thema UHSB in LNG-opslagtanks 1 2012 | online online thema online UHSB in LNG- opslagtanks De vraag naar de opslag van vloeibaar aardgas (Liquefied Natural Gas, LNG) is groeiende en daarmee ook de vraag naar LNG-terminals. Bij deze terminals wordt het aardgas in tanks opgeslagen bij tempera- turen onder -162 ?C, het kookpunt van LNG. In het verleden is veel onderzoek gedaan naar het gedrag van gewapend en voorgespannen beton in cryogene omstandigheden, temperaturen (ver) onder 0 ?C. Het merendeel van deze onderzoeken is gedaan in de jaren tachtig, toen ultra-hogesterktebeton (UHSB) nog onbekend was. De huidige normen en aanbeve - lingen die de toepassing van beton in cryogene omstandigheden beschrijven, zoals de British Standard, zijn gebaseerd op traditioneel beton. In een afstudeeronderzoek is de mogelijkheid van het toepassen van UHSB in LNG-opslagtanks bestudeerd. 1 Afstudeerstudie over mogelijkheden binnen- en buitentanks in UHSB UHSB in LNG-opslagtanks2 2012 | online dakdoorvoeringen gewapend betonnen dak hangend plafond met thermische isolatie 9%-nikkel binnentankspouw met perliet thermische isolatie voorgespannen betonwand gewapend beton funderingsplaat schuimglas bodem isolatie pomp leiding 1 De cilindervormige buitenste betonnen tank voorzien van een koepel foto: CFE2 Principedoorsnede LNG-opslagtank Ten opzichte van traditioneel beton heeft ultra-hogesterkte- beton (UHSB) een relatief lage water-bindermiddelfactor (wbf ) en een geoptimaliseerde korrelverdeling, waardoor een verhoogde deeltjespakking wordt bereikt. Deze veranderingen resulteren in verbeterde materiaaleigenschappen, zoals een sterk verhoogde druksterkte en een verhoogde treksterkte en elasticiteitsmodulus. Door de lage permeabiliteit wordt aan wezig beton-/voorspanstaal goed beschermd tegen corrosie en vraagt de constructie minder onderhoud. Aanvullend wordt door het toepassen van staalvezels de breukrek onder druk- spanningen verhoogd en wordt een nascheurtreksterkte gerea- liseerd. Hierdoor heeft het materiaal zowel onder druk als trek een verhoogde ductiliteit, zie bijvoorbeeld [1, 2]. In het verleden hebben deze verbeteringen van het materiaal geleid tot verder onderzoek naar mogelijke constructieve toepassingen ervan. Voor een selectie, zie [3-7]. Dit artikel beschrijft de mogelijkheden van de toepassing van UHSB in opslagtanks bij LNG-terminals, zoals onderzocht in een afstu- deeronderzoek dat is uitgevoerd aan de TU Delft [8]. 2 ir. Michel Kortenaar 1), ir. Marcel 't Hart, ir. Rob Vergoossen Royal HaskoningDHV dr.ir.drs. René Braam TU Delft, fac. CiGT, Adviesbureau ir. J.G. Hageman BV prof.dr.ir.Dr.-Ing. h.c. Joost Walraven TU Delft, fac. CiGT 1) Michel Kortenaar is afgestudeerd met het onderzoek 'Application of Ultra High Strength Concrete in LNG Terminals' aan de Technische Universiteit Delft, facul- teit Civiele Techniek en Geowetenschappen. In de afstudeercommissie hadden zitting: prof.dr.ir.Dr.-Ing. h.c. J.C. Walraven (voorzitter), dr.ir.drs. C.R. Braam, dr.ir. M.A.N. Hendriks, dr.ir. P.C.J. Hoogenboom en ir. C.M.P. 't Hart. Een traditioneel LNG-opslagtankontwerp bestaat uit een stalen binnentank waarin het LNG is opgeslagen. Het staal heeft een nikkelgehalte van 9% om bros faalgedrag van het staal in cryo- gene omstandigheden te voorkomen. De buitentank wordt gemaakt van traditioneel beton (sterkteklasse circa C32/40-C35/45). Beide tanks zijn cilindervormig en de buiten- ste (betonnen) tank is voorzien van een koepel (foto 1 en fig. 2). Tussen de twee tanks wordt een isolerende suspensie aangebracht. In het onderzoek is nagegaan of zowel de binnen- als de buiten- tank kunnen worden uitgevoerd in UHSB. Een UHSB-ontwerp moest voldoen aan de volgende eisen: ? een economisch haalbaar ontwerp; ? een technisch haalbaar ontwerp. Aanvullend zijn de twee volgende onderzoeksdoelen vastgesteld: ? het sommeren van voor- en nadelen van varianten; ? het benoemen van de kritieke belastinggevallen