningen ontstaat met regelmaat schade aan monumentale gebouwen. Vaak liggen aan schade meerdere oorzaken ten grondslag die elkaar ook versterken. Zo kan de ene schadeoorzaak het metselwerk onder spanning zetten en een andere, zoals een trilling in de bodem, het metselwerk laten scheuren. Zo blijkt onder andere uit een onderzoek naar de oorzaken van bouwkundige schade in Groningen uitgevoerd door de TU Delft in 2018. Om bij een bepaald gebouw tot goed herstel te kunnen komen, passende preventieve maatregelen te kunnen uitvoeren of voor de (financiële) schadeafhandeling, is een analyse van de situatie nodig. Naast een inspectie ter plaatse (momentopname) is het belangrijk om een beeld te krijgen van hoe de situatie in de loop van de tijd verandert.
Een diagnose begint met een bouwkundig onderzoek naar de opbouw en (onderhouds)conditie van het gebouw inclusief de fundering. Daarnaast is het belangrijk om een beeld te krijgen van de ondergrond en eventuele bewegingen die in de bodem en het gebouw optreden. Een beeld vormen van bewegingen die in een gebouw of de ondergrond optreden kan alleen middels monitoring. Monitoring is een proces van regelmatig observeren, controleren, meten en registreren om veranderingen in de tijd van de toestand in beeld te krijgen. In de provincie Groningen is de situatie in de bodem ten aanzien van mogelijke bewegingen op veel plekken vrij complex. Lees daarvoor bijvoorbeeld het artikel Effecten van bodemverplaatsingen op historische gebouwen.
Monitoring van bewegingen in de bodem
In de afgelopen jaren zijn door verschillende partijen de bewegingen in de ondergrond in de provincie Groningen gemeten. Een van die partijen is Staatstoezicht op de Mijnen (Sodm). Op hun website is daarover onder het onderwerp Groningen meer informatie te vinden. Een andere partij is het Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI). Ook op de site van het KNMI is meer informatie te lezen onder het onderwerp Aardbevingen door gaswinning. Zij hebben verspreid over Nederland een netwerk van seismische meetstations (circa 250) staan waarmee 24 uur per dag trillingen in de aardkorst worden gemeten. Ook de versnelling van de bodem vlakbij de bron van de aardbevingen wordt gemeten met een netwerk van versnellingsmeters. Deze data wordt samengebracht in zogenaamde ShakeMaps voor Groningen.
TNO heeft per typologie voor heel Groningen de gevolgen van aardbevingen berekend en hiervan een vlekkenkaart gemaakt. Deze zijn gebaseerd op de Nederlandse Praktijkrichtlijn aardbevingsbestendig bouwen (NPR 9998).
Monitoring van effecten van bodembewegingen op gebouwen met tiltsensoren
Om meer inzicht te krijgen in de wijze waarop kan worden gemeten welke effecten de bewegingen kunnen hebben op gebouwen is er in opdracht van de Nationaal Coördinator Groningen (NCG) onderzoek uitgevoerd met zogenaamde tiltsensoren. Tiltsensoren zijn nauwkeurige sensoren die kleine veranderingen in de stand van een bouwdeel (hoekverdraaiing) kunnen meten. Het onderzoek had ook tot doel om de meerwaarde van dit type sensoren te bepalen in het kader van de schade-afhandeling en de veiligheid in Groningen. De uitkomsten van het onderzoek zijn beschreven in het eindrapport Pilot Tiltsensoren.
