Bijlage 20. 1288572 - Bijlage 15 bij Omgevingsplan: Trillingsonderzoek t.b.v. nieuwbouw Vestersbos Zevenaar

<

Auteur

Jisca Diederik

Controle en vrijgave

Pieter Boon pieter@we-boost.nl +31 6 10 03 94 54

Projectcode

WBD2024-042

Versienr

1.0

Datum

11 oktober 2024

Status

Definitief

Opdrachtgever

Gemeente Zevenaar

<

Voor dit onderzoek is gebruik gemaakt van metingen van

© We-Boost 2024 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van We-Boost.

> Op de locatie van de voormalige technische school in Zevenaar aan de Vestersbos wordt nieuwbouw ontwikkeld. De woningen worden gerealiseerd in de buurt van de spoorlijn Arnhem Zevenaar - Emmerich/Doetinchem.. Daardoor kunnen trillingen van treinverkeer als hinderlijk worden ervaren. Doel van het voorliggende onderzoek is om vast te stellen of er sprake zal zijn van trillingshinder in de geplande woningen, en zo ja, met welke maatregelen een aanvaardbaar woon- en leefklimaat kan worden gegarandeerd (e.e.a. conform de Omgevingswet (art. 4.2), waar gesproken wordt over een 'evenwichtige toedeling van functies aan locaties'). Voor het beoordelen van mogelijke trillingshinder maken we gebruik van de streefwaarden uit de SBR Brichtlijn. Deze streefwaarden zijn voorkeurswaarden, waarbij het streven moet zijn om de trillingen in de beoogde bebouwing te laten voldoen aan deze waarden. In dit onderzoek is met behulp van metingen op de bouwlocatie en modelberekeningen onderzocht wat de trillingen zullen zijn in de toekomstige bebouwing. Hierbij volgen we de aanpak zoals voorgeschreven in de Handreiking Nieuwbouw en Spoortrillingen van het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat.

Uit dit onderzoek volgt dat met name in de zuidwesthoek van het plangebied overschrijdingen van het beoordelingskader voor trillingshinder mogelijk zijn tot een afstand van ca. 65 meter van het spoor (grondgebonden woningen 7 meter hoog, zie figuur rechts)) en 50 meter (appartementen 12 meter hoog), of als gekozen wordt voor houtskeletbouw (hele plangebied) of transformatie van het bestaande gebouw aan de Stationsstraat (hele gebouw).

Voor de verdere uitwerking van de plannen adviseren we het volgende (in aflopende prioritering): 1.

Vermijd houtskeletbouw in het hele plangebied, om te hoge trillingen te voorkomen, of tref maatregelen (zoals een zwaardere fundering, een trillingsscherm tussen spoor en gebouwen of trillingsisolatie in de fundering). 2. Pas een zware fundering toe bij grondgebonden woningen tot 65 meter van het spoor, en bij appartementen tot 50 meter van het spoor. In dit onderzoek is gerekend met een paalfundering van 7 meter lang, Ø 350 mm, hierbij geldt dat langere en dikkere palen zorgen voor lagere trillingen. Nog effectiever is een combinatie van een betonplaat (gerekend is met 500 mm dikte, maar kan ook dunner tot 300 mm) en palen, maar dit is niet noodzakelijk om

te voldoen aan de streefwaarden voor trillingshinder. In de genoemde zones dient een fundering op staal te worden vermeden. 3. Zorg voor een stijve vloerconstructie als de onder 1. en 2. genoemde maatregelen niet mogelijk zijn. Bij een eigenfrequentie boven de 15 Hz (wat kan worden gerealiseerd met korte vloeroverspanningen en relatief dikke vloeren) is een zware fundering niet nodig. Als het bestaande gebouw wordt getransformeerd naar appartementen, dan geldt dat hier sprake is van incidentele overschrijdingen van het beoordelingskader (ca. 1 overschrijding per nacht, overdag en in de avond wordt wel voldaan aan de (dan soepeler) streefwaarden voor trillingshinder. In dit bestaande gebouw zijn maatregelen niet goed mogelijk, om te voldoen aan het beoordelingskader ligt een maatregel in de bodem, tussen spoor en gebouw, het meest voor de hand. Gelet op de bodemopbouw en de maatgevende trillingsfrequenties kan dan worden gedacht aan een trillingsscherm van EPS (piepschuim, ca. 1 meter breed, minimaal 5 meter diep) of het bekleden van de fundering van het gebouw met minimaal 200 mm dik rubber. Samengevat geldt het volgende: Type gebouw

Type constructie

Type fundering

Toets ontwerp nodig?

Grondgebonden woningen

Kalkzandsteen, metselwerk of beton

Op staal

< 65 meter van spoor

Kalkzandsteen, metselwerk of beton

Op palen

Nee

Houtskeletbouw

Alle

Hele plangebied

Kalkzandsteen, metselwerk of beton

Op staal

< 50 meter van spoor

Kalkzandsteen, metselwerk of beton

Op palen

Nee

Houtskeletbouw

Alle

Hele plangebied

Appartementen nieuw

Appartementen transformatie

Ja

Door rekening te houden met bovenstaande adviezen, is te voldoen aan de streefwaarden voor trillingshinder uit de SBR B-richtlijn, en is sprake van een aanvaardbaar woon- en leefklimaat en een evenwichtige toedeling van functies aan locaties t.a.v. het aspect trillingen door treinverkeer.

4

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

1. 1.1.

Aanleiding

8

1.2.

Doel

8

1.3.

Onderzoeksmethode

9

1.4.

Leeswijzer

9

2.1.

Situatie

11

2.2.

Uitgangspunten

12

3.1.

Trillingen en wetgeving

15

3.2.

Beoordelingskader trillingshinder

15

3.3.

Rekenmethode

16

4.1.

Meetresultaten

21

4.2.

Trillingen in geplande gebouwen

21

4.3.

Conclusies en Advies voor maatregelen

23

II.1

Trillingsmeting

29

II.2

Gegevens treinpassages

30

II.3

Bepalen verschillen tussen meetpunten

30

II.4

Opstellen bodemmodel

31

II.5

Bepalen trillingsspectra t.p.v. randen gebouw

31

II.6

Opstellen gebouwmodel

31

2.

3.

4.

I. II.

5

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

II.7

Bepalen trillingsspectra t.p.v. fundering gebouw

36

II.8

Bepalen trillingsspectra t.p.v. vloeren gebouw

36

II.9

Bepalen Vmax en Vper t.p.v. vloeren gebouw

37

II.10

Omgaan met onzekerheden

38

II.11

Validatie van het rekenmodel

39

III.1

Gegevens metingen

45

III.2

Resultaten metingen

46

III.

6

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

1.

In dit hoofdstuk geven we een korte omschrijving van de inhoud van dit onderzoek: de aanleiding, het doel van het onderzoek en een beknopte leeswijzer om informatie snel te kunnen vinden.

1. 1.1. Op de locatie van de voormalige technische school in Zevenaar aan de Vestersbos wordt nieuwbouw ontwikkeld. De woningen worden gerealiseerd in de buurt van de spoorlijn Arnhem Zevenaar - Emmerich/Doetinchem, zie Figuur 1. Daardoor kunnen trillingen van treinverkeer als hinderlijk worden ervaren.

Figuur 1 Plangebied

1.2. Doel van dit onderzoek is om vast te stellen of er sprake zal zijn van trillingshinder in de geplande bebouwing, en zo ja, met welke maatregelen deze hinder is te voorkomen. Hiervoor maken wij een nauwkeurige predictie van de trillingen in de geplande bebouwing, conform de in de Handreiking Nieuwbouw en Spoortrillingen omschreven aanpak. Omdat de constructie van de gebouwen nog niet vaststaat, doen we dat voor meerdere types uitwerkingsvarianten. De berekende trillingen toetsen we aan het van toepassing zijnde beoordelingskader. Als we overschrijdingen van het beoordelingskader verwachten, dan geven we aan met welke constructieve randvoorwaarden of maatregelen kan worden voldaan aan de streefwaarden uit het beoordelingskader.

8

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

1.3. Voor het berekenen van de trillingen in gebouwen is geen algemeen voorgeschreven rekenmodel beschikbaar. Daarom gebruiken onderzoeksbureaus eigen rekenmodellen en/of methodieken. Grofweg zijn er drie types rekenmodellen: 1.

