Seismisk analyse av endring / påbygg til eksisterende konstruksjoner Arild Bølviken Røberg Hvilke krav gjelder til nye og eksisterende konstruksjoner? 1. Plan og bygningsloven (PBL) PBL 29-5: "Ethvert tiltak skal prosjekteres og utføres slik at det ferdige tiltaket oppfyller krav til sikkerhet, helse, miljø og energi, og slik at vern av liv og materielle verdier ivaretas." PBL 31-2 omhandler tiltak på eksisterende byggverk 2. Teknisk forskrift (TEK) til PBL TEK 10-2 henviser til NS-EN-serien (inkl N.A) for prosjektering som samsvarer med det sikkerhetsnivået som er akseptert av myndighetene. 3. NS-EN-serien De aktuelle standarder for seismisk påkjenning på bygg er: NS-EN 1998-1+N.A: Dimensjonering mhp seismisk belastning for nye konstruksjoner NS-EN 1998-3+N.A: Dimensjonering mhp seismisk belastning for eksisterende konstruksjoner
Prop. 91 L: Forslag til endring i PBL (1/3) Proposisjonen til Stortinget for endring av PBL gir interessant info om hva som er tenkt under utarbeidelse av loven for krav til ombygninger av eksisterende bygg. Prop. 91 L: Forslag til endring i PBL (2/3) "De foreslåtte lovendringene i denne proposisjonen skal gi forskriftshjemmel for å avklare hvilke krav som skal stilles ved tiltak på eksisterende bebyggelse. Behovet for forskriftshjemler knytter seg særlig til to forhold: Når det utføres tiltak på eksisterende bebyggelse, gjelder i utgangspunktet de samme kravene som for nybygg. Det er ikke alltid disse kravene er egnet. Det foreslås at det åpnes for at man i forskrift kan tilpasse de krav som kan stilles ved arbeid på eksisterende byggverk. Krav til nybygg bør bare slå inn der de har en påviselig effekt, og ikke innebærer urimelig kostnadsøkning. Kommunen har etter plan- og bygningsloven 31-2 fjerde ledd adgang til å gi tillatelse til et tiltak selv om det ikke oppfyller alle tekniske krav som gjelder for tiltaket. Reglene for når kommunen på denne måten kan unnta fra tekniske krav bør presiseres i forskrift, slik at de blir så enkle som mulig å praktisere, og praktiseres likt. En særskilt problemstilling er at det bør gis regler som åpner for at det fortsatt kan gjennomføres mindre tiltak på eksisterende bebyggelse i fareområder, slik at personsikkerhet ivaretas samtidig som brukskvalitet i bebyggelsen kan opprettholdes. I denne proposisjonen foreslås forskriftshjemler fremfor å ta inn slike regler i loven, særlig siden reglene kan bli tekniske og detaljerte. Bakgrunnen for lovforslaget er at det ofte er vanskelig å tilpasse nye tekniske krav ved arbeider på eksisterende bebyggelse. Slik tilpasning kan bli dyrt, uten at effekten av å oppfylle kravene nødvendigvis blir stor, siden byggverket for øvrig ikke har tilsvarende standard. Forskriftene som kan gis med hjemmel i de foreslåtte reglene vil i all hovedsak kodifisere og klargjøre en tolking av loven som allerede følger av veiledning og uttalelser. Det vil være en fordel om nærmere regler kommer klart til uttrykk i forskrift."
