Indirecte zettingsschade en bevingen/trillingen

Spanning in gebouwen kan ontstaan door problemen die voortkomen uit de bovengrondse constructie, de fundatie, het materiaal waaruit het gebouw is opgetrokken of door problemen in de ondergrond als gevolg van ongelijkmatige zakking of inklinking (ook wel klink genoemd).
Door bevingen of trillingen kunnen deze spanningen zich ontladen waardoor scheurvorming ontstaat (indirecte zettingsschade).

Problemen in de ondergrond kunnen het gevolg zijn van:
1. Natuurlijke klink.
2. Veranderingen van de grondwaterstand.
3. Bevingen met als gevolg:
a. Verplaatsing van grond door horizontale en verticale golfbewegingen.
b. Vervloeiing/verweking (liquefaction) van zand of zanderige grond in de ondiepe ondergrond, al dan niet in combinatie met eventueel aanwezige ondergrondse waterstromen.
Er kan ook sprake zijn van een (elkaar versterkende) combinatie van bovenstaande factoren.
In de toelichting zal ik hier iets meer over vertellen.

Grote verscheidenheid aan grondsoorten en watervoerende lagen

In de ondiepe ondergrond van de provincie Groningen is sprake van zeer grote verscheidenheid aan grondsoorten. Jarenlange wisselende invloeden als de verandering in de zeespiegel en ijstijden zorgden met de doorlopende invloeden van het klimaat, de zee, de mens, de planten- en dierenwereld, de waterhuishouding voor diverse variaties in de ondergrond. Ze bestaat daardoor uit dikkere of dunnere lagen zand, klei, keileem, zavel, veen of variaties hiervan al dan niet vermengd met zout. Er liggen in Groningen veel zandlagen of zandruggen op onverwachte dieptes en plaatsen. Achter oeverwallen vond veenvorming plaats. In lager gelegen delen bestond het veen uit soms meters dikke pakketten. De grenzen tussen de lagen zijn niet altijd duidelijk te onderscheiden en vaak bestaat een grondlaag uit een mix van verschillende soorten klei, zand, zavel, veen, moerige grond (overgang van veengronden naar minerale gronden ) of leem. In het noorden van het gebied bestaan de toplagen uit een afwisseling van kleiige zand- en zandige kleilagen. In het midden van het gebied komen dikke en minder dikke laagpakketten voor bestaand uit slappe klei en/of veen. In het zuiden van het gebied is meer sprake van pleistocene zandlagen.
De zware knipgronden en de zware lagen in de lichtere, knippige gronden hebben de eigenschap bij uitdrogen sterk te krimpen en bij (her)bevochtiging sterk te zwellen (zie bijlage pag. 77 van de Bodemkaart van Nederland Blad 7 West Groningen, uitgave 1973)
Grondwater komt op verschillende dieptes voor. In de Bodemkaart wordt daarom gesproken over 7 trappen van grondwaterstanden.
Er zijn grondlagen gevonden die lijken op een dikke brei van klei en/of zand. Omdat de ondergrond zo divers is, is niet bekend op welke dieptes en plaatsen deze “stromen” lopen. Vaak zijn ze te herleiden tot eerdere waterstromen als sloten of maren. Andere oorzaken van waterstromen kunnen ontstaan na lekkages in bv. waterleidingen.

