Draft Document voor Informatie en Training

09C. Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten.

Introductie1.

Dit paper is een uitbreiding van het document “09A Base Isolator voor Groningse Woningbouw” en het document “09B Teflon Demper voor Groningse Woningbouw”. De reden is dat de Teflon Demper als ‘base isolator’ nog enige horizontale weerstand biedt door de wrijving in het apparaat, terwijl de Roller demper of de Kogel demper nauwelijks enige begin weerstand heeft. De Kogel demper wordt behandeld in het document “09D Kogel Demper voor Lichte Gebouwen”. Elke horizontale weerstand veroorzaakt een belasting loodrecht op het vlak van de muren, en in het vlak van de muren, boven de ‘base isolator’. Hoewel de krachten direct boven de ‘base isolator’ worden herverdeeld door de begane grondvloer die als stijf diafragma is geconstrueerd, kan bij relatief zwakke kalk-cement mortel voegen toch nog schade optreden. Om deze kans te verminderen dient de ‘base isolator’ heel weinig horizontale weerstand te hebben, minder dan de Teflon demper. Dit is mogelijk door de toepassing van grotendeels vrij lopende Roller die in dit document wordt behandeld of bij de Kogel demper.

De Roller demper kan tussen de 80% en 95% van de horizontale aardbeving belasting opvangen, waardoor de mate van seismische versterking van gemetselde gebouwen geheel kan vervallen of zeer minimaal kan blijven zoals slechts het versterken van de fundering onder de ‘base isolator’ en het verstijven van de begane grond vloer diafragma en het versterken van erg grote raamopeningen. De technische constructie van de Roller demper is echter meer gecompliceerd dan dat van de Teflon demper, en daardoor ook duurder. Echter, de noodzaak voor seismische versterking van oude gemetselde gebouwen van vóór 1930 is ook groter en de kosten navenant. In deze gevallen kan er ook een kostenafweging gemaakt worden tussen de meerdere kosten voor een serie Roller dempers en de meerdere versterkingskosten bij de toepassing van een serie Teflon dempers. In het geval van monumenten, zal het vaak niet toelaatbaar zijn om blijvende structurele veranderingen aan het gebouw uit te voeren die van buitenaf duidelijk zichtbaar zijn, of die niet meer in een latere fase verwijderd kunnen worden. De seismische versterking van kerken die hoge torens hebben, zou bijvoorbeeld in moeten houden dat de hoge zware toren seismisch wordt gescheiden van het lagere en lichtere schip. In de situatie van de toepassing van de Roller dempers van de juiste afmeting hoeft er weinig tot geen aanpassing boven het maaiveld plaats te vinden.

Abstract: De Roller demper is een ontwerp van een compacte ‘base isolation’ met twee loodrecht op elkaar liggende rollers, een verende demping en een begrenzing. Deze kan van 80% tot 95% van de horizontale aardbeving schok absorberen. De cassette met de rollers is verpakt in een waterdichte rubberen envelop en wordt door middel van wigvormige expansie, stel- of klembouten verticaal vastgezet in openingen in de fundering van een bakstenen gebouw. De onderliggende fundering wordt eventueel versterkt en verbreedt. Het begane grond vloer diafragma wordt verstijfd, versterkt en verbonden aan alle omringende binnen en buitenmuren.

Kern woorden: aardbeving, ‘base isolation’, metselwerk, diafragma, fundering, Roller demper, monumenten, fragiliteit.Verschillende soorten ‘base isolators’.1 Dit document dient gelezen te worden in combinatie met: “09B Teflon Demper voor Groningse Woningbouw”.

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 1

Draft Document voor Informatie en Training

Het onderhavige document dient gelezen te worden in combinatie met de twee voorgaande documenten; “09A Base Isolators voor Groningse Gebouwen” en; 09B Teflon Demper voor Groningse Woningbouw”. Het document 09D behandelt de Kogel demper type ‘base isolator’.

In het eerste document 09A wordt toegelicht hoe ‘base isolators’ werken en welke typen het meest zinvol zijn voor de situatie van geïnduceerde aardbevingen en lage/lichte gemetselde gebouwen. De mogelijke voor- en nadelen van de verschillende systemen worden aangegeven. Hier werd aangegeven waarom stijve rubberen systemen of lange doorlopende membranen niet geschikt zijn, en in hoeverre de systemen geremd of beperkt moeten worden en kunnen centreren. De rails en rol systemen hebben de laagste horizontale weerstand, en zijn daarom geschikt voor gebouwen met een kleine massa, en voor het opvangen van korte scherpe aardbeving schokken. Tevens wordt toegelicht wat de opties zijn voor het aanpassen van de fundering van het gebouw en de werkwijze voor het inbrengen van de ‘base isolators’ onder een gebouw. De verschillende soorten leidingen die van buiten het gebouw komen moeten een flexibele verbinding naar binnen hebben.

