ir.B.KuytWetenschappelijk HoofdmedewerkerTechnische Hogeschool DelftOntwikkelingen op het gebiedvan drukvaten invoorgespannen beton*U.D.C. 621.039.4:624.953.012.46Drukvaten van voorgespannen beton1. InleidingIn een voorgaand artikel* in dit tijdschrift is de ontwikkelingsgang beschreven van de druk-vaten in voorgespannen beton, zoals die worden toegepast bij de bouw van kernreactoren.In het kader van de geschetste ontwikkelingsgang is vooral ingegaan op de algemene proble-matiek en op de tot nog toe uitgevoerde werken. De ontwikkelingen op dit gebied zijn echternog in volle gang; vele nieuwe concepties hebben zich inmiddels reeds weer aangediend. Inaansluiting op het genoemde eerste artikel ?s in het volgende voornamelijk het accent gelegdop enkele recente ontwikkelingen en researchprojecten, tot 1967.2. Optredende belastingen bij de diverse reactortypenDe optredende belastingen hangen nauw samen met het toegepaste reactortype. De drietypen die momenteel in aanmerking komen voor energiereactoren zijn:a. De mef gas gekoelde en met grafiet gemodereerde reactorenHet koelmiddel kan zijn CO?-gas of helium; de maximale gasdruk van de meest recente typenbedraagt ca. 40 kgf/cm2. De maximale gastemperatuur varieert van 400 ?C voor het 'Magnox'-type tot 670 ?C voor het 'A.G.R.'-type. Indien helium wordt toegepast als koelend medium('Dragon'-project) is te rekenen op een maximale koelgastemperatuur van ca. 750 ?C.b. Kokendwater reactorenBij deze reactoren fungeert gewoon water gelijktijdig als moderator en als koelmiddel. Dewaterdruk is te stellen op ca. 70 kgf/cm2; de watertemperatuur op ca. 300 ?C.Drukwater reactorenBij deze reactoren worden de functies van moderator en koelmiddel eveneens vervuld dooreenzelfde medium (hetzij gewoon water, hetzij zwaar water). Het water staat echter onder,, dermate hoge druk (100 ? 150 kgf/cm2) dat geen koken meer optreedt. Een voordeel van dezereactoren is dat ze vrij compact gebouwd kunnen worden. De watertemperatuur is bij ditreactortype aan te nemen op 300 ? 400 ?C.Het zal uit bovenstaande opsomming duidelijk zijn dat drukvaten voor kernreactoren onder-worpen zijn aan uitzonderlijk hoge belastingen. Afhankelijk van het betreffende reactortype iste rekenen met een belastingsdruk die omstreeks het 1000-voudige bedraagt van de belastingwaarop normaal gebouwen worden geconstrueerd. Slechts de (waterdrukken aan de voetvan zeer hoge stuwdammen zijn vergelijkbaar met de belastingdruk van de voorgespannendrukvaten.3. Discussie betreffende de vorm van het vat en de keuze van de betonkwaliteitDe voorgespannen drukvaten zijn te rekenen tot de categorie van de dikwandige constructies.Figuur 1 geeft een globaal beeld van de statisch vereiste wanddikte d als functie van de1Statisch vereiste wanddikte als functievan de inwendige druk, de inwendigediameter van het vat en de betonkwaliteit*Zie Cement XIX (1967) nr. 9: 'Drukvaten invoorgespannen beton, zoals toegepast bij debouw van kernreactoren' door ir.B.KuytCement XXI (1969) nr. 12 5692Berekende vervormingen voor het drukvatte Bugey; links alleen t.g.v. voorspanning;rechts t.g.v. een inwendige overdrukvan 45 kgf/cm23Verdeling van de ringspanningen inkgfjcm2bij het drukvat van de fa.Siemens AG (. geeft de wrijvings-co?ffici?nt tussen de glijplaten van deafsluitblokken aan)Zie artikel onder voetnoot op blz. 569inwendige druk, de inwendige diameter D van het vat en de betonkwaliteit. De figuur is geba-seerd op de formules voor lange dikwandige buizen onder overdruk (dus afgezien van rand-storingen enz.). Bij een inwendige druk van 40 kgf/cm2en een betonkwaliteit K300 bedraagtde minimum wanddikte ongeveer ? van de binnendiameter (vergelijk de Hinkley Point B reac-tor, fig. 5).