Rapporten Innovatief ondiep bouwen

Werkpakket 2.01 Bijzondere belastingen

Rapport Bijzondere Belastingen - Pressure load on a cylindrical tunnel caused bij LPG BLEVE: influence of the vessel failure time

Tot vloeistof samengedrukte gassen worden vervoerd in tankauto's. Bij calamiteiten kan zo'n tank scheuren met als gevolg uitstromen, onder hoge druk, van het gas. Tot nu toe was niet bekend welke krachten, door een dergelijk incident, op de tunnelconstructie werken. In dit onderzoek is de scheurvorming van de tank en de uitstroom van het gas in meer detail gemodelleerd. Dit levert een realistisch beeld op van de krachten die op de tunnel lining zullen werken. Met deze gegevens is het mogelijk om te bepalen hoe goed tunnels en de omliggende grond in staat zijn dergelijke krachten te weerstaan.

This first chapter will give an introduction to what is a BLEVE, Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, and its hazards particularly in relation to tunnel safety. It will be shown that several definitions of a BLEVE can be given, depending on the aspect put in focus. In particular distinction can be made between two groups of references, respectively giving an engineering definition and a physical definition. As a result of our literature survey, our own definition of BLEVE will be presented trying to bridge the gap between these two groups of definitions. In the following chapters, we stick to that definition unless specified otherwise.
First of all, we would like to consider some basic concepts, i.e. superheated liquid, explosive boiling and bubble nucleations, by an easy example. It is well known that when we heat the water in a tea kettle up to the temperature of 100 ±C at the atmospheric pressure, the water will start to boil or vaporize. In this case, invisible active nuclei formed on the inner surface of the kettle or at any impurities in the water will grow to be a visible bubble which will detach from the wall and move upwards due to buoyancy. Such a type of bubble nucleation is called heterogeneous nucleation since the bubble nucleation only occurs at the locations where there is a boundary between two different phases.
However if we put the water into a very smooth glass and heat it in the microoven, the boiling will not occur even the temperature already exceeds the normal boiling point at the atmospheric pressure. At this moment, the water is said to be superheated and if we keep heating the water, a rapid ’explosive-like’ boiling, termed explosive boiling, will suddenly occur and may cause serious damage to the microoven. In this explosive boiling, the active nuclei are evenly formed throughout the liquid, therefore it is called homogeneous nucleation.
Superheating sometimes is referred to as boiling retardation, or boiling delay. It refers to the phenomenon in which a liquid is heated to a temperature higher than its boiling point, without actually boiling. A superheated state can also be reached in another way than by heating, namely by depressurization to a pressure lower than the saturation pressure at the prevailing temperature.

Nowadays goods which are sensitive for explosion are transported along alternative routes that exclude tunnels. These are mostly secondary roads. The transport along these alternative roads has many disadvantages, such as the safety along the route, the air- and noise pollution along the road and the higher transport costs. Therefore, it is preferred to permit the transport of dangerous goods through tunnels. In case of multiple use of space this leads to the question what are the possible consequences and risks for buildings of structures above the tunnel. In the Delft Cluster work package “Bijzondere Belastingen” (CT01.21) the consequences of an accident with a transport of explosion hazardous goods are considered: BLEVE1 and gas explosion. These phenomena have a low probability of occurrence, but might have immense consequences. Therefore, a deterministic consideration is not possible. The results of the work package must facilitate the quantitative risk analysis of the phenomena, which supports the authorities in their decision of allowing transport of dangerous goods through tunnels or not. The work package focus is on the mechanical description of the loading and the response. However, it requires an interdisciplinary approach, which integrates knowledge of risk analysis, explosion and evaporation of liquefied gases, structural dynamics and soil dynamics.

Project description
The work package contains two main stream research lines:
1. Loading due to BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) and gas explosion. The BLEVE research is mainly executed in a PhD project at Delft university of Technology. This part focuses on an improved understanding and modeling of the BLEVE phenomenon. TNO Defense and Safety will participate in this research line by introduction of practical mechanical modeling of the vessel behavior and creation of a practical engineering model for BLEVE load prediction, based on the results of a PhD-study.
2. Dynamic Response of the structure-soil system under BLEVE and gas explosion loading. Here TNO Built Environment and Geosciences concentrates on the structural part of the problem, whereas GeoDelft and Delft University of Technology will take care of the soil response. TNO Defense and Safety will provide data on appropriate loads for realistic cases.