Gevolgen soorten ondergrond voor bevingen

In de Studie naar de robuustheid van het gasleidingnetwerk van Deltares 2013
staat dat bij de voortplanting van aardbevingsgolven de opbouw van de ondergrond een
belangrijke rol speelt en dat de samenstelling van de toplagen een sterke invloed heeft op de golfeigenschappen bij het maaiveld.
Het is bijvoorbeeld mogelijk dat oude slenken een beving kunnen leiden naar plaatsen die men niet voor mogelijk hield. Aan de schades is dit te merken. Het komt voor dat in een straat met dezelfde soorten huizen, er slechts één met schade is.
Slappe klei- of veengrond kunnen het effect van een beving versterken. Zanderige grond is bij bevingen gevoelig voor verweking. In de studie van Deltares “Effecten geïnduceerde aardbevingen op het Gasunienetwerk in Groningen” (PDF) staat dat bij een sterkere aardbeving (M5, diepte 3 km) de kans op verweking volgens de huidige inzichten sterk toeneemt. Maar ook nu al worden op verschillende plaatsen aan de oppervlakte verschijnselen geconstateerd die duiden op onverwachte waterstromen.
Woningen op veen en wierdengrond zijn bij lage grondwaterstand extra gevoelig voor bevingen omdat door oxidatie de bodem extra inklinkt. Ook woningen op zware kleigronden – die de eigenschap hebben sterk te krimpen bij uitdroging en bij bevochtiging weer sterk te zwellen – lopen meer kans om spanningen op te bouwen.

Toelichting indirecte zettingsschade en trillingen

NB. Het “Rapport Gebouwschade Loppersum, Deltares 2011” waaruit ik vaak citeer, is tot stand gekomen mede onder verantwoordelijkheid en toezicht van het Waterschap Noorderzijlvest, TNO, KNMI, Commissie Bodemdaling Groningen, Tcbb, Provincie Groningen en Gemeente Loppersum.

Oorzaken zettingen
Gebruikelijke oorzaken als
1. natuurlijke klink en volumeveranderingen in zware klei door weersomstandigheden.
Volgens het rapport “Fysieke bouwstenen voor de knelpuntenanalyse Nieuwbouw en Herstructurering TNO oktober 2011” is zetting feitelijk
2. een vorm van bodemdaling die ontstaat door het verlagen van oppervlaktepeilen. Het blijkt dat 4 tot 5% van de nieuwbouw in zeer bodemdalingsgevoelig gebied (60 tot 100 cm bodemdaling in 50 jaar) bevindt. Hier valt Groningen onder.
Volgens het rapport “(Rest)levensduur van persleidingen, 2011”
3. kan zetting van de ondergrond ook worden veroorzaakt door het in- en uittrillen van damplanken.

Zowel natuurlijke klink, volumeverandering van zware klei, een verlaging van de grondwaterstand en trillingen kunnen dus zettingen veroorzaken, waardoor schade kan ontstaan.

Onderzoek naar schade door zetting in Groningen en Friesland

Schade door zetting aan gebouwen (meestal betreft het de fundamenten) wordt evenwel noch door de waterschappen noch door de NAM noch door de Commissie Bodemdaling in de meeste gevallen niet nader onderzocht. De NAM, de waterschappen en de Commissie Bodemdaling verwijzen naar elkaar (zie mijn artikel “Niet alle aardbevingsschade wordt vergoed door de NAM”).

Zowel de NAM als de Commissie Bodemdaling zijn geen onafhankelijke instanties. Het bestuur van de Commissie Bodemdaling bestaat uit 6 personen, waarvan 3 leden benoemd zijn door de Provincie en drie door de NAM. De leden benoemd door de Provincie hebben alle drie een eigen agenda, zodat bij geschillen waarbij de Provinciale vertegenwoordigers het onderling oneens zijn, de NAM sowieso de meerderheid heeft.

De nadeelcompensatieverordening Wetterskip Fryslân denkt hier heel anders over en zegt dat de Schadecommissie als taak heeft om te adviseren over de vraag of er een causaal verband is tussen geconstateerde schade aan gebouwen en een activiteit die toegerekend kan worden aan het door het waterschap gevoerde peilbeheer. Het gaat volgens haar daarbij om rechtmatige publiekrechtelijke besluiten of handelingen zoals peilverlagingen al dan niet in het kader van de uitvoering van een peilbesluit of onderbemalingen waarvoor een ontheffing is verleend.

Wat is zettingsschade?

