? utiliteitsbouw ? algemeen ontwerp?C.Kalverboer MBA en ir.M. van de Gevel, NV Elektriciteits-Productiemaatschappij Zuid-Nederland EPZIn dit artikel wordt ingegaan op de nieuwbouw van de kernenergie-eenheid van de centra-le Borssele zoals die is gerealiseerd binnen het project Modificatiesvan de NVElektrici-teits-Productiemaatschappij Zuid-Nederland EPZ. Eerder werd in Cementde nieuwbouwvan de kernenergie-eenheid beschreven [1]. Ook is in Cement een overzicht gegeven vanverschillende typen kernreactoren en de bijbehorende reactorgebouwen [2]. In het navol-gende wordt met name ingegaan op de bescherming van de nieuwe gebouwen tegen ex-terne ongevallen,waarvan debelangrijkste een aardbeving en een neerstortend vliegtuigzijn, en wordt de bescherming tegen belastingen tengevolge van een verondersteldebreuk van de voedingswaterleidingen en de hoofdstoomleidingen toegelicht.NIEUWBOUWKERNENERGIE-EENHEIDCENTRALE BORSSELEBIJZONDERE BELASTINGEN IN BESCHOUWING GENOMENCD Vestigingslocatie centrale BorsseJe NVEPZ; links conventionele koleneenheid,rechts kernenergie-eenheidfoto: Aerocamera Hofmeester, RotterdamDe doorSiemens Kraftwerk Union (KWU) ge-bouwde kernenergie-eenheid van de centra-le Borssele (foto 1) is uitgerust met eendrukwaterreactor en produceert sinds 1973elektrische energie. Dekernenergie-een-heid heeft een elektrisch vermogen van 480MWe en draagtvoor circa 5% bij aan de tota-le Nederlandse elektriciteitsbehoefte. Ge-zien de hoge beschikbaarheid en de totalebedrijfstijd is de eenheid, met een totaleelektriciteitsproductie van circa 72 TWh,koploper in Nederland ten aanzien van detotale hoeveelheid geproduceerde elektri-sche energie.AchtergrondenOp basis van de door de Nederlandse over"heid verlangde tienjaarlijkse evaluatie vande veiligheid van de kernenergie-eenheid,werd in 1992 besloten modificaties aan deinstallatie uit te voeren om de bedrijfsvoe-ring tot het einde van de technische levens"duurvan de eenheid te kunnen continueren.Daarbij werd er voor gekozen het ontwerpvan de kernenergie-eenheid aan te passenaan de huidige ontwerpeisen die aan nieuwte bouwen kernenergiecentrales worden ge-steld. Belangrijkste randvoorwaarde hierbijwas dat de totale productiekosten van elek-8 CEMENT1997/419800Samenvatting werkzaamheden projectModificatiesDoorsnede reactorgebouw;1. kernreactor2. splijtstofopslagbassin3. stoomgenerator4. hoofdstoomleidingen5. ringwand6. primaire veiligheidsomhulling (staal)7. ringruimte8. secundaire veiligheidsomhulling (beton)+33500~~~~---=~~~~~~-l4----?~--II-+--(j)??+3000+49950? De beveiliging van de reactor wordt uitge-breid en vernieuwd teneinde, op basis vaneen verdergaande automatisering, de af-hankelijkheid van menselijk handelen teverkleinen.? Het hoofdstoomsysteem en het voedings-watersysteem in het reactorgebouw wor-den voorzien van nieuwe leidingen om dekans op lekkages te verkleinen. De hoofd-stoomleidingen en voedingswaterleidin-gen worden daarnaast uitgerust met vastepunten om bij breuk van de leidingen bui-ten het reactorgebouw de optredendekrachten te kunnen opnemen.? De veiligheidskleppen van de reactor wor-den vervangen door verbeterde systemenom de bedrijfszekerheid te verhogen.? Het noodkoelsysteem, het tussenkoelwa"tersysteem en het hulpkoelwatersysteemworden verbeterd, onder meer door schei-ding van de leidingloop.1995 1996 1997j f m a m j j a s o n d