Sikkerhet av betongkonstruksjoner Norsk Betongforening Medlemsmøte i Stavanger 2. februar 2010 Erik V. Thorenfeldt Tore Myrland Jensen 1
Sikkerhet av betongkonstruksjoner Del 1: Generelt om konstruksjonssikkerhet Del 2: Pålitelighet av betongkonstruksjoner Del 3: Skredulykken i Ålesund 2
Del 1: Generelt om konstruksjonssikkerhet En praktisk tilnærming! Oppnåelse av pålitelige konstruksjoner med bruddsikkerhet iht. forskrifter. 3
Innhold 1. Krav i lovverk og forskrifter 1.1 Krav til ansvar og kontroll 1.2 Krav til sikkerhet av bærende konstruksjoner 2. Dokumentasjon av sikkerhet 2.1 Sannsynlighetsteoretisk metode 2.2 Partialkoeffisientmetoden ( STANDARDMETODEN ) 3. Hva går galt og hvorfor? 4
1. Krav i lovverk og forskrifter 1.1 Krav til ansvar og kontroll a) Grensesnitt mellom flere prosjekterende ved splittet prosjekteringsansvar b) Grensesnitt mellom utførende og prosjekterende c) Ansvar for globalstatikken og ansvar for kontroll av helheten Ansvar og kontroll faller ofte mellom flere stoler 5
..forts. krav til ansvar og kontroll a) Grensesnitt mellom flere prosjekterende: 93 b) i PBL : Ansvarlig søker skal være bindeleddet mellom de prosjekterende, utførende, osv. Skal påse at alle oppgaver er dekket, samt av hvem. 97 i PBL: Ansvarlig søker skal påse at kontroll av ferdig konstruksjon er foretatt. 27 i veiledningen til SAK (Saksbehandling og kontroll i byggesaken): Helheten må kontrolleres av ett foretak og ansvaret for dette må angis. 31 i SAK: Kontrollen av viktige og kritiske kontrollområder skal gjennomføres og dokumenters særskilt. 31 i SAK: Kontroll av prosjektering og utførelse skal gjennomføres fortløpende og etter egnede metoder. 6
..forts. krav til ansvar og kontroll b) Grensesnitt mellom utførende og prosjekterende: 31 i SAK: Utførelsen skal kontrolleres mot resultatet av prosjekteringen. 27 i veiledning til SAK: Viktig prinsipp at valg av løsninger er prosjektering, og skal utføres og kontrolleres av foretak som er godkjent for prosjektering og prosjekteringskontroll. MERK: Liten detaljeringsgrad (prosjektering) og/eller utførelse som ikke er iht. prosjektert løsning er en av de vanligste årsaken til manglende sikkerhet. 7
..forts. krav til ansvar og kontroll c) Ansvar for globalstatikken og ansvar for kontroll av helheten Ansvarlig søker har ansvar for å plassere ansvar også mht. hvem som har ansvaret for kontroll av globalstatikken. 8
..forts. krav til ansvar og kontroll Illustrasjon av ansvar og kontroll: Eks. prefab.: - Beregning - Tegning Grensesnitt Kontroll Kontroll Ansvarlig søker Kontroll helheten RIB: - Beregning - Tegning Grensesnitt Input Input Kontroll Utførelse: - Iht. tegning - Kontroll iht. tegning Grensesnitt 9
..forts. krav til ansvar og kontroll Mulige endringer i regelverket (ny PBL og TEK): Økt omfang av uavhengig kontroll: - Klarere skille mellom KS og kontroll - Strenge krav til uavhengighet MERK: - Må tilpasses aktuelt prosjekt - Må komme i tillegg til egenkontroll og sidemannskontroll (ikke i stedet for!) Prosjektering kan ikke overlates til utførende Dokumentasjon skal overleveres til og oppbevares av eier Tiltakshaver har ansvaret om ansvaret faller mellom to stoler 10
1.2 Krav til sikkerhet 7-31 i veiledningen til TEK: Byggverk skal planlegges og oppføres slik at belastninger ikke vil medføre uakseptable konsekvenser. Forskriftens krav til et byggverks bæreevne gjelder imidlertid kun en minste bruddsikkerhet. 7-33 i veiledningen til TEK : Byggverk skal utformes og dimensjoneres slik at de har tilfredsstillende sikkerhet mot brudd for de laster som kan oppstå under den forutsatte bruk. Kravet gjelder byggverket i endelig tilstand og under utførelse. Dersom forutsetningene for bruk endres, skal byggverkets sikkerhet vurderes på nytt. 7-3 veiledningen til TEK: Ved tallfesting av sikkerhetsnivå vises det til NS 3490 Krav til pålitelighet. 11
