Modulaire installatiesystemen kunnen één van de zwakkere schakels van een gebouw zijn in het geval van een aardbeving. Als ze niet correct zijn ontworpen, kunnen hele bevestigingsconcepten het begeven, waardoor mensenlevens in gevaar komen. Hilti biedt product- en softwareoplossingen op basis van de nieuwste normen en in overeenstemming met de voorschriften van Eurocode 8. Eurocode 8 geeft een inzicht in hoe we kunnen omgaan met het ontwerpen van modulaire installatiesystemen.
 

Identificatie van het aardbevingsgebied 

Met behulp van de webtool op geo.be kan bepaald worden tot welke seismische zone een specifieke locatie in België behoort.

Seismisch ontwerp van modulaire supportsystemen 

Volgens Eurocode 8 moeten de supportsystemen van niet-constructieve onderdelen zodanig worden ontworpen dat resonantie-effecten tussen bevestigingen en supportsystemen worden vermeden. In het geval van hangende systemen moeten deze in de horizontale richting voldoende geschoord zijn om schommelen en oscillatie te voorkomen. 
 
Enerzijds is de formule voor de vereenvoudigde bepaling van de horizontale aardbevingskracht o.a. opgenomen in de Duitse nationale bijlage DIN EN 1998-1/NA op pagina 29. De interne krachten kunnen op vereenvoudigde wijze worden bepaald door uit te gaan van de optredende horizontale aardbevingskracht in de meest ongunstige richting. De verticale aardbevingskrachten kunnen achterwege worden gelaten. 

Fa       horizontale seismische kracht, werkend in het centrum van de massa van het niet-constructieve element in de meest ongunstige richting 
S         bodemparameters volgens tabel NA.4 
agR     referentiepiekwaarde van de grondversnelling volgens tabel NA.3 
ma      de massa van het onderdeel 
γa       importantiefactor van het niet-constructieve onderdeel 
γa       = 1,5 voor verankeringen van machines en onderdelen die nodig zijn voor levensbeschermende systemen. In alle andere gevallen kan γa = 1,0 worden vastgesteld. 
 
Anderzijds kan de formule voor de bepaling van de horizontale aardbevingskracht Fa ook worden ontleend aan de Duitse VCI-richtlijnen (Verband der Chemischen Industrie e.V.) in hoofdstuk 6.4 "Niet-constructieve componenten en leidingen" [4]. De VCI-leidraad, waarin meer in detail wordt ingegaan op de gevolgen van "Aardbevingen in de installatiebouw", kan hier worden geraadpleegd als een zeer goede informatiebron. 

Figuur 2: Bepaling van de horizontale aardbevingskracht Fa volgens de VCI-richtlijnen 

 
Hierna wordt nader ingegaan op de bepaling van de horizontale aardbevingskracht volgens Eurocode 8.
 
Punt 4.3.5.2 van Eurocode 8-1 geeft de meer gedetailleerde verificatieprocedure voor niet-constructieve onderdelen. De spanningsgrootheden ten gevolge van de aardbeving kunnen worden bepaald door de volgende formule toe te passen voor de bepaling van de horizontale equivalente belasting Fa die op het niet-constructieve onderdeel werkt: 

Fa       horizontale equivalente belasting 
Sa       seismische aardbevingscoëfficiënt voor niet-constructieve componenten 
Wa     verticale gewichtslast van het modulaire ondersteuningssysteem 
γa       importantiefactor van het niet-constructieve component 
qa       seismische gedragsfactor van het onderdeel 
 
Bepaling van de seismische aardbevingscoëfficiënt Sa 
De seismische aardbevingscoëfficiënt Sa wordt bepaald aan de hand van de volgende formule (zie Eurocode 8, hoofdstuk 4.3.5.2): 

Sa       seismische coëfficiënt 
α         verhouding van de rekengrondversnelling voor bodemklasse A, agR tot de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht g 
S         bodemparameters 
Ta       fundamentele trillingsperiode van het modulaire supportsysteem 
T1       fundamentele trillingsperiode van de draagconstructie van het gebouw in de betreffende richting 
z         montagehoogte van het modulaire draagsysteem boven het aangrijpingsniveau (maaiveld)) 
h         hoogte van het gebouw vanaf de fundering of vanaf de bovenrand van een stijve kelderbouwlaag 
A         dynamische vergrotingsfactor 
De waarde van de aardbevingscoëfficiënt Sa mag niet kleiner zijn dan α*S 
 