j f mam j j as 0 n d j f m a m j jnieuwbouw gebouw 35montage gebouw 35nieuwbouw gebouw 72montage gebouw 72brandveiligheidsmaatregelenelektris?h "heidenaanleg bronnenkoelsysteemaardbevingsmaatregelenmntainmentfilterprovisorium regelzaalpr"ces presentatie systeemstilstandsperioden? splijtstofwissel_stop 1996? mod-stop 1997ModificatiesDe noodzakelijke aanpassingen bestaan inhoofdlijnen uit zestien wijzigingen aan ge-bouwen, systemen en componenten, als-mede de bouwvan een simulatorvoor de op-leiding en training van het personeel van deeenheid.De belangrijkste wijzigingen kunnen als volgtworden samengevat:? De regelzaal wordtvernieuwd om de bedie-ning van de kernenergie-eenheid te verbe-teren en aan te passen aan de nieuwe ende te modificeren systemen.triciteit door de gemodificeerdekernener-gie-eenheid niet hoger mochten zijn dan dievan een nieuwte bouwen gasgestookte cen-trale, uitgerust met een stoom- en gasturbi-ne (STEG).De modificaties dienen dan ook uitgevoerdte worden binnen een budget van f 467 mil-joen. De totale bouwkundige ombouwkos-ten, inclusief advieskosten, projectbegelei-ding en toezicht, bedragen circa f 30 mil-joen.Reeds in 1989 werden door Belgatom enAIB-Vincotte studies uitgevoerd om de ont-werpbasis van de eenheid te vergelijken metdie voormoderne kernenergiecentrales, re-kening houdend met de meest recente nu-cleaire richtlijnen en voorschriften. Deze stu-dies werden gevolgd doorgedetailleerde on-derzoeken naar de belangrijkste veiligheid-saspecten. In 1991 werd een veiligheids-concept ontwikkeld waarin de nieuwe ont-werpbasis en de uit te voeren modificatieswerden vastgelegd. Dit concept is voorge-legd aan de Nederlandse overheid. Na goed-keuring werd een lumpsum/turnkey-over-eenkomst gesloten met Siemens KWU, om-vattende ontwerp, fabricage, bouw, installa-tie en inbedrijfstelling van de aan te passenen nieuw te bouwen gebouwen, systemenen componenten.Voor het civiele deel werden door SiemensKWU de detailberekeningen en het makenvan de vorm- en wapeningstekeningen voorde nieuwe gebouwen in opdracht gegevenaan Haskoning;de uitvoering aan BAM Sre-dero.Na een uitgebreide vergunningsprocedurewerd in 1995 met de nieuwe gebouwen ge"start. Er is voorzien de laatste aanpassingenaan de installatie in combinatie met een re-visieperiode, waarin wisseling van de splijt-stofelementen plaatsheeft, in 1997 uit tevoeren. In figuur 2 is een overzicht gegevenvan een aantal werkzaamheden.CEMENT1997/ 4 9? utiliteitsbouw ? algemeen ontwerp?04@ Beschermde zone01/02. reactorgebouw03. reactorhulpgebouw04. machinegebouw (stoomturbine)05. schakelgebouw10. noodstroomdiese/gebouw I33. reserve suppletiegebouw35. reserve regelzaalgebouw72. noodstroomdiese/gebouw 11~~Beschermde zone031005? De noodstroomvoorziening wordt verbe-terd. Hiertoe worden nieuwe, ruimtelijk ge-scheiden noodstroomaggregaten (die-seis) geplaatstdie de ononderbroken wer-king van de systemen garanderen.? De koelwatervoorziening wordt verbeterddoor een nieuw reservekoelsysteem datde koeling van de installatieverzorgt, inge-val de normale koelwatersystemen dooreen ongeval zouden uitvallen. Het nieuwesysteem onttrekt grondwater via bronnenop een diepte van circa 42 m, waardoor denoodkoeling onafhankelijk is van de koel-watervoorziening vanuit de Westerschel-de.? De primaire veiligheidsomhulling van dereactor (fig. 3) wordt voorzien