Versterkingen voor of na aardbevingen

Diverse oplossingen voor (preventieve) versterking van op aardbevingen belaste constructies

Wereldwijd vinden relatief veel aardbevingen plaats. Hierdoor is al veel kennis opgedaan over het repareren en (preventief ) versterken van constructies in deze gebieden. De specifieke kennis en ervaring kan worden ingezet voor het preventief versterken en repareren van woningen en gebouwen in Groningen.

De beste versterking (in ontwerp of bestaande bouw) en/of reparatie kan worden gekozen na een uitgebreide analyse van een aantal zaken. Daaronder vallen de constructie en de seismologie van de specifieke locatie. Hieruit kan volgen dat maat- regelen nodig zijn om:

de sterkte te verhogen;
de ductiliteit te verhogen;
de fundering los te koppelen van de constructie.

1. Constructiesterkte structureel verhogen

Er zijn diverse methoden om de sterkte van een constructie structureel te verhogen. Deze worden hieronder globaal toegelicht.

Spuitbeton
Een vaak toegepaste methode voor het versterken van betonconstructies is het toepassen van spuitbeton . Veelal wordt hiervoor de droge spuitmethode toegepast. Met behulp van lucht onder hoge druk wordt droge spuitmortel op het betonoppervlak gespoten. Ook wordt water toegevoegd bij de spuitmond. De lagere waterdosering maakt deze methode minder gevoelig voor krimp, waardoor in grotere laagdikten kan worden gewerkt. Het wordt in de infra-, water-, industrie-, woning- en utiliteitsbouw toegepast. Een voorbeeld van een toepassing is het versterken van bestaande elementen door middel van het opdikken met of zonder toevoeging van wapening van kolommen, balken, stabiliteitswanden, vloeren enzo- voort. Deze methode kan zowel in open als gesloten ruimten worden toegepast, wat betekent dat ze ook geschikt is voor toepassing aan de binnenzijde van gebouwen.

De sterkte van spuitbeton is zeer hoog vanwege de goede verdichting en optimale laagopbouw. Het aanbrengen van spuitbeton vraagt echter wel om specialistische kennis en een brede ervaring.

Lijmwapening
Een andere, veelvuldig toegepaste methode voor het versterken van gewapend beton, is het aanbrengen van uitwendige lijmwa- pening. Deze lijmwapening wordt aangebracht aan de buiten- zijde in de trekzone van de te versterken constructie en kan worden toegepast bij kolommen, balken en wanden, maar bijvoorbeeld ook bij het versterken van metselwerk. Lijmwapening is een composiet van een weefsel koolstofvezels met een synthetisch bindmiddel (hars) dat zich, koud aange- bracht, volledig vasthecht aan het draagvlak. Het weefsel is opgebouwd uit 70% van de koolstofvezels in de hoofddraagrichting en 30% daar dwars op. Het koolstofweefsel verzekert de versterking (in twee richtingen) en het bindmiddel zorgt voor de krachtsoverdracht tussen de vezels onderling en tussen de vezels en de constructie door verlijmen.
Het toepassen van gelijmde wapening heeft als voordeel dat het de constructie niet verzwaart en nauwelijks verstijft. Dit voorkomt het aantrekken van extra seismische belasting en daarmee een overbelasting van met name de fundering. Niet alleen het aanbrengen van lijmwapening is een specialistische methode, ook voor de bijbehorende berekeningen is een specialist nodig.

Betonreparatie
Constructies die schade hebben opgelopen door een aardbeving vertonen vaak scheuren en barsten. De meest toegepaste methode om dit type beschadiging te herstellen, is door de openingen (constructief ) te injecteren en herprofileren. Epoxy- harsen hebben de beste eigenschappen voor constructieve injecties, mede doordat ze een hoge trek- en druksterkte
hebben en krimpvrij zijn. (Meer over het hoe en wat van injecteren is te lezen in Betoniek Standaard 16/07 – Dicht die scheur!)

