C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t i l i tei t sb o u wcement 2005 448De veiligheidstank bestaat uit eenvoorgespannen betonwand op eenbetonvloer. Op de betonvloer, aldan niet op palen of op een grond-verbetering gefundeerd, staat destalen binnentank, omsloten doorde voorgespannen wand. Deankers van de horizontale voor-spanelementen bevinden zich inspanconsoles (verdikkingen in dewand), alwaar zij worden nage-spannen (foto 2).Bij toepassing van verticale voor-spanning wordt deze vanaf debovenzijde van de wand gespan-nen. Aan de onderzijde wordenalleen ankers geplaatst indien deonderkant van de vloer tijdens hetspannen bereikbaar is; andersworden U-bochten toegepast.De veiligheidstank is afgedekt meteen betonnen koepeldak, waarvanspatkrachten worden opgenomendoor een voorgespannen ringbalkop de overgang van de wand naarhet dak.Op het dak bevindt zich een plat-form voor pompen en meet- enregelapparatuur.De verbindingen tussen de ver-schillende onderdelen van de vei-ligheidstank worden over het alge-meen monoliet uitgevoerd, om dekans op lekkage bij een calamiteitzoveel mogelijk te beperken. Bijeen veiligheidstank die op dezewijze is opgebouwd is sprake vaneen `full containment tank' (fig.3).De binnentank is vanuit de toe-gankelijke spouw rondom geheelge?soleerd. Op de betonvloer iseen isolatiepakket aangebrachtvan twee lagen foamglas, geschei-den door een linerplaat, de spouwtussen binnen- en buitentank isge?soleerd en de binnentank isvan boven afgesloten door een aanhet koepeldak hangend, ge?soleerdplafond.Bij gassen die tot vloeistof zijngekoeld en zijn opgeslagen bij eentemperatuur rond het kookpunt,treedt altijd verdamping (boil-off)op, die voor een overdruk van hetgas in de tank zorgt. Ook het vul-len van de tank veroorzaakt eenoverdruk. Ter beveiliging wordt detank voorzien van overdrukventie-len. Als de overdrukventielen inwerking treden, wordt het overtol-lige gas via een schoorsteen opcirca 10 m boven de tank afgefak-keld.Tijdens het ontwerp van de veilig-heidstank komen achtereenvol-gens de bouw-, test- en gebruiks-fase aan de orde.B o u w f a s eTijdens de bouw (foto 4) is eenaantal tijdelijke openingen in dewand voorzien. De hoofdopeningheeft over het algemeen een afme-ting van b x h = 5 x 3 m2en ligtdirect boven de vloer (foto 4b).Deze opening is bestemd voor hetinbrengen van bouwmaterialenvoor de constructie van de stalenbeplating (liner) aan de binnenzij-de van de betonnen buitentank,de ondersteuningsspanten metliner van het dak en de stalen bin-nentank (foto 5).Meestal wil de aannemer de ope-ning zo laag mogelijk in de wandplaatsen. Dit is constructief nietoptimaal omdat in de aansluitingtussen vloer en wand de grootsteVeiligheidstanks voor totvloeistof gekoelde gassenir. A. Rijswijk en ir. P.F. Wolters, Protected Storage Engineers*)De opslag van tot vloeistof gekoelde gassen heeft veelal plaats in verticalecilindrische tanks (foto 1). Gassen die worden opgeslagen zijn LNG (LiquefiedNatural Gas), LPG (Liquefied Propane Gas) of LBG (Liquefied Butane Gas).Doordat het gas wordt afgekoeld tot het kookpunt, kan het onder atmosferi-sche druk vloeibaar worden bewaard. Dit kookpunt ligt voor LNG op -165 ?C,voor LPG op -53 ?C en voor LBG op -15 ?C. Een gebruikelijke constructie vooreen dergelijke opslagtank is een ge?soleerd stalen reservoir van 9% nikkelstaal.Voor tanks met een inhoud groter dan 4000 m3is van overheidswege eenextra veiligheidstank voorgeschreven van beton, die de stalen binnentankbeschermt tegen uitwendige invloeden zoals explosies, brand en vallendeonderdelen afkomstig van de installatie rond de tank en die als secondairecontainer het product kan opvangen bij falen van de stalen binnentank.