Profielwerkstuk Natuurkunde Aardbevingbestendig bouwen
Profielwerkstuk door een scholier 5e klas havo
6810 woorden 8 jaar geleden
5,6
80 keer beoordeeld
Vak Natuurkunde
Inleiding
Grote steden gelegen op breuklijnen in de aarde, hebben altijd al last gehad van aardbevingen. Elk jaar wordt er voor miljarden euro’s aan schade aangericht en vallen er velen slachtoffers door aardbevingen. In Japan is in het voorjaar van 2011 door een aardbeving grote schade aangericht. Hierdoor is er een meltdown geweest in een van de kernreactoren van het land. Dit bewijst weer dat het belangrijk is om gebouwen, voornamelijk in risicogebieden, aardbeving bestendig te maken.
Wij willen beiden na onze middelbare school bouwkunde gaan studeren, we wilden daarom een onderwerp kiezen dat met onze studie te maken heeft. Het leek ons interessant om ons te verdiepen in aardbeving bestendige
gebouwen, want het is de laatste tijd veel in het nieuws geweest. Het is een belangrijk en veel besproken onderwerp.
Het leek ons leuk om zelf te onderzoeken hoe je een aardbeving bestendig gebouw maakt en hiervan een ontwerp te maken. Om een aardbeving bestendig gebouw te maken moeten we natuurlijk veel informatie vergaren. Er is veel belangrijke informatie nodig:
* hoe een aardbeving schade aanricht,
*hoe een aardbeving beweegt,
* hoeveel kracht er achter een getal (PGA en PGV)zit
*hoe een gebouw instort door een aardbeving.
Sommige van deze informatie kunnen we vinden op het internet en in boekjes, door filmpjes te bekijken van instortende gebouwen. Door een simulator te gebruiken kunnen we er achter komen hoe een gebouw instort. We gaan ook onderzoeken welke bestaande technieken er zijn om een gebouw aardbeving bestendig te maken.
De informatie die we vinden willen we gaan uittesten. Theorieën die we tegenkomen willen we in praktijk stellen. Dit willen we gaan doen door middel van een aardbeving simulator. Om er achter te komen hoe we onze aardbeving simulator moeten maken, moeten we weten hoe een aardbeving werkt.
Het uiteindelijke doel van dit profielwerkstuk is het bedenken en het ontwerpen van aardbeving bestendige
gebouwen. We moeten natuurlijk wel rekening houden met verschillende soorten gebouwen, want een woonhuis en een flat of een groot kantoorgebouw vallen nauwelijks te vergelijken. Ik hoop dat u een beter inzicht zult krijgen in aardbeving bestendige gebouwen.
Geografie
De aarde bestaat uit verschillende grote en kleine tektonische platen of schollen.
Deze schollen drijven op het magma, het binnenste van de aarde
Waar de schollen elkaar raken heb je een breuklijn, langs deze breuklijnen vinden aardbevingen plaats.
Waar de aardbeving ontstaat, diep in de aardkorst, noemt men het hypocentrum, recht boven het hypocentrum, aan het oppervlak ligt het epicentrum. Dit is de zwaarste plek van de beving. Hoe verder weg je bent van het epicentrum, hoe minder je de beving voelt.
Een aantal van de grootste aardbevingen uit de geschiedenis:
526 Antiochie Turkije 1906 San Francisco Amerika 2001 Gujarat India
2003 Bam Turkije
2004 Banda Atjeh Indonesie 2010 Port au Prince Haiti 2011 Sendai Japan
De bebouwing in de diverse aardbevinggebieden is heel verschillend.
In Californie ligt de San Andreas breuklijn van bijna 1.300 km. lengte. Men verwacht dat daar nog een grote aardbeving zal plaatsvinden, de kracht zal dan zeker 7 of meer op de Schaal van Richter zijn.
San Diego, San Francisco en Los Angeles zullen dan zeker grote schade ondervinden.
Op dit moment woont 90% van de bevolking van Californie op minder dan 100 km. van de breuklijn. In San Francisco houdt men rekening met het gevaar van aardbevingen. De huizen buiten het centrum zijn bewust laag gehouden en er is maar 1 metrotunnel.
Op de top van de heuvels rondom San Francisco zijn waterbassins aangelegd om branden na een aardbeving snel te kunnen blussen.
Turkije ligt tussen de Noord- Anatolische en de Oost-Anatolische breuklijn. Hierdoor wordt Turkije als het ware klem gedrukt tussen 2 platen. Deze breuklijnen lopen door in Syrië, Iran, Afghanistan, Pakistan tot in India. De bebouwing in Turkije van na de aardbeving van 1999 voldoet, zeker in de grotere steden, aan de eisen. De oudere bebouwing zeker niet. Een extra probleem Turkije is de illegale bouw. 60 tot 70 % van de bebouwing is illegaal en voldoet niet aan de gestelde eisen.
Bij een aardbeving zullen er dan ook nog steeds veel slachtoffers vallen en zal de schade groot zijn.
In Teheran, Iran zijn vanaf 2009 metrotunnels aangelegd. Deze tunnels lopen een groot risico op aardbevingen en moeten dan ook aan strenge eisen voldoen. Deze eisen zijn opgesteld door 'Probalistic Seismic Hazard Analysis', hiermee kan de zwaarte van toekomstige aardbevingen wordt voorspeld. Eigenlijk is de kracht van een aardbeving
op een geboorde tunnel minder groot dan op gebouwen bovengronds, men moet natuurlijk wel in de ontwerpfase aan kunnen tonen dat dit het geval is. De rotsachtige grond is steviger en compacter dan bijvoorbeeld de grond in Nederland.
