18 Strakke planning vraagt om over- dimensionering 1 Bouw van nieuwe ammoniumsulfaatfabriek voor DSM Geleen Strakke planning vraagt om overdimensionering 8 2015 19 Begin 2012 besloot DSM Fibre Intermediates B.V. tot de nieuwbouw van een ammoniumsulfaatfabriek op het Chemelot-bedrijventerrein in Geleen. De bestaande installatie was zo ernstig aangetast door het ammoniumsulfaat, dat een verlenging van de levensduur niet haalbaar was (foto 2). Tebodin Netherlands B.V. kreeg opdracht met een EPCM- contract (Engineering, Procurement, en Construction Management) voor het realiseren van het project 'Next eneration Sulfa' (NGS). Het hart van de fabriek is het zogenoemde Crystallizer- en zeefgebouw. De installatie omvat verder het Tankenpark, het Opslaggebouw voor gereed product, de Vrachtwagenverlading en een Beckmann-omlegging (een installatie voor energie- terugwinning vanuit bestaande fabrieken) (fig. 3). De onder- delen zijn onderling verbonden door leiding-, kabel- en trans- portbandbruggen. Na het doorlopen van de basic engineering fase (vergelijkbaar met de definitieve ontwerpfase conform DNR) werd in januari 2013 gestart met de detail engineering (vergelijkbaar met tech- nisch én uitvoeringsgereed ontwerp). Heiwerken waren op dat moment in volle gang en het civiele contract was aanbesteed. De bouwwerkzaamheden begonnen in maart 2013. Tijdschema Het Next Generation Sulfa project startte met een uiterst krap tijdschema. Een snelle aanbesteding was nodig om de geplande opleverdatum te kunnen halen. In een vroeg stadium werd besloten de heiwerken apart aan te besteden. Op dat moment was de voortgang van de engineering van gebouwen en con- structies nog niet ver genoeg voor een complete aanbesteding. Dit had de nodige invloed op het ontwerp van de funderingen. In de meeste gevallen werd gekozen voor plaatfunderingen met daaronder een palenveld. Voor de paalbelastingen werd een Op de Chemelot-site van DSM Geleen wordt een nieuwe ammoniumsulfaatfabriek gebouwd. De constructies krijgen het zwaar te verduren. Niet alleen vanwege de belasting uit de installaties, maar ook door de agressieve materialen die hier worden verwerkt. Bovendien moesten in het constructief ontwerp diverse aannamen worden gedaan als gevolg van de krappe tijdsplanning. Hierdoor moest continu een afweging worden gemaakt tussen overdimensionering en een zo economisch mogelijk ontwerp. ir. Victor Hopmans, ing. Patrick Aarts PMSE, ir. John van den Boorn Tebodin 1 Betonconstructie van het Crystallizer- en zeefgebouw; op het bovenste betonniveau zijn acht crystallizers geplaatst 2 Aantasting door ammoniumsulfaat Rol Tebodin Tebodin verzorgde niet alleen het bouwkundige, civiele en constructieve ontwerp voor het 'Next Generation Sulfa' project. Tevens verzorgde Tebodin de uitwerking van het procestechnische ontwerp en de daaropvolgende detaillering van de werktuig- bouwkundige, elektrotechnische en instrumentatietechnische installaties. Verder werden alle procesonderdelen ingekocht en was Tebodin directievoerder tijdens de uitvoering. Ontwerp- en bouwproces Het ontwerp- en bouwproces van een chemische procesinstallatie heeft een dynamisch karakter. Meerdere vakgebieden zijn betrokken en beïnvloeden elkaars ontwerp. Omdat ook de chemische industrie niet aan de tijdsgeest ontkomt, moeten projecten kwalitatief hoogwaardiger, veiliger en sneller worden gerealiseerd. Dit leidt onder andere tot krappe tijdsplanningen waar - door de verschillende