De principes van seismisch bouwen

Is aardbevingsbestendig bouwen in België noodzakelijk ?

Wanneer we over aardbevingen spreken in Belgische context, is het belangrijk de zaken in proportie te zien. Vergeleken met de rest van Europa en de wereld, is België een laag-risicoland. Ons land is ingedeeld in 4 seismische zones. Slechts een aantal gebieden ligt in seismische zone 4, een zone waarin voor bepaalde gebouwen de aardbevingskrachten niet meer verwaarloosbaar zijn en de specifieke regels van Eurocode 8 gevolgd moeten worden. In seismische zone 2 kan doorgaans het ontwerp gebaseerd worden op Eurocode 2, eventueel aangevuld met enkele eenvoudige regels met betrekking tot aardbevingen.

Door de komst van Eurocode 8 groeide het bewustzijn rond aardbevingsbestendig bouwen en wordt deze constructiewijze alsmaar meer toegepast. Ze is onder meer van belang bij gevaarlijke en belangrijke constructies, of gebouwen die op cruciale momenten een zeer grote rol kunnen spelen. Denk maar aan nucleaire installaties, politie- en brandweerkazernes en ziekenhuizen. De constructieve maatregelen die genomen moeten worden om aardbevingsbestendig te bouwen zijn dus niet alleen afhankelijk van de ligging, maar ook van het belang van het gebouw. Seismisch bouwen hoeft trouwens niet per se duurder te zijn.

Welke krachten werken tijdens een aardbeving in op een gebouw?

Om de noodzakelijke afmetingen van de structuurelementen te bepalen, berekent men de krachten die worden veroorzaakt door de wind én door een mogelijke aardbeving. Een aardbeving is een accidentele situatie waarin andere veiligheidscoëfficiënten gelden dan bij windkracht. Ofwel één ofwel beide situaties kunnen bepalend zijn bij de berekening van het gebouw. Een voorbeeld: de politiekazerne van Charleroi werd seismisch gebouwd, net als het gebouw AGC in Louvain-la-Neuve (zie p35). In het ontwerp van de politiekazerne was een mogelijke aardbeving meer bepalend dan voor AGC. De politiekazerne is hoger, maar de vorm ervan is heel efficiënt opgevat tegen de wind: de toren versmalt namelijk naar boven toe en zal dus minder vatbaar zijn voor de wind. Hierdoor weegt de seismische impact zwaarder door, waardoor ze dus meer bepalend zal zijn voor het gebouw. Dat ligt helemaal anders bij bijvoorbeeld een (willekeurig) ellipsvormig gebouw. In de langse richting kan de windbelasting determinerend zijn, terwijl in de smalle richting de seismische belasting bepalend is.

Hoe reageert een gebouw op seismische krachten?

Het vermogen van een gebouw om een aardschok op te vangen wordt bepaald door het ‘dissipatievermogen’, ofwel het vermogen om energie te verdelen en te absorberen. Men kan dit principe het best illustreren aan de hand van de ophanging van een wagen. Een auto heeft een vering, maar daarnaast ook schokdempers. Wordt de auto naar beneden geduwd – bijvoorbeeld bij het rijden over een berm – dan zal de auto slechts éénmaal terug veren. Hij zal niet blijven schommelen, dankzij de schokdempers. Die zorgen ervoor dat de energie vrijkomt en wordt omgezet in warmte.

Hetzelfde principe van dissipatie speelt ook in een gebouw tijdens een aardbeving. Veronderstel een  gebouw van drie verdiepingen. De stijve kern geeft horizontale stijfheid aan het gebouw. De massa van het gebouw is geconcentreerd in de vloeren. Tijdens een aardbeving zullen de kern en de vloeren aan het beven gaan. Het vermogen tot dissipatie nu, hangt van verschillende factoren af. Wanneer men op een ‘naakte’ staalstructuur – bijvoorbeeld de Eiffeltoren - krachten loslaat, zal die aan het trillen gaan en dat zal zo een tijdlang doorgaan, tot de krachten zijn uitgewerkt. Een andere, wél ingerichte staalstructuur – een gebouw voorzien van binnenmuren bijvoorbeeld - zal veel minder lang natrillen. De binnenmuren doen namelijk dienst als schokdempers. Ze zullen energie opnemen door de wrijving, waardoor de trilling sneller zal ophouden.

