Versterking van erfgoed in aardbevingsgebied - Schade en bouwkundige kwetsbaarheden

Introductie

Aardbevingen geven schades aan gebouwen. Het is de combinatie van de aardbevingskarakteristiek en de algemene bouwwijze die bepaalt welke schades vooral optreden. In het artikel Veiligheid en rekenmethoden is aangetoond dat de vingerafdruk van de Groningse aardbeving uniek is. Deze vingerafdruk leidt, samen met de Groningse bouwwijze van de afgelopen eeuwen, tot specifieke kwetsbaarheden. Daar wordt in dit artikel nader op ingegaan. Hierbij kijken we naar materiaal-, gebouwonderdeel- en gebouwniveau.

Materiaalgedrag

De belangrijkste bouwmaterialen die in Groningen (en in Nederland) typisch worden toegepast zijn metselwerk, hout, beton en staal.

Metselwerk

Zoals in hiervoor beschreven is de werking van metselwerk onder aardbevingsomstandigheden complex, doordat scheurvorming het materiaal beïnvloedt. Door het doen van vele proeven door de Technische Universiteit Delft en de universiteit van Pavia, Italië, is enorm veel kennis verzameld van het gedrag en de eigenschappen van metselwerk van bestaande bouw. In de Nederlandse Praktijk Richtlijn NPR 9998 (NPR) is deze kennis verzameld om te gebruiken in de verschillende analyses. (Zie figuur 1: Metselwerkwand in-het-vlak beproeving uitgevoerd door TU Delft vs numerieke rekensimulatie.)

In NLTH-analyse (Non-linear Time History-Analyse) is de volledige spanning-rek relatie toe te passen in combinatie met sterkte en stijfheid degradatie, verschillend voor trek en druk. Daarmee kan in het model de test-omstandigheden worden gesimuleerd. Dat leidt tot de meest betrouwbare relatie tot de aardbevingsanalyse.

Hout

Van een houtconstructie, bijvoorbeeld houten spanten in een dak of de gebinten van de boerenschuren, wordt nagenoeg altijd de capaciteit bij een aardbeving bepaald door de verbindingen. De betreffende (nieuwbouw)norm gaat grotendeels over hoe verbindingen moeten worden ontworpen om voldoende capaciteit te halen. Voor bestaande bouw en zeker bij monumenten zullen de verbindingen hier bij lange na niet aan voldoen. Zo worden regelmatig verbindingen aangetroffen met houten pennen. Ook de NPR geeft maar beperkte informatie over dit soort verbindingen. In de praktijk kan met een NLTH-analyse een maximale maar beperkte capaciteit (sterkte, vervorming) worden gemodelleerd waarmee vaak al kan worden aangetoond dat de constructie voldoende weerstand kan bieden. (Zie figuur 2: In-het-vlak beproeving van een houten vloer vs numerieke rekensimulatie.)

Staal en beton

In monumenten worden zelden staal- of betonconstructies aangetroffen. Moderne gebouwen in aardbevingsgebieden bestaan vrijwel altijd uit staal of beton. Wereldwijd is daarmee enorm veel kennis beschikbaar. Staal is een relatief eenvoudig materiaal, omdat de spannings-rek relatie zowel elastisch als plastisch bekend is en te modelleren is. Voor beton is dat complexer maar ook mogelijk. Soms wordt daarbij de aanwezige wapening zelfs mee-gemodelleerd, die dan wel bekend moet zijn van bijvoorbeeld nog aanwezige wapeningstekeningen.

Lokale effecten gebouwonderdelen

In deze paragraaf wordt gekeken naar verschillende typische gebouwonderdelen in Nederlandse en Groningse gebouwen. Te denken valt aan spouwbladen van metselwerk, houten gebinten, vloer en dakschijven, verbindingen en funderingen.

De in het eerdere artikel genoemde analysemethodes beschrijven in feite de analyse van het hoofdsysteem van het gebouw, de weerstandgevende elementen als wanden, vergelijkbaar met de stabiliteitsberekening ten gevolge van wind. Er zijn echter meer onderdelen in een gebouw die kunnen bezwijken en ook het bezwijken van het hele gebouw kunnen veroorzaken. Daarom moeten naast het hoofdsysteem ook de lokale effecten op onderdelen worden beschouwd.