Het tweede document 09B dient gelezen te worden in combinatie met het eerdere document 09A en is een vervolg hierop. In dit paper wordt de mogelijke toepassing van een plaatselijk glij- of schuifsysteem uitgewerkt. Informatie over verschillende materialen wordt aangegeven en de precieze constructie van een glijsysteem met demping van een latex en/of rubberen omhulsel, met een begrenzing van een sterke glasvezeltextiel wapening. Een twee-etages rijtjeswoning met drie betonnen vloeren kan een massa hebben van 5000 kN. Een lage woning van anderhalve etage met houten vloeren heeft een massa van ongeveer 1000 kN. Voor verschillende massa’s van gebouwen zullen verschillende afmetingen of draagkrachten van de glijders nodig zijn. Alternatief kan de draaglengte van de ‘base isolater’ vergroot worden wat consequenties heeft voor het metselwerk. In het document worden de opties voor fundering aanpassing nog een keer beschreven met enkele nieuwe details. De uitvoeringsvolgorde wordt stap voor stap beschreven. Het is waarschijnlijk dat de Teflon demper technisch een goedkopere oplossing is om te maken dan de Roller demper.

Het vierde document: “09D Kogel Demper voor Lichte Gebouwen” verwijst naar de drie voorgaande documenten (09A, 09B en dit 09C) en is een uitwerking van de constructie van een ‘base isolator’ die op een set van zeven of negen kogels beweegt.

Minimale weerstand.

Het brosse metselwerk van oudere gemetselde woningen is zeer gevoelig voor de korte scherpe schokken van de Groningse geïnduceerde aardbevingen. De horizontale trillingen en schokken van geïnduceerde aardbevingen en hebben een relatief hoge Piek Grond Acceleratie (PGA) in vergelijking met tektonische aardbevingen, omdat de in Groningen geïnduceerde aardbevingen ondiep plaats vinden (≈ 3 km). Daarnaast is de duur van de meeste geïnduceerde bevingen slechts een enkele of een paar secondes, tegen meerdere secondes tot wel minutenlang van tektonische aardbevingen. De korte beving frequentie (< 0,1 sec) in combinatie met de relatief hoge maximale PGA (0,3g), in combinatie met een lichtgewicht gebouw2, vereiste een licht bewegend en snel reagerend ‘base isolation’ systeem. Licht bewegend betekent dat het systeem inwendig erg makkelijk kan bewegen zonder dat er een belangrijke zijwaartse druk op de bovenliggende muren wordt uitgeoefend.

2 De meeste ‘base isolation’ systemen worden in hoge (zware) gebouwen toegepast omdat de dubbele fundering kostbaar is in verhouding tot de waarde van het gebouw. Voor hoge gebouwen geldt dat de eigen frequentie van het gebouw laag is ten opzichte van de frequentie van de aardbeving en daardoor werkt de ‘base isolation’ beter dan wanneer de frequenties van de aardbeving en het gebouw dicht bij elkaar liggen.

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 2

Draft Document voor Informatie en Training

Om een breed en laag gebouw te remmen moeten veel kleine rollagers en licht werkende schokbrekers worden toegepast. Een versie van het rollager ‘base isolation’ systeem is de dubbele rails die orthogonaal op een ander rails systeem staat. Beide systemen kunnen geheel vlak zijn met schok absorberende dempers. De meeste systemen hebben een lichte komvorm waardoor bij een grotere zijwaartse beweging de zijwaartse weerstand ook toeneemt omdat de gebouw massa dan de helling opgedrukt moet worden. Bestaande systemen zijn relatief dure oplossingen voor lichte gebouwen. Het dubbele rail systeem is eveneens gepatenteerd (afbeelding).

De afbeeldingen geven voorbeelden van dubbel orthogonale roller systemen die worden gebruikt onder machines (links) en zware systemen onder gebouwen (rechts). Beide systemen worden geremd door middel van zuigers of schokbrekers die gedimensioneerd zijn maar de gebouw massa.

De volgende beelden geven een voorbeeld van een geavanceerd systeem waarbij sprake is van een Teflon glij-systeem in combinatie met rubberen gelamineerde dempers3. Reeds in 2010 werden er een paar duizend woningen gerealiseerd met dit systeem. De productie van de kleine gelamineerde rubberen dempers is door de bandenfabriek Bridgestone.

Reclame materiaal van Bridgestone van een compleet ‘base isolator’ systeem waarbij er een combinatie van teflon glij-elementen is, en gelamineerde rubberen dempers.

Dit systeem werd ontwikkeld voor lichte nieuwbouw woningen in de USA4. Aan de hand van deze Internet afbeeldingen wordt hieronder uitgelegd waarom dit een minder geschikte oplossing is voor de toepassing in bestaande ongewapende baksteen gebouwen in de provincie Groningen.

3 Zie product informatie van Bridgestone http://www.ichijousa.com/page/seismicisolation 4 Gekopieerd van website: http://www.ichijousa.com/page/seismicisolation

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 3

Draft Document voor Informatie en Training

1. De woningen zijn hoofdzakelijk een lichtgewicht houtframe constructies met een op steenstrippen gelijkende buitenafwerking van de gevels. De flexibiliteit van deze woningen is aanzienlijk hoger dan die van de baksteen gebouwen in Groningen.

2. Door de stijfheid van de rubberen dempers zullen er nog flinke horizontaalkrachten in de bovenliggende constructie optreden. Dit moet echter voorkomen worden bij metselwerk. In sommige ontwerpen is er maar een enkele centrale rubberen demper, waarbij de rest van de woning op glijders staat (zie afbeelding).