van een ge-filterd drukontlastingssysteem teneinde,als bij eencalamiteit de druk in deze stalenveiligheidsomhulling (containment) tehoog zou oplopen, de lucht binnen hetreactorgebouw op gecontroleerde wijzegefilterd te kunnen afvoeren.? De beveiliging tegen externe ongevallen,zoals een overstroming, een windhoos,een aardbeving, een gaswolkexplosie eneen neerstortend vliegtuig, wordt verbe-terd door een reserve regelzaal te bouwenalsmede diverse systemen te verplaatsenen te beschermen tegen deze ongevallen.? Tot slot worden de brandveiligheid en deventilatie van diverse gebouwen verbe-terd.Bescherming tegen externe ongevallenHet uitgangspunt ten aanzien van de be-scherming tegen externe ongevallen is, datde kans op een ongeval met de reactor ten-gevolge van deze externe invloeden kleinmoet zijn ten opzichte van de kans op ernsti-ge ongevallen vanuit de installatie zelf [3].Doel is hierbij de reactor te allen tijde te kun-nen afschakelen en de vrijkomende rest-warmte uitde reactor en hetsplijtstofopslag-bassin te kunnen afvoeren. Om deze doel-stelling te kunnen realiseren werd besloten10een 'beschermde zone' te maken. In dezezone bevinden zich de kernreactor metstoomgeneratoren,de drukhouder en deaansluitende stoom- en voedingswaterlei-dingen, de benodigde veiligheidssystemenmet de hiertoe behorende elektrische ver-zorging en watervoorraden, alsmede de re-serve regelzaal. In figuur 4 is deze be-schermde zone weergegeven. De gebouwenvan deze zone behoren, volgens [4], in aan-sluiting op NEN 6700, tot veiligheidsklasse3-1. De primaire veiligheidsomhulling wordtbeschouwd als een drukvat en behoort vol-gens [4] tot veiligheidsklasse 3-11.De belangrijkste externe ongevallen waarte-gen de gebouwen van de beschermde zoneen de systemen binnen deze gebouwen die-nen te worden beveiligd zijn:? een overstroming met een ontwerppeil vanNAP+ 7,3 m;? een windhoos met een maximale snelheidvan 125 mis;? een aardbeving met een horizontale piek-versnelling van 0,1 g (0,98 m/s2);? een gaswolkexplosie met een piekover"druk in de aankomende drukgolf van 0,1bar (10 kN/m2);? een neerstortend vliegtuig, type Cessna210.Bij het ontwerp van de kernenergie-eenheid[1] werd met deze bijzondere belastingengeen rekening gehouden, dat wil zeggen datde bestaande gebouwen, systemen en com-ponenten van de beschermde zone moes-ten worden geherkwalificeerd of moestenworden vervangen.In hetkadervan ditartikel wordt in het navol-gende hoofdzakelijk ingegaan op de nieuwegebouwen en de bescherming tegen demaatgevende ongevallen, dat wil zeggeneen aardbeving en een neerstortend vlieg-tuig. Daarnaast wordt aandacht besteedaan de nieuwe vaste punten van de voe-dingswaterleidingen en de hoofdstoomlei-dingen in het reactorgebouw, om bij de ver-onderstelde breukvan deze leidingen buitenhet reactorgebouw, de optredende belastin-gen te kunnen opnemen.Nieuwe gebouwenNoodstroomd~se~ebouwDe twee nieuwe noodstroomaggregatenworden geplaatst binnen een nieuw gebouw(gebouw 72) waarbij een derde, identiek ag-gregaatwordtgeplaatstin eenbestaand die-selgebouw (gebouw 10). Het nieuwe nood-stroomdieselgebouw behoeft uitsluitendbescherming tegen een overstroming, aan-gezien de beschermde zone over een eigennoodstroomvoorziening beschikt.In gebouw 72 lijn de diesels met bijbehoren-de voorzieningen, zoals de elektrische ver-deling, ventilatie, geluiddempers, brand-stoftanks en pompen, tot aan het dakniveauvolledig gescheiden van elkaar opgesteld.Hetgebouwheeftafmetingen van circa 21,5x 13,2 m2, hoog 18,0 m en is volledig uitge-voerd in gewapend beton (fig. 5). Het ge~bouwis gefundeerd op een bodemplaat meteen dikte van circa 1,5 m, ondersteund doorpalen. De dikte van de binnen- en buiten-wanden bedraagt 400 mmo De vloeren be"staan uit balkenvloeren met een dikte vari?