Empirische formules, waarbij de trillingen op basis van vaak relatief grove, op de praktijk gebaseerde overdrachten worden bepaald. Dit type rekenmodel is vooral bruikbaar in standaardsituaties, maar schiet tekort bij meer complexe gebouwen en situaties. 2. Analytische rekenmodellen, waarbij gebruik wordt gemaakt van theoretische formules om de eigenschappen van een gebouw te berekenen. De nauwkeurigheid kan hoger zijn dan bij empirische formules, maar er zijn geen analytische formules om de meer complexe trillingsbewegingen van een gebouw te beschrijven. 3. Eindige elementenmodellen, waarbij het gebouw in detail wordt gemodelleerd en de modelleur aannames doet over bijvoorbeeld de eigenschappen van materialen en hun gedrag. Met deze methode zijn details in gebouwgedrag goed inzichtelijk te maken. Elk model heeft voor- en nadelen, zie ook Bijlage II van dit rapport. De eerste twee methodes hebben als belangrijkste nadeel dat ze details van het trillingsgedrag missen, de laatste methode is zeer gevoelig voor de gebruikte input en leidt zonder koppeling met praktijkresultaten vaak tot sterke afwijkingen.

Daarom heeft We-Boost bij dit onderzoek ervoor gekozen om een semi-empirisch rekenmodel te gebruiken, waarbij we de sterke kanten van deze drie methodes combineren in een uniek rekenmodel met een bewezen hoge betrouwbaarheid: we combineren de match met de praktijk van de empirische formules, de snelheid en accuratesse van de analytische formules en de details van de eindige elementenmodellen. Het grote voordeel van dit rekenmodel is de hoge betrouwbaarheid: uit evaluatiemetingen blijkt dat het gebruikte rekenmodel door de kalibratie met praktijkdata een nauwkeurigheid heeft die in de meeste gevallen significant beter is dan een standaard, niet met praktijkdata gekalibreerd Eindige Elementenmodel. Dat komt doordat de resultaten van het gebruikte rekenmodel gebaseerd zijn op werkelijke (as-built) data, terwijl een Eindige Elementenmodel zeer gevoelig is voor de gebruikte input t.a.v. bijv. demping en stijfheden. In Bijlage II gaan we nader in op de validatie van het rekenmodel.

1.4. Wij beschrijven de situatie in het onderzoeksgebied en de uitgangspunten in hoofdstuk 2. In hoofdstuk 3 lichten we het beoordelingskader en de gevolgde rekenmethodiek toe. Met behulp van de uitgangspunten berekenen we de trillingen in de woningen op basis van de gemeten trillingen en de eigenschappen van de gebouwen. Het resultaat van deze stap wordt in hoofdstuk 4 beschreven. Ook beschrijven we hier in welke zones rekening dient te worden gehouden met trillingen bij de verdere uitwerking van het plan, en als dat het geval is, welke randvoorwaarden of maatregelen dan nodig zijn om te voldoen aan het beoordelingskader. De bijlages bevatten technische informatie van het onderzoek, zoals een toelichting op de rekenmethodiek en grondonderzoek van nabijgelegen locaties.

9

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

2.

In dit hoofdstuk wordt een toelichting gegeven op de beoogde toekomstige situatie en worden de uitgangspunten van het onderzoek weergegeven.

2

2. 2.1. Het plangebied bestaat momenteel uit een technische school. De meeste gebouwen worden gesloopt, van een deel van de gebouwen (hoofdgebouw aan de Stationsstraat) is dit nog niet zeker, mogelijk blijft dit gebouw behouden en wordt het getransformeerd naar woningen. Alternatief is sloop van dit gebouw en het realiseren van appartementen van maximaal 4 bouwlagen. Verder worden er tweelaagse grondgebonden woningen gerealiseerd, waarvan de exacte locatie nog niet vaststaat. De bestaande en geplande bebouwing is weergegeven in Figuur 2.

Figuur 2 Huidige en toekomstige bebouwing rond de planlocatie

De bebouwing is gepland op een afstand van ca. 28 meter tot het spoor. De rijsnelheid en het aantal treinen per uur per richting zijn weergegeven in Tabel 1. Deze gegevens zijn gebaseerd op het Geluidsregister Spoor en gegevens van de vervoerders. Door het project RegioExpres zal het aantal doorgaande reizigerstreinen op werkdagen overdag met 1 per uur per richting toenemen. Volgens de Integrale Mobiliteitsanalyse spoor (IMA 2021) gaat het aantal goederentreinen (met name op de verder weg gelegen, ondergrondse Betuweroute, toenemen van de huidige ca. 81 per dag (beide richtingen samen) naar 124 tot 141 per dag in 2040. In de berekeningen is deze toename van het treinverkeer meegenomen.

11

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

Tabel 1 Treinen, rijsnelheid en aantal treinen per uur per richting (gemiddeld, per richting) Type trein

Rijsnelheid

dag (7:00 – 19:00)

avond (19:00 – 23:00)

nacht (23:00 – 7:00)

Sprinter

40 - 70 km/h

5.00

3.25

1.19

Intercity

130 km/h

0.50

0.38

0.00

80 - 90 km/h

1.56

2.35

1.56

Goederentrein

Andere trillingsbronnen, zoals wegverkeer, zullen gezien de afstand tot de bebouwing en de vlakke wegopbouw naar verwachting niet voor voelbare trillingen zorgen in de geplande bebouwing. Wegverkeer is dan ook niet nader kwantitatief beschouwd in dit onderzoek.

2.2. Voor dit onderzoek is gebruik gemaakt van een aantal uitgangspunten. In het volgende hoofdstuk wordt toegelicht hoe deze uitgangspunten zijn verwerkt in de berekeningen. 2.2.1. Voor het uitvoeren van de berekeningen is gerekend met de meest actuele versie van het bouwplan, waarin uitsluitend bouwvlakken en maximumhoogtes zijn weergegeven, zie Figuur 2.. Er is nog geen uitgewerkt constructief ontwerp beschikbaar. Daarom zijn in dit onderzoek meerdere constructieve uitwerkingsvarianten beschouwd. De belangrijkste kenmerken zijn weergegeven in Tabel 2. Het rekenmodel voor de bebouwing is hierop gebaseerd. Tabel 2 Eigenschappen bebouwing Parameter

Eigenschappen

Vloertype

Grondgebonden woningen: •

Kanaalplaatvloer 200 en 260 mm, met 70 mm zandcement dekvloer

•

Breedplaatvloer 200 en 250 mm, met 70 mm zandcement dekvloer

Appartementen: •

Kanaalplaatvloer 260 en 320 mm, met 70 mm zandcement dekvloer

•

Appartementenvloer 260 mm, met 70 mm zandcement dekvloer

•

Breedplaatvloer 250 en 310 mm, met 70 mm zandcement dekvloer

Hoogte

2 bouwlagen (grondgebonden woningen) of 4 bouwlagen (appartementen)

Lengte vloerveld

Onbekend, meerdere varianten beschouwd tussen de 4.8 en 8.0 meter

Constructietype

Meerdere varianten:

Fundering

•

Kalkzandsteen binnenblad en woningscheidende wanden, afwerking metselwerk

•

Beton (prefab en i.h.w.g.), diverse dikte

•

Houtskeletbouw

Meerdere varianten: •

Op staal

•

Op palen (7 m lang, Ø 350 mm)

2.2.2. Voor gegevens van de ondergrond is gebruik gemaakt van de boringen en sonderingen uit de omgeving van het plangebied. Deze gegevens zijn gebruikt om de bodemopbouw te modelleren. 12

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

De bodemopbouw heeft invloed op hoe de trillingen uitdempen met de afstand, en op hoe de gebouwen reageren op trillingen. 2.2.3. Zoals te zien in Figuur 3 zijn door Alcedo metingen uitgevoerd. Het gaat hierbij om meetpunten op maaiveld in het plangebied, en één meetpunt aan de fundering van het bestaande gebouw. De metingen zijn uitgevoerd tussen 26 september en 3 oktober 2024. Er was geen sprake van een verstoring in de treindienst, de trillingen zijn dus gemeten tijdens een representatieve periode. De meting heeft een meetduur van ruim een week, conform de eisen uit de SBR B-richtlijn, om de trillingen van de treinen betrouwbaar vast te leggen. Op een aantal meetpunten is korter gemeten, deze meetpunten zijn gebruikt om de (frequentie-afhankelijke) verhouding tussen die specifieke meetpunten en het meetpunt van een week vast te leggen. Zo ontstaat inzicht in het effect van de variatie van de trillingen in het plangebied. Vervolgens is die verhouding gebruikt om de trillingen op alle meetpunten over de hele meetduur vast te stellen (methode conform RIVAS en CargoVibes onderzoeken). De metingen zijn uitgevoerd met FrogWatch trillingsmeters, die voldoen aan de eisen uit de SBR-richtlijnen1. Verdere gegevens over de metingen zijn opgenomen in bijlage III van dit rapport.