Versterking met voorgespannen diepwanden
Een andere methode om de constructie (preventief) te versterken, is het plaatsen van voorgespannen diepwanden. De voor- spankabels kunnen hierbij horizontaal of verticaal worden geplaatst. Bij horizontaal geplaatste kabels worden de uiteinden van de diepwanden verbonden, om zo een opgesloten en stijve constructie te creëren.

Versterking met (externe) voorspanning
Constructie elementen kunnen waar nodig ook worden versterkt met (externe) voorspanning. Wel dient hier rekening te worden gehouden met het mogelijk vergroten van de stijfheid, hetgeen in statisch onbepaalde constructies weer belastin- gen kan aantrekken. Bij hoogbouw kan het van belang zijn de constructie verticaal te koppelen aan de fundering middels voorspanning, om een eventueel omvallen van het gebouw te voorkomen. Bij het introduceren van (extra) voorspanning is er mogelijk aanvullende wapening benodigd in de inleidingszones van de voorspankrachten.

Versterking met externe steunberen
Het versterken van gebouwen is ook mogelijk door het aanbrengen van zogenoemde steunberen van gewapend beton aan een of beide zijden van het gebouw. Een steunbeer is een massieve uitspringende verzwaring in de wand van een gebouw en is veel toegepast in gotische kerken. Deze methode maakt een gebouw bestand tegen horizontale seismische belas- ting en zorgt ervoor dat belastingen worden overgebracht naar de fundering. De fundering van de steunberen versterkt tevens de fundering van de constructie.

Versterking met kruisschoren
Ondersteuning in het horizontale vlak met behulp van schoren, maakt het mogelijk de zijwaartse krachten op het gebouw over te brengen naar de verticale ondersteuningselementen en zo gelijkmatiger te verdelen. De schoren moeten zijn bestand tegen de horizontale belasting in dat vlak op elke verdieping van het gebouw en ze moeten de dynamische belas- ting overbrengen naar de fundering.

Versterking met schoren met energie dissiperende voorzieningen
De genoemde schoren kunnen worden voorzien van aard- schokbestendige voorzieningen Deze viskeuze, energie dissiperende voorzieningen hebben een zeer hoge dempings- capaciteit en zijn met name efficiënt bij korte trillingen. De dempingscapaciteit biedt goed tegenwicht tegen de verhoogde stijfheid, die het gevolg is van de toevoeging van schoren.

Versterking met schoren voorzien van hysteresische demping
Wanneer een gebouw met meerdere verdiepingen over de gehele hoogte is voorzien van bijkomende ondersteuning,
moeten schoren die parallel aan elkaar functioneren zijn bestand tegen dezelfde belasting, ongeacht hun bewegingen. Specifiek voor dit fenomeen zijn schoren ontwikkeld die worden voorzien van hysteresische demping en een systeem voor progressieve post-elastische verstijving in het werkgebied.
Dit maakt het mogelijk de krachten in de schoren gelijkmatig te verdelen, om zo een overbelasting van schoren en knooppun- ten te voorkomen.

Oplossingen voor funderingsversterking
Als het funderingssysteem dat wordt gebruikt om verticale en horizontale belasting van het gebouw over te dragen op de bodem, niet voldoet, kan het worden versterkt door middel van onderstoppingen. Dit kan op de volgende manieren:
- Het versterken van de fundering door de funderingspalen te koppelen met liggers van gewapend beton of door gebruik van systemen met schoren en voorgespannen trekstangen;
- Door het toepassen van micropalen, zelfs in zeer kleine ruimten, door gebruik te maken van compacte boorapparatuur;
- Met trekpalen of -ankers, wanneer het gewicht van de constructie onvoldoende is om stabiliteit te garanderen.

2. Verbeteren ductiliteit
Om de hoeveelheid energie die een constructie kan opnemen te laten toenemen, kan het nodig zijn de ductiliteit van een constructie te vergroten. Ductiliteit of vervormbaarheid is de mate waarin een materiaal plastische vervorming toelaat. De ductiliteit van een constructie in het algemeen kan worden vergroot door kritische knooppunten – werkende in het elastische gebied – te versterken en door het opsluiten van plastische scharnieren. Opvolgend wordt een aantal kritieke zones besproken.