Resultaten onderzoek Tiltsensoren
Kort samengevat. Bij 13 gebouwen zijn sensoren aangebracht, waaronder tiltsensoren, waarmee beoogd is om voor diverse individuele gebouwen een continu beeld van grond- en gebouwbewegingen te verkrijgen en deze te relateren aan de ontwikkeling van gebouwschade. Een belangrijk aspect van de pilot was het vaststellen of tiltsensoren in staat zijn om het ontstaan van schade aan gebouwen in Groningen te monitoren en daarmee oorzaken van schade aan te tonen en uit te sluiten. De hypothese is dat er een verband is tussen hoekverdraaiing (rotatie) van muren, die met tiltsensoren wordt gemeten, en zichtbare scheurvorming. bron: eindrapport Pilot Tiltsensoren, samenvatting, pagina i van i
Uit het onderzoek is onder meer naar voren gekomen dat op de meetlocaties de situatie stabiel is, op twee uitzonderingen na. Dat wil zeggen dat er geen noemenswaardig hoekverdraaiingen zijn opgetreden (grenswaarde was 0,05 graad). In het onderzoek zijn 694 scheuren gemonitord en bij slechts 7 (circa 1%) is een toename geconstateerd in de meetperiode. Op slechts één locatie kon het verband worden gelegd tussen een opgetreden hoekverdraaiing (van 1,5 graad) en de toename van drie scheuren. Binnen de meetperiode hebben zich drie relatief zware aardbevingen voorgedaan die tot relevante trillingen op de meetlocaties hebben geleid, dit heeft echter niet geleid tot meetbare hoekverdraaiingen. Ook de extreme droogte in 2022 en de zware stormen hebben niet geleid tot toename van de schade noch tot meetbare hoekverdraaiingen. De tiltsensoren aan de gebouwen hebben geen rotatie gemeten die verband houdt met bodembeweging door gaswinning, gasopslag en zoutwinning.
Monitoring van historische gebouwen
‘Neem de tijd om het gebouw goed te monitoren en te inventariseren…Monitoring helpt om het gedrag van het gebouw beter te begrijpen…' Dat was een van de conclusies tijdens de Kennistafel Cultureel Erfgoed georganiseerd op 15 maart 2018 door het Kennisplatform Bouwen en Versterken van de Nationaal Coördinator Groningen.
Er zijn verschillende redenen om de conditie van een gebouw te monitoren. In delen van Groningen kan het worden gebruikt om te proberen de correlatie aan te tonen tussen schade en aardbevingen. Ook kan het aantonen van de relatie tussen schade en andere mogelijke schadeoorzaken zoals verkeerstrillingen, gewijzigd grondwaterpeil, nabij gelegen bouwput of het uitdiepen van een naastgelegen kanaal aan de orde zijn. Monitoring kan informatie geven over het constructieve gedrag van een bouwwerk en de reactie van het gebouw op impulsen of geleidelijke veranderingen in de nabije omgeving of in de bodem. Het kan dus inzicht geven in welke vormen van schadeherstel of schadepreventie noodzakelijk of wenselijk zijn. Effectieve monitoring en het analyseren van de meetgegevens blijkt in de praktijk echter complex te zijn, tijdrovend en relatief kostbaar. De Hanzehogeschool Groningen heeft in opdracht van de RCE een onderzoek uitgevoerd naar de mogelijkheden om de conditie van historische gebouwen te monitoren. Het onderzoek ‘Seismic Monitoring of Historical Buildings in Groningen’ is uitgevoerd in de periode van 1 oktober 2019 tot 31 december 2021. De doelen van het onderzoek waren: i. Ontwikkelen van methodologieën voor een goede evaluatie van de monitoringgegevens; ii. Vaststellen van normen voor structurele monitoring voor geïnduceerde aardbevingen en iii. Vergroten van het bewustzijn onder professionals over ‘waarom’ en ‘hoe’ uitvoeren van structurele monitoring bij historische gebouwen in Groningen.
Het onderzoek richtte zich op twee typen monitoring.
1. Structural Health Monitoring (SHM)
Bij het monitoren van de constructieve conditie van een gebouw (SHM) worden in een gebouw, evenals in de directe omgeving, diverse sensoren geplaatst die bepaalde parameters zoals trillingen, versnellingen, hoekverdraaiingen, vervormingen, temperatuur en lucht- of materiaalvochtigheid kunnen meten. Over een langere periode worden de meetgegevens verzameld. Die data worden vervolgens geanalyseerd met als doel relaties te kunnen leggen tussen waarnemingen zoals bepaalde schadefenomenen en mogelijke schadeoorzaken. Dit type onderzoek is uitgevoerd aan de hand van metingen bij vier gebouwen. Namelijk de Fraeylemaborg in Slochteren, een kerk en een voormalig pastorie in Garrelsweer en een boerderij in Bad Nieuweschans.