Prop. 91 L: Forslag til endring i PBL (3/3) PBL 31-2 med nytt 5. ledd 31-2. Tiltak på eksisterende byggverk Tiltak på eksisterende byggverk skal prosjekteres og utføres i samsvar med bestemmelser gitt i eller i medhold av loven. På byggverk som er, eller brukes, i strid med senere vedtatt plan, kan hovedombygging, tilbygging, påbygging, underbygging, bruksendring eller vesentlig utvidelse eller endring av tidligere drift bare tillates når det er i samsvar med planen. Kommunen kan sette som vilkår for å tillate tiltak etter 20-1 at også andre deler av byggverket enn det tiltaket gjelder settes i forsvarlig stand i samsvar med relevante tekniske krav. Dette kan gjøres når kommunen finner at byggverket er i så dårlig stand at det av hensyn til helse, miljø eller sikkerhet ellers ikke vil være tilrådelig å gjennomføre det omsøkte tiltaket. Er det vedtatt å ekspropriere byggverket, kan kommunen unnlate å gi tillatelse til tiltaket. Det samme gjelder hvis eieren er gitt forhåndsvarsel etter oreigningslova om ekspropriasjon. For øvrig gjelder oreigningslova 28. Er ekspropriasjonen ikke avgjort, må avgjørelsen foreligge senest 12 uker etter at søknaden om tillatelse er mottatt. Kommunen kan gi tillatelse til bruksendring og nødvendig ombygging og rehabilitering av eksisterende byggverk også når det ikke er mulig å tilpasse byggverket til tekniske krav uten uforholdsmessige kostnader, dersom bruksendringen eller ombyggingen er forsvarlig og nødvendig for å sikre hensiktsmessig bruk. Kommunen kan stille vilkår i tillatelsen. Departementet kan gi forskrifter som nærmere regulerer kommunens adgang til å gi tillatelse etter leddet her. NYTT LEDD: For å sikre hensiktsmessig bruk av eksisterende byggverk og unngå urimelige kostnader, kan departementet gi forskrifter om hvilke krav som gjelder ved tiltak på eksisterende byggverk. Tilføyd ved lov 8 mai 2009 nr. 27, endret ved lov 10 aug 2012 nr. 61.
Finnes det relevante forskrifter mhp seismisk belastning på eksisterende bygg pr dags dato? PBL 31-2 åpner for at forskrift kan gi de krav som gjelder ved tiltak på eksisterende byggverk. For å sikre hensiktsmessig bruk av eksisterende byggverk og unngå urimelige kostnader Pr september 2012 gir ikke TEK noen spesielle krav mhp seismisk belastning på eksisterende bygg. Kun den generelle referansen til NS-EN-serien. Veiledningen til TEK fra direktoratet for byggkvalitet (www.dibk.no) gir heller ingen utfyllende svar her. NS-EN 1998-3 er gjeldende mhp seismisk belastning på eksisterende bygg. Uansett bør også intensjonen bak PBL 31-2 følges! Krav til nybygg (for tiltak på eksisterende bygg) bør bare slå inn der de har en påviselig effekt, og ikke innebærer urimelig kostnadsøkning. NS-EN 1998-3 (EC 8-3) Omhandler vurdering og forsterkning av eksisterende bygninger mhp seismiske påvirkning. Husk å inkludere rettelsesblad AC:2010. Nasjonalt tillegg (N.A) kommer 'veldig snart'. Frist for innspill til høringsforslag gikk ut 1. september 2012.
Høringsforslag, N.A til EC8-3 Frist for kommentarer til høringen gikk ut 1. september 2012 Mest relevante setninger for dette foredraget er vist uthevet i rødt. NA.2.1(2)P I Norge kan påvisningen avgrenses til grensetilstanden SD. Forsterkning av eksisterende konstruksjoner som ikke har vært utsatt for jordskjelvskade kan avgrenses til å gjelde ved endringer eller påbygg som endrer lastvirkningen og/eller bæreevnen i en slik grad at sannsynligheten for sammenbrudd ved jordskjelv øker betydelig dersom konstruksjonen ikke forsterkes. I vurderingen legges NS-EN 1998 til grunn for beregning av lastvirkning både før og etter endring/påbygg. MERKNAD Der endringer eller påbygg prosjekteres med sikte på en bruksendring som tilsier en økning i pålitelighetsklasse etter NS-EN 1990, bør det vurderes om den eksisterende konstruksjonen er egnet til en slik endring. Ved endringer eller påbygg der forsterkning er aktuelt, skal hele konstruksjonen (ny og gammel del) vurderes etter bestemmelsene i den aktuelle delen av NS-EN 1998 supplert med bestemmelsene i NS-EN 1998-3 (denne standarden) så langt disse er aktuelle. De informative tilleggene A, B og C i NS-EN 1998-3 kan kun benyttes for konstruksjoner som prosjekteres i duktilitetsklasse DCM eller DCH. Konstruksjoner som prosjekteres i duktilitetsklasse DCL regnes ikke som