In this Delft Cluster work package “Bijzondere Belastingen” (CT01.21) the consequences of an accident with the transport of explosion hazardous goods are considered: BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) and gas explosion. These phenomena have a low probability of occurrence, but might have immense consequences. Therefore, a deterministic consideration is not possible. The results of the work package must facilitate the quantitative risk analysis of the phenomena, which supports the authorities in their decision of allowing transport of dangerous goods through tunnels or not. The work package focus is on the mechanical description of the loading and the response. However, it requires an interdisciplinary approach, which integrates knowledge of risk analysis, explosion and evaporation of liquid gases, structural dynamics and dynamics of soil. The work package plan contains two main stream research lines:
1. Loading due to BLEVE and gas explosion. The BLEVE research is mainly executed in a PhD-study at Delft University of Technology. This part focuses on an improved understanding and modelling of the BLEVE phenomenon. TNO Defence and Safety will participate in this research line by introduction of practical mechanical modelling of the vessel behaviour and creation of a practical engineering model for a BLEVE load, based on the results of the PhD-study.
2. Dynamical Response of the structure-soil system under loading by a BLEVE and gas explosion loading. Here TNO Built Environment and Geosciences concentrates on the structural part of the problem, while Deltares and Delft University of Technology will take care of the soil response. TNO Defence and Safety will provide data on appropriate loads for realistic cases.

Rapport R3: Full response Thomassen tunnel under impact load using LS-Dyna (concept version 3)

In the Delft Cluster work package “Bijzondere Belastingen” (CT01.21) the consequences of a BLEVE and a reduced BLEVE are considered. These phenomena have a low probability of occurrence, but might have immense consequences. Therefore, a deterministic consideration seems not possible.
The results of the work package must facilitate the quantitative risk analysis of the phenomena, that support the authorities in their decision of allowing transport of dangerous goods through tunnels or not. The work package focus is on the mechanical description of the loading and the response. However, it requires an interdisciplinary approach, which integrates knowledge of risk analysis, explosion and evaporation of liquefied gases, structural dynamics and soil dynamics.

Project description:

The project contains two main stream research lines:
1. Loading due to BLEVE. The BLEVE research is mainly executed in a PhD project at Delft University of Technology. This part focuses on an improved understanding and modelling of the BLEVE phenomenon. TNO Defense and Safety will participate in this research line by introduction of practical mechanical modelling of the vessel behaviour and creation of a practical engineering model for BLEVE load prediction, based on the results of a PhD-study.

2. Dynamic Response of the structure-soil system under BLEVE and a reduced BLEVE loading. Here TNO Built Environment and Geosciences concentrates on the structural part of the problem, whereas Deltares and Delft University of Technology will take care of the soil response. TNO Defense and Safety will provide data on appropriate loads for realistic cases.
The project is divided into the following work packages:
· L1: Mechanical aspects of the initiation of a BLEVE
· L2: Thermodynamic and gas dynamic aspects of a BLEVE
· R1: Preliminary structural response
· R2: Soil behaviour
· R3: Full system response
· R4: Consequences for surroundings

Verkeerstunnels en overkapte wegen (landtunnels) komen de milieukundige en stedenbouwkundige inpassing ten goede en maken meervoudig ruimtegebruik in de stad mogelijk. Het aantal tunnels en overkappingen groeit dan ook. Dit maakt het vervoer van explosiegevaarlijke stoffen en onder hoge druk vervoerde gassen steeds moeilijker, want tankwagens met deze stoffen mogen als regel niet door tunnels. Met dit verbod sluit de overheid de risico’s van een explosie in een tunnel uit. Maar het verbod is er voor de zekerheid, want over de exacte gevolgen van een explosie in een tunnel is onvoldoende bekend. Om nadere uitspraken te kunnen doen over hoe gerechtvaardigd dit verbod is, is meer kennis vereist over een explosie in een tunnel. Welke belastingen treden op? Hoe reageert de tunnel als deze dynamisch wordt belast? Bezwijkt de tunnel door de explosie? En hoe reageert de grond onder de dynamische belastingen die de tunnel doorgeeft?
De onderhavige studie richt zich in het bijzonder op de effecten van het optreden van een BLEVE1 in een tunnel. De motivering voor deze keuze is gegeven in de voorstudie van het onderzoek.
In het onderzoek komt kennis van verdamping, explosies en de dynamica van constructie en grond samen. Waar mogelijk is gebruik gemaakt van bestaande modellen, waar nodig zijn die aangepast aan nieuwe behoeften en inzichten. Soms bleek het nodig nieuwe modellen te ontwikkelen.
Voor de berekening van de krachten die op de constructie werken, waren bij het begin van het onderzoek alleen conservatieve modellen beschikbaar. Berekeningen die hiermee in het onderzoek zijn uitgevoerd leidden tot de verwachting dat een tunnel als gevolg van een BLEVE over een grote lengte bezwijkt. Gedurende het onderzoek werden modellen verfijnd en verbeterd. Met die nieuwe modellen zijn berekeningen gemaakt, waarbij de belasting varieert in zwaarte. De conclusie van die berekeningen aan een tunnelgeometrie die in de praktijk vaak wordt gebruikt, is dat een BLEVE over een lengte van ongeveer veertig meter grote schade aan de tunnelconstructie zal veroorzaken. Op grotere afstand bedraagt de explosiekracht nog ongeveer 100 kPa (1 bar). Sommige (afgezonken) tunnels zijn hier al tegen bestand en zullen die druk dus overleven. De meeste landtunnels zijn hier (nog) niet tegen bestand. Het verbeterde model voor de BLEVE belasting is nog in ontwikkeling: een promovendus van de TU Delft is daar tot eind 2010 mee bezig. Dan zal blijken of de belasting van de tunnel meer overeenkomt met de hoogst gebruikte waarde (in de conservatieve schatting) of meer met de lage waarde. Tussen de hoogste en de laagste waarde zit lokaal een factor 3. Uit dit promotieonderzoek zou dus kunnen blijken dat de belasting gereduceerd wordt tot een niveau waarop geconstrueerd kan worden.
Voor berekeningen van de interactie tussen de constructie en de grond is het eindige-elementenpakket LS-DYNA gebruikt. De constructie is hierin geavanceerd gemodelleerd, de bodem eenvoudig. Voor voorspellingen over het tunnelgedrag tijdens de explosie blijkt dit voldoende.