*) Protected Storage Engineers (PSE) is een samenwerkingsverband tussen Royal Haskoningen DHV dat zich toelegt op het ontwerp, de engineering en het toezicht op de bouw van voor-gespannen betonnen veiligheidstanks voor tot vloeistof gekoelde gassen.2 |Naspannen voorspan-strengen in betonnenwand1 |LPG tank (12 700 m3) enLBG tank (35 600 m3) inaanbouwC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t i l i tei t sb o u wcement 2005 4 49momenten optreden, waardoorrelatief veel wapening moet wor-den onderbroken. Het is gebruike-lijk daar koppelankers toe te pas-sen. Door de grotere diameter vande ankerbussen moet er bij hetaanbrengen van de ankers op wor-den gelet dat er voldoende ruimteoverblijft om het beton aan tebrengen. Voorts is langs deomtrek van de wand een aantal tij-delijke ventilatie-/vluchtopenin-gen aanwezig van 1 x 1 m2.Om de temperatuurbelasting inde aansluiting tussen wand envloer te beperken, wordt meestalaan de binnenzijde van de beton-nen buitentankwand een vloeistof-dichte isolatielaag aangebrachtvanaf de vloerisolatie tot een aan-tal meters boven de vloer.Het verdient daarbij aanbevelingde tijdelijke opening geheel metdeze hoekbescherming af te dek-ken, omdat het beton hierin laterwordt aangebracht (krimpverschil)en er door het gefaseerd aanbren-gen van de voorspanning in ditonderdeel van de wand een lageredrukspanning aanwezig is.Voor de uiteindelijke krachtsverde-ling is de bouwfasering van de dak-constructie van belang.Bij tanks met een grote diameterworden tijdens de bouw van dewand, de ondersteuningsspantenmet de liner van het dak op devloer van de tank gemaakt (foto4c). Na de bouw van de wandwordt deze horizontaal voorge-spannen, waarbij de voorspanningin het bovenste deel van de wandslechts gedeeltelijk wordt aange-bracht. Vervolgens worden de tijde-lijke openingen afgedicht metstaalplaten en worden de onder-steuningsspanten met liner doorluchtdruk omhoog geblazen. Despanten worden onder tegen eenstalen ringbalk gelast, die in debetonnen ringbalk wordt opgeno-men.Bij tanks met een kleine diameterkunnen de ondersteuningsspan-ten met liner en stalen ringbalkop de grond n??st de tank wordengeassembleerd (foto 6). Hetgeheel kan vervolgens met eenkraan op de randbalk wordengeplaatst. De wand hoeft dan nogniet voorgespannen te zijn en destortvoeg in de randbalk ligt lagerdan voor tanks met een grote dia-meter. Na het opstorten en verhar-den van het bovenste deel van derandbalk wordt het eerste deel vande horizontale voorspanning aan-gebracht.Tijdens het storten en verhardenvan het betonnen dak wordt in detank een overdruk met lucht aan-gehouden. Hierdoor is het moge-lijk de stalen ondersteunings-spanten licht uit te voeren.De voorspanning in de randbalkmoet voldoende zijn om na ver-harden van het beton de spat-kracht van het dak op te vangen.Na verharden van het dak en hetafwerken van de binnentank wor-den de tijdelijke openingendichtgestort en wordt de resteren-de voorspanning aangebracht.Door de weerstand van de vloertegen de opgelegde vervormingvan de wand, ontstaat een grootmoment en een grote dwars-kracht.3 |Doorsnede van een `fullcontainment tank'4 |Bouwfasen LNG tank(120 000 m3)a. stellen binnenbekis-ting op vloerb. geklommen buitenbe-kisting met hoofdope-ningc. lining wordt op degestelde spantengelastd. betonwand gereed,spanten met liningworden omhooggeblazene. platform op het beton-nen dak in aanbouwf. tank gereedpompplatformaluminium plafond glaswoldekenbetonconstructieglaswolisolatieNi-staal binnentankperliet foamglas Ni-staal binnentanka.b.c.d.e.f.C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t i l i tei t sb o u wcement 2005 450Voor de situatie dat het dak nogniet is gemaakt wordt rekeninggehouden met windbelasting opde buitenwand. Over het alge-meen is dat echter geen maatge-vende situatie.T e s t f a s eIn de testfase wordt geverifieerdof de stalen binnentank sterkgenoeg is en de fundering vol-doende draagkrachtig is om debelasting vanuit de binnentank tedragen. Dit heeft plaats