3. De woning is gebouwd op een volledig stalen balken structuur onder alle buiten en binnen muren. Om een dergelijke constructie in bestaande woonhuizen in te passen houdt in dat eerst het gehele gebouw moet worden opgetild en een metalen of betonnen constructie moet worden aangebracht. Het (metalen) frame is ook noodzakelijk om de functie van de centrale demper over de hele bovenbouw te verdelen.

4. De fundering constructie is boven het maaiveld aangebracht, terwijl in Groningen de aanleg van de funderingen tenminste 80 cm diep onder het maaiveld liggen. De hoeveelheid extra werk om een soortgelijke fundering toe te passen zal kosten verhogend werken.

5. Omdat een ‘base isolation’ bij voorkeur onder het maaiveld zit, zal het onder invloed staan van grondwater. Een open glij-systeem is in dit geval niet mogelijk. Het moet waterdicht zijn.

6. Het type aardbevingen in de USA (en Japan waar het systeem vandaan komt) veroorzaakt veel bredere en langdurige horizontale grond bewegingen dan de korte schokken van de Groningse geïnduceerde aardbevingen. Er is dus een ander horizontaal schokpatroon.

7. Architectonisch is het in de USA geheel geaccepteerd dat een woning op een verhoogde plint staat en geen kelder heeft onder het gebouw. Dit is niet het geval in Groningen.

8. Het aangegeven gebouw ontwerp is bijna vierkant van plattegrond, dat een gelijkmatige belasting op de glij-isolatoren geeft. Slechts een beperkt aantal gebouwen in Groningen hebben een bijna vierkante plattegrond. De aanpassing van de verdeling van de glijders en de rubberen

dempers kan echter per geval worden aangepast.

Deze review geeft aan waarom bepaalde bestaande systemen niet direct overdraag baar zijn naar Groningse bestaande bouw of voor geïnduceerde aardbevingen. Voor nieuwbouw in hout heeft dit systeem wel potentieel, zij het dat de horizontale demping zwakker/kleiner zal moeten zijn.

Funderingen aanpassen.

Bij de toepassing in bestaand baksteen metselwerk dienen de funderingen te worden versterkt, omgebouwd of aangepast. De funderingen waar de ‘base isolators’ op zijn geplaatst ontvangen de gehele aardbeving sterkte. Vooral de in kalkmortel gemetselde funderingen moeten gecontroleerd worden op sterkte. Kalkmortel metselwerk dat in veengronden is toegepast heeft vaak het kalkhoudende voegmateriaal volledig verloren door de zuurwerking van het veen.

De hier voorgestelde Roller demper kan gemaakt worden als een vierkant element met de breedte van meer dan een versterkte steens gemetselde fundering (30 cm) of kan groter worden uitgevoerd voor brede constructie zoals voor zware monumenten en hoge kerktorens (50 cm).

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 4

Draft Document voor Informatie en Training

De ‘base isolators’ van rollagers hebben de laagste weerstand van de verschillende ‘base isolation’ systemen, waarbij de weerstand bij de zijwaartse beweging kan toenemen door verschillende technieken zoals veren of schokbrekers. In het onderhavige model wordt voorgesteld dat de eerste 1-2 cm horizontale verplaatsing nauwelijks of geen andere weerstand ondervindt dan de eigen rolweerstand, waarna de weerstand progressief gaat oplopen tot een maximum bij 7 cm aan horizontale beweging. Met andere woorden, de demping moet tussen de 1 cm verplaatsing en de 7 cm progressief groeien tot 100%. Dit komt overeen met het voorstel voor remming en demping van de horizontale beweging van de Teflon demper.

Voor veel grote ‘base isolation’ systemen worden enkele schokbrekers aan de vier zijden van de balken structuur van de fundering gekoppeld. Bij geavanceerde systemen zijn deze schokbrekers elektronisch bijgestuurd om tot een meer efficiënte demping te komen en een mogelijke gebouw resonantie te voorkomen.

Om de remming en begrenzing van de roller demper te bewerkstelligen is gekozen voor een latex en/of rubberen omhulsel en een sterke glasvezel textiel buitenkant. Deze oplossing is gelijk aan het voorstel voor de Teflon demper van hoofdstuk 09B en de Kogel demper van hoofdstuk 09D.

Om een globale vergelijking te maken tussen de verschillende systemen worden deze in een tabel samengevat. De rubberen demper is in dit geval gedimensioneerd op de massa van het gebouw.Weerstand van de eerste 1-2 cm van een ‘base isolation’ systeem (schattingen).

Verticale belasting Rubber vervorming Teflon glijder Rol systeem Kogel systeem1000 kN/unit 16%-20% 15%-23% 10% 9%500 kN/unit 12%-16% 9%-15% 7,5% 6%100 kN/unit 8%-12% 6%-9% 5% 4%

De maximale horizontale verplaatsing die in 2014 wordt ingeschat als gevolg van geïnduceerde aardbevingen in de provincie Groningen (bij PGA 0,3g) is minder dan 3,5 cm5. Deze schatting is gemaakt door Arup op basis van 30 opgeschaalde waarden van PGA 0,2g tot PGA 0,5g met een wrijving/schuif coëfficiënt μ = 0,1 .

Voor de Roller demper moet de wrijving in het begin van de beweging minimaal zijn, doch het gebouw mag niet verder dan 1/3 van de oplegging naast het hart van de oplegging verplaatsen, anders valt het van de oplegging af.