Bij de grote aardbeving in Bam van 26 december 2003 is de hele citadel (stervormige versteviging van vestingstad) en het fort verwoest, Deze waren gebouwd van leem, stro en palmboomhout. De aardbeving had geen moeite met dit bouwmateriaal, in enkele secondes was alles verkruimeld.
in Teheran is het centrum oud met Arabische bebouwing en een bazaar van ongeveer 10 km. lang. Rondom het centrum is meer Europese bebouwing. Buien de grote steden zijn nog veel lemen huisjes tegen de bergen aangeplakt.
Niet alleen de aardbeving en de gebruikte bebouwing zijn van invloed op de bevolking. Ook de gevolgen van de beving zoals branden en overstromingen door tsunami’s kosten heel veel slachtoffers.
Met name bij zeebevingen zoals die van 24 december 2004 in de zee voor Sumatra. Deze beving had een kracht van 9,3 op de Schaal van Richter en verwoeste de kuststroken van Sri Lanka, Indonesië, Maleisië, India, Thailand, Bangladesh, Myanmar, de Malediven en de Seychellen.
Het noordelijkste deel van Sumatra, Indonesie werd het zwaarst getroffen, 60% van Banda Atjeh werd verwoest, hier stierven ruim 200.000 mensen.
Ook de aardbeving van 2011 in Japan veroorzaakte een tsunami. Het epicentrum lag in de Grote Oceaan, ongeveer 120 km. uit de kust bij Sendai, en had een kracht van 8,9 op de Schaal van Richter.
De Japanners dachten dat ze goed beschermd waren tegen deze vloedgolf, het ‘Pacific Tsunami Warning Center’
waarschuwde de bevolking voor de vloedgolf. Er was een waterkeringmuur gebouwd. Deze was echter berekend op golven van 3 meter hoog, de golven die Japan bereikte hadden een hoogte van 4 tot 10 meter. 12 uur na deze beving is er een man in Cresent City, Californie, Amerika overleden door de tsunami.
De kerncentrale bij Fukashima is ook ernstig beschadigd door de beving. Dit zijn dus bijkomende schades na een aardbeving.
Plan van aanpak Hypothesen:
We verwachten dat op een hoog gebouw de aardbeving meer invloed heeft. We denken dat dit komt omdat het zwaartepunt hoger ligt, waardoor het gebouw een verdere uitwijking heeft bij het trillen tijdens de aardbeving.
Ook denken wij dat de materialen uitmaken voor de aardbeving bestendigheid van een gebouw. Staal kan mee veren met de aardbeving en breekt niet snel, in tegenstelling tot steen, wat snel zal breken of los zal trillen tijdens de aardbeving.
De uiterlijke vorm van het gebouw heeft volgens ons ook invloed op de aardbeving bestendigheid van een gebouw;
zo zal een gebouw met een koepel- of piramidevorm steviger zijn dan een traditioneel vierkant gebouw.
De inwendige structuur van een gebouw is ook belangrijk volgens ons, het is algemeen bekend dat driehoekvormen het skelet van een gebouw sterker maken dan vierkanten en rechthoeken. Tegenwoordig zijn er ook veel technieken om een gebouw aardbeving bestendig te maken, zo wordt er gebruik gemaakt van contragewichten in
wolkenkrabbers in gebieden waar aardbevingen voorkomen.
Dus onze hypothese is dat een gebouw veerkrachtig moet zijn en een niet te hoog zwaarte-punt mag hebben.
Hoe werkt een aardbeving?
Iedereen weet dat bij een aardbeving de aarde gaat schudden en beven, daarom heet het ook een aardbeving. Maar hoe schud een aardbeving eigenlijk precies? Gaat de aarde op en neer, of beweegt de grond horizontaal, of beide?
Het is ook belangrijk om te weten hoeveel trillingen het zijn , wat de frequentie is en hoe groot de uitwijking is, de amplitude.
Deze informatie is cruciaal, want zonder deze informatie weten we niet op welke manier we de bewegingen moeten opvangen. Ook moeten we weten wat voor beweging onze aardbevingsimulator moet kunnen maken. Deze
informatie hebben we dan ook nodig bij het maken van onze aardbevingsimulator.
Gevolgen van een aardbeving
De meeste aardbevingen ontstaan in de aardkorst, de buitenste schil van de aarde. Deze heeft een dikte van 5 tot 60 kilometer. De korst bestaat uit verschillende platen of schollen. In het centrum hiervan vinden weinig tot geen
aardbevingen plaats. Een aardbeving ontstaat meestal doordat twee aardplaten tegen elkaar aanduwen, zoals in Californië bij de San Andreas breuk of over elkaar heen schuiven zoals langs de kust van Chili . Er hoopt zich hierdoor een grote hoeveelheid energie op. Als een van de platen los schiet, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij van uit het epicentrum. Deze energie zal zich verplaatsen De kracht die vrij komt verplaatst zich in (seismische) golven, dit is te vergelijken met wanneer je een steentje in een vijver gooit. De seismische golven die vrijkomen zijn te verdelen in twee groepen, ruimtelijke golven (in de aardkorst) en oppervlaktegolven (aan het aard oppervlak). Deze
oppervlaktegolven zorgen voor de meeste problemen tijdens aardbeving, gezien de mens aan het oppervlak leeft.
Deze oppervlaktegolven zijn weer onder te verdelen in twee soorten golven; de Rayleigh golven( figuur 1), deze bewegen in een ellips net zoals de golven in zee. Dit noemt men transversaal voortbewegen, uitgebeeld in figuur 2.
Figuur 1 Rayleighgolf
De hoogte (y) en de verplaatsing (x) vallen samen met de vorm van een ellips.
In figuur 2 is dit afgebeeld Figuur 2 Elips
De tweede oppervlaktegolf is de Lovegolf, deze golf is gepolariseerd, wat inhoudt dat hij zich over het oppervlakte niet uitwijkt in de lengte maar in de hoogte. De trilling staat haaks op de voortplantingsrichting van de golf.
Lovegolven zorgen dus voor de heen-en-weer gaande beweging tijdens een aardbeving. De bewegingen van Lovegolven zijn afgebeeld in figuur 3.
