2 Explosies in tunnels52010 | onlineextra onlineExplosiesin tunnels1Onderzoek naar constructiegedrag van tunnels onder invloed van explosiesEr bestaan momenteel geen voorschriftenvoor het ontwerpen en beoordelen vantunnels waardoor gevaarlijke stoffenworden vervoerd. Daarom is er behoefteaan inzicht in de belastingen die in eendergelijk geval kunnen optreden en degevolgen daarvan voor de tunnelconstruc-tie. Mede om die reden is dit in Delft Clusterverband nader onderzocht 1).Bij het onderzoek ging het niet alleen om inzicht in de belas-tingen, daaraan gekoppeld ook om mogelijke beheersmaat-regelen en het effect daarvan voor de tunnelconstructie enhaar omgeving. Op basis van beschikbare informatie kan in1) Het gepresenteerde onderzoek is voor een belangrijk deel gebaseerd op de resulta-ten van het project `Bijzondere Belastingen'. Dit project betreft een vierjarigonderzoeksprogramma dat is uitgevoerd door TNO (projectleiding), de facultei-ten Civiele Techniek en Geowetenschappen en Technische Natuurwetenschappenvan de Technische Universiteit Delft en Deltares. Het onderzoek maakt deel uitvan het Delft Cluster project `Innovatief Ondiep Bouwen' en is uitgevoerd onderauspici?n van het Consortium Delft Cluster / COB. Het project `Bijzondere Belas-tingen' is gefinancierd door de uitvoerende Delft Cluster partijen, (BSIK) enRijkswaterstaat. Daarnaast maakt Rijkswaterstaat Dienst Infrastructuur deel uitvan de begeleidingscommissie van het project.3Explosies in tunnels 52010 | onlineBelastingenBij een explosie komt in korte tijd zoveel energie vrij dat ereen druk-/schokgolf (blast) ontstaat die zich voortplant in deomringende omgeving. De grootte van een dergelijke explo-sie en de mate waarin de omgeving wordt belast, hangt sterkaf van het type explosie en de hoeveelheid explosief/reactiefmateriaal. Een explosie in een tunnel is anders dan eenexplosie in een open ruimte doordat een tunnel in dwars-richting gesloten is, terwijl hij in rijrichting juist open is.Een blastgolf belast de tunnelconstructie, terwijl de golf zichin rijrichting nagenoeg ongehinderd kan voortplanten.Het transport van gassen over de weg heeft plaats in drukvatenwaarbij het gas tot een vloeistof is gecomprimeerd. Explosieskunnen optreden doordat de tank beschadigd raakt, bijvoor-beeld door een botsing of een brand. Een brand warmt de tankop, waardoor de inwendige druk toeneemt terwijl de sterktevan de tank juist afneemt. Afhankelijk van de thermodynami-sche toestand van de inhoud van de tank kan bij het bezwijkenvan het vat een aantal verschijnselen optreden. Er wordt onder-scheid gemaakt tussen gasexplosies en BLEVE's. Dit artikel gaatalleen in op BLEVE's; voor belastingen door gasexplosies wordtverwezen naar eerder opgestelde vuistregels [3].Een BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) iseen fysische explosie. Indien de tank bezwijkt, zal het gas snelverdampen. Deze snelle faseverandering van vloeistof naardamp kan een aanzienlijke schokgolf (blast) veroorzaken. Dekracht van een BLEVE wordt in hoge mate bepaald door desnelheid waarmee het vloeibare gas vrij kan komen, de snelheidvan verdampen en de mate van opsluiting. Zowel de kans vanoptreden van een BLEVE als de drukgolfeffecten zijn dan ooksterk afhankelijk van de constructie en de bezwijkwijze van detank [2].Onderscheid wordt gemaakt tussen een warme en een koudeBLEVE. Bij een warme BLEVE is de aanleiding van het bezwij-ken