5 Deze waarden werden berekend door Arup, echter de hoogst gemeten PGA waarde van de aardbeving in Huizinge op 16 augustus 2012 ligt echter onder de PGA 0,1g. Een maximale horizontale verplaatsing van 10 mm is dan voldoende.

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 5

Draft Document voor Informatie en Training

Omdat een versterkte fundering van een steens muur van 22 cm breed met versterking ongeveer 25 cm breed is, mag de totale verplaatsing niet meer zijn dan 1/3 x 24 cm = 8 cm zijn; voor de veiligheid 7 cm. Bij het bereiken van de 7cm horizontale verplaatsing moet de beweging volledig gestopt zijn. Wanneer voor de eerste 5-10 mm de rolweerstand zeer laag is (4%-9%), zal het bovenstaande gebouw geen (schadelijke) invloed ondervinden van de meeste geïnduceerde aardbevingen. Bij een piekbelasting van PGA 0,3g op de fundering zal het bovenstaande gebouw dan slechts 5% tot 10% van de horizontale aardbeving belasting ondergaan.

Deze waarden zijn afhankelijk van de volgende factoren. De basis rolweerstand van de rollers of lagers. Hoe harder en gladder het oppervlakte van

het draagvlak en de rollers zin, hoe kleiner de rolweerstand. De keuze van de materiaal soorten en de afwerking/polijsten zijn hier belangrijk.

De vlakheid van de basisplaat en de doorbuiging door belasting. Het systeem moet precies waterpas gesteld worden en de platen van de Roller demper cassette mogen niet noemenswaardig doorbuigen door de belasting (waarschijnlijk < 0,1 mm).

De hoogte van de verticale belasting op elke Roller unit. Hoe hoger de belasting, hoe groter de rolweerstand zal zijn. Dit heeft enigszins te maken met het totale gebouw gewicht.

De inwendige smering van het systeem. Om de rollende metalen te beschermen is het wenselijk dat de geleiders langs de zijkant gesmeerd worden.

De horizontale afstand waarop de eerste elastische remming aanvangt, hetzij door ingebouwde veren, hetzij door een latex omhulsel.

De horizontale afstand waarop de grotere progressieve remming van het systeem aanvangt door bijvoorbeeld door een Butyl rubberen envelop.

De hoogte van de PGA, of de snelheid van de aardschok. Een demper zal beter werken bij een sterke acceleratie dan bij een langzame. Dit wordt gedemonstreerd door het tafelkleed dat snel van onder een servies wordt uitgetrokken. Wanneer dit snel genoeg gebeurt en het tafelkleed voldoende glad is blijft het servies door haar inertie op de plaats staan6. Dit betekent ook dat het effect van de demper het grootse zal zijn bij de hoogste PGA. Uit de grafiek van een kleine geïnduceerde aardbeving van Groningen blijkt dat er slechts een enkele grote schok optreedt, waarbij de volgende schok ongeveer de helft van die eerste hoge piek is.

Het verschil tussen de periode van de aardbeving en de eigen periode van het gebouw is weinig relevant wanneer er een goede demping van de schok optreedt.

Gerelateerd aan het bovenstaande is de hoogte van het gebouw en de totale massa van het gebouw eveneens van minder belang. Hoe groter de massa of inertie, hoe trager de massa van het gebouw in beweging komt. Het type Groningse woningbouw is laag en heeft een relatief kleine massa vergeleken met grote gebouwen, dus moet de demper gevoelig zijn en bij korte snelle bewegingen reeds gaan rollen.

6 Zie filmpjes : http://www.stevin.info/filmpjes/1-mechanica-1/filmpje-tafelkleed-alex/filmpje-alexprobeerthetook.html en http://www.stevin.info/filmpjes/1-mechanica-1/filmpje-tafelkleed-angela/filmpje-tafelkleed-angela.html

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 6

Draft Document voor Informatie en Training

De stijfheid en de elasticiteit van het gebouw zelf is van invloed op de mogelijke schade door de overgedragen krachten die resteren na de demping. In baksteen gemetselde gebouwen hebben een zeer lage elasticiteit; ze zijn bros. Bij horizontale schokken scheuren de constructies; dit moet daarom voorkomen worden. De mate van vervormbaarheid van het gebouw na de eerste scheuren hangt sterk af van de kwaliteit van het vloerdiafragma direct boven de ‘base isolators’. Oude in kalkmortel gemetselde gebouwen, zoals bijvoorbeeld monumenten, hebben geen grote afschuifsterkte in de voegen (ongeveer 2-3 N/mm2 tegenover 6-8 N/mm2 voor cementmortel gebonden metselwerk).

Op basis van de bovenstaande observaties kan het dus niet zonder meer gesteld worden dat een Roller demper type ‘base isolator’ de afschuifkrachten in een bovenliggende constructie tot ongeveer 5% -10% reduceert. Na het installeren van een bepaald type ‘base isolator’ moet de werkelijke gebouw beweging gemeten worden en vergeleken worden met een gelijksoortig gebouw zonder ‘base isolators’ om het netto effect te bepalen.