Deze kan voorkomen wanneer een gebouw onder spanning staat of heeft gestaan. De oorzaak waardoor spanning ontstaat is of bovengronds – zoals de opbouw van het gebouw, de toegepaste materialen en zetting tijdens de eerste twee of drie jaren bij een nieuw gebouw – of ondergronds.
Ondergronds is sprake van (ongelijkmatige) zetting of inklinking (ook wel klink genoemd) van de bodem door:
1. Natuurlijke klink of volumeverandering in zware klei.
2. Veranderingen van de grondwaterstand.
3. Bevingen/trillingen met als gevolg:
a. Verplaatsing van grond door (een combinatie van) horizontale en verticale golfbewegingen.
b. Vervloeiing/verweking (liquefaction) van zand of zanderige grond in de ondiepe ondergrond, al dan niet in combinatie met eventueel aanwezige ondergrondse waterstromen.

ad 1 Natuurlijke klink en volumeverandering in zware klei
Fluctuaties van de grondwaterstand hebben geregeld voor spanningen in gebouwen gezorgd, met name op venige gronden. Autonome (de natuurlijke) klink heeft voor (met name oudere) woningen gefundeerd “op staal” in Noord-Groningen evenwel nooit zo veel schade veroorzaakt als met name de laatste decennia. Zelfs eeuwenoude monumenten raken thans onherstelbaar beschadigd.
Door volumeverandering in met name zware klei kunnen kleine zettingen ontstaan die doorgaans geen grote schades tot gevolg hebben. Wel kunnen door deze veranderingen kleine spanningen worden opgebouwd die tot scheurvorming kunnen leiden bij een (kleine) beving.

ad. 2 Verandering van de grondwaterstand
Naast het aanpassen van het peil door de waterschappen kunnen droge en natte periodes debet zijn aan veranderingen van de grondwaterstanden, evenals bomen in de omgeving, grondverbetering of een lekkende riolering of waterleiding.
Het grondwater is dus ook afhankelijk van het waterpeil. Hoe dichter bij een waterloop hoe meer invloed het waterpeil heeft op de grondwaterstand.
Wanneer plotseling zettingsschade optreedt zal onderzocht moeten worden waardoor dit is veroorzaakt. Het waterschap heeft alle peilbestanden in haar archief. Ze zijn evenwel lastig te vinden. In het NAM Bodemdalingsrapport 2010 staat dat met het oog op de precisie van de differenties, het netwerk van Noord-Nederland is opgedeeld in drie deelgebieden, met ieder één afzonderlijk referentiepeilmerk. Dit is gezien de lokale verschillen wel erg weinig. In Friesland zijn de deelgebieden vele malen kleiner.
In het rapport Gebouwschade Loppersum staat dat er situaties zijn waarbij wel van ongewenste gevolgen door peilaanpassing als gevolg van de gaswinning gesproken kan worden: “Bodemdaling door gaswinning leidt bij ongewijzigde peilhoogte van het oppervlaktewater tot een relatieve peilstijging. Dit kan ongewenste gevolgen hebben voor het oppervlaktewatersysteem en bij zwakke funderingen tot zettingen. Er zijn maatregelen genomen opdat het waterschap de peilen aanpast om de relatieve peilverschillen te minimaliseren.”

Wanneer veen droog komt te staan, zal dit “verbranden” doordat er zuurstof bij het organisch materiaal komt (veenoxidatie). Dit geldt volgens het rapport Gebouwschade Loppersum ook voor de opgebrachte grond in de wierden, afhankelijk van het materiaal waaruit deze zijn opgebouwd.
Zettingen kunnen optreden vanwege de grote gevoeligheid van de ondiepe ondergrond voor compactie en voor oxidatie van veen (en dus ook voor opgebrachte wierdengrond) veroorzaakt door aanzienlijke daling van de grondwaterstand. Aldus Staatstoezicht op de Mijnen in de voordracht d.d. 19 sept. 2003: “Een blik op de maatschappelijke, economische en ruimtelijke effecten”. (zie bijlage: sjakjen fan de boaiem in Fryslân (PDF)).
Ook het rapport Gebouwschade Loppersum concludeert dat lokaal deze zettingsverschillen dusdanig groot kunnen worden dat de toelaatbare grenzen daadwerkelijk worden overschreden.
“Het handhaven van een ontwateringsdiepte door peilbeheer leidt tot het inklinken van de bodem en in het geval van veen tot oxidatie. Bij peilverlagingen kan lokaal hierdoor schade aan ondiep gefundeerde gebouwen en infrastructuur ontstaan. Wanneer het peil aangepast (verlaagd) wordt om de relatieve peilstijging door gasdaling te compenseren kan dit lokaal (initieel) leiden tot relatieve peilverlaging.”