Figuur 3 Lovegolf
De Lovegolf veroorzaakt tijdens een aardbeving de meeste schade. Dit komt omdat de amplitude van een Lovegolf het grootst is, tijdens een aardbeving zijn ze ook het meest merkbaar.
Tijdens een aardbeving komen niet alle golven te gelijk aan. De ruimtelijke golven komen als eerst aan, deze golven zijn niet zo sterk als de oppervlakte golven. Van de oppervlakte golven zijn de Lovegolven het snelst, dus ze komt eerder aan dan de Rayleighgolven.
In figuur 4 is een voorbeeld gegeven van een seismogram van een aardbeving.
Figuur 4 seismogram van een aardbeving
In het groene gedeelte is de uitslag te zien van ruimtelijke golven. Aan de amplitude, die de seismograaf gaf, is te zien dat er op dat moment niet zo een sterke beving was. Daarna wordt de amplitude een stuk groter (rood en blauw), op dit moment komen de oppervlaktegolven aan. Van de oppervlaktegolven was de Lovegolf het snelst en zal dus voor de eerste trillingen in dat gedeelte hebben gezorgd. Aan de amplitude is te zien dat de trillingen krachtig waren (dit stuk komt na de rode streep). In het blauwe gedeelte komen de rayleighgolven er ook bij. Ook hieruit blijkt dat de Lovegolven het sterkst zijn.
De kracht van een totale aardbeving wordt aangegeven door middel van de ‘Schaal van Richter’, deze schaal hebben we niet zo zeer nodig voor ons onderzoek. Dit komt doordat de ‘Schaal van Richter’ de totale kracht van een aardbeving aangeeft, wij willen het alleen maar op een bepaalt punt van het oppervlakte weten. De PGA, peak ground acceleration, door ons uit het Engels vertaald in ‘piek grond versnelling’, is een schaal om de sterkte van een aardbeving op een bepaalt punt aan te geven. Dit gebeurt door te kijken naar de versnelling op een n bepaald punt.
De PGA geeft de versnelling van een punt op het oppervlak aan op een moment. PGA kan worden uit gedrukt in g (de aardse zwaartekracht) dat is 9,81 m/s² en in Gal dat is 0,1 ms².
Bijvoorbeeld; een voorwerp komt vanuit stilstand en versnelt met 1 g, na 1 seconde zal het voorwerp met 9,81 meter per seconde voortbewegen, na 2 seconde met 19,62 meter per seconde. Per seconde zal de snelheid van het voorwerp met 9,81 m/s toenemen. De grond tijdens een aardbeving versnelt en remt ook steeds. Hoe hoger de versnelling, hoe destructiever de aardbeving zal zijn. De sterkte wordt dus bepaalt door de versnelling.
Een andere manier om de sterkte van een aardbeving aan te geven is door de PGV, peak ground velocity (piek grond snelheid). Deze maatstaf beschrijft de snelheid van een aardbeving op een moment. Deze wordt uitgedrukt in cm/s.
De PGA en PGV worden gebruikt door aardbevingingenieurs.
De ‘United States Geological Survey’ heeft een schaal ontwikkeld waarbij de PGV en PGA overeenkomen met de waarneming van de aardbeving; hoe erg de aardbeving wordt gevoeld. Deze schaal is mede gebaseerd op de
‘Mercalli’ schaal. De Mercalli schaal is gebaseerd op interpretatie van een aardbeving door mensen en is daardoor niet een officiële schaal.
Tabel 1: de schaal voor de PGA en de PGV
Sterkte (gebaseerd op de Mercalli schaal) PGA (g) PGV (cm/s) Waargenomen Potentiële Schade I Niet gevoeld (none)
geen
II-III 0,0017-0,014 0,1-1,1 (weak) zwak (none)
geen
IV 0,014-0,039 1,1-3,4 (light) Licht (none)
geen
V 0,039-0,092 3,4-8,1 (moderate)
matig (very light) zeer licht
VI 0,092-0,18 9,1-16 (strong) sterk (light)
licht
VII 0,18-0,34 16-31 (very strong) Zeer sterk (moderate)
matig
VIII 0,34-0,65 31-60 (severe) Streng (moderate to heavy) Matig tot zwaar
IX 0,65-1,24 60-116 (violent) heftig (heavy)
zwaar
X+ >1,24 >116 (extreme) extreem (Very heavy) Zeer zwaar
Onze aardbeving simulator moet dus vooral een horizontale beweging maken om de ‘Love-golf’ na te bootsen. De horizontale beweging moet in de vorm van een ellips. Omdat de Love-golf het belangrijkst is en het te moeilijk wordt om een rayleighgolf na te bootsen, laten we het hierbij. De amplitude van onze aardbevingsimulator maken we 1 cm, wat op ons schaal model overeenkomt met de werkelijkheid. De sterkte van onze aardbeving kunnen we aanpassen door de snelheid aan te passen, waardoor de PGA en PGV verandert.
Wat gebeurt er met een gebouw tijdens een aardbeving?
Bij een aardbeving gaat de grond hevig schudden en hierdoor gaan de gebouwen die op deze grond staan mee schudden met de grond. Als het een woonhuis is zal het gebouw heel anders reageren dan als het een wolkenkrabber van 50 verdiepingen is. In dit hoofdstuk gaat het over een normaal huis, een flat en infrastructuur .
Wat gebeurt er met een huis tijdens een aardbeving?