Het verschil in aanpak van oude en fragiele gebouwen is geheel verschillend tussen de methode van ‘base isolation’ en conventionele versterking. In het geval van een kerk met hoge zware toren, zal bij conventionele seismische versterking een scheiding gemaakt moeten worden tussen de toren en het schip en beide elementen afzonderlijk en additioneel versterkt tegen de aardbeving belastingen vanaf de fundering, de diafragma’s tot en met het dak. Bij een ‘base isolation’ hoeft meestal alleen de fundering versterkt te worden, waarop de ‘base isolators’ in een rij geplaatst worden. Wel is het mogelijk dat onder de zwaardere belasting van de toren grotere of meer ‘base isolators’ geplaats moeten worden dan onder de muren en steunberen van het schip.Indien de kerktoren scheef staat en het aannemelijk is dat door kleine trillingen in de onderliggende kleigrond de scheefstand kan verergeren, is het rechtzetten van de toren een aanvullende actie. Het is echter verstandig dit rechtzet werk met het versterken van de fundering mee te nemen.

Aanpassingen fundering(en).

In kalkmortel gemetselde gebouwen uit de 18e eeuw zijn veelal direct op de vaste grond gebouwd (“op staal”), en hebben funderingen die in breedte variëren afhankelijk van de zwaarte van het gebouw en de drukvastheid van de ongeroerde grond. Het in sterkere cementmortel gemetselde trasraam is de beste zone om de ‘base isolators’ in te monteren.

Tekening Jellema deel II; het donkere gedeelte is het trasraam. Het zijn in eerste instantie veel van deze type 18e eeuw gebouwen die veel scheuren in de funderingen en boven de lateien hebben vanwege zettingen

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 7

Draft Document voor Informatie en Training

van de fundering. Deze zettingen zijn soms te wijten aan verkeer en aardbeving trillingen. Dit betekent dat deze gebouwen kwetsbaar zijn voor verdere aardbevingen. Het is vooral deze categorie gebouwen waarvoor hoge kosten gemaakt moeten worden om ze voldoende seismisch te versterken. Overeenkomstig zal het voor dit type gebouwen economisch interessant zijn om een ‘base isolation’ systeem toe te passen.

Bij gebouwen waaronder de vaste grondslag meer dan een meter onder het maaiveld ligt worden veelal bogen en pilasters gebruikt. Ook bij gebouwen die een gedeeltelijke kelder hebben is de rest van de fundering vaak op een gelijke diepte aangelegd als de basis van de kelder. Een potentieel probleem van deze constructie is dat het dragend oppervlakte onder de kelder aanzienlijk groter is dan onder de pilasters en er makkelijk zettingsverschillen kunnen optreden door de hogere druk onder deze pilasters. Indien dit niet het geval is dan kan in deze gevallen kan de ‘base isolation’ ook direct onder het begane grond vloerniveau worden aangelegd.

Slechts na 1960 worden de eerste gewapend betonnen stroken funderingen toegepast (zie tekening kleine woning). Binnenmuren die in de gebouwen van voor 1930 zijn gemaakt zijn zowel steens als halfsteens, waarbij veel halfsteens muren ook dragend zijn voor houten balklagen van de etage. De breedte van de fundering aanzet is dan overeenkomstig de verticale belasting van en op de bovenstaande muren. Ter plaatse van schoorsteen is een verbreding van de fundering toegepast, en onder grote raamopeningen zijn balken in de fundering gemaakt. Over het algemeen zijn de funderingen van de buitenmuren breder uitgevoerd dan de funderingen onder de binnenmuren.

Na het verstijven van het vloerdiafragma en de verbindingen van de vloer-muur verbinding van de begane grond en etage, worden de belastingen op de funderingen onder de binnenmuren hoger. In de bovenstaande schets zal bij een aardbeving de lange tussenmuur bijna evenveel belasting ontvangen als de twee lange buitenmuren samen, maar de huidige fundering is veel smaller dan die van een enkele buitenmuur. Deze binnen funderingen moeten daarom verbreed worden, ook indien er een ‘base isolation’ toegepast gaat worden.

Te smalle funderingen op plastische kleigrond.

Woningen die “op staal” zijn gebouwd, waarbij de vaste grondslag uit vochtige kleigrond bestaat, zullen de eerste jaren na het voltooien van de bouw nog een geringe zetting ondergaan, totdat er een evenwicht situatie ontstaat. In deze periode kunnen spanningen in het metselwerk ontstaan en zelfs lichte scheuren, wanneer de gronddruk onder de fundering niet overal precies gelijk is. Dit is bijvoorbeeld het geval bij kelders die onder een gedeelte van het gebouw zitten.

De evenwicht situatie wordt door frequente grondtrillingen zoals van verkeer of aardbevingen verstoord. In de provincie Groningen zijn veel oude woningen direct op (vochtige) kleigrond gebouwd die

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 8

Draft Document voor Informatie en Training

onder invloed zijn en zijn geweest van verschillende grondwaterstanden. Door de gasexploitatie treedt over de jaren een geleidelijke bodemdaling op, die in eerste instantie leidt tot verhoging van de grondwaterstand ten opzichte van het maaiveld. Deze verhoging is slechts tijdelijk want deze wordt door bemaling gecorrigeerd. Echter, de grondweerstand rond de funderingen kan hierdoor tijdelijk beïnvloed worden. Daarnaast neemt in veel dorpen ook het zware verkeer toe, werden er verkeersdrempels aangelegd en zijn er sinds een aantal jaren lichte aardbevingen. De combinatie van deze factoren veroorzaken trillingen in de grond die de evenwicht situatie verstoren en het zettingsproces van het gebouw weer in gang zet.