en belas- tingscombinaties. Uitgangspunten en ontwerpaanpak Om inzicht te krijgen in de economische haalbaarheid is een referentieproject uit het oostelijke werelddeel gebruikt. Dat project is uitgevoerd volgens het traditionele ontwerp. Het refe- rentieproject is ten behoeve van het onderzoek herberekend met de Eurocodes (EC). Daarbij zijn een traditioneel ontwerp en een UHSB-ontwerp beschouwd. Een beperking van de EC is echter dat Eurocode 2 (EC2) geen rekenregels voor UHSB bevat en dat opslagtanks slechts zeer summier worden behandeld. Het referentieproject is oorspronkelijk ontworpen aan de hand van de British Standard voor het ontwerp van vlakke bodem, verticaal, cilindrische opslagtanks dienstdoende bij lage tempe- raturen (BS 7777 [9]). Deze norm wordt veelvuldig gebruikt bij traditionele LNG-terminalontwerpen en beschrijft belasting- gevallen en belastingscombinaties. Om deze reden is naast de EC dan ook gebruikgemaakt van de BS 7777. In afwijking van de belastinggevallen beschreven in de BS 7777 is de Pressure Relief Valve-belasting (PRV-belasting), die op de koepel in de buitentank werkt, buiten beschouwing gelaten. Deze PRV-belasting ontstaat als een kritische overdruk in de opslagtank wordt bereikt en een installatie ervoor zorgt dat LNG gecontroleerd kan ontsnappen, zodat de druk wordt verlaagd. Het ontsnappende LNG moet worden verbrand. Hierbij wordt een niet-lineaire warmtebelasting op de koepel van de buitentank veroorzaakt. Het effect van de warmtebelas- ting is daarentegen wel meegenomen in de ontwerpkeuzes en conclusies. thema UHSB in LNG-opslagtanks 3 2012 | online online rotatieveer k r rotatieveer k r k q(x) k(x) 150 000 100 000 50 000 0 510 152025 -50 000 H [mm] 2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25 0 -0,25 -0,5 -0,75 -1 0 2,5 57,5 1012,5 1517,5 2022,5 25 afstand [m] Alle kosten van een traditioneel en een UHSB-ontwerp zijn meegenomen in een Life Cycle Cost Analysis (LCCA). Daarvan zijn er twee uitgevoerd, te weten één waarbij de investerings- kosten van zowel het traditionele ontwerp als het UHSB- ontwerp hetzelfde zijn en één waarbij de investeringskosten van het UHSB-ontwerp 20% hoger zijn. Actieve normen en aanbevelingen Zoals eerder vermeld, is naast de EC ook gebruikgemaakt van de BS 7777. Aan het gebruik van deze norm zijn twee nadelen verbonden. Ten eerste maakt alleen de combinatie van een beton- nen buitentank en een stalen binnentank onderdeel uit van de norm. Ten tweede zijn de opgenomen aanbevelingen met betrek- king tot vloeistofdichtheid gebaseerd op tests die zijn uitgevoerd met traditioneel beton. Het gebruik van de BS 7777 bij een UHSB-ontwerp leidt daardoor tot een conservatief ontwerp. Immers, de verhoogde trekcapaciteit en de verbeterde vloeistof- dichtheid van UHSB zijn niet beschouwd. Echter, omdat geen regelgeving op het gebied van UHSB toegepast in LNG-terminals beschikbaar is, is de minimum vereiste gemiddelde betondruk- spanning (zijnde 1,0 N/mm 2) overgenomen uit de BS 7777. Voor het vastleggen van een aantal eigenschappen en ontwerp- parameters van UHSB is gebruikgemaakt van een Franse norm, te weten de AFGC/Setra [10]. Deze aanbevelingen worden bij het rekenen met UHSB vaak gebruikt, zie bijvoorbeeld ook [11, 12]. Tevens is aangenomen dat bij UHSB, door de geringe hoeveelheid capillair poriënwater (dankzij de gereduceerde wbf ), de formatie van ijs bij een belasting onder cryogene omstandigheden verwaarloosbaar is. Een perspectiefvol aspect van een UHSB-ontwerp is de sterk verbeterde duurzaamheid van het materiaal, wat resulteert in een verminderde onderhoudsbehoefte. Wanneer een traditio- neel ontwerp en een UHSB-ontwerp gelijke investeringskosten zouden hebben, komen de jaarlijkse kosten voor het UHSB- ontwerp automatisch lager uit door een reductie van het benodigd onderhoud. In de berekening zijn de investeringskosten in tweeën gesplitst, te weten in algemene kosten, die voor beide