O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater b ou wcement 2007 1 67Offshore-modules worden sindstientallen jaren gebruikt bij dewinning van aardolie en aardgasop zee. De modules worden opeen werf gebouwd en naar de off-shore-locatie getransporteerd.Hiertoe wordt gebruikgemaaktvan stalen transportbakken, waar-op de modules zeevast wordenbevestigd met speciale stalenhulpconstructies: de grillage omde verticale krachten af te dragennaar de sterke punten van de baken de seafastening voor het opne-men van de horizontale belastin-gen (foto 1).De transportbakken zijn in langs-en dwarsrichting voorzien vanverstijvings- en versterkings-frames (fig. 2). In dwarsrichtingworden de versterkingsframes(transverse webframes, h.o.h. circa2,30 m) plaatselijk afgewisselddoor waterdichte schotten (trans-verse bulkheads). Ook in de langs-richting zijn waterdichte schottenaanwezig (longitudinal bulkheads,h.o.h. ca. 6,00 m). Het dek wordtin de langsrichting versterkt doorverstijvigingsribben (longitudinalstiffeners), h.o.h. ruim 0,5 m.De grillage wordt zodanig geposi-tioneerd dat de krachten uit demodules aangrijpen ter plaatsevan de sterke punten van de bak,waar transverse webframes enlongitudinal bulkheads elkaar snij-den. Op zo'n positie moetenkrachten tot circa 20 MN kunnenworden overgedragen. Circa 6%van de modulemassa is benodigdom deze krachten te kunnen inlei-den en de vracht te zeevasten(circa 4% voor grillage en 2% voorseafastening). Per transport zijnhiermee aanzienlijke ontwerp- enfabricagekosten gemoeid, die sterkkunnen worden gereduceerd alshet spreiden van de krachten naarde sterke punten achterwege kanworden gelaten.Uit [1] blijkt dat het overlagen vande stalen bak met beton een zeerperspectiefvolle oplossing is. Eentweetal varianten is nader uitge-werkt:? samengestelde variant: de gehe-le transportbak wordt overlaagdmet beton, door een hechtlaagmet het dek verbonden, waar-door het geheel als een samen-gestelde staal-betonconstructiefunctioneert;? modulaire variant: de stalen bakwordt, waar nodig, voorzien vanuniverseel plaatsbare geprefa-briceerde betonplaten.Beide varianten zijn uitgewerkt.Daarbij is bekeken in hoeverre demoment- en dwarskrachtcapaciteittoenemen en welke gevolgen eenen ander heeft voor toename vande diepgang.Opgemerkt wordt dat de huidigerekenmethodiek is gebaseerd ophet voldoen aan spanningseisen,waarbij, eenvoudig gesteld, devloeigrens van het staal niet magworden overschreden. Het hante-ren van deze conservatieve, elasti-sche rekenmethodiek komt voortuit eisen die verzekeringsmaat-schappijen stellen bij het verzeke-ren van de vracht tijdens trans-port.S a m e n g e s t e l d e v a r i a n tFiguur 3 toont de helft van dedwarsdoorsnede van een over-laagde representatieve transport-Overlagen van stalen offshoretransportbakken met betonir. A.J. Schouten, Van Hattum en Blankevoort*)dr.ir.drs. C.R. Braam en dr.ing. A. Romeijn, TU Delft, faculteit CiTGir. A.L. Bosch, Heerema Marine ContractorsHet transport van offshore-modules heeft plaats met grote stalen transport-bakken. De modules worden op de transportbak ondersteund door stalenframes (grillages) om de verticale statische en dynamische belasting naar desterke punten van de transportbak af te dragen. De horizontale dynamischebelastingen worden via braces (seafastenings) naar de transportbak afgedra-gen. Grillages en seafastenings moeten voor elk transport op maat wordengemaakt; de massa ervan bedraagt gemiddeld 6% van dat van de te transpor-teren module. De hiermee gepaard gaande kosten waren aanleiding te onder-zoeken of alternatieve oplossingen in beton mogelijk zijn.