Een verbreding van de gehele fundering is dan de meest effectieve oplossing om verdere zetting te voorkomen, of het onderheien van het gebouw. Het gaat hier meestal om gebouwen van voor 1940 die een houten balklaag en vloeren hebben. Traditionele funderingen die direct op de vaste grond zijn aangelegd moeten verbreed worden indien uit de scheuren van het gebouw blijkt dat de gronddruk onder de funderingen ongelijk is en zich zettingen hebben voorgedaan. Dit is veelvuldig het geval bij kelders waar de funderingen naast de kelders veelal verzakt zijn ten opzichte van de kelderfunderingen zelf. De gronddruk onder de kelder is lager dan onder de rest van de fundering die ook op een verschillende hoogte is aangelegd.

Eventuele zettingen onder gebouwen dienen eerst gecorrigeerd te worden voordat de ‘base isolators’ worden geplaatst. Alle ‘base isolators’ moeten bij voorkeur op dezelfde hoogte worden aangebracht en diepere kelders dienen daarom doorsneden te worden. 7.

Eenzijdige fundering aanleg.

Bij woningen die tegen elkaar zijn aangebouwd, zoals in de dorpskernen is de fundering van elk huis niet vanaf de buitenkant te bereiken. In deze gevallen heeft de fundering onder de buitenmuren een asymmetrische vorm (tekening Jellema II). Voor het aanbrengen van een ‘base isolator’ direct onder een versterkte begane grond vloer is het belangrijk dat er geen excentrische druk op de ‘base isolator’ cassette kan ontstaan. In de bovenstaande tekening 1c bestaat de situatie dat de gronddruk onder de funderingsplaat asymmetrisch is (1 e en 1f). Deze asymmetrische druk zal versterkt worden gedurende een aardbeving waardoor zetting kan ontstaan of draaiing van de fundering strook. Het momentvast ondersteunen van deze fundering strook zal vooraf moeten gaan aan het installeren van andere maatregels. Voor de toepassing van ‘base isolators’, moet bij een gewapend betonnen keldermuur gekozen worden tussen het geheel doorsnijden van de betonnen keldermuren, of het seismisch versterken van het gehele gebouw. Bij hoge grondwaterstand kan de waterdichtheid van de kelder een beslissende factor zijn.

7 Hoofdstuk 10, Vermindering van Belasting Loodrecht op het Vlak van de Muur. Hoofdstuk 11, Houten en Betonnen Vloerdiafragma’s. Hoofdstuk 12, Sterkte in het Vlak van de Muur. Hoofdstuk 15, Hoekwoning met Muur Versterking van Glasvezeltextiel wapening (GVTW).

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 9

Draft Document voor Informatie en Training

Bij de aanleg van ‘base isolators’ in eenzijdige funderingen onder alle dragende muren, zal de bovenkant van het gebouw tenminste 2x 7 cm vrij moeten staan van het naastliggende pand wanneer de maximale horizontale verplaatsing 3,5 cm is. Gebouwen die tegen elkaar aan zijn gebouwd, en waarbij de vloeren ongeveer op gelijke hoogte liggen, zullen bij een aardbeving allemaal tegelijk gaan bewegen. Indien er een enkel gebouw in een rijtje op ‘base isolation’ staat zal dat door de naastliggende gebouwen belast worden, waardoor het effect van de ‘base isolation’ grotendeels of geheel teniet wordt gedaan.

Foto links: een hoog en een laag gebouw hebben een verschillende eigen frequentie. Dit kan er toe leiden dat tegen elkaar staande gebouwen beschadigd worden.Foto rechts. In een rij van tegen elkaar

staande gebouwen, zullen ze gezamenlijk de kracht van een aardbeving ondergaan. Indien een van de gebouwen een ‘base isolator’ systeem heeft, zal het toch de volledige druk van de naastliggende gebouwen ondervinden, want de basis kan zich niet verplaatsen.

De schets geeft twee veel voorkomende situaties aan in dorpen. De twee-onder-een-kap woning, en de gebouwen die in de dorpsstraat tegen elkaar aan zijn gebouwd. In beide gevallen is het niet zinvol om een ‘base isolation’ onder slechts een gebouw toe te passen. Bij de twee-onder-een-kap woningen zullen deze twee wooneenheden zeer waarschijnlijk langs de gehele tussenmuur van elkaar losscheuren, waarna de linker helft de rechter helft naar rechts opzij zal stoten. De linker helft zal namelijk met de grond meebewegen, en de rechterhelft zal in absolute zin blijven staan.

Hetzelfde zal zich voordoen bij tegen elkaar gebouwde panden. Het gebouw dat op de grond staat zal naar gelang de constructie heen en weer zwiepen nadat het metselwerk gescheurd is. Ter hoogte van de goot zal het linker gebouw tegen het rechter gebouw aan rammen. In deze situaties moeten alle tegen elkaar aangebouwde panden samen op een ‘base isolation’ systeem gezet worden, of samen met dezelfde stijfheid en sterkte versterkt. Indien het mogelijk is om de gebouwen van elkaar te dilateren, is in de situatie van Groningen een dilatatie van minimaal 2x de maximale horizontale verplaatsing van de ‘base isolator’ systemen noodzakelijk. Dit is bij de voorgestelde ontwerpen 2 x 7 cm = 14 cm.