ontwerpen over - eenkomen, en ontwerpgerelateerde kosten. De laatste zijn voor - namelijk gericht op eenheidsprijzen en uitvoeringsgerelateerde kosten. Het zijn laatstgenoemde kosten waarin het verschil tussen een traditioneel ontwerp en een ontwerp in UHSB tot uitdrukking komen. Voor de UHSB buitentank komen verschillen in investerings- kosten mede naar voren door de mogelijkheid om, ten opzichte van een beton met een aanzienlijk lagere sterkteklasse, de wand- en vloerdikten te reduceren. Voor de binnentank zijn de gevolgen ingrijpender omdat de stalen binnentank in het ontwerp geheel wordt vervangen door een variant in UHSB. Het uiteindelijke doel in het onderzoek betrof voornamelijk het beschrijven van de ontwerpaanpak en het opstellen van een economisch en realiseerbaar UHSB-ontwerp; verdere optimali- satie van een UHSB-ontwerp maakte geen deel uit van de studie. Vanuit die optiek is ervoor gekozen alleen te kijken naar benodigde wand- en vloerdikten en niet te zoeken naar bijvoorbeeld een optimalisatie van het koepelontwerp. 3a 3b 3c UHSB in LNG-opslagtanks4 2012 | online 3 1D axiaal-symmetrisch model (a) met analytische oplossing (b) en oplossing volgens EEM (c) 4 Drie LNG-opslagtanks op de Maasvlakte foto: CFE In de daarop volgende analyse, met betrekking tot een calami- teitenfase, is de overstap van een 1D naar een 2D modellering gemaakt. Ten tijde van de calamiteitenfase kan de binnentank falen. Hierdoor ontstaat het risico dat het opgeslagen LNG naar de zone tussen de binnen- en buitentank stroomt. De binnen- tank is voor de operationele fase geïsoleerd, zodat de binnen- zijde van de buitenwand niet in contact komt met het tot crygonene temperaturen gekoelde LNG. De buitenwand is daardoor tijdens normaal gebruik beschermd tegen het optre- den van grote temperatuurgradiënten. Tijdens de calamiteiten- fase echter kan wel een grote temperatuurgradiënt tussen de binnen- en buitenzijde van de buitenwand optreden. Deze belasting van de buitenwand door LNG wordt een Liquid Spill (LQS) genoemd. Deze wordt beschreven met een 2D axiaal- symmetrisch model. Een tijdsafhankelijke warmtestroom- analyse is onderdeel van de berekeningen. De overstap van 2D- naar 3D-rekenmodellen maakt het moge- lijk zowel symmetrische als asymmetrische belastinggevallen te modelleren, bijvoorbeeld windbelasting en aardbeving. Scheurwijdtecontrole In het onderzoek is uitgebreid aandacht besteed aan een scheurwijdteberekening. Het was niet mogelijk rekenregels uit de EC2 te gebruiken, omdat het gebruik van staalvezels in UHSB gevolgen heeft voor de wijze waarop de scheurwijdte wordt berekend. Een belangrijk aspect hierbij is de bijdrage van de staalvezels aan het over de scheur overdragen van de trek- kracht. Immers, UHSB met staalvezels heeft een nascheur - sterkte; de treksterkte valt na het ontstaan van een scheur niet direct terug tot nul. Een bijkomend aspect is het combineren De aan de genoemde normen en aanbevelingen ontleende eigenschappen zijn opgenomen in de invoer van de eindige- elementenmodellen (EEM) die in het onderzoek zijn gebruikt. Eindige-elementenmodellen LNG-opslagtanks zijn onderhevig aan een complexe combina- tie van belastinggevallen die zijn gebaseerd op vier verschil- lende fasen: de bouwfase, de (hydro-)testfase, de operationele fase en de calamiteitenfase. EEM geven de mogelijkheid om de respons bij deze complexe belastinggevallen te analyseren. De modellen zijn gebruikt voor het berekenen van verplaatsingen, spanningen, buigende momenten en normaal- en dwars- krachten. Daarbij zijn de belastinggevallen gecombineerd tot belastingscombinaties. De constructie is gecontroleerd in BGT, door middel van een scheurwijdtecontrole, en in UGT. De symmetrische belastinggevallen, bijvoorbeeld eigen gewicht en hydrostatische belasting, zijn beschouwd in een vereenvou- digd 1D axiaal-symmetrisch model (fig. 3a). Met dit model kan de benodigde ringvoorspanning worden