Uit het vlak metselwerk

Wanneer het gebouw in trilling wordt gebracht door een aardbeving ondervinden alle onderdelen de gevolgen daarvan, alles gaat meetrillen. Lokaal kan van onderdelen gevonden worden dat deze een eigen, lokaal gedefinieerde eigenfrequentie hebben. Terwijl het gebouw als geheel misschien weinig meekrijgt van de aardbeving kan een lokaal onderdeel juist in de eigenfrequentie worden aangesproken. Als dat onderdeel dan ook nog massa heeft, kunnen er lokaal hoge krachten ontstaan.

Een metselwerkwand heeft massa en wordt door de aardbeving in langsrichting aangesproken (in-het-vlak), waarmee het de weerstand biedt aan het gebouw als geheel, maar lokaal ook in dwarsrichting (uit-het-vlak). Als de wand uit-het-vlak bezwijkt is direct ook de weerstand in-het-vlak verdwenen en kan een gebouw alsnog instorten. In Nederland zijn vanuit de historie de wanden dun; oudere gebouwen hebben nog steens wanden van 20 cm dik, maar modernere woningen hebben spouwmuren met wanden van maar 10 cm dik. Daarmee is het uit-het-vlak gedrag zeer bepalend voor de uitkomst van de analyses. Voor de versterkingsoperatie in Groningen is er heel veel onderzoek gedaan naar de effecten van het uit-het-vlakgedrag met zelfs in de laatst bekende uitgifte van de NPR van 2020 nog een uitgebreide toevoeging. Het lokale effect van uit-het-vlak kan met aanvullende analyse, vaak met behulp van spreadsheets, worden onderzocht. Bij NLTH wordt het meegenomen in het materiaalgedrag in het model.

Houten gebinten

In Groningen komen veel houten schuren en woningen met houten gebinten voor. Deze zijn meestal tientallen jaren oud en meestal proefondervindelijk gebouwd. Toetsing aan moderne normen op bijvoorbeeld windbelasting is vaak niet mogelijk, waarmee de aardbevingsanalyse ook niet eenvoudig is. De weerstand wordt geleverd door het samenstel van de kolommen en de gebintstijlen en corbelen. Zoals omschreven zijn het meestal niet de houtafmetingen die onvoldoende zijn maar wordt de weerstand vooral beperkt door de verbindingseigenschappen. Deze kunnen separaat worden getoetst op basis van de krachten uit het analysemodel of expliciet worden meegenomen in een NLTH-model. Bij een separate analyse leidt dit meestal tot versterken van de verbinding, terwijl dat in een NLTH-model vaak voorkomen kan worden.

Vloer en dakschijven

Een (houten) vloer of dak bezit een relatief hoge stijfheid horizontaal in het vlak, het vormt een schijf. Deze schijf moet in staat zijn om de belastingen van de vloer zelf en de steunkrachten van de aansluitende wanden over te dragen naar de weerstandgevende wanden (in-het-vlak). Er worden daarmee eisen gesteld aan de stijfheid en sterkte van de schijf, omdat dit een belangrijk onderdeel vormt in de schakel van het geheel om het gebouw bestendig te maken.

Ook houten vloerschijven zijn uitgebreid getest bij de TU Delft. Uit deze testen is gebleken dat de vloeren bij reguliere overspanningen van ca. 4-5 meter en een reguliere opbouw van houten balken en beplanking in staat zijn om een grote vervorming (> 100 mm) in het vlak van de schijf te kunnen ondergaan, zonder dat er bezwijken optreedt. Van dat gegeven is bijvoorbeeld gebruik gemaakt in de push-over analyses om de situatie per wand in plaats van een volledig model te beoordelen.

Verbindingen

Verbindingen zijn de plekken waar in detail constructie-onderdelen met elkaar verbonden worden. Houten schoren zijn vaak met schroeven of houten pennen fysiek verbonden met het gebint. De capaciteit van dit soort verbindingen is zeer laag. Bij een eenvoudigere analyse als een modale respons of push-over leidt dat meestal ook tot versterken van de verbinding. Bij een NLTH-analyse kan de maximale weerstand worden opgenomen, waarna krachten zich herverdelen naar andere verbindingen. Daarmee is het mogelijk dat aangetoond kan worden dat het gebouw niet bezwijkt.

