Zonneveld ingenieurs slaat twee vliegen in één klap
Het spreekt voor zich dat niemand van aardbevingen houdt. De grond schudt, constructies storten in en mensen raken gewond. Opvallend genoeg zijn een toenemend aantal van deze gebeurtenissen echter gerelateerd aan menselijke activiteiten. De constructie van gebouwen op zachte, onstabiele grond of in de buurt van een gebied met geologische problemen zijn twee voorbeelden, evenals geïnduceerde aardbevingen die ontstaan door de winning van olie en gas.
Door de redactie
Gelukkig zijn mensen ook in staat om de negatieve effecten van aardbevingen te verminderen en in sommige gevallen zelfs te elimineren, ongeacht de oorzaak ervan. Door een gebouw te isoleren van de omringende grond, de muren en fundering te versterken en vervolgens de gehele constructie op een complexe reeks van veren of schuifbanen te plaatsen, is het mogelijk om kantoorgebouwen, appartementencomplexen en soortgelijke woonruimtes te beschermen tegen bijna alle onverwachte bewegingen van Planeet Aarde.
Dat is precies waar Mark Slotboom zich dagelijks mee bezighoudt. Als bouwkundig ingenieur in Nederland zijn hij en zijn collega’s specialisten geworden in het ontwerpen van innovatieve manieren om nieuwe en bestaande gebouwen te beschermen in geval van een aardbeving. Hun werkgever is Zonneveld ingenieurs, een Rotterdams ingenieursbureau met 35 jaar ervaring in het ontwerpen van dragende stalen en betonnen constructies voor hoog- en civielbouwtechnische projecten over de hele wereld. Recente projecten zijn onder meer de herontwikkeling van het Pecci-Museum for Contemporary Art in Prato, Italië, het perscentrum voor de Olympische Spelen in Athene en de kantoren van Hammersmith in Londen. Het is voor een groot deel te danken aan deze complexe engineeringprojecten dat Slotboom en andere werknemers van Zonneveld gingen werken met Abaqus Unified Finite Element Analysis (FEA)-software van SIMULIA.
Het is duidelijk dat er wereldwijd behoefte is aan expertise op het gebied van aardbevingen. Toch zijn de werkzaamheden van Slotboom in eigen land ook steeds meer noodzakelijk geworden. Nederland is natuurlijk niet gevoelig voor aardbevingen met een geologische oorzaak, maar er worden wel letterlijk de gevolgen van de olie- en gaswinning uit het enorme Groningse gasveld bij Slochteren gevoeld. Deze gaswinning leidt tot geologische spanningherverdeling en breuklijnverschuivingen.
Wankele grond
Een groot deel van Nederland ligt op laaggelegen veen- en kleirijk moerasland, waardoor het bijzonder gevoelig is voor het effect van bodemvloeistoffen (zoals water) tijdens seismische gebeurtenissen. Terwijl een gemiddelde aardbeving met een kracht van vijf in Los Angeles of Kasjmir misschien niet het wereldnieuws haalt, kan dit voor Nederland verwoestend zijn. Bovendien is de Nederlandse bouwindustrie, door een gebrek aan een geschiedenis van grote stormen of aardbevingen, gewend geraakt aan het ontwerpen van ranke gebouwen met een eenvoudige stapelstijl, dunne wanden, betonnen vloeren en een minimum aan stabiliteitscomponenten, omdat de zwaartekracht als de belangrijkste belasting wordt beschouwd.
“De schaal van Richter is in ons land enigszins irrelevant”, aldus Slotboom. “Een aardbeving in Japan, bijvoorbeeld, kan het gevolg zijn van een tektonisch voorval dat zich vele kilometers onder het aardoppervlak afspeelt, terwijl deze hier relatief hoog aan de oppervlakte plaatsvinden, slechts een kilometer of drie diep. Gezien de relatief zachte bodems in dit gebied kunnen deze aardbevingen met een lagere amplitude nog steeds zeer destructief zijn voor onze gebouwen en andere infrastructuur.”
Hoewel de aan olie- en gasindustrie gerelateerde bevingen in Nederland een vrij nieuw fenomeen zijn, zijn de inspanningen van Zonneveld ingenieurs op het gebied van schadebeperking dat niet. Het bedrijf had zelfs net twee aardbevinggerelateerde engineeringprojecten in Italië en Griekenland voltooid toen het management besloot om zijn FEA-capaciteiten te upgraden met Abaqus, wat al snel op eigen terrein in Rotterdam goed benut kon worden, aangezien dit gebied ook onstabieler is geworden.