bepaald. In het model wordt de cilindrische wand geschematiseerd tot een elastisch ondersteunde ligger. De stijfheid van de elastische bedding komt voort uit de ringwerking van de cilinder. Door het intro- duceren van een rotatieveer aan de onder- en de bovenzijde van de wand wordt de rotatiestijfheid van de bodemplaat, respectievelijk de koepel, meegenomen. Een vergelijking tussen het 1D-EEM en een analytische oplossing wees uit dat de resul- taten goed overeenstemden. Analyse van de binnen- en buitentank wees uit dat deze in omtreksrichting moeten worden voorgespannen. Rekenmodellen VVUHSB Wilt u meer weten over reken- modellen met vezelversterkt ultra- hogesterktebeton? Lees dan ook deze artikelen op www.cementonline.nl: Rekenmodel VVUHSB (Cement 2011/3) en Dwarskracht- en kolomberekening VVUHSB (Cement 2011/6) 4 thema UHSB in LNG-opslagtanks 5 2012 | online online d Nxx M F s N'c s 'c x d s 5 Basismechanicamodel voor bepaling van rekken op basis van horizontaal- en momentevenwicht deze casus onder andere tot gevolg dat een reductie van wand- en vloerdikten ten opzichte van een traditioneel ontwerp mogelijk is. Daartegenover staan natuurlijk hogere kosten van het UHSB-mengsel. Naast de investeringskosten is de constructieve levensduur nodig als invoer voor een LCCA, gebruikt om de gemiddelde jaarlijkse kosten te berekenen. Aangenomen is dat de levens- duur van een traditioneel ontwerp 50 jaar is. Verondersteld is dat deze 75 jaar is voor een UHSB-ontwerp. Omdat er geen gegevens beschikbaar zijn van UHSB-constructies in gebruik gedurende een periode van 75 jaar, is met betrekking tot de onderhoudskosten gekozen voor een conservatieve benadering: gesteld is dat groot onderhoud eenmaal tijdens de levensduur van de UHSB variant nodig is. Verondersteld is dat de onder - houdskosten de helft van die van een traditioneel ontwerp zijn. De gemiddelde integrale jaarlijkse kosten van de UHSB variant vielen ? 150 000,- lager uit dan die van een traditioneel ontwerp dat dezelfde investeringskosten vraagt. Pas als de investeringskosten van de UHSB variant 20% hoger zijn dan die van de traditionele variant, zijn de gemiddelde integrale jaarlijkse kosten van beide varianten nagenoeg gelijk. Conclusie en aanbevelingen Met betrekking tot de vier punten die zijn genoemd in de intro- ductie is het mogelijk om, mede door het combineren van huidige regelgeving en kennis, een realiseerbaar en economisch aantrekkelijk UHSB-ontwerp te maken voor LNG-opslagtanks. De huidige regelgeving is voor de toepassing van UHSB in cryo- gene omstandigheden echter conservatief ten opzichte van tradi- tioneel beton. Een belangrijk aspect hierbij is het niet meenemen van de verhoogde trekcapaciteit en nascheursterkte van staal- vezelversterkt UHSB ten opzichte van traditioneel beton. Het verdient aanbeveling de regelgeving op dit gebied uit te breiden. Bovendien is de regelgeving omtrent eisen ten aanzien van vloeistofdichtheid wellicht te conservatief. Een herbeoordeling van UHSB met staalvezels en traditionele wapening. Modellen die de werking van staalvezels in een scheur en de samen- werking van vezels en wapening in een scheur weergeven, zijn onder andere beschreven in [13] en [14]. Het model zoals beschreven in [13] gaat uitgebreid in op de reductie van de spanning in de wapening door de staalvezels in een gescheurde doorsnede. De grootte van de reductie is mede afhankelijk van het vezelgehalte, de vezelgeometrie en de vezeloriëntatie. Het model dat in [14] wordt beschreven, geeft een vereenvoudigde scheurwijdteberekening. Beide modellen zijn gebaseerd op het gedrag van een door - snede die is belast door een centrische trekkracht. Voor het uitgevoerde onderzoek moest het model worden uitgebreid met een buigend moment. In het hier beschreven onderzoek is daarom een nieuw rekenmodel voorgesteld, waarvoor de modellen uit [13] en [14] als basis hebben gediend. Met het ontwikkelde model kunnen het