Met een woonhuis kan het 2 kanten op gaan tijdens een aardbeving. Het kan aan de ene kant totaal verwoest worden, of het kan lichte schade krijgen. De grootste schade bij een woonhuis is meestal dat een grote muur die het hele huis ondersteunt breekt of scheurt. Als dit gebeurt kan het huis niet het gewicht van zijn eigen dak houden en zal in storten. Meestal blijven de kleinere woningen tijdens een aardbeving staan omdat ze in verhouding veel minder last hebben van de aardbeving. De aarde onder hen schud wel maar heeft niet de kracht om hard genoeg te schudden om de bovenste verdieping en/of de muren te slopen. Wat er tijdens een aardbeving wel vaak gebeurt is dat het er aan de buiten- kant heel erg kapot uit ziet. Bijvoorbeeld door hele grote scheuren in het huis, en grote delen van de muren die los hangen. Van binnen zijn dan alleen de meubels en de voorwerpen die niet vast zaten gevallen en kapot, het dak is bijna altijd nog heel.
Wat gebeurt er met een wolkenkrabber tijdens een aardbeving?
Tijdens een aardbeving gaan meestal, in grote gebouwen, de muren bewegen totdat ze op een gegeven moment de krachten niet meer aan kunnen en breken. Bij flats/wolkenkrabbers is dit net iets anders. Door de kracht van de aardbeving gaat de boven kant van de flat sneller zwaaien dan de onderkant. Hierdoor komt er in het midden van de
flat veel meer krachten vrij dan onder in. Hierdoor kunnen flats die van beton zijn gemaakt doormidden breken. Dit gebeurt als de krachten van de beving zo sterk zijn dat de bovenkant van de flat zo snel beweegt dat de muur deze krachten niet meer kan compenseren en breekt. Als dit in een woning gebeurt is het al rampzalig, als dit tijdens een aardbeving in een flat gebeurd hebben de mensen in de flat weinig tot geen kans op te ontsnappen. Onderzoekers hebben tegenwoordig veel nieuwe manieren gevonden om dit tegen te gaan. Hierdoor is de kans dat een flat tegenwoordig niet snel zal instorten.
Wat gebeurt er met de infrastructuur van een land tijdens een aardbeving?
Tijdens een aardbeving blijven de wegen vaak heel of raken licht beschadigt. De meeste schade aan wegen zal komen door naar beneden vallend puin van gebouwen naast de weg. Als de aardbeving een sterkte heeft van minimaal 6.7 op de Schaal van Richter is de kans veel groter dat ook de wegen compleet verwoest zullen raken. Dit komt omdat asfalt maar een heel klein deel van de kracht kan opnemen. Dit komt omdat het een materiaal is dat niet ontworpen is om krachten op te nemen, alleen maar om over te rijden.
Een heel ander verhaal zijn spoorwegen. Bij een aardbeving met een kracht van 4.7 op de Schaal van Richter raken spoorwegen zwaar beschadigd. Dit komt doordat spoorrails honderden kilometers lang aan elkaar vast zitten. Een groot deel van de rails heeft wel last van de aardbeving en een deel staat stil. Dit levert extra veel spanning op, hierdoor breekt de rails vaak en snel.
Het allergrootste gevaar tijdens een aardbeving is een brug of een tunnel. Deze kunnen maar een klein deel van de kracht van de aardbeving terug sturen naar de grond. Dit komt bij een brug doordat deze met een klein deel vast staat op de grond. Bij tunnels ligt het meer voor de hand. Ze zitten er midden in en hebben dus meer last van de aardbeving. Een van de grootse rampen door het instorten van een weg is in San Francisco in 1989.
In San Francisco waren veel 2 verdiepingsnelwegen zoals de Embarcadero Freeway. Links is te zien hoe de weg eruit zag voor de aardbeving, rechts is te zien wat er na de aardbeving van 7.1 op de Schaal van Richter over is van de weg. Van de mensen die op de onderste weg reden hebben er maar 6 de aardbeving overleefd. Er is ook onder het puin een auto gevonden die samengedrukt was tot 4 cm dikte. De meeste van deze snelwegen zijn niet meer opgebouwd na de aardbeving.
Welke materialen kan je het best gebruiken voor het bouwen van een gebouw dat dicht bij een breuklijn ligt?
Er bestaan heel veel verschillende materialen om een gebouw te maken, maar niet elk materiaal is even geschikt om op elke plek een gebouw te maken. Beton is heel erg sterk maar tijdens een aardbeving neemt het bijna geen energie op en zal het breken. Gewapend beton is al veel sterker en kan iets meer energie op nemen dan gewoon beton, het zal minder snel breken maar uiteindelijk breek het wel. Het gebouw heeft met gewapend beton wel een grotere kans om te blijven staan want je hebt altijd nog het skelet van ijzer.
In heel veel landen maken ze een huis van hout. Ze maken een skelet van hout en metselen hier een stenen muur tegen aan, deze muur is alleen maar voor de sier en levert geen bijdrage aan het opnemen van de energie van de aardbeving. Het houten skelet neemt wel energie op van de aardbeving. Zelfs meer energie dan een skelet van beton omdat hout nog een beetje mee kan veren met de golven van de aardbeving en beton totaal niet.
We hebben op internet gevonden dat je in Derde Wereld landen bamboe kan gebruiken om aardbeving bestendige
huizen te bouwen. Het is een sterk, goedkoop en flexibel product. Hierdoor is het een heel goed bouwmateriaal in landen waar de meeste mensen niet zo rijk zijn en waar ze vaak te maken hebben met aardbevingen. Het enige nadeel is dat bamboe niet heel lang mee gaat als je het bloot stelt aan de elementen. Als je het pleistert gaat het al veel langer mee en is het onderhoud van het bamboe veel minder geworden. Er is ook heel weinig energie nodig om bamboe te winnen in de natuur.