vakdisciplines gelijktijdig ontwerpen, terwijl een volg- ordelijk ontwerpproces de voorkeur heeft. Hoewel de bouwkosten voor gebouwen en constructies slechts een fractie van de totale investering van de installaties vormen, variërend tussen 10 en 20%, speelt de afdeling bouwkunde en constructies in dit complexe spanningsveld een belangrijke rol. Het op een laat moment vrijkomen van definitieve ontwerp - gegevens van andere vakgebieden en de noodzaak tot een vroege start van de uitvoering, dwingt tot veelvuldige aannamen in het bouwkundig en construc - tief ontwerp. Deze vroegtijdige aannamen hebben vervolgens hun weerslag op het ontwerp van de andere disciplines. Dit is de oorzaak van vele aanpassingen gedurende het ontwerpproces, in een enkel geval op het laatste moment omdat constructies al in uitvoering zijn. 2 Strakke planning vraagt om overdimensionering 8 2015 20 A B C D E F G 60 60 . B 0.0 -08V B 0.0 -33V B 0.0 -16 V B 0.0 -17 V B 0.0 -18 V B 10 .0 -04 V B 10 .0 -08V B 16 .9 -01V B 16 .9 -0 7V B 20.5 -01V B 25.5 -0 3V B 30 .4 -01V B 30 .4 -02V B 30 .4 -03V B 30 .4 -0 4 V B30 .4 -08 V B 32.0 -01 V B 33.9 -01V B 33.9 -02V B 33.9 -03V B 33 .9 -04 V B 37.9 -0 1V B 37.9 -02V B 0.0 -12 V B 0.0 -13 V 260 360 260210 11 000 760011 00050005000 5500260 45 620 32 550 +P b.k. nok 31 660 +P b.k. dakrand 31 750 +P b.k. dakrand 25 500 +P b.k. rooster 20 500 +P b.k. rooster 17 100 +P b.k. beton rand 6700 +P b.k. beton rand 0,750 +P B.K.B. 0,100 -P maaiveld 1400 +P b.k. plint 6700 +P b.k. beton rand 10 200 +Pb.k. beton rand 17 100 +Pb.k. beton rand 21 600 +Pb.k. beton rand 25 700 +Pb.k. beton rand 30 600 +Pb.k. beton rand 34 100 +Pb.k. beton rand 35 260 +P b.k. dakrand 37 900 +P b.k. dakrand 0,100 +P b.k. opstorting 3 Overzicht nieuwe ammoniumsulfaatfabriek met diverse onderdelen 4 Doorsnede Crystallizer- en Zeefgebouw 5 Langs- en dwarsdoorsnedes kolom met zeer hoge wapeningspercentages zekere overdimensionering aangehouden. Via plaatwerking konden de belastingen, als dit in een later stadium nodig was, worden herverdeeld. Ook in het verdere verloop van het project moest het ontwerp- team een constante strijd leveren om de uitvoering voor te zijn. Van groot belang bij deze opzet was de medewerking van de afdeling Uitvoering en Handhaving van de provincie Limburg. Tijdens het gehele traject was er geregeld overleg en afstem- ming met de behandelend ambtenaar en de hoofdconstructeur van Tebodin over planning, berekeningsmethodieken en de aan te leveren documenten. Door deze samenwerking werden de benodigde goedkeuringen steeds op tijd verleend. Beckmann Tankenpark Opslaggebouw Vrachtwagenverlading Crystallizer- en zeefgebouw 3 4 Strakke planning vraagt om overdimensionering 8 2015 21 10 ø32 10 ø32 10 ø32 10 ø32 B A B A 3 x BGLS ø126 ø32 6 ø32 6 ø32 6 ø32 20 ø32 20 ø322 x H RSP ø1 2 x HRSP ø10 2 x haken ø12 2 x haken ø12 8 ø32 8 ø32 8 ø32 50 50 50 50 doorsnede A-A doorsnede B-B 6 x 4 haken ø12-200 3 BGLS ø12-200 + 4 HRSP ø10-200 10 stekken ø32 10 stekken ø32 14 stekken ø32 14 stekken ø32 2400 +P 3450 +P 6450 +P b.k.wapening 2e laag 8 ø32 Opbouw constructie Tot 17 m hoogte is het gebouw opgebouwd uit een ongeschoorde betonconstructie, bestaande uit kolommen, balken en vloeren (fig. 4). Daarboven, tot 35,5 m hoog, is een geschoorde staalcon- structie toegepast. De fundering bestaat uit een 1,5 m dikke betonnen plaat op 530 in de grond gevormde grondverdringende palen (o.a. in verband met de vervuilde