-rend van 250 tot 400 mmo Om de bevesti-ging van leidingen, zonder verstoring van dewapening, mogelijk te maken zijn in de wan-den en vloeren ankerplaten ingestort.Gekozen is voor uitvoering in sterkteklasseB 25 in milieuklasse 2 voor constructies bo-ven het maaivelden in milieuklasse 4 voordelen onder het maaiveld. Als wapening isFeB 500 HWL toegepast.De gevels zijn ge?soleerd en bestaan gedeel-telijk uit metselwerk en gedeeltelijk uit eenstalen beplating. De vloeren zijn voorzienvan een cementdekvloer met een coating.Reserve regelzaalgebouwDe nieuwe reserve regelzaal en het reactor-CEMENT1997/4beveiligingssysteem worden in een nieuwgebouw geplaatst (gebouw 35). Ditgebouwis, evenals het bestaande reactorgebouw(gebouw 01/02) en het reserve suppletie"gebouw (gebouw 33), volledig beschermdtegen alle voornoemde externe ongevallen.Het reserve regelzaalgebouw bevat driecompartimenten: twee voor het reactorbe-veiligingssysteem en ??n voor de reserve re-gelzaal. Hetgebouw isvia een ondergrondsekabelkoker verbonden met het schakelge"bouw (gebouw 05) en via -een kabeltunnelmet gebouw 33 en het reactorgebouw. Dekabeltunnel iS,evenals gebouw 35, inge-deeld in drie afzonderlijke compartimentenen bestaat uit een overkragend gedeelte opgebouw 35 dat via een dilatatieprofiel ge-scheiden isvan hetgedeelte op gebouw33.Het gebouw is voorzien van zeer zware sta-len toegangsdeuren ten einde weerstand tekunnen bieden aan projectielen en de toe-gang voor onbevoegden onmogelijk te ma-ken.Hetgebouwheeftafmetingen van circa 20,4x9,6 m2, hoog 14,1 m en is volledig uitge-voerd in gewapend beton (fig. 6). De funde-ring bestaat uit een gewapend betonplaatmet een dikte van circa 1,5 m, ondersteunddoorpalen. De binnen- en buitenwanden zijn500 mm dik. De vloeren en het dak bestaanuit vlakke plaatvloeren met een dikte van500 mmo De gekozen betonsterkteklasse,milieuklassen en kwaliteit van de wapeningzijn gelijk aan die van gebouw 72. Evenals ingebouw 72 zijn in de vloeren en wanden gro"te hoeveelheden ankerplaten ingestort, on-dermeervoor de bevestigingvan de installa-+15600++15230+8000+3000+1500.?3500 4400tievloeren voor de bedieningsconsoles enbesturingskasten.De gevels zijn ge?soleerd en bestaan over devolle hoogte uit metselwerk, de vloeren zijnvoorzien van een cementdekvloer met eencoating.BodemgesteldheidHet maaiveld is gelegen op een hoogte vancirca NAP + 3 m. Vanaf dit niveau bevindenzich achtereenvolgens lagen van zand/klei,klei en veen. Een vaste zandlaag bevindtzich op circa NAP - 9 m en wordt tussen NAP-15,5 en -21,5 gevolgd door afwisselende la-gen van zand en klei. Een tweede vastezandlaag, de Pleistocene zandlaag, bevindtzich op circa NAP - 21,5 m (fig. 7).440021100? Doorsnede gebouw 72: noodstroom-dieselgebouw (langsrichting)~? Doorsnede gebouw 35: reserve regel-zaalgebouw (langsrichting)+11900+12600"-+1:...;4;.:;9.;:;.;00"-- ~_ ____i L + +__-~_.Jf----~iii-~-~----ili----i: :I: :I: :L Ji~ -JiL----J+8400+7700+4200+3000CEM ENT1997/ 4 11? .::;U..::ti;.:..lit:.:e:.:..it::=s.