? utiliteitsbouw.? ? bouwgeschiedenising.H.Mulder, NV Elektriciteits-Produktiemaatschappij Zuid-Nederland EPZOp de terreinen van D5M in Geleen bouwt de NV Elektriciteits-ProduktiemaatschappijZuid-Nederland EPZ momenteel aan een nieuwe warmte/krachtcentrale voor de leveringvan elektriciteit en stoom. Deze warmte/krachtcentrale, 5wentibold genaamd, gaatoude installaties vervangen en wordt het nieuwe technische hart van de utiliteitsvoorzie-ningen voor de D5M-locaties Noord en Zuid. De nieuwe centrale heeft een hoog rende-ment (gemiddeld 80%) en leidt daarom tot een aanzienlijke energiebesparing en mindermilieubelasting.Het meest in het oog springende bouwwerk van Swentibold is de 80 mhoge, betonnenkoeltoren. Dit artikel gaat in op enkele ontwerp- en uitvoeringsaspecten van de voor koel-torens over de gehele wereld zo typerende hyperbolo?dische schaalconstructie, die beorust op een gepatenteerde Nederlandse vinding.KOELTORENWARMTE/KRACHTCENTRALESWENTIBOLDIN GELEENIndustri?le monumenten uit de eerste helftvan deze eeuw: koeltorens op de terreinenvan de Staatsm?nenCEMENT1998j7j8In 1915 deed prof.dr.ir.F.K.Th. van Iterson, di-recteur der 'Staatsmijnen in Limburg', hetverzoek aan het bureau van ir.G.Kuypers demogelijkheid te onderzoeken een koeltorenin gewapend beton te bouwen bestaande uiteen 'dun betonnen vlies', gebaseerd op hetprincipe van de 'eierschaal'. Hij werd bij ditverzoek geleid door de gedachte dat een al-dus geconstrueerde koeltoren economi"scher zou zijn dan de toen gebruikelijke hou-ten torens, die hoge onderhoudskostenvergden.Door Bureau Kuypers werd een koeltorenontworpen en uitgevoerd in de vorm vaneendunne, schaalvormige omwentelingshyper-bolo?de. Deze vorm bood enkele belangrijkevoordelen:? een hyperbolo?dische koeltoren werktevenals een cilindervormige koeltoren alseen schoorsteen met natuurlijke trek. Deonderin aangezogen koellucht stijgt om-hoog, terwijl het in druppels verdeeldekoelwater naar beneden valt. In een hyper-bolo?de is echter de verdeling van lucht enwater over elke horizontale doorsnedeveel gelijkmatiger dan in een cilinder, het-geen de koelcapaciteit ten goede komt;? bij een uitvoering in gewapend beton kande wand vrij dun worden, bijvoorbeeld opelke hoogte 1j200 ? 1j240van de diame-ter op die hoogte;? omdat de kleinste diameter op enige af-stand onder de bovenrand voorkomt (de'taille') vermindert de luchtstroomsnel"heid bovenin de toren, wat gunstig is om-datdie luchtbijna volledig metwaterverza-digd is;? aangezien een hyperbolo?de een regelvlakis, liggen er op een oppervlakmet die vormtwee stelsels rechten (de 'beschrijven-den'), zodat deverticale wapeningvollediguit rechte staven kan bestaan, wat de uit-voeringskosten beperkt;? de wand van een koeltoren van het hyper-bolo?detype is zo sterk, dat er geen knik,breuk en scheuren zullen ontstaan.De eerste twee koeltorens volgens het sys-te?m Van Iterson-Kuypers zijn in 1918 opge-leverd op het terrein van de staatsmijn Em"ma in Hoensbroek. Vanaf het begin van dejaren twintig kreeg hetsysteem ook veel bui-tenlandse navolging.11_utiliteitsbouw- ? algemeen ontwerpOpmerkelijk genoeg is de constructie des"tijds nietberekend. Afmetingen en wapeningzijn intu?tief en steunend op constructief in-zicht schattenderwijze vastgesteld, waarbijvooral de invloed van de wind is beschouwd.Tegenwoordig zijn daarvoor geavanceerdeeindige-elementenmethoden beschikbaar.De koeltoren van de WKC Swentibold te Ge-leen werkt ookvolgens hettegenstroomprin-cipe met natuurlijke trek. Bij dit type koelto-renskomt het te koelen water in een openkringloop in direct contact met de buiten-lucht. De warmteonttrekking geschiedt doorconvectie en door de verdamping van circatwee procent van de koelwaterhoeveelheid.Het warme koelwater dat uit de WKC komtwordtboven de koelpakketten, die zich in hetonderste deel van de koeltoren bevinden,verneveld. De lucht stroomt langs de koel-pakketten omhoog en komt zo in contactTabel 1Belangrijkste afmetingen van de koeltorenmet hette koelenwater. Het koelwaterwordtopgevangen in het koelwaterbass.in en vandaaruit via het koelwaterpompengebouwnaar de WKC gepompt.12 CEMENT1998/7/84554221050258936620307624058750520654701142616229604917542070445356597790055507180011LEc:cuEcuWV>enc::;::U>Xcu-0314177c:cuc:.