van de tank een brand waarbij de druk in de tank toeneemten de sterkte afneemt. Uiteindelijk kan dit leiden tot het bezwij-ken van de tank doordat de belasting op de tankwand groterwordt dan de sterkte van de tank. Bij een koude BLEVEbezwijkt de tank door een mechanische belasting of schade aande tank.Ontwerpwaarden voor de belastingEerder in dit artikel is al opgemerkt dat de ontwerpbelastingendie zijn gegeven in de vigerende normen niet representatief zijnvoor de situatie van een explosie in een tunnel. Daarom isbinnen het Delft Cluster onderzoek en de studie uit [1] eenvoorstel gedaan voor de aan te houden ontwerpwaarden van deoptredende belastingen bij een BLEVE (tabel 1). De ontwerp-waarden zijn gebaseerd op een door TNO ontwikkeld modeldr.ir. Adri Vervuurt, ir. Henco Burggraafen ir. Bert van den BergTNOdr.ir. Jaap WeerheijmTNO / TU Delft1 Er is behoefte aan inzicht in de belastingenbij explosies door gevaarlijke stoffen intunnelsdat geval een rationele afweging worden gemaakt welkemaatregelen verantwoord en kosteneffectief zijn, rekeninghoudend met de economische consequenties, de veiligheidvan personen in de tunnel, buiten de tunnel en in de omge-ving van de eventuele omrijroute.WetgevingVoor de constructieve beoordeling van een (tunnel)constructieonder invloed van explosiebelastingen is het voor de construc-teur van belang inzicht te hebben in de karakteristieken van deoptredende belasting waarmee rekening moet worden gehou-den. In Nederland moeten bouwwerken voldoen aan hetBouwbesluit. In het Bouwbesluit wordt voorts verwezen naarnormen waarmee kan worden aangetoond dat een constructievoldoende veilig is (NEN 6700, NEN 6702, NEN6720).Met de beoordeling van tunnelconstructies die onderhevig zijnaan explosiebelastingen wordt in de voornoemde normenstel-sels echter geen rekening gehouden. Voor zover explosiebelas-tingen al worden benoemd, vallen deze buiten het toepassings-gebied van tunnels. Verder hebben de bepalingsmethoden dieworden beschreven in NEN 6720 en EN 1992-1-1 betrekkingop overwegend statisch belaste constructies. Dat betekent datde normen in principe niet zijn bedoeld voor de beoordelingvan constructies bij extreem dynamische belastingen zoalsexplosies.Samenvattend kan worden gesteld dat er geen eenduidige normenen criteria zijn voor het constructief ontwerpen van tunnels onderexplosiebelastingen. De belangrijkste kennishiaten in dit kaderhebben betrekking op de volgende drie aspecten:1 de belastingen waarmee rekening moet worden gehouden;2 de bepalingsmethoden voor de constructieve response;3 de toetsingsmethoden en ?criteria.In dit artikel wordt nader ingegaan op deze drie aspecten.Opgemerkt wordt dat naast de kennishiaten voor de beoorde-ling van de constructieve veiligheid, ook weinig bekend is overde afweging van de verschillende veiligheidsaspecten, waaron-der de interne en externe veiligheid in relatie tot de construc-tieve veiligheid en de economische consequenties en risico'smet betrekking tot het vervoer van gevaarlijke stoffen doortunnels.4 Explosies in tunnels52010 | onlineextra online110 kN/m1217 kN/m1223kN/m1166kN/m1166kN/m1223kN/m1ftEcelcr;ufcEcccupP tdtdt2 Belastingkarakteristiek3 Geometrie en grond- en waterbelastingen van de beschouwde case4 Materiaalgedrag van beton onder trek (a) en onder druk (b)verwacht op basis van een (quasi-)statische belasting. Dit kanleiden tot andere bezwijkmechanismen, zoals bezwijken