Veilige leefruimte
De aanschaf van de eindige-elementensoftware vond vijf jaar geleden plaats. Sindsdien is Abaqus de spil geworden waar veel van de structurele analyse- en modelleringsactiviteiten van Slotboom en zijn collega’s omheen draaien. Een recent voorbeeld hiervan is een betonnen bouwproject van vijf verdiepingen, waarvoor Zonneveld werd gevraagd om deze aardbevingsbestendig te maken: de ‘Merckt’ in Groningen, met achttien luxe appartementen boven een bar/nachtclub en restaurant op de begane grond.
De aardbevingsingenieurs stonden voor verschillende uitdagingen. Omdat de Merckt voor gemengd gebruik bestemd was en gelegen in het centrum van Groningen, was het belangrijk om de bewoners op de bovenverdieping te vrijwaren van de geluiden van de begane grond en de omliggende stad. Bovendien hielden de ontwerpers rekening met de door water verzadigde bodems van de hoofdstad en de mogelijkheid dat er door de mens veroorzaakte seismische gebeurtenissen zouden kunnen plaatsvinden.
“We hebben veel beslissingen moeten nemen”, legt Slotboom uit. “De geluidsvoorschriften in Nederland zijn streng, wat in een flatgebouw meestal betekent dat er zware, betonnen muren worden gebruikt. Maar betonnen muren zijn vrij stijf, een attribuut dat tijdens een aardbeving grotere laterale krachten creëert dan een ‘flexibele’ muur die gemaakt is van stalen liggers. Daarnaast moesten we de chemische samenstelling van de bodem analyseren, maar ook de voorgestelde constructie en hoe deze zou reageren op een aardbeving. Tenslotte waren de bouwvoorschriften er ook nog, dus ja, er was veel om over na te denken.”
Methoden
Er bestaat een aantal methoden om gebouwen aardbevingsbestendig te maken. Een conventionele methode is het bouwen van een constructie die net sterk genoeg is om de aardbevingskrachten te weerstaan of om deze juist precies zo buigzaam te maken dat deze de verplaatsingen aankan die worden veroorzaakt door de aardbevingsbewegingen.
Meer geavanceerde opties zijn enorme dempingsmechanismen die bovenop of binnenin de constructie zitten en zich tegenover de kracht van de aardbeving bewegen, waardoor de energie van de aardbeving wegvalt. Er kunnen ook enorme veren onder het gebouw worden geplaatst, die de bewegingen van het gebouw vertragen op een manier die vergelijkbaar is met de schokdempers die in motorvoertuigen worden gebruikt. Of ingenieurs kunnen kiezen voor ‘base isolation’ om het gebouw te isoleren van de omgeving door het op zogenaamde bi-directionele gimbals te plaatsen. Dit zijn ophangsystemen die ook worden gebruikt voor het stabiliseren van camera’s en voor gyroscopen, en technologie bevatten die eeuwen geleden is uitgevonden door de bouwers van zeeschepen.
In het geval van Merckt creëerde het probleem van lawaai in combinatie met het aardbevingsontwerp de mogelijkheid om twee vliegen in één klap te slaan: er konden voor beide problemen op gemeenschappelijke punten dempers worden geplaatst en de CDM-rubbers die voor akoestische demping zorgden, waren ook gunstig voor het compenseren van aardbevingskrachten.
Schok verzachten
Hoewel gebruikmakend van een oplossing die veel meer high-tech was dan die van de oude zeelieden, is dit de richting die Zonneveld ingenieurs met de Merckt is ingeslagen. Samen met 4RealSim, reseller van Dassault Systèmes en FEA engineering services company, begon het team met het modelleren van de chemische en fysische eigenschappen van de onderliggende bodem van de voorgestelde constructie in Abaqus.