.forts. krav til sikkerhet Utdrag fra NS 3490 (tabell A.2.1): Ordinær bruddgrensetilstand. 10-7 10-6 10-5 5,2 4,7 4,2 Krav til minste bruddsikkerhet iht. forskriftene. 12
Innhold 1. Krav i lovverk og forskrifter 1.1 Krav til ansvar og kontroll 1.2 Krav til sikkerhet av bærende konstruksjoner 2. Dokumentasjon av sikkerhet 2.1 Sannsynlighetsteoretisk metode 2.2 Partialkoeffisientmetoden ( STANDARDMETODEN ) 3. Eksempler hva går galt og hvorfor? 13
2.1 Sannsynlighetsteoretisk metode MERK: Benyttes ikke i praksis (evt. kun i helt spesielle tilfeller) Forenklet fremstilling: R = motstand funksjon av materialparametere og tverrsnittsdimensjoner E = lastvirkning funksjon av last, lastplassering og opplagerbetingelser Z = R-E = sviktfunksjon (R-E 0 BRUDD) Statistisk spredning i: - Materialparametere - Tverrsnittsdimensjon - Motstandsberegninger Statistisk spredning i: - Lastens størrelse - Lastens plassering - Opplagerbetingelser - Statiske beregninger R har en statistisk spredning E har en statistisk spredning 14
forts. sannsynlighetsteoretisk metode Brudd Ikke brudd R = motstad E = lastvirkning Z = R-E 0 Z = R-E = sviktfunksjon BRUDD σ = standardavvik β = Zm/σz = pålitelighetsindeks β σz β σz σz σz σe σe σr σr Sviktfunksjon Z Lastvirkning E 10-7 10-6 10-5 5,2 4,7 4,2 Motstand R P b P( E Zm Em Rm Ek Rk R) P( Z 0) 0 F R ( s) f E ( s) ds P MAX Dokumentasjon av en minste bruddsikkerhet (iht. PBL). 15
2.2 Partialkoeffisientmetoden = STANDARDMETODEN Innfører partialkoeffisienter for å ivareta de ulike usikkerheter forbundet med: - lastvirkning (E) (eksempel lastfaktorer) - motstand (R) (eksempel materialfaktorer) Benytter karakteristiske verdier for: -laster (Fk = Fm + k σf) - materialparametere (fk = fm k σf) 16
forts. partialkoeffisientmetoden Kobling mot sannsynlighetsteoretisk metode: Lastfaktor : Materialfaktor : m f 1 E V 1 k V E 1 kr VR 1 V R S R S 10-7 10-6 10-5 5,2 4,7 4,2 17
.forts. partialkoeffisientmetoden Fm fm Fk fk (Ff = Fk γf) Ff fd (fd = fk/γm) Ef Rd Ef Rd OK 18
.forts. partialkoeffisientmetoden Hjelpefigur (flytskjema) for dokumentasjon av sikkerhet relatert til prosjekteringsfasen, byggefasen og driftsfasen. 19
forts. partialkoeffisientmetoden Prosjektering / forsterkningstiltak Fortløpende kontroll Fortløpende kontroll Dokumentert minste bruddsikkerhet iht. forskrifter 20
forts. partialkoeffisientmetoden Brudd vs. nedfall: - Illustrasjon Ulike systemer og bruddtyper: (1) Statisk bestemt system og sprø bruddform (2) Statisk bestemt system og duktil bruddform Sannsynlighet for nedfall? (4) (3) Statisk ubestemt system og sprø bruddform (4) Statisk ubestemt system og duktil bruddform (3) (2) Sannsynlighet for brudd (1), (2), (3), (4) Dokumentasjon av en minste bruddsikkerhet - OK! 21
Innhold 1. Krav i lovverk og forskrifter 1.1 Krav til ansvar og kontroll 1.2 Krav til sikkerhet av bærende konstruksjoner 2. Dokumentasjon av sikkerhet 2.1 Sannsynlighetsteoretisk metode 2.2 Partialkoeffisientmetoden ( STANDARDMETODEN ) 3. Hva går galt og hvorfor? 22
3. Hva går galt og hvorfor? Prosentvis fordeling av menneskelig feil ved konstruksjonssvikt: (Årsaksforhold for 579 tilfeller fra før 1994) 23
forts. Hva går galt og hvorfor? Eks. 1: Ikke tegning/detaljering Eks. 2: Ikke bygd etter tegning Eks. 3: For enkle statiske modeller: System: q Forenklet system: Reell virkemåte: 0,67 ql L 2/3 ql = 0,67 ql Ef = 2 ql L 0,67 ql På papiret ok: Ef / Rd =1,0 OK Reell utnyttelse: Ef / Rd = 3,0 IKKE OK 24
