Zettingsberekening met Diamonds – interview met Dorothee De Pauw

1. Vertel ons meer over jouw betrokkenheid bij grondberekeningen

Ik ben verheugd om over zettingenberekeningen te praten, omdat dit onderwerp mij na aan het hart ligt. Binnen BuildSoft ben ik persoonlijk veel betrokken geweest bij de analyse van zettingen, meer bepaald de verificaties zettingberekeningen. Beginnend met wat basiskennis van grondmechanica en zettingen die ik op de universiteit had opgedaan, heb ik uitgebreid onderzoek gedaan naar ontwerpcodes, bodemparameters, bodemonderzoek en zettingsberekeningen. Het viel me op hoe groot het onderwerp 'grond’ was en hoe wijdverspreid de informatie- en ontwerpregels zijn. Bovendien vind je beperkte voorbeelden van zettingsberekeningen. Mijn verwachtingen van ontwerpcodes zoals Eurocode 7 waren bijgevolg hoor, maar ik eens doorgenomen vroeg ik me af waar ontwerpformules precies waren.

2. Wat zijn de beperkingen van Eurocode 7 bij het berekenen van zettingen?

Helaas biedt Eurocode 7 geen echte ontwerpformules of klant-en-klare ‘recepten’ voor zettingsberekening, alleen mogelijke ontwerpstrategieën en -methoden. Er wordt vermeld dat 'algemeen erkende methoden voor het evalueren van zetting moeten worden gebruikt'. Deze methoden stellen echter dat je rekening moet houden met het grondlagenprofiel, met het effect van aangrenzende funderingen en dat je zowel onmiddellijke (primaire) als uitgestelde (secundaire) consolidatiezettingen moet berekenen. Deze punten zijn essentieel om te weten en moeten bij elke methode die je gebruikt, worden gecontroleerd. Anders voldoet de berekening niet aan de Eurocodes. Maar hoe je met al deze aspecten rekening moet houden bij een zettingsberekening, wordt niet uitgewerkt.

Deze 'algemene & open' filosofie is doorgetrokken in heel Eurocode 7. In tegenstelling tot de andere Eurocode-onderdelen, heeft Eurocode 7 minimale kant-en-klare formules of 'recept' ontwerpregels. In het begin voelde het op de een of andere manier 'teleurstellend' voor mij. Ik begreep niet waarom er zo weinig praktische informatie was, maar ik heb geleerd dat daar een goede reden voor is. Geotechnisch ontwerp is uniek. Het is niet te vergelijken met andere ontwerpdomeinen. De veelgebruikte modellen verschillen van land tot land omdat de geologieën anders zijn. Ook zijn veel gangbare praktijken zogenaamde 'lokale tradities', gesteund op ervaring. Deze verschillen zijn niet eenvoudig te harmoniseren.

3. Wat zijn enkele voorbeeldmethoden in Eurocode om grond te modelleren voor zettingsberekening?

Er zijn in principe 2 methoden: de aangepaste elasticiteitsmethode en de spanning-rekmethode (stress-strain). Bij BuildSoft richten we ons op de spanning-rek methode. Deze methode omvat het berekenen van de spanningsverdeling in de grond als gevolg van de belasting van de fundering. Het berekenen van de spanning in de grond uit de spanningen wordt gedaan met behulp van stijfheidsmoduli-waarden of andere spanning-rekrelaties die zijn bepaald uit laboratorium- of in situtesten. Vervolgens moeten de verticale spanningen geintegreerd woden om de zettingen te vinden. Om de spanning-rekmethode te gebruiken, moet een voldoende aantal punten in de grond onder de fundering worden geselecteerd en de spanningen en rekken op deze punten worden berekend. Een goede kennis van de grondmechanica is noodzakelijke, evenals werkelijk gemeten gronddata.