onderinvloed van dwarskracht in plaats van buiging.De weerstand van de constructie tegen explosiebelastingen wordtvoor een belangrijk deel bepaald door het plastische vermogenvan de constructie. De sterkte van de toegepaste materialen onderdynamische belastingen is normaliter hoger, maar het gedrag vaakbrosser. Verder is bekend dat lineair materiaalgedrag een aanzien-lijk ongunstiger beeld levert van de krachtsverdeling dan indienniet-lineaire effecten wel worden meegenomen. Om deze redenenis het voor de constructieve beoordeling onontbeerlijk gebruik temaken van een eindige-elementenmodel waarin rekening wordt[2]. De in de tabel gegeven belastingen hebben betrekking opde belasting op de tunnelwand, en zijn uitgedrukt in een piek-druk p (in kPa) en een impuls I+ (in kPa.s). De belastings-vorm kan worden geschematiseerd tot een driehoek met eenschokfront (fig. 2).In het kader van een lopende promotiestudie aan de TU Delftwordt een nieuw model ontwikkeld waarmee een minderconservatieve voorspelling van de kracht van een BLEVE wordtvoorspeld. Recent is het TNO BLEVE-model gecombineerdmet experimentele data. Uit deze minder conservatieve model-leringen blijkt dat een reductie van de belasting kan wordenverwacht die kan oplopen tot een factor drie. In het onderha-vige onderzoek is hierop ingespeeld door zowel de gevolgenvan een maximale BLEVE-belasting (p = 1620 kPa) als degevolgen van een gereduceerde BLEVE-belasting (p =510 kPa) te onderzoeken.ConstructiegedragVoor de constructieve beoordeling is het van belang dat rekeningwordt gehouden met de dynamische effecten die optreden in hetgeval van een explosie. De extreem dynamische belasting wekt eencomplex patroon van spanningsgolven op in de constructie, waar-door een andere krachtsverdeling optreedt dan zou worden34a 4b25Explosies in tunnels 52010 | onlinefs;ufs;0.2Esss;u55 Materiaalgedrag van de wapeningModelleringDe geometrie en het model van de beschouwde tunneldoor-snede zijn gegeven in figuur 3. De tunnel bestaat uit tweekokers voor het verkeer en een middenkoker. De wanden vande middenkoker zijn dun in vergelijking tot de buitenwanden.Het dak heeft een maximale overspanning van ongeveer14,5 m. De grond op en rond de tunnel is eveneens meegeno-men in het model.De belastingen op de tunnel in de gebruikstoestand bestaan inhoofdzaak uit de permanente belastingen door het eigengewicht van de tunnel, de grond en het water. De belastingenten gevolge van de grond en het water zijn gegeven in figuur 3.Voor het gedrag van het beton is gebruikgemaakt van eigen-schappen zoals schematisch weergegeven in figuur 4. Voor dewapening is uitgegaan van het materiaalgedrag volgens figuur5. Voor het beton en het staal is hierbij uitgegaan van de mate-riaaleigenschappen in tabel 2.Voor de modellering van het gedrag van de grond is gebruikge-maakt van lineair-elastische materiaaleigenschappen. Om deinvloed van de aangenomen stijfheid van de grond te onder-zoeken, zijn berekeningen gemaakt met een relatief hoge eneen relatief lage glijdingsmodulus (5 MPa en 150 MPa).Resultaten van de berekeningenEnkele karakteristieke resultaten voor een gereduceerdeBLEVE-belasting zijn gegeven in de figuren 6 en 7. De resul-taten laten zien dat er veel schade optreedt aan de midden-wand. In geval van een maximale BLEVE-belasting treedt ooksubstanti?le schade op aan het dak en de buitenwand van dekoker waar de explosie plaatsheeft. Daarnaast kan ook