I

Myths and Fallaciesin the Groningen Earthquake Probleminaugural speech

I. E. (Ihsan) Bal, PhD

Floris Boogaard

Myths and Fallaciesin the Groningen Earthquake Probleminaugural speechI. E. (Ihsan) Bal, PhD

2

This book is dedicated to Prof. Nigel Priestley, author among many other publications of the book “Myths and Fallacies in Earthquake Engineering”. His book is considered to be a mile-stone in earthquake engineering, stating the problems and misconceptions in the classical force-based design procedure that is widely used all around the world. Prof. Priestley inspired many young individuals in New Zealand, in San Diego and in ROSE School, Pavia, Italy. I had the honour to be one of his students and found the chance to discuss technical matters with this humble but brilliant personality during my education.

Nigel Priestley (credit: Tobolski Watkins Engineering)

3

Table of Contents

Preface 5

1. Groningen earthquakes are different: an augmented reality 7

2. Earthquake-proof buildings: mission impossible 9

3. Correlation of damage with small and frequent earthquakes: 12 a wrong start

4. Monitoring the earthquakes: confusion 14

5. Seismic codes, guidelines and NPR: not a good choice 21

6. Solving the myths, correcting the fallacies 24

References 26

How quick are we to learn: that is, to imitate what others have done or thought before. And how slow are we to understand: that is, to see the deeper connections.Frits Zernike

4

ColophonTitle: MythsandFallaciesintheGroningenEarthquake

ProblemAuthor: I.E.(Ihsan)Bal,PhdTranslationsE-D: MaaikevanderRijst,Tekstadviesen–productieFinalediting: RixtFroentjesEditor: HanzeResearchCentreforBuiltEnvironment

NoorderRuimte,June2018Layout: CanonBusinessServicesPrinting: GrafischeIndustrieDeMarnePhotographycover:HolsteinRestauratieArchitectuurISBN: 978-90-826635-1-8

www.noorderruimte.nl

©2018IhsanE.Bal

Applicationforthereproductionofanypartofthisbookinanyformshouldbemadetotheauthor.Nopartofthispublicationmaybereproduced,storedorintroducedinaretrievalsystemortransmittedinanyformorbyothermeans(electronic,mechanical,photocopyingorotherwise)withouttheauthor’sprior,writtenpermission.

5

Preface

IwassomewhatsurprizedwiththefoginGroningenuponmyarrival.ThisisnotthefogthatcoversthebeautifullandscapesofthenorthernNetherlandsintheeveningandintheearlymorning.No…Itisthefogthatobscurestherealaspectsoftheearthquakeproblemintheregionandiscrystallisedinthephrase“Groningen earthquakes are different”, whichIhaveencounterednumeroustimeswheneverIraisedaquestionofthetype“But why..?”.Asentencetakenoutofthequiverastheabsolutetechnicalargumentwhichmysteriouslyovershadowsthewholeearthquakediscussion.

Q: WhydowenotuseEurocode8forseismicdesign,insteadofNPR?A: Because the Groningen earthquakes are different!

Q: Whydowenotmonitorourstructuresliketherestoftheworlddoes?A: Because the Groningen earthquakes are different!

Q: WhydoesNPR,theDutchseismicguidelines,dictatesomeunusualrules?A: Because the Groningen earthquakes are different!

Q: Whyarethehazardlevelsincrediblyhigh,evenhigherthanmostEuropeanseismiccountries?

A: Because the Groningen earthquakes are different!

andsoitkeepsgoing…

Thisstatementisverycommon,butonthecontrary,Ihavenotseenasinglepieceofresearchthatprovesitorevendiscussesit.Inessence,itwouldbeadifficulttasktoprovethattheGroningenearthquakesaredifferent.Inanycaseitbarricadesahealthytechnicaldiscussionbecausemostofthetimestheargumentsconvergetoonesinglestatement,independentofthecontentofthediscussion.ThisisthereasonwhyourfirstresearchactivitieswerededicatedtostudyiftheGroningenearthquakesarereallydifferent.Upuntiltoday,wehavenotfoundanymajordifferencesbetweentheGroningeninducedseismicityeventsandnaturalseismiceventswithsimilarconditions(magnitude,distance,depth,soiletc…)thatwouldaffectthestructuressignificantlyinadifferentway.

SincemyarrivalinGroningen,Ihavebeenamazedtolearnhowdifferentlytheearthquakeissuehasbeentreatedinthispartoftheworld.Therewillalwaysbedifferencesamongdifferentcultures,thatisunderstandable.Ihavebeenexposedtoseveralearthquakeengineersfromdifferentcountries,andIcanexpectanaturalvariationinopinions,approachesanddefinitions.ButthefeelinginGroningenisdifferent.Isoonrealizedthat,duetoseveralfactors,aparallelpath,whichIcall“an

6

augmented reality”below,wascreated.WhatImeanbyanaugmentedrealityisaviewofthereal-world,whoseelementsareaugmentedandmodified.Inourexample,Irefertotheengineeringconceptsusedforsolvingtheearthquakeproblem,butinanaugmentedandmodifiedway.ThisaugmentedrealityiscoveredinthefogIdescribedabove.ThewholethingismadesocomplicatedthatoneisoftentemptedtorewindthetapetothehotAugustdaysof2012,rightaftertheHuizingeEarthquake,andreplayittotodaybutthistimebymakingthecorrectsteps.WewouldwakeuptoadifferentGroningentoday.

Iwasinstructedtokeepthetextaswellastheinaugurationspeechassimpleaspossible,andpreferably,asnon-technicalasitgoes.IthuslistedthemostcommonmythsandfallaciesIhavefacedsinceIarrivedinGroningen.Inthisbookandinthepresentation,Imayseemtotakeacriticalview.ThisisbecauseItrytotelladifferentpartofthestory,withoutrepeatingthingsthathavealreadybeensaidseveraltimesbefore.Ithinkthisistheveryreasonwhymyresearchgroupwouldliketomakeaneffortinhelpingtosolvetheproblembyprovidingdifferentviews.Thisbookisoneofsuchefforts.

Thequotegivenatthebeginningofthisbookreads“How quick are we to learn: that is, to imitate what others have done or thought before. And how slow are we to understand: that is, to see the deeper connections.” isfromFritsZernike,theNobelwinningprofessorfromtheUniversityofGroningen,whogavehisnametothecampusIworkat.Applyingthisquotationtoourproblemwouldmeanthatweshouldlearnfromtheseismiccountriesbyimitatingthem,byusingtheexistingstate-of-the-artearthquakeengineeringknowledge,andbyforgettingthedogmaof“the Groningen earthquakes are different” atleastforawhile.WeshouldthenpasstothenextleveloflookingdeeperintotheGroningenearthquakeproblemforabetterunderstanding,andalsodiscoverthepotentialdifferences.

7

1. Groningen earthquakes are different: an augmented reality

Inducedearthquakesrelatedtolarge-scalehumanactivitiesoftheexploitationofnaturalresourcesconstituteoneofthemostrecentresearchtopicsinearthquakeengineering.NaturalresourcesitesinEuropeandintheUS,suchasGroningen,Basel,TexasandOklahoma,attractresearchinterestrenderinginducedseismicityasthespearheadinearthquakeengineeringatthemoment.Themainquestionarisingthusiswhethertheexistingstate-of-the-artintheearthquakeengineeringdisciplineisapplicabletotheregionsthatareintroducedtoinducedseismiceventsandwerenotpronetoseismicactivitiesbefore.Thisquestioncoversawidespectrumoftopics,fromseismologicaldefinitionsandmeasurementofearthquakestoresponseofnon-seismicallydesignedbuildingsinthestructuralinventorytorecursiveandrelativelylowmagnitudeevents.Thediscussiongoesbackeventothetrivialquestionofwhethertheseeventscanbecalled“earthquakes”oraresimply“tremors”.

Comparisonofseismiceventstoeachotherisatleastadifficultendeavour,ifpossibleatall.Earthquakesarecomplexgeophysicaleventsaffectedbynumerousparameters,mostofwhicharestillunknownorunidentifiedbytheresearchers.Consideringthateventhecomparisonofseismicrecordsfromtworelativelyclosestationswithinthesameseismiceventisnotstraight-forward,thencomparisonofnaturaleventstoinducedseismicityeventswhichdonotoccuratsimilarlocationsinmostcasesbecomesanextremelychallengingtask.

Oneofthemajorbarriersinthiscomparisonistheavailabilityofdata.Theseismicrecordsfrominducedseismiceventsare,first,derivedfromaverylimitednumberofregions,andsecond,theycoveraveryshortperiodofobservation,shorterthanadecadeinmostcases.Furthermore,relativelysmall-magnitudeearthquakesneedtobecomparedtoinducedearthquakes,butsuchlow-magnitudeseismiceventsarenotalwaysreportedorkeptinserverslongbythedataprovidersinhighlyseismicregions.

ArecentresearchpaperpresentedbyourResearchGroupintheEuropeanConferenceonEarthquakeEngineering(Baletal.,2018)looksintoparametersthatarecomparableininducedandnaturalearthquakesandsearchesfor“differences”withintheverylimiteddatabaseused.Duetotheinherentdifficultiesmentionedthroughoutthatpaper,itisnotpossibletoreachadefinitiveconclusionwhethernaturalandinducedseismiceventsaredifferentorsimilar.

8

Theexistingstate-of-the-artmaynotprovidecleardistinctionsbetweeninducedandnaturalseismicevents,however,mostoftheestablishedrulesandapproachesofearthquakeengineeringcanservetopurposesofresearchfocusedoninducedseismicityaswell.Inthisrespect,itcanbesaidthatmostresearchersinvolvedininducedseismicityalreadypresumealargeamountofsimilaritiesbetweenthetwotypesofevents.

TheinducedseismicityeventsofGroningenareoftencomparedwithnaturalseismicityevents,andaquickconclusionisdrawnstatingthat“the Groningen earthquakes are different”.ThisstatementismostlytheresultofamisconceptionofcomparingverylargeseismiceventsandtheirresultswiththeinducedseismicityinGroningen.Inthiscase,thecomparisonismadebyusingnon-comparablequantities.Ourstudyisanefforttocomparethecomparable,startingfromthequestiononhowtodefinewhatquantitiesarecomparable.Astudyonalimiteddatabase,byusingrelativelysimplecomparisonsonbothstrongmotionandstructuralresponsefields,yieldstheconclusionthattherearenocleardifferencesbetweeninducedseismiceventsandcomparablenaturalseismicevents,unlesstheoppositeisproven.

Thereissomepublishedworkintheliteraturethataimstofindoutwhethertheinducedearthquakesinotherpartsoftheworldaredifferentfromnaturalones.Tomyknowledge,apartfromourfirstattempt,thereisnostudywhichcheckswhethertheGroningenearthquakesarereallydifferentornot.Thoughoftenusedasanargumentbutneversubjectedtoanyscientificscrutiny,thisstatementhasnootherusethanhelpingtheformationofan augmented reality.

9

2. Earthquake-proof buildings: mission impossible

Engineershavebeensystematicallyworkingondesigningstructuresagainstearthquakeactionsforoveracentury.Interestinglyenough,apartfromafewcasesthatarerelatedtonuclearpowerplants(Newmark&Hall,1969),theaimhasneverbeentoconstructearthquake-proofbuildings.

Ifwelookatitfromanetymologicalpointofview,theanalogywithwater-proofwillhelpusbetterunderstandwhatearthquake-proofmayresemble.Water-proofliterallymeans“no penetration of water”,orinotherwords,“no effects due to water penetration”.Earthquake-proofwouldthenmean“no effects on structures due to earthquake actions”.Isthatpossibleorfeasibleatall?

Designingandconstructinganearthquake-proofbuildingismoreaquestionoffeasibilityandeffectivenessthantechnicalability.Insomestructures,thoughlimitedtothedesignearthquakelevel,anearthquake-proofconstructionmaybepossible.Thiswould,however,entailunfeasiblylargestructuralmembers,toapointthatwouldlimitthearchitecturaluseofthestructure,letalonetheastronomicalconstructioncosts.Thisisthereasonwhytheseismiccodesintheworldrequestthelifesafetyofcitizensduringlargemagnitudeearthquakes,andthereispracticallynocodethatdemandsanearthquake-prooftypeofstructuralresponseforordinarystructures.Theseismicdesignphilosophyintheworldsuggeststhatthestructuresshouldbeabletowithstand:• frequentearthquakeswithminordamage,• rareearthquakeswithrepairabledamage,and• veryrareearthquakeswithoutcollapse.