Een houten balk van een vloer wordt vaak in een inkassing opgelegd in een metselwerkwand. Ook dat is een verbinding, maar als de wand zich uit-het-vlak verwijdert van de vloer is het eerst alleen de wrijving die het tegenhoudt. Als de wrijving wordt overwonnen gaat de balk schuiven ten opzichte van de wand. Daarbij blijft er een tegenwerkende wrijvingskracht actief. Met een NLTH-analyse kan vaak worden aangetoond dat binnen de uitslag van de trilling de balk niet van de wand afglijdt en effectief de verbinding aanwezig blijft.

Funderingen

De overgang van de grond, waar de aardbeving ontstaat, en het gebouw wordt gevormd ter plaatse van de fundering. Deze is daarmee van belang voor de response van het gebouw. De zwaartekracht en de krachten vanuit de aardbeving moeten worden opgenomen door de fundering.

Er komen twee soorten fundering voor, op stroken op de grond (zand, stijve klei) ofwel ‘op staal’, of op palen als de grondslag minder draagkrachtig is (veen, slappe klei). Ook de funderingen zijn voor de versterkingsoperatie in Groningen uitgebreid onderzocht. Voor de veel toegepaste fundering op stroken is een belangrijk risico het verweken van de grond (liquefactie). Dit komt voor bij losgepakte zandlagen onder grondwaterpeil. Door de aardbeving komen de zandkorrels los van elkaar en gaan zweven in het water, waarmee de draagkracht verloren gaat en er drijfzand ontstaat. Dit kan desastreuze gevolgen hebben voor het bovenliggende gebouw. Dit effect kan ook optreden in diepere zandlagen waar de paalfundering op staat.

In de NPR zijn randvoorwaarden opgenomen voor de in Groningen veel voorkomende fundering van stroken op klei. Deze grondsoort is niet gevoelig voor de verweking. De beschouwing met randvoorwaarden maakt het mogelijk om met een eenvoudige beschouwing aan te tonen dat de fundering voldoet voor de aardbevingsomstandigheden.

Het nadeel van de strokenfunderingen op klei is dat in de loop van de jaren de klei kan uitdrogen, versterkt door grondwaterstandverlagingen, waarna er zettingen kunnen ontstaan die vaak leiden tot scheurvorming in het bovenliggende metselwerk. Dit is een veel voorkomend probleem in Groningen maar ook in andere delen van Nederland. Het heeft echter lang niet altijd effect op de uitkomsten van de aardbevingsanalyse, waarbij immers grote vervormingen en scheuren toe mogen worden gestaan.

Door het modelleren van een grondblok in een NLTH-analyse kan er ook gedetailleerder naar de fundering gekeken worden. Voor paalfunderingen kan er goed gekeken worden naar paalkopmomenten en torsie in funderingsbalken. Dit grondblok beschrijft de laatste 30 meter onder het gebouw. Lokale wisselingen in de grondslag kunnen het signaal beïnvloeden zoals dat optreedt ter plaatse van de fundering. Dat kan met deze aanpak zeer nauwkeurig worden beoordeeld.

Gebouwtypologieën en kwetsbaarheden

In deze paragraaf wordt gekeken naar de seismische zwaktes en weerbaarheid van gehele gebouwen. Hierbij worden gebouwen ingedeeld op typologie. Dat wil zeggen gebouwen met eenzelfde verschijningsvorm, materiaalgebruik en daarmee ook seismisch gedrag.

Uit de vele seismische analyses die gedaan zijn is een goed beeld ontstaan welke kwetsbaarheden er bestaan die vaak tot versterkingen leiden.

Steens of spouwmuren

Steens metselwerk wanden vertonen overwegend een robuust gedrag zowel in-het-vlak als uit-het-vlak. Alhoewel er zeker schade te verwachten zal zijn in de vorm van scheuren zijn steens metselwerk wanden in het algemeen in staat om de seismische belasting te weerstaan. De uitzonderingen zijn hoge ongesteunde wanden en/of wanden die initieel uit-het-lood staan ten gevolge van bijvoorbeeld zettingen.

Spouwmuren daarentegen zijn vaak kritischer. De spouwbladen zijn vaak halfsteens dik wat ze een stuk gevoeliger maakt met name voor uit-het-vlak vervormingen. De aanwezigheid en kwaliteit van spouwankers kunnen daarnaast slecht zijn waardoor het buitenblad al snel een hoge ongesteunde wand wordt en zeer gevoelig is voor uit-het-vlak bezwijken.