Figuur 3 Meetpunten

1

Zie een uitgebreide toelichting van de specificaties op https://www.frog.watch/facts/. Er wordt uitsluitend gebruik gemaakt van sensoren die voldoen aan de kalibratie-eisen uit de SBR B-richtlijn.

13

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

3.

In dit hoofdstuk geven wij een toelichting op het beoordelingskader en de gebruikte rekenmethode.

3

3. 3.1. Er bestaat in Nederland geen wettelijk kader voor de beoordeling van trillingshinder als gevolg van weg-, spoor- en vaarverkeer in gebouwen. Wel geldt dat in het kader van een 'evenwichtige toedeling van functies aan locaties' (art. 4.2 uit de Omgevingswet (Ow)) trillingshinder (waar relevant) in kaart dient te worden gebracht en betrokken bij de afweging in het kader van het beschermen van de fysieke leefomgeving. Net als onder de vroegere Wet op de ruimtelijke ordening (Wro) zijn hulpmiddelen als de Handreiking Nieuwbouw en Spoortrillingen en de SBRrichtlijn van toepassing om mogelijke trillingshinder in kaart te brengen respectievelijk te beoordelen. Als zodanig is er voor trillingshinder ten gevolge van spoorverkeer niets veranderd onder de Ow ten opzichte van de Wro.

3.2. Op basis van jurisprudentie wordt al enkele decennia gebruik gemaakt van de SBR-richtlijn om trillingen in gebouwen te beoordelen. 2 1F0F

Deze SBR-richtlijn bestaat uit drie delen (deel A3– schade in gebouwen, deel B4 – hinder voor personen in gebouwen en deel C5 – verstoring van gevoelige apparatuur) waarvan alleen deel B voor dit onderzoek relevant is. De afstand tussen het spoor en het gebouw is dermate groot dat er geen schade aan de gebouwen zal ontstaan, en verstoring van gevoelige apparatuur als gevolg van de realisatie van dit plan is ook niet aan de orde. In deze SBR-richtlijn deel B zijn een aantal aspecten relevant, deze worden hieronder kort toegelicht: 1.

2.

De richtlijn toetst zowel een maximaal optredende trillingssterkte (Vmax, treedt op bij de trein die gedurende de meetperiode de hoogste trillingen veroorzaakt) als het tijdsgemiddelde van de trillingen (Vper, deze grootheid is in tegenstelling tot Vmax dus ook afhankelijk van het aantal treinen). De richtlijn maakt in de beoordeling onderscheid tussen verschillende situaties, en toetst daarbij strenger in: a. Nieuwbouwsituaties (nieuwe gebouwen, nieuw spoor, aanleg van wissels). Bij bestaande situaties zijn de streefwaarden minder streng, er wordt dan uitgegaan van

2

Voor spoorprojecten wordt door ProRail sinds 2012 ook wel gebruik gemaakt van de Bts, deze is afgeleid van de SBRrichtlijn en op aspecten aangescherpt (waaronder een doelmatigheidsafweging en een andere manier om de trillingen vast te stellen). Deze richtlijn wordt echter doorgaans niet gebruikt om de trillingen in nieuw te bouwen woningen langs het spoor te beoordelen. 3

SBR-richtlijn deel A:2017 – Schade aan bouwwerken

4

SBR-richtlijn deel B:2002 – Hinder voor personen in gebouwen

5

SBR-richtlijn deel C:2002 – Verstoring van trillingsgevoelige apparatuur

15

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

een zekere mate van gewenning en er zijn minder mogelijkheden om de trillingen te reduceren. b. Gebouwen met een overnachtingsfunctie (woningen, ziekenhuizen). De meeste hinder wordt vaak in rust ervaren. Bij gebouwen met een niet-overnachtingsfunctie (kantoren, scholen) gelden minder strenge streefwaarden. Winkels, sport- en industriepanden vallen buiten de richtlijn. In dit plan gaat het om gebouwen met een woonfunctie. c. De nacht, omdat de meeste hinder vaak in rust wordt ervaren. De streefwaarden voor overdag zijn ca. een factor 2 minder streng dan ’s nachts. Een gebouw kan op twee manieren voldoen aan de richtlijn: de trillingssterkte Vmax moet lager zijn dan de onderste streefwaarde A1 (zie Tabel 3), óf Vmax moet lager zijn dan de bovenste streefwaarde A2, waarbij tegelijkertijd de trillingsintensiteit Vper lager is dan de streefwaarde A3. Zie ook het schema in Figuur 4. In dit rapport worden de trillingen, conform de SBR B-richtlijn, beoordeeld op de streefwaarden voor een nieuwe situatie. Bij overschrijdingen van de streefwaarde geeft de SBR B-richtlijn in bijlage 5 handvatten om maatregelen af te wegen op doelmatigheid. Tabel 3 Streefwaarden in de SBR-richtlijn deel B voor gebouwen met bestemming wonen Dag en avond

Nacht

Situatie

A1

A2

A3

A1

A2

A3

Wonen, nieuwe situatie

0.1

0.4

0.05

0.1

0.2

0.05

Wonen, bestaande situatie

0.2

0.8

0.10

0.2

0.4

0.10

Figuur 4 Schema beoordeling SBR B-richtlijn

3.3. In de SBR-richtlijn deel B worden de trillingen beoordeeld in gebouwen. Omdat het bij dit project gaat om nog niet gerealiseerde bebouwing, wordt op basis van metingen in de omgeving van de bebouwing (op maaiveld en aan het bestaande gebouw) een berekening gemaakt van de verwachte trillingen in de geplande nieuwe bebouwing. Deze verwachte trillingen zijn afhankelijk van de constructieve eigenschappen van de geplande bebouwing, maar ook van de bodem, de afstand tot het spoor en natuurlijk de gemeten trillingen. Hieronder wordt een korte uitleg gegeven over hoe trillingen zich voortplanten van de trillingsbron tot in het gebouw. In de volgende subparagrafen wordt beschreven hoe dat is vertaald naar een rekenmodel. 16

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

3.3.1. Trillingen ontstaan doordat een bewegend object (een trein, tram of vrachtwagen bijvoorbeeld) over een niet-effen ondergrond rijdt. Door de massa en beweging van het voertuig, variaties in de ondergrond (die per definitie niet perfect vlak is) en variaties in de rondheid van de wielen van het voertuig ontstaan spanningen in de bodem die zich door de bodem verplaatsen. Afhankelijk van de opbouw van de bodem en de aanwezigheid van obstakels (zoals sloten en damwanden) verplaatsen de trillingen zich diep of juist ondiep door de bodem. Gebouwen worden daardoor in trilling gebracht. Afhankelijk van hoe het gebouw is geconstrueerd, worden bepaalde trillingen meer of minder versterkt in het gebouw. Deze trillingen kunnen als hinderlijk worden ervaren door personen in gebouwen. Dit hele systeem van trillingsbron (hier de trein), overdrachtsmedium (de bodem, waardoor de trillingen zich verplaatsen) en ontvanger (het gebouw met daarin de personen die de hinder ervaren) is schematisch weergegeven in Figuur 5. In de subparagrafen hieronder wordt toegelicht hoe in dit onderzoek hiermee wordt omgegaan.