Bepaling van de dynamische vergrotingsfactor A 
De dynamische vergrotingsfactor A houdt rekening met de dynamische toename van het versnellingsgedrag van niet-dragende inpandige onderdelen ten opzichte van de grondversnelling. Deze is onder meer afhankelijk van de verhouding van de fundamentele trillingsperiode van het modulaire draagsysteem (Ta) ten opzichte van de draagconstructie van het gebouw (T1), alsmede van de installatiehoogte van het modulaire draagsysteem (z) ten opzichte van de gebouwhoogte (H). 
Voor de bepaling van de vergrotingsfactor A volgens Eurocode 8 moet eerst worden vermeld dat de berekeningsrichtlijnen van Eurocode 8 in hoofdzaak bedoeld zijn voor het seismisch ontwerp van gebouwen in het algemeen, en minder expliciet voor secundaire staalconstructies. 
 
Met name voor constructeurs van leidingen biedt EC8 niet de optimale basis voor het ontwerp van modulaire supportsystemen. De VCI beschrijft het ontwerp van deze bevestigingssystemen veel gedetailleerder in hoofdstuk 6.4. Vergelijking 6.5 (zie figuur 2), waarnaar in het VCI wordt verwezen als equivalent aan de formule van DIN EN 1998-1/NA paragraaf NA.D.7, geeft parameters voor de vergrotingsfactor Aa en de seismische gedragsfactor qa voor dynamische belaste installatietypes. 
 

Figuur 3: Uittreksel van tabel 6.2 van de VCI-richtsnoer 

Kortom, de vergrotingsfactor A kan sterk variëren. Terwijl voor stijve constructies ter hoogte van de fundering van het gebouw (Z/H ≅ 0), over het algemeen geen dynamische verhogende last wordt verwacht, kan voor modulaire supportsystemen die resoneren met het gebouw (Ta/T1 =1) en die bijvoorbeeld op het dak van het gebouw zijn gemonteerd (Z/H ≅ 1), een vergrotingsfactor van A = 5,5 worden aangenomen.  
 
Bepaling van de seismische gedragscoëfficiënt 

De seismische gedragsfactor houdt rekening met de mogelijkheid van het modulaire supportsysteem om energie af te voeren (dissipatie). Om een gedragsfactor van qa > 1,0 te kunnen gebruiken voor constructies in de uiterste grenstoestand, moet het energiedissipatievermogen worden geverifieerd en gekwantificeerd. Dit vergt een grote analyse- of testinspanning. Voor sommige groepen niet-constructieve supportsystemen zijn maximumwaarden voor qa gespecificeerd in EC8 (tabel 4.4). Hoewel modulaire constructieve systemen in dit hoofdstuk niet expliciet worden genoemd, kan in het algemeen worden gesteld dat voor een volledige bevestigingsoplossing (rail, klem, enz.) die ductiel gedrag vertoont, de gedragsfactor kan worden gedefinieerd als qa= 2,0.   

De vaststelling van de gedragsfactor op 2,0 wordt ondersteund door tabel C.2 in EN 1992-4:2018, waarin de qa-waarden voor niet-constructieve bevestigingen worden gegeven. Zo kunnen bijvoorbeeld de volgende categorieën als referentie worden beschouwd: 

• Computervloeren, elektrische en communicatieapparatuur (regel 9);
• Hogedrukpijpleidingen, brandblusleidingen (regel 13); en
• Vloeistofleidingen voor ongevaarlijke stoffen (regel 14).  

Voor al deze genoemde categorieën is de gedragsfactor vastgesteld op qa = 2,0.  In het algemeen wordt aanbevolen om een gedragsfactor van qa = 2,0 te definiëren voor het seismische ontwerp van Hilti installatiesystemen. Alleen voor opslag van gevaarlijke stoffen en leidingen met gevaarlijke stoffen moet qa = 1,0 worden gebruikt. 

In aanvulling op Eurocode 8 en de VCI (tabellen 6.2 en 6.3) kan nadere gedetailleerde informatie over de bepaling van de vergrotingsfactoren Aa en de gedragsfactoren qa worden ontleend aan TR045 in tabel 5.2.

Bepaling van de verticale gewichtskracht (Wa) van het modulaire draagsysteem 

Het gewicht van het modulaire draagsysteem Wa kan ofwel analoog worden berekend door de gewichten van de afzonderlijke componenten van de desbetreffende bevestigingsoplossing handmatig op te tellen, ofwel volledig automatisch met behulp van de Hilti PROFIS installatiesoftware. Naast de mogelijkheid om elk afzonderlijk geconstrueerd modulair draagsysteem seismisch te ontwerpen en statisch te dimensioneren, wordt ook het hier vereiste eigengewicht Wa in het rapport weergegeven.  