grond). De keuze voor een betonnen onderbouw is het gevolg van zowel zeer hoge lasten als de agressieve omstandigheden ter plaatse. Het enige alternatief was een RVS-constructie, maar die werd te duur bevonden. Op het bovenste betonniveau, 17 m boven maaiveld, zijn acht zogenoemde crystallizers geplaatst (foto 1). Deze hebben een doorsnede van circa 7 m, zijn 18,5 m hoog en wegen gevuld, inclusief isolatie en leidingwerk, ruim 800 ton per stuk. De bovenzijde van de crystallizer steekt circa 12,5 m boven de vloer uit. De doorsneden van de crystallizer en de benodigde ruimte van 3 m voor leidingen en bediening en onderhoud, leiden tot kolomafstanden van 10 m. Strenge vervormingseisen (1/500 van de overspanning), de grote belastingen en het feit dat de constructie ongeschoord is, leidden tot balkhoogten van 2,5 m. Bouwen op een 'postzegel' De economische haalbaarheid van het project hing mede af van het gebruik van reststoom uit overige fabrieksonderdelen. De beschikbaarheid van deze stoom bepaalde de keuze van de bouwlocatie, een relatief klein perceel van 80 × 275 m 2, omgeven door bestaande installaties. De keuze voor dit perceel resulteerde in een zeer compacte fabriek, wat vooral in de procesinstallatieonderdelen de nodige hoofdbrekens gaf. De diverse vakdisciplines, die allemaal een eigen ruimte claimden voor het realiseren van hun onderdeel, maakten een geïntegreerde ontwerpaanpak noodzakelijk. Hiervoor zijn diverse ontwerp- gereedschappen gebruikt, waarvan PDMS de belangrijkste is. PDMS staat voor Plant Data Management Systeem, een 3D-programma waarin alle vakdisciplines gelijktijdig hun input kunnen ingeven. Het voorkomen van onderlinge conflicten is een van de belangrijke meerwaarden van deze software. Het ruimtegebrek voor de installaties leverde beperkende voor - waarden voor de constructies op. Bovendien konden vroegtij - dig vastgestelde stabiliteitsprincipes, kolomlocaties en constructieafmetingen niet meer worden gewijzigd. Als voor - beeld wordt dieper ingegaan op de constructieve aspecten van het Crystallizer- en zeefgebouw en het Opslaggebouw. Constructieve aspecten Crystallizer- en zeefgebouw Het Crystallizer- en zeefgebouw meet circa 65 × 50 m 2, is 35,5 m hoog en vormt het hart van de fabriek. Omdat het werktuig- bouwkundige ontwerp nog in conceptuele fase was toen het constructieve ontwerp van het gebouw werd vastgesteld, lag de keuze om de onderbouw ongeschoord uit te voeren voor de hand. Hiermee konden immers toekomstige belemmeringen voor equipement, leidingen en kabels worden voorkomen. Naast de stabiliteitsprincipes zijn ook de stramienen en kolom- en balkafmetingen in deze fase bepaald. Deze afmetingen zijn mede leidend voor de ontwerpen voor de verschillende disci - plines in het project: wijzigingen zijn niet door te voeren zonder enorme impact op het geheel, gezien de hoeveelheid equipement en leiding- en kabeltracés in het gebouw, die elke mogelijke ruimte benutten. Het bepalen van de afmetingen in een vroege projectfase veroorzaakt een continue afweging tussen de mate van overdimensionering van constructieonder - delen en een zo economisch mogelijk ontwerp. Zo is ook bij de funderingskeuze gestreefd naar een optimum tussen een beperkt grondverzet, vanwege vervuilde grond, en overdimensionering. In goed overleg met de werktuigbouw- kundige discipline zijn gewichten en locatie van equipement zo goed mogelijk benaderd. Vervolgens is voor het constructieve ontwerp een grote marge aangehouden. Tijdens volgende engi - neeringsfasen (basic en detail engineering) is gebleken dat het aantal stuks equipement en hun gewichten inderdaad waren toegenomen. Dit had voornamelijk invloed op de kolommen. 