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 10

Draft Document voor Informatie en Training

Detaillering van de voorgestelde Roller demper.

Schets van de platte vierkante cassette met drie hardstalen rollers van 20 mm doorsnede. Deze rollen over een hardstalen plaat (machinestaal). Beide materialen moeten roestvrij zijn en voor de montage ietsje gesmeerd met kogellager vet. De einden van de rollers zijn gevat in twee messing glijders die in geleidende groeven lopen aan de zijkant van de plaat. De bovenkant van de messing geleider is 1 mm lager dan de bovenkant van de rollers. De geleider heeft een nok die langs en tegen de zijkant van de rollerbak loopt. Tussen de nokken en de einden van de rollerbak zitten veren die progressief een verhoogde druk-trek opleveren8.

Het systeem bestaat uit twee vierkante rollerbakken die haaks op elkaar worden gesteld, en een afdek en draagplaat van de zelfde afmeting. De buiten afmeting is 30 x 30 cm, waarbij de hart-op- hart afstand tussen de buitenste rollers 16 cm is. Hiermee is een zijwaartse beweging van de rollers mogelijk van 7 cm, zijnde twee keer de maximaal berekende horizontale verplaatsing.De minimale draagbreedte van de cassette is 25 x 25 cm of een versterkte steens muur. Hierdoor komt er geen piekbelasting op de zijkanten van de rollers waar de geleiders zitten. Voor grotere en zwaardere gebouwen kan het systeem groter worden uitgevoerd. De hoeveelheid druk-trek van de vier gezamenlijke veren hangt af van het gemiddeld aantal Roller dempers onder een gebouw, en de elasticiteit van het latex/rubber omhulsel dat eveneens een progressieve trekweerstand sterkte heeft wanneer de rollerbak zich meer dan 1-2 cm horizontaal verplaatst. De progressieve remming van de veren en het waterdichte omhulsel zal het systeem doen afremmen tot aan de maximale verplaatsing van de rollerbak van 7 cm.

Om beschadiging van het latex/rubber omhulsel te voorkomen zijn de buitenranden van de twee roller bakken en de afdekplaat afgerond. De dikte van de platen moet berekend worden op de maximale belasting van het systeem. Bij een maximale belasting mogen de rollers, de bodems van de roller bakken en de afdekplaat niet zoveel doorbuigen zodat dit een remming teweeg brengt.

Omdat rollers een klein draag oppervlakte hebben dient de hardheid van het rollermetaal en de draagplaat, en de dikte van de draagplaat berekend te worden (machinestaal). Dit is nog meer belangrijk bij het ontwerp van de Kogel demper type ‘base isolator’ omdat daar het draagvlak nog kleiner is. Om deze reden kan de Roller demper een grotere belasting hebben dan de Kogel demper.De Roller demper is hiermee duurder in fabricage dan de Teflon demper, onder andere door:

8 De geleider is van messing om overmatige slijtage met de draagplaat te voorkomen; die slijtage zal ontstaan wanneer twee gelijksoortige metalen langs elkaar glijden.

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 11

Draft Document voor Informatie en Training

Het machinestaal is duurder is dan de dunne RVS plaat in de Teflon demper. De hoeveelheid van de hoge kwaliteit staal is groter. De RVS plaat van de Teflon demper is

dun en wordt op een draagplaat van gewoon metaal geschroefd. De bewerkingen zijn meer gecompliceerd door de geleider en opstaande rand. De vier veren en de montage van de inwendige veren.

De elastische en remmende buitenkant komt overeen met de constructie van de Teflon demper.

Vanwege de hogere productie kosten kan het wenselijk zijn om de Roller demper onder een langer stuk muur te plaatsen. Hiervoor moeten de onderste en bovenste draagplaten langer gemaakt worden zodat er minder cassettes in de lengte van een muur geplaatst kunnen worden. Langere draagplaten moeten ook dikker worden geconstrueerd of uit aan elkaar gelaste koudgewalste C of H profielen te worden gemaakt om doorbuigen te voorkomen.

Om te bepalen wat de meest kosten effectieve lengte van een muursectie is die op een Roller demper kan staan moeten verschillende aspecten met elkaar vergeleken worden zoals:

De materiaal sterktes en gerelateerde constructie kosten van de Roller demper. Bij hogere belastingen worden er ook hogere eisen aan de metaal dikte en de hardheid gesteld.

De kosten van het openen van de (zwakke) muren, en eventueel het versterken van het muurgedeelte direct boven de doorgesneden lintvoeg.

Het aantal Rollerdempers van een bepaalde sterkte die onder een gebouw nodig zijn. Het extra werk voor het aanbrengen van muurwapening in de eerste drie lintvoegen boven

de openingen voordat de gaten in de fundering worden gemaakt.