~-0===..j'"I.--------._~------J---!8Z-~?--"--------!L~------_----J~,----_____ __ _ __~_--J---!~P-~! cc ?O_~ J~,____ __ _ -_-------- _III 17777 170 71.-------r-------"-------------c------------~------------------ ---------------------------III 17468 170 66.------T----------------~----------------------------------- -----~---"------------"-----II_cc"_J !?!?L cc!7_~ ~~!, _____ _ _III____--J !?0_l4 1.?_~ ---.s-~, _ ___ ~ _II_____J---!?P_~!__~ !?p__ _ 51_ _ __ _ _III 17370 170 46.-------r----------------------------~-- _c------------------- --~ -------------------------III 17918 170 41-~- ----r--~----------,.--,.--_._--------.,.--.-----------_.----------,.- ----_.---------------------II______-'- !~E~ !?~" J~ _III 1960Z 170 3l-------~------------" ----------------------------------III 20669 170 26------t-------------"--"----------------------------------III 21846 170 21--1-------- -----------------------.------------II_____~ 23_!!! _______!!_~ 16 __ _III 24442-------r-------------- ---------------------------------III 25766-------?"-"- ----------------------------_.--,.-,.------------,.-II____L_2!_~~_0" " ~.s_~_ _ _CD Doorsnede koeltorenschaalBerekeningDe berekening van de koeltoren is onder teverdelen in:1. gewichtsberekening;2. berekening van fundering, V-kolommen,stijgschacht, bassin en prefab-betoncon-structie;3. berekening van de schaal.De onderdelen 1 en 2 zijn berekend volgensde TGB 1990. Hiervoor is gebruik gemaaktvan Eurocode 2 (betonconstructies) incom-binatie met cle bijbehorende NederlandseNAD's. Hierdoor ontstond een prima aan-sluiting op de berekening van de palen, dieeveneens volgens de TGB waren berekend.~De schaal van de koeltoren rust op twintig V-kolommen, elk gefundeerd op vier Vibropa-len. Aan de hand van het funderingsrapportzijn de paalkopzettingen bepaald voordepermanente en de veranderlijke belasting(wind). Metbehulpvan deze waarden zijn deveerconstanten van de palen bepaald. Ge-zien de spreiding tussen de te verwachteneindzettingen is gerekend met een hardeoplegging (kleine eindzettingen) en een,zachte oplegging (grote eindzettingen).Constructief ontwerpDe koeltorenconstructie kan worden onder-verdeeld 1n de onderdelen fundering, V-ko"lommen,koeItorenschaal, koelwaterbassin,onderconstructie voor de koelpakketten,watertoevoer en verdeelsysteem, en koelto-renpompengebouw.In tabel 1 zijn de belangrijkste afmetingensamengevat. Tabel 2 en figuur 1 laten hetdikteverloop van de schaal zien.Ter verstijving van de bovenste rand van deschaal is aan de top een rondgaande goot(bovenste ringbalk) gemaakt, bereikbaardoor middel van een aan de buitenzijde aan-gebrachte kooiladder.Tabel 2Dikteverloop van de schaalconstructieCEMENT1998/718 13? utiliteitsbouw ? constructief ontwerp?Het berekenen van de koeltorenschaal vol-gens de TGB 1990 bleek echter niet goedmogelijk. In hetalgemeen worden koeltoren-schalen berekend volgens de DIN 1045 'Be-ton und Stahlbeton, Bemessung und Aus-f?hrung', in combinatie met de BTR, 'Bau-technik bei K?hlturmen', uitgegeven doordeVGB 'Technische Vereinigung der Gross-kraftwerkbetreiber EV'.ln deze BTR zijn extrauitgangspunten vastgelegd met betrekkingtot ontwerp, berekeningen uitvoering vankoeltorens.Een belangrijk onderdeel van de BTR is hethoofdstuk belastingen. Hierin zijn de speci-fieke eisen vastgelegd die aan een koeltorenworden gesteld, zoals windbelastingen, dy-namische invloeden, onderlinge be?nvloe-ding van bij elkaar in de nabijheid staandekoeltorens, onderdruk binnen de koeltoren,temperatuurbelastingen en montagebelas-tingen.Door het andere veiligheidsconcept van deTGB 1990 ten opzichte van de DIN 1045, incombinatie met de daarop gebaseerde BTR,bleek de hoeveelheid wapening onrea-listische hoeveelheden aan te nemen. Om-dat een aan de BTR verwant document, ge-relateerd aan de TGB 1990 of de Eurocodeontbreekt, is besloten de schaal te bereke-nen volgens de DIN 1045. De invloed op dekolommen, poeren