Figuur 5 Trillingen – het systeem van trillingsbron, de bodem en het gebouw als ontvanger

3.3.2. In dit onderzoek zijn treinen de bron van de trillingen. De trillingen van het treinverkeer zijn gemeten door Alcedo op punten op maaiveld en aan de fundering van het bestaande gebouw. De beoordeling van de trillingen in de geplande bebouwing heeft plaatsgevonden op basis van deze metingen. Hierbij is in het rekenmodel gecorrigeerd voor afstand tot het spoor, verschillen tussen de fundering van het bestaande gebouw en de geplande bebouwing, en verschillen in bodemopbouw binnen het plangebied. 3.3.3. De bodem op deze locatie bestaat voornamelijk uit zandlagen, met bovenin wat meer kleiachtige lagen, zie bijlage I. De uitdemping van de trillingen met de afstand is bepaald met een rekenmodel op basis van deze bodemopbouw voor een zo betrouwbaar mogelijke predictie van de trillingen. In bijlage II geven we hier meer informatie over. 17

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

3.3.4. De trillingen gaan via de fundering een gebouw binnen. Afhankelijk van het type fundering, de bodem, de massa en afmetingen van het gebouw zal de fundering de trillingen meer of minder uitdempen. Vervolgens worden de trillingen in het gebouw weer versterkt door bewegingen van het gebouw en de vloeren. Het gebouwgedrag is in dit onderzoek bepaald op basis van de bodemopbouw, de constructieve eigenschappen en de gebruikte materialen van de gebouwen. Hiervoor maken we gebruik van een door We-Boost ontwikkeld rekenmodel, waarin we empirische resultaten, analytische formules en resultaten uit 3D eindige elementenmodellen combineren met een random forest algoritme (AI-techniek om op basis van grote hoeveelheden data een voorspelling te doen). Een toelichting op het rekenmodel is gegeven in Bijlage II. In deze bijlage zijn ook validatiegegevens van het model opgenomen. 3.3.5. Dit onderzoek kent een aantal onzekerheden, hiervoor geldt het volgende:

› Ten aanzien van de trillingsbron: de natuurlijke variatie als gevolg van spooronderhoud en de

temperatuur kunnen zorgen voor zo’n 30% variatie in de trillingen, afhankelijk van de spoorconstructie en de bodemopbouw. Er is gemeten in een klimatologisch als normaal te typeren periode. Er is geen informatie bekend over de huidige status van de spoorligging. Wel zien we dat met name rond harde punten (zoals hier wissels en ES-lassen) vaak sprake is van wat meer variatie in de trillingen. In het bepalen van de trillingen houden we hier rekening mee.

› Ten aanzien van de bodem geldt dat met name op korte afstand tot het spoor variaties in de

trillingen mogelijk zijn door lokale variaties in de bodem. Door te meten op meerdere punten hebben we deze variaties waar mogelijk in kaart gebracht. De variaties zijn meegenomen in de bepaling van de onzekerheid van de trillingen.

› Ten aanzien van de gebouwen geldt dat er altijd verschillen zijn tussen het beoogde ontwerp

en het gerealiseerde ontwerp (verschillen tussen as-built en technisch ontwerp). Bovendien is het dynamische gedrag van bijvoorbeeld beton afhankelijk van de mate van gescheurdheid van het beton en zijn er natuurlijke variaties in materiaalgedrag (van bijvoorbeeld hout, metselwerk en beton). Dit heeft zowel impact op de stijfheid als de demping van het gebouw. In de berekeningen zijn deze variaties beschreven als onzekerheden (bandbreedtes) rond de verwachte waardes.

› Ten aanzien van het effect van maatregelen geldt dat met name het effect van maatregelen

in de bodem sterk afhankelijk is van de lokale bodemopbouw. Het effect van dergelijke maatregelen kan op voorhand redelijk nauwkeurig worden bepaald met behulp van een eindige elementenmodel, maar ook dan nog geldt dat door variaties in de lokale bodemopbouw het effect relatief onzeker is. Daarom is het effect weergegeven als bandbreedte in dit onderzoek, en wordt bij de afweging van maatregelen rekening gehouden met deze bandbreedte in het effect. Ten aanzien van het rekenmodel zijn er ook onzekerheden. In dit onderzoek is gebruik gemaakt van een combinatie van resultaten uit numerieke (eindige elementen) modellen, analytische modellen en empirische gegevens, dus op basis van metingen. Met het rekenmodel, dat nader is omschreven in bijlage II, worden de overdrachten van de trillingen berekend in het gebouw. De modellen zijn daarbij gekalibreerd met resultaten uit metingen. Vooral voor gebouwen met niet standaard vormen, afmetingen of materialen zijn er vaak weinig meetresultaten beschikbaar, en zijn de onzekerheden groter.

18

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

Deze onzekerheden zijn verwerkt in de berekeningen. Validatiegegevens van het rekenmodel zijn opgenomen in bijlage II. In bijlage II wordt aangegeven hoe het rekenmodel met deze onzekerheden omgaat. Bij de discussie van de resultaten wordt ingegaan op de invloed van de onzekerheden op de conclusies van het onderzoek.

19

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

4.

In dit hoofdstuk wordt eerst een korte toelichting gegeven op de meetresultaten, daarna worden de verwachte trillingen in de geplande bebouwing gegeven. Hierbij is gebruik gemaakt van de beoordelingsmethode en de rekenmethodiek zoals toegelicht in het voorgaande hoofdstuk.

4

4. 4.1. Alcedo heeft metingen uitgevoerd aan de fundering van het bestaande gebouw en op meerdere punten op het maaiveld. De trillingen op het meetpunt met de langste meetduur (meetpunt 1, aan fundering bestaand gebouw) zijn weergegeven in Figuur 6, voor de andere meetpunten zijn deze en andere figuren van de metingen opgenomen in bijlage III. In Figuur 6 valt het volgende op: 1.

De trillingen van reizigerstreinen zijn laag. Sprinters stoppen dan ook op het station waardoor de trillingen laag zijn, maar ook de trillingen van doorgaande treinen (internationale treinen) zijn laag. 2. De trillingen van goederentreinen, zijn hoger en laten soms uitschieters zien. De trillingen van goederentreinen zijn maatgevend. De trillingen van de goederentreinen in de tunnel van de Betuweroute zijn relatief laag.

Figuur 6 Gemeten trillingen aan fundering bestaande gebouw, meetpunt 1

4.2. De bebouwing is gemodelleerd op basis van de input uit hoofdstuk 2. Het trillingsgedrag van de geplande gebouwen is weergegeven in Bijlage II. Met de modelresultaten zijn de trillingen in de toekomstige woningen bepaald. De resultaten hebben we weergegeven in Tabel 4, samen met een beoordeling van de trillingen. De trillingen zijn weergegeven als een bandbreedte (90 procent onzekerheidsinterval), omdat de trillingen afhankelijk zijn van de locatie van een woning binnen het bouwvlak, maar ook van keuzes, variaties en onzekerheden in de constructie en berekeningen (zie paragraaf 0 en bijlage II). Tabel 4 Trillingen per constructietype en beoordeling op SBR B-richtlijn Type gebouw

Vmax, dag

Vmax, nacht

Vper

Beoordeling

Grondgebonden woningen

0.1 - 0.3

0.1 - 0.3

0.00 - 0.02

Voldoet mogelijk niet, afhankelijk van constructieve uitwerking

Appartementen nieuw

0.2 - 0.6

0.2 - 0.6

0.01 - 0.04

Voldoet mogelijk niet, afhankelijk van constructieve uitwerking

Appartementen transformatie

0.2 - 0.4

0.2 - 0.4

0.02 - 0.05

Voldoet mogelijk niet

De bovengrens van de trillingssterkte Vmax, de gemiddelde trillingssterkte Vper en de beoordeling van de trillingen zijn weergegeven in Figuur 7, Figuur 8 en Figuur 9. 21

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

Figuur 7 Bovengrens van de trillingssterkte Vmax bij grondgebonden woningen (links) en appartementen (rechts)

Figuur 8 Bovengrens van de gemiddelde trillingssterkte Vper bij grondgebonden woningen (links) en appartementen (rechts)

Figuur 9 Beoordeling conform de SBR B-richtlijn voor grondgebonden woningen (links) en voor appartementen (rechts)

Uit het onderzoek zijn de volgende conclusies te trekken: >

De trillingen zijn vooral hoog rond de wissels, waardoor vooral in de zuidwesthoek van het plangebied relatief hoge trillingen optreden.