=b..::.o..::.uw..:: -...,:c:.::o:.:..n"'s..::tr.::;u..::.ct.:;.ie..::.f,-o..::.n;..:.t:..:.w:.:e:..:.rJ::.p_~. funderingen(j) Representatieve sondering locatieBorssele? Responsspectra A ('soft soil') en M ('stiffsoW), locatie Borssele, voor intensiteit 6,5en 7,5 (MSK), gebaseerd op methode Hos-ser (demping 5%)Teneinde de invloed van zware aardbevingenop grotere afstanden in rekening te kunnenbrengen, werden de Hosser-spectra beho~rend bij een intensiteit van 6,5, voor lage ei-genfrequenties verbreed naar de spectrabehorend bij een intensiteitvan 7,5.lnfiguur8 zijn het 'soft soil'-spectrum en het 'stiffsoil'-spectrum weergegeven voor beide intensi-teitsniveaus, alsmede de verbrede spectra.Daarnaast werden door GrondmechanicaDelft, op basis van de Hosser-methode [6],twee ontwerp-bodemresponsspectra voorde locatie afgeleid. Deze responsspectrazijn, afhankelijk van de diepte ten opzichtevan het aardoppervlak, gedefinieerd als:? een M-spectrum voordePleistocene zand-laag onder het aardoppervlak (400 mis< Vs r::::+-'-""T"""--r~---r--''-r---r-'''--!-'---r..,,~--'-......-r--r-'"r-'----r-r--r-r--';--"1o 0,80 1,60 2,40 3.20 4,00~ tijd (s)NIIl Q60......EOl 0,20cHet reserve regelzaalgebouw (gebouw 35)werd door staafelementen en geconcen-treerde massa's in een driedimensionaalmodel weergegeven. Voor zowel de minimalevrijheden van de paalfundering. Deze im-pedanties vertegenwoordigen, in het rele-vante frequentiegebied, het dynamische ge-drag van de totale fundering en de wissel-werking tussen palen en bodem. Op basisvan de berekende impedanties werden derepresentatieve ??n-massa-veersystemenvoor elk van de vrijheidsgraden bepaald, zo-danig dat de impedanties van de ??n-mas-sa-veersystemen nauwkeurig overeenkwa-men met de driedimensionaal berekendeimpedanties. Op deze wijze kon voor de bere-kening van de gebouwen hetvoetpunt van defunderingsplaat als aangrijpingspunt van deaardbevingsbelasting worden aangehou-den.Om de interactie tussen bodem~paal-constructie in rekening te kunnen brengen, werdvoor de dynamische berekeningen ondermeer gebruik gemaakt van het door Sie-mens KWU ontwikkelde programma PINTER.De palen zijn hierbij in het driedimensionaleeindige-elementenmodel van de bodemdoor staafelementen geschematiseerd. Deelementgrootte werd zodanig gekozen, datde zich verticaal voortplantende aardbe-vingsgolven voldoende nauwkeurig kondenworden weergegeven.Vanuit dit model werden de impedanties af-geleid voor de diverse translatie- en rotatie-gram voor horizontale richtingen weergege-ven. Voor de verticale versnellingen werdhierbij steeds uitgegaan van 2/3 van de hori~zontale versnellingen.De uit metingen afgeleide glijdingsmoduli,die afhankelijk zijn van de optredende ver-vormingen van de bodem, werden voor deverschillende bodemlagen gevarieerd. Alsminimumwaarde is 50% van de gemiddeldewaarde aangehouden en als maximum-waarde 150%. Op deze wijze konden varia-ties in de bodemeigenschappen op het ge-drag van palen, constructies en systemen inrekening worden gebracht.Gezien de relatief lage versnellingen en detotale tijdsduurvan de beschouwde aardbe-ving kon Iiquefactie, dat wil zeggen plotse-ling verlies. van de schuifweerstand en destijfheid van de bodem bij trillingen, wordenuitgesloten.14,65 ,--~----~---, 14,65,---------, 0,850~ 4,20 