2. Light-monitoring
Onder light-monitoring wordt een manier van monitoring verstaan waarbij met eenvoudige methoden, zoals visuele waarnemingen en fotografie, bepaalde veranderingen in de tijd in beeld kunnen worden gebracht. Denk bijvoorbeeld aan het ontstaan en de groei van scheuren in gevels. Beoogd zijn methoden die een eigenaar zelf kan uitvoeren en waarvan de resultaten door hun zelf gedocumenteerd kunnen worden. Dit onderzoek is uitgevoerd op basis van 17 gebouwen.
Tot besluit
Dit artikel beschrijft niet in detail de uitvoering van het onderzoek, noch de (objectgerichte) resultaten, daarvoor wordt verwezen naar het onderzoeksrapport en de ontwikkelde richtlijn die beschikbaar zijn via de linken onderaan het artikel.
Situatie in Groningen
In Groningen is veel schade ontstaan door de aardbevingen als gevolg van de gaswinning. Binnen het onderzoek is onderzocht of het mogelijk is om middels monitoring (SHM) een directe relatie te leggen tussen trillingen in de bodem en het ontstaan van schade. Het op deze manier direct aantonen van die relatie is zeer lastig gebleken. Dat heeft meerdere redenen:
- de geïnduceerde aardbevingen leiden tot trillingen met zeer lage amplitude (lage trillingspieken). De trillingen zijn lastig te onderscheiden van trillingen met andere oorzaken;
- op veel locaties leiden diverse processen in de bodem tot bodembewegingen waardoor schade ontstaat, hierdoor wordt de beeldvorming vertroebeld;
- klimaatveranderingen op de omgevingscondities brengen meer onzekerheden in de beeldvorming.
Monitoring kan wel degelijk bijdragen aan het beter begrijpen van het constructieve gedrag van het gebouw en het verklaren van verschijnselen die optreden. Een accurate diagnose van de precieze constructieve problemen, bijvoorbeeld door aardbevingen, vraagt onder andere om een nauwkeurig computermodel. Diverse internationale richtlijnen om schade als gevolg van seismische activiteit te monitoren zijn in Groningen niet van toepassing omdat ze zijn ontworpen voor sterkere trillingen (zwaardere aardbevingen).
Typen monitoringapparatuur. In de richtlijn (op pagina 12), zie link onderaan de tekst, staan in een tabel diverse typen apparatuur die voor monitoring kan worden gebruikt benoemd. Elke parameter die gemonitord moet worden vraagt een specifiek type sensor, zoals:
| Te meten parameter | meetsensor |
|---|---|
| trillingen | versnellingsmeter |
| constructieve vervorming | verplaatsingssensor / scheurmeter |
| tiltmeter | |
| bodemdeformatie | inclinometer |
| Omgevingscondities | thermometer, vochtigheidsmeter en windmeter |
| grondwaterstand middels peilbuis |
Ook is gebleken dat de meer innovatieve technieken die op het moment van het onderzoek beschikbaar zijn voor ‘eenvoudige’ monitoring (‘light monitoring’), bijvoorbeeld uit te voeren door een eigenaar, nog onvoldoende effectief en betrouwbaar zijn.
De verwachting is wel dat er op relatief korte termijn geschikte technieken op basis van beeldanalyse beschikbaar komen voor light monitoring. In de richtlijn worden twee technieken genoemd:
- Structure from Motion (SfM). Een techniek waarbij een 3D beeld wordt gegenereerd op basis van een serie foto’s van een gebouw. Het beeld kan worden gebruikt om onregelmatigheden zoals zettingen te signaleren.
- Artificial Intelligence en scheurdetectie op basis van beelden. Een techniek waarmee scheurontwikkeling kan worden gedetecteerd en gemonitord op basis van foto’s.