>

De trillingen zijn sterk afhankelijk van constructieve keuzes in de verdere uitwerking:

22

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

o

o

o

Bij houtskeletbouw is er in het hele plangebied sprake van mogelijke overschrijdingen, en is een toetsing van het ontwerp van de gebouwen nodig (en dus mogelijk maatregelen en optimalisaties). Bij conventionele bouw geldt het volgende: ▪ Vooral door optimalisaties in de fundering zijn de trillingen sterk te beperken. Een paalfundering (7 meter lang, Ø 350 mm) zorgt voor ca. 25 procent afname van de trillingen, een betonnen plaat van 500 mm dik in combinatie met een dergelijke paalfundering zorgt zelfs voor een afname van ca. 45 procent van de trillingen. Met een paalfundering zijn er in het hele plangebied geen overschrijdingen meer, zie Figuur 9. ▪ Optimalisatie van de eigenfrequentie van de vloer heeft na de fundering de meeste invloed op de trillingen. Als gekozen wordt voor een fundering op staal, dan dienen eigenfrequenties tussen 3 en 6 Hz, en tussen 10 en 15 Hz te worden vermeden om teveel opslingering van de vloeren te krijgen. Meest optimaal is een eigenfrequentie boven de 15 Hz, maar dit kan alleen worden gerealiseerd met korte overspanningen (kleine beukmaten) en dikke vloeren. Voor een conventionele kanaalplaatvloer is bij een beukmaat tot max. 5.25 meter een vloerdikte van 260 mm nodig, ▪ De verschillen tussen betonbouw en een kalkzandsteen skelet zijn beperkt. Meest stijf is een i.h.w.g. betonnen skelet (bijv.

tunnelbouw), maar het verschil met kalkzandsteen is beperkt. Indien wordt gekozen voor transformatie van het bestaande gebouw, dan is er in de nacht sprake van incidentele overschrijdingen van de trillingen. De mogelijkheden om de trillingen in of aan het gebouw te beperken zijn beperkt, de enige realistische mogelijkheid is dan om het gebouw af te schermen aan de spoorzijde met een trillingsscherm. Mogelijkheden hiervoor zijn bijvoorbeeld een trillingsscherm van EPS (piepschuim, ca. 1 meter breed, minimaal 5 meter diep) of het bekleden van de fundering met minimaal 200 mm dik rubber.

4.3. Uit dit onderzoek volgt dat met name in de zuidwesthoek van het plangebied overschrijdingen van het beoordelingskader voor trillingshinder mogelijk zijn tot een afstand van ca. 65 meter van het spoor (grondgebonden woningen 7 meter hoog) en 50 meter (appartementen 12 meter hoog), of als gekozen wordt voor houtskeletbouw (hele plangebied) of transformatie van het bestaande gebouw aan de Stationsstraat (hele gebouw). Voor de verdere uitwerking van de plannen adviseren we daarom het volgende (in aflopende prioritering): 1.

Vermijd houtskeletbouw in het hele plangebied om te hoge trillingen te voorkomen, of tref maatregelen (zoals een zwaardere fundering, een trillingsscherm tussen spoor en gebouwen of trillingsisolatie in de fundering). 2. Pas een zware fundering toe bij grondgebonden woningen tot 65 meter van het spoor, en bij appartementen tot 50 meter van het spoor. In dit onderzoek is gerekend met een paalfundering van 7 meter lang, Ø 350 mm, hierbij geldt dat langere en dikkere palen zorgen voor lagere trillingen. Nog effectiever is een combinatie van een betonplaat (gerekend is met 500 mm dikte, maar kan ook dunner tot 300 mm) en palen, maar dit is niet noodzakelijk om te voldoen aan de streefwaarden voor trillingshinder. In de genoemde zones dient een fundering op staal te worden vermeden. 23

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

3. Zorg voor een stijve vloerconstructie als de onder 1. en 2. genoemde maatregelen niet mogelijk zijn. Bij een eigenfrequentie boven de 15 Hz (wat kan worden gerealiseerd met korte vloeroverspanningen en relatief dikke vloeren) is een zware fundering niet nodig. Als het bestaande gebouw wordt getransformeerd naar appartementen, dan geldt dat hier sprake is van incidentele overschrijdingen van het beoordelingskader (ca. 1 overschrijding per nacht, overdag en in de avond wordt wel voldaan aan de (dan soepeler) streefwaarden voor trillingshinder. In dit bestaande gebouw zijn maatregelen niet goed mogelijk, om te voldoen aan het beoordelingskader ligt een maatregel in de bodem, tussen spoor en gebouw, het meest voor de hand. Gelet op de bodemopbouw en de maatgevende trillingsfrequenties kan dan worden gedacht aan een trillingsscherm van EPS (piepschuim, ca. 1 meter breed, minimaal 5 meter diep) of het bekleden van de fundering van het gebouw met minimaal 200 mm dik rubber.

24

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

Dit document bevat de volgende bijlages: I. II. III.

Bijlage I - Grondonderzoek. Hier staan uitgangspunten t.a.v. de gehanteerde bodemopbouw voor dit onderzoek. Bijlage II - Rekenmodel. Hier staat een beschrijving van het gebruikte rekenmodel, inclusief tussenresultaten en gegevens over de validatie van het model. Bijlage III - Metingen. Deze bijlage bevat detailresultaten met grafieken en overzichten van de uitgevoerde trillingsmetingen.

25

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

I.

Deze bijlage bevat geotechnische achtergrondinformatie. Deze informatie is gebruikt om bijvoorbeeld de uitdemping van de trillingen met de afstand te bepalen. Daarnaast is deze informatie gebruikt in het rekenmodel waarmee de dynamische eigenschappen van de bebouwing worden bepaald. Een grondboring in de nabijheid van het onderzoeksgebied is weergegeven in Figuur 10. Uit de grondboring blijkt dat de bodem is opgebouwd uit zand, maar dat bovenin een kleiachtige laag voorkomt tot ca. 4 meter onder maaiveld.

Figuur 10 Boring in het onderzoeksgebied

Een representatieve sondering uit de omgeving van het onderzoeksgebied, waarin onder meer de conusweerstand te zien is, is weergegeven in Figuur 11. Ook hier is de slappere toplaag (hier tot ca. 3,5 meter onder maaiveld) te zien, met daaronder draagkrachtige zandlagen.

26

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

Figuur 11 Sondering uit omgeving onderzoeksgebied

27

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

II.

Er bestaat geen voorgeschreven rekenmethodiek om de trillingen in een gebouw te bepalen. Afhankelijk van de trillingsbelasting op maaiveld schrijft de Handreiking Nieuwbouw en Spoortrillingen een hoger of lager detailniveau van het rekenmodel voor, maar het specifiek te gebruiken rekenmodel wordt niet voorgeschreven. Modellen die veel worden gebruikt zijn (globaal in oplopende nauwkeurigheid) empirische formules, analytische modellen en eindige elementenmodellen (zowel 2D-, 2,5D- als 3D-modellen). Na honderden projecten en evaluaties van al die genoemde modellen, hebben we het volgende geconstateerd: 1.

Empirische formules zijn vaak grof, en vooral bruikbaar als de trillingen op maaiveld laag zijn. Ze zijn vooral bruikbaar in situaties die vergelijkbaar zijn met de situatie waarin de empirische formule is bepaald. 2. Analytische modellen en formules zijn bij eenvoudige, meer standaard gebouwen prima bruikbaar, maar bij complexe constructies of onderdelen daarvan missen ze soms belangrijke trillingsmodes. Wel zijn deze modellen vaak goed geschikt om het trillingsgedrag van vloervelden te bepalen. 3. Eindige elementenmodellen zijn erg nauwkeurig, mits juist gemodelleerd. Het probleem is echter dat onderzoeksbureaus sterk uiteenlopende waarden gebruiken als input voor het rekenmodel. Keuzes in bijvoorbeeld materiaalstijfheid, demping en de wijze van modelleren hebben grote impact op de resultaten. Bovendien geldt dat de gebruikte waarden in de praktijk altijd anders zijn (verschillen tussen ontwerp en as-built situatie, denk aan de wijze van inklemmen van een vloer, de gescheurdheid van beton of natuurlijke variatie in materiaalgedrag van hout). Ook de koppeling tussen bijvoorbeeld de bodem en een gebouw is lastig nauwkeurig te modelleren. Gevolg hiervan is dat we in de praktijk bij alle getoetste situaties sterke verschillen vinden tussen de modelberekening en het werkelijke trillingsgedrag van een gebouw.

Omdat alle drie deze hoofdmethodes in de praktijk vaak sterke afwijkingen geven van de werkelijk optredende trillingen én er geen voorgeschreven, algemeen geaccepteerd model is, heeft We-Boost een eigen rekenmodel ontwikkeld waarin we het beste van deze drie methodes combineren. We maken hierbij gebruik van een combinatie van eindige elementenberekeningen en analytische formules, die we combineren met een zogenaamd random forest algoritme (een AI-techniek om resultaten in complexe situaties te voorspellen op basis van resultaten uit het verleden). Dit random forest algoritme is getraind op een database met honderden metingen in gebouwen, waarbij het algoritme relaties heeft gelegd tussen gebouwparameters (denk aan vloeroverspanning, constructietype, hoogte, breedte, lengte, aantal funderingspalen, type funderingspalen, bodemstijfheid) om daaruit het trillingsgedrag van het gebouw te voorspellen. In deze bijlage beschrijven we ons model. Een validatierapport van het model is gegeven in Bijlage V. Visueel is het rekenproces weergegeven in Figuur 12, hieronder beschrijven we per stap de methode en geven we zoveel mogelijk tussenresultaten. De nummers in de figuur corresponderen met de subparagrafen hieronder.