duktile etter NS-EN 1998-3:2005 punkt 2.2.1 (3)P. Der endringene er slik at generell forsterkning ikke er aktuelt, kan likevel lokale forsterkninger være påkrevd i forbindelse med de endringene som gjøres. Der endringene er så omfattende at konstruksjonen etter ombygging i stor grad framstår som ny, påvises tilstrekkelig kapasitet etter bestemmelsene i de aktuelle delene av NS-EN 1998. Der ny del utformes frikoblet fra gammel del slik at bæresystemene til de to delene oppfører seg uavhengig av hverandre i den seismiske dimensjonerende situasjonen, kan påvisningen begrenses til ny del. Tilstrekkelig kapasitet av ny del påvises etter bestemmelsene i den aktuelle delen av NS-EN 1998. Forsterkning av eksisterende konstruksjoner som er skadet etter jordskjelv utføres basert på vurdering av skadeomfanget. Viktige prinsipper for evt forsterkning av eksisterende konstruksjoner (1/2) Medfører ombygningen at sannsynligheten for sammenbrudd ved jordskjelv øker betydelig dersom konstruksjonen ikke forsterkes? "Før/etter"-analyser gir verdifull informasjon. Spesielt ugunstige ombygninger til f.eks 'soft-stories' og store økninger av vertikal- og plan usymmetri bør av prinsipp unngås. Frikobling mellom ny og gammel del bør ofte vurderes. Fuger mot eksisterende del minimerer påvirkning på denne. Ny del dimensjoneres etter dagens krav i NS-EN (inkl NS-EN 1998) Ny del har sitt eget avstivningssystem Figurer fra "Dimensjonering for jordskjelv", veileder til EC 8 fra RIF.
Viktige prinsipper for evt forsterkning av eksisterende konstruksjoner (2/2) Forsterkninger skal ha en påviselig effekt. Teoretiske forsterkningsløsninger trenger ikke nødvendigvis å fungere i praksis. Bedring mhp seismisk situasjon trenger ikke medføre bedring også for 'vanlig' brudd- og bruksgrensetilstand samt eventuelle, andre ulykkesgrensesituasjoner. Mulige ulemper må alltid vektlegges. F.eks: Innføring av nye fuger i eksisterende dekker (for å f.eks bedre planregularitet) kan medføre et frislipp av tvangskrefter man ikke har kontroll over. Kan medføre deformasjoner og dekker/bjelker som sklir av opplegg. En endring av egensvingeperioden til konstruksjonen kan medføre lavere seismiske krefter, men kan også medføre at konstruksjonen blir mer utsatt for dynamiske svingninger og deformasjoner. Innføring av svake soner og duktile ledd kan medføre uakseptable deformasjoner. Hulltakinger for påbolting av nye deler på eksisterende konstruksjoner kan svekke konstruksjonen i like stor grad som den forsterker den. Påsveising til eksisterende stål kan svekke dette. Forsterkninger skal ikke innebære urimelige kostnader Kostnad knyttet til komplett forsterkning bør tallfestes. Evt grad av 'urimelighet' må vurderes i samspill med kommunen og/eller statlige myndigheter såfremt ikke mer informasjon utdypes i forskrift. Tvilsomt om vanlige byggeprosjekter vil bli gitt medhold for å unngå forsterkning iht NS-EN 1998-3+N.A. Rådgivers rolle ved ombygninger og seismisk vurdering (1/2) Rådgiver bør involveres svært tidlig i prosjekteringen ved ombygninger. Geoteknisk forsterkningsfaktor og eventuelle utelatelseskriterier bør avklares tidligst mulig. Krav til uavhengig prosjekteringskontroll iht PBL 24-1 kan ofte medføre at også den uavhengig kontrollerende bør involveres tidlig og gi sine innspill i de aktuelle problemstillinger. Byggherrer, arkitekter og ansvarlige søkere bør bevisstgjøres mhp de spesielle utfordringene ved ombygninger og kravene i NS-EN 1998. Et enkelt språk. Unngå unødvendige faguttrykk. Eksisterende bygg har statiske bæresystem som avspeiler regelverket som var aktuelt på oppføringstidspunktet. Sårbarheten ift dagens krav vil variere. Rådgiver må inkludere rimelighetsbetraktninger og ikke kun ekstreme faglige analyser. Vernebestemmelser kan vanskeliggjøre ombygninger. Et hensiktsmessig design mhp funksjon, estetikk, bruddgrense, bruksgrense, jordskjelv, m.m bør utarbeides i fellesskap. Eksisterende konstruksjonstegninger bør om mulig innhentes (fra byggeherre, PBE eller tidligere rådgiver) dersom disse er av betydning. Underbygges også i EC 8-3's krav til kunnskapsnivå og inspeksjon. Ønsker byggherre en spesielt jordskjelvsikker konstruksjon (altså mer enn de 'vanlige' krav i Norge), eller bør nytt design forsøke å minimere behovet for forsterkninger i eksisterende del?