5a 5b 5c Strakke planning vraagt om overdimensionering 8 2015 22 Het Opslaggebouw Ook het Opslaggebouw, waar het gereed product wordt opge- slagen, bood een aantal uitdagingen voor de constructieve ontwerpers. Het gebouw bestaat uit een betonnen onderbouw van 85 × 40 m 2, verdeeld in vijf compartimenten van 17 × 40 m 2 (foto 9). De onderbouw is voorzien van een fundering van 90 × 50 m, waaronder 810 palen zijn aangebracht. De compartimenten hebben een hoogte van 16 m. Hierdoor kan het ammoniumsulfaat worden opgeslagen tot een hoogte van circa 15 m. Per compartiment is er de mogelijkheid een andere korrelafmeting op te slaan. Elke scheidingswand is 600 mm dik. De middelste 10 m van deze wanden heeft een verdikking van 1900 mm, die over een hoogte van 7 m naar boven toe naar een dikte van 600 mm verloopt. Kelderstelsel Een complicerende factor is het uitgebreide kelderstelsel in deze fundering (fig. 10). Door dit stelsel loopt een transport- systeem. Via transportbanden wordt het product horizontaal verplaatst om vervolgens via een emmerlift op een hoger niveau naar de Vrachtwagenverlading te worden getranspor - teerd. De aanwezigheid van dit kelderstelsel maakte het ontwerp van de palenfundering tot een complexe puzzel, met toepassing van verschillende paallengten en vaste posities onder de kelderwanden. Kolommen en wapening De aanvankelijk overschatte afmetingen van de kolommen (900 × 900 mm 2 doorsnede) bleken door gewijzigde belastingen uiteindelijk maar net toereikend te zijn. Het gevolg was wel een dubbele wapening aan de vier kolomzijden en een maximaal toelaatbaar wapeningspercentage over de gehele lengte van de kolommen (fig. 5). Dit maximale wapeningspercentage is, normtechnisch, afhankelijk van de toepassing van overlap- pingslassen. Als, om uitvoeringstechnische redenen gebruike- lijke, overlappingslassen werden toegepast, zou het maximale wapeningspercentage worden overschreden. Bovendien waren de doorsneden te klein om er de benodigde wapening in onder te brengen. In plaats daarvan zijn mechanische koppelbussen toegepast. Hiermee kon het gebruik van overlappingslassen worden voorkomen. De koppelingen werden alternerend aange - bracht op locaties waar momenten minimaal waren: halverwege de kolom. Het aantal koppelingen werd zo laag mogelijk gehou- den, bijvoorbeeld door ze te laten doorlopen bij de vloeren. Deze onorthodoxe oplossing vroeg een nauwkeurige voorberei- ding van de uitvoering. De doorlopende kolomwapening bepaalde de configuratie van de diverse balkwapeningen (foto 7), waaronder in de 17000+ vloer een drielaagse onderwapening in de 2,5 m hoge vloerbalken. De 3D-uitwerkingen van de wape- ningsknooppunten door de aannemer gaven hierbij uitkomst (fig. 8). 