28

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

Figuur 12 Stappen in rekenmodel

De eerste stap is het uitvoeren van een trillingsmeting. De meetlocaties worden gekozen op basis van de ligging van de geplande gebouwen, de locatie van de trillingsbron (zijn er extra trillingsbronnen zoals wissels, ES-lassen of overwegen), de omvang van het plangebied (bij een groter gebied meer meetpunten om de variatie in trillingen in beeld te brengen) en waar mogelijk een vast punt in de omgeving, omdat de trillingen daar reproduceerbaar en betrouwbaar kunnen worden vastgesteld. 29

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

De meting heeft altijd een meetduur van minimaal een week, conform het beoordelingskader, de SBR B-richtlijn, om de trillingen van de treinen voldoende betrouwbaar vast te leggen. Met name goederentreinen kennen sterke variaties in de trillingen en passeren vaak niet zo vaak, waardoor een lange meetperiode nodig is om de trillingen voldoende betrouwbaar vast te stellen. De trillingssterkte wordt vastgesteld conform de SBR B-richtlijn. Gegevens over de metingen zijn opgenomen in bijlage III. Resultaat van de metingen zijn trillingssignalen (mm/s).

De metingen worden gecombineerd met gegevens van treinpassages. Hiervoor worden meerdere bronnen gebruikt, afhankelijk van het project: gegevens vanuit het OpenOV-loket (reizigerstreinen), een classificatie-algoritme dat getraind is om treinpassages te herkennen in de trillingssignalen en een handmatige controle op afwijkende resultaten. Resultaat van deze stap is een meetjournaal (database met per treinpassage per meetpunt de trillingssterkte Vmax) en per treinpassage het bijbehorende trillingssignaal (1/3-octaafbandspectra of tertsbandspectra).

Bij elke meting maken we gebruik van meerdere meetpunten, om variaties in de bodem of de invloed van extra trillingsbronnen (zie paragraaf II.1) in beeld te brengen. Vervolgens bepalen we de frequentie-afhankelijke verschillen tussen meetpunten door per meetpunt de trillingsspectra per treinpassage met elkaar te vergelijken. Hieruit halen we drie dingen: 1.

De variatie in de trillingen over het plangebied, veroorzaakt door onzekerheden in de bron of bodem. Deze onzekerheid nemen we mee in de prognoses (zie paragraaf II.10). 2. De invloed van extra trillingsbronnen, zoals wissels en ES-lassen, of de invloed van bijvoorbeeld een sloot of damwand. Deze invloeden nemen we mee in het rekenmodel door de variatie van de trillingen over het plangebied in kaart te brengen. Het trillingsspectrum op de ene hoek van het gebouw kan dus anders zijn dan op de andere hoek van het gebouw, zie paragraaf II.5). 3. De uitdemping van de trillingen met de afstand, op basis van de empirische, frequentieafhankelijke Barkanvergelijking, zoals weergegeven in vergelijking 1. 𝑟0 𝑛(𝑓) −𝛼∙(𝑟−𝑟 ) 0 𝑉(𝑓, 𝑟) = 𝑉0 (𝑓, 𝑟0 ) ∙ ( ) ∙𝑒 𝑟

(1)

In deze vergelijking staat V voor de trillingssnelheid, f voor de frequentie, r voor de afstand tot de trillingsbron, r0 voor de referentieafstand (hier 20 m), n voor de geometrische spreidingsfactor en α voor de bodemdemping. De parameters V0, n en α worden bepaald met de kleinste kwadratenmethode. De prognoses van de trillingen zijn gebaseerd op de sensor met de meetduur van een week die het dichtst bij het gebouw staat waarvoor de resultaten nodig zijn. Op veel punten meten we korter, dat is voldoende om de invloed van variaties in beeld te brengen, zie ook paragraaf 2.2.3 voor een nadere motivatie.

30

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

In veel situaties is er sprake van verschillen in de opbouw van de bodem, kunnen metingen niet worden uitgevoerd ter plekke van de beoogde bouwlocatie of is sprake van een groter gebouw, zodat we de trillingen willen vaststellen op meerdere punten in het plangebied. Dit doen we door een bodemmodel op te stellen, daarmee de uitdemping van de trillingen met de afstand te berekenen en dat te kalibreren met de resultaten uit de metingen. Het bodemmodel wordt opgebouwd op basis van sonderingen en boringen. Op basis van de conusweerstand qc en het wrijvingsgetal fw worden de frequentie-afhankelijke parameters n en α uit vergelijking 1 bepaald met behulp van een random forestmodel, getraind op data uit honderden metingen die op maaiveld zijn uitgevoerd in heel Nederland. Resultaat is, naast de genoemde parameters uit de Barkanvergelijking, een inschatting van de onzekerheid van die parameters. Deze onzekerheid is afhankelijk van (1) de afstand tussen gebruikte sonderingen en het gebouw, (2) het aantal gebruikte sonderingen, (3) de variatie in de sonderingen en (4) in hoeverre de gebruikte sonderingen lijken op sonderingen uit het random forestmodel. Een voorbeeld van de door het model bepaalde parameters uit vergelijking 1 is weergegeven in Figuur 13.

Figuur 13 Bodemdemping α (links) en geometrische spreiding n (rechts) als functie van de frequentie, bepaald met random forestmodel

Op basis van de resultaten uit stap 3 en 4, en met behulp van vergelijking 1, worden vervolgens de trillingsspectra in het gehele plangebied bepaald. De invloed van puntbronnen wordt separaat meegenomen, waarbij de trillingen van de puntbronnen energetisch worden opgeteld bij de trillingen van het doorgaande spoor. Na deze stap zijn de trillingen ter plaatse van de randen van het gebouw op maaiveld bekend.

In dit onderzoek is gebruik gemaakt van het rekenmodel Buildyn om de trillingen in de geplande bebouwing te berekenen. In Buildyn wordt het trillingsgedrag van een gebouw berekend met behulp van een combinatie van enkele rekenmodules, waarbij de hoofdmoot wordt gevorm door een random forest algoritme. Dit algoritme is getraind op een database met meer dan 600 praktijkmetingen. In deze paragraaf beschrijven we het gebruikte rekenmodel.

31

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

In Buildyn wordt een gebouw gemodelleerd door middel van gekoppelde massa-veersystemen, zie Figuur 14, waarbij eerst de details per bouwlaag worden bepaald, waarna een random forest algoritme de trillingsresponsie berekent van het gebouw. Zowel bij het trainen als bij het testen van het random forest algoritme worden gebouwen beschouwd als gekoppelde massaveersystemen. Op basis van afmetingen, massa, stijfheid en materiaalparameters (zoals de demping) berekent het algoritme een veerstijfheid en demping, en daaruit de trillingsoverdracht in het gebouw. Het algoritme berekent deze overdrachten frequentie-afhankelijk, en geeft daarnaast een onzekerheidsmarge weer.

Figuur 14 Principe van Buildyn met een gebouw als gekoppeld massaveersysteem. Rechts de verschillende componenten van het rekenmodel

Voor de materiaalparameters maken we gebruik van standaard materiaaleigenschappen op basis van literatuurgegevens en normen. Deze materiaaleigenschappen zoals gebruikt in het rekenmodel zijn weergegeven in Tabel 5. Voor materialen met een niet-lineaire elasticiteit zoals rubber en EPS maken we gebruik van spanning-rekkrommes om de materiaaleigenschappen te beschrijven.

32

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

Tabel 5 Initiële modelparameters E-modulus E

Demping 

Dichtheid 

Poissons ratio 

Beton C30/37

33 GPa

3%

2500 kg/m

3

0,20

Beton C55/67

38 GPa

3%

2500 kg/m3

0,20

Beton C80/95

42 GPa

3%

2500 kg/m3

0,20

Metselwerk

8 GPa

4%

1800 kg/m3

0,25

Staal

210 GPa

1%

700 kg/m3

0,30

Hout

13 GPa

5%

7850 kg/m3

0,40

Materiaal

Het model bestaat uit twee hoofdonderdelen: een module om het gedrag van de fundering te bepalen en een module om het gedrag van het gebouw te bepalen. Deze worden hieronder toegelicht.

