3. Ontwerpcriteria en algemene informatie over de containers
4.2.2. Burgerlijke bouwkunde van het SFB 1. Structuren
De behandelingshal en de opslaghal van het SFB zijn onderworpen aan de constructie-normen ACI 349-06 voor de betonnen structuren en aan Eurocode 3 voor de stalen structuren.
De ACI 349-06 stelt de vereisten voor nucleaire structuren in beton. Ze verwijst expliciet naar verschillende andere normen, eveneens van toepassing, voornamelijk over materialen (aggregaten, cement, water, staal, additieven …), hun kwalificatie (testen, kwaliteitscontrole …) en hun uitvoering (productie, transport, betonnering, drogen …). De lijst van deze normen is opgenomen in §3.8.1 “Referenced standards”
van de ACI 349-06. De lokale normen, Europese of Belgische, die hetzelfde onderwerp behandelen kunnen eveneens gebruikt worden op voorwaarde dat ze verenigbaar zijn met het doel van de ACI 349-06.
Het gebruik van de criteria van ACI 349-06 maakt het mogelijk om het probleem van de veroudering van beton op te lossen. De norm AISC N690-12 wordt geciteerd voor de definitie van de overeenkomstige elementaire belastingen, ontwerpomstandigheden en belastingsfactoren. De toepassing van sectie NB2.1 tot NB2.5 is verplicht in alle gevallen. De toepassing van sectie NB3.15 is verplicht voor de impact- en impulsbelastingen (zie tabel 4.2-T5).
4.2.2.1.1. Individuele belastingen
De individuele belastingsgevallen waarmee rekening wordt gehouden bij het ontwerp van de behandelings- en opslaghal worden hieronder gedefinieerd:
• D = eigengewicht, leidingen, uitrustingen, scheidingswanden. De materiaal-dichtheid zal genomen worden in overeenstemming met de waarden van Eurocode 1 (EN-1991-1-1). De eigengewichten van de leidingen, uitrustingen, scheidingswanden en rolbrug zijn gedefinieerd door hun respectievelijke leveranciers.
• H = verspreide belastingen ten gevolge van het gewicht en de druk van de grond, van het water in de grond of andere materialen. Een overbelasting van 20 kN/m² bovenop de natuurlijke ondergrond is in rekening te brengen.
• F = belastingen ten gevolge van het gewicht en de vloeistofdruk = te voorzien door de leverancier.
• L = variabele gebruiksbelasting. Dit is aan te vullen van zodra gegevens beschikbaar zijn. Bij gebrek aan deze informatie worden de volgende uniform verdeelde en onbeperkt ondeelbare belastingen in aanmerking genomen (wat impliceert dat het laadplan vrij is zolang aan de onderstaande voorwaarden wordt voldaan).
- 125 kN/m² voor de vloer (voor de aangegeven ruimtes voor de opslag van containers in de opslaghal en de behandelingshal).
De verdeelde belasting is conservatief bepaald op basis van de:
o maximale massa van een container: 150 t;
o minimale ruimte tussen twee containers : 4 m x 3,5 m;
o maximale oppervlaktebelasting:
𝐿𝐿 =9,81 �𝑚𝑚𝑠𝑠2� ∗ 150[𝑡𝑡]
4[𝑚𝑚] ∗ 3,5[𝑚𝑚] = 105,12 � 𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑚𝑚2� ≅ 125 �𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑚𝑚2� o een conservatief aantal van 108 containers;
o een stoel met een diameter van 2,25 m waarop een container van 150 t is geplaatst;
- 5 kN/m² voor de platen (de rails van de rolbrug);
- 10 kN/m² voor de lokalen met zware uitrustingen of de plaatsen voor transfers van zware uitrustingen of ongedefinieerde massa’s.
In de praktijk kan er één container per keer worden geplaatst op de vloer buiten de vooraf gedefinieerde opslagzones.
• Lr = variabele gebruiksbelasting op het dak = minimum 5 kN/m². Een minimale belasting van 1,2 kN/m² is in rekening te brengen voor daken die alleen voor onderhoudsdoeleinden toegankelijk zijn. Dit is aan te vullen van zodra gegevens beschikbaar zijn.