“Bij een fundering “op staal” rust een gebouw rechtstreeks via een verbreding van de muur op de bovenste samendrukbare lagen. Bij ongelijkmatige zettingen zal het gebouw de zettingsverschillen proberen te neutraliseren, hetgeen vaak gepaard gaat met scheurvorming in muren en scheefstand van het gebouw.
Bij heipalen kan in slappe grond sprake zijn van ‘kleef’, hetgeen in extreme gevallen tot schade kan leiden.
Volgens de “Geotechnische aspecten van (Rest)levensduur van persleidingen, 2011” (PDF) kunnen ongelijkmatige zettingen en zakkingverschillen een leiding zwaar belasten. Als dit zo is, geldt het natuurlijk ook voor opstallen.

Het rapport: “Studieresultaten betreffende ongelijkmatige zakkingen in verband met aardgaswinning in de provincie Groningen (PDF), uitgave Commissie Bodemdaling Groningen, maart 1987” vertelt dat een verlaging van het open waterpeil een daling van de grondwaterstand tot gevolg heeft. Dit heeft op zijn beurt hetzelfde effect als een belasting op het maaiveld. Hierdoor kunnen zettingen ontstaan die over het algemeen niet gelijkmatig zullen zijn. Ook uit dit rapport een kaartje met de peilverlagingen in het onderzoeksgebied in de periode 1960-1985:

ad 3. Bevingen/trillingen met als gevolg:
a) Grondverplaatsing
Een beving is waar te nemen als golvingen in het landschap. Door deze gebeurtenis verplaatst de grond zich zowel horizontaal als verticaal, waardoor spanningen in het gebouw opgebouwd kunnen worden en/of zich gaan ontladen in scheurvorming. Het blijkt dat de horizontale verplaatsingen groter zijn dan de verticale (bron: “Schade aan buisleiding door aardbeving, Deltares 2010”)
Herhaalde kleinere trillingen kunnen ook een oorzaak zijn dat de spanning zich ontlaadt in scheurvorming.

b) Liquefaction
In het rapport van Deltares over de robuustheid van het gasleidingnetwerk is te lezen dat de horizontale versnellingen in de grond tijdens een aardbeving tot extra
schuifspanning kan leiden. Als de trilling sterk is kan het zand zijn sterkte en stijfheid compleet verliezen (dit wordt verweking genoemd). Verwekingsgedrag kan zowel optreden bij een snelle eenmalige schuifspanningsverhoging als bij snelle herhaalde schuifspanningswisselingen.
Door bevingen kan dus verweking (liquefaction) optreden. In het NAM Winningsplan 2013 is ook te lezen dat zwaardere bevingen met hogere versnellingen kunnen leiden tot verweking (liquefactie) van zanderige gronden. Verweking vermindert de sterkte van de bodem wat kan leiden tot verzakking van de fundering van gebouwen of infrastructuur, of afschuiving van een talud.
Volgens Deltares bestaat dit gevaar niet of nauwelijks voor klei en veenlagen.

“Door trillingsverdichting van losgepakte zandige lagen kan ter plaatse van ondiepe funderingen een ongelijkmatige zetting optreden. Dit zal sterk afhangen van de aanwezigheid, dikte en diepte van de losgepakte zandige lagen in relatie tot de fundering.” (Bron: Gebouwschade Loppersum, Deltares 2011)

Liquefaction komt op verschillende plaatsen voor, maar wordt niet of nauwelijks onderzocht bij zettingsschade.