0,682oo.r::f 2,25 Q6~b ~ versnelling (m/s2)3,61~492,88578,21I 1037,458,4014,65 778811,650..cuc+E~ 4,20 1111,38oo.r::f 2,25 1111,38C ~ dwarskracht (kN l0,7960,7230,738a40 /-------------;7,45 I--~-------j11,651--_-_--__--j0..cuc+E444411,65 I-------~ __-j8,40 1--~~~-----17,451-----------j0..cuc+Ej ~~~-----'2,25~a ~verplaatsing (mm)(lIi:n 4,20 f-----~---------Ioo.r::CEMENT1997/ 4 13? utiliteitsbouw ? constructief ontwerp? in de diverse richtingen en werden volgensde methode Newmark gecombineerd tot re-sulterende dimensioneringsbelastingenvoor de palen.Tenslotte werd berekend welke onderlingeverplaatsingen van de gebouwen kunnenworden verwacht, aangezien opslingeringtengevolge van de door aardbeving ge?ndu-ceerde reactiekrachten, door onderlingeaanstoting mogelijk is. Geconcludeerd werddat de verplaatsingen zo gering zijn dat, bin-nen de maatvoering van de aanwezige dila-taties, geen onderlinge be?nvloeding be-hoeft te worden verwacht.De belastingen tengevolge van een aardbe"ving werden gecombineerd met die van nor"maal bedrijf[4] volgens:1,0 D + 1,0 L + 1,0 52waarin:D is het eigen gewicht en de permanentebelasting;L is het permanent aanwezig deel van deveranderlijke belasting;52 is de veiligheidsaardbeving (ontwerp-aardbeving).In de dynamische berekeningen werd voor Lsteeds 50% van de representatieve waardevan de veranderlijke belasting aangehou-den.Beschermingtegen neerstortend vliegtuigGezien de ligging van de centrale Borsseleten opzichte van vliegvelden en vliegroutesheeft het neerstorten van een groot ver-keersvliegtuig of militair gevechtsvliegtuigop de kernenergie-eenheid een extreem la"ge waarschijnlijkheid en behoeft voor hetontwerp niet te worden beschouwd.De daken en de buitenwanden van de ge-bouwen van de beschermde zone zijn danook ontworpen voor, c.q. gecontroleerd opde belastingen tengevolge van het neerstor-ten van een Cessna 210. Het belasting-tijd-diagram van dit vliegtuig, gebaseerd op eenmassa van 1500 kg en een snelheid van 100m/s,isweergegeven in figuur 12. Hieruitkanworden afgelezen dat de maximale dynami-sche belasting 7000 kN bedraagt. Uitge-gaan is van een neerstorthoek van 45? metde verticaal op een rechthoekig oppervlakvan 0,5 x 8m2?Voor de berekening van de noodzakelijkewanddikte, om perforatie te voorkomen, isuitgegaan van de afzonderlijke impact vande vliegtuigmotor. Deze motor heeft eenmassa van 200 kg, een snelheid van 100mis en een diameter van 0,8 m.24.016.0als de maximale glijdingsmodulus werdenvervolgens de verplaatsingen, de versnellin-gen en de reactiekrachten op het gebouwberekend, dat wil zeggen normaalkrachten,dwarskrachten, buigende en wringende mo-menten.In figuur 10 zijn achtereenvolgens de relatie-ve verplaatsingen van het gebouw ten op-zichte van de bodem, de optredende hori-zontale versnellingen en de dwarskrachtenin langsrichting van het gebouw weergege-ven. Tevens werden de vloer-responsspec-tra op de diverse niveaus bepaald voor hetontwerp en de berekening van de zich op ditniveau bevindende systemen, componen-ten en kabelbanen. In figuur 11 is hetont-werp-responsspectrum op niveau NAP +8,4m van gebouw 35 weergegeven.Voorde funderingspalen werden de nor-maalkracht, de dwarskrachten en de buigen-de momenten in verschillende richtingen be-rekend. Deze krachten treden gelijktijdig opr-J~.rJ,.,~~ r--IJo 8,0--? frequentie (Hz)6,06543zL....... 2.curaL-2