spannings- en rekverloop over de doorsnede worden bepaald (fig. 5), voor zowel een doorsnede onder een constante of lineair verlopende trekspanning als voor een doorsnede met zowel trek- als drukspanningen. Om meervoudige iteratieve processen te voorkomen, is een vereenvoudigde aanpak voor het berekenen van de reductie van de staalspanning door de aanwezigheid van de staalvezels in het model opgenomen. Verder onderzoek, waaronder laboratorium- tests, zijn gewenst om het opgestelde model te kunnen valideren. Life Cycle Cost Analyse Het gebruik van hoogwaardige materialen heeft als voordeel dat de levensduur van de constructie kan worden verlengd en er sprake kan zijn van een reductie van het benodigde onder - houd gedurende diezelfde levensduur. Zoals eerder genoemd, is het uitgangspunt van het onderzoek het verkrijgen van een economisch haalbaar ontwerp. De investeringskosten zijn onderdeel van de analyse. Het toepassen van UHSB heeft in 5 UHSB in LNG-opslagtanks6 2012 | online 6 De vraag naar de opslag van vloeibaar aardgas (LNG) is groeiende en daarmee ook de vraag naar LNG-terminals ? LIteR atuuR 1 Buitelaar, P., Zeer dunne overlagingen met hogesterktemortels. Cement 1999/7. 2 Kaptijn, N., Toekomstige ontwikkelingen van zeer-hogesterktebeton. Cement 2002/2. 3 Vergoossen, R.P.H., Ontwerp van een ophaalbrug in zeer hoge sterkte beton voor verkeersklasse 600. Afstudeerverslag TU Delft, december 1999. 4 Cheung, C.K., Veen, C. van der, Ros, D., Kaptijn, N. & Pover, J.P., B200- hefschuiven Stormvloedkering Oosterschelde. Cement 2002/2. 5 Kaptijn, N., Nagtegaal, G., Eerste toepassing van zeer-hogesterktebeton in civiele draagconstructie. Cement 2003/1. 6 Zeestraten, L.A.M., Veen, C. van der & Ros, D., Detailontwerp van een ophaalbrug in zeer-hogesterktebeton. Cement 2005/1. 7 Voorde, A. ten, Vergoossen, R.P.H., Kokerligger in zeer- hogesterktebeton. Cement 2005/7. 8 Kortenaar, M. Application of UHSC in LNG terminals. Afstudeerverslag TU Delft, december 2010. 9 British Standard 7777. Flat-bottomed, vertical, cylindrical storage tanks for low temperature service (BS 7777). 10 Association Française de Génie Civil / Service d'études techniques des routes et autoroutes (AFGC/Setra). Ultra high performance fibre- reinforced concrete - Interim recommendations, January 2002. 11 Ketel, H., Willemse, R., Rijen, P. van & Koolen, E., Rekenmodel VVUHSB. Cement 2011/3. 12 Ketel, H., Willemse, R., Rijen, P. van & Koolen, E., Dwarskracht- en kolomberekening VVUHSB. Cement 2011/6. 13 Leutbecher, T., Fehling, E., Crack width control for combined reinforcement of rebars and fibres exemplified by ultra-high- performance concrete. fib Task Group 8.6, Varenna, September 2008. 14 Yang, Y., Walraven, J.C. & den Uijl, J.A., Combined effect of fibers and steel rebars in high performance concrete. Heron, 54 (6), 2009. kan er mogelijk toe leiden dat de minimaal vereiste gemiddelde drukspanning van 1,0 N/mm 2, zoals opgenomen in de BS 7777, wordt verlaagd. Met de gemodificeerde BGT- en UGT-toetsen, die in dit onder - zoek zijn voorgesteld, is aangetoond dat een reductie van de wand- en vloerdikte van de UHSB buitentank tot de helft van die van een traditioneel ontwerp haalbaar is. Verdergaande reductie van de dikte zou aanleiding kunnen geven tot stabili- teitsproblemen, zoals deze ook bij staalconstructies bekend zijn. Of hiervan sprake kan zijn, moet nader worden onder - zocht. Tevens moeten de voorgestelde rekenmethoden met verder onderzoek worden gevalideerd. In het algemeen kan worden gesteld dat de uitgevoerde studie er op wijst dat de toepassing van UHSB in LNG-opslagtanks perspectiefvol is en zeker aanleiding is voor het doen van verder theoretisch en experimenteel onderzoek. ? LNG-opslagtanks In eerdere edities van Cement zijn de volgende artikelen over LNG-opslagtanks verschenen: Beton bij -170 ?C (Cement 2010/5) en 'Koelbox' van beton (Cement 2009/5), te vinden op www.cementonline.nl. 6