De fundering van een gebouw kan de trillingen uitdempen. De invloed van de fundering op de trillingen is afhankelijk van een aantal parameters: ›

Type fundering (op staal, op palen, oude strokenfundering) en afmetingen daarvan (denk aan paaltype (geboord, prefab), paallengte, paaldiameter en aantal palen, of dikte van de funderingsbalken)

›

Afmetingen en gewicht van het gebouw

›

Bodem waarop het gebouw staat

›

Eventuele afscherming of isolatie van de fundering

Vooral boven de 10 Hz worden trillingen uitgedempt door de fundering, bij slappe bodems en grote gebouwen kan ook al bij lagere frequenties demping optreden, met name in horizontale richting. Bij stijvere bodems kan, zeker in verticale richting, demping optreden vanaf veel hogere frequenties. Optimalisaties van de fundering (zoals langere palen, dikkere palen, meer of minder palen, een dikkere poer en het bekleden van de fundering met bijv. rubber of EPS) worden ook in het model doorgerekend. Het bepalen van het gedrag van de fundering gaat als volgt: 1.

Eerst bepalen we met behulp van een random forest algoritme de frequentie-afhankelijke overdracht van maaiveld naar fundering op de randen van het gebouw. Als input gebruiken we hierbij de opbouw van de bodem (vanuit sonderingen), de massa van het gebouw en de eigenschappen van de fundering (aantal palen, type palen, lengte palen, dikte funderingsbalken of -poer).

Bij complexe funderingen (denk aan een combinatie van een parkeergarage en een paalfundering) of bijzondere funderingen (denk aan hele zware funderingen) zullen de uitkomsten uit het random forest model een grote onzekerheid kennen. In dat geval voegen we een tweede stap toe waarbij met behulp van een eindige elementenmodel de bodemfunderingsinteractie nauwkeuriger wordt berekend. Dat is in dit geval niet gedaan.

33

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

De trillingen worden door de draagconstructie vaak versterkt. Hierbij zijn meerdere effecten te onderscheiden, waarbij met name rotatie van het gebouw als geheel (op de ondergrond), doorbuiging en vering van het gebouw op zijn fundatie een rol spelen. Bij hogere of slappere gebouwen speelt ook doorbuiging en torsie (rotatie om een verticale as in het gebouw) een rol. Het principe van rotatie is rechts weergegeven. Verticale trillingsgolven zorgen voor rotatie van het gebouw, waardoor met name in hogere gebouwen horizontale trillingen ontstaan. Dit effect noemen we Hzx, en is afhankelijk van: ›

Afmetingen van het gebouw (breedte, lengte, hoogte)

›

Gewicht van het gebouw

›

Type en gewicht van de fundering

›

Stijfheid van de ondergrond

Het tweede principe, dat van doorbuiging van het gebouw, is rechts weergegeven (eerste eigenfrequentie). Hierbij zijn met name de horizontale trillingsgolven maatgevend, die bij slappere gebouwen zorgen voor doorbuiging van het gebouw, en daarmee voor horizontale trillingen hoger in het gebouw. Dit effect noemen we Hxx, en is afhankelijk van: ›

Afmetingen van het gebouw

›

Constructietype (stijfheid, starheid van verbindingen, open ruimtes)

›

Gebruikte materialen

Het derde principe, dat van vering van het gebouw op zijn fundatie, is rechts weergegeven. Dit principe speelt vooral een rol bij wat hogere gebouwen, of bij gebouwen met een slappe onderlaag of lokaal slappere elementen (denk aan kolommen en balkenstructuren). Dit effect noemen we Hzz, en is afhankelijk van: ›

Hoogte van het gebouw

›

Constructietype (stijfheid, starheid van verbindingen, open ruimtes)

34

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

Het vierde principe, dat van torsie van het gebouw, is rechts weergegeven (eerste eigenfrequentie). Dit principe speelt vooral een rol bij wat hogere gebouwen, of bij gebouwen met een slappere constructie. Dit effect noemen we Hxy, en is afhankelijk van: ›

Hoogte van het gebouw

›

Constructietype (stijfheid, starheid van verbindingen, open ruimtes)

›

Afmetingen van het gebouw (symmetrie)

Trillingen worden doorgaans als maatgevend ervaren in het midden van de vloeren, waar de doorbuiging het grootst is en de laagste eigenfrequentie optreedt. In specifieke gevallen, met name op stijve zandgronden en bij hoge trillingsfrequenties, kan ook de zogenaamde tweede buigmodus van een vloer een rol spelen. In het rekenmodel worden daarom beide effecten meegenomen. De eerste buigmodus van de vloer (bij de eerste eigenfrequentie) is simpele doorbuiging, zoals weergegeven in de principeschets rechts. Met name de eigenfrequentie (de frequentie waarvoor de vloer gevoelig is) en de demping bepalen in hoeverre de trillingen worden opgeslingerd. De trillingen zijn het hoogst in het midden van de vloer. Dit effect noemen we Hzz1, en is afhankelijk van: ›

Type vloer (doorsnede, materiaal, en bij beton: gescheurd of ongescheurd)

›

Afmetingen van de vloer

›

Type oplegging

Bij de tweede buigmodus van de vloer (bij de tweede eigenfrequentie) zijn de trillingen maximaal op ongeveer ¼ van het vloerveld, zie de principeschets rechts. Dit effect noemen we Hzz2, en is afhankelijk van dezelfde parameters als Hzz1. Uiteindelijk zorgen alle gebouwbewegingen samen voor een versterking van de trillingen tussen de fundering en de vloer. In de hiernavolgende figuren zijn deze totale overdrachten in de X-, Y- en Z-richting van het gebouw weergegeven. Voor de vloeren wordt onderscheid gemaakt tussen de Hzz1 en de Hzz2beweging, omdat beide niet op hetzelfde punt kunnen optreden (Hzz1 is maximaal in het midden van de vloer, Hzz2 op een kwart van de randen). Het bepalen van het gedrag van het gebouw gaat als volgt:

35

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

1.

Eerst bepalen we per bouwlaag van het gebouw de eigenschappen van die bouwlaag. Denk hierbij aan afmetingen, maar ook aan eigenschappen als de stijfheid (buig- en torsiestijfheid, elasticiteitsmodulus) en demping (op basis van de toegepaste materialen en verbindingen). 2. Vervolgens modelleren we het gebouw door voor elke bouwlaag de mechanische eigenschappen in een soort beam element model toe te voegen (zie Figuur 14). Op basis van de configuratie (aantal bouwlagen) en de ingevoerde eigenschappen berekent het random forest algoritme vervolgens de frequentieafhankelijke trillingsresponsie van het gebouw tot aan de vloeropleggingen, en de onzekerheid in die responsie. Hiermee ontstaat een trillingsoverdracht in het gebouw die zo goed mogelijk aansluit bij de in de praktijk te verwachten trillingsoverdracht, en bij de werkelijke omstandigheden zoals gemeten in de praktijk (denk aan de werkelijke stijfheid van opleggingen, de werkelijke demping en de werkelijke stijfheid van het materiaal). 3. Tenslotte bepalen we de overdracht van de oplegging van de vloeren naar rekenpunten op de vloer, waar de werkelijke hinder wordt ervaren. Eerst maken we een model van het vloerveld om de overdracht van de oplegging naar het midden van de vloer te bepalen.

Hiervoor combineren we analytische formules (bij complexer gevormde vloervelden doen we dit via een iteratief proces) om de responsie van de vloer in het frequentiedomein te bepalen. De mechanische eigenschappen in deze formules (demping, stijfheid) volgen uit het random forest algoritme, en zijn dus gebaseerd op praktijkdata. We bepalen we resultaten in de hoeken van vloervelden, in het midden van de vloervelden en op een kwart van de overspanning. Meestal is het midden van het vloerveld voor trillingen maatgevend. Relevant bij onze methode van het gebruiken van random forest algoritme is dat deze nauwkeuriger is naarmate gebouwen sterker overeenkomen. Met name grondgebonden woningen komen veelvuldig voor in de database, voor hogere gebouwen zijn minder metingen beschikbaar in de database en is de onzekerheid in de resultaten groter. We gaan hieronder nog in op de betrouwbaarheid van het rekenmodel, en de toepasbaarheid voor hoge gebouwen.

