Auteurs: Gerrie Dieteren, Huibert Borsje
Op 27 mei 2017 is de in aanbouw zijnde parkeergarage P1 op Eindhoven Airport gedeeltelijk ingestort. Om de oorzaak van deze instorting te achterhalen, heeft Eindhoven Airport aan TNO opdracht gegeven voor een onderzoek [2]. Ten behoeve van dit onderzoek heeft TNO gebruikgemaakt van de methodiek van forensic engineering.
1. Ingestorte parkeergarage Eindhoven Airport (foto: Jacques Linssen)
Parallel aan het onderzoek van TNO heeft Adviesbureau ir. J.G. Hageman, in opdracht van BAM, ook een onderzoek uitgevoerd [3]. Deze twee onderzoeken, die onafhankelijk van elkaar zijn uitgevoerd, zijn beide tot dezelfde conclusie gekomen wat betreft de oorzaak van de instorting. Meer over deze onderzoeken staat in het artikel ‘Oorzaken instorting parkeergarage Eindhoven’. Daarin wordt ook ingegaan op het onderzoek van de Onderzoeksraad voor Veiligheid.
Gezien de overeenkomst in het onderwerp bestaat er overlap tussen dat artikel en het onderhavige artikel.
Forensic engineering is een methodiek waarbij op een gestructureerde manier oorzaken van schade of ongevallen kunnen worden herleid. De kracht van deze methodiek zit in het heel gericht verzamelen en analyseren van informatie. Enerzijds wordt hiermee voorkomen dat onnodig veel onderzoek wordt uitgevoerd en anderzijds wordt de kans op tunnelvisie, met een onjuiste conclusie, sterk verkleind.
In het artikel ‘Schadeonderzoek met forensic engineering’ in Cement 2016/1 [1] is deze methodiek beschreven. Het onderhavige artikel geeft een praktijkvoorbeeld van een dergelijk onderzoek: de instorting van de parkeergarage op Eindhoven Airport (foto 1).
Het schadeonderzoek met forensic engineering is uitgevoerd volgens de structuur die is weergegeven in het stroomschema in figuur 2. Dit is de structuur die al is besproken in Cement 2016/1 [1], echter nu aangevuld met een ‘Analyse van de instorting’. Er waren namelijk getuigenverklaringen en CCTV-opnamen beschikbaar die belangrijke informatie gaven over de instorting zelf.
De hoofdpunten van deze structuur zijn terug te vinden in vrijwel alle onderzoeken naar de oorzaak van instortingen. Waarin forensic engineering zich onderscheidt, is de bottom-upbenadering in plaats van de veelal toegepaste top-downbenadering.
Bij de top-downbenadering wordt de nadruk in fase 1 van het onderzoek gelegd op het analyseren van de constructie (fase 1A). De kern van het onderzoek ligt daarbij in het identificeren van mogelijk zwakke/kritische punten in de constructie en die vervolgens beschouwen als mogelijke oorzaken. Hiervoor wordt veelal nagegaan welke kritische punten er in het constructief ontwerp aanwezig zijn en die worden dan als mogelijke oorzaken verder geanalyseerd. Eventuele onvolkomenheden in de uitvoering worden via deze benadering niet geïdentificeerd, waardoor onzekerheid blijft over de compleetheid van het aantal mogelijke oorzaken.
Bij de bottom-upbenadering ligt de nadruk in fase 1 van het onderzoek op het analyseren van het ingestorte deel van het gebouw (fase 1C). Daarbij wordt eerst geanalyseerd welke (onder)delen van het gebouw zijn bezweken. Op basis van de bezweken (onder)delen wordt een overzicht opgesteld van mogelijke oorzaken, die vervolgens nader worden onderzocht. Indien dit op een juiste wijze wordt uitgevoerd, wordt een compleet overzicht van mogelijke oorzaken verkregen.
2. Stroomschema forensic engineering
Het werkelijke gedrag van de constructie moet altijd worden geanalyseerd, ongeacht of wordt gekozen voor een top-down- of een bottom-upbenadering. Om het werkelijke gedrag van de constructie op een goede manier te kunnen doorgronden, moet de constructie ‘van wieg tot graf’ worden geanalyseerd. Deze analyse moet gericht zijn op drie hoofdaspecten:
De parkeergarage telt vier verdiepingen, met een totale lengte van circa 120 m en breedte van circa 65 m. Halverwege de lengterichting van het gebouw is over de volle breedte een dilatatie aangebracht (fig. 3). De bouwdelen aan beide zijden van de dilatatie beschikken elk over eigen stabiliteitsvoorzieningen. Deze bestaan uit een stabiliteitskern van prefab-betonwanden rondom het trappenhuis en twee stabiliteitsbokken.