* Bij een inwendige druk van 100 kgf/cm2en een betonkwaliteit van K600 is devereiste wanddikte ca. de halve binnendiameter van het vat (vergelijk de Siemens reactor,fig. 10). Een hoge toelaatbare inwendige druk is voor een cilindrisch vat dus slechts te reali-seren bij een niet te grote binnendiameter (om de gedachten te bepalen < 10 m) en bij toe-passing van een hoogwaardige betonkwaliteit.Vergeleken met een cilindrisch vat kan de vereiste wanddikte ten naaste bij gehalveerd wor-den door voor het vat een bolvorm te kiezen. Te verwachten valt dan ook dat ten gevolge vande groeiende bedrijfseisen in de toekomst de eivormige drukvaten - ondanks de grotere uit-voeringsproblemen - in aantal zullen toenemen. De bolvormige vaten te Wylfa Head* vormenreeds een eerste stap in deze richting.De huidige cilindrische vaten zijn (met uitzondering van de reactor te Marcoule) alle uit-gevoerd met een vlakke bodem- en dakplaat. Gezien de grote rekstijfheid van deze platenontstaan bij belasten (gasdruk, voorspannen) grote buigende momenten langs de randen vande cilinder (zie fig. 2, betrekking hebbend op het drukvat te Bugey).Gunstiger is het in dit opzicht de bodem- en dakplaat te vervangen door (dikke) bolschalen.De uit de bolschaal tredende spatkrachten veroorzaken een tangenti?le rek in het bovensteen onderste deel van de cilinder, waardoor de randstoringen aanzienlijk afnemen. Een doorde Fa. Krupp ontwikkeld drukvat (fig. 9) geeft een tussenoplossing te zien tussen een bol-schaal en een vlakke plaat. Ook deze vorm is statisch reeds aanzienlijk gunstiger dan eenvlakke plaat.Het streven de tangenti?le rekken langs de randen van de cilinder zoveel mogelijk gelijk tedoen zijn aan de rekken in het overige deel van de cilinder is ook nog op andere wijze tebewerkstelligen. Bij een door de Fa. Siemens ontwikkeld drukvat (fig. 10) is gebruik gemaaktvan pyramidevormige afsluitblokken in dak en bodemplaat, die evenals een bolschaal eenzijdelingse druk uitoefenen op de cilinderwand (zie voor verdere details van dit drukvatparagraaf 5). Bij een gunstige keuze van de hoogte van de afsluitblokken en de helling vande zijvlakken is het mogelijk over de gehele hoogte van de cilinder een vrijwel gelijkmatigespanningsverdeling te introduceren (fig. 3). Vergelijking van de figuren 2 en 3 doet de veelgunstiger belastingswijze van het Siemens-drukvat duidelijk uitkomen.4. Discussie van de problemen samenhangend met de temperatuurspanningen en met de keuzevan de isolatieZoals reeds vermeld in het artikel genoemd in de voetnoot wordt als toelaatbare temperatuurin het beton veelal een waarde van 50 ? 90 ?C aangehouden en wel om de volgende redenen:? men vreest dat bij hogere temperaturen er op de lange duur wellicht kans zou bestaan op eenteruglopen van de betonkwaliteit.? men acht hogere temperaturen ongewenst met het oog op de relaxatie van het voorspanstaal.? men wil de temperatuurgradi?nt binnen redelijke grenzen houden.De temperatuurgradi?nt veroorzaakt nl. aanzienlijke spanningen in de wanden van het vat(trek aan de buitenzijde, druk aan de binnenzijde). De opgewekte trekspanningen kunnenge?limineerd worden door aanbrengen van extra voorspanning; dit proc?d? kost echter extravoorspanstaal en is bovendien gelimiteerd door de toelaatbare drukspanning aan de binnen-zijde van de wand (fig. 4).Cement XXI (1969) nr. 12 5704Spanningen t.g.v. inwendige druk,temperatuur en voorspanning5Aanbrengen van de voorspanning intwee fasenToepassen van een hoogwaardige betonkwaliteit (zie voorgaande paragraaf) helpt hierweinig, daar dan ook de ?f-modulus toeneemt en dus ook de temperatuursspanningen. Een me-thode die beter aan dit probleem tegemoetkomt is het storten en voorspannen van de wandin twee fasen. Figuur 5 geeft een beeld van de resulterende voorspanning bij een opbouw intwee fasen; het blijkt dat bij deze methode enerzijds minder voorspanstaal nodig is en ander-zijds de