In het NAM Winningsplan 2013 staat dat zwaardere bevingen met hogere versnellingen leiden tot verweking (liquefactie) van zanderige gronden. Dit fenomeen treedt niet of nauwelijks op waar de bodem uit klei of veen bestaat. Verweking vermindert de sterkte van de bodem wat kan leiden tot verzakking van de fundering van gebouwen of infrastructuur, of afschuiving van een talud.
Het rapport Gebouwschade Loppersum is hier helder over: “Bij opgetreden zettingsschade kan zettingsvloeiing niet uitgesloten worden. Bij onderzoek aan een door zetting beschadigd pand zou de mogelijke aanwezigheid van lagen in de ondergrond die hiervoor gevoelig zijn daarom meegenomen moeten worden”
Bron: Gebouwschade Loppersum, Deltares 2011

Dicht bij waterlopen is het zijdelings wegglijden van met water verzadigde klei geen uitzondering. Dit heet geen verweking, maar kan dezelfde effecten teweeg brengen.

c) Reactie ondergrondse waterstromen.
Welputten zijn gegraven bronnen waarin water uit ondergrondse waterstromen naar boven komt. In Noord-Nederland zijn diverse welputten nog te vinden, vaak bij boerderijen. Bij twee van die putten is een plotselinge verhoging (bij één put zelfs 2 meter) van de waterstand geconstateerd, die na enkele dagen weer tot het normale niveau terugkeerde. Dit fenomeen heeft zich twee keer afgespeeld. Bij een andere boerderij is na een beving een sloot leeggelopen , terwijl bij een tweede het water in de gracht hoger bleef dan eerder het geval was. Ook is tijdens een beving rioolwater in een woning naar boven gekomen.
Op diverse plekken is men bij graafwerkzaamheden op lagen vloeibare kleigrond gestuit. Dat deze lagen tijdens een beving reageren als een waterbed, is begrijpelijk. Dergelijke lagen “kleibrij” zijn op vele plaatsen aanwezig. In hoeverre deze voorkomens te maken hebben met liquefaction is onbekend.

Bovengronds verandert de klei in Groningen sowieso bij natte en droogte van volume, hetgeen voor spanningen op de constructie kan leiden. Normaal geeft dit geen problemen, maar in combinatie met een beving kan dit leiden tot scheurvorming.

Effecten aardbeving op ondiepe ondergrond (site response)

Het rapport “Gebouwschade Loppersum” vertelt onder andere over de effecten van een aardbevingssignaal op de ondiepe ondergrond: “De lokale site response kan leiden tot een versterking (opslingering; amplificatie) van het signaal. Met name in gebieden waar dikkere afzettingen met slappe klei/veen en afzettingen met grote stijfheidscontrasten (veen op zand) in de ondiepe ondergrond voorkomen kan een opslingering van het signaal optreden.”
“Uit de literatuurstudie naar de site response en de modellering daarvan op diverse locaties in het onderzoeksgebied blijkt dat deze op verschillende locaties sterk kan verschillen. De amplificatiefactoren geven een gemiddelde respons voor ‘vergelijkbare’ locaties. Door de respons van een groep locaties te middelen wordt voorbijgegaan aan het feit dat elke locatie een specifieke respons op de grondbeweging vertoont. Deze benadering kan zowel een onderschatting als een overschatting geven van de respons die in werkelijkheid optreedt”

Omdat zand- en kleilagen met name in het noorden van de provincie elkaar afwisselen of gemengd voorkomen, is de kans op schade altijd een lokale aangelegenheid. De effecten van een beving blijken mede hierdoor overal verschillend. Zowel de schade ansich, de plaats waar de schade in de woning optreedt, alsook de topografische plek is a-typisch te noemen. Mede daarom is van groot belang dat de bewoner het recht krijgt op onderzoek naar de oorzaken van zettingsschade en hoort zijn persoonlijk dossier bij het taxatierapport worden gevoegd.