3. Overzicht van het gebouw vóór de instorting
Het gebouw is gefundeerd op betonpoeren met daaronder in de grond gevormde betonnen funderingspalen. Elke verdieping wordt ondersteund door kolommen, vervaardigd van ter plaatse gestort gewapend beton, met veelal een diameter van 450 mm.
De verdiepingsvloeren zijn bollenplaatvloeren met een totale dikte van 450 mm. Deze vloeren zijn opgebouwd uit prefab-betonnen breedplaten met kunststofbollen, met daarop een laag ter plaatse gestort beton. De prefab breedplaten hebben een basisafmeting van 3,0 × 10,0 m2 en een dikte van 70 mm. Aan de bovenzijde steken tralieliggers uit de breedplaten, die zorgdragen voor de bevestiging van de bovenwapening en voor de koppeling tussen de breedplaten en het ter plaatse gestorte beton. Tevens zorgt het geheel van tralieliggers en bovenwapeningsnet ervoor dat de bollen tijdens het storten van het ter plaatse gestorte beton niet opdrijven.
In figuur 4 is het legplan gegeven van de individuele elementen van de bollenplaatvloer in het deel van de constructie waar de instorting heeft plaatsgevonden. Ten behoeve van het afschot in de vloer zijn de elementen tussen langsnaad 1 en 5 onder een helling gelegd. Langsnaad 3 is daarbij het hoogst gepositioneerd, 125 mm hoger dan de naden 1 en 5.
4. Legplan breedplaten in het ingestorte deel van het gebouw
De bouw is begonnen in de zomer van 2016. Ten tijde van de instorting was de ruwbouw afgerond en waren afbouw- en coatingwerkzaamheden in uitvoering.
Ten behoeve van de vervaardiging van de vloeren zijn eerst de prefab breedplaten op een ondersteuningsconstructie geplaatst. Vervolgens is daarop de laag ter plaatse gestort beton aangebracht. Na het bereiken van een druksterkte van het ter plaatse gestorte beton van circa 18 MPa heeft men de vloeren laten schrikken. Dit schrikken houdt in dat de ondersteuning onder de vloer eerst wordt losgedraaid en vervolgens weer handvast wordt aangedraaid.
Van het ingestorte deel van het gebouw is het storten van het beton afgerond op 1 februari 2017. Op 9 februari 2017 is de onderstempeling onder vloer 3 verwijderd. De onderstempeling onder vloer 4 is ongeveer 28 dagen na het storten van het beton verwijderd, circa drie maanden voor de instorting.
Ten tijde van de instorting was in het ingestorte deel van het gebouw geen materiaal en/of materieel opgeslagen. Op de dag van de instorting was sprake van een hoge buitentemperatuur met vrijwel de gehele dag zonneschijn. Voertuigen hadden tot aan de instorting nog niet in de parkeergarage gereden.
Na de instorting is met getuigen gesproken die in de buurt van het MPB aanwezig waren. Vier van deze getuigen hadden ten tijde van de instorting direct zicht op het gebouw. Zij verklaarden unaniem dat het gebouw van boven naar beneden is ingestort.
In de omgeving van het MPB bevonden zich vijf CCTV-camera’s die opnamen hebben gemaakt van een deel van de instorting. Helaas waren op de individuele camerabeelden slechts delen van de constructie zichtbaar en werd daarmee geen compleet beeld van de instorting verkregen.
Ten aanzien van de instorting gaven deze CCTV-beelden de volgende informatie ten aanzien van de start van de instorting:
Op basis van de combinatie van getuigenverklaringen en CCTV-camera’s kon worden geconcludeerd dat de instorting is gestart in vloer 4.
De analyse van het ingestorte deel was erop gericht twee aspecten van de instorting nader te kunnen onderzoeken:
5. Bezwijkvlakken in vloer 4 en bezweken kolommen (rood)
Vanwege instortingsgevaar van het niet-ingestorte deel van het gebouw was alleen een inspectie op afstand mogelijk. De inspectie heeft daarom, in hoofdzaak, plaatsgevonden met drones en vanuit een hangbak aan een kraan.
Uit het onderzoek naar de bezwijkvlakken in vloer 4 is het volgende naar voren gekomen (fig. 5):
Uit het onderzoek naar de locatie en de positie van de vloeren is het volgende naar voren gekomen (fig. 6, 7):
6. Achterste deel van de vloeren ondersteboven, met vloer 4 onder vloer 2 en 3
7. Achterste deel van de vloeren links van naad E schuin tegen elkaar, met vloer 4 voor vloer 3 en 2
De mogelijke oorzaken van de instorting zijn bepaald met de bottom-upbenadering. Dit is als volgt uitgevoerd:
Alle bezweken kolommen en alle bezwijkvlakken in vloer 4 zijn uiteindelijk geïdentificeerd als mogelijk startpunt van de instorting. Daarmee is een compleet overzicht verkregen van alle mogelijke startpunten van de instorting. Vanuit het geïdentificeerde startpunt kan vervolgens worden vastgesteld wat de oorzaak is geweest van de instorting.