Bij grotere afstanden tussen de ‘base isolators’ moeten de krachten onder en boven de cassette over een langer muurstuk verdeeld worden, speciaal bij zwakke kalkmortel cement voegen. Dit is het geval voor de buitenmuren alsmede de dragende binnenmuren en diens funderingen. De dragende binnenmuren dienen eveneens versterkt te worden. Omdat kalkmortel voegen onder constante spanning langzaam gaan vervormen, zal ook tussen en boven de openingen het metselwerk voor de eerste drie lintvoegen versterkt moeten worden door het invoegen van een dubbele spiraal wapening. Dit moet gebeuren vóórdat de openingen in de funderingen worden aangelegd.

Bij lage gebouwen met een klein gewicht uit de 18e eeuw en vroeger is het waarschijnlijk dat een grotere serie lichte Roller dempers economischer is dan een kleiner aantal sterke Roller cassettes voor lange openingen in de fundering. Buitenmuren kunnen aan de basis een alternatieve afwerking krijgen zoals in deze foto van een rentenierswoning. Na het waterpas stellen en aanvoegen van de Roller demper kan

deze met de stelbouten klemvast in de opening aangespannen worden, totdat deze het

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 12

Draft Document voor Informatie en Training

bovenliggende metselwerk volledig draagt. De gehele procedure is reeds toegelicht met schetsen in het document 09B over de Teflon demper.

Voordat men begint aan het opspannen van de cassette in de opening, kan men een uitschuif pootje verticaal in de opening naast de cassette plaatsen, tussen de vlakke oppervlaktes van de baksteen opening. Wanneer men met de dopsleutel de wiggen van de spanbouten naar elkaar toetrekt, drukken deze het rubberen omhulsel van de cassettes in en begint het systeem de baksteen muur boven de Roller demper te dragen. Wanneer de muur volledig draagt en iets hoger wordt getild door het verder aandraaien van de spanbouten, zal het stelpootje vrijvallen. Hierna kan de lintvoeg tussen de openingen met de Roller dempers worden doorgeslepen zodat het gebouw geheel vrij op de Roller dempers staat.De dimensionering van de klembouten hangt af van de totale opdrukkende kracht die nodig is om het metselwerk op te tillen. Bij een breder stuk metselwerk zullen de krachten groter zijn en de bouten daarom breder en sterker.

Verdere ontwikkelingen.

Om tot een definitief product te komen dienen er een paar berekeningen en prototypes worden gemaakt, en getest op de volgende punten:

De maximale doorbuiging van staalplaten van de twee roller bakken door de belastingen. De trek-druk sterkte van de vier veren in de rollerbak zodat

de eerste 1 cm slechts een minimale weerstand aanwezig is. Deze interne veren kunnen progressief werken.

De dikte en sterkte van de Latex folie om de horizontale beweging af te remmen na de 2 cm verplaatsing. Deze afremming moet progressief gaan oplopen tussen de 3,5 cm en 7 cm.

De methode om de verschillende rubbers waterdicht aan elkaar te verbinden. Een omhulsel materiaal ter bescherming van het rubber die de maximale horizontale uitslag

beperkt tot 7 cm. Eventueel kan een glasvezel textiel wapening buitenom worden toegepast. Het soort snel verhardende epoxymortel om de Roller demper cassette in te metselen.9

Het maximale aantal gaten dat gemiddeld in een gemetselde muur gemaakt kan worden per

gebouwtype (berekening) en per boven belasting.

9 Bijvoorbeeld http://reynchemie.com/RC/showProduct.asp?id=51041&taal=1&menuid=2 Lanko 731 en 730 ofhttp://nld.sika.com/nl/producten/bouw/mortels/kant_en_klare_mortels.html met Sika® Patch 100

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 13

Draft Document voor Informatie en Training

Ontwerp gegevens voor het aantal lintvoegen dat in kalkmortelvoegen versterkt moet worden boven de openingen. De toepassing van de mogelijke RVS spiraal wapening en de techniek van toepassing wordt in andere hoofdstukken beschreven.10

De dimensionering van de Roller dempers voor de gemiddelde gebouwen die voor dit type ‘base isolator’ in aanmerking komen en het vereiste aantal Roller dempers per gebouw type.

De precieze afmeting en ontwerp van de naspan of opdruk bouten met wiggen. De maximale opdrukking die nodig zal zijn om de Roller dempers drukvast te zetten zal in de buurt van de 1-2 mm liggen vanwege de samendrukbaarheid van het latex omhulsel.

Dimensionering van een grotere Roller demper voor dikke muren zoals voor kerken en andere grote monumentale gebouwen.

De beweging van gebouwen waarbij een serie Roller dempers geïnstalleerd is moeten vergeleken worden met een identiek gebouw zonder Roller dempers; deze gebouwen moeten vlak bij elkaar staan en dezelfde oriëntatie hebben. Direct boven de versterkte begane grond dienen in beide gebouwen trilling meters te worden aangebracht waarvan na elke aardbeving de resultaten met elkaar vergeleken moeten worden. Op basis van deze metingen kan bepaald worden wat de effectieve demping van een systeem is bij de gegeven PGA (kalibratie). Ook kan met deze gegevens het ontwerp van de Roller dempers verder worden aangepast.

***********

10 Zie bijvoorbeeld www.thorhelical.nl of www.Helifix.com voor omschrijving technieken.

09C Roller Demper voor Fragiel Metselwerk en Monumenten-v3, door: Sjoerd.Nienhuys@shell.com Page 14