*) Dit artikel is gebaseerd op een afstudeerwerk aan de TU Delft [1]. Afgezien van de auteurshadden prof.ir. J. Meek (Heerema Marine Contractors/TU Delft) en prof.dr.ir. J.C. Walraven(voorzitter, TU Delft) zitting in de afstudeercommissie.1 |Transport van twee off-shore-modules. Grillagesdragen de geconcen-treerd aangrijpendekrachten, tot 20 MN pergrillage-positie, overnaar de sterke puntenvan de transportbakO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou w68 cement 2007 1bak en geeft schematisch desamengestelde constructie weervan de bovenregel van een dwars-frame.Het principe van het overlagen isal eerder besproken [2]. Een sterk-teberekening wordt uitgevoerdvolgens de theorie van de n-zwaredoorsnede [3]. Als het beton zichin de trekzone bevindt (boven eensterk punt van de transportbak),wordt de elasticiteitsmodulus inde berekening gereduceerd. Zowelvoor een steunpunts- als een veld-doorsnede kan voor het belas-tingsgeval buiging relatief eenvou-dig een spanningscontrole wordenuitgevoerd. Het staal wordt alsmaatgevend beschouwd; de elas-tisch berekende staalspanningenmogen de rekenwaarde van detrek- en druksterkte niet over-schrijden. In het gewapend betonmag dan de rekenwaarde van debetondruksterkte niet wordenoverschreden. De meewerkendebreedte van de betonlaag boveneen dwarsframe behorend bij eengeconcentreerde kracht wordtberekend met Eurocode 4 [4].In de berekening wordt de invloedvan de aanwezigheid van eendwarskracht niet meegenomen.Omdat de staalspanningen elas-tisch worden berekend engetoetst, wordt aangenomen datde combinatie van elastischemoment- en elastische dwars-krachtcapaciteit binnen de omhul-lende ligt die de bezwijkcombina-ties bij moment- en dwarskracht-interactie weergeeft [5].De berekeningen voor moment endwarskracht zijn hiermee dan welontkoppeld, toch blijft het bereke-nen van de dwarskrachtcapaciteitcomplex. Dit vooral door gebrekaan rekenregels voor het `betonaan-deel' in de dwarskrachtopname,zeker daar waar het een relatiefhoge betonoverlaging betreft. Daar-om wordt verondersteld dat, weder-om in een berekening volgens den-zware doorsnede, het staal maat-gevend is. Het beton zelf wordt dusniet getoetst en levert alleen eenbijdrage aan de dwarskrachtcapaci-teit in die zin, dat het wordt mee-genomen bij het berekenen van degrootheden van de samengesteldedoorsnede. Aan het beton wordtdus geen afzonderlijke `dwars-krachtcapaciteit' toegekend.Figuur 4 toont de toename van demomentcapaciteit van het dwars-frame uit figuur 3 als functie vande hoogte van de betonoverla-ging. De uiterste betonvezelbevindt zich aan de drukzijde(positief moment). De toegepastesterkteklassen zijn C45/55 tot enmet C90/105. De referentie (`0%toename') is hier de thansgebruikte transportbak. De hoe-veelheid betonstaal in een door-snede met een negatief moment(beton aan de trekzijde) wordtgevonden door aanvullend teeisen dat de momentcapaciteitenin een veld- en steunpuntsdoor-snede aan elkaar gelijk moetenzijn. Figuur 5 toont de resultatenvoor de toename van de elasti-sche dwarskrachtcapaciteit. Aan-vullend wordt ook een langsver-stijvingsrib geanalyseerd. Dezerib is echter zodanig zwaar uitge-2 |Dwarsframe (transversewebframe) van eentransportbak, loodrechtdaarop zes inwendigelangsframes (longitudi-nal bulkheads)MODULEmet hechtlaagFhogesterkte-betonbeffhc3860025,5163 |Linkerhelft van de dwars-doorsnede van een metbeton overlaagde trans-portbak (links). Degetoonde geconcentreer-de kracht wordt geachtop elke locatie op hetdek aan te kunnen grij-pen. Rechts de samenge-stelde doorsnede van debovenregel van hetdwarsframe (dimensiesin mm)AAA7707326AAAHINGEHINGE1524 AA FRAME SPACE 2286 (TYP.)AA 2 x 1905FRAME SPACE 2286 (TYP.)AA10973A6175 71 50 2839 17 7 078H-627AA-22860-30480TB-8-0218288SB-8-0118288SB-8-0318288SB-8-0518288SB-8-0718288SB-8-0918288SB-8-1118288SB-8-1318288SB-8-1530480TB-8-0118288SB-8-0218288SB-8-0418288SB-8-0618288SB-8-0818288SB-8-1018288SB-8-1218288SB-8-1418288SB-8-1615850SB-8-1815850SB-8-17252515240AA22860AA25146AA25146AA25146AA25146AA22860AA15240AAAA6096AA6096AA6096AA6096AA6096AAA9144AA176784AAAA48768-22500-6175 71 50 2839 17 778 BOW9144longitudinal stiffenerO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater b ou wcement 2007 1 69104%34%67%360%263%173%113%12%0%50%100%150%200%250%300%350%400%200 400 600 800 1000 1200betondikte (mm)toenamemomentcapaciteitC90/105C50/60C45/5540%66%97%133%173%41%139%101%68%182%0%20%40%60%80%100%120%140%160%180%200%600 800 1000 1200 1400C50/60C92/110C45/5593%449%364%469%266%175%90%169%0%50%100%150%200%250%300%350%400%450%500%600 800 1000 1200 1400C50/60C102/110C45/55betonhoogte (mm)toenamedwarskrachtcapaciteitbetonhoogte (mm)toenamedwarskrachtcapaciteitvoerd en de overspanning is der-mate klein, dat het dwarsframealtijd maatgevend is.De toelaatbare diepgang van detransportbak maakt bij een volu-mieke massa van het beton van2000 kg/m3, een overlaging tot800 mm mogelijk. Uit de figuren4 en 5 blijkt dat de toename van,respectievelijk, moment- endwarskrachtcapaciteit dan circa104% en 169% bedraagt. De bijbe-horende lichtbeton-sterkteklasse isLC 55/60.Uit de figuren 4 en 5 blijkt dat dedwarskrachtcapaciteit relatief ster-ker toeneemt dan de momentca-paciteit. Dat kan erop duiden dat,als met beton wordt overlaagd,eerstgenoemde niet maatgevendzal zijn. Echter, in de analysewordt voor wat betreft de dwars-krachtcapaciteit aangenomen dathet beton in de samengesteldedoorsnede niet maatgevend is uithet oogpunt van sterkte, noch uitoogpunt van vervormingen.Anderzijds wordt aan het betonook niet direct een afzonderlijkaandeel in de draagkracht toege-kend; alleen indirect draagt het bijvanwege de invloed die het heeftop de grootheden van de samen-gestelde doorsnede.Om hierover meer zekerheid teverkrijgen is een eindige-elemen-tenmethodeberekening van desamengestelde constructie uitge-voerd (fig. 6). Bij een geconcen-treerde kracht F = 5,14 MN wordtde eerste plastische vervorming inhet staal waargenomen en welbovenin het lijf, juist onder destalen dekplaat. De dwarskrachtdie in de betreffende snede aan-wezig is, wordt voor 83% door hetbeton opgenomen; het staal draagtde resterende 17%. In het betonwordt dan rekentechnisch alleen(inwendige) scheurvorming op degrenslaag gevonden. De scheur-wijdten blijven beperkt tot circa0,1 mm. Volgens de elastischetheorie zou nu de uiterste grens-toestand zijn bereikt. Immers, hetstaal bereikt juist de vloeigrens.Een analyse met de theorie vol-gens de samengestelde doorsnedegeeft het ontstaan van plasticiteitin het staal bij F = 4,10 MN (bijverondersteld ongescheurd blijvenvan het beton) en geeft dus eenconservatief resultaat.Met een beperkter EEM-model(alleen de bovenregel van hetframe geschematiseerd) wordt deEEM-analyse voortgezet tot`numeriek' bezwijken optreedt.Hiervan blijkt sprake te zijn als inhet gehele stalen lijf de vloeispan-ning wordt bereikt. Dit heeftplaats bij een kracht gelijk aan 2,4maal de kracht die de eerste plas-ticiteit in het staal doet ontstaan.De constructie heeft dus nog eenaanzienlijke restcapaciteit nadatde eerste plasticiteit in het staal isopgetreden.M o d u l a i r e v a r i a n tBij de samengestelde variant blijktde toelaatbare diepgang maatge-vend te zijn voor de hoogte van debetonnen overlaging. Door detransportbak alleen daar waarnodig van een overlaging te voor-zien (fig. 7), kan een gewichtsbe-sparing worden bereikt die hetmogelijk maakt een grotere beton-hoogte toe te passen en dus eengroter draagvermogen te realise-ren. Het plaatselijk overlagen isechter geen optie bij bestaandetransportbakken omdat dit zouleiden tot een ongelijkmatig ver-loop van het dek en alternatiefgebruik nagenoeg onmogelijk zoumaken. Plaatselijk overlagen is indie situatie dan ook alleen eenoptie als dit demontabel gebeurt.Rekening houdend met de groot-ste buitenmaat tussen twee langs-frames van de beschikbare trans-portbakken krijgen de modulaireplaten een lengte van 10,5 m. Deplaten worden opgelegd op opleg-blokken die worden geplaatstdirect boven het snijpunt vanlangs- en dwarsframes. In langs-richting wordt gerekend met eenplaatafmeting van 6 m, hetgeen delastspreiding bevordert. Maatge-vend blijkt nu het hefvermogenvan mobiele kranen die de platenvanaf de kade moeten positione-ren. Bij een plaatmassa van circa220 ton (plaathoogte 1,4 m, volu-mieke massa 2500 kg/m3) kunnende nabij de kade gelegen twee bui-tenste velden van een transport-bak worden bereikt. Dit wordt alsvoldoende beschouwd, omdat bijde huidige transporten de grilla-ges zich meestal niet bevinden inde meer naar binnen gelegen vel-den.Gekozen wordt voor betonsterkte-klasse C100/115. De plaat wordtvoorgespannen in twee richtin-gen, waarbij de excentriciteit vande voorspanning gering moet zijnom in de onbelaste situatie geentrekspanningen bovenin te intro-duceren. Het blijkt nog juistmogelijk een