Nieuw model geeft betere inschatting schade aan gebouwen

Ondergrondse bouwprojecten kunnen tot zettingen leiden die schade aan metselwerkgebouwen veroorzaken. Voor het voorspellen van deze schade wordt momenteel een procedure gebruikt die gevolgen van zettingen soms onderschat. Voor haar promotie aan de TU Delft ontwikkelde Giorgia Giardina daarom een beter systeem, gebaseerd op zowel experimenteel als numeriek modelleren.

De roep om meer ruimte in dichtbevolkte gebieden zorgt voor een toename van ondergrondse bouwprojecten. Door deze ontwikkelingen groeit ook de aandacht voor het risico op schade aan bestaande panden. Het vooraf inschatten van mogelijke schade aan bovengrondse gebouwen is een essentieel onderdeel geworden van bouwprojecten met ontgravingen in stedelijk gebied. Het promotieonderzoek van Giorgia Giardina (TU Delft) richtte zich op het verbeteren van de methode om schade te voorspellen.

Giardina analyseerde eerst de voorspellingsmethode die momenteel het meest wordt toegepast: Limiting Tensile Strain Method (LTSM). Deze procedure leidt over het algemeen tot een conservatieve inschatting, maar in sommige gevallen worden de gevolgen van de verwachte zettingen onderschat. Volgens Giardina komt dat voornamelijk doordat LTSM gebruikmaakt van sterke vereenvoudigingen. Er wordt bijvoorbeeld onvoldoende rekening gehouden met het niet-lineaire gedrag van metselwerk en de wisselwerking tussen gebouw en ondergrond.

Proef

Met een experimentele referentietest bracht Giardina de belangrijkste factoren en mechanismen bij schade door ondertunneling in kaart. De proefopstelling (schaal 1:10) bestond uit een metselwerk gevel op een relatief zachte tussenlaag van rubber met daaronder een stalen balk. Gedurende het experiment werd de balk steeds verder gebogen, zodanig dat het midden omhoog kwam en de gevel op opbuiging belast werd. Hierbij werden de verplaatsingen, vervormingen, het beschadigingspatroon en de scheurwijdte gemonitord. Uit het experiment blijkt dat de grond-gebouwinteractie een essentiële rol speelt bij het ontstaan van schade. Voor het voorspellen van schade is het dan ook belangrijk om deze interactie nauwkeurig te modelleren.

Giardina maakte daarom een 2D semi-gekoppeld eindige-elementenmodel met een scheurmodel voor het metselwerk en een niet-lineaire tussenlaag voor het simuleren van de grond-gebouwinteractie. Ze gebruikte de resultaten van het experiment om dit model te valideren (Figuur 1). Vervolgens kon ze met het model onderzoeken in hoeverre openingen, materiaaleigenschappen, initiële schade, initiële condities, normaal- en afschuifgedrag van de tussenlaag en opgelegde zettingsprofielen de gevoeligheid van een gebouw voor schade beïnvloeden. De resultaten van dit parameteronderzoek stellen kwantitatief vast hoe groot de invloed is van de normaalstijfheid in grond-gebouwinteractie en van de materiaalparameters die het quasi-brosse gedrag van metselwerk bepalen.

In 3D

Een 2D-model is echter niet voldoende: hiermee kan het voortgaande 3D-verplaatsingsveld zoals dat bij ontgravingen ontstaat, en de daarmee gepaard gaande torsierespons van een gebouw, slechts in beperkte mate beschreven worden. Giardina ontwikkelde daarom een 3D-model waarin het gebouw, de grond en het ondertunnelen zijn verwerkt (Figuur 2).

Het systeem is gebaseerd op risicoanalysetechnieken die gebruikt worden bij het voorspellen van de gevolgen van een aardbeving. Het bepalen van de kans op schade aan een gebouw door het schudden van de grond vertoont parallellen met het bepalen van de kans op schade door zettingen. Giardina valideerde het 3D-model door het te vergelijken met monitoringgegevens afkomstig van een praktijkgeval beschreven in de literatuur. Vervolgens heeft Giardina het 3D-model gebruikt voor een parameterstudie naar de invloed van enkele geometrische factoren: de verhouding tussen de horizontale afmetingen van een gebouw ten opzichte van de richting van de tunnelas, de aanwezigheid van aangrenzende constructies en de positie en ligging van het gebouw ten opzichte van de uitgraving. De resultaten van dit onderzoek tonen het overheersende effect van de 3D-gebouwrespons en bewijzen daarmee het belang van modelleren in 3D.

Classificatie

Op basis van de 2D- en 3D-parameterstudies heeft Giardina tot slot een raamwerk opgesteld voor een inzichtelijk schadeclassificatiemodel. Dit model relateert de geanalyseerde constructieve eigenschappen van een gebouw aan het risico op schade bij een zekere zetting. Het expliciet benoemen van afzonderlijke parameters met relatieve weegfactoren, zorgt ervoor dat de invloed van elke parameter op de totale schade direct ingeschat kan worden. Hierdoor is het systeem flexibel en kunnen extra monitoringsgegevens of numerieke uitkomsten van andere bronnen meegenomen worden.