Schoorstenen

Gemetselde schoorstenen zijn vaak een aandachtspunt bij de beoordeling van de bestaande seismische capaciteit. Het zijn vaak relatief zware objecten die ook vaak door relatief slanke schachten ondersteund worden. Dit kan betekenen dat de schoorstenen indien ze vastgemetseld zijn aan binnenwanden tot een toename van massa hoog in de wand zorgen welke een negatieve invloed heeft op de wand zelf of dat slanke schachten (zeker als ze versleept zijn) onvoldoende weerstand kunnen bieden aan de horizontale krachten en de ondersteunde houten elementen onvoldoende sterk zijn. Met dynamische analyses met NLTH kan echter ook vaak worden aangetoond dat de schoorsteen weliswaar los kan komen en staat te ‘wiebelen’ op de stoel, maar niet omvalt en naar beneden komt.

Topgevels

Omdat topgevels in de regel op de hogere verdiepingen van het gebouw voorkomen, worden zij aan een relatief grote versnelling onderworpen. Voor topgevels is de dikte ervan (halfsteens of steens) en de mate van koppeling met de dakconstructie van belang. Hoge ongesteunde wanden, zeker als deze halfsteens zijn, zijn er gevoelig voor horizontale krachten uit-het-vlak van de wanden. Net als bij schoorstenen kan vaak in een dynamische analyse worden aangetoond dat de topgevel, ondanks een horizontale scheur op zolderniveau, blijft staan en niet omvalt, daarbij geholpen door verbinding, al dan niet met wrijving, aan de dakbalken.

Rijtjeswoningen

Voor rijtjeswoningen is de algehele stabiliteit vaak een belangrijk aspect en is het vooral van belang of er stabiliteit in lengte richting van het blok per woning aanwezig is of dat enkel bij de kopwoningen aanwezig is. Als er enkel stabiliteitsvoorziening in langsrichting in de kopwoningen aanwezig is, zeker in combinatie met lange rijtjes (de doorzonwoningen), kan dit onvoldoende zijn.

Boerderijschuren

Voor boerderijschuren zijn de gebintconstructie al dan niet in combinatie met het gevelmetselwerk het grootste aandachtspunt. De staat van de gebintconstructie kan slecht zijn (door houtrot of soms doordat schoren verwijderd zijn), wat in combinatie met een relatief hoog gewicht tot aanzienlijke spatkrachten kan leiden op de metselwerk gevels.

Kerken

Bij kerken is de combinatie van hoge en zware gevels met uit-lood staan van deze gevels een aandachtspunt. Gemetselde gewelven kunnen ook een zeek kritisch deel zijn doordat deze op basis van boogwerking hun krachten afdragen. Door de horizontale belasting uit een aardbeving kunnen de gewelven buiten de interne krachtlijn, waarbij enkel druk in de gewelven aanwezig is, komen, waardoor trek in de gewelven optreedt waarop ze niet ontworpen zijn. Dit in combinatie met vaak een hoge historische waarde, door bijvoorbeeld beschilderingen, maakt dit een complexe versterkingsopgave.

Fundering op staal of palen

Bij paalfunderingen kunnen de optredende paalkopmomenten tot relatief hoge torsiemomenten in de funderingsbalken leiden. Deze balken zijn daar doorgaans niet op gewapend, wat er toe kan leiden dat aanvullende analyses benodigd zijn om te kijken wat het effect is van het ontstaan van plastische scharnieren in de funderingsbalken op de algehele stabiliteit.

Verantwoording

Dit is het eerste artikel in een reeks van zes artikelen over versterking van erfgoed in aardbevingsgebied.

De artikelen zijn in 2025 geschreven door Rudi Roijakkers, Maurice Hermens, Han Krijgsman en Rob Verstralen, in opdracht van de Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed en Libau. Zij waren als ingenieurs namens abt, Haskoning en Zonneveld ingenieurs betrokken bij de versterking van erfgoed in het aardbevingsgebied. Redactie van de artikelen is uitgevoerd door de RCE.

Het advies is om de artikelen in deze volgorde te lezen:

Zie ook

Artikelen

Hoort bij deze thema's

Begrippen

aardbevingen en aardbevingsschade

Specialist(en)

Verbeteringen, vragen of opmerkingen?Geef een inhoudelijke verbetering door, stel een vraag of maak een opmerking via het contactformulier.