BouwLab

Wanneer je op het nieuws ziet dat er ergens een aardbeving heeft plaatsgevonden, zie je dat de gevolgen zeer ernstig zijn. Er is enorme schade en er vallen soms veel slachtoffers. Maar hoe werkt zo'n aardbeving eigenlijk? Wat gebeurt er onder de grond?

Om te beginnen zijn er 2 soorten aardbevingen. De eerste is de tektonische aardbeving. Dit is de aardbeving die wordt veroorzaakt door het schuren van twee aardplaten die langs elkaar bewegen.

De tweede is de geïnduceerde aardbeving. Geïnduceerde aardbevingen worden veroorzaakt door het veranderen van de druk of spanning in de ondergrond. In Groningen bijvoorbeeld wordt gas gewonnen. Door het wegnemen van gas in de grond, neemt de druk daar af en wordt de grond op dat punt ingedrukt. Deze grond gaat langs de grond schuiven die niet wordt ingedrukt. Hierdoor ontstaan aardbevingen. Deze aardbevingen veroorzaken trillingen.

We merken er vaak weinig van, maar in Nederland vinden meer aardbevingen plaats dan de meeste mensen denken. In 2013 bijvoorbeeld zijn er in totaal 138 aardbevingen geweest. Hiervan waren 5 natuurlijke aardbevingen die in Limburg voorkwamen. Het overgrote deel van de bevingen waren geïnduceerde bevingen die plaatsvonden in of in de buurt van de gasvelden in Groningen. De natuurlijke bevingen zijn vaak sterker op de schaal van Richter, maar hebben toch een minder groot effect dan de geïnduceerde bevingen.

Hoe kan dit? Als je zou kijken naar de schaal van Richter stellen de aardbevingen in Groningen op zich weinig voor. Toch veroorzaken de aardbevingen in Groningen wel degelijk schade. Er zijn 4 verschillen tussen de natuurlijke aardbevingen die in het zuiden van ons land voorkomen en de geïnduceerde aardbevingen in Groningen:

1. De diepte waarop de aardbeving plaatsvindt
2. Het aantal bevingen
3. Klei
4. Bebouwing

Dan hebben we ook nog het feit dat je aardbevingen bij elkaar op mag tellen. Dit houdt in dat vele kleine aardbevingen een grote aardbeving maken. Een kleine aardbeving heeft niet zoveel effect, maar dat is natuurlijk anders als je alle kleine effectjes bij elkaar optelt.

De bodem in Groningen waar de meeste aardbevingen plaatsvinden bestaat uit klei. De klei kan werken als een reuzen-elastiek wanneer deze in resonantie komt. Hierdoor kan het de aardbevingen versterken en meer schade aanrichten. Dit verschijnsel wordt opslingering genoemd.

Dichte bebouwing kan deze opslingering dempen, doordat het meer moeite kost om langs dichte bebouwing te bewegen dan door een open vlakte. In Groningen is er relatief veel platteland. Hierdoor kan een beving ongehinderd opslingeren. Wanneer pas na een tijdje een dorp wordt bereikt, is de ernst van de beving een stuk groter.

1. Plaats het grijze rechthoek om de gele plaat
   
   a) Dit kan maar in 1 bepaalde richting
   
   
2. Plaats de twee triplex plaatjes en zaagblad rechtop tussen geel en grijs
   
   
3. Leg uit dat de twee triplex platen verschillend zijn omdat de houtnerf 90 graden gedraaid is en de materiaaleigenschappen hiermee veranderen.
   
   a) Uitgangspunt is de differentiaalvergelijking die de beweging van een massa- veer dempersysteem regeert
   
   I.  We hebben te maken met een kracht, evenredig met de versnelling: F = m * a (Dit is een kracht, evenredig met de massa van het systeem)
   
   II.  We hebben te maken met een kracht, evenredig met de snelheid: F = r * v (Dit is de demperkracht)
   
   III. Tenslotte hebben we te maken met een kracht, evenredig met de afstand: F = k * x (Dit is de veerkracht)
   
   b)  Stel we hebben een systeem zonder demping dus alleen maar een massa en een veer, een dergelijk systeem heeft een eigenfrequentie 
   
   c) Stel je voor dat je een schommel hebt en je gaat zo’n beetje met je benen heen en weer dan zal je niet hoger komen. Maar als je goed oplet wat de schommel van nature met jou erop wil doen en je beweegt je benen precies in de frequentie die de schommel toch al had willen slingeren dan ga je per slingering hoger en hoger. Je stoot het systeem nu aan met zijn eigenfrequentie en het systeem raakt in opslingering oftewel resonantie.
   
   d) De eigenfrequentie van het systeem wordt bepaald door de grootte van de massa en de grootte van de veerkracht.
   