Hoeveel energie is er nodig voor de productie van een vierkante meter wandmateriaal in de Derde Wereld Materiaal Specificaties Dikte Energie (MJ)
Baksteen Gemetseld 100 mm 1110 Betonblokken Gemetseld 100 mm 240 Leem Zon Gedroogd 300 mm 12
Houten planken Op een regelwerk 20 mm 48
Glasgevel Met aluminumstijlen 5 mm tot 30 mm 500
Bamboe Gevlochten, op bamboe-stijlen 10 mm tot 30 mm 24 Bamboe Aan bijde zijden gepleisterd 20 tot 40 mm 96 Materiaal Levensduur onderhoud
Baksteen Lang Geen
Betonblokken Lang Nauwelijks Leem(gedroogd) Redelijk Vrij veel Hout Kort Veel
Glas en aluminium Lang Weinig Bamboe Kort Veel
Bamboe ( gepleisterd) Lang weinig
Gebouwen van Piepschuim
In Pakistan zijn ze sinds 2005 bezig met het bouwen van gebouwen van piepschuim. Ze zijn nu klaar met het bouwen van negen basisscholen en twee middelbare scholen in het gebied ten noorden van de stad Islamabad. In dit gebied zijn er regelmatig zware aardbevingen. Alle gebruikte materialen worden door lokale fabrieken gemaakt. De scholen worden gebouwd door plaatselijke bedrijven.
Dit is dus een bijkomend voordeel voor de bevolking, ze krijgen niet alleen goede huizen maar er is ook meer werkgelegenheid.
De bouw van gebouwen van piepschuim.
De gebouwen moeten minimaal een aardbeving met een kracht van 8 op de Schaal van Richter kunnen weerstaan.
De gebouwen worden op dezelfde manier als traditionele exemplaren gebouwd maar er worden in het binnenste raamwerk foamplaten gestopt, die worden aan beide kanten bespoten met een cementpap, (dit is gewoon hele dunne cement). Uit onderzoeken is gebleken dat deze gebouwen geschikt zijn om aardbevingen van 8 en hoger te kunnen doorstaan.
Als het gebouw eenmaal instort door een sterkere aardbeving heb je nog steeds een grotere kans om te overleven. De brokstukken die van het dak en van de muren naar beneden vallen zijn immers veel lichter dan beton, het is een groot verschil of je een blok beton of een blok piepschuim op je hoofd krijgt.
Het bouwen van een huis met piepschuim is niet duurder dan het gewoon bouwen met beton. Door het gebruik van
piepschuim is er veel minder tijd nodig voor de bouw. Ook is gebleken dat het piepschuim de huizen veel beter isoleert dan het gebruik van gewone bouwmaterialen.
De toekomst van piep schuimen gebouwen.
In de toekomst willen de ontwerpers van de piepschuim gebouwen de lokale bevolking opleiden zodat ze zelf de gebouwen kunnen onderhouden en opbouwen als dat nodig mocht zijn. Men werkt er ook aan om de gebouwen zo te ontwerpen dat ze tegen hele sterke wind bestand zijn. Hierdoor kunnen de woningen dan ook gebruikt worden als stormbunker in orkaangebieden.
Super sterk bouwmateriaal gemaakt in Japan.
Onderzoekers in Japan hebben een super buigzaam metaal ontwikkeld dat tegen grote krachten kan. Het is een mix van nikkel en een legering op basis van ijzer. Het metaal is zo elastisch dat het niet zal breken maar ombuigen als je er een grote kracht op uitoefent.
Als men dit gebruikt in combinatie met beton wordt het bijvoorbeeld een heel sterke muur die de grootste gebouwen staande kan houden tijdens een aardbeving.
Het metaal kan elke vorm aannemen bij temperaturen tussen de -196 en de 240 graden Celsius. Het is een geschikt bouwmateriaal omdat het heel erg goedkoop is en het kan in alles gebruikt worden van gebouwen tot vliegtuigen tot ruimteschepen. Het metaal is nog nergens verkrijgbaar omdat het nog steeds verbeterd word.
Wat zijn technieken om een gebouw aardbevingbestendig te maken?
Zo’n negentig procent van de kracht die een aardbeving uitoefent op een gebouw wordt terug gekaatst, maar de overige tien procent kan nog steeds schade aanrichten. Soms is het gebruik van aardbevingbestendige materialen en constructies niet voldoende om een gebouw een aardbeving te laten overleven. Stel je hebt een wolkenkrabber van 100 verdiepingen hoog, dan moet je ervoor zorgen dat dit gebouw niet te veel heen-en-weer slingert tijdens een aardbeving. Anders heb je de kans dat het gebouw omvalt of breekt en het is dan ook niet fijn om op de bovenste verdieping te zijn. Ook zijn sommige aardbevingen gewoon te sterk voor een gebouw, dan moet ervoor worden gezorgd dat een deel van de kracht wordt opgevangen. Dit moet dan worden opgelost door speciale technieken in te bouwen die voor een tegenkracht zorgen, de kracht te verspreiden, kracht te reflecteren of een deel van de kracht te absorberen.
Alle technieken om een gebouw aardbeving bestendig te maken kunnen in drie soorten systemen worden verdeelt.
Passieve, actieve en semiactieve systemen.
Passieve systemen zijn vooraf ingesteld, zoals vering. Passieve systemen hebben relatief weinig onderhoud nodig en zijn betrouwbaar. Een nadeel van passieve systemen is dat ze zich niet kunnen aanpassen aan de heftigheid van een aardbeving, dit kunnen actieve systemen wel.
Actieve systemen werken op een energiebron en kunnen zich aanpassen aan de omstandigheden door middel van sensoren en een computer. Een nadeel hiervan is dat de elektronica kan worden beschadigt tijdens een aardbeving, waardoor het systeem niet meer functioneert. Ze kosten dan ook veel en hebben veel onderhoud nodig.
Er wordt nog steeds geëxperimenteerd met semiactieve systemen, maar het belooft veel goeds. Een semiactief systeem is een combinatie van een actief en passief systeem, een semiactief systeem heeft maar weinig elektronica nodig maar kan zich alsnog aanpassen aan de omstandigheden. Als een semiactief systeem zonder energie
voorziening zit blijft het nog functioneren, het kan zich dan alleen niet meer herstellen.