The“frequent earthquakes”aretheservicelevelearthquakesthatthestructureswillcertainlyandveryoftenfaceduringtheireconomiclife.“Rare earthquakes”arethelargeseismiceventswithasignificantchancethatthestructureswillfacetheseduringtheirlifetime,thustheseismicdesignshouldbebasedonthistypeofseismiclevel.Thisisthereasonwhytherareearthquakeisalsocalled“design earthquake”inearthquakeengineering.The“veryrare”earthquakesarenotexpectedduringthelifetimeofastructure,andthusthestructuresarenotdesignedforsuchcatastrophicevents.Incasetheyoccur,however,thestructureshouldwithstandsuchseismicactionswithoutsufferingtotalcollapse,withoutcausinglossoflife.

10

ItmaybequitedifficultforthepeopleinGroningentoacceptthis,butwhenlookingatitfromtheperspectiveexplainedabove,thestructuregiveninFigure1wassuccessfulintermsofearthquakeengineeringdesignphilosophy.ConsideringthattheFebruary2011ChristchurchEarthquake(M

w6.2)waswayabovethedesign

levelearthquakedefinedbythecodeatthattime,thiseventwasa“very rare”eventfortheregion.ThestructuregiveninFigure1performedexactlyasdesiredbyreachinganultimatelyhighdamagelevelbutwithoutcollapsing.Incountrieswheretheseismicitylevelsarehigh,whatmattersforearthquakeengineersisthatpeopleareabletowalkawaysafelyfrombuildingslikeinFigure1aftertheverystrongshaking.Thelevelandtypeofseismicity,causes,effectsandexpectationsareobviously,andunderstandably,differentinGroningen.

Theword“aardbevingsbestendig”inDutchisoftentranslatedas“earthquake-proof”.Thisiswrongnotonlyfromanaccuratetranslationpointofview,butalso,asexplainedabove,fromatechnicalpointofview.GiventhespecialconditionsoftheearthquakeissueinGroningen,asexplainedinthenextsection,thissituationisliterallyacaselost-in-translation,leadingpeopletohaveverydifferentexpectationsofwhatreallyispossibleandfeasible.Ifoneseesthissectionofthebookwithinthedamageclaimsperspective,itcanbeconcludedthattherewillbecracksintheGroningenhouses,aslongasthereareearthquakes,inmostcasesevenifstrengtheningmeasuresareapplied.Itcanimmediatelybeunderstoodthenthat

Figure 1. Photo of a residential house from CBD Christchurch, New Zealand

(taken by Ihsan E. Bal after 22 February 2011 Christchurch Earthquake Mw

6.2)

11

aimingat“no cracks”inGroningenstructureshasnopoint,inotherwords,itisjustmission impossible.

Theseismicdesignlevelsinearthquakeengineeringaredefinedbasedontheconceptofsavinglives,thusbasedonlargenaturalearthquakes.Knowingthefactthattheearthquake-proofisamissiontechnicallyimpossible,maybeitistimetointroduceanewterminologyandphilosophy,thatbetterfitsthefactsandexpectationsoftheregion:ComfortLevelEarthquake(CLE).Thisnewdesignconceptisfurtherexplainedinthelastchapter.

12

3. Correlation of damage with small and frequent earthquakes: a wrong start

The“gas extraction-earthquake-damage-claim-compensation”cycleinGroningengiveninFigure2hassomegaps.MycolleaguesatHanzeResearchCentreforBuiltEnvironmentNoorderRuimtecanexplainotherviewsofthisviciouscycle,especiallyintermsofsocialimpact.Mypointisrathertechnical.Thisisanissuethatcauseslegalliability,buttheproofisexpectedfromtechnicalpeople.Therequiredproofhoweverdoesnotfitwithintheearthquakeengineeringperspective.Theveryreasonforthisistheambiguousrelationshipbetweensmallrecursiveearthquakesandvisiblestructuralcracks.AclearrelationshipisfurtherhinderedbytheparticularsoilandstructuralpropertiesintheGroningenregion.

Onecanclaimthatmoststructuresintheearthquakeregionwerealreadydamagedbecausethesoilissoft,thegroundwatertableoscillates,andstructuresarevulnerabletoexternalconditionsanyhowanddeteriorateintime.Iamafraidthatthiswouldnotbeawrongproposition.Theothersideofthecoin,however,isthatthequitesmallandrecursiveearthquakescancauseseriousdamagesonstructures,notbecauseofthedirectloadingontheloadbearingsystembutduetotheinteractionbetweenthesoftsoilandthestructure.Moststructuresintheregionaremasonry,abrittlematerialthatcannotcompensateevenslightfoundationmovements.Inthiscase,recursivetremorscaneasilymovethesoil,imposingsupportsettlementtothestructuralbearingsystemthatcantakeplaceevenaftertheearthquake.Thiswouldcausedamagesthatlookliketriggeredbysoilmovement,butarethesecracksreallycausedbythesoilsettlementorbytheearthquakes?Ascanbeseen,confirmingorexcludingoneortheothercausescanbequitecomplicatedandcumbersome,ifnotpointless,intermsofengineeringwork,timeandmoney.

OnegoodexampletoshowthedifficultyofthejobistheworkourResearchGroupconductedonFraeylemaborginSlochteren(Daisetal.,2018).Thisroyalmonumentexperiencedseriousdamagesinrecentearthquakesandwasrepairedtwice.Ourstructuralcomputersimulationsdidnotexplainwhythesedamageshadoccurred.

Figure 2. The earthquake cycle in Groningen

Gas Extraction Earthquakes Damage Claim Compensation

Ambiguous

Relationship

13

Aftermuchmoredetailedworkinwhichwecollectedmoredata,investigatedthestructuraldamagesanddamagesignsmorethoroughly,andrannon-destructivevibrationtestsonthestructure,wecameupwithascenario.ThisscenarioisshowninFigure3.Accordingtothat,themostly-damagedNorth-Westwingofthestructuremusthavelostsupportinordertotriggerthecracksobservedonthatpartofthestructure.Thislossofsupportcanonlyoccurifthemasonryretainingstructurefailedandmoved,allowingthesoilandthefoundationsystemtofollowinamostlylateraldirection.Therearesignsaroundthestructuresupportingthisscenario.Inthiscase,theobservedcracksmayseemsoil-relatedtoatechnicalpersonwhodoesnotknowtheearthquakehistoryofFraeylemaborg.However,thesoilmovementismostprobablyrelatedtotheearthquakes.Thisisacollateraldamagethatisextremelydifficulttoprove,andyetourscenarioremainsjustascenarioafterthedetailedwork.

Inshort,evenwithmyeducationinearthquakeengineeringandalmosttwodecadesofpracticeinearthquakesandstructures,IpersonallyamnotabletoclearlyconnectordisconnectvisiblestructuralcracksinGroningenhouseswiththeearthquakesthathavenotexceededM

w3.6sofar.Crackswouldbemuchmore

pronouncediftheearthquakesoccurredinlargermagnitudes,becausethentheidentificationofcrackscausedbyearthquakeswouldbeamucheasierjob.Intheexistingsituationofsmallmagnitudeearthquakes,Icanalwayshavemyviews,whichIwouldrathercall“speculations”.Thereis,however,agreatgapbetweenapersonalandrathersubjectiveopinionandtechnicallysoundconclusionstocreatebaseforafinancialclaimortodeclinesuchaclaim.ThisisthereasonwhyIbelievethatthepeopleintheregionshouldbefinanciallycompensated,independentofthenumber,length,width,distributionandcauseofthecracksintheirproperties.Afterall,whowantstoliveinahousethathasnoearthquake-causedcracksbutkeepsshakingcontinuously?ThisisthereasonwhyIcalltheentire“gasextraction-quake-damage-claim-compensation”loopa wrong start.Peopleintheearthquakeregionshouldbecompensatedunconditionally!

Figure 3. Fraeylemaborg in Slochteren,

(a) The real crack pattern observed in North-West wing of the structure,

(b) the response of the same wall for the seismic scenario simulated in the computer

(c) the response of the entire structure for the same seismic scenario (the grey contours show the regions at which

cracks would be expected)

a b c

14

4. Monitoring the earthquakes: confusion

Monitoringtheearthquakesisanimportantpartoftheearthquakeengineeringdiscipline.Thisisbecausetheearthquakemotionisacomplexmovementofearththatcannotbedescribedbyusingsinglenumbers.Itdifferssignificantly,forexample,frommeteorologicalobservationsinwhichthesimplifiedvaluessuchastemperature,humidity,probabilityofrainwouldbeenoughtoexplaintheweatheroftheentiredaytothecitizens.Ontheotherhand,asingleearthquakethatdoesnotlastmorethan10secondscanbedescribedinmorethan50differentways.Thesewouldrequirecomputationalcalculations,plotsofearthquakeparameterschangingseveraltimesinasecond,andcomplexcomparisonsinthestatisticaldomain.Thisdoesnotmeanthatearthquakeengineeringisamorecomplicateddisciplineofsciencethanotherdisciplines,butitisjustoneofthemostdifficultdisciplinestocommunicatetocitizens.Uncertaintyisinthenatureofearthquakeengineering,somethingthatpeopleordecisionmakerswhoareusedtoblack-and-whiteconclusionsdonotnecessarilysympathisewith.

Anearthquakemonitoringdevicethatfunctionsin3Dtypicallyrecords600datalinesinasecond.Aminuteofseismicrecordingthenrequires36,000datalines,fullofnumbersinpositiveandnegativesigns,increasinganddecreasinginmilliseconds.ThefamousPGA(peakgroundacceleration)mostGroningenpeoplearefamiliarwith,forexample,istheabsolutemaximumofthese36,000points,thatmighthaveoccurredasatinypeakinamillisecond,orinotherwords,intheblinkofaneye.Relatingthedamageclaimsorlivesofpeopletothatsinglenumberthatdoesnotlastmorethantheblinkofaneyewouldobviouslynotmakesense.Manymoreandrathercomplicatedindicatorsareneeded.This,inturn,requirescomprehensivemonitoringactivitiestorecordwhatactuallyhappenedinsecondsoftimeonthefaceoftheearth,andsometimes,alsoonthestructures.

AgoodexampleisthecomparisonoftheNovember2014ZandeweerEarthquake,Middelstum-2recordwithAugust2012HuizingeEarthquake,Middelstum-1record.BothrecordshavesimilarPGAvalues,butmanyotherindicators,suchasspectralvaluesandPGV(peakgroundvelocity)arequitedifferent.Overall,itisalsoknownthat,despiteproducingasimilarPGA,theHuizingeeventwasmuchmoredamagingthantheZandeweerevent.Ifwerecordedonlyanabsolutemaximumaccelerationontheearth,thenwewouldhaveaverywrongpictureofthesetwoearthquakes.

15

Afterunderliningtheimportanceofseismicmonitoring,wenowcometotheburningquestion.Whattomonitor,andmoreimportantly,howtomonitor?

Therearetwotypesofmonitoringactivitiesinearthquakeengineering:i)stronggroundmotion(SGM)recording,andii)structuralhealthmonitoring(SHM).ThemonitoringbyKNMIistheSGMactivity.Tomyknowledge,thereisonlyonestructureintheregionthatismonitoredaccordingtothewell-knownstandardsofSHM,andthatisFraeylamaborginSlochteren.Thismonumentismonitoredbyusing5accelerometers,placedbyourteam,and1tiltmeteratthebase,placedbyStabiAlert.Thisisalreadyagoodcombinationofsensors,butitcanalwaysbeimprovedtobetterunderstandthebehaviourofthisstructureduringandafteranearthquake.