rekenwaarde van de4 |Toename elastischemomentcapaciteit vaneen dwarsframe in eenmet gewapend betonoverlaagde stalen trans-portbaka.b.5 |Toename elastischedwarskrachtcapaciteitvan een dwarsframe ineen met gewapend betonoverlaagde stalen trans-portbakO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou w70 cement 2007 1belasting van 12,75 MN op tenemen.Hierbij moet wel worden opge-merkt dat in de uiterste grenstoe-stand het beton bezwijkt op stuik,nagenoeg op hetzelfde momentdat het voorspanstaal de rek beho-rend bij 0,9 fpubereikt. Er is dusgeen sprake van ductiel bezwijk-gedrag. Ook blijkt dat ponswape-ning benodigd is. De hoeveelheidhangt sterk af van de gekozenrekenmethodiek: Het betonaan-deel zou volstaan als de relatiegebruikt tot en met sterkteklasseC53/65 eenvoudig ge?xtrapoleerdzou mogen worden als sprake isvan een hogere sterkteklasse. Ech-ter, wegens onvoldoende informa-tie over het betonaandeel bijhogesterktebeton, wordt hetbetonaandeel begrensd tot dewaarde die geldt voor C53/65 [6].Omdat in de plaat bij dat begrens-de betonaandeel ponswapeningbenodigd is, mag ook het beton-aandeel zelf niet meer in rekeningworden gebracht. Dat verhoogt devereiste hoeveelheid ponswape-ning.E v a l u a t i e v a r i a n t e nUit historische transportgegevenskan worden afgeleid op welkekrachten de grillages in het verle-den zijn ontworpen. De krachtendie door de samengestelde variantkunnen worden opgenomen blij-ken in circa 1 op de 3 transportente volstaan om grillages overbodigte maken. De terugverdientijd vandeze oplossing is dan echter ruimdertig jaar, hetgeen meer is dan degemiddelde levensduur van eentransportbak (circa twintig jaar).De modulaire variant blijkt daaren-tegen in staat in circa 85% van detransporten over voldoende draag-vermogen te beschikken. Medeomdat de prefab platen alleen daarwaar nodig worden geplaatst, vergtdeze variant ook een relatief gerin-ge investering. Dit leidt ertoe dat alna circa drie installaties de investe-ring is terugverdiend.T e n s l o t t eHet versterken van offshore trans-portbakken door deze te voorzienvan een betonnen plaat is een per-spectiefvolle optie. Bij een samen-gestelde constructie wordt nage-noeg de gehele bak overlaagd enwerken het staal en het betongeheel samen, bij de modulairevariant worden alleen daar waarnodig losse betonnen platen aange-bracht.Bij de samengestelde variant isde toename van de diepgang vande transportbak maatgevend voorde toelaatbare dikte van de beton-nen overlaging en dus ook voorde toename van het draagvermo-gen.Bij de modulaire variant werkenhet staal en het beton niet samen;het beton zelf draagt de krachtenover naar de sterke punten in destalen bak. De optredende krach-ten maken een zware voorspan-ning in de plaat noodzakelijk.Het hefvermogen van mobielekranen is bepalend voor de toe-laatbare massa van een beton-plaat. De modulaire variant blijktuit oogpunt van toename van hetdraagvermogen van de transport-bak de voorkeur te verdienen. Ditvertaalt zich in een korte terug-verdientijd en daarmee in eenzeer rendabele oplossing. nL i t e r a t u u r1. Schouten, A.J., Alternativesolutions for transferring con-centrated loads on transporta-tion barges. AfstudeerrapportTU Delft, 2006.2. Braam C.R., N. Kaptijn, P.Buitelaar, Hogesterktebetonals brugdekoverlaging. Cement2003, nr. 1.3. Staalbouwkundig genoot-schap, Statisch bepaalde staal-beton liggers, theorie en richt-lijnen. Delft, 1974.4. European Committee forstandardization, Eurocode 4:Design of composite steel andconcrete structures - Part 1:General rules - Structural firedesign and Part 2: Compositebridges. Brussels, 2004.5. European Committee forstandardization, Eurocode 3:Design of steel structures -Part 1-1: General rules. Brus-sels, 2003.6. CUR-Aanbeveling 97,Hogesterktebeton. CUR,Gouda, 2004.6 |Eindige-elementenmodelvan de helft van eendwarsframe in eensamengestelde beton-staalconfiguratie. Depositie van de geconcen-treerde kracht is zodaniggekozen, dat bezwijkenop dwarskracht maatge-vend isMODULEFmodule7 |Rechterhelft van dedwarsdoorsnede van eenstalen transportbak meteen geconcentreerdekracht die aangrijpt opeen geprefabriceerdebetonmodule