4. Wat zijn de meest gebruikte methoden om in de praktijk grond te modelleren voor zettingsberekening?

De meest bekende methode voor zettingsberekening is waarschijnlijk het Winkler-model of het veermodel. Deze modellering is voornamelijk 1D en de grond wordt beschouwd als een elastisch lineair materiaal. Het hele bodemgedrag wordt weergegeven door één enkele veerconstante, ook wel bekend als de ‘beddingconstante’. Je hebt slechts één parameter nodig en alle standaard berekeningssoftware, inclusief Diamonds, ondersteunt deze functie. Hoewel deze methode heel eenvoudig lijkt, is ze uitdagender dan je denkt: als je maar één parameter gebruikt om het volledige grondgedrag weer te geven, moet je ervoor zorgen dat de waarde correct is. En daar gaan de meeste mensen de fout in: ze gebruiken waarden die zijn afgeleid van eerdere ervaringen, of gewoontes of wat ze in boeken of online hebben gevonden. Dit zou kunnen werken om een idee te krijgen van het gedrag van een plaat of funderingszool, maar het geeft geen nauwkeurige resultaten voor de berekening van de zettingen. Het Winkler-model houdt immsers geen rekening met het hele bodemlaagprofiel (tenzij je een plaatbelastingstest doet), het effect van aangrenzende funderingen of secundaire consolidatiezettingen.

Je zou kunnen werken met (semi-)empirische, analytische formules voor spanningen & zettingen, gecombineerd met praktijktestresultaten. De focus blijft op de bovenbouw, maar het algehele bodemgedrag wordt meegenomen in de globale analyse. Deze methode kan worden gebruikt via eenvoudige handberekeningen met behulp van een werkblad of kan worden gevonden in algemene structurele analysesoftware zoals Diamonds.

Ten slotte is er gespecialiseerde software, die de eindige-elementenmethode gebruikt om gedrag van de bodem te modelleren, rekening houdend met echte grondgegevens uit in-situ - of laboratoriumtests. Deze modellen kunnen zowel 2D als 3D zijn.

5. Globale zetting vs. differentiële zetting: wat zijn de toelaatbare zettingen?

Wanneer we het hebben over toelaatbare zetting, onderscheid Eurocode verschillende componenten, zoals globale zetting, relatieve (of differentiële) zetting, rotatie, kanteling, enz.

De belangrijkste componenten zijn globale zetting en differentiële zetting. Deze kunnen worden geschat met behulp van structurele analysesoftware. Hoewel Eurocode niet voor elk onderdeel grenswaarden geeft, geven publicaties als Skempton & MacDonald goede praktische indicaties van grenswaarden om schade te voorkomen.

Naar mijn mening kan differentiële zetting de meeste schade en scheuren in het gebouw veroorzaken. Voor plaat op volle grond is het zeker niet voldoende om zettingsberekeningen uit te voeren in slechts één referentiepunt van de fundering. Je kunt hier echt de fout in gaan als je alleen de totale zetting evalueert, vooral wanneer het grondgedrag lokaal sterk verandert over de plaat of er veel variatie in belasting is.

6. Hoe kan Diamonds constructief ingenieurs helpen bij het uitvoeren van grondlagenanalyse?

Zoals we inmiddels weten, is er geen recept voor het berekenen van de zetting in Eurocode 7. Je moet dus vertrouwen op ervaring of wat je op de universiteit hebt geleerd - wat meestal vrij beperkt is. Je moet je vertrouwen had in de berekeningsmethoden die u je gebruikt. Ik heb geleerd dat veel constructief ingenieurs niet goed weten hoe ze moeten beginnen met zettingsberekening. Dit komt omdat het bouwtechnisch veld al zo groot is, en het grondmechanish veld minstens zo omvangrijk. Als zodanig moet je tijd en moeite investeren in het maken van je rekenwerkbladen. Uit mijn ervaring weet ik dat zulke rekensheets alleen kunnen werken voor standaard plaatgeometrieën, zoals rechthoekig, rond of vierkant. Elke andere configuratie kan je niet implementeren. En dat is waar wij het verschil kunnen maken: Diamonds heeft een uitstekende functionaliteit voor het berekenen van zettingen, gebaseerd op de daadwerkelijk in-situ gemeten bodemparameters en waar alle soorten plaatgeometrie mogelijk zijn.