TheearthinGroningenmoveswhenthereisanearthquakeinNewZealand,orintheUS,orsomewhereelse.Thisisthereasonwhyobservatoriesaroundtheworldcanpracticallyreportearthquakestakingplaceanywhereintheworld.Thisearthmovementhoweverisaveryweaktypeofmotionandcanbequantitativelydetectedonlybyseismometers,whichareweakgroundmotionrecordingequipment.Seismometersdonotneedtobeclosetotheearthquakesource.Iftherecorderis50kmorclosertothefaultrupture,thenthemovementsonearthcanbefeltbyhumansandcanbeclearlyrecordedbyotherinstrumentsthantheseismometers,suchasaccelerometers.Accelerometershavetobeclosetotheearthquakesource.Thisisthereasonwhyaccelerationrecordingsclosetothe

Figure 4. Comparison of the November 2014 Zandeweer Earthquake,

Middelstum-2 record (above) with August 2012 Huizinge Earthquake,

Middelstum-1 record (below) with similar PGA values

16

earthquakezonearecalledStrongGroundMotionrecords.TheaccelerometerstationsKNMIinstalledintheregionareStrongGroundMotionstationsthatfunctionsimilartotheaccelerometersofotheragenciesintheworld.Thereare50+accelerometerstationsofKNMI,recordingeveryearthquakeintheregion,andtheyhavebeenquiteusefulforunderstandingtheeffectsofearthquakesinthearea.Inagreementwithallthis,theseismicguidelineNPRalsoindicatesanaccelerationresponsespectrum,ascalethatdefineshowmuchaccelerationeachstructurewouldbesubjectedtoduringahypotheticalearthquake.Sofar,sogood…Wecannowstartaddressingmoredisputablequestionsonthemonitoringissue.

Tilt-metersOneofthehottestissuesintheregionistheuseornon-useoftilt-meters.Tilt-meters,asthenameimplies,measurethetilt,thatisarotationanglefromacertainaxis.Theyareextremelysensitiveequipmentthatinsomecasescandetectevenfar-offearthquakes.Theyarealsosensitivetosurfacewaves,anissueweoftenignoreinearthquakeengineering,andatopicwewillcomebacktointhefollowingpartsofthissection.Butoverall,therearequantitiesthatonlythetilt-meterscanmeasure.Theyalsocanbemoresensitivetothestrongandweakmotionsthantheaccelerometers,thusinsomecasestheyexhibitpeaksintheirmeasurementswhileaccelerometersdonotpresentanymeaningfulmotion.However,thepracticaldifficultyinusingthetilt-meterslaysintheinterpretationofresultsratherthaninthesensitivityoraccuracyofthisequipment.Thereadingsoftilt-metersareoftenqualitativeratherthanquantitative,dependingonwheretheyareplaced.Inotherwords,atilt-metercandetectamotion,butastructuralengineerwouldnotbeabletounderstandwhatthismotionmeansforthestructure.

Ifthetilt-meterisplacedonthefoundation,onsoilclosetoaretainingwallordirectlyontheretainingwall,onadyke,oronatallpart(likeatower)ofastructure,thenthetilt-meterreadingcanbeextremelyusefulforstructuralengineers.Itshouldbenoted,however,thatastructuralengineerwouldbemoreinterestedintheresultsrightbeforeandrightaftertheearthquakethanthosethatoccurwithinthesecondstheearthquakemotiontakesplace.Thismakesthetilt-metersaStructuralHealthMonitoringequipmentthatcancomplementotherequipmenttoshedlightonbefore-aftercomparisonsofsensitivepartsofsomestructures.Tobeclear,ifastructureisinstrumentedonlywithtilt-meters,thisisnotmeaningfulalone.Ifusedforstructuralmonitoring,tilt-metersshouldcomplementaccelerometers.

Itisworthmentioningherethesurface-wavesandtilt-metersaswell.SomeofthereadersmayrecalltheAMradiosusedinthepast.Thesewereradioswithlongerantennasandcoulddetectradiosignalsfromfar-offradiostations.TheAM-typeradiowaveshavesmallamplitude,andverylargewave-length.Theycontainalargeamountofenergy,andbecauseofthistheycantravelfardistanceswithoutbeing

17

damped.FM-radiosareforshortdistances,thewaveshavelowerenergycontent,andcanbedetectedwithshorterantennas.Whenanearthquakeoccurssomewhereintheworld,theFM-typeearthquakewavesaredampedontheway,whilethelong-periodAM-typewavescantravelallaroundtheworld.Thesearethewavestilt-meterscandetect.Butsuchwavesareoftenignoredinearthquakeengineeringbecauseoftheirverylowamplitudeandverylongwaveperiods.Theseperiodsareoftenintherangeof2-3seconds,aperiodthatisofinterestonlyforverylargestructures,suchasakilometre-longsuspensionbridgeora50-storeyskyscraper.SomeoftherecordsIhaveseenfromthetilt-meterrecordsinGroningen,however,godownto0.5secperiod.Ifthisisvalid,itcanbeofscientificinterest.Thisisanissuethatneedsfurtherresearch.

Inconclusion,tilt-meters:• arenotanalternativeforaccelerometers,asaccelerometersarenotanalternative

fortilt-meters;thesearedifferenttypesofequipment,• canprovidecrucialinformationaboutthestructure,especiallyrightafteran

earthquake• arenotstand-alonestructuralmonitoringequipment,buttheycanbevery

usefulincombinationwithothersensors• furtherresearchisneededtodiscovertheuseoftilt-metersinshallow

earthquakesandthedetectionofsurface-wavecharacteristics

Velocity monitoring in housing and public buildingsTherearenearly400buildingsintheregioninwhichadvancedstronggroundmotion(SGM)equipmenthasbeenplaced,thoughtheactivityisnotSGM.Theseareaccelerometers,buttheyareusedformeasuringvelocity.Thisisdonebyfurtherpost-processingandintegratingtheoriginaldata.Thisnetworkisoneofthedensestintheworld.

Firstofall,foranon-technicalreader,weneedtodescribetheuseofaccelerationsandvelocitiesinearthquakeengineering.Accelerationisaveryusefulterminearthquakeengineeringbecauseitisdirectlycorrelatedwiththeforceactingonthestructureduringanearthquake.Whenthemass(masscaneasilybeobtainedfromtheweight)ofthestructureismultipliedwiththeacceleration;theresultgivesapproximatelytheforceactingonthestructure.Ifthehorizontalaccelerationsaremeasuredduringanearthquake,itwillbepossibletoestimatetheforceactedonthatstructureduringthatearthquake.Thisisthereasonwhytheearthquakeengineeringcommunityintheworldhavebeenusingaccelerometersforalmostacenturynow,andmostimportantly,theentireearthquakeresistantdesignconceptisbasedonaccelerations.Furthermore,theDutchseismicguidelines,NPR,likeallseismiccodesintheworld,alsousesacceleration-baseddesignforces.

18

Therearetwomaindiscussionsonthesesensorsandtheiruse.Firstly,thelocationofthesensorsandthewayofmountingisinquestion.Secondly,theuseofvelocityinsteadofaccelerationshasimplications.ThefirstissuewasalreadyaddressedinreportspublishedbyNAM.TheparagraphbelowistakenfromapublicreportpublishedontheNAMwebsite(Bommeretal,2017):

The network now comprises of nearly 400 instruments and hence potentially could provide an extremely valuable database for the derivation of GMMs. However, most of the instruments are not installed at ground-level but rather mounted on brackets on walls and may therefore be influenced by structural response. Additionally, an operator-imposed PGV threshold of 0.1 cm/s has limited significantly the availability of records so far. Work is now underway to ascertain with what degree of confidence the recorded data can be assumed to represent the actual ground-motions, as well as to ensure that the PGV threshold will not restrict the production of records during future earthquakes.

TheparagraphbelowisalsotakenfromapublicreportpublishedontheNAMwebsite,asthenextversionoftheabovereport(Bommeretal,2018):

… to date these recordings have not been used in the model derivation because of concerns regarding the installation of many of the accelerographs above floor level (Figure 5 in this report). In order to investigate the degree to which the structural response of these buildings may have influenced the recordings—and therefore the degree to which they can be used as representations of the actual ground motion—experiments have been conducted.

InthestudybyBommeretal(2018),theyusetheshaketabletestsconductedinLNECinLisbonwhereinstrumentsonwallbracketswerereproducedtogetherwithasecondinstrumentcorrectlyinstalledatthebaseofthebuilding(Figure6inthisreport).

Thereaderwouldthencomeupwiththequestion:iftheentireearthquakeengineeringdisciplinehasbeenbasedonmeasuringaccelerationsontheground(remembertheStrongGroundMotionterm)foracentury,ifNPRisbasedonaccelerationresponse,andeventhesensorsthemselvesmeasureaccelerations,whythenarethese400+sensorsplacedinadifferentlocationinhousesandisvelocityrecordedinsteadofaccelerations?WhatIknowisthatthesemeasurementsarebasedonaSBRdocument,thatisnotaseismicregulationinessence(SBR,2017).Thisseemstobetheoriginofthedispute,sincethemountingofsensorsandthecollectionofdataareinlinewithSBR,butapparentlynotinlinewiththeearthquakeengineeringpracticeworldwide.ThisisanissuethatneedstobediscussedfurtherinorderforthepeopleinGroningentobenefitfromaveryadvancedsensornetworkinamoreeffectiveway,asisclearlymentionedalsobyNAMasreferencedabove.

19

Figure 5. Examples of the 400+ accelerometers installed on a steel bracket and above ground level (taken from

Bommer et al, 2018)

Figure 6. Reproduction of the installation of accelerometers at ground level and at a higher level on a full-scale

shake table model at LNEC, Portugal (taken from Bommer et al., 2018)

20

Myresearchgroupisreadytoshareviewsonthismatter,toseewhatimprovementscanbeaccommodated,andhowtheexistingknowledgeandequipmentcanbeusedbetter.

TherearetwothingsthatarediscussedthemostsinceIarrivedGroningen:sensorsanddamageclaims.Thewholemonitoringsectionaboveisdifficulttofollowevenfortechnicalpeople,soIcanimaginethattheentirediscussioncreatesonlyonethinginthemindsofcitizens:confusion.

21

5. Seismic codes, guidelines and NPR: not a good choice

The1755LisbonEarthquake,Portugal,isestimatedasoneofthedeadliestearthquakesinhistory.ItwasaMw8.5-9.0magnitudeearthquakeintheAtlanticOcean,atapproximately200kmfromthecity.ItdestroyedLisbon,andundertheleadershipoflegendarymayorMarquêsdePombal,therecoveryoperationstookplace.Inthereconstructionphase,prescriptiveruleswereissuedforbuildingcertainkindsofbuildingscommoninthearea,latercalledPombalinostructures.Thiswasthefirstknowncasewherethestructuraldesignandconstructionwasregulatedbythestate,toatechnicaldetaillevel,inordertoconstructearthquake-resistantstructures.

Figure 7. Marquês de Pombal Square in Lisbon, with his statue (credit: Wikipedia)

22

Inthe20thcentury,followingthe1908MessinaearthquakeinItaly,theRoyalGovernmentofItalyestablishedtheGeologicalCommitteeandEngineeringCommitteeinearly1909.TheEngineeringCommitteeintensivelystudiedthelateralloadresistanceofbuildingsthatsurvivedtheearthquake.Theylaterrecommendedthataseismicratio,whichistheseismicaccelerationdividedbythegravityacceleration,equalto1/12forthefirstfloorand1/8forthefloorsaboveshouldbeusedinseismicdesignofbuildings.Thisisbelievedtobethefirstknownquantitativerecommendationofdesignseismicforcesinthehistoryofseismiccodes.

Theseismiccodesandguidelinesdevelopedtremendouslyoverthefollowingdecades.Newconcepts,suchaselasticdesignspectrum,behaviourfactor,ductility,andsoilclasseswereaddedtotheseregulationsoneaftertheother.ThejourneywhichstartedwithtwosimplenumbersintheItalianRoyalDecreein1909endedincomplicateddocumentsandappendicesofhundredsofpagesinourdays.

Theseismiccodesintheworldcanbedividedtothreemaincategories:i)American-basedcodes,ii)European-codes,andiii)Japanesecodes.Writingacomprehensiveseismiccoderequiresextensiveandcontinuousresearch,thusmanycountrieseitherusetheinternational(mostlyAmerican)codesdirectly,ortheytranslateandadaptthem.Americancodesaremostlyinguidelineformatandareupdatedquitefrequently.EuropeancodesarecalledEurocodes,numberedfrom0to8,whereEurocode8istheseismicdesigncode.Japanesecodesarequitedeveloped,complex,andmostlybasedonJapanesepractice,andsoareusedbyengineersinJapanmostly.

AsamemberoftheEuropeanUnion,TheNetherlandsappliesEurocodesfrom0to7,deliberatelyexcludingEurocode8.ThisisaratherconfusingsituationsincetheunifiedEurocodesinEuropeensurefaircompetitionintheconstructionbusiness,soEUcountriesarenotallowedtouseonlytheirownseismiccode.Instead,eachEuropeancountryisforced,byEUlaws,topracticallyallowtodesignandbuildbyusingEurocodes0to8.IamnotawareofthejuridicalimplicationsofthisfactontheEuropeanandonnationallevels,howeverthisformsaconflictcasefromatechnicalpointofview.Eurocode8couldbeappliedfortheGroningenearthquakeproblembyissuingnationalannexes.