• S = belastingen van sneeuw en ijs. Voor sneeuwbelasting, zie Eurocode 1 (EN 1991-1-3) en zijn nationale bijlage (ANB). De ijsbelastingen worden geëvalueerd in verhouding tot het oppervlak van de door vorst blootgestelde elementen en een ijslaag van 10 mm dikte met een gewicht van 9 kN/m³.
• R = belastingen ten gevolge van regen. Dit is aan te vullen van zodra gegevens beschikbaar zijn. Regenval is beschreven in §8.3.2.4.
• Ccr = maximale nuttige belasting van de rolbrug, hierin meegerekend de maximale lasten per leirol, de verticale lasten, de transversale en longitudinale belasting veroorzaakt door de beweging van de rolbrug, inclusief de dynamische factor indien vereist. Dit is aan te vullen van zodra gegevens beschikbaar zijn.
• T0 = thermische effecten in normale omstandigheden = variatie van buiten-temperatuur tussen -17°C en +30,5°C (maandelijks gemiddelde). De binnentemperaturen zijn afhankelijk van het ontwerp en zullen later toegevoegd worden.
• R0 = reacties van de steunen voor leidingen en uitrustingen op de structuren, in normale situatie, zonder eigengewicht en aardbeving volgens de gegevens van de leverancier.
• W = actie van de referentiewind.
De snelheid van de te beschouwen wind, is deze die gedefinieerd is in §3.3.1 van het veiligheidsrapport van Doel 4 [7]: “De referentiewind is deze die als uitzonderlijk gedefinieerd is volgens de norm NBN 460.01. Hij wordt gekarakteriseerd door een snelheid van 49 m/s op 25 meter boven de bodem”.
Rekening houdend met de evolutie van de bouwkundige normen, dient voor het ontwerp van de gebouwen de waarden van de Eurocode (EN 1991-1-4) gevolgd te worden, die conservatiever zijn voor de hoogtes boven een gedefinieerde hoogte (zlim = 6,5 m). De actie van de wind onder deze limiet-hoogte moet constant genomen worden gelijk aan deze overeenstemmend met de limiethoogte van de site. Voor de actie van de wind boven deze limiethoogte wordt een wind van 25 m/s gemiddeld over 10 minuten op een hoogte van 10 m met een ruwheid II van het terrein beschouwd. Dit garandeert overeenstemming met de veiligheidsrapporten van de site.
• Q = acties ten gevolge van normaal of abnormaal functioneren van draaiende machines of alternatieven. Deze acties kunnen statisch of dynamisch zijn.
Informatie is aan te vullen door de leveranciers. Indien informatie niet beschikbaar blijft, wordt de belasting geëvalueerd volgens volgende standaarden:
- ISO 1940-1 en 2 (1997 en 2003): Mechanical vibration – Balance quality requirements for rotors in a constant (rigid) state – Part 1 en Part 2.
- VDI 2060 (1966): Criteria for assessing the balanced conditions of rotating rigid bodies.
- ISO 10816-1 tot 3 (1995 tot 2001): Mechanical vibration – Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts – Part 1 tot 3.
- VDI 2056 (1964): Criteria for assessing mechanical vibrations of machines.
- DIN 4024-1 (1988): Part 1- Machine foundations – Flexible structures that support machines with rotating elements.
- DIN 4024-2 (1991): Part 2 – Machine foundations – Rigid foundations for machinery subject to periodic vibration.
• Ym = acties van projectielen ten gevolge van een gepostuleerde leidingbreuk en bij uitbreiding acties als gevolg van projectielen die geen natuurlijke oorsprong hebben.
• Ta = abnormale thermische effecten, niet van toepassing.
• F’ = interne overstroming, externe overstroming en stijgen van de grondwaterspiegel boven het normale niveau:
- Voor interne overstroming: zie §8.2.2.2.
- Voor externe overstroming: maximaal overstromingsniveau van 9,50 m TAW te beschouwen.