6 7 Strakke planning vraagt om overdimensionering 8 2015 23 6 Kolomwapening 7 Aansluiting balk- en kolomwapening 8 Voorbeeld van 3D-uitwerking wapeningsknooppunt 9 Opslaggebouw met vijf compartimenten 10 Opslaggebouw met kelderstelsel in de fundering Dakconstructie In de dakconstructie is een zogenoemde bandentunnel onder - gebracht. Via drie transportbanden kan van hieruit het product over de vijf compartimenten worden verdeeld. De bandentunnel wordt gevormd door een betonnen ondervloer bestaande uit kokerliggers met daarop een houten overkapping (fig. 12). De geprefabriceerde kokerliggers leverden een grote gewichtsbe - sparing op in vergelijking met een massieve liggervariant. Toepassing van voorspanning was niet toegestaan. Immers, het effect van de mogelijke aantasting door ammoniumsulfaat is groter naarmate wapeningsdoorsneden kleiner zijn, zoals bij toepassing van voorspanwapening het geval is. Een snelle en visueel niet-waarneembare achteruitgang van de constructieve integriteit zou een te groot risico vormen. Door een gewichtsbesparing in de liggers te realiseren, werden dikkere kop- en tussenwanden voorkomen. Hierdoor traden geen nadelig effecten op bij de temperatuurontwikkeling en toe te passen wapeningshoeveelheden. De kokerliggers werden met natte knopen verbonden met de wanden. Beheersen scheurvorming De betonnen onderbouw is zonder dilataties uitgevoerd. Dilataties vormen namelijk een kritisch detail in het ontwerp, vanwege het agressieve karakter van het opgeslagen product. Bovendien worden shovels gebruikt om het opgeslagen product te verplaatsen. Dit leidt in het algemeen snel tot beschadigin- gen bij voegen in vloeren. Het voorkomen van ontoelaatbare scheuren in de niet-gedila- teerde constructies vergde gedegen vooronderzoek. Een combi - natie van diverse maatregelen vormde een werkbare oplossing: het toepassen van een overmaat aan scheurbeperkende wape- ning, het beheersen van de temperatuur van verhardend beton en het toepassen van stortstroken (later aan te storten delen) en een gedegen stortvolgorde. Hierbij is voornamelijk gekeken naar de maximaal te storten betonlengten en -hoogten. Vanwege tijdsbesparing besloot de aannemer de wanden te storten zonder koeling. Een betonmengsel is toegepast waarbij de temperatuurontwikkeling tijdens het verharden van het beton zo beperkt mogelijk blijft. Er is onder andere gebruik- gemaakt van de CEM III/B LH HS). Op basis van een met de aannemer overeengekomen temperatuurgradiënt van 25 °C zijn de verschillende wanden beschouwd en is de nodige extra wapening bepaald. Berekeningen hiervoor werden uitgevoerd met behulp van SCIA Engineer. Door een goede stortvolgorde werd de invloed van spanning uit krimp tijdens verharden van het beton zo veel mogelijk beperkt. Het middelste en dikste deel werd als eerste gestort. Daarna de overige (dunnere) delen van de wand. Als laatste werd het bovenste van de wand in twee delen gestort. 8 9 10 Strakke planning vraagt om overdimensionering 8 2015 24 betonwand(grijs) bakgoot (grijs) stalen rooster stalen rooster polycarbonaat beplating (doorzichtig) beton- plint houten schuifdeur 20 000 10 265 5000 2500 2500 2250 500 500 500 1250 500020 000 polycarbonaat beplating (doorzichtig) 10 000 5000 19 800 +P b.k. dak 16 000 +P b.k. vloer 7160 +P b.k. daktrim 5750 +P min. vrije hoogte 1400 +P b.k. plint 4500 +P 0.k.b 3200 +P b.k. kelderdek peil = 0,000+ 850 51 075 schuine betonwand gelamineerde spant bitumen dakbedekking steenwol isolatie dampremmende laag underlaymentpolycarbonaat beplating (doorzichtig) afschot afschot epdm dakbedekking steenwol isolatie dampremmende laag underlayment schuine dak van toegangstunnel bitumen dakbedekking steenwol isolatie dampremmende laag underlayment afschot epdm dakbedekking steenwol isolatie dampremmende laag underlayment loro-x 2m1 ingestorte hoekproel 7525 9357 1025 300 8775 25 550 700250 150 8925 9180 4750 300 3200 200 300 15 925 17 785 2002340 300 3200 200 300 