Knooppunten
Om problemen op te lossen met de lay-out van de wapening of ontwerpfouten in kolomliggerverbindingen (gebrek aan dwars- versterking van de wapening), kunnen deze knooppunten worden opgesloten of versterkt door ze in te pakken. Dit kan met behulp van stroken koolstofweefsel, extra wapening of het aanbrengen van (droog) spuitbeton.

Ommanteling kolommen
De ductiliteit van kolommen van gewapend beton in construc- ties met dragende portalen kan, zonder de stijfheid te verho- gen, worden verbeterd door ze te ommantelen met behulp van koolstofvezel wapeningsstroken. Voor grote secties worden de wapeningsstroken verankerd in het beton door het toepassen van koolstofankers.

Versterking hoekkolommen
Omdat hoekkolommen horizontale schuifkrachten in even- wicht moeten houden en een relatief lage verticale belasting moeten dragen, zijn zij in feite het meest kwetsbaar. De uitein- den van de kolommen kunnen worden versterkt met stroken koolstofweefsel (TFC) of door middel van extra verankering. Door het toepassen van deze oplossing wordt de ductiliteit aanzienlijk verhoogd.

3. De constructie scheiden van de fundering
Een andere methode om gebouwen en/of constructies te beschermen tegen een aardbeving, is de constructie isoleren van bewegingen in de grond. Dit kan worden bereikt door het plaatsen van een trillingsisolatie aan de fundering. Een aantal mogelijke methoden wordt hieronder beschreven, die zowel tijdens het ontwerp van een constructie als achteraf kunnen worden toegepast.

Gewapende elastomeeropleggingen
De horizontale flexibiliteit van gewapende elastomeeropleggin- gen en hun hoge vervormingscapaciteit onder verticale belas- ting, maakt het mogelijk de constructie te scheiden van bewe- gingen in de fundering (foto 1). Dankzij hun elastische aard plaatsen deze opleggingen de constructie na een aardbeving weer in het midden.

Dynamische isolatoren
Met het aanbrengen van dynamische isolatoren wordt als het ware een filter geplaatst tussen de fundering en de constructie. De werking ervan is afhankelijk van de belasting en snelheid van belasten. Om de dynamische isolatoren onder de vloer van bijvoorbeeld een gebouw te kunnen plaatsen (en belasten), zijn over het algemeen bijzondere voorzieningen nodig. Dit aangezien de constructie niet permanent kan worden verhoogd. Denk hier bij aan:
- het aanbrengen van uitsparingen tussen de wanden en de vloer;
- het maken van inkepingen in kolommen en plaatsen van isolatoren.

Bij dit type werkzaamheden worden tijdelijk constructies geplaatst om de te behandelen gebieden te ontlasten zonder deze te destabiliseren. Vervolgens worden de uitsparingen en/ of inkepingen in de kolommen gemaakt, zodat de seismische isolatievoorzieningen kunnen worden geplaatst. Veelal worden de constructies plaatselijk versterkt.

Dynamische isolatoren kunnen ook een dempende functie vervullen door een deel van de seismische energie te absorberen. In dat geval zijn ze ofwel gemaakt van materiaal met een hoge mate van interne demping (HDRB-type), ofwel zijn ze voorzien van een loden inzetstuk (LRB-type) dat deformeert bij vervorming. Deze soorten opleggingen zijn onderhoudsvrij. Ze moeten na zware aardbevingen worden geïnspecteerd en mogelijk worden vervangen.

Voor een betere energieabsorptie ter hoogte van de verbinding tussen de constructie en de fundering, kan dynamische isolatie ook worden gecombineerd met viskeuze (vloeistof )demping. Dit maakt het mogelijk een interne dempingscoëfficiënt van meer dan 50% te bewerkstelligen.

Pendelopleggingen
Bij gebruik van pendelopleggingen kan een constructie ten opzichte van de fundering bewegen langs een bolrond opper- vlak (foto 7). De straal hiervan bepaalt de eigen frequentie van de vrijstaande constructie. Na een aardbeving plaatsen de opleggingen de constructie weer in het midden. Bovendien absorbeert de wrijving tussen de oplegging en het glijdende vlak een deel van de seismische energie.