Een betonnen gebouw nu,  beschikt over een hoger dissipatievermogen dan een stalen gebouw. Anderzijds zal de hogere massa van het beton tot hogere laterale krachten leiden. De krachten die op een gebouw inwerken tijdens een aardbeving staan, los van de grondversnelling, in verhouding tot de massa en de stijfheid van het gebouw. Hoe stijver het gebouw, hoe groter de krachten die er op inwerken. Op die manier kan men spelen met het principe van dissipatie.

Hoe functioneert de dissipatie bij betonconstructies?

Beton heeft een groot dissipatievermogen dankzij de scheuren die tijdens de schokken ontstaan. Een betonnen balk die belast wordt bijvoorbeeld, zal een zekere buiging vertonen. Wordt de last weggenomen, dan keert de balk terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Als men de belasting verder opvoert, zal het beton op een bepaald moment scheuren. De trekspanningen worden vanaf dat moment opgenomen door het staal in de balk. Pas als ook de treksterkte van het staal bereikt wordt, zal de balk bezwijken.

Een betonnen gebouw kan met andere woorden behoorlijk grote vervormingen aan tijdens een aardbeving. Het beton zal scheuren waardoor de energie van de aardbeving geabsorbeerd wordt door het gebouw. Dankzij deze dissipatie zal een betonnen gebouw bijna nooit instorten. Zelfs na zeer zware aardbevingen ziet men betonnen gebouwen met zéér verregaande vervormingen, die weliswaar afgebroken moeten worden, maar tijdens de beving bieden ze voldoende weerstand om de bewoners te beschermen.

Een belangrijk punt daarbij is, dat de bouwknopen dermate versterkt  moeten zijn, dat ook zij voldoende energie kunnen opnemen.

Hoe berekent men een aardbevingsbestendig gebouw?

In tegenstelling tot de wind is een aardbeving geen constante kracht, maar een massa die begint te trillen. Hierdoor zou men in principe een dynamische berekening moeten uitvoeren, hetgeen een stuk gecompliceerder is dan een statische berekening.  Eurocode 8 geeft echter een oplossing om hier eenvoudig mee om te gaan. De Eurocode biedt  een methode aan om een aardbeving uit te drukken als een horizontale kracht. Via de gedragsfactor kan het responsspectrum bepaald worden. Voor België volstaat deze oplossing. In Japan daarentegen zal men voor belangrijke gebouwen wel een simulatie maken en dus een echte dynamische berekening uitvoeren.

Voor een kolom in staal kan het volstaan om een klein I-profiel te plaatsen. In beton zal in dezelfde omstandigheden een veel massievere kolom nodig zijn,. Enerzijds is dat negatief tijdens aardbevingen, omwille van het grotere gewicht. Anderzijds zal een betonnen structuur tijdens een aardbeving scheuren, waardoor de energie wordt geabsorbeerd en gedissipeerd. De scheuren die optreden zullen veel groter zijn dan in normale belastingsgevallen.

Een belangrijk aspect bij aardbevingsbestendige betonconstructies is de overlapping van de wapening in de stabiliserende elementen. De stijve kernen in een gebouw zullen samen met de verdiepingsvloeren zorgen voor de horizontale stabiliteit. In de stijve kernen bijvoorbeeld zullen er wapeningsstaven overlopen van de ene verdieping naar de andere. De overlapping van deze wapeningsstaven moet voldoende zijn om de grote krachten over te dragen, zelfs in de volledig gescheurde toestand, wanneer de staven buiten hun elastisch gebied moeten werken.

Dat geldt niet voor de kolommen. Zij dragen namelijk meestal niet bij tot de horizontale stabiliteit. Hier is het belangrijk dat de wapeningsstaven niet kunnen uitknikken, zodat de kolommen niet zijdelings kunnen bezwijken. Zij moeten namelijk de verticale stabiliteit blijven garanderen