BecausetheinternationallyrecognizedcodesandespeciallytheEuropeanregulations,whichareresultsofdecadesofqualityworkinearthquakeengineering,arenotfollowed,thehistoryofNPRlookslikeaslalominthelongrun.Themajordiscussionayearagowasthetime-consumingandsuper-complicatedtimehistoryanalysisthatwasforcedbythepreviousNPR.Afteroneyear,thisdiscussionhasnowbeenalmostcompletelyabandoned,andasaresultofthatslalom,someoftheverymuchsimplifiedmethodslikeSLaMaareonthediscussiontable.

23

BasedonmyexperienceinGroningen,whichnowslightlyexceedsayear,IpersonallyfindthedevelopmentofNPRanon-productiveandanon-healthyprocessasawhole.Myimpressionisthatdeviationsfromthemodernseismiccodes,andfromtheEurocodesespecially,amplifiestheslalomeffect.AproblemiscreatedineachversionofNPRanditissolvedinthenextversion.MakingatremendousefforttomaintainNPRasopposedtoEurocodes,tome,isnot a good choice.

24

6. Solving the myths, correcting the fallacies

ThemythsandfallaciesthathavebeencreatedaroundtheGroningenearthquakeproblem,forwhateverreason,mustbesolvedandcorrectedforabetterGroningen,forrebuildingthetrust.Asanon-seismiccountry,theNetherlandsmighthavenotbeenreadytohandletheproblemwhenitfirsthithardin2012.Buttoday,alothasbeenlearnt,knowledgehasbeencollected,andexperiencehasbeenobtainedaftermanyyearsandgreateffort.Wearenowclosertoabrighterfuturethanbefore,andwebelieveinmyResearchGroupthatwecanplayroleinreachingthatbrightfuture.

Weinteractwithpeople,withinstitutions,withcompaniesandwithstudentsintheregion.Weliveandworkhere.Hanzeiswellconnectedtotheregion,butalsotheotherrelatedinstitutions,EPIKenniscentrumforexample,helpustogetconnectedtopeopleandprofessionalsevenbetter.Wetakeeverychancetohelpthetransitionfromtheaugmented realitytotherealityitself.Wedoseriousresearch,publishpapers,delivertechnicalpresentationsthattriggerinternationaldiscussiontofindoutiftheGroningenearthquakesaredifferent,ifthesedifferencesaffectthestructures,andwhatallthesereallymeantothepeople.

Earthquake-proofbuildingsareamission impossible,butearthquake-resistantstructuresareverymuchpossible.Thisisthenameofourresearchgroup:earthquakeresistantstructures.Weworktogetherwithotherresearchers,withthecompaniesandwithBuildinGtofindoutwhatmorecanbedonetoincreasetheresistanceofthelocalconstructiontoearthquakes,andhowtheregionalhistoricalheritagecanbeprotectedforfuturegenerations.

Thedamageclaimsandhowthepeoplearecompensatedarelegalliabilityissues.Itisverydifficulttobackthislegaldecisionupwithtechnicalargumentsasexplainedinthisbook,thusdoingsoisa wrong start.Thepeopleintheregionareatleast“disturbed”eveniftheydonothaveseriousdamageintheirhouses,andtheyshouldhavebeencompensatedunconditionally.Thereishoweverstillneedforamethodologytofindoutwhen“disturbance”turnsinto“considerablephysicaldamage”.Weproposeanewdesignphilosophyforthis:ComfortLevelEarthquake(CLE).Themodernseismicdesignintheworldisbasedonthreeearthquakelevels:servicelevelearthquake(SLE),designbasisearthquake(DBE),andmaximumconsiderableearthquake(MCE).Thefirstone(SLE)referstothelevelofnodamageonthestructuralelementsduetosmallfrequentearthquakes.Thesecondone(DBE)referstorepairabledamagetostructuralelementsduetorarebutlargemagnitudeearthquakes.Thelatter(MCE)referstonon-reparablestructuraldamagebutnocollapseduetoveryrareandverylargemagnitudeearthquakes.Ournewdesignlevel,CLE,referstotheborderlinebetweenthedisturbanceandtheconsiderabledamage.Theconsiderabledamagemeansalevelofdamagethat

25

peoplefeeltheneedtorepairoratleastcovercosmetically.Thislevelwoulddependonthebuildingtypologyandvulnerabilitiesaswellassocialresponsesofthepeopletotheearthquakedamages.ThelevelofsuchearthquakesshouldbeclosetotheSLElevelandprobablyslightlylower.Weconductresearchonthisnewproposalandwillbeabletoprovidemoreconcreteideasinthenearfuture.

Asmentionedearlierinthebook,themonitoringactivitiescreateconfusionforthenon-technicalpeople.Thetypeofinstrumentsisalsoadiscussionthatdivertsthetopic.Inordertocreateashow-caseofhowwebelievethemonitoringshouldtakeplace,weinstrumentedFraeylemaborginSlochterenandstartedourownmonitoringactivities.Thereweuseaccelerometerstogetherwithatiltmeter.Wearetryingtofindmorefundstoincreaseourstructuralhealthmonitoringactivitiesintheregion,especiallyforthehistoricalbuildings.Wearealsoparticipatinginopendiscussions,sharingideasandknowledgetoimprovethemonitoringactivities.InthecaseofGroningenearthquakes,monitoringplaysanextremelyimportantrole.

TheparticularitiesandurgencyoftheGroningenearthquakeproblemforcedauthoritiestocomeupwithaGroningen-specificseismicguideline:NPR.Thisideathatmighthaveseemedsuitableatthebeginningofthejourney,hasnowcreatedmanyproblemsanddisputesoftenjeopardizingthesolution,provingthatitwasnota good choice afterall.WestronglybelievethattheinducedseismicityshouldbecomeaEuropean-levelseismicdesignregulationandtheNetherlandsshouldtaketheleadinthisendeavour.ThesuccessfulapplicationofEurocodes(structuralandseismicdesigncodesofEurope)shouldbefollowedbytheNetherlandsaswell.Wewillmakeaconsiderableefforttopursuethisoption.

26

References

BommerJ,DostB,EdwardsB,KruiverPP,MeijersP,NtinalexisM,Rodriguez-MarekA,RuigrokE,SpetzlerJandStaffordPJ(2017)“V4Ground-MotionModel(GMM)forResponseSpectralAccelerations,PeakGroundVelocity,andSignificantDurationsintheGroningenField”,NAMResearchReport.

BommerJ,EdwardsB,KruiverPP,Rodriguez-MarekA,StaffordPJ,DostB,NtinalexisM,RuigrokE,andSpetzlerJ(2018)“V5Ground-MotionModel(GMM)fortheGroningenField”,NAMResearchReport.

DaisD,SmyrouE,BalIE,andPamaJ(2018)“Monitoring,assessmentanddiagnosisofFraeylemaborginGroningen,Netherlands”inSAHC2018:11thInternationalConferenceonStructuralAnalysisofHistoricalConstructions,Cusco,Peru.

NewmarkNandHallWJ(1969)“Seismicdesigncriteriafornuclearreactorfacilities”,InProceedings4thWorldConferenceonEarthquakeEngineering,Santiago,Chile,volume4,37–50.

SBR(2017)“TrillingsrichtlijnA:Schadeaanbouwwerken”,SBRCURnet,Delft,November2017.

Mythen en Misvattingenrond de aardbevings-problematiek in GroningenLectorale rede

I.E. (Ihsan) Bal, Phd

Floris Boogaard

Mythen en Misvattingenrond de aardbevingsproblematiek in GroningenLectorale redeI.E. (Ihsan) Bal, Phd

2

Dit boek is opgedragen aan Prof. Nigel Priestley, schrijver van o.a. “Myths and Fallacies in Earthquake Engineering.” Zijn boek wordt gezien als een mijlpaal in de aardbevingstechniek en benoemt de problemen en misvattingen in de klassieke force-based design procedure die overal ter wereld gebruikt wordt. Prof. Priestley inspireerde veel jongeren in Nieuw-Zeeland, San Diego en op de ROSE School in Pavia, Italië. Ik had de eer een van zijn studenten te zijn en kreeg de kans om tijdens mijn opleiding met deze bescheiden maar briljante man over technische zaken te discussiëren.

Nigel Priestley (credit: Tobolski Watkins Engineering)

3

Inhoud

Voorwoord 5

1. De Groningse aardbevingen zijn anders: 7 een aangezette werkelijkheid

2. Aardbevingsbestendig bouwen: mission impossible 9

3. Schadecorrelatie van kleine en frequente aardbevingen: 12 een valse start

4. Het monitoren van aardbevingen: opperste verwarring 14

5. Seismische codes, richtlijnen en de NPR: geen verstandige keus 21

6. De mythen oplossen, de misvattingen rechtzetten 24

Verwijzingen 26

We zijn snel in het leren: dat wil zeggen, in het imiteren van wat anderen al gedaan of bedacht hebben. Maar we zijn traag in het begrijpen en het zien van diepere verbanden.Frits Zernike

4

ColofonTitel: MythsandFallaciesintheGroningenEarthquake

ProblemAuteur: I.E.(Ihsan)Bal,PhdEindredactie: RixtFroentjes VertalingE-N:MaaikevanderRijst,Tekstadviesen

-productieUitgever: KenniscentrumNoorderRuimteHanzehogeschool Groningen,juni2018Layout: CanonBusinessServicesDrukkerij: GrafischeIndustrieDeMarneFotografieomslag: HolsteinRestauratieArchitectuurISBN: 978-90-826635-1-8

www.noorderruimte.nl

©2018IhsanE.Bal

Behoudensuitzonderingendoordewetgesteldmagzonderschriftelijketoestemmingvanderechthebbende(n)ophetauteursrecht,c.q.deuitgeefstervandezeuitgave,doorderechthebbende(n)gemachtigdnamenshenoptetreden,nietsuitdezeuitgavewordenverveelvoudigden/ofopenbaargemaaktdoormiddelvandruk,fotokopie,microfilmofanderszins,watookvantoepassingisopdegeheleofgedeeltelijkebewerking.

5

Voorwoord

ToenikinGroningenaankwam,wasikeenbeetjeverbaasdoverdemist.Nietdemistdie’sochtendsoverhetprachtigelandschapvanNoord-Nederlandhangt.Nee…demistdiedeechteproblematiekronddeaardbevingeninderegioversluiertensamengevatwordtinéénzin:“Groningse aardbevingen zijn anders.”Dezeopmerkingkreegikheelvaaktehorenwanneerikeenvraagsteldediebegonmet“Maar waarom…?”Eenopmerkingdiegoldalshetultiemetechnischeargumentdatomdeeenofandereraadselachtigeredendeheleaardbevingsdiscussieoverschaduwt.

V: WaaromgebruikenweinaardbevingsbestendigbouwenEurocode8nietinplaatsvandeNPR?

A. Omdat Groningse aardbeving anders zijn!

V: Waarommonitorenweonzegebouwennietzoalsderestvandewerelddatdoet?

A. Omdat Groningse aardbeving anders zijn!

V. WaaromstaanerookheleongebruikelijkeregelsindeNPR,deNederlandseseismischerichtlijn?

A. Omdat Groningse aardbeving anders zijn!

V: Waaromishetgevaarniveauzoontzettendhoog,hogerzelfsdanindemeesteEuropeselandenwaaraardbevingenvoorkomen?

A. Omdat Groningse aardbeving anders zijn!

enzogaathetmaardoor…

Dezeopmerkinghoorjeheelvaak,maarikhebnoggeenenkelonderzoekgeziendiehaaronderschrijftofzelfsmaarterdiscussiestelt.HetzoumoeilijktebewijzenzijndatdeGroningseaardbevingenanderszijn.Inelkgevalbelemmertheteengezondetechnischediscussiewanneerdeargumentenmeestalteruggevoerdwordenopeenenkelebewering,onafhankelijkvandeinhoudvandediscussie.DaaromwarenonzeeersteactiviteitenrondhetbestuderenvandeGroningseaardbevingeneropgerichtomtezienofdeGroningseaardbevingenechtanderszijn.TotopdedagvanvandaaghebbenwenoggeenenkelbelangrijkverschilgevondentussendegeïnduceerdeaardbevingeninGroningenennatuurlijkeaardbevingeninsoortgelijkeomstandigheden(kracht,omvang,diepte,bodemetc…)dieechteensignificantandereffecthebbenopdegebouwen.