Een voorbeeld van zo een semiactief systeem is de MR (Magnetorheoligcal) demper. Deze demper werkt door middel
van een magnetische vloeistof, de dichtheid van de vloeistof wordt geregeld met een elektromagnetisch veld. Als de vloeistof onder stroom wordt gezet wordt deze compacter en minder Vloeibaar. Hierdoor kan de sterkte van de demper worden geregeld zonder dat het veel energie kost.Deze demper absorbeert de kracht van de aardbeving
Een veel gebruikte passief systeem is ‘Base Isolation System’, basis isolatie systeem. Bij deze techniek wordt er voor gezorgd dat het bouwwerk (basis) is geïsoleerd van de grond. Hierdoor lijkt het alsof het bouwwerk boven de grond zweeft tijdens een aardbeving. Dit wordt bereikt door de weerstand tussen het grondvlak en de aarde zo klein mogelijk te maken. Base Isolation is al zeer oud, zeshonderd jaar voor Christus werd dit in Perzië al gebruikt. De grond en de onderkant van het voetstuk waar het huis op rust zijn glad gemaakt, waardoor er weinig weerstand was tussen de grond en het gebouw. Tegenwoordig wordt dit gedaan door een soort kogellagers of rubberen lagers tussen het gebouw en de grond te plaatsen. Deze zorgen ervoor dat de horizontale bewegingen van de aardbeving minimaal effect hebben op het bouwwerk. Isolatoren kunnen worden gebruikt op kleine structuren, zoals kasten, tot op grote overheidsgebouwen en flats. Isolatoren zijn relatief goedkoop en zeer efficiënt.
Japan ligt op een breuklijn en ondergaat elk jaar veel aardbevingen. Ondanks dat bouwt Japan veel wolkenkrabbers. Om zo een groot gebouw aardbevingbestendig te maken zijn de standaard technieken niet
voldoende. De techniek om deze gebouwen ook aardbevingbestendig te maken is de ‘Tuned Mass Damper’. Dit is een actief systeem dat werkt door het gebruik van tegenkrachten. In de bovenkant van een wolkenkrabber wordt een zwaar, groot blok beton geplaatst. Dit blok wordt tijdens de aardbeving in de tegengestelde richting van de aardbeving bewogen. Hierdoor ontstaat er een tegenkracht, computers en receptoren zorgen ervoor dat deze de dezelfde grote heeft als die van de aardbeving. Hierdoor wordt de uiteindelijk kracht die op het gebouw werkt nul.
Behalve het voorkomen van schade is het ook belangrijk dat, als er schade ontstaat aan het gebouw, er geen gevaar is voor de bewoners. Het is belangrijk dat de bewoners tijdens een aardbeving genoeg tijd hebben om te kunnen vluchten. In Duitsland bij het ‘Karlsruhe Institute of Technology’ hebben ze recent een soort behang ontwikkeld dat muren verstevigt. Het behang bestaat deels uit glasvezel en kan grote krachten ondergaan en is rekbaar. Err wordt een speciaal soort lijm gebruikt om het op te hangen. Het behang kan standaard gemetselde muren in een
aardbeving laten staan ook al is de muur gescheurd. Het behang is niet duur en is ook niet moeilijk om aan te brengen, daarom willen ze het op grote schaal gaan gebruiken.
Omdat wij bezig zijn met aardbevingbestendige huizen is een goedkoop en vrij simpel systeem het beste. Daarom hebben we het ‘Base Isolation System’ getest, uit ons onderzoek bleek dat dit goed werkte. De hevigheid van de aardbeving had weinig invloed op de constructie met het systeem. Ook lijkt het speciale behang wat is ontwikkeld in Duitsland een goede toepassing op ons uiteindelijke ontwerp.
De aardbevingsimulator
Om de aardbeving te kunnen nabootsen hebben we een aardbeving simulator gebouwd. De simulator is ontworpen om de beweging in horizontale richting te simuleren (Love golf) verticale bewegingen zijn niet gesimuleerd, dit was onmogelijk om praktisch uit te voeren.
Simulator bestaat uit:
Motor voor het maken van een roterende beweging.(foto links) Plateau voor het dragen en in beweging brengen van de gebouwen,
Hefbomen om de roterende beweging om te zetten en horizontale beweging,
Set kogels (4 stuks) om wrijving weg te nemen en bewegen van plateau mogelijk te maken.
Besturingskast om der snelheid van de beweging te regelen.
Om de bevingen te simuleren zijn er een aantal gebouwen op schaal nagemaakt.
Als onderdeel van het onderzoek is gekozen voor 3 type gebouwen:
Vorm 1 : Traditioneel woonhuis: oppervlakte groot ten opzichte van de hoogte (schaal 1:50)
Vorm 2 : flat gebouw: oppervlakte klein ten opzichte van de hoogte (schaal 1:100) Vorm 3 : piramide : oppervlakte groot ten opzichte van de hoogte (schaal 1:50)
De flat en het woonhuis zijn in hout en piepschuim gebouwd, de piramide alleen in piepschuim, dit gaf ons 5 verschillende modellen om mee te testen.
Een moeilijk punt voor deze test was de manier van bouwen van de test modellen, het materiaal hout en piepschuim was geen probleem omdat dit ook in werkelijkheid toegepast wordt, maar hoe stevig zet je het in elkaar. Als je voldoende spijkers en schroeven gebruikt zal er niets gebeuren op de simulator.
Daarom is gekozen voor een simpele benadering, alle panelen zijn met houten stokjes vast gezet, dus geen schroeven of spijkers.
Deze manier van vast maken kwam volgens ons het meest overeen met de manier van bouwen zoals we in onze omgeving ook zien.
De stokjes zijn niet alleen gebruikt voor het vastmaken van de wanden , ook zijn met deze stokjes de huizen vastgezet op het plateau.
Het testen.