forts. Hva går galt og hvorfor? Eks. 4: Kompliserte statiske modeller og motstandsmodeller ikke kontroll på input og resultater. Eks. 5: Manglende forståelse for prinsippene i STANDARDMETODEN : - Sikkerhetsfaktorer skal ikke dekke opp feil, kun avvik - Stor tro på beregningsmodellen tar risiko! Eks. 6: For enkle vurderinger av eksisterende konstruksjoner: - En konstruksjon som ikke har kollapset i løpet av for eksempel 10 år er ikke nødvendigvis tilstrekkelig sikker! - Bruksfasen representerer ikke en prøvebelastning / fullskalatest! 25
SLUTT DEL 1 26
Del 2 : Pålitelighet av betongkonstruksjoner Last- og materialfaktorer skal ivareta avvik mellom antakelser ved dimensjonering og faktiske forhold Tar ikke høyde for forhold som ikke er en del av dimensjoneringsantakelsene Svikt i en konstruksjon skyldes sjelden at last- og materialfaktorer er for lave Svikt av en konstruksjon eller en konstruksjonsdel er som regel en følge av det The foreseeable unforeseen I alle fall i etterpåklokskapens klare lys! 27
Pålitelighet, forts. Det er behov for at slike forhold ivaretas separat i den grad dette er mulig Det er et ufravikelig krav om dette når Eurocode-serien innføres fra mars 2010 28
NS-EN1992-1-1:2004 + NA2008 2 Grunnlag for prosjektering 2.1 Krav 2.1.2 Pålitelighet (1) Bestemmelser vedr. pålitelighet er gitt i NS-EN1990 kapittel 2 (2) 29
NS-EN1990:2002 + NA2008 2.1 Grunnleggende krav (4) En konstruksjon skal prosjekteres og utføres slik at den ikke vil bli skadet ved ulike hendelser som : - eksplosjoner - støt - konsekvenser av menneskelige feil i et omfang som ikke står i forhold til den opprinnelige årsaken MERKNAD 1 Hendelser som det skal tas hensyn til er dem som det for et gitt prosjekt er inngått avtale om med oppdragsgiver og vedkommende myndighet 30
NS-EN1990:2002 + NA2008 (5) Potensiell skade skal unngås eller begrenses ved hensiktsmessig valg av ett eller flere av følgende tiltak : Unngå, eliminere eller redusere de farefylte hendelsene som konstruksjonen kan utsettes for Velge et bærende system som er lite følsomt for farefylte hendelser Velge et bærende system og en utforming som sikrer at konstruksjonen kan tåle at en enkelt konstruksjonsdel eller en begrenset del av konstruksjonen blir fjernet ved et uhell eller kan tåle forekomsten av en lokal skade Unngå, så langt det er mulig, bærende systemer som kan bryte sammen uten forvarsel Binde konstruksjonsdelene sammen 31
NS-EN1990:2002 + NA2008 (6) De grunnleggende kravene bør oppfylles ved : Valg av egnede materialer Fagmessig prosjektering og detaljering Fastsettelse av kontrollprosedyrer for prosjektering, produksjon, utførelse og bruk som er egnet for det bestemte prosjektet 32
Pålitelighet Kravene kan føre til omfattende tilleggsarbeider dersom de skal oppfylles De ulike konstruksjonsstandardene gir ingen direkte føringer for hvordan de skal ivaretas Dette fører lett til en ukomfortabel situasjon for rådgiveren Kanskje ligger svaret i bruk av plasstøpt betong? 33
Pålitelighet Vanlig påstand : Betong tåler kommafeil!! Er dette riktig? 34
Pålitelighet kan ivaretas gjennom Reservekapasitet ekstra styrke Strukturell integritet indre sammenheng Mulighet for kraftomlagring Duktilitet 35
Reservekapasitet Materialfaktorer varierer for det enkelte konstruksjonsmateriale og faktor kan varierer avhengig av bruk Er C = 1.5 for høyt med dagens krav til dokumentasjon og produksjonsoppfølging? Lastfaktorer er ens for alle materialer Er G = 1.2/1.35 høyt for et tungt materiale som betong? Vertikale konstruksjonselementer har ofte en betydelig overkapasitet 36
Strukturell integritet Plasstøpt betong bygget i tråd med regelverket har en innebygget indre sammenheng som gjør knutepunkter mindre sårbare gir en innebygd robusthet gir mulighet for kraftopptak på andre steder og i andre retninger enn forutsatt 37