6

SindsmijnkomstnaarGroningenstaikerversteldvanhoeandershetaardbevingsprobleeminditgedeeltevandewereldwordtbenaderd.Natuurlijk,erzijncultureleverschillen.Ikhebmetaardbevingsingenieursuitverschillendelandengewerkt,enikweetdatikverschillendemeningen,benaderingenendefinitieskanverwachten.MaarinGroningenvoelthetanders.IkbeseftealsneldatdeNederlandseingenieurseenparalleltrajecthebbengecreëerddatikhierondereen“aangezette werkelijkheid” noem.Meteenaangezettewerkelijkheidbedoelikeenkijkopdewereldwaarinbepaaldeelementenaangezetenaangepastzijn.Inonsvoorbeeldverwijsiknaardetechniekendiegebruiktwordenvoorhetoplossenvanhetaardbevingsprobleem,maaropeenaangezetteenaangepastemanier.Dezeaangezettewerkelijkheidgaatschuilonderdemistdieikhierbovenbeschreef.Hetisallemaalzoingewikkeldgemaaktdatjevaakdeneiginghebtdebandterugtespoelennaardewarmezomerdageninaugustus2012,netnadeaardbevinginHuizinge,enopnieuwaftespelennaarvandaag,maardanmethetzettenvandejuistestappen.DanzoudenwevandaagineenanderGroningenwakkerworden.

Ikkreegdeopdrachtdetekstendeinaugureleredezoeenvoudigmogelijktehouden,enhetliefstniettetechnischteworden.EndushebikdemeestvoorkomendemythenenmisvattingendieikbentegengekomensindsikinGroningenbenopeenrijtjegezet.Misschiendatikwatkritischlijk,maarikwileenanderekantvanhetverhaalbelichten,zonderteherhalenwatalvakergezegdis.Ikgeloofdatdatderedeniswaarommijnonderzoeksgroepeenhelpendehandwilbiedenomhetprobleemoptelossendooreenanderekijkopdezaaktelatenzien.Ditboekisdaareenpogingtoe.

Hetcitaataanhetbeginvanditboek“We zijn snel in het leren: dat wil zeggen, in het imiteren van wat anderen al gedaan of bedacht hebben. Maar we zijn traag in het begrijpen en het zien van diepere verbanden.” isvanFritsZernike,deGroningseNobelprijswinnaardiezijnnaamaandecampuswaarikwerkheeftgegeven.Alsweditcitaatoponsprobleemtoepassen,zoudatbetekenendatwemoetenlerenvanaardbevingslandendoorzenatevolgen,doordebestaandeultramodernetechnischekennistegebruikenenhetdogmadat“Groningse aardbevingen anders zijn”lostelaten,althansvoorlopig.Dankunnenwedoorgaannaardevolgendestap:hetgrondigeronderzoekenvandeGroningseaardbevingsproblematiek,zodatwediebeterkunnenbegrijpenenookeventueleverschillenkunnenontdekken.

7

1. Groningse aardbevingen zijn anders: een aangezette werkelijkheid

Geïnduceerdeaardbevingenalsgevolgvangrootschaligewinningvannatuurlijkegrondstoffenvormeneenvandemeestrecenteonderzoeksgebiedeninaardbevingstechniek.WinningsveldeninEuropaendeVerenigdeStaten,zoalsGroningen,Basel,TexasenOklahoma,trekkenophetmomentveelonderzoeksaandacht,waarbijgeïnduceerdeaardbevingenhetspeerpuntzijn.Degrotevraagdiezichdanaandientisofdebestaandemoderneaardbevingstechniekenkunnenwordentoegepastopgebiedenwaarnugeïnduceerdeaardbevingenvoorkomen,maarwaarvoorheengeenenkeleseismischeactiviteitwas.Dezevraagbeslaateenbreedspectrumaanonderwerpen,vanseismologischedefinitiesenmetingvanaardbevingentotderesponsvanniet-aardbevingsbestendigegebouwenopdestructureleinventaristotaardbevingendieherhaaldelijkvoorkomeneneenrelatiefgeringekrachthebben.Dediscussieiszelfsterugtevoerenopdetrivialevraagofdezegebeurtenissenhetpredicaat“aardbeving”verdienenofdathetalleenmaar“trillingen”zijn.

Hetvergelijkenvanaardbevingenisopzijnminstmoeilijk,alshetalmogelijkis.Aardbevingenzijncomplexegeofysischegebeurtenissenwaartallozeparameterseenrolspelen,waarvandemeestenognieteensbekendofbeschrevenzijndooronderzoekers.Hetvergelijkenvandeseismischedataoverdezelfdeaardbevingvantweemetingstationsdierelatiefdichtbijelkaarliggenisalnieteenvoudig.Hetvergelijkenvannatuurlijkeaardbevingenmetgeïnduceerdeaardbevingendievoorkomenoplocatiesdieweiniggemeenhebbenwordtdanindemeestegevallenzomogelijknogmoeilijker.

Eenvandegrootsteobstakelsindezevergelijkingisdebeschikbaarheidvandata.Teneerstezijndeseismischegegevensvoorgeïnduceerdeaardbevingenafkomstigvaneenbeperktaantalgebieden,ententweedebeslaanzemaareenkorteobservatieperiode,inveelgevallenminderdantienjaar.Daarnaastmoetenrelatieflichteaardbevingenvergelekenwordenmetgeïnduceerdeaardbevingen,maaringebiedenwaarveelaardbevingenvoorkomen,wordendieeerstevaaknietgemeldofdegegevenslangbewaarddoordedataproviders.

Ineenrecentonderzoekspapervanonderzoeksgroep(Baletal.,2018)datopdeEuropeseConferentieoverAardbevingstechniekgepresenteerdwerd,wordtgekekennaarvergelijkbareparametersvangeïnduceerdeennatuurlijkeaardbevingenennaar“verschillen”indebeperktedatabasediedaarbijgebruiktis.Vanwegedeproblemendieindatpapergenoemdworden,ishetnietmogelijkhardeconclusiestetrekkenofnatuurlijkeengeïnduceerdeaardbevingenverschillendofvergelijkbaarzijn.

8

Debestaandemodernetechniekenmogenmisschiengeenduidelijkonderscheidtussengeïnduceerdeennatuurlijkeaardbevingenaangeven,maardemeestegevestigderegelsenbenaderingeninaardbevingstechniekkunnenooktoegepastwordenoponderzoeknaargeïnduceerdeaardbevingen.Inditopzichtkunnenwestellendatdemeesteonderzoekersdiezichbezighoudenmetgeïnduceerdeaardbevingeneralvanuitgaandaterveelovereenkomstentussendetweetypesaardbevingenzijn.

DegeïnduceerdeaardbevingeninGroningenwordenvaakvergelekenmetnatuurlijkeaardbevingen,enalsnelwordtdeconclusiegetrokkendatde“Groningse aardbevingen anders zijn.” DezebeweringisvoornamelijkhetgevolgvanhetvalsvergelijkenvangroteaardbevingenendegevolgendaarvanmetdegeïnduceerdeaardbevingeninGroningen.Inditgevalwordenappelsmetperenvergeleken.Onzestudieiseenpogingappelsmetappelstevergelijken,tebeginnenmetdevraagwelkegroothedenvergelijkbaarmetelkaarzijn.Eenstudiemeteenbeperktedatabase,dierelatiefsimpelevergelijkingenmaakttussensterkebewegingendestructureleresponsleidttotdeconclusiedatergeenduidelijkeverschillenzijntussengeïnduceerdeaardbevingenenvergelijkbarenatuurlijkeaardbevingen,tenzijhettegendeelwordtbewezen.

Erzijnpublicatieswaaringeprobeerdwordteenantwoordtevindenopdevraagofgeïnduceerdeaardbevingeneldersterwereldverschillenvannatuurlijkeaardbevingen.Voorzoverikweetiser,afgezienvanonzeeerstepoginginBaletal.(2018)geenonderzoekdatnagaatofdeGroningseaardbevingenechtanderszijn.Hoeweldebeweringvaakalsargumentwordtaangevoerd,ishijnietwetenschappelijkonderzocht,enduscreëerthijalleenmaareenvoedingsbodemvooreenaangezette werkelijkheid.

9

2. Aardbevingsbestendige gebouwen: mission impossible

Almeerdaneeneeuwwerkeningenieursstelselmatigaanhetontwerpenvangebouwendiebestandzijntegenaardbevingen.Afgezienvaneenpaargevallendiebetrekkinghebbenopkerncentrales(Newmark&Hall,1969)ishetdoelechternooitgeweestomgebouwenneertezettendievolledigtegenaardbevingenbestandwaren.

Alswehetvaneenetymologischstandpuntbekijken,helptdeanalogiemet“waterdicht”onsbetertebegrijpenwataardbevingsbestendigeigenlijkkaninhouden.Waterdichtbetekentletterlijk“geen water doorlatend” of,metanderewoorden,“geen effecten ondervindend van waterpenetratie.”Aardbevingsbestendigzoudanbetekenendatgebouwen“geen effecten ondervinden van aardbevingen.”Isdatüberhauptmogelijkofhaalbaar?

Hetontwerpenenbouwenvaneenaardbevingsbestendiggebouwismeereenkwestievanhaalbaarheideneffectiviteitdanvantechnischkunnen.Bijsommigegebouweniseenaardbevingsbestendigeconstructiemisschienmogelijk,alisdieafhankelijkvantotwelkbestendigheidsniveauhetgebouwdis.Ditzouechtereenonhaalbaargrootaantalstructureleelementen(zoalspilaren,balkenetc.)vergen,zodanigdathethetgebruikvanhetgebouwzoubeperken,omnogmaartezwijgenvandetorenhogebouwkosten.Datisderedenwaarominaardbevingscodesdeveiligheidvanburgerstijdensgroteaardbevingenvooropstaat,enerbestaatbijnageencodedievereistdateengewoongebouwvolledigaardbevingsbestendigis.Indehuidigedenktrantvanaardbevingsbestendigbouwengeldtdateengebouwbestandmoetzijntegen:• frequenteaardbevingen,waarbijzeweinigschadeoplopen;• sporadischvoorkomendeaardbevingen,waarbijzeherstelbareschade

aanrichten,en• uiterstzeldzameaardbevingen,waarbijhetgebouwnietinstort.

“Frequente aardbevingen” zijnaardbevingenwaarmeedegebouwenzekerenherhaaldelijkgeconfronteerdzullenwordentijdenshunbestaan.Daarzijnzedusopgebouwd.“Sporadisch voorkomende aardbevingen”zijngroteaardbevingenwaarbijeengrotekansbestaatdatdegebouwenermeegeconfronteerdzullenwordentijdenshunbestaan,endusmoethetontwerpgebaseerdzijnopditaardbevingsniveau.Daaromwordteensporadischvoorkomendeaardbevingindeaardbevingstechniekookweldesign-aardbeving genoemd:hetaardbevingsniveauwaarophetgebouwgebouwdis.“Uiterst zeldzame aardbevingen”wordentijdensdelevensduurvaneengebouwnietverwacht,endaaromzijnzeernietopgebouwd.Voorhetgevalzetochvoorkomen,moethetgebouwdeaardbevingechterkunnendoorstaanzonderintestortenenzonderdaterdodelijkeslachtoffersvallen.

10

HetismisschienmoeilijkvoordeGroningersomditteaccepteren,maarwanneerweditinhetperspectiefziendatikhierbovenbeschrijf,washethuisinFiguur1quaontwerpgeslaagd.AangeziendeaardbevinginChristchurchinfebruari2011verbovenhetniveauwaszoalsdatindietijdindeaardbevingsbestendigebouwcodewasvastgelegd,wasdezegebeurteniseen“uiterst zeldzame” voordatgebied.HethuisinFiguur1deedprecieswathetmoestdoen:ondanksdathetzwaarbeschadigdwas,storttehetnietin.Inlandenwaarveelaardbevingenvoorkomen,ishetbelangrijkvooraardbevingsdeskundigendatmensennaeenzwareaardbevingzonderkleerscheurenuiteenhuiszoalsinFiguur1komen.Dekrachtenhettypeaardbevingen,deoorzaken,effectenenverwachtingenzijnduidelijk,enbegrijpelijk,andersinGroningen.