Rådgivers rolle ved ombygninger og seismisk vurdering (2/2) Metode for jordskjelvanalyse bør vurderes før tidkrevende analyser påbegynnes. Forenklet 'tverrkraftmetode' kan gi nyttig størrelsesorden på krefter samt forenklet 'før/etter'- sammenligning. Egensvingeperiode 'før/etter'. En sunn nøkternhet i forbindelse med optimalisering for jordskjelv bør utvises, spesielt dersom disse går på bekostning av 'tradisjonelle' bruddgrense- og bruksgrensetilstander Seismiske analyser er teoretiske regnestykker som prøver å avspeile en meget tilfeldig og lite eksakt lastsituasjon. Sannsynlighetene for at de dimensjonerende laster skal inntreffe: bruksgrenselaster > bruddgrenselaster > seismiske ulykkeslaster. 2 stk figurer tatt fra "Dimensjonering for jordskjelv", veileder til EC 8 fra RIF. Case I (1/3): Eksisterende bygg. Lavblokk med åpent atrium samt høyblokk Eksisterende bygg er ikke dimensjonert mhp jordskjelv Kun dimensjonert for horisontallaster fra vind- og skjevstilling.
Case I (2/3): Tetting av atrium. Separat bæresystem i ny, frikoblet del EC 8-3, N.A-høring: "Der ny del utformes frikoblet fra gammel del slik at bæresystemene til de to delene oppfører seg uavhengig av hverandre i den seismiske dimensjonerende situasjonen, kan påvisningen begrenses til ny del." OBS: Dersom undersøkelser skulle vise at eksisterende del er betydelig underdimensjonert også ift tidligere standarder mhp 'vanlig' bruddgrense slik at det er fare for liv og helse, må selvfølgelig dette utbedres. Case I (3/3): Vurdering av konsept med frikobling av ny del Ville totalsikkerheten for hele konstruksjonen blitt bedre uten fuge? Eventuell 'svak', eksisterende del kan få støtte mot ny, 'sterk' del. Reduserer mulighet for kollaps av eksisterende del og tilhørende nedfallslast på ny del. Generelt sett bra med minimumskapasitet for sammenbinding mellom ulike konstruksjonskomponenter. Mulighet for omlagringer av uforutsette krefter, f.eks ved bortfall av komponenter pga ulykkeslaster. Jo svakere eksisterende del er, jo mer uhensiktsmessig kan frikobling mot ny, sterkere del være for totalsikkerheten til konstruksjonen! Man kan også 'snu' utsagnet og si at frikoblingen hindrer at nye del blir revet med pga eventuell kollaps av gammel del. Frikobling gir en tydelig avgrensning av ansvar og omfang.