betondrukspanningen afnemen (zodat dus ook minder beton nodig is).Theoretisch zou door een opbouw in meer dan twee fasen een nog gunstiger resultaat ver-kregen kunnen worden; in het algemeen zal de methode des te meer besparing aan materiaalgeven naarmate de temperatuurgradi?nt hoger is. Fig. 6 geeft nog een schematisch beeld vande volgorde van uitvoering bij een opbouw van het vat in twee fasen.Een andere, meer fundamentele oplossing - waarbij men wel profijt kan trekken van eenbetere betonkwaliteit - is te trachten de wand geheel vrij te houden van temperatuursspannin-gen. Bij de tot nu toe gebouwde vaten heeft men dit nog niet kunnen bereiken en is gerekendop een temperatuurgradi?nt van ca. 35 ?C. Het bolvormige drukvat te Wylfa Head vormt (ookin dit opzicht) enigszins een uitzondering, daar bij dit vat de temperatuurgradi?nt op slechts15 ?C is gesteld. Bij de tot op heden gerealiseerde uitvoeringen is gebruik gemaakt van een6Volgorde van uitvoering bij een opbouwvan het voorgespannen drukvat intwee fasenCement XXI (1969) nr. 12 5717Hef toi nu toe gebruikelijke principe vanisolatie en koelsysteemsysteem van koelpijpen aan de betonzijde van de gasdichte bekledingsplaat, gecombineerdmet een isolerende laag aan de binnenzijde van het vat (fig. 7). Voor de isolerende laag iszowel staal toegepast (geribde staalplaten waartussen zich gaslagen bevinden; folies vanroestvrij staal, onderling gescheiden door draadgaas), als beton (geprefabriceerde blokkenpuimsteenbeton). Het koelsysteem vormt daarbij een extra zekerheid t.a.v. een eventuelekwalitatieve achteruitgang van het isolerend materiaal tijdens de levensduur van de reactor.De ervaring heeft geleerd dat al deze middelen gecompliceerd en kostbaar zijn (zij kunnen40% van de kosten van het reactorvat uitmaken). In het kader van onderzoekingen uitgaandevan de Europese Gemeenschap voor Atoomenergie (Euratom) is derhalve gezocht naar een-voudiger, minder kostbare en zo mogelijk doelmatiger oplossingen. In dit verband valt tenoemen een bouwsysteem ontwikkeld door de Fa. Krupp (fig. 8).Bij dit systeem is een sterke functiesplitsing toegepast:? de binnenste laag bestaat uit 50 cm temperatuurbestendig, met zachtstaal gewapend zwaar-beton. Deze laag dient ter afscherming van biologisch gevaarlijke straling en dient tevens alsthermisch schild. Als toeslagmaterialen zijn magnetiet en serpentijn toegepast.? de tweede laag bestaat uit een 20 cm dikke, in het werk aangebrachte keramische bekleding.Deze laag bewerkstelligt een vrijwel volledige warmte-isolatie (fig. 8). Stalen bekledingspla-ten zorgen voor de vereiste gas- en waterdichtheid van deze twee lagen.? de derde laag bestaat uit 40 cm water; door middel van drukuitwisselaars wordt ervoorgezorgd dat de druk in deze waterspleet gelijk is aan die in het inwendige van het vat. Dewarmte, die eventueel nog door de isolatie heen zou dringen, wordt afgevoerd door eensecundair koelsysteem waarvan de pijpen vrij in het water zijn opgehangen.? de buitenste laag wordt gevormd door het eigenlijke voorgespannen vat, dat op deze wijzevolledig is vrijgemaakt van temperatuursspanningen.De binnenste twee lagen zijn rondom geheel los gehouden van de voorgespannen buiten-wand, zodat uitzettingen ten gevolge van de temperatuur zich ongestoord kunnen voltrekken.Slechts ter plaatse van de bodem is het binnensysteem elastisch verbonden met het eigen-lijke drukvat.5. Beschrijving van enkele recent ontwikkelde conceptiesTer wille van de beknoptheid zij hier volstaan met een beschrijving van de twee hiervoorreeds genoemde typen drukvaten.Ontwikkelingsproject van de fa. KruppFiguur 9 geeft een doorsnede over het ontwikkelde prototype. Van dit prototype dat ontwor-pen is voor een bedrijfsdruk van 40 kgf/cm2en een temperatuur van 250 ?C is een proefmodelgemaakt op Vs van de