Hetwoord“aardbevingsbestendig”dektniethelemaaldelading.GeziendespecialeomstandighedenvandeaardbevingsproblematiekinGroningen(zoalsuitgelegdindevolgendeparagraaf)leidtditertoedatmensenverschillendeverwachtingenhebbenoverwatmogelijkenhaalbaaris.Alsweditgedeeltevanhetboekbinnenhetperspectiefvandeschadeclaimszien,kunnenweconcluderendaterscheurenindeGroningsehuizenblijvenverschijnenzolangeraardbevingenzijn,indemeestegevallenzelfsalsdehuizenversterktworden.Hetstrevennaar“geen scheuren”indeGroningsegebouwenisdanzinloos,metanderewoorden,hetiseenmission impossible.

Figuur 1. Foto van een huis in Christchurch, Nieuw-Zeeland

(genomen door Ishan E. Bal na de aardbeving op 22 februari 2011 (Mw

6,2)

11

Hetontwerpvanaardbevingsbestendigbouwenisgebaseerdophetreddenvanlevensbijnatuurlijkeaardbevingen.Omdatwewetendatvolledigaardbevingsbestendigbouwentechnischonmogelijkis,ishetmisschientijdomeennieuwetermeneennieuwefilosofieteintroducerendiebeterbijdefeitenendeverwachtingenvanderegiopast:ComfortLevelEarthquake(CLE).Ditnieuweontwerpconceptwordtnaderuitgelegdinhetlaatstehoofdstuk.

12

3. Schadecorrelatie van kleine en frequente aardbevingen: een valse start

De“gaswinning-aardbeving-schade-claim-compensatie”-cyclusinGroningenzoalsgeschetstinFiguur2vertoonteenaantalhiaten.Mijncollega’svanhetKenniscentrumNoorderRuimtekunnenandereopvattingenoverdezevicieuzecirkeluitleggen,vooralwatsocialeimpactbetreft.Mijnpuntisnogaltechnisch.Erklevennamelijkjuridischeaansprakelijkheidsaspectenaan,maarmenverwachtdathetbewijsvandetechnischemensenkomt.Hetvereistebewijspastechternietbijhetperspectiefvandeaardbevingsdeskundigen.Deredenhiervoorisdeambivalenterelatiemetkleine,terugkerendeaardbevingenenzichtbarescheureningebouwen.EenduidelijkerelatiewordtverderbelemmerddoordebodemendebouwkundigeeigenschappenvandepandeninGroningen.

Jezoukunnenbewerendatdemeestegebouweninhetaardbevingsgebiedalbeschadigdwarenomdatdebodemzachtis,hetgrondwaterpeilschommeltendegebouwensowiesokwetsbaarzijnvoorinvloedenvanbuitenafendetanddestijds.Ikvreesdatditgeenverkeerdeveronderstellingis.Dekeerzijdevandemedailleisechterdatkleineenterugkerendeaardbevingenernstigeschadeaangebouwenkunnenveroorzaken,nietvanwegehetdirecteeffectopdedraagconstructie,maardoordeinteractietussendezachtebodemenhetgebouw.Demeestegebouweninhetgebiedzijnvanmetselwerk,eenbreekbaarmateriaaldatzelfseenkleinebewegingvandefunderingnietkanopvangen.Inditgevalkunnenterugkerendetrillingendebodemgemakkelijkverplaatsen,waardoorerverticalerekinhetdraagsysteemontstaat,eventueelzelfsnadeaardbeving.Ditveroorzaaktschadedieteweeggebrachtlijkttewordendoorbodembeweging,maarzijndiescheurennuhetgevolgdaarvanofvandeaardbevingzelf?Zoalsuziet,isdeeneofdeandereoorzaakbewijzenergcomplexenlastig,misschienzelfswelzinloosbezienvanuitdehoeveelheidtechnischonderzoek,tijdengelddiedatzouvergen.

Eengoedvoorbeeldvanhoemoeilijkhetis,ishetonderzoekdatonzegroepheeftuitgevoerdopdeFraeylemaborginSlochteren(Daisetal.,2018).Hetrijksmonumenthadernstigeschadeondervondenvanrecenteaardbevingenenwastweekeerhersteld.Debouwkundigecomputersimulatiesdieweop

Figuur 2. De aardbevingscyclus in Groningen

Gaswinning Aardbevingen Schade Claim Compensatie

13

ditpandloslietenverklaardennietwaaromdezeschadewasontstaan.Naeenveelgedetailleerderonderzoekwaarinweveelmeergegevensverzamelden,debouwkundigeschadegrondigeronderzochtenenniet-destructievetriltestenophetgebouwdeden,bedachtenweeenscenario(zieFiguur3).Volgensditscenariomoetdezwaarstbeschadigdenoord-westvleugeldraagvlakverlorenhebbenomzulkescheurentekrijgen.Hetverliesaandraagvlakkanalleenveroorzaaktwordenalshetdragendemetselwerktezwakisenheeftbewogen,waardoordebodemendefunderingineenvooralzijwaartserichtingvolgden.Erzijntekenenrondhetgebouwdieditscenarioonderschrijven.InditgevallijkendescheurenvooreentechneutdiedeaardbevingsgeschiedenisvandeFraeylemaborgnietkentmisschienveroorzaaktdoorbodembeweging.Diebodembeweginghangtwaarschijnlijkechtersamenmetdeaardbevingen.Ditisbijkomendeschadedieontzettendmoeilijktebewijzenis,endaaromblijftonsscenarioooknaalhetgedetailleerdewerkdatwehebbenverricht,nietmeerdandat:eenscenario.

Kortom,ondanksmijnopleidinginaardbevingstechniekenbijnatwintigjaarpraktijkervaringbeniktotnutoenietinstaatdezichtbarescheureninGroningsehuizenduidelijkwelofnietdirectinverbandtebrengenmetaardbevingenmeteenkrachttotM

w3.64.Alsdeaardbevingeneengroterekrachthaddenzouden

descheurenveelduidelijkerzijn,endanzouhetgemakkelijkertebepalenzijnwelkescheurendoordeaardbevingveroorzaaktzijn.Nuwemetminderkrachtigeaardbevingentemakenhebben,hebikdaarnatuurlijkwelideeënover,maardienoemikliever“speculaties.”Erzitechternogaleengrootgattusseneenpersoonlijkeennogsubjectievemeningentechnischonderbouwdeconclusiesdiekunnendienenalsbasisvoorhetaldanniettoewijzenvanfinanciëlecompensatie.Daaromgeloofikdatdemenseninhetgebiedeenfinanciëlecompensatiemoetenkrijgen,ongeachthetaantal,delengte,breedte,verdelingenoorzaakvandescheureninhunhuizen.Wantwiewilernouineenhuiswonenwaargeenscheureninzittenalsgevolgvaneenaardbeving,maardatwelconstantopzijngrondvestenstaattetrillen?Daaromnoemikdiehele“gaswinning-aardbeving-schade-claim-compensatie”-cycluseenvalse start. Demenseninhetaardbevingsgebiedmoetenonvoorwaardelijkeencompensatieontvangen!

Figuur 3. Fraeylemaborg in Slochteren,

(a) Het daadwerkelijke scheurpatroon in de noord-westvleugel van het gebouw,

(b) het effect op dezelfde muur na de computersimulatie volgens het seismische scenario,

(c) het effect op het hele gebouw na dezelfde simulatie (de grijze contouren geven de gebieden aan waar

waarschijnlijk scheuren zullen ontstaan)

a b c

14

4. Het monitoren van aardbevingen: opperste verwarring

Hetmonitorenvanaardbevingeniseenbelangrijkonderdeelvanhetvakgebiedaardbevingstechniek.Ditkomtomdatdebewegingvandeaardebijeenaardbevingcomplexisennietinenkelegetallenkonwordenomschreven.Zoverschilteenaardbevingbijvoorbeeldbeduidendvanmeteorologischeobservatieswaarinvereenvoudigdewaardenalstemperatuur,luchtvochtigheidenregenkansvoldoendezijnomhetweervaneenheledagaanburgersduidelijktemaken.Eenenkeleaardbevingdiemaartiensecondenduurtkandaarentegenopmeerdanvijftigverschillendemanierenwordenomschreven,waarvoorcomputerberekeningen,plotsmetaardbevingsparametersdieverschillendekerenpersecondeveranderenencomplexestatistischevergelijkingennodigzijn.Ditwilnietzeggendataardbevingstechniekmoeilijkerisdananderewetenschappelijkevakgebieden,maarweldatheteenvandemoeilijkstevakgebiedenisomaanburgersovertebrengen.Onzekerheidisinherentaanaardbevingstechniek,ietswaarmensenofbesluitvormersdiegewendzijnaanheldere,vaststaandeconclusiesmisschiennietechtgecharmeerdvanzijn.

Een3D-aardbevingsmonitorregistreertdoorgaans600datalijnenperseconde.Eenminuutseismischeopnamesheeftdan36.000datalijnennodig,volmetpositieveennegatievecijfersdieinmillisecondenop-ofaflopen.DeberoemdePGA(peakgroundacceleration,demaximumversnellingvandegrondtijdenseenaardbeving)diedemeesteGroningerswelkennen,isbijvoorbeeldhetabsolutemaximumvandie36.000lijnen,diemisschienalseenpiepkleinpiekjeineenmillisecondevoorgekomenzijn,of,inanderewoorden,ineenoogwenk.Hetrelaterenvanschadeclaimsofhetlevenvanmensenaandatenecijferdatnietlangerdaneenoogwenkduurtisuiteraardonzinnig.Erzijnveelmeereningewikkelderindicatorennodig.Ditvergtopzijnbeurtuitgebreidemonitoringomvastteleggenwaterinluttelesecondenopdeaardkorst,ensomsookindegebouwen,gebeurde.

EenmooivoorbeeldisdevergelijkingvanderegistratievandeaardbevinginZandeweervannovember2014(Middelstum2)metdievandeaardbevinginHuizingevanaugustus2012(Middelstum1).BeideregistratiesgevenvergelijkbarePGA-waardenaan,maarveelindicatoren,zoalsdespectraalwaardenenPGV(peakgroundvelocity,demaximumsnelheidwaarmeedegrondbeweegttijdenseenaardbeving)verschillenbeduidend.HetisbekenddatdeaardbevinginHuizingeveelmeerschadeveroorzaaktedandieinZandeweer,ondanksdatzeeenvergelijkbaarPGAhadden.Alswealleendeabsolutemaximumversnellingvandegrondregistreerden,zoudenweeenheelverkeerdbeeldvandezetweeaardbevingenkrijgen.

15

Nuwehetbelangvanhetmonitorenvanaardbevingenhebbenbenadrukt,komenwetotdebrandendevraag:watmoetenwemonitoren,en,watbelangrijkeris,hoedoenwedat?

Aardbevingstechniekkenttweemanierenomtemonitoren:i)stronggroundmotion(SGM,sterkegrondbeweging)registratie,enii)structuralhealthmonitoring(SHM,constructiemonitoring).HetKNMImonitortdeSGM-activiteit.Voorzoverikweet,isermaareengebouwinderegiodatvolgensdebekendemaatstavenvanSHMwordtgemonitord,endatisdeFraeylemaborginSlochteren.Ditwordtgedaandoormiddelvan5versnellingsmeters,diegeplaatstzijndooronsteam,en1tiltmeteropdefundering,geplaatstdoorStabiAlert.Ditisopzichzelfaleengoedecombinatievansensoren,maaromhetgedragvanditrijksmonumenttijdensennaeenaardbevingbetertebegrijpen,kanhetaltijdbeter.

DegrondbeweegtinGroningenookwanneerereenaardbevinginNieuw-ZeelandofdeVerenigdeStatenofergensandersis.Daaromkunnenobservatoriaoveralterwereldeenaardbevingwaarookterwereldmelden.Dezebewegingisechterzeerzwakenkankwantitatiefalleengeregistreerdwordendoorseismometers,instrumentendiegeschiktzijnvoorhetregistrerenvanzwakkegrondbewegingen.Seismometershoevenzichnietindebuurtvaneenaardbevingsbrontebevinden.Alsderecorderzich50kmofdichterbijdeaardbevingsbreukbevindt,kunnendegrondbewegingendoormensengevoeldwordenendusduidelijkgeregistreerdwordendoorandereinstrumentendanseismometers,zoalsversnellingsmeters.