Zavelgrond
NB. In Noord-Groningen komt veel zavelgrond voor. Dit is zanderige kleigrond. Effecten bij deze combinatie van klei en zand worden niet vermeld bij het onderzoek naar gevoeligheid voor liquefaction, wat hoogst merkwaardig genoemd mag worden.
In het rapport “Effecten geïnduceerde aardbevingen op kritische infrastructuur Groningen, Deltares 2013” wordt wel gesproken van een aanname: “Onder de aanname dat cohesieve grondsoorten als klei en veen niet verwekingsgevoelig zijn..”

De NAM evenwel heeft het in haar winningsplan in dit verband wel over zanderige gronden, maar weer wordt klei vermengd met zand (zavel) niet genoemd, terwijl dit voor Noord-Groningen juist een bekende grondsoort is.
“Naast de directe gevolgen van versnellingen op de constructie zelf, kunnen zwaardere bevingen met hogere versnellingen (vanaf ongeveer 0,2 a 0,3g, en vanaf 0,35g voor dichter gepakt zand) leiden tot verweking (liquefactie) van zanderige gronden. Dit fenomeen treedt niet of nauwelijks op waar de bodem uit klei of veen bestaat.”
Bron: Winningsplan NAM 2013

Krachten op dijken en kunstwerken (sluizen, kades,coupures en damwanden)
“Afhankelijk van de aanwezigheid van zandlagen worden zakkingen tot 60 centimeter niet uitgesloten. Daarbij kan ook sprake zijn van aanzienlijke zettingsverschillen over de constructie. Of een constructie dit aan kan hangt af van de sterkte en stijfheid van de constructie en van de funderingswijze. Op dit moment zijn nog geen individuele waterkerende constructies beschouwd, maar in generieke zin kan schade aan en niet functioneren van kunstwerken zeker niet worden uitgesloten bij piekversnellingen groter dan 0,2 g.”
Bron: Effecten geïnduceerde aardbevingen op kritische infrastructuur Groningen, Deltares 2013

Krachten die verwacht worden in de komende jaren zijn hoger dan 0,2 g.
Bron: Winningsplan NAM 2013

De damwand in het Eemskanaal
“Het mechanisme ‘hydraulische kortsluiting’ wordt zonder aardbevingscondities alleen relevant verondersteld bij extreme droogte en bij veenkades. In geval van een
aardbevingsbelasting kan dit effect mogelijk ook bij kleikades optreden. Bij een kade die geheel uit grond bestaat is de kans hierop klein: de kade en de ondergrond worden als geheel heen en weer bewogen. Echter, de situatie is ongunstiger als langs de waterlijn een damwand aanwezig is. Dat is bijvoorbeeld bij de Eemskanaaldijken het geval. Een star element als een damwand reageert anders op de aardbevingsbelasting dan de omliggende grond. In dat geval kan er een spleet tussen damwand en de grond ontstaan en dat kan aanleiding zijn tot hydraulische grondbreuk.”
Bron: Effecten geïnduceerde aardbevingen op kritische infrastructuur Groningen, Deltares 2013

Nawoord

Zettingsschade wordt vaak niet gezien als schade ontstaan door de gevolgen van de gaswinning. Dit is in tegenspraak met verschillende onderzoeken. Zelfs een rapport waarbij het Waterschap Noorderzijlvest, het TNO, het KNMI, de Commissie Bodemdaling Groningen, de Tcbb, de Provincie Groningen en de Gemeente Loppersum mee verantwoordelijk voor mogen worden gehouden, concludeert dat lokaal zettingsverschillen dusdanig groot kunnen worden dat de toelaatbare grenzen daadwerkelijk worden overschreden.
Dat bij taxaties door de NAM de zettingsschade vaak niet gezien wordt als gevolg van de gaswinning, mag als ernstig verwijtbaar worden beschouwd.