Productoplossingen van Hilti 

Hilti investeert al jaren in onderzoek en productontwikkeling om seismische oplossingen voor modulaire supportsystemen voor installatietechniek te verbeteren. Het ontwikkelde "Hilti Seismic Bracing System" is geschikt voor het seismisch ontwerp van bevestigingsoplossingen voor lichte tot zware pijpleidingen, ventilatie en elektrische (kabelgoot)toepassingen. Het bestaat specifiek uit drie verschillende verstijvingsmethoden: een draadschoorsysteem, een draadstangschoorsysteem en een installatierailschoorsysteem (zie figuur 2).

Figuur 4: Illustratie van de verstijvingsmogelijkheden met behulp van draadschoren (links), draadstangschoren (midden) en montagerailverbanden (rechts) 

Aan de hand van het voorbeeld van draadstangschoren wordt hieronder een innovatieve en economische oplossing gegeven voor (achteraf aangebrachte) versterking van modulaire lastdragende systemen uit het uitgebreide Hilti Seismic Bracing System portfolio: 

Figuur 5: Schoren van een modulair draagsysteem met scharnier MQS-AB en hoek MQS-W

Productkenmerken scharnier MQS-AB 
Het MQS-AB scharnier maakt een gemiddelde productiviteitsstijging van 50% mogelijk. Doorslaggevend hierbij is enerzijds de verbeterde toegankelijkheid, waardoor de benodigde moeren gemakkelijker kunnen worden aangebracht en verwijderd en de draadstang vrij door het scharnier kan worden afgesteld. Anderzijds draagt de eenpuntsbevestiging van het scharnier bij tot een aanzienlijke verhoging van de productiviteit. Het MQS-AB scharnier kan zowel aan de onderzijde van de vloer (zoals afgebeeld in figuur 3) als aan het modulaire draagsysteem worden bevestigd.  

Figuur 6: Technische gegevens van het scharnier MQS-AB 

Productkenmerken Hoek MQS-W 
De MQS-W beugel wordt zowel gebruikt om de horizontale en verticale installatierails van de respectievelijke modulaire supportsystemen met elkaar te verbinden als om andere seismische verbindingsstukken, zoals het MQS-W scharnier, aan te sluiten (zie figuur 3). 

Figuur 7: Technische gegevens van de hoek MQS-W 

Vereiste verankeringssystemen voor de bevestiging van modulaire supportsystemen 

Afhankelijk van de eisen van de constructie moeten ook seismisch goedgekeurde ankersystemen (klasse C1 of C2) worden gebruikt voor de bevestiging van de modulaire draagsystemen. Hilti biedt hiervoor een breed scala aan goedgekeurde ankersystemen en "PROFIS Engineering", een ontwerpsoftware waarmee eenvoudig geschikte ankersystemen berekend kunnen worden.  
 

Conclusie 

Om modulaire supportsystemen in geval van een aardbeving te kunnen schoren volgens de specificaties van Eurocode 8, moet de horizontale equivalente belasting (Fa) die op het systeem werkt, worden bepaald. Dit kan gebeuren met behulp van de statische equivalente belastingbepaling volgens de Duitse nationale bijlage DIN EN 1998-1/NA en volgens de VCI-richtlijn hoofdstuk 6.4. Het is duidelijk dat de te bepalen horizontale equivalente belasting afhankelijk is van een aantal factoren, die voor elk individueel project moeten worden beoordeeld. Hilti biedt ondersteuning bij seismisch ontwerpen in de vorm van een eigen product- en softwareportfolio, dat zorgt voor meer productiviteit, verhoogde veiligheid en extra kostenefficiëntie.  
 


_________________________________________________________________________________________________________
[1] Meskouris, K., Brüstle, W., Schüter, F.-H.: Herziening van de DIN 4149-norm, Civil Engineer, Vol. 79, S3-S8, 2004. 
[2] DIN EN 1998-1/NA "Nationale bijlage bij Eurocode 8: Ontwerp van constructies tegen aardbevingen, Deel 1: Basisprincipes, seismische acties en regels voor gebouwen", Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN, 2010. 
[3] https://www.gfz-potsdam.de/DIN4149_Erdbebenzonenabfrage/ 
[4] Butenweg, C., Dargel, H.-J., Höchst, T., Holtschppen, B., Schwarz, R., Sippel, M.: "VCI-Leitfaden 'Der Lastfall Erdbeben im Anlagenbau'", 2e druk, Frankfurt: Verband der Chemischen Industrie, 71 blz., 2012.