Voor het testen is de volgende methode gebruikt.
We hebben eerst de huizen gemaakt van piepschuim en hout. De huizen van zijn per gebouw identiek. We hebben ze over getrokken van een mal. Er was nog wel het probleem met gewicht maar dat hebben we opgelost met het wegen van de houten gebouwen en dan met gewichten de massa’s gelijk gemaakt, hierdoor zijn de meet gegevens het zelfde.
Tijdens de proef zelf hebben we steeds het vermogen iets opgevoerd,iedere 10 seconde 1 Volt omhoog en dan kijken na hoeveel seconde het gebouw omvalt of instort. We hebben dit met ieder gebouw 2 keer gedaan en dan de gegevens gemiddeld. Hierdoor hebben we het beste resultaat gekregen.
We hebben op school met het programma coach videometen gekeken naar de uitwijking van het gebouw en dat ook opgenomen in de berekening. Het was heel handig dat wij met NLT al gebruik hebben gemaakt van coach en heeft ons heel erg geholpen.
Proef beschrijving
Voor ons onderzoek willen we proeven gaan doen met een aardbevingsimulator, omdat dit de enige manier is omdat de theorieën in praktijk te testen. Het eerste wat we moesten uitzoeken was, hoe we een aardbevingsimulator moesten maken. Daarvoor moesten we weten hoe een aardbeving werkt, dit staat uitgewerkt in het hoofdstuk “Hoe werkt een aardbeving?”. Door te kijken naar bestaande aardbevingstimulatoren en ontwerpen te maken kregen we een idee hoe we het moesten maken.
Zoals in het hoofdstuk “Hoe werkt een aardbeving?” staat is de horizontale golf het sterkst. Dus daarom hebben we onze aardbevingsimulator alleen een horizontale beweging laten maken. Omdat de proeven vrij precies moeten worden uitgevoerd, hebben we gebruik gemaakt van een elektromotor als aandrijving voor onze simulator. Door met een voltkastje de spanning te verhogen of verlagen kunnen we de frequentie van de aardbevingsimulator
beïnvloeden.
Met behulp van de mercalli schaal kunnen test resultaten uitdrukken in een schaal. Daarvoor moeten we de PGV weten. Zoals eerder beschreven in het hoofdstuk “Hoe werkt een aardbeving?”, wordt de PGV uitgedrukt in cm/s, dus snelheid: de PGV reken je uit door de frequentie x de omtrek van de cirkel, in ons geval 2π cm want onze straal is 1 cm. De formule voor de omtrek van een cirkel is 2πr (r=de straal). De PGV (snelheid) is dus de frequentie maal de omtrek van de cirkel.
Volt Frequentie PGV Mercalli Resultaten 3 1/6 1,05 3,9 Gebouwen intact
4 0,5 3,15 4,8 Piepschuimen flat kapot 5 1 6,3 5,5 Geen verdere ontwikkeling
6 1,5 9,4 6,3 Piepschuim huis ging kapot, houten flat viel om 7 2 12,6 6,6 piramide
8 2,5 15,7 6,8 Geen verdere ontwikkeling 9 3 18,9 7,1 Houten huis kapot
Want:
Sterkte (gebaseerd op de Mercalli schaal) PGA (g) PGV (cm/s) Waargenomen Potentiële Schade I Niet gevoeld (none)
geen
II-III 0,0017-0,014 0,1-1,1 (weak) zwak (none)
geen
IV 0,014-0,039 1,1-3,4 (light) Licht (none)
geen
V 0,039-0,092 3,4-8,1 (moderate) matig (very light)
zeer licht
VI 0,092-0,18 9,1-16 (strong) sterk (light)
licht
VII 0,18-0,34 16-31 (very strong) Zeer sterk (moderate)
matig
VIII 0,34-0,65 31-60 (severe) Streng (moderate to heavy) Matig tot zwaar
IX 0,65-1,24 60-116 (violent) heftig (heavy)
zwaar
X+ >1,24 >116 (extreme) extreem (Very heavy) Zeer zwaar
Hier uit kan je concluderen dat het houten huis en de houten flat sterker zijn dan het piepschuimen huis en de piepschuimen flat, dit was tegen onze verwachting en de theorie in. We denken dat dit komt doordat het
piepschuimen huis en de piepschuimen flat minder sterke verbindingen hadden. We zagen dat de hoeken waar de verbindingen zaten als eerst braken.
De piramide bleef wel langer staan dan het piepschuimen huis en de flat. Dit komt doordat de piramide bestaat uit driehoeken en die zijn sterker dan vierkanten die in het huis en de flat zitten, en het zwaarte punt lager ligt.
We hebben ook nog een ‘base isolation system’ getest.We hebben hierbij niet gebruik gemaakt van één van de gebouwen, omdat deze niet zwaar genoeg waren. We hiervoor drie bakstenen op elkaar gestapeld op een plank.
Door kogeltjes tussen de plank en de grond te plaatsen hebben we een versimpelde versie van een ‘base isolation system’ gemaakt. (foto) We hebben de constructie, van de bakstenen en de plank een keer zonder het systeem getest en een keer met. Tijdens de proef zonder het systeem stortte het al op IV van schaal van mercalli in en met het systeem kwam het tot VI. Daaruit kunnen we concluderen dat een ‘base isolation system’ werkt.
Conclusie
Door de verschillende grote onderzoeken in de afgelopen 5 jaar zijn we veel meer te weten gekomen over
aardbevingen. Wat we vooral geleerd hebben is hoe we moeten omgaan met de krachten die een aardbeving met zich mee brengt. Door vele onderzoeken weten we beter hoe we er voor kunnen zorgen dat een gebouw niet kan instorten en dat er zo min mogelijk schade is aan gebouwen en infrastructuur. Door de vele nieuwe technieken die er door de jaren heen zijn ontwikkeld zullen er bij aardbevingen in de toekomst minder doden en gewonden vallen. Met name door nieuwe technieken in de bouw van het gebouw zelf en door nieuwe materialen die nog steeds worden ontwikkeld en verbetert, in de hele wereld.