Case II (1/5): Eksisterende bygg. Riving av del av avstivende skive. Beregningsgang: 1. Utelatelseskriterium sjekkes dersom IKKE OK, må seismiske påvirkninger kontrolleres 2. Utfører 'før/etter'-sammenligning. Både 'vanlig' brudd-/bruksgrense og seismisk situasjon. Overordnede vurderinger samt beregning med forenklet/detaljert metode (f.eks hhv tverrkraftmetode og modalanalyse). Vurderer om endringen medfører "at sannsynligheten for sammenbrudd ved jordskjelv øker betydelig" eller ikke (EC 8-3, N.A-høring). 3. Aktuelle forsterkninger og/eller designendringer prosjekteres dersom punkt 2 tilsier at dette er nødvendig. Case II (2/5): Vurderinger i 'før/etter'- sammenligningen Vil fjerningen av veggen medføre spesielt ugunstig 'soft-story'? Horisontal stivhet i overliggende etasjer i jordskjelvsikre bygg bør av prinsipp ikke være betydelig større enn i de underliggende. Kan veggen i overliggende etasje også fjernes? Fordeler: Unngår 'soft-story'-problematikk. Bedrer jordskjelvmotstanden iht erfaringer fra reelle jordskjelv. Reduserer overliggende egenvekt på den nødvendige, nye bærebjelken. Ulemper: Økt antall inngripener i eksisterende konstruksjon medfører også større risiko for uønskede, ikke-kartlagte svekkelser. Mer rivearbeid påkrevd, økte kostnader. Sannsynligvis ikke vesentlig betydning for kreftene i det viste eksempel. Vil fjerningen av veggen medføre en ugunstig økning i torsjon av høyblokken? Økt torsjon gir økte belastninger på de gjenværende skiver Symmetri i plan bør av prinsipp tilstrebes i jordskjelvsikre bygg Bør eventuelt også tilsvarende skive i nabosjakt fjernes? Sannsynligvis dårlig ide, i praksis mer risiko og større kostander Vil fjerningen av veggen medføre tap i stivhet og mulige svingningsproblemer ved vindlast? Sannsynligvis ikke aktuelt i dette tilfellet
Case II (3/5): Beregninger i 'før/etter'- sammenligningen Beregner konstruksjonen for seismisk påvirkning iht EC 8-1 før og etter riving av vegg: Hvilken metode? 1. Forenklet tverrkraftmetode. Enkel å utføre. Gir grove estimater. Som regel betydelig til sikker side. Best egnet for ytre, total last samt forenklet last pr dekkeskive. Forholdvis dårlig egnet for konstruksjonsdetaljer. 2. Modalanalyse. 3D FEM-modellering. Gir mer nøyaktige estimater. Fler ingeniørtimer. Bedre muligheter for å ta ut detaljkrefter. Ofte lavere krefter enn fra forenklet metode. Hvilke resultater er interessante i sammenligningen? A. Endring i total, ytre horisontal skjærkraft fra seismisk situasjon. 'Helhetsbildet' B. Endring i belastning på de gjenværende vertikale skiver. C. Endring i belastning på omsluttende dekkeskive og de tilstøtende detaljer Interessante krefter uavhengig av seismisk situasjon: Nødvendige vertikale laster fra dekke som tas av ny bjelke og søyle. Kan gjøres med regneark/håndberegning. Nødvendige horisontale vind- og skjevstillingslaster fra dekke som må overføres til gjenværende skive. Kan gjøres med regneark/håndberegning. Case II (4/5): Generell eller lokal forsterkning? Innfører ny bjelke og søyle over fjernet vegg Uansett nødvendig for vertikal utveksling Dimensjoneres for dagens krav i NS-EN-serien mhp brudd - og bruksgrense. Sammenligningsresultater fra seismisk beregning gir: A. Liten endring i ytre, total belastning fra seismisk situasjon. Endringene er "slik at generell forsterkning ikke er aktuelt." (EC 8-3, N.A-høring) B. Vesentlig økt belastning på de gjenværende vertikale skiver og de tilstøtende detaljer i nærheten. C. Vesentlig økt belastning på omsluttende dekkeskive og de tilstøtende detaljer "Der endringene er slik at generell forsterkning ikke er aktuelt, kan likevel lokale forsterkninger være påkrevd i forbindelse med de endringene som gjøres." (EC 8-3, N.A-høring) Innfører kun lokale forsterkningsdetaljer.
Case II (5/5): Hvilke krefter legges til grunn for lokal forsterkning? Lokale horisontale og vertikale forsterkninger Laster iht dagens NS-EN-serie legges til grunn for forsterkningene. Sikkerhetsnivå iht NS-EN 1990. Horisontale brudd- og brukslaster fra vind- og skjevstilling iht NS-EN 1991-serien og aktuell prosjekteringsstandard. Horisontale seismiske ulykkeslaster fra forenklet eller avansert metode iht NS-EN 1998-serien. Typiske forsterkningstiltak Nye, avlastende konstruksjoner innføres Påbolting av stålprofiler Ny, tilstøtende betongkonstruksjon dybles fast Utstøpning av oppleggssoner, hulrom, m.m Karbonfiberforsterkning av betong, mur eller trekonstr. Etteroppspenning Påsveising av stålplater til eksisterende stålkonstruksjon Refundamentering, nye stålkjernepeler