schadeontstaan door rondvliegende stukken van de bezwekentussenwand. Deze aspecten zijn niet meegenomen in demodellering.Uit de berekeningen is gebleken dat de invloed van de stijf-heid van de grond marginaal is voor het gedrag van de tunnel.Dit betekent dat kan worden gesteld dat de grondstijfheid vanondergeschikt belang is, zolang deze grondstijfheid binnen debeschouwde grenzen (5 G 150 MPa) blijft. Indien erbijvoorbeeld verweking van de grond optreedt, is het mogelijkdat de invloed van de grond wel een rol speelt voor de uiteinde-lijke stabiliteit van en schade aan de tunnel.gehouden met de dynamische effecten en fysisch niet-lineairmateriaalgedrag. Omdat de grond de tunnel enerzijds onder-steunt, maar anderzijds ook belast, is het van belang dat ook degrond en de interactie van de tunnel met de grond, wordenmeegenomen in het model.Voor de uitvoering van de berekeningen en de beoordeling kangebruik worden gemaakt van verschillende pakketten [4, 5, 6].Het eindige-elementenprogramma DIANA staat bekend om debeschrijving van het niet-lineaire gedrag van betonconstructies.Ook op het gebied van grondmodellering biedt DIANA moge-lijkheden, al zijn deze wat betreft de materiaalmodellenbeperkter dan bijvoorbeeld in PLAXIS. PLAXIS is juist bekendvanwege de modellering van grond en minder vanwege demechanische (beton)modellering. Zowel DIANA als PLAXIS isgebaseerd op een impliciete rekenmethode, die vooral voordynamische effecten minder effici?nt is. Voor dynamischeproblemen zijn expliciete rekenmodellen zoals LSDYNAdaarom beter geschikt. In het eerder genoemde Delft Clusteronderzoek is gebruikgemaakt van alle drie de programma's.In het vervolg van dit artikel zijn de modellering en de beoor-deling toegelicht van een fictief voorbeeld, dat is uitgewerktmet LSDYNA. Hierbij wordt ingegaan op de modellering vande geometrie en de materialen. Daarnaast worden de resultatenbesproken en wordt ingegaan op de gehanteerde beoordelings-criteria. De case is in detail omschreven in [6].Tabel 1 Voorgestelde ontwerpbelastingen voor een koude en een warmeLPG-BLEVE (0)afstandtot bron (m)LPG temperatuur 290 K(koude BLEVE)LPG temperatuur 340 K(warme BLEVE)p (kPa) I+(kPa.s) p (kPa) I+(kPa.s)0 450 30 1620 65> 20 80 10 185 20Tabel 2 Materiaaleigenschappen beton en staalbetondichtheid mc2400 kg/m3elasticiteitsmodulus Ec26,5 GPagedrag onder trekft3,22 MPael0,12 10-3cr;u2,05 10-3gedrag onder drukfc35 MPac1,32 10-3cu3,5 10-3staaldichtheid ms7850 kg/m3elasticiteitsmodulus Es200 GPagedrag onder trek/drukfs530 MPafs;0.2500 MPafs;u3,25 10-26 Explosies in tunnels52010 | onlineextra online7tijd (seconden)rekinY-richting(10-3)0-1-2-3-4-5-60 0.2 0.4 0.6 0.7 1grenswaarde betonstuik66 Afbeelding van de schade (0 = geen schade, 2 = volledig bezweken) na 0,1 secblootstelling aan een gereduceerde LPG-BLEVE-belasting7 Betonrek in verticale (Y-)richting aan de drukzijde van de rechter tussenwandals functie van de tijd voor een gereduceerde BLEVE-belasting (tussen 0 en0,2 sec wordt de permanente belasting aangebracht; na 0,2 sec volgt deexplosiebelasting)2 Een maximale LPG-BLEVE-belasting (p = 1600 kPa;I = 64 kPa.s) leidt tot globaal bezwijken van de tunnelcon-structie ter plaatse van de explosie. De tussenwand in detunnelkoker waar de explosie plaatsheeft, bezwijkt binnen0,01 s. Vloeien en mogelijke breuk van de wapening leidentot grote vervormingen.De verschillen in het dynamisch gedrag voor een tunnel inslappe