• Wt = actie van de Design Base Tornado
Er zijn verschillende effecten van de wervelwind. Volgende belastingen zijn te beschouwen:
- Ww: dynamische winddruk, bestaande uit de translatiesnelheid van 15 m/s en een rotatiesnelheid van 60 m/s;
- Wp: drukverschil;
- Wm: de projectielen voortgebracht door de wervelwind:
Voor dit project zijn de grafieken met de dynamische winddruk (Ww) en het drukverschil (Wp) weergegeven in figuur 4.2-F15. Deze zijn gebaseerd op RG 1.76 en SRP NUREG-0800. De drukverschilcoëfficiënten voor het gebouw kunnen gedefinieerd worden volgens Eurocode 1 (EN 1991-1-4). De diagrammen die de dynamische druk van de wind (Ww) en de differentieeldruk (Wp) voorstellen zijn weergegeven in figuur 4.2-F15. De te beschouwen gegenereerde projectielen staan beschreven in tabel 4.2-T3. Deze projectielen kunnen het gebouw beschadigen maar niet doen instorten. De actie van de Design Base Tornado is voorgesteld door twee uitdrukkingen die de effecten van Ww, Wp en Wm combineren:
(1) Wt = Wp
(2) Wt= Ww +0,5 Wp +Wm
• EDBE = actie van de ontwerpaardbeving DBE.
De seismische beperkingen zijn gekarakteriseerd door de PGA en door de spectra uitgedrukt in versnelling, snelheid en verplaatsing op het grondniveau.
De toepasselijke horizontale en verticale PGA’s zijn vastgelegd op 0,15 g en 0,10 g volgens RG 1.60. De bodemspectra van het SFB voor een PGA van 0,15 g zijn weergegeven in figuren 4.2-F20 en 4.2-F21. De dynamische eigenschappen van het terrein zijn voorgesteld op tabel 2.5-T4 van het veiligheidsrapport Doel 3 [6]. Het SFB is ontworpen in seismische categorie SDC 5 en grenstoestand D, volgens de regels en methoden van ASCE/SEI 43-05 en ASCE 4-98, met inachtneming van de dynamische interactie tussen bodem en structuur (zie referentie [18]).
• G = stress ten gevolge van een interne explosie in het gebouw, dynamische factor meegerekend.
• Het SFB is ontworpen om bescherming te bieden tegen het risico op een interne explosie. Een zodanig gebeurtenis wordt dus niet in rekening genomen bij het structureel ontwerp van het gebouw.
• X = acties door een explosie buiten het gebouw. Het ontwerp van het SFB houdt rekening met een explosie die een overdruk genereert door de gereflecteerde drukgolf [27].
4.2.2.1.2. Ontwerpbelastingen
Om rekening te houden met de realistische belastingen waaraan de structuren van de burgerlijke bouwkunde onderworpen kunnen zijn, onderscheiden de Amerikaanse normen de volgende omstandigheden:
• Normale belastingen
De overeenkomstige omstandigheden verwijzen naar de normale belastingen tijdens uitbating en stopzetting van de installaties, hierin meegerekend het besturen van de rolbrug tijdens belasting (d.w.z. rolbrug met belasting (container) hangend aan het hijsjuk. Het betreft de combinatie N°9-1 tot 9-3 van ACI 349-06 en de combinaties N°NB2-1 tot NB2-3 van ANSI/AISC N690-12 (zie tabel 4.2-T5).
• Ernstige omgevingsbelasting
De overeenkomstige omstandigheden verwijzen naar de weinig frequente omstandigheden die wel normaal beschouwd worden vanuit het standpunt van het structureel ontwerp.
Deze actie van de karakteristieke wind zijn te beschouwen in aanvulling van de acties met betrekking tot de normale situaties. Deze omstandigheden worden omhuld door de combinaties N°9-5 van ACI 349-06 en N°NB2-4 van ANSI/AISC N690-12(16). In het specifieke geval van het SFB zijn combinaties die verband houden met de OBE-aardbeving (Operating Basis Earthquake) uitgesloten en worden daarom niet aangetoond.
• Extreme omgevingsbelastingen
De overeenkomstige omstandigheden verwijzen naar de omgevings-omstandigheden die erg onwaarschijnlijk zijn en die als accidenteel beschouwd worden vanuit het standpunt van het structureel ontwerp.
De beperkingen van de DBT-wervelwind (Wt) en de projectielen die het kan genereren (Wm) of de ontwerpaardbeving (EDBE) moet worden beschouwd als een aanvulling op de acties gerelateerd aan normale omstandigheden. Deze voorwaarden zijn omhuld door de combinaties N°9-6 en 9-7 van ACI 349-06 en N NB2-6 en NB2-7 van ANSI/AISC N690-12. De combinatie van N°9-6 en N°NB2-6 komen overeen met de specifieke eis voor het SFB.