“We zijn begonnen met een aantal lokale runs door grondkolommen die we direct in Abaqus hadden gebouwd, waarna we aardbevingssignalen hebben toegepast die ongeveer dertig meter onder het oppervlak lagen”, zegt Slotboom. “Dit hielp ons bij het simuleren van de reactie van het maaiveldniveau op versnellingsniveaus, de interactie tussen bodem en constructie en dergelijke zaken, waardoor we uiteindelijk tot de conclusie kwamen dat we een veel dikkere fundering en keldermuren nodig hadden dan de betonnen palen die typisch zijn voor grote gebouwen als deze.”
Met het eerste funderingsontwerp in de hand hebben Slotboom, Bouwman en andere leden van het Zonneveld-team samengewerkt met een lokale bouwkundig adviseur, de architect, de aannemer en zelfs een akoestisch adviseur. Op basis van eerdere ervaringen met aardbevingsengineering heeft Zonneveld vastgesteld dat de ‘base isolation’-methode het meest geschikt was voor de grootte en vorm van de constructie. Vervolgens is hij gestart met het opbouwen van een dergelijke structuur ten behoeve van de simulatie.
In hun aanpak maakten zij gebruik van de eerdergenoemde gimbal-apparaten; deze met teflon gevoerde ‘double curved sliders’ bevinden zich tussen de begane grond en de eerste verdieping en maken het mogelijk dat het bovenstaande gebouw in de X- en Y-assen (van voor naar achter of van links naar rechts) beweegt. Om aan de eisen voor geluidsreductie te voldoen, plaatste het team op elk van de dertig sliders een akoestische isolator die bekend staan als CDM-apparaten (denk aan stijve rubberen donuts). Deze dempen niet alleen het geluid, maar zorgen ook voor een zekere mate van verticale krachtsvermindering. Nadat ze alles gemodelleerd hadden in Abaqus, gaven de ingenieurs hun virtuele wereld een schok.
Akoestiek en seismiek
De aardbevingssimulatie van Zonneveld ging veel verder dan een virtueel duwtje tegen een salontafel waar een kaartenhuis op staat. Zonneveld voerde zeven simulaties uit op basis van feitelijke aardbevingsregistraties, elk met een eigen frequentie, amplitude en directionele seismische krachten, maar dan geschaald naar het perceel virtueel land onder de Merckt. Het resultaat was een driedimensionale test van wat er ooit zou kunnen gebeuren en hoe verschillende iteraties van de Merckt daarop zouden reageren.
“We moesten een gecombineerde oplossing vinden, een oplossing die zowel de akoestische eisen als de aanwezige krachten bij een aardbeving aanpakt, en de base-isolationmethode heeft daar een grote bijdrage aan geleverd”, aldus Slotboom. “De CDM’s hielpen het verticale aardbevingssignaal te verminderen, samen met het omgevingsgeluid, maar de meeste krachten tijdens een aardbeving bevinden zich in het horizontale vlak. Dit is het gebied waar de double curved sliders het meest tot hun recht komen. Omdat deze zelfcentrerend zijn, kan het gebouw terugkomen op het neutrale vlak als de beweging stopt.”
De eindige-elementenanalyse met Abaqus heeft het team geholpen bij het bepalen van de juiste grootte en locatie voor elke slider, waarbij de belastingen en krachten op de meest effectieve manier werden verdeeld, wat uiteindelijk de investeringskosten verlaagde. De software illustreerde ook de behoefte aan extra ontwerpaanpassingen; op basis van de simulatieresultaten zagen Slotboom en zijn collega’s in dat ze verschillende balken en andere delen van de bovenbouw op strategische punten moesten versterken om de aardbevingsbestendigheid ervan te maximaliseren.
Complexe projecten
De Merckt is nog in aanbouw, maar mede dankzij Abaqus heeft Slotboom vertrouwen in het ontwerpresultaat. “We zijn geen groot bedrijf, maar we pakken wel graag de meer complexe projecten aan”, zegt hij. “De inzet van simulaties maakt ons efficiënter, geeft ons meer ontwerpmogelijkheden, en als we in een moeilijk engineeringprobleem moeten duiken, zijn we ook in staat om dat te kunnen doen. Dit heeft als gevolg dat we onze klanten meer waarde kunnen bieden.”
Partner Vincent Bouwman is het daarmee eens. “Zonneveld ingenieurs levert een waardevolle dienst in de bouwsector met realistische studies op basis van eindige-elementenanalyses die de veiligheid van verschillende soorten gebouwen in de regio Groningen en elders beoordelen en verbeteren”, zegt hij.