300 400 2002340 50 550 3200 -P b.k.b. 7100 +P b.k. wand 3200 -P b.k.b. 7160 +P b.k. schuine betonwand var 19 800 +P b.k. dak 18 600 +P b.k. spant 16 000 +P b.k. vloer 14 700 +P o.k.b. A B C DE F 12 Strakke planning vraagt om overdimensionering 8 2015 25 30 150 var. epoxy grouting zuurbestendig gietasfalt toplaag 20 mm zuurbestendig gietasfalt onderlaag 15 mm gemodiceerd bitumen 5 mm; 0,3 kg/m 2 primerlaag strip aanlassen ca. iedere 1 m (minimaal 4 per opstort) rvs hoekproel 40 x 40 x 4 hoeken aassen bitumenstrook volledig gebrand tegen opstorting rvs epoxy aanhechting bezanden opvulling met gietasfalt 20 variabel 200 +P b.k. opstorting 40 +P peil = 0,000 +Pb.k.b. 11 Opslaggebouw en Crystallizergebouw 12 Doorsnede opslaggebouw 13 Bescherming van de beton- constructie met gietasfalt Tot slot De engineering en de daaropvolgende uitvoering hebben in totaal tweeënhalf jaar in beslag genomen. In die tijd zijn gemid- deld tachtig Tebodin medewerkers van de diverse disciplines dagelijks betrokken geweest in het NGS-project. Op het moment van publiceren is de nieuwe ammoniumsulfaatfabriek al korte tijd in volbedrijf. ? PPROJECTGEGEVENS project Next Generation Sulfa opdrachtgever DSM Fibre Intermediates B.V. ontwerpende partij Tebodin Netherlands B.V. aannemer funderingspalen Franki Grondtechnieken B.V. hoofdaannemer civiele werken BAM Infra Regio Zuid Civiel leverancier staalconstructies Frijns Steelconstruction B.V. hoofdaannemer installaties STORK Materiaalkeuzen Een van de grotere uitdagingen in het NGS-project was de omgang met ammoniumsulfaat en de in het proces betrokken chemische stoffen. Dit ammoniumzout van zwavelzuur heeft onder bepaalde omstandigheden een verwoestende werking op de materialen beton en staal. Vooral de relatieve vochtigheid van de omgeving van het ammoniumsulfaat is een belangrijke factor. Hoe droger de omgeving, hoe beter de materialen bestand zijn. In bepaalde fabrieksonderdelen is de relatieve vochtigheid echter zeer hoog. Dat heeft geleid tot in de industrie- bouw ongebruikelijke materiaaltoepassingen. Zo is bijvoorbeeld in de Vrachtwagenverlading toevlucht genomen tot een gecom- bineerde hout- en RVS-draagconstructie. Om te voorkomen dat het beton in aanraking komt met ammo- niumsulfaat zijn de vloeren in het Crystallizer- en zeefgebouw, op plaatsen waar de meest vochtige onderdelen van het productieproces zijn ondergebracht, beschermd met zuur- bestendig gietasfalt. Dit gietasfalt, bestaande uit een boven- en onderlaag, ligt op een laag van gemodificeerd bitumen dat verbonden is met op primer voorbehandeld beton (fig. 13). De bovenzijde van de opstortingen is voorzien van een laag epoxy- beton. Dit ter bescherming van het beton en ter vervanging van de ondersabeling van onder andere equipement. Daarnaast zijn verhoogde dekkingen toegepast (50-60 mm) en is in het betonmengsel HSR (High Sulphate Resistance) cement gebruikt. In de kolommen, de wanden en de zijkanten van de opstortingen zijn inkassingen in het beton opgenomen van 12 × 1400 mm. Hierin is een volledig gebrande bitumenlaag aangebracht, voorzien van een RVS-strip en kitlaag. Kengetallen Aantal funderingspalen: 1758 stuks Hoeveelheid beton t.b.v. funderingen: 6300 m 3 Hoeveelheid beton t.b.v. bovenbouw: 9000 m 3 Hoeveelheid wapening: 3160 000 kg Volume ontgravingen: 41 700 m 3 Hoeveelheid constructiestaal: 1 650 000 kg (excl. roostervloeren en leuningwerk). 13 Strakke planning vraagt om overdimensionering 8 2015