Werkpakket 2.02 Nieuwe boortechnieken kleine infrastructuur

Full paper modeling the soil pipeline interaction during the pull backoperation

The success of a horizontal directional drilling (HDD) is largely dependent on the success of the pull back operation, when the product pipe is installed in the created borehole. For global design purposes and global engineering practice a calculation method is available in the Dutch standard. This is a quick and relative simple method for the calculation of the distribution of normal forces between the pipeline and the borehole wall and gives a reasonable estimate of the maximum pull back force. The reason for the pulling problems however can not be explained with this method. Therefore a model for the pullback of pipelines has been created. Simulations have been performed to study various effects of pipelines in the borehole. The model can describe a complex set of interactions between pipeline, drilling pipe, drilling fluid and soil next to borehole. The understanding of the soil reaction forces in the bends is improved by knowledge obtained from model simulations.

Werkpakket 2.03 Detectietechnieken ondergrondse infrastructuur

In Nederland liggen momenteel meer dan 1,75 miljoen strekkende kilometers kabels en leidingen in de ondergrond. De aanleg van deze kabels en leidingen heeft in het verleden niet altijd even gecoördineerd plaatsgevonden. Hierdoor laat de bereikbaarheid en vindbaarheid van de bestaande kabels en leidingen vaak te wensen over. Dit heeft tot gevolg dat, met name in stedelijke omgevingen, waar de druk op de ondergrond de laatste jaren steeds groter wordt, werken in de ondergrond steeds lastiger wordt.
Daarnaast kunnen onveilige situaties ontstaan en nemen de kosten van werkzaamheden en graafschades onevenredig toe. De behoefte bestaat om zonder daadwerkelijk fysiek in de ondergrond te gaan een beeld te krijgen van de in de ondergrond aanwezige kabels en leidingen. Momenteel ontbreekt echter de juiste technologie om dit op een betrouwbare manier te doen.

Het project Innovatieve Opsporingstechnieken richt zich op de ontwikkeling van een gereedschap voor de detectie van ondergrondse kabels en leidingen. Het gereedschap zal zonder te graven een beeld moeten geven van de in de ondergrond aanwezige kabels en leidingen.

Werkpakket 2.04 De holocene stadslaag: TAT

Rapport Totaal Andere Tunnel, Denken in nieuwe richtingen

Binnen de tunnelbouw wordt vaak in traditionele patronen gedacht. Pogingen tot vernieuwingen lopen daardoor regelmatig vast. Dit project onderzocht welke mogelijkheden er zijn voor de aanleg en exploitatie van een Totaal Andere Tunnel (TAT). Hoe die tunnel er precies uitziet, ligt nog open. In het project zijn oplossingen gezocht voor de beperkingen van de huidige tunnels. In de toekomst zullen we:
• eenvoudige tunnels aanleggen tegen beperkte kosten;
• aanleggen met weinig hinder en risico’s;
• sneller tunnels aanleggen;
• duurzame tunnels aanleggen, die geschikt zijn voor verschillende doeleinden.
Het rapport is te bestellen via www.cob.nl

Werkpakket 2.06 Risico's bundeling kabels en leidingen

Rapport Risicoanalyse en risicobeoordeling bundels kabels en leidingen

Met deze eindrapportage Risicoanalys en risicobeoordeling bundeling kabels en leidingen wordt voor het eerst in Nederland op een gestructureerde wijze de risico’s van bundeling van kabels en leidingen kwantitatief geanalyseerd, zowel voor de kans- als de gevolg-zijde en met inbegrip van eventuele vervolgrisico’s. De nu ontwikkelde methode en de bijbehorende software bieden een krachtig instrument om de risico’s van bundeling van kabels en leidingen te vergelijken met de traditionele oplossing van (ongestructureerde) ligging in de koude grond. De broncode van de software is vrij beschikbaar zodat ook toekomstige ontwikkelingen eenvoudig kunnen worden geïmplementeerd. Dit is een stap die bij zal dragen aan de objectivering van de risico’s en aan de acceptatie van nieuwe concepten voor ruimtegebruik.