Figuur 4. Vergelijking van de metingen van de aardbeving in Zandeweer van november 2014

(Middelstum 2 (boven)) met die in Huizinge van augustus 2012

(Middelstum 1, onder) met vergelijkbare PGA-waarden

16

Versnellingsmetersmoetenzichweldichtbijdeaardbevingsbronbevinden.DaaromwordenversnellingsregistratiesdichtbijhetaardbevingsgebiedStrongGroundMotions-registratiesgenoemd.DeversnellingsmeterstationsdiehetKNMIinGroningenheeftgeïnstalleerdzijnStrongGroundMotion-stations,dieopeenzelfdemanierfunctionerenalsdeversnellingsmetersvanandereinstellingenindewereld.HetKNMIheeftmeerdan50versnellingsmeterstations,dieelkeaardbevinginhetgebiedregistreren,enzezijnzeernuttiggeweestomdeeffectenvanaardbevingeninhetgebiedtebegrijpen.DaarnaastgeeftdeseismischerichtlijnNPRookeenaccelleratieresponsspectrumaan,eenschaaldiebeschrijfthoegrootdeversnellingiswaarelkgebouwaanwordtblootgesteldtijdenseenhypothetischeaardbeving.Oké,totzovergaathetgoed…Nukunnenweonsoverdemeerdiscutabelevragenrondhetmonitorenbuigen.

TiltmetersEenvandeheetstehangijzersinhetgebiedishetgebruik(ofhetnietgebruiken)vantiltmeters.Tiltmetersmetendehoekverdraaiingvanafeenbepaaldeas.Hetiseenuiterstgevoeligmeetinstrumentdatinsommigegevallenzelfsaardbevingenopgroteafstandkanwaarnemen.Zezijnookgevoeligvooroppervlaktegolven,eenprobleemdatweindeaardbevingstechniekvaaknegerenenwaarweverderopindezeparagraafopterugzullenkomen.Zekunnenookgevoeligervoorsterkeenzwakkebewegingenzijndanversnellingsmeters,eninsommigegevallenlatenzepiekenindemetingenzienwaarversnellingsmetersgeenenkelebelangwekkendeuitslagvertonen.Hetpraktischebezwaarvanhetgebruikvantiltmetersligtechterindeinterpretatievanderesultaten,nietindegevoeligheidofnauwkeurigheidvanditinstrument.Demetingenvantiltmeterszijnvaakeerderkwalitatiefdankwantitatief,afhankelijkvanwaarzegeplaatstworden.Metanderewoorden,eentiltmeterkaneenbewegingwaarnemen,maareenbouwkundigingenieurzounietinstaatzijntebegrijpenwatdezebewegingvoorhetgebouwbetekent.

Alsdetiltmeteropdefunderingwordtgeplaatst,opdebodemvlakbijeendraagmuurofdirectopdedraagmuur,opeendijkofopeenhooggedeelte(zoalseentoren)vaneengebouw,kandemetingvandetiltmeterheelnuttigzijnvoorbouwkundigingenieurs.Hetmoetechtergezegddateenbouwkundigingenieurmeerinteressezalhebbeninderesultatendirectvoorendirectnadeaardbevingdanvoordepaarsecondendatdeaardbevingdaadwerkelijkplaatsvindt.DaardoorzijntiltmetersStructuralHealthMonitoring-instrumentendiealsaanvullingkunnendienenopandereinstrumentenomlichttewerpenopvoor-en-na-vergelijkingenvangevoeligeonderdelenvangebouwen.Vooralleduidelijkheid:alseengebouwalleenwordtuitgerustmettiltmeters,zegtdatopzichzelfnietveel.Alszegebruiktwordenvoorbouwkundigmonitorenzijntiltmeterseenaanvullingopversnellingsmeters.

17

Hetisookdemoeitewaardhierdeoppervlaktegolvenentiltmeterstenoemen.SommigelezersherinnerenzichdeAM-radio’svanvroegernogwel.Ditwarenradio’smetlangereantennesdieradiosignalenvanverafgelegenradiostationskondenopvangen.DeAM-radiogolvenhebbeneenkleineamplitudeeneenhelegrotegolflengte.Zebevatteneengrotehoeveelheidenergie,endaardoorkunnenzegroteafstandenafleggenzondersignaalverlies.FM-radio’szijnvoordekorteafstand,meteenlagereenergie-inhoud,enzehebbenkortereantennes.Wanneererergenseenaardbevingplaatsvindt,verliezende“FM”-aardbevingsgolvenonderwegaankracht,terwijlde“AM”-golvendehelewereldoverkunnengaan.Ditzijndegolvendietiltmeterskunnenwaarnemen.Zulkegolvenwordenindeaardbevingstechniekechtervaakgenegeerdvanwegehunlageamplitudeenlangeduur.Dezeduurbeslaatvaaktussende2–3seconden,eentijdspannediealleenvanbelangisvoorhelegroteconstructies,zoalseenkilometerslangehangbrugofeenwolkenkrabbervan50verdiepingen.SommigemetingenvantiltmetersdieikinGroningenhebgezienzijnechterzolaagals0,5seconden.Alsditvalideis,kanhetwetenschappelijkgezienheelinteressantzijn.Erzalverderonderzoeknaarmoetenwordengedaan.

Samenvattend:• tiltmeterszijngeenalternatiefvoorversnellingsmeters,netals

versnellingsmetersgeenalternatiefzijnvoortiltmeters;hetzijntweeverschillendeinstrumenten

• tiltmeterskunnencrucialeinformatieverschaffenovereengebouw,vooraldirectnaeenaardbeving

• tiltmeterszijngeenopzichzelfstaandebouwkundigemonitorinstrumenten,maarincombinatiemetanderesensorenkunnenzeergnuttigzijn

• erisverderonderzoeknodignaarhetnutvanhetgebruikvantiltmetersbijoppervlakkigeaardbevingenendewaarnemingvandeeigenschappenvanoppervlaktegolven

Snelheidsmonitoring in huizen en openbare gebouwenInhetgebiedzijninbijna400pandengeavanceerdestronggroundmotion(SGM)-instrumentengeplaatst,alisdeactiviteitgeenSGM.Ditzijnversnellingsmeters,maarzewordengebruiktomsnelheidtemeten.Ditwordtgedaanomdeorigineledataverderteverwerkenenteintegreren.Hetiseenvandemeestfijnmazigenetwerkenterwereld..

Teneerstemoetenwevoordeniet-technischonderlegdelezerhetgebruikvanversnellingensnelheidinaardbevingstechniekomschrijven.Versnellingiseenheelnuttigeterminaardbevingstechniek,omdatereendirectecorrelatieismetdekrachtdieeengebouwtijdenseenaardbevingteverdurenheeft.Wanneerjemassa(massakunjegemakkelijkberekenenaandehandvanhetgewicht)vaneengebouwvermenigvuldigtmetversnelling,krijgjeongeveerdekrachtdieophetgebouw

18

wordtuitgeoefend.Alsdehorizontaleversnellingentijdenseenaardbevingwordengemeten,ishetmogelijkomdekrachtdietijdensdieaardbevingopeengebouwwordtuitgeoefend,inteschatten.Daaromgebruikenaardbevingstechnicioveralterwereldalmeerdaneeneeuwversnellingsmeters,en,wathetallerbelangrijkstis,hetheleaardbevingsbestendigeontwerpconceptisgebaseerdopversnellingen.DaarnaastrekentdeNPR,deseismischerichtlijninNederland,netalsalleandereseismischecodesterwereld,ookmetkrachtendieopversnellinggebaseerdzijn.

Erzijntweediscussiesgaandeoverdezesensoren.Teneerstegaathetomdelocatievandesensorenmanierwaarophijbevestigdis.Tentweedeheefthetgevolgenwanneerjesnelheidgebruiktinplaatsvanversnelling.HeteersteonderwerpisalbehandeldinrapportenvandeNAM.OnderstaandetekstisafkomstiguiteenopenbaarrapportdatopdewebsitevandeNAMstaat(Bommeretal.,2017):

Het netwerk bestaat nu uit 400 instrumenten en kan zo potentieel een waardevolle database vormen voor GMM’s (Ground Motion Models). De meeste instrumenten zijn echter niet op de begane grond geplaatst, maar in beugels aan de muur. Daardoor kunnen ze onderhevig zijn aan structurele respons. Daarnaast heeft de drempel van 0,1 cm/s die de operator heeft ingesteld de beschikbaarheid van metingen tot nu toe ernstig beperkt. Er wordt nu aan gewerkt om vast te stellen in hoeverre de gemeten data de daadwerkelijke grondbewegingen weergeven, en ervoor te zorgen dat de PGV-drempel de output van metingen tijdens toekomstige aardbevingen niet beknot.

HetcitaathieronderkomtookuiteenopenbaarrapportopdewebsitevandeNAM,devolgendeversievanhetrapporthierboven(Bommeretal.,2018):

…tot op heden zijn deze metingen niet gebruikt in het afleidingsmodel omdat er bedenkingen bestaan over de installatie van accelerografen hoger dan de begane grond (Figuur 5 in dit rapport). Om de mate waarin de structurele respons van deze gebouwen de registratie misschien heeft beïnvloed te onderzoeken, en daarmee de mate waarin ze kunnen worden gebruikt als weergaves van de werkelijke grondbeweging, zijn er experimenten gedaan.

InhetonderzoekvanBommeretal.(2018)werdentriltafeltestsuitgevoerdinhetLNECinLissabon,waarbijzowelmeetinstrumentenmetbeugelsaandemuurwerdenbevestigdalscorrectgeplaatsteinstrumentenopdefunderingvanhetgebouwwerdenaangebracht(Figuur6).

Alsaardbevingstechniekalhonderdjaarvollediggebaseerdisophetmetenvanversnellingopdegrond(denkaandetermStrongGroundMotion),deNPRgebaseerdisopversnellingsresponsenzelfsdesensorenzelfversnellingmeten,waaromzijndezemeerdan400sensorendanopeenandereplekindehuizengeplaatstenwordtdesnelheidgemeteninplaatsvandeversnelling,zaldelezerdanvragen.IkweetdatdezemetingengebaseerdzijnopeenSBR-richtlijn,maardatis

19

Figuur 5. Voorbeelden vande-versnellingsmeters bevestigd in een stalen beugel boven de begane grond (uit:

Bommer et al., 2018)

Figuur 6. Reproductie van versnellingsmeters op de begane grond en op een hoger niveau in een triltafelmodel in

LNEC, Portugal (uit: Bommer et al., 2018)

20

eigenlijkgeenseismischerichtlijn(SBR,2017).Ditlijktdebronvanhetgeschiltezijn,aangezienhetplaatsenvandesensorenendeverzamelingvandedatagebeurdzijnvolgensderichtlijnvandeSBR,maarkennelijknietvolgensdewereldwijdepracticeinaardbevingstechniek.OverditonderwerpmoetnogverderediscussieplaatsvindenalsdeGroningersbeterwillenprofiterenvaneengeavanceerdsensorennetwerk,zoalsookdoordeNAMhierbovenduidelijkgezegdwordt.Mijnonderzoeksgroepisvanhartebereidhierhunmeningovertegevenomtezienwelkeverbeteringenermogelijkzijnenhoedebestaandekennisenapparatuurbetertoegepastkanworden.

SindsmijnkomstnaarGroningenisovertweedingenhetmeestgepraat:sensorenenschadeclaims.Hetverhaaloverhetmonitorenhierboveniszelfsvoortechneutenmoeilijktevolgen,dusikkanmevoorstellendatdehelediscussievoordeburgermaareendingveroorzaakt:opperste verwarring.

21

5. Seismische codes, richtlijnen en NPR: geen verstandige keus

DeaardbevinginLissabon,Portugal,in1755wordtgezienalseenvandedodelijksteaardbevingenooit.HetwaseenaardbevingindeAtlantischeOceaanmeteenkrachtvan8.5-9.0opdemomentmagnitudeschaal,opeenafstandvanongeveer200kmvandestad.HijverwoestteLissabontotaal,endeherstelwerkzaamhedenvondenplaatsonderleidingvandelegendarischeburgemeesterMarquêsdePombal.TijdensdewederopbouwwerdenervoorschriftenuitgevaardigdomeenbepaaldtypegebouwenneertezetteninwatlaterdePombaline-bouwstijlwerdgenoemd.Ditwasdeeerstekeerdatbouwkundigeontwerpenendeuitvoeringervantotintechnischdetaildoordestaatvoorgeschrevenwerdenomzeaardbevingsbestendigtemaken.