In de volgende stap worden de resultaten op maaiveld vertaald naar de resultaten op de fundering van het gebouw. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de resultaten uit stap 5 en stap 6. De trillingsspectra op de fundering worden berekend met behulp van vergelijking 2:

2 (𝑓) 𝐶𝑓,𝑥𝑥 𝑉𝑥,𝑓𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 (𝑓) 2 (𝑓) 𝑉𝑦,𝑓𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 (𝑓) = √[𝐶𝑓,𝑥𝑦 2 (𝑓) 𝑉𝑧,𝑓𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 (𝑓) 𝐶𝑓,𝑥𝑧

2 (𝑓) 𝐶𝑓,𝑦𝑥 2 (𝑓) 𝐶𝑓,𝑦𝑦 2 (𝑓) 𝐶𝑓,𝑦𝑧

2 (𝑓) 𝐶𝑓,𝑧𝑥

2 (𝑓) 𝑉𝑥,𝑚𝑣 2 (𝑓) 2 𝐶𝑓,𝑧𝑦 ] ∙ [𝑉𝑦,𝑚𝑣 (𝑓)] 2 (𝑓) 2 (𝑓) 𝑉𝑧,𝑚𝑣 𝐶𝑓,𝑧𝑧

(2)

Hierin zijn Cf,ii de frequentie-afhankelijke overdrachten van maaiveld naar fundering, zoals deze volgen uit het model. Dominant hierin zijn vooral de diagonale coëfficiënten. Door vervolgens Vi,fundering(f) te delen op Vi,mv(f) in een hoek van het gebouw ontstaat een beeld van de vaak gepresenteerde overdracht Cf(f) van maaiveld naar fundering, zie Figuur 15.

In de volgende stap worden de resultaten op de fundering vertaald naar de resultaten op de vloeren in het gebouw. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de resultaten uit de voorgaande stappen. De trillingsspectra op de vloeren worden berekend met behulp van vergelijking 3: 36

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

2 (𝑓) 𝐻𝑥𝑥 𝑉𝑥,𝑣𝑙𝑜𝑒𝑟 (𝑓) 2 (𝑓) 𝑉𝑦,𝑣𝑙𝑜𝑒𝑟 (𝑓) = √[𝐻𝑥𝑦 2 (𝑓) 𝑉𝑧,𝑣𝑙𝑜𝑒𝑟 (𝑓) 𝐻𝑥𝑧

2 (𝑓) 𝐻𝑦𝑥 2 (𝑓) 𝐻𝑦𝑦 2 (𝑓) 𝐻𝑦𝑧

2 2 (𝑓) (𝑓) 𝑉𝑥,𝑓𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 𝐻𝑧𝑥 2 2 (𝑓) 𝐻𝑧𝑦 ] ∙ [𝑉𝑦,𝑓𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 (𝑓)] 2 (𝑓) 2 𝐻𝑧𝑧 (𝑓) 𝑉𝑧,𝑓𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔

(3)

Hierin zijn Hfi de frequentie-afhankelijke overdrachten van maaiveld naar fundering, zoals deze volgen uit het model. Door vervolgens Vi,vloer(f) te delen op Vi,fundering(f) in een hoek van het gebouw ontstaat een beeld van de vaak gepresenteerde overdracht Cv(f) van fundering naar de vloer. Deze zijn voor het midden van de vloer op de hoogste verdieping weergegeven in Figuur 15.

Figuur 15 Gemiddelde overdracht van fundering naar het maatgevende punt op hoogste verdieping van appartementengebouw, bij appartementenvloer van 260 mm dik en overspanning van 260 mm, met kalkzandsteen en metselwerk constructie en fundering op palen. Doorgaande lijn verticaal is midden vloer, onderbroken lijn is op ¼ en ¾ van overspanning

In de laatste stap worden de te toetsen grootheden Vmax en Vper bepaald. Hiervoor volgen we de volgende procedure: 1.

Per gemeten treinpassage berekenen we het trillingsspectrum op de vloer van het gebouw, op basis van de resultaten uit stap 8.

37

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

2. We berekenen de Vi,max,rms op basis van het trillingsspectrum op de vloer en vanuit het originele meetpunt (op maaiveld of de fundering), waarna we de verhouding tussen die twee bepalen en de gemeten Vi,max hiermee corrigeren. Hiermee krijgen we een zo nauwkeurig mogelijke inschatting van Vi,max op de vloer in het geplande gebouw. Deze methode is gebaseerd op de methode zoals gebruik in de Beleidsregel trillinghinder spoor (Bts), waar de Vmax ook wordt berekend op basis van de Vrms6 3. We berekenen de maximale trillingssterkte per vloer, door over alle meetrichtingen heen (X, Y en Z) en over alle rekenpunten op de vloeren heen het maximum te bepalen. 4. Vervolgens berekenen we conform de procedure uit de SBR B-richtlijn de gemiddelde trillingssterkte Vper. De resultaten toetsen we aan het beoordelingskader, de SBR B-richtlijn.

Zoals in paragraaf 0 is toegelicht, zitten er diverse onzekerheden in het onderzoek. Dat varieert van onzekerheden in de metingen, in de opbouw van de bodem, variaties in kwaliteit van de bouwmaterialen en verschillen tussen ontwerp en uitvoering, tot onzekerheden in de gebruikte modellen. In dit onderzoek is daar als volgt mee omgegaan: van elke parameter is een onzekerheid bepaald, met uitzondering van de daadwerkelijk gemeten trillingen. Voor de belangrijkste modelparameters is dat globaal het volgende: >

Beton: 10% op stijfheid, 5% op massa en 15% op demping

>

Metselwerk: 15% op stijfheid, 5% op massa en 20% op demping

>

Staal: 5% op stijfheid, 5% op massa en 15% op demping

>

Gebouwinrichting: 25% op massa, 35% op demping

>

Bodemopbouw: 15% op stijfheid, 15% op massa, 25% op demping

>

Hout: 25% op stijfheid, 10% op massa en 25% op demping (maar hier niet van toepassing)

Zoals in paragraaf 0 is toegelicht, kunnen de gemeten trillingen door het jaar heen ook variëren, maar het is met een meetduur van een week (of zelfs een maand) niet mogelijk om te bepalen of de meting is uitgevoerd op een moment dat de trillingen hoger of lager dan het gemiddelde op deze locatie zijn. In werkelijkheid kunnen de trillingen dus zowel hoger als lager zijn, maar het globale beeld van de verwachte trillingen wijzigt daarmee niet wezenlijk: er ontstaat niet ineens een onaanvaardbaar woon- en leefklimaat t.a.v. trillingen. Voor alle andere parameters is, op basis van metingen, de random forest analyse op de database met gebouwen en de afwijking van de geplande bebouwing en de bebouwing in de database, een inschatting gemaakt van de onzekerheden in de parameters (zoals demping en stijfheid van de onderdelen) en modellen (zoals onzekerheid in hoe goed het model de overdrachten kan berekenen). De onzekerheden worden via een MonteCarlo-analyse (N=100) doorgerekend naar een onzekerheid in de eindresultaten. De eindresultaten worden daarom als een bandbreedte weergegeven. Het is goed om te beseffen dat bovenop die bandbreedte nog een aanvullende bandbreedte mogelijk is vanuit de onzekerheid van de metingen, zoals hierboven beschreven.

6

Zie Koopman , A., LA.131001a.M04 van 13 april 2018

38

<

WBD2024-042 Trillingsonderzoek Vestersbos in Zevenaar

In dit onderzoek zijn de trillingen berekend met een door We-Boost ontwikkeld rekenmodel, waarin een random forest algoritme empirische resultaten (vanuit ruim 600 praktijkmetingen), analytische formules en resultaten uit eindige elementenberekeningen combineert om het dynamische gedrag van een gebouw te bepalen. Omdat het rekenhart van het rekenmodel niet is vrijgegeven, onderbouwen we de betrouwbaarheid van het rekenmodel op basis van vrijgegeven input, output en enkele tussenresultaten (die dus controleerbaar zijn) en op basis van validatiemetingen in de praktijk (die dus laten zien of het model ook daadwerkelijk doet wat wij claimen, namelijk de trillingen betrouwbaar voorspellen). In deze bijlage is deze validatie van het rekenmodel opgenomen. Eerst gaan we in op onze validatie-aanpak, daarna beschrijven we een vergelijking tussen daadwerkelijk gemeten en met het rekenmodel berekende trillingen, en daarna gaan we nog in meer detail in op enkele relevante validatiecases waarvan we meer informatie geven.