Evaluatie van seismisch gedrag en instortingscapaciteit van dubbele gewapend-beton kader–schijfwandconstructies met inachtneming van grond-structuurinteractie onder wisselende bodemcondities

Waarom de grond onder gebouwen ertoe doet

Als we ons aardbevingsbestendige gebouwen voorstellen, richten we ons vaak op de sterkte van kolommen, balken en wanden. Toch speelt een cruciaal deel van het verhaal zich buiten zicht af, in de grond en funderingen die de constructie dragen. Deze studie stelt een schijnbaar eenvoudige vraag met grote veiligheidsimplicaties: hoeveel verandert de flexibiliteit van de ondergrond het gedrag van gewapend-beton gebouwen bij zware aardbevingen, en onderschatten huidige ontwerpnormen mogelijk het instortingsrisico — vooral op zachte bodems?

Hoe moderne betonnen gebouwen zich tegen beving houden

Veel middelhoge en hoge betonnen gebouwen gebruiken een "dubbel" systeem om aardbevingen te weerstaan. Verticale betonnen wanden, zogenaamde schijfwanden (shear walls), werken samen met omliggende kaders van balken en kolommen. De stijve wanden nemen het merendeel van de zijwaartse trillingen op, terwijl de kaders aanvullende sterkte bieden en helpen schade te beperken. Bouwvoorschriften gaan doorgaans uit van een vastliggende basis van de constructie, wat betekent dat de fundering niet kantelt of verschuift. In werkelijkheid, zeker op zachtere bodems, bewegen en vervormen de constructie, fundering en grond samen. Deze grond–fundering–constructie interactie kan de natuurlijke periode van het gebouw verlengen, veranderen hoe krachten door het kader en de wanden reizen, en beïnvloeden waar schade zich concentreert tijdens een aardbeving.

Gebouwen en bodems op de proef stellen

De onderzoekers maakten gedetailleerde rekenmodellen van drie gewapend-beton gebouwen — 5, 10 en 15 verdiepingen hoog — ontworpen volgens de huidige Amerikaanse normen voor twee gangbare bodemtypen: een stijvere bodem (Type C) en een zachtere (Type D). Voor elke hoogte en bodem vergeleken zij een geïdealiseerde vaste-basis versie met een realistischer flexibele-basis versie waarin funderingen konden kantelen en zetten op veren die het bodemgedrag voorstellen. Vervolgens voerden zij duizenden simulaties uit met echte aardbevingsregistraties, inclusief normontwerpniveaus en veel intensere trillingen. Deze simulaties registreerden niet alleen globale verplaatsingen (hoeveel elke verdieping zwaait), maar ook "plastische scharnieren" — zones waar balken en kolommen toegeven en blijvende schade opstapelen — en uiteindelijk of van een instorting van het gebouw te verwachten zou zijn.

Wat er gebeurt op zachte versus stijve ondergrond

De resultaten tonen aan dat flexibele funderingen gebouwen zowel kunnen verzachten als in gevaar kunnen brengen, met de sterkste effecten bij kortere constructies en zachte grond. Door het gebouw te laten kantelen werd de trillingsperiode verlengd en de piek krachten aan de basis verminderd, maar dit vergrootte ook de verdiepingverplaatsingen en de schade aan balken. Op de zachtere grond stegen de relatieve verdiepingsverplaatsingen in het 5‑verdiepingenmodel met maximaal 100 procent vergeleken met het vaste-basis geval; zelfs de 10‑ en 15‑verdiepingenversies op zachte grond zagen drifttoenames van ongeveer 58 respectievelijk 18 procent. Naarmate de bodem zachter werd, droegen de schijfwanden een kleiner deel van de trillingen, waardoor meer belasting naar de omliggende kaders verschoof. Die herverdeling veroorzaakte grotere rotaties aan balkuiteinden — tot 65 procent hoger op zachte grond en 36 procent hoger op stijvere grond — vooral in de laagste verdiepingen en bij de buitenste balkvelden waar schade de neiging heeft instorting te initiëren.

Van extra zwaaien naar hoger instortingsrisico

Om verder te gaan dan individuele simulaties gebruikte het team een methode genaamd incrementele dynamische analyse om fragiliteitskrommen op te bouwen — statistische relaties tussen de intensiteit van grondtrillingen en de kans op instorting. Deze krommen toonden aan dat flexibele basissen consequent de kans op instorting vergrooten, met name op zachte ondergrond. Voor gebouwen op de zachtere bodem verkleinde de marge tussen normontwerptrillingen en instorting met maximaal 35 procent wanneer bodemflexibiliteit werd meegenomen. Bij de maximaal beschouwde aardbevingsniveaus steeg de kans op instorting voor constructies op zachte grond naar ongeveer 9–12 procent, vergeleken met slechts enkele procenten wanneer werd aangenomen dat funderingen perfect vastliggen. Opmerkelijk is dat voor hoge gebouwen het extra kantelen bij ontwerpintensiteiten bescheiden leek, maar bij zeer hoge intensiteiten vergrootte het de zijwaartse verplaatsingen en de zogenaamde P–Delta effecten, waarbij hellende zwaartekrachtsbelastingen de constructie verder destabiliseren.

Wat dit betekent voor veiligere steden

Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat de 'meegeeflijkheid' van de grond stilletjes de veiligheidsmarge kan aantasten die in moderne betonnen gebouwen is ingebouwd, vooral bij duale wand–kader systemen op zachte bodems. Ontwerpen die robuust lijken wanneer funderingen als stijf worden behandeld, kunnen in werkelijkheid dichter bij instorting liggen als de bodem aanzienlijke kanteling en zetting toestaat. De auteurs concluderen dat bouwvoorschriften en technische praktijk explicieter rekening zouden moeten houden met grond–fundering–constructie interactie, in plaats van aan te nemen dat deze altijd gunstig is. Dat zou leiden tot betrouwbaardere schattingen van aardbevingsbelastingen en meer consistente veiligheid over verschillende locaties, en helpen verzekeren dat gebouwen op zachte grond geen verborgen nadeel hebben wanneer de volgende grote aardbeving toeslaat.

Bronvermelding: Yousefi, A., Tehrani, P. Evaluation of seismic behavior and collapse capacity of dual RC frame–shear wall structures considering soil-structure interaction under varying soil conditions. Sci Rep 16, 6211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36577-0

Trefwoorden: grond-structuurinteractie, aardbevingsingenieurswezen, gewapend-beton gebouwen, seismisch instortingsrisico, effecten van zachte grond