en palen bleek echterzeer beperkt, zodat hiervoor wel de Euroco-de kon worden gebruikt.BelastingenDe volgende belastingsgevallen zijn be-paald:Eigen gewichtWindbelasting- Uitwendige drukverdelingDe windbelasting op hoogte z wordt over-eenkomstig de BrR berekend en weergege-ven door de volgende formule:waarin:Cp is de winddrukco?ffici?nt;cp is de dynamische vergrotingsfactor;qo is de stuwdruk.Hetverloop van de stuwdruk is weergegevenin tabel?3.Volgens de BTR bedraagt de dynamischevergrotingsfactor bij een koeltoren van dezeafmetingen:cp = 1,10De winddrukco?ffici?nt is afhankelijk van deruwheid van hetkoeltorenoppervlak. Om dewindwerking van de schalen afte leiden wor-den ribben ('Iisenen')ophet oppervlak aan-gebracht. Bij een ribafstand van 2,38 m opeen derde van de hoogte van de schaal eneen gemiddelde ribhoogte van 38 mm be-draagt de waarde van Cp = 1,1- BinnentrekDe binnentrek (onderdruk binnen de koelto-renschaal) wordt rotatiesymetrisch en overde hoogte constant blijvend volgens de BTRgesteld op:Ws = -0,5 qo = -0,70 kNjm2Temperatuurbelasting- Bedrijfstoestand? buitentemperatuur -15 oe? binnentemperatuur +30 oe? warmteovergangsco?ffici?nt 20 Wjm2/K? warmtegeleidingsco?ffici?ntgewapend beton 2,03 W/mK- Zonne-instralingOvereenkomstig de BTR wordt uitgegaanvan een over de halve omtrek sinusvormigverlopend, effectief temperatuurverschilvan 25 oe over de schaaldikte.SchematiseringVoor de berekening van de inwendige krach-ten in de koeltorenconstructie en de dimen-sionering van de schaal is gebruikgemaaktvan het computerprogramma ROSHE3. Degehele dragende schaalconstructie, be-staande uitbovenste ringbalk, schaal, V-ko-lommen en fundering, is met een eindige-elementenprogramma berekend.De diverse elementen zijn als volgt gesche-matiseerd:? bovenste ringbalk: ruimtelijke boogele-menten;Tabel 3Verloop van de stuwdruk? schaal: gekromde vier- en driehoekigeschaalelementen met 48, respectievelijk36 vrijheidsgraden per element;? kolommen: ruimtelijke staafelementen;? fundering: ruimtelijke trek-/druk- en torsie-veerelementen in combinatie met staaf-elementen.Stabiliteit van de schaalMet behulp van een globale lineaire stabili"teitsanalyse van de gehele dragendeschaalconstructie werd de knikbelasting be-paald. Voor de belastingscombinatie eigengewicht + wind + binnentrek werd een elasti-sche knikveiligheid gevonden van ?kr = 19,4(fig. 2). De invloed van onvermijdelijke geo"metrische onvolkomenheden op de knikvei-ligheid werd volgens de theorie van de gere-duceerde membraanknikbepaald. De knik-veiligheid werd zo gereduceerd tot 0,876 x19,4 = 17,0, hetgeen ruim boven de in deBTR gestelde minimumwaarde van 5,0 ligt.FunderingDe schaal van de koeltoren is gefundeerd optachtig stuks Vibro-palen met een diametervan 406/497 mm en een lengte van circa6,5 m. De palen zijn, om de spatkrachten uitdekoeltorenschaal op te kunnen vangen,onder een helling 4:1 geheid. Per V-kolomzijn vier palen geslagen. De rekenwaardevan de paalbelasting bedraagt 1050 kNoDe stijgschacht van het watertoevoersys-teemis eveneens op palen gefundeerd. Ditfundament heeft tijdens de bouwfase vande schaal tevens dienst gedaan als kraan-fundament.Het koelwaterbassin is op staal gefundeerd.Hetterrein waarop deWKCSwentibold wordtgebouwd, heeftover de diagonaal een hoog-teverschil van circa 3 m. Om te voorkomendat de koeltoren aan ??n zijde op een soortterp zou komen te liggen, was het noodzake-lijk om het peil van de koeltoren lager te leg-gen dan het peil van de WKC. Doordat hetbekken enigszins is ingegraven, was eenfundatie op staal zonder meer mogelijk.Het gewicht van de weggegraven grondkwam overeen met dat van het koelwater-bekken, inclusiefwater, waardoorzakkingentot een absoluut minimum zijn beperkt.De verbinding tussen de bassinbodem ende stijgschacht is gedilateerd. Tevens is debassinbodem in verschillende delen gedila-teerd om spanningen als gevolg van tempe-ratuurverschillen van het koelwater en tus-sen koelwater en omliggende grond te be-perken en beheersbaar te maken.eEMENT1998j7/84292/21802146 2146\CJ 1-"-----r-.:n-.rlh7""lJ1lJ1 I-"-----l-...l>.l.