Alle in fase 2 geïdentificeerde, mogelijke startpunten van de instorting zijn stuk voor stuk geanalyseerd via verificatie en falsificatie. Verificatie betekent dat de waarnemingen een mogelijk startpunt bevestigen en falsificatie betekent dat de waarnemingen een mogelijk startpunt tegenspreken. Hiermee wordt niet alleen een overzicht gekregen van de startpunten waar de instorting daadwerkelijk kan zijn begonnen, maar wordt ook de uitsluiting van de onwaarschijnlijke startpunten onderbouwd.
Voor de analyse van de mogelijke startpunten is gebruikgemaakt van de in fase 1C verkregen informatie over de bezwijkvlakken in vloer 4 en over de locatie en de positionering van de verschillende onderdelen van de constructie na de instorting. In het navolgende worden twee voorbeelden van een dergelijke analyse gegeven: de eerste waarbij sprake is van falsificatie van een startpunt en de tweede waarbij sprake is van verificatie van een startpunt.
Als de instorting start ter plaatse van de begrenzing aan de achterzijde (nummer 7 in figuur 5), zal het gehele ingestorte deel van vloer 4, tussen de buitenrand en de begrenzing, roteren om de as van de buitenste kolomrij (fig. 8). Indien het gehele vloerdeel omlaag draait, zal de achterzijde van dat deel als eerste vloer 3 raken. Dan is het waarschijnlijk dat vloer 3 in dezelfde zone bezwijkt en eveneens, op vergelijkbare wijze, omlaag zal roteren. Vervolgens zal hetzelfde gebeuren met achtereenvolgens vloer 2 en vloer 1. Bij dit bezwijkmechanisme is het weliswaar mogelijk dat de vloervelden in tweede instantie bezwijken in naad 3 en 4, maar is het zeer onwaarschijnlijk dat het deel van vloer 4 tussen naad 3 en de begrenzing van de instorting afbreekt en vervolgens doordraait en ondersteboven onder vloer 3 en 2 terechtkomt. Op basis hiervan is geconcludeerd dat het zeer onwaarschijnlijk is dat het bezwijkvlak ter plaatse van de begrenzing van de instorting het startpunt is geweest van de instorting van vloer 4.
8. Bezwijkmechanisme bij start instorting in begrenzing van het ingestorte deel
Als de instorting start nabij naad 3, zal het voorste deel van de vloer, tussen de buitenrand en naad 3, roteren om de as van de buitenste kolomrij (fig. 9). Gelijktijdig met het roteren van het voorste deel van de vloer, zal ook het achterste deel van de vloer, het deel van naad 3 tot aan de begrenzing van het ingestorte deel, omlaag roteren. Omdat het achterste deel dat omlaag draait korter is dan het voorste deel, zal het voorste deel als eerste vloer 3 raken. Door de impact van vloer 4 op vloer 3 bezwijkt deze op een vergelijkbare wijze als vloer 4, evenals de daaronder gesitueerde vloeren. Het achterste deel van vloer 3 bezwijkt voordat het achterste deel van vloer 4 op vloer 3 terechtkomt. Daardoor wordt het achterste deel van vloer 4 niet geremd en kan dit deel ongehinderd omlaag komen en doordraaien. Doordat dit ook gebeurt met de daaronder gesitueerde vloeren, kunnen de achterste delen van de vloeren doordraaien en ondersteboven, met vloer 4 onderop, op de grond terechtkomen. Op basis hiervan is geconcludeerd dat het bezwijkvlak in naad 3 een startpunt kan zijn geweest van de instorting.
Uit de verificatie en falsificatie van alle mogelijke startpunten van de instorting is naar voren gekomen dat de instorting gestart moet zijn in naad 3 van vloer 4, in het deel tussen dwarsnaad A en F. Er zijn geen andere mogelijke startpunten geïdentificeerd die aansluiten bij én de locaties van de bezwijkvlakken in vloer 4 én de positionering van de onderdelen van het ingestorte deel van het gebouw.
Over de wijze waarop naad 3 is bezweken, is tijdens het onderzoek slechts beperkte informatie beschikbaar gekomen, omdat deze naad over het grootste deel van de lengte was gepositioneerd onder vloer 2 en 3. Op basis van de wel beschikbare informatie is het aannemelijk dat het bezwijkvlak als volgt verliep, van onder naar boven (fig. 10):
10. Verloop bezwijkvlak nabij naad 3
In een later stadium, ten tijde van de sloop van de parkeergarage, was het wel mogelijk het betreffende bezwijkvlak in detail te beoordelen (fig. 11). De eerdergenoemde aanname bleek juist te zijn geweest.