Mulighet for kraftomlagring Plasstøpt betong har mer eller mindre alltid et element av statisk ubestemthet Dette gir mulighet for momentomlagring Dekker har gjerne en viss kapasitet i tverretning Mulighet for membranvirkning, f eks ved gjennomlokking eller svikt i søyle som bærer et flatdekke Mindre fare for svikt ved dårlig planlagte ombyggingsarbeider 38
Duktilitet Armert betong har duktilitetsegenskaper som høyfast stål Kombinerer de gode egenskaper for både stål og betong Eurocode 2 gir i motsetning til tidligere rom for utnyttelse av fastning i stålet ( strain hardening ) Kritiske knutepunkt har typisk god duktilitet Knekning sjelden noe problem i vertikale elementer 39
Eksplosjoner, terror, sabotasje Betongvegger og dekker begrenser skaden forutsatt mulighet for trykkavlastning mot det fri Strukturell integritet, mulighet for omlagring og evt reservekapasitet gir større mulighet for å unngå omfattende progressiv kollaps ved lokal skade 40
Vær forsiktig med Høyfast betong mindre duktilitet Bruk ikke høyere fasthet enn nødvendig Også et miljøaspekt Etteroppspenning har både positive og negative sider Dekker på søyletopper pinte tverrsnitt uten skjærarmering er sårbare Fastholdning kan sette spesielle krav til (minimums)armering 41
Konklusjon (NS-EN1990:2002, kap 2.1(5)) Potensiell skade skal unngås eller begrenses ved hensiktsmessig valg av ett eller flere av følgende tiltak : Unngå, eliminere eller redusere de farefylte hendelsene som konstruksjonen kan utsettes for Velge et bærende system som er lite følsomt for farefylte hendelser Velge et bærende system og en utforming som sikrer at konstruksjonen kan tåle at en enkelt konstruksjonsdel eller en begrenset del av konstruksjonen blir fjernet ved et uhell eller kan tåle forekomsten av en lokal skade Unngå, så langt det er mulig, bærende systemer som kan bryte sammen uten forvarsel Binde konstruksjonsdelene sammen ~ 42
Konklusjon (NS-EN1990:2002, kap 2.1(6)) De grunnleggende kravene bør oppfylles ved : Valg av egnede materialer Krav i NS-EN1990 blir mer eller mindre automatisk tilfredsstilt ved bruk av plasstøpt betong Betong tåler nok i de fleste tilfeller ikke kommafeil 43
Del 3 : Skredulykken i Ålesund Hvorfor kollapset ikke bygget (helt)? Erik Thorenfeldt - SINTEF Byggforsk Steinar Trygstad - Rambøl, Ålesund 44
Fjelltunveien 31 etter skredet 45
Historie Natten til 26.mars 2008 løsnet et fjellparti bak boligblokka Skredet forskjøv bygget 4-6 m fram mot gata 1. etasje ble skåret av og blokka falt 1 2 etasjer vertikalt Brann i 1. og 2. etasje på grunn av propanlekkasje Alle beboere i 3. 6. etasje ble reddet 5 personer i første og andre etasje savnet / omkommet Stor redningsaksjon. Eksplosjonsfare evakuering Brannslukking, tømming av propantank Sikring av bygget. Søk etter omkomne. 2 3 uker. 46
Rapporter Bygnings- og geoteknisk ekspertgruppe Rådgivning for politi og brannvesen i redningsarbeidet Konkluderer med at bygget og fjellet er relativt stabilt Søk etter omkomne etter avstempling av 2.etasje + fasade Offentlig kommisjon Årsaken til ulykken entydig knyttet til utsprengning av tomten og sikring med fjellbolter uten tilstrekkelig hensyn til mulig glidning langs forkastningsplan (sleppe) som viste seg å munne ut den utsprengte fjellveggen uten noen fjellfot. 47
Spørsmål i ettertid I hvilken grad hadde byggets konstruksjon betydning for omfanget av de skader som oppsto? Hva var hovedårsakene til at byggets 3 6 etasje kunne være relativt uskadet etter så store forskyvninger i de nedre etasjer? Hvorfor kollapset ikke større deler av konstruksjonen? Kunne det gått verre med en annen konstruksjonsløsning? 48
Perspektivskisse av bæresystem 49
Plan av 2. etasje. Platetykkelse 220 mm, Armering: Lengderetning: Spenntau c/c 750 mm. Kamstål uk: Ø10 c/c 500 mm Tverrretning: Spenntau grupper a 6 stk over søyler. uk: Ø12 c/c 350 mm 10 m 50
Utsprengning av byggetomten 51
Råbygget støpt 52
Bygget ferdig 53