In veel landen die aan een breuklijn liggen worden subsidies uitgereikt aan onderzoekers die nieuwe technieken kunnen ontwikkelen om te voorkomen dat er grote aantallen mensen overlijden tijdens een aardbeving.
Bij ons experiment hebben we gebruik gemaakt van de zogenaamde love-golf. Dit is de aardbevingsvorm die de meest schade veroorzaakt en het makkelijkste te simuleren is.
Door ons eigen onderzoek zijn we er achter gekomen dat voor een huis een piramidevorm de sterkste woning oplevert. Voor een flat was het heel moeilijk om te zien of er verschil was tussen de flat van piepschuim en die van hout. We hebben eerst de massa’s gelijk gemaakt en hierna gekeken welke als eerste omviel of kapot ging, ze gingen beide rond de zelfde kracht neer.
Onze hoofdvraag was: Hoe bouw je efficiënt een aardbevingsbestendig gebouw?
Ons antwoord daarop is: dit kan bereikt worden door verschillende factoren.
• Door gebruik te maken van de juiste materialen zoals piepschuim en veerbaar hout.
• Door verschillende technieken te gebruiken die de kracht van de beving absorberen, zoals het door ons gebruikte
Base Isolation System.
• Een laag zwaarte punt, door bevoordeeld een piramide vorm te maken.
Deze 2 punten kunnen op grote schaal vrij goedkoop en op grote schaal geproduceerd worden. Hierdoor is het erg handig in aardbeving gevoelige landen.
Tijdens het project is wel naar voren gekomen dat het uitvoeren van een simulatie toch wel heel moeilijk is. Het doel is zo dicht mogelijk bij de werkelijkheid te komen.
Eén moeilijkheid was de simulatie van de aardbeving, de andere was hoe maken we een schaalmodel dat dezelfde eigenschappen heeft als een bestaand gebouw. Het maken van de gebouwen was eenvoudig. De keuze van de materialen was ook snel duidelijk. De sterkte van het gebouw en het maken van de verbindingen was wel moeilijk.
We vinden wel dat de test resultaten een beter inzicht gegeven hebben.
Bronnen
http://www.kennislink.nl/publicaties/dossier-aardbevingen
http://cse.ssl.berkeley.edu/lessons/indiv/davis/hs/Seismograph.html
http://www.cobouw.nl/nieuws/algemeen/2011/04/18/176-trillingsisolatoren-maken-ziekenhuis-aardbevingbestendig http://www.kennislink.nl/publicaties/bamboe-als-bouwmateriaal
http://www.kennislink.nl/publicaties/dossier-aardbevingen
http://cse.ssl.berkeley.edu/lessons/indiv/davis/hs/Seismograph.html
http://www.volkskrant.nl/vk/nl/2672/Wetenschap-Gezondheid/article/detail/2460393/2011/07/01/Nieuw-Japans- metaal-mogelijk-aardbevingbestendig.dhtml
http://environment.nationalgeographic.com/environment/natural-disasters/forces-of-nature/
http://www.cobouw.nl/nieuws/algemeen/2011/04/18/176-trillingsisolatoren-maken-ziekenhuis-aardbevingbestendig http://www.bouwenwonen.net/news/read.asp?id=7315
http://tlc.discovery.com/convergence/quakes/interactives/makeaquake.html http://www.hoehetwerkt.nl/index.php/Aardbeving#Trillingen_van_aardbevingen http://www.de-aarde.com/binnenste-van-de-aarde/seismische-golven
http://nl.wikipedia.org/wiki/Seismische_golf
http://nl.wikipedia.org/wiki/Schaal_van_Richter http://nl.wikipedia.org/wiki/Lovegolf
http://home.kpn.nl/vanadovv/Aardbev.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Peak_ground_acceleration http://www.maurer-soehne.nl/content/glij-oplegging
http://www.ti.kviv.be/10AKCEUROCYCLUS/public/beelden/AardbevingsbestendigBouwen_HIB2_april2011.pdf http://www.sciencelearn.org.nz/Contexts/Earthquakes/Looking-Closer/How-do-base-isolators-work
http://en.wikipedia.org/wiki/Earthquake_engineering
http://www.brighthub.com/engineering/civil/articles/44657.aspx http://www.engr.uconn.edu/~aly/CV/Thesis_Aly_Mousaad.pdf http://www.earthquakeprotection.com/product2.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_damper
http://www.refdag.nl/achtergrond/techniek/behang_voorkomt_instorten_muur_tijdens_aardbeving_1_609929 http://www.nujij.nl/gezondheid/aardbevingsbestendige-huizen.14188524.lynkx#axzz1lPBXOAS1
http://www.kennislink.nl/publicaties/bamboe-als-bouwmateriaal
http://www.volkskrant.nl/vk/nl/2672/Wetenschap-Gezondheid/article/detail/2460393/2011/07/01/Nieuw-Japans- metaal-mogelijk-aardbevingbestendig.dhtml
http://environment.nationalgeographic.com/environment/natural-disasters/forces-of-nature/
http://www.bouwenwonen.net/news/read.asp?id=7315 http://san-francisco-tips.com/aardbeving-in-san-francisco/
http://en.wikipedia.org/wiki/California_State_Route_480/
www.keesfloor.nl
aardbevingen en vulkanen - Bill McCuire Gebruikt door ons allebei:
Quest december 2011
National Geographic februari 2012
Krantenberichten over verschillende aardbevingen via internet; zoals Nu.nl, NRC.nl; nrcnext.nl, Telegraaf.nl,
National Geographic Channel tv uitzendingen Ancient Megastructures X-Ray Earth
Disaster Earth
Discovery Channel – Smash Lab