Het startpunt van de instorting bevond zich in de zone van de vloer waar in het oorspronkelijke constructief ontwerp de hoogste veldmomenten (positief buigende momenten) waren berekend. Als gevolg van deze buigende momenten was er in die zone sprake van een trekkracht onder in de vloer en een drukkracht boven in de vloer. Het verloop van het bezwijkvlak in het startpunt van de instorting duidde op een bezwijkmechanisme waarbij de constructie niet in staat was de trekkracht in de wapening van de ene breedplaat over te brengen naar de andere breedplaat.
11. Verloop bezwijkvlak nabij naad 3 zoals waargenomen in het werk (onderaanzicht vloer)
Het startpunt van de instorting bevond zich in de zone van de vloer waar in het oorspronkelijke constructief ontwerp de hoogste veldmomenten (positief buigende momenten) waren berekend. Als gevolg van deze buigende momenten was er in die zone sprake van een trekkracht onder in de vloer en een drukkracht boven in de vloer. Het verloop van het bezwijkvlak in het startpunt van de instorting duidde op een bezwijkmechanisme waarbij de constructie niet in staat was de trekkracht in de wapening van de ene breedplaat over te brengen naar de andere breedplaat.
Teneinde na te gaan of het eerder beschreven bezwijkmechanisme daadwerkelijk de oorzaak is geweest van de instorting, is de aansluiting tussen twee breedplaten in detail nader constructief geanalyseerd.
Als gevolg van het positief buigend moment was er in het onderste deel van de vloer sprake van trekspanningen (fig. 12). De breedplaten waren daartoe van de juiste hoeveelheid wapening voorzien. Ter plaatse van de voegen werd deze trekwapening echter onderbroken. De trekspanningen in de breedplaat moesten ter plaatse van de naad tussen de breedplaten worden overgebracht van de ene breedplaat naar de andere en daarvoor was koppelwapening voorzien. Deze koppelwapening was in het onderhavige geval uitgevoerd door het plaatsen van wapeningsstaven op de breedplaten ter plaatse van de naad.
12. Constructief gedrag bij positief buigend moment ter plaatse van plaatnaad
De sterkte van de koppeling ter plaatse van deze voeg werd bepaald door:
Voor het achterhalen van de oorzaak van het bezwijken is een constructieve analyse uitgevoerd, die zich heeft toegespitst op de situatie ten tijde van de instorting, dus met de op dat moment werkelijk aanwezige belasting door eigen gewicht en temperatuureffecten. Tevens is daarbij niet uitgegaan van de rekenwaarden voor de belasting en de capaciteit maar van de gemiddelde waarden. Dit om de werkelijke situatie zo goed mogelijk te benaderen, zonder alle in het ontwerp ingebouwde veiligheden. Uit deze constructieve analyse is naar voren gekomen dat ten tijde van de instorting de benodigde capaciteit van het aansluitvlak 0,76 tot 1,52 maal de in het werk aanwezige capaciteit van het aansluitvlak bedroeg. Maatgevend hierbij was mechanisme b), de afschuifsterkte van het aansluitvlak. Op basis hiervan is geconcludeerd dat de instorting vrijwel zeker is veroorzaakt door een te lage capaciteit van het aansluitvlak tussen het ter plaatse gestorte beton en de breedplaat ter plaatse van naad 3.
Bij het onderzoek naar de oorzaak van de gedeeltelijke instorting van de parkeergarage is gebruikgemaakt van de methodiek forensic engineering. Voor het opstellen van een overzicht van mogelijke oorzaken is daarbij gekozen voor een bottom-upbenadering. Deze benadering lijkt op het eerste gezicht omslachtig en uitgebreid, omdat daarbij relatief veel mogelijke oorzaken worden geanalyseerd. Echter, door die gestructureerde aanpak van het onderzoek was het mogelijk niet alleen te concluderen wat de oorzaak was van de instorting, maar ook te concluderen dat er geen andere mogelijke oorzaken waren.
Het doel van forensic engineering was uiteraard om op een gestructureerde wijze de oorzaak van de instorting te achterhalen. Echter, minstens zo belangrijk is het om uit deze case lering te trekken, om te voorkomen dat een dergelijke instorting niet nog eens kan optreden. De heer Ratay, voorzitter van de IABSE-werkgroep Forensic Engineering, heeft in dit kader eens aangegeven: “We don’t just pay-up, rebuild, and walk away – we delve, we learn, and we improve”. Dat dit voor het onderhavige onderzoek zeker het geval is geweest, blijkt wel uit de noodzakelijke herbeoordeling die inmiddels bij meerdere vergelijkbare constructies heeft plaatsgevonden, na het bekend worden van de resultaten van het onderzoek.