Figuur 7. Marquês de Pombal Square in Lisbon, with his statue (credit: Wikipedia)

22

Indetwintigsteeeuw,nadeaardbevinginMessina,Italië,in1908,richttedeItaliaanseregeringbegin1909hetGeologischComitéenhetBouwkundigComitéop.HetBouwkundigComitédeedintensiefonderzoeknaardezijdelingsebelastingvandegebouwendienadeaardbevingovereindwarenblijvenstaan.Laterkwamenzemetdeaanbevelingdatbijhetontwerpenvanaardbevingsbestendigegebouwendeseismischeverhouding–datisdeseismischeversnellinggedeelddoordezwaartekrachtversnelling–voordebeganegrond1:12moetzijnenvoordeverdiepingendaarboven1:8.Ditwordtgezienalsdeeerstekwantitatieveaanbevelingvandesignseismischekrachtenindegeschiedenisvanseismischebouwvoorschriften.Deseismischevoorschriftenenrichtlijnenontwikkeldenzichindedecenniadaarnaenorm.Nieuweconcepten,zoalshetelastischontwerpspectrum,gedragsfactor,buigzaamheidenbodemklassering,werdenaandevoorschriftentoegevoegd.DereisdiebegonmettweesimpelegetalleninhetItaliaanseKoninklijkDecreetvan1909groeideuittoteenstapelingewikkeldedocumentenmetbijlagesvanhonderdenpagina’s.

Debestaandeseismischecodeskunnenwordenonderverdeeldindriehoofdcategorieën:i)Amerikaansecodes,ii)Europesecodeseniii)Japansecodes.Hetschrijvenvaneenuitgebreideseismischecodevergtveelenconstantonderzoek,endusnemenveellandendeinternationale(vooralAmerikaanse)codesinhungeheelover,ofzevertalenzeenpassenzeaan.DeAmerikaansecodesbestaanmeestaluitrichtlijnenenwordenvaakgeüpdatet.EuropesecodeshetenEurocodesenzijngenummerdvan0totenmet8,waarbijEurocode8deseismischeontwerpcodeis.Japansecodeszijnveruitgewerkt,complexenvooralgebaseerdopdeJapansepraktijk.DaaromwordenzevooraldooringenieursinJapangebruikt.

AlslidvandeEuropeseUniegebruiktNederlandEurocodes0totenmet7.Eurocode8wordtmetopzetnietgebruikt.Ditisnogalverwarrend,omdathetdoelvandeuniformeEurocodesiseeneerlijkeconcurrentieindebouwtewaarborgen.EU-landenmogennietalleenhuneigenseismischecodesgebruiken.InplaatsdaarvaniselkEuropeeslandwettelijkverplichtdetoepassingvanEurocodes0totenmet8toetestaan.IkweetnietwatdejuridischeimplicatieshiervanopEuropeesennationaalniveauzijn,maarvanuittechnischoogpuntisdittegenstrijdig.Eurocode8kanindeGroningseaardbevingsproblematiekwordentoegepastdoormiddelvaneenNationaleBijlage.

OmdatdeinternationaalerkendecodesenvooraldeEuropeseregels,diehetresultaatzijnvantientallenjarenkwaliteitswerkinaardbevingstechniek,nietwordennagevolgd,lijktdegeschiedenisvandeNPRoplangetermijneensoortslalom.DeenormediscussievaneenjaargeledenbehelsdedetijdrovendeenuiterstingewikkeldeanalysevandevoorgeschiedenisdiewasopgelegddoordevorigeNPR.Nuligtdiediscussiezogoedalsstil,enalsgevolgvandieslalom,liggener

23

nuvereenvoudigdemethodeseneenaantalover-vereenvoudigdeenplaatselijkemethodesalsSLaMatertafel.

GebaseerdopmijnervaringinGroningen,nuietsmeerdaneenjaar,vindikdeontwikkelingvandeNPRpersoonlijknietproductiefeneigenlijkeenongezondproces.MijnindrukisdathetafwijkenvanmoderneseismischecodesenvandeEurocodesinhetbijzonderhetslalom-effectvergroten.Inelkeversiewordteennieuwprobleemgecreëerddatindevolgendeversiewordtopgelost.WaarommenzoveelmoeitedoetomdeNPRinstandtehoudeninplaatsvandeEurocodestevolgenismijnsinziensgeenverstandigekeus.

24

6. De mythen oplossen, de misvattingen rechtzetten

Demythenenmisvattingendie,omwelkeredendanook,rondhetaardbevingsprobleeminGroningenontstaanzijn,moetenwordenopgelostenrechtgezetvooreenbeterGroningen,voorhetherwinnenvanhetvertrouwen.Alslandwaarnormaalgesprokengeenaardbevingenvoorkomen,wasNederlandermisschiennietklaarvooromhetprobleemhethoofdtebiedentoenhetin2012keihardtoesloeg.Tegenwoordighebbenweechterveelgeleerd,eriskennisvergaardennaeenaantaljarenengroteinspanningenveelervaringopgedaan.Erschijntnulichtaanheteindvandetunnel,enmijnonderzoeksgroepgelooftdatwijereenrolinkunnenspelenuitdietunneltegeraken.

Wehebbencontactmetmensen,instellingen,bedrijvenenstudenteninderegio.Wewonenenwerkenhier.DeHanzehogeschoolheeftgoedecontactenmetderegio,maarookmetgerelateerdeinstellingenzoalsbijvoorbeeldhetEPIKenniscentrumomonstehelpendebandenmetdemensenendeprofessionalsnogverderaantehalen.Wegrijpenelkegelegenheidaanomdeaangezette werkelijkheidomtebuigennaarde‘echte’werkelijkheid.Wedoengedegenonderzoek,publicerenstudiesengeventechnischepresentatiesdieeeninternationalediscussieingangzettenomerachtertekomenofdeaardbevingeninGroningenechtanderszijn,ofdieverschilleneffecthebbenopdegebouwenenwatdatallemaalvoordemensenbetekent.

Echtaardbevingsproofbouweniseenmissionimpossible,maaraardbevingsbestendigbouwenkanwel.Zoheetonzeonderzoeksgroepook:AardbevingsbestendigenKansrijkGroningen.Wewerkensamenmetandereonderzoekers,metbedrijvenenmetBuildinGomuittezoekenwaternogmeergedaankanwordenomdeplaatselijkegebouweneengrotereweerstandtegenaardbevingentegevenenhoewehetregionalehistorischerfgoedkunnenbeschermenvoortoekomstigegeneraties.

Deschadeclaimsendemanierwaaropmensengecompenseerdwordenzijneenkwestievanwettelijkeaansprakelijkheid.Hetisheelmoeilijkdezejuridischebeslissingtestavenmettechnischeargumentenzoalsdieinditstukwordenuitgelegd,endusisheteenvalse startomdattedoen.Ookalhebbenmenseninderegiogeenernstigeschadeaanhunhuis,zeondervindenopzijnminst“hinder”enmoetenonvoorwaardelijkgecompenseerdworden.Ermoetechternogsteedseenmethodologieontwikkeldwordenomerachtertekomenwanneer“hinder”overgaatin“aanzienlijkefysiekeschade.”Wijstellenhiervooreennieuweontwerpfilosofievoor:ComfortLevelEarthquake(CLE).Demoderneaardbevingstechniekkentdrieontwerpniveaus:servicelevelearthquake(SLE),designbasisearthquake(DBE)enmaximumconsiderableearthquake(MCE).Bijde

25

eerste,SLE,isergeenschadeaandeconstructiesalsgevolgvanlichteaardbevingen.Bijdetweede,DBE,isersprakevanherstelbareschadeaandeconstructiesalsgevolgvanzeldzamemaarzwareaardbevingen.Bijdelaatste,MCE,iseronherstelbarestructureleschadealsgevolgvanuiterstzeldzameenzeerzwareaardbevingen,maarhetgebouwstortnietin.Onsnieuweontwerpniveau,CLE,verwijstnaardegrenstussenhinderenaanzienlijkeschade.Aanzienlijkeschadehoudthierindatmensendebehoeftevoelendeschadeteherstellenofinelkgevalvoorhetoogwillenopknappen.Ditniveauisafhankelijkvanzowelhettypegebouwenzijnkwetsbaarhedenalsdereactievandemensenopdeaardbevingsschade.HetniveauvanzulkeaardbevingenmoetrondhetSLE-niveauliggen,waarschijnlijkzelfsietslager.Wijdoenonderzoeknaarditnieuwevoorstelenzullenindenabijetoekomstmetconcreteideeënkomen.

Zoalsaleerdergezegdveroorzaaktmonitorenverwarringbijmensendieniettechnischonderlegdzijn.Hettypeinstrumentenisookeenzaakdiedediscussiebelemmert.Omeenconcreetvoorbeeldtegevenvanhoewijmenendatergemonitordmoetworden,hebbenwemeetinstrumentenopdeFraeylemaborginSlochterengeplaatstenhetgebouwzelfgemonitord.Hierbijhebbenweversnellingsmetersincombinatiemeteentiltmetergebruikt.Weproberenmeermiddelentegenererenomonzestructurelehealthmonitoringinderegiouittebreiden,vooralvoordehistorischegebouwen.Wenemenookdeelaanopendiscussies,waarweideeënenkennisuitwisselenomhetmonitorentekunnenverbeteren.InhetgevalvandeGroningseaardbevingenspeeltmonitoringeenuiterstbelangrijkerol.

DespecifiekeeigenschappenendeurgentievanhetGroningseaardbevingsprobleemdwongdeautoriteitenomeenseismischerichtlijnoptestellendiespecifiekvoorGroningenwas:deNPR.Misschiendatditideeaanhetbeginvandereisvantoepassingwas,maarnuheefthetheelveelproblemengecreëerdenstaatveeldiscussievaakeenoplossingindeweg,watbewijstdathettochgeenverstandige keuswas.WezijnervanovertuigddaterontwerpregelgevingopEuropeesniveaumoetkomenvoorgeïnduceerdeaardbevingenendatNederlanddaarinhetvoortouwmoetnemen.DesuccesvolletoepassingvanEurocodes(deEuropesenormenenrichtlijnenvoorconstructieveveiligheidbijaardbevingen)moetookinNederlandnagevolgdworden.Wijzulleneronsbestvoordoendezeoptienatestreven.

26

Verwijzingen

BommerJ,DostB,EdwardsB,KruiverPP,MeijersP,NtinalexisM,Rodriguez-MarekA,RuigrokE,SpetzlerJenStaffordPJ(2017)“V4Ground-MotionModel(GMM)forResponseSpectralAccelerations,PeakGroundVelocity,andSignificantDurationsintheGroningenField”,NAMResearchReport.

BommerJ,EdwardsB,KruiverPP,Rodriguez-MarekA,StaffordPJ,DostB,NtinalexisM,RuigrokE,enSpetzlerJ(2018)“V5Ground-MotionModel(GMM)fortheGroningenField”,NAMResearchReport.

DaisD,SmyrouE,BalIE,enPamaJ(2018)“Monitoring,assessmentanddiagnosisofFraeylemaborginGroningen,Netherlands”inSAHC2018:11thInternationalConferenceonStructuralAnalysisofHistoricalConstructions,Cusco,Peru.

NewmarkNenHallWJ(1969)“Seismicdesigncriteriafornuclearreactorfacilities”,InProceedings4thWorldConferenceonEarthquakeEngineering,Santiago,Chile,volume4,37–50.

SBR(2017)“TrillingsrichtlijnA:Schadeaanbouwwerken”,SBRCURnet,Delft,November2017.

HA

NZ

E-1

8_04

52

Myths and Fallacies in the Groningen Earthquake Problem

Ihsan Engin Bal is the Professor of the Research Group on Earthquake Resistant Structures. A civil engineer with MSc and PhD degrees in Earthquake Engineering, Ihsan worked as an engineer and also as a researcher in countries with high seismicity, such as Greece, Turkey, Italy and USA. In his work as practitioner, he was responsible for projects on design and strengthening of structures against seismic actions. Before coming to the Hanze, Ihsan has directed R&D projects in Turkey at Istanbul Technical University, focused on topics

such as the production and testing of seismic isolation systems, assessment and consolidation of historical masonry buildings and seismic monitoring of structures. He also served as consultant for historical buildings for the Turkish Prime Ministry Vakiflar, and Istanbul Metropolitan Municipality Scientific Committee for Protection of Historical Heritage. He coordinated seismic monitoring activities and consulted design in benchmark projects such as the Eurasia Road Tunnel and the Marmaray Project in Istanbul.

In his position at Hanze, Ihsan has served so far to the Dutch Ministry of Economic Affairs and Climate, National Coordinator Groningen as well as to the Province of Groningen as independent technical expert in the earthquake issues.