   
4. Als je nu de schudtafel in de y-richting laat schudden op 100 % en je doorloopt alle frequenties van 1 tot 10 Hz dan zul je zien dat de plank met de nerf in de dwarsrichting bij 1,2 Hz in resonantie raakt en die met de nerf in de langsrichting bij 7 Hz.
   
   
5. Als je ook nog het zaagblad erbij zet, dan zie je dat dat ook een resonantiefrequentie van ongeveer 7 Hz heeft. De massa is veel kleiner maar de veerkracht is veel groter hetgeen resulteert in ongeveer dezelfde resonantiefrequentie. 
   
   
6. Zet de amplitude op zowel x-, als y-as op 0%

1. Plaats het “gebouw” van drie verdiepingen in de sleufjes
   
   
   
   
2. Doorloop bij een amplitude van 100% alle frequenties van 1 tot 10 Hz (y-as)
   
   a) Merk op dat het systeem nu bij verschillende frequenties in resonantie raakt waarbij de constructie telkens op een andere manier trilt. Dat zijn de verschillende trillingsmodes.
   
   
3. Als je tevens de trillingen in de x-as toelaat dan zie je dat het gebouw ook nog  zogenaamde torsietrillingen kan uitvoeren. Dit zijn nog weer extra trillingsmodes.
   
   
4. Uitleg:
   
   a) Bij een echte aardbeving pikken gebouwen uit de aangeboden trillingen uit de grond  juist die frequenties op waarop ze van nature al hadden willen schudden, de zogenaamde eigentrillingen van het gebouw.
   
   b) De materialen van het gebouw hebben een maximale treksterkte. Als die overschreden wordt breekt het materiaal en stort het gebouw in. Met name in de hoekpunten van een gebouw kunnen door de hefboomwerking van de verdiepingen de trek- en drukkrachten enorm groot worden. Het materiaal, met name baksteen en metselwerk, kan heel slecht trekkrachten verdragen, dus dat breekt het eerst. Het is dan ook belangrijk de opslingering door resonantie tegen te gaan. Dat kan door dempers aan te brengen. Die slaan de energie van de trilling stuk door die energie om te zetten in warmte.
   
   
5. Zet de amplitude op zowel x-, als y-as op 0%
    
6. Zet het tweede “bouwwerk” dat met dempers is uitgerust in de andere sleufjes er naast.
   
   
7. Doorloop weer alle frequenties en merk op dat dit “gebouw” veel minder heftig slingert
   
   
8. Zet de amplitude op zowel x-, als y-as op 0%

1. Plaats het gele gebouw met rood dak om de midden-rechthoek
   
   
   
   
2. Zet de beide amplitudes op 30 % en de x-frequentie op 2 Hz en de y-frequentie op 3 Hz.
   
   
3. De maximale trekkracht die de materialen van een gebouw kan hebben mag niet overschreden worden anders stort het gebouw in.
   
   
4. Deze maximale trekkracht, met name in de ribben van het gebouw, worden hier gesimuleerd met de aantrekkende kracht van magneetjes.
   
   
5. Bij een bepaalde amplitude en/of een bepaalde hogere frequentie bezwijkt het gebouw.
   
   
6. Kijk wanneer dit gebeurt.

1. Om de brug in elkaar te zetten is het handig de standaard plat neer te leggen en daarbinnen de brug (op z’n kant) op te bouwen.

2. Als laatste handeling zet je de standaard met brug voorzichtig rechtop.



3. De opstelling van de Romeinse brug laat zien dat de wrijving van de blokken onderling, als het schudden loodrecht op de richting van de brug plaatsvindt, voldoende is om de brug intact te laten. Maar als het schudden boven een bepaalde sterkte komt dan is die wrijving niet meer voldoende en schuiven de blokken ten opzichte van elkaar en de brug stort in.