ware grootte. De opbouw van de wand is reeds behandeld in de voor-gaande paragraaf.Als voordelen zijn te noemen:? het eigenlijke drukvat is vrijgehouden van stralingsinvloeden en van temperatuursspanningen.? een grote mate van veiligheid tegen catastrofen; ook indien de druk zodanig zou oplopen datde buitenmantel scheuren gaat vertonen, blijft de inwendige stalen bekleding nog intact. Devoorspankabels bezitten voldoende reserve om de ontstane scheuren in de buitenmantel weerelastisch te sluiten.8Isolatie- en koelsysteem bij het Krupp-drukvat,9Verticale doorsnede over het voor-gespannen drukvat volgens het bouw-systeem KruppCement XXI (1969) nr. 12572Ontwikkelingsproject van ae ra. SiemensFiguur 10 geeft een tweetal doorsneden over het vat dat ontworpen is om dienst te doen voorwatergekoelde reactoren. Het vat is gedimensioneerd op een inwendige druk van 100 kgf/cm2en een temperatuur van 300 ?C. De bouwwijze van het drukvat wijkt geheel af van alle voor-gaande typen.Om namelijk zeker te kunnen zijn van een goede betonkwaliteit is het gehele vat opgebouwduit geprefabriceerde onderdelen. De cilindrische mantel bestaat uit 13 ringen, die elk zijnopgebouwd uit 16 elementen. De elementen worden maatvast vervaardigd volgens de Dywi-dag-contactmethode, zoals bekend uit de bruggenbouw. De tangentiale spanstaven wordendoor middel van moffen aan elkaar verbonden. Nadat 16 blokken z?jn geplaatst, wordt degevormde ring tangentieel voorgespannen met behulp van hydraulische vijzels die steunvinden op een centrale kern. Na betonneren van de ruimten tussen de blokken en verhardenworden de vijzels ontlaten.Bij deze wijze van voorspannen zijn dus geen verankeringselementen nodig, terwijl tevensgeen wrijvingsverliezen optreden. Nadat alle ringen geplaatst zijn wordt verticaal voorgespan-nen. De onder- en bovenplaat worden gevormd door 16 wigvormige elementen die met eenvertanding in de wand grijpen. De resterende opening wordt gevuld met een afsluitblok in devorm van een 16-zijdige afgeknotte pyramide. De afsluitblokken zijn rondom bekleed met ge-slepen en gesmeerde glijplaten. Het afsluitblok in het dak is voorzien van een mangat enwordt bij ontbreken van de inwendige druk op zijn plaats gehouden door een ophanginstalla-tie. De afsluitblokken worden slechts op druk belast en vergen dus geen wapening. Naast hetelimineren van de randstoringen (zie paragraaf 3) heeft deze constructie het voordeel datzonodig het gehele dak snel verwijderd kan worden. Daartoe moet men het afsluitblok ietslaten zakken, zodat de wigvormige elementen gelost kunnen worden. De isolatie bestaat uittwee concentrische cilinders van lichtbeton waartussen een waterspleet. Achter de isolatie ?swederom een koelsysteem aangebracht.Een proefmodel op ? van de ware grootte is uitvoerig getest in koude en warme toestand.De afsluitblokken bleken daarbij naar voldoening te functioneren. Verder bleek het model eeninwendige druk van 130 kgf/cm2op te kunnen nemen zonder dat scheuren in het beton vielente constateren.6. Resum?Gewezen is op de uitzonderlijk hoge belastingen waaraan drukvaten van kernreactoren zijnonderworpen.Om bij toekomstige cilindrische drukvaten van voorgespannen beton extreem grote wand-dikten te ontgaan, zal het nodig zijn hoogwaardige betonkwaliteiten toe te passen en buigings-invloeden (randstoringen) zoveel mogelijk te vermijden. Prefabricage kan hierbij een risico-verminderende factor zijn.Opdat men ten volle profijt kan trekken van de toepassing van beton van grote sterkte is hetnodig de temperatuursspanningen klein te houden. Is dit laatste niet mogelijk dan valt te over-wegen het storten en voorspannen van de wand in fasen te doen geschieden.10Voorgespannen drukvat van geprefabri-ceerde elementen voor 100 kgf/cm2bedrijfsdruk (systeem Siemens)Cement XXI (1969) nr. 12573