door destalen binnentank met water tevullen.Bij kleine tanks wordt tijdens detest meestal een waterniveau voor-geschreven gelijk aan het ont-werpniveau van het product. Bijgrote tanks is het voorgeschrevenwaterniveau tijdens de test vaaklager dan het ontwerpniveau vanhet product in verband met hetgrote volume water dat hierbijnodig is en het feit dat het pro-duct in het algemeen een volu-mieke massa heeft tussen 500 en650 kg/m3, aanzienlijk minderdan water.Direct na de watertest wordt eenluchtdruktest uitgevoerd, waarbijhet water nog in de tank aanwezigis. Hierdoor wordt de funderingin het middengebied van de tankextreem belast. Met de luchtdruk-test wordt nagegaan of de buiten-tank gasdicht is. Dit is van belangomdat anders vocht uit de atmos-feer in de tank kan komen en inde isolatielaag condenseert, waar-door het isolerende vermogensterk afneemt.Het monitoren van de funderingheeft plaats met twee hellingme-tingbuizen die kruislings in devloer worden gestort. De gemetenwaarden worden vergeleken metde voorspelde waarden uit hetdetailontwerp van de buitentank.I n g e b r u i k n e m i n gNa het afronden van de testen meteen positief resultaat, wordt hetwater uit de binnentank afgevoerden de tank gedroogd. Vervolgenswordt de temperatuur verlaagd totrond het kookpunt van het pro-duct. Deze ontwerpsituatie is vanbelang als de vloer is gefundeerdop staal of op palen zonder lucht-spouw onder de vloer. Tegenopvriezen wordt deze dan met eenverwarmingssysteem in de vloerop ongeveer 10 ?C gehouden. Deopgelegde temperatuurbelasting isdan afhankelijk van de omge-vingstemperatuur tijdens debouw. In sommige landen is dieongeveer 35 ?C, waarmee in de6 |Assemblage spanten enlining op ringbalk opbouwterrein voor eenButadiene tank(11 625 m3); koppel-ankers ter plaatse van dehoofdopening5 |Zicht op liner buiten-wand, spouw en aanslui-ting binnentankwand optankvloerC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t i l i tei t sb o u wcement 2005 4 51vloer een temperatuurverschil van25 ?C ontstaat, waarvan de krimp-spanningen moeten worden gesu-perponeerd op de uitdrogings-krimp. Doordat de vloer direct opde grond draagt, is de vervormingvolledig verhinderd en kunnendoorgaande scheuren ontstaan,waartegen moet worden gewa-pend op de scheurwijdtecriteria.N o r m a l e g e b r u i k s -s i t u a t i e sTijdens het normale gebruik is hetproduct in wisselende hoeveelhe-den in de stalen binnentank aan-wezig. Daarnaast heerst er hetgrootste deel van de tijd een over-druk in de tank om het kookpuntte verhogen. Tijdens het leegpom-pen van de tank kan echter ookonderdruk ontstaan.Ook voor deze situatie is windmeestal niet maatgevend, omdatdoor de ronde vorm de belastingvia schijfkrachten wordt afgedra-gen naar de fundering.In feite is de belastingsgraad vande betonnen buitentank in de nor-male gebruikssituatie laag in ver-gelijking tot de aanwezige capaci-teit van de constructie.C a l a m i t e i t e nDe betonnen buitentank is juistbedoeld om tijdens calamiteiten tefunctioneren. Ontwerpsituatiesdie vaak in specificaties voorko-men zijn:? brandscenario's;? lekkage stalen binnentank;? explosie naast tank;? aardbevingen;? locale defecten aan isolatie.De brandscenario's worden veelalgedefinieerd in warmtestralingni-veaus. De brand kan op afstandoptreden bij een andere opslag-tank of worden veroorzaakt doorhet affakkelen van gas als de drukin de tank zelf te hoog oploopt.Bij lekkage van de stalen binnentankkan de vloeistof in de spouw tus-sen binnen- en buitentankkomen. Uitgangspunt hierbij isdat alleen de isolatie die wordtbeschermd door een liner diebestand is tegen de lage tempera-turen, blijft functioneren.Hierdoor blijven meestal de vloeren het onderste deel van de wandop de normale gebruikstempera-tuur. Direct boven de hoekbe-scherming koelt de betonnenwand aan de binnenzijde echter aftot de