Light monitoring door eigenaren met behulp van MDCS
Veel monumenteigenaren laten hun pand al periodiek, bijvoorbeeld jaarlijks, door de Monumentenwacht inspecteren. Het werk van de Monumentenwacht is uiteraard een goede vorm van monitoring van de bouwkundige onderhoudsconditie.
Voor sommige specifieke problemen of vormen van schade kan het waardevol of nodig zijn om wat vaker en gerichter te kijken. Eigenaren en beheerders kunnen vaak een veel grotere rol spelen dan zij zelf denken bij het stellen van een goede diagnose over de problemen bij hun pand. Dat kunnen ze doen door zelf de conditie van hun gevel en de ontwikkeling van aanwezige schade in de gaten houden en vast te leggen met eenvoudige (traditionele) middelen. Door periodiek en systematisch muren en andere onderdelen zoals kozijnen of daklijsten te inspecteren en aanwezige schade te documenteren middels beschrijven en fotograferen kunnen veranderingen worden gesignaleerd en vastgelegd. Als dat over een langere periode consequent wordt uitgevoerd kan een beeld worden gevormd van de omvang van de schade, van de snelheid waarmee die zich ontwikkelt of van hoe het schadebeeld varieert in de tijd. Ook kan misschien een relatie worden gelegd met omgevingscondities zoals buitentemperatuur of grondwaterstand.
In veel gevallen is het stellen van een goede diagnose niet mogelijk op basis van alleen een momentopname. Gegevens die op een zeker moment tijdens een inspectie door een onderzoeksbureau (of de monumentenwacht) worden verzameld, waarbij mogelijk metingen zijn verricht of materiaalmonsters zijn genomen, worden aanzienlijk waardevoller als deze aan monitoringgegevens kunnen worden gekoppeld. Voor een schade-expert is het waardevol als een beheerder kan vertellen of zelfs laten zien in hoeveel tijd verschijnselen zoals een scheur of afschilfering van steen zijn ontstaan. Of dat een scheur in de gevel wijder is na een lange droge periode of dat er materiaalschilfers op de grond liggen na een periode van vorst.
Zoals ook beschreven door het Erfgoedloket is een goed hulpmiddel daarbij het door TNO, TU Delft en RCE ontwikkelde Monument Diagnose en Conservering Systeem (MDCS). De tool helpt om schadeverschijnselen te herkennen en met de juiste term te beschrijven. Ook biedt het systeem een goede format om schade te documenteren in de vorm van een beknopte rapport. Zo kunnen foto’s worden geüpload waarop vervolgens de schade kan worden gemarkeerd. Om de rapportage functie te kunnen gebruiken moet wel een gebruikersaccount worden gemaakt. Dat is kosteloos.
Er zijn vele vormen van schademonitoring mogelijk, van eenvoudig tot geavanceerd, uit te voeren door een expert of door een eigenaar; het volgen van het schadebeeld en mogelijk schadeoorzaken in de tijd helpt vaak om te komen tot een oplossing.
Onderzoeksrapporten
Seismic Monitoring of Historical buildings in Groningen - Onderzoeksrapport Door: İhsan Engin Bal (Hanze University of Applied Sciences) en Eleni Smyrou (Hanze University of Applied Sciences), Versie 14-02-2023
Guidelines for Structural Health Monitoring of Historical Structures in presence of Induced Seismicity Door: Bal, Ihsan E. (Hanze University of Applied Sciences, Groningen, NL); Bronkhorst, Okke (TNO, NL); Geurts, Chris (TNO, NL); Giardina, Giorgia (TU Delft, NL); Heinemann, Herdis (TNO, NL); Smyrou, Eleni (Hanze University of Applied Sciences, Groningen, NL); Vintzileou, Elizabeth (National Technical University of Athens, GR), Definitieve conceptversie 24-01-2023
Zie ook
ArtikelenHoort bij deze thema'sSpecialist(en)
Deze pagina is voor het laatst bewerkt op 8 mei 2024 om 02:01.