• Abnormale belastingen
Strikt gezien verwijzen de overeenkomstige omstandigheden naar de belastingen ten gevolge van veronderstelde leidingsbreuken. In het geval van het SFB zijn hieronder gegroepeerd de in rekening genomen omstandigheden, overeen-komstig met ongevalsomstandigheden die geen natuurlijke oorsprong hebben.
Dit zijn externe explosies (X) of de impact van andere projectielen dan deze veroorzaakt door een ontwerpwervelwind zoals: de val van een last, projectielen veroorzaakt door machines, val van het referentievliegtuig en de gegenereerde projectielen (Ym), de thermische effecten op een kerosine-drainagesysteem (Ta) alsook een overstroming (F’).
Deze omstandigheden worden omhuld door de combinaties N°9-9’ en 9-9’’ voor betonstructuren en door N°NB2-9’ en NB2-9’’ voor de staal-structuren.
De combinaties van de beschouwde belastingen zijn opgesomd in tabel 4.2-T5.
Voor de beschrijving van de individuele belastingen, zie §4.2.2.1.1.
Aangezien het SFB niet gedimensioneerd is om volledig bestand te zijn tegen een vliegtuigval, moet de structuur niet gedimensioneerd worden om bestand te zijn tegen de brand die volgt na een vliegtuigval. De totale integriteit van het gebouw is niet langer gegarandeerd. Bij het ontwerpongeval voor vliegtuigval is het SFB zo ontworpen dat slechts een deel van het gebouw instort. De brand na de vliegtuigval zal slechts een beperkt deel van het gebouw treffen, en wel voor een zeer beperkte tijd. Ten slotte zal het drainagesysteem voor kerosine de duur van de brand verder verkorten, zonder dat dit in rekening is gebracht in de veiligheidsdemonstratie.
De structurele integriteit van het SFB tijdens en na een kerosinebrand als gevolg van een vliegtuigval werd geëvalueerd met een conservatieve brand zoals gedefinieerd in [20]. Voor de analyse werd gekozen voor twee kritische betonelementen: een wandsegment en een dakbalk.
• Elk betonelement wordt thermisch geanalyseerd met behulp van de eindige-elementenmethode. Vervolgens wordt een analyse van de temperatuurs-transiënt uitgevoerd om de temperatuurstijging tijdens en na de brand te evalueren.
• De residuele mechanische eigenschappen van de verschillende beton-elementen (en staalwapening) worden berekend.
• De geïnduceerde thermische spanningen worden berekend met een equivalente lineaire benadering.
• De weerstand van de elementen bij brand berekend en vergeleken met de belastingen onder normale omstandigheden.
(16) Merk op dat het in rekening brengen van de karakteristieke wind niet precies de ANSI/AISC N690-12 norm volgt.
De resultaten van de verschillende analyses zijn:
• Piektemperaturen van 900°C worden verkregen voor respectievelijk de dakbalk en het wandsegment. Deze temperaturen zijn veel lager dan de maximaal toelaatbare temperatuur voor beton (1200°C). Temperaturen hoger dan 100°C (temperaturen waarbij zowel staal als beton hun mechanische eigenschappen beginnen te verliezen) verschijnen in de eerste 10 cm beton voor de dakbalk en het wandsegment.
• De berekende thermische gradiënten tijdens de brand zijn groter dan de gradiënten onder normale omstandigheden. Deze toename is echter nog steeds klein in vergelijking met de ontwerpmarges van gewapend beton en zal de interne krachten niet noodzakelijkerwijs in dezelfde mate verhogen vanwege de zelfontlastende aard van de thermische spanningen in gewapen beton.
• De verschillende betonnen elementen verliezen minder dan 5% van hun mechanische weerstand. Dit is veel minder dan de veiligheidsfactor die gebruikt wordt voor het ontwerp van het gebouw.
Als conclusie: de brand als gevolg van vliegtuigval zal de structurele integriteit van het SFB niet in gevaar brengen:
• De temperaturen in het beton blijven veel lager dan de maximaal toelaatbare temperatuur.
• Thermische gradiënten brengen geen hogere thermische spanningen met zich mee dan waarvoor het gebouw is ontworpen.
• Het verlies van mechanische eigenschappen door hoge temperaturen is minder dan de veiligheidsmarge die in het oorspronkelijke ontwerp van het gebouw werd gebruikt.
Voor meer details over het ontwerp van het gebouw, zie referentie [20].