producttemperatuur. Dit incombinatie met de vloeistofdruktegen de buitenwand zorgt vooraanzienlijke scheurvorming. Hetgangbare ontwerpcriterium is dewijdte van de scheuren te beheer-sen tot 0,2 mm en aan de buiten-zijde een drukzone van circa 10%van de doorsnede te handhaven.Door de scheurvorming nemen deopgewekte snedenkrachten nietrecht evenredig toe met de tempe-ratuurbelasting. In het ontwerp isdaarom rekening gehouden methet effect van scheurvorming,inclusief tension stiffening, op dekromming en op de gemiddelderek van de doorsnede. In de gewo-ne ontwerppraktijk wordt degemiddelde rek van de doorsnedealtijd verwaarloosd. Echter in axi-aal-symmetrische constructieskan, door gebruik te maken vandit fenomeen, worden aangetoonddat met minder wapening kanworden volstaan.De temperatuurbelasting is sterkafhankelijk van het opgeslagenproduct; zo is butaan met -15 ?Cveel minder belastend dan aard-gas met -165 ?C.Het ontwerp op explosies kan rela-tief eenvoudig worden uitgevoerd.Voor de vorm van de drukverde-ling over de tank zijn standaard-formules beschikbaar. De dynami-sche explosiebelasting wordtomgerekend naar een statisch-equivalente druk op basis van hetverloop van de luchtdruk in de tijden de eerste eigenfrequentie vande betonnen buitentank. Door hetaanbrengen van rubberblokkentussen de paalfundering en debetonvloer kan de eerste eigenfre-quentie worden verlaagd, waar-door de statisch-equivalente belas-ting afneemt (fig. 7).In Nederland zijn de ontwerpaard-bevingen niet zwaar en zijn meest-al geen maatregelen nodig om deconstructie daartegen bestand temaken. In landen zoals Iran zijnde ontwerpaardbevingen echteruitzonderlijk zwaar. De ontwerpsi-tuatie van een tank die is lekge-raakt door een zware aardbevingen die vervolgens een naschok7 |Aansluitdetail vloer/wand met rubber opleg-blokken; tijdelijke zand-aanvulling om vloer tekunnen stortenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t i l i tei t sb o u wcement 2005 452moet weerstaan, is dan maatge-vend voor het ontwerp van dewand. Bij tanks met een diameterkleiner dan 50 m en een vloeistof-niveau van 22,5 m kan in die lan-den tijdens een aardbeving debetonnen tank zelfs bijna losko-men van de grond.Lokale defecten van de isolatie kun-nen optreden als in de spouw tus-sen de binnen- en buitentank-wand als isolatiemateriaal perlietis toegepast. Door het inzakkenvan het perliet in combinatie methet ontstaan van een drukboogboven de ingezakte zone, neemtop die plaats de isolatiecapaciteitsterk af. Hierdoor kan de wandover een klein gebied een thermi-sche verkorting ondergaan. Denaastgelegen zone in de beton-wand verzet zich tegen deze ver-korting. De thermische verkortingmoet daarom volledig wordengesuperponeerd op de aanwezigerektoestand van de wand.B e p a l i n g k r a c h t s v e r -d e l i n g e n t o e t s i n gw a p e n i n gDe krachtsverdeling wordt doorPSE bepaald met een gefaseerdeanalyse met het pakket DIANA.Vervolgens worden de scheurrek-ken met een eigen postprocessorberekend en iteratief verwerkt inde DIANA-berekening. Op dezewijze wordt een niet-lineaire bere-kening gemaakt met de lineair-elastische module van DIANA.Nadat de berekening voldoende isgeconvergeerd, worden de toet-singsresultaten in FEM-VIEW for-mat opgeslagen en kunnen danvia het pakket DIANA wordengepresenteerd.Figuur 8 toont een 267 m langebuitenwand van een tank ?85 m,hoog 40 m, doorgesneden over??n van de twee tijdelijke openin-gen. Duidelijk herkenbaar zijn devier spanconsoles. De kleurengeven het percentage van de door-snede onder druk. De vloeistof-spiegel is herkenbaar op de schei-ding tussen geel en blauw.Hieronder koelt het beton sterk afdoor de vloeistof, het wil krimpen,waardoor trekspanningen ont-staan en er slechts 10% van dedoorsnede onder druk blijft. 8 |Percentage van de door-snede onder druk in bui-tentankwand na falenstalen binnentank