Skredet er utløst. Delvis helt fjellparti 54
Bratt glideplan 55
Fjell ligger mot bygg under golv i 5.etg Bygget vertikalforskjøvet ca 5 m (nesten 2 etasjer) 56
Krefter fra skredet. P = ca 7500 t G = ca 1700 t Ubalansert kraft langs glideplan: Psinα Ntanφ 0,4 P H (statisk) = ca 2000 t, H(dynamisk) Mangedoblet. Pcos P F=N tan N Psin avstand 2-3 m H 6 5 4 G 3 2 1 U 57
Skjærbruddmotstand av skiver ca 1500-2000 tonn Friksjonsmotstand etter skjærbrudd, anslått <1000 tonn. Bygget skjæres av og forskyves. Skredet stopper av seg selv. 6 5 4 3 2 58
Skadebeskrivelse Bygget horisontalforskyves med brudd i skivene i 1. et. Dekke over U-etasjen: Blir liggende uten forskyvning Brytes delvis ned Dekke over 1. etasje Forskyves horisontalt og kollapser Dekket blir liggende dels på terrenget foran bygningen, på golvet under og på fjellmasser Dekke over 2.etasje (og konstruksjonene over) Forskyves 4 6 m horisontalt og 1-2 etasjer vertikalt, men får begrensede skader. 59
Fasade sett fra vest 60
Fasade sett fra øst 61
Gavl øst: Horisontal avskjæring 62
Gavl: Vegg i 2. etasje står på frontvegg 63
Vestgavl: Balkonger i 2. og 3. etasje ligger på 1. etasjes plan. Søyle ødelagt. 64
Tap av bæreevne for stålsøyle 65
Stålsøyle med restkapasitet 66
Forskyvning av dekke over 2. etasje 67
Hvorfor kollapset ikke bygget helt Utvikling av et vertikalt ras ble unngått ved at veggskivene i 2. etasje fikk understøttelse dels på terrenget foran bygningen og underetasjens frontvegg og dels på underliggende sammenklemte konstruksjoner i bakkant. Skivene sikret at etasjen beholdt sin boksform uten store interne horisontalforskyvninger. Søylene i 2. etasje fikk store skader, men noen av søylene beholdt en viss restkapasitet. En alternativ bærevirkning med dekkene over 2. 4. som toveisplater opplagt på veggskiver kan ha medvirket til å avlaste søylene. 68
Kunne det gått bedre eller verre med andre konstruksjonsløsninger? Dekkene var etterpent med u-injiserte spennkabler Ulempe: Bortfall av bæreevne ved kapping av forankringer Ulempe: Bidrar lite til alternativ bæring ved svikt i søyler Fordel: Forsterket skivevirkning. Elastisk respons Bygget ble stående mer på tross av enn på grunn av forspenning? Tradisjonell plasstøpt boligblokk med tverrvegger Dobbelt så mange tverrskiver. Øket motstand mot avskjæring Kunne likevel ikke motstått fjellskredets dynamiske krefter Kanskje ikke så total kollaps av 1. etasje 69
Bygget utført av betongelementer? F.eks. spennbetong dekker på skjelett av betong eller stål Ville hatt trappekjerner og stabiliserende veggskiver. Forbindelser dimensjoneres for horisontalkrefter, bl.a. jordskjelvpåvirkning. Dynamiske krefter større enn et kraftig jordskjelv? Forskyvningen omtrent lik. Raset stoppet av seg selv Svakere forbindelser gir større interne forskyvninger Nedfall av dekkeelementer. Brudd i skjelettkonstruksjonen Mindre muligheter for å etablere understøttelse for en ren skjelettkonstruksjon uten underlag av en kontinuerlig betongplate på terrenget foran bygget. Sammenstyrtning av større deler av bygget ville nok vært et sannsynlig resultat. 70
Konsekvenser? Ulykken spesiell. Kreftene svært store. Gir ikke direkte grunnlag for endring av de generelle kravene til bygningskonstruksjoners motstand mot sammenrasing ved ulykkespåvirkning. Evig diskusjon: Hvordan unngå ras ved lokal skade i høye hus? Mengde slakkarmering i spennarmerte konstruksjoner Krav til forbindelser i elementkonstruksjoner Ulykken avdekker i større grad et behov for skjerpet aktsomhet ved forundersøkelse og sikring av bratte fjellskjæringer. Etter skredet er fjellet bak blokken stabilt. Det er gjennomført fjellsikring, særlig på sidene og bak nabobyggene Boligblokken bygges i dag opp igjen etter i hovedsak de samme tegningene. 71