7. Wat zijn de beste praktijken om hanteerbare modellen en ontwerpformules te vinden, gegeven de aannames dat de bodem elastisch en niet-lineair is?

Aan de ene kant kun je voornamelijk Eurocode als naslagwerk. Een voorbeeld van een semi-empirische methode voor het berekenen van zettingen van gespreide funderingen in grove grond, met behulp van qc van CPT, wordt gegeven in deel 2 van Eurocode 7. Het is belangrijk om te weten dat deze methode niet wordt gepromoot als dé standaardmethode. Bovendien heeft deze methode verschillende beperkingen, zoals geometrie/vorm van de plaat en type belasting. De methode kan worden gebruikt voor handberekeningen, maar is niet geschikt voor conversie naar EEM-analysesoftware.

Aan de andere kant kun je tijdrovend onderzoek doen. Een derde – en waarschijnlijk beste – optie is om structurele analysesoftware te gebruiken met ingebouwde zettingsberekeningen die voldoen aan Eurocode.

8. Over het rekenmodel in Diamonds: hoe vind je de juiste bedding voor de plaat die overeenkomt met het bodemgedrag en alle invoerparameters uit de in-situ bodemtest?

De zettingsberekening is gebaseerd op het principe dat de doorbuiging van de plaat gelijk is aan de zetting van de grond. Dit is natuurlijk hoe de werkelijke situatie zal zijn. De plaat wordt ondersteund door een geschikt gekozen verende bedding, in elk meshpunt een andere veerwaarde. De waarden van de veren kennen we niet van tevoren. Ze worden iteratief bepaald op basis van de ingevoerde bodemparameters en wel zodanig dat de zetting gelijk is aan de doorbuiging. In dit iteratieve proces gebruiken we bekende grondmechanische vergelijkingen zoals de Boussinesq-formule voor de verdeling van belastingen in de bodem en Terzaghi voor de zettingsberekening. Dit volgt volledig de voorgestelde stress-strain-methode zoals in Eurocode.

9. Moet je voor zo'n zettingsanalyse niet heel veel informatie invoeren?

Nee dat hoef je niet te doen. De belangrijkste waarde is de samendrukkingsconstante C - per grondlaag waarmee je rekening wilt houden. Daarnaast moet ja het droge en natgrondgewicht invoeren, meestal gelijk aan 16 en 20kN/m^3. En dat is het. De samendrukkingsconstante is te vinden in het rapport van het geotechnisch onderzoek ‘sondering’ rapport (CPT) of wordt berekend uit de samendrukkingsindex C_c en poriëngetal e_0. Met andere woorden: we gebruiken ter plaatse gemeten bodemgegevens. Het volledige grondlagenprofiel kan eenvoudig in Diamonds worden geïmporteerd, je hoeft dus niet laag per laag in te voeren.

10. Deel met ons een praktijksituatie met betrekking tot zettingsberekening.

Uitgravingen zijn een veelvoorkomende praktijk. Ze bieden extra bouwruimte (bijvoorbeeld parkeren) onder het maaiveld. Bovendien kun je profiteren van de voorbelasting van de grond vanwege de eerdere grondmassa. De voorbelasting zal de uiteindelijke zetting aanzienlijk verminderen, zowel de globaal als differentiële zetting. Bij het werken met uitgravingen wordt waterdruk relevant. Er moet rekening worden gehouden met zowel opwaartse als horizontale waterdruk.

Indien er geen (nood is aan) uitgraving, kan er voorbelasting aanwezig zijn door grond voorbelasting. Denk aan een oud te slopen gebouw of een grote hoop zand.

Ten slotte is het maaiveld niet altijd horizontaal maar in sommige gevallen hellend. En de meeste platen zijn niet 100% rechthoekig of vierkant. Ze zijn onregelmatig van vorm.

Met Diamonds kan je al deze praktijksituaties modelleren.