grond en in stijve grond zijn klein. De verschillen zijnvoornamelijk waar te nemen in het scheurpatroon. In detunnelkoker waar de explosie plaatsheeft, leidt stijvere grondtot minder scheuren.De resultaten van de berekening tonen aan dat het gedragwordt gedomineerd door het gedrag van de tunnelconstructie.Het modelleren van explosiebestendige tunnels vraagt daaromom een geavanceerd materiaalmodel voor de tunnelconstruc-tie. Wanneer een goed, betrouwbaar materiaalmodel beschik-baar is, kan de tunnelberekening worden gekoppeld aan toet-singscriteria voor repareerbaarheid en kosten. De betrouwbaar-heid van de materiaalmodellen voor beton onder dynamischeomstandigheden is in het onderhavige onderzoek echter nietgevalideerd. Hiervoor zijn experimenten noodzakelijk. Degrond moet in de modellering worden meegenomen; echter,zolang de stijfheid binnen bepaalde grenzen blijft, is dezeminder van belang. Een eenvoudig materiaalmodel voor degrond volstaat in dit geval. Zoals opgemerkt treedt in geval van een maximaleLPG-BLEVE-belasting ook significante schade op in de overigeonderdelen van de koker (dak en rechterwand) en wordt opverschillende plaatsen in het dak de stuikrek van het betonoverschreden (fig. 7). Tevens wordt in de wapening aan deonderzijde van het dak van de rechter tunnelkoker de vloei-spanning van de wapening overschreden. De maximale rek inde wapening bedraagt 8%. Dit betekent dat waarschijnlijkwapeningsbreuk optreedt (de rekenwaarde van de breukrek is3,5%, de werkelijke breukrek varieert tussen 7 en 10%).Op grond van de grote vervormingen, de aanzienlijke hoeveel-heid schade, de overschrijding van de stuikrek van het beton eneen overschrijding van de vloeispanning van de wapening, kanervan worden uitgegaan dat de tunnelconstructie onderinvloed van een maximale BLEVE-belasting bezwijkt over eenlengte van tientallen meters. Onder invloed van een geredu-ceerde BLEVE-belasting zal de tussenwand bezwijken, maartreedt geen globaal bezwijken op. Verwacht wordt dat deschade op enige afstand (20 m) van de explosie beperkt zal zijn(zie tabel 1).ConclusiesSamengevat worden voor de tunnelresponse de volgendeconclusies getrokken:1 Een gereduceerde LPG-BLEVE-belasting (p = 510 kPa;I = 12 kPa.s) leidt binnen 30 ms tot lokaal bezwijken van detussenwand over een lengte van 40 m. In het resterende deelvan de tunneldoorsnede treedt scheurvorming op. literAtuur1 Vervuurt, A.H.J.M. e.a., Vergroting van de mogelijkhe-den voor het vervoer van gevaarlijke stoffen doortunnels in Rijkswegen. TNO-rapport 2008-D-R1116/B,19 december 2008.2 Berg, A.C. van den, J. Mediavilla Varas, J. Weerheijm,J.R. van Deursen, Pressure load on a cylindrical tunnelcaused by a LPG BLEVE: Influence of the vessel failuretime. Delft Cluster rapport TC211-01-08, 7 april 2008.3 Berg, A.C. van den, M.P.M. Rhijnsburger en J. Weerhe-ijm, Vuistregels voor explosiebelasting en respons vanverkeerstunnels. TNO-rapport PML 2001-C121, d.d.augustus 2001.4 Vervuurt, A.H.J.M., A2-Overkluizing Leidsche Rijn.Beoordeling van de sterkte van de variantoplossingenvoor de overkluizing bij explosie ten gevolge van eenBLEVE met behulp van DIANA. TNO-rapport 2005-CI-R0094, 17 augustus 2005.5 Jong, D.J. de, Explosion loads in immersed tunnels.Afstudeeronderzoek TU Delft, februari 2009.6 Burggraaf, H.G. e.a., Full system response Thomassentunnel under impact load using LS-DYNA. DelftCluster rapport november 2009 (in press).