Efficiënt lassen van opmerkelijke constructies met grote wand dikte! IWT J. Jacobs & P. Gerritsen, Elst Dr.-Ing. Erturul Engindeniz, Altleiningen Dipl.-Ing. Ercan Kaplan, Istanbul Dipl.-Ing. Emre Ganioglu, Istanbul Dipl.-Ing. Manfred Siebert, Abu Dhabi Kemal Tasdemir, Abu Dhabi 1. Inleiding De opkomende schaarste van aardolie en aardgas in On-shore bronnen dwingen ertoe te zoeken naar natuurlijke grondstoffen in de wereldzeeën die meer dan 70 % van de planeet bedekken. Met deze achtergrond worden de Offshore activiteiten steeds meer lucratief, daardoor worden er tegenwoordig grote aantallen booreilanden gebouwd. In het begin werden meestal mobiele booreilanden gebruikt die flexibel inzetbaar zijn. Deze platforms zijn als ponton uitgevoerd en daarmee vaarwaardig en zijn vaak uitgevoerd met eigen aandrijfinstallatie en energievoorziening. Dit maakt het mogelijk ze enerzijds op eigen kracht naar diverse posities te sturen en anderzijds kunnen ze de positie boven het boorgat waarborgen. Verder in dit stuk word behandeld de bouw van het hoogste Woon en kantoorgebouw van Rusland, de plaatdikte in de constructie lopen op tot 200mm en hoger. Ook word het nieuwe voetbalstadion Shaktar in Donesk in Ukraine behandeld. Naast de complexe lastechnische uitdagingen worden ook de logistieke zaken zoals transport en montage behandeld. Daarnaast krijgt u als lezer inzicht in het operationele gedeelte van twee bedrijven uit het Midden-Oosten. Cimtas, opgericht 35 jaar geleden als dochteronderneming van de grote bouwfirma ENKA uit Turkije, zij produceren in eerste instantie drukvaten opslagtanks windmolen toebehoren en staalconstructies van grootse omvang. Terwijl het hoofdkantoor zich in Istanbul aan de Europese zijde in Bosporus bevind, is de productie met twee
faciliteiten in Gemlik aan de Aziatische kant van Turkije gevestigd. Deze faciliteiten liggen ca. 100 km ten zuiden van Istanbul aan de Marmara zee bij Bursa. In 2007 werd hier nog zo n 47.000T staal verwerkt. Dit geld ook voor de productiefaciliteit van IMCC in Abu Dhabi, zij zijn onderdeel van het Duitse Babcock & Nöll Würzburg. Hier werden in die tijd verschillende zeer grote booreilanden gebouwd. 2. Beschrijving van het gebouw 2.1 Hoogbouw Eurasia / Moskou Stad Plot 12 Zo hereist momenteel in het centrum van Moskou het hoogste gebouw van Rusland. Het gaat in deze over de Eurasia Tower, Moskou Stad Plot 12. Met 6 ondergrondse en 74 bovengrondse verdiepingen zal de toren een hoogte bereiken van 310 meter. De wolkenkrabber herbergt zowel kantoor als ook woongedeelte daarnaast ook diverse restaurants en een fitnesscentrum. De ondergrondse parkeerplaats bied ruimte aan meer dan 1000 personenauto s. Figuur 1 de wolkenkrabber zoals hij opgeleverd moet worden in Mei 2009. 27.000T Staal 74 etages bovengronds 6 Etages ondergronds Lasprocessen MAG-proces met Gevulde draad OP-proces met Gevulde draad Boutlassen 310m Figuur 1: Eurasia Tower in Moskou
De uit staal bestaande constructie weegt zo n 27.000T. De oppervlakte hiervan is 200.000m 2 Groot. Deze aantallen, door lassen samengestelde componenten bestaan uit ca. 24.000 Stuks. Daarvan zijn zo n 21.000 dragers en 2300 kokerprofielen als staander en 700 als schoorbalk. Gebruikt worden staal kwaliteiten S355 J2G3 enp 460 NL1 met plaatdikten tot 404mm in de voetplaten van de fundering en 220 mm in de koppelplaten aan de kokerprofielen. 2.2 Voetbalstadion FC Shaktar in Donetsk, Ukraine. In juni 2006 ontvangt de ENKA-Group de opdracht om in Donetsk een 5-Sterren stadion te bouwen volgens UEFA- en FIFA-Richtlijnen. Nadien, nog het zelfde jaar in augustus word gestart met het grondwerk en de fundatie, enkel door snel van start te gaan kan de termijn van oplevering in augustus 2008 gerealiseerd worden. De foto in figuur 2 laat de indrukwekkende en bijzondere vorm van de dakconstructie zien met een totaalgewicht van 4300T, waarvan 3800T uit staalconstructie bestaat. Figuur 2: Voetbalstadion FC Shakhtar in Donetsk, Ukraine.
Het idee van de architecten was een zelfdragende dakconstructie te construeren zonder stutpalen. Dit werd door 60m overspannende vakwerkdragers gerealiseerd met daartussen een vakwerkconstructie die gelijk aan de vakwerkdragers 60m oversteekt en op de vakwerkdragers komt te rusten. Zoals Figuur 3 laat zien, steken zowel de vakwerkdragers als de vakwerkconstructie over op gelijke lengte. De hoogte van het dak bedraagt zo n 54m op het hoogste punt. Daarna loopt de daklijn af richting het zuiden tot zo n 2/3 van de totale hoogte, dit is ontworpen door onder andere Leninsky-Parks. Door het aflopende dak word de hoogte met 1/3 verlaagt waardoor opmerkelijk meer zonlicht binnen komt en de grasmat zijn kwaliteit behoud. Dit had echter grote constructieve gevolgen, zo moesten alle 12 vakwerkdragers uitzonderlijk berekend en vormgegeven worden. Met deze gedachte had de producent van de vakwerkdragers welke ook verantwoordelijk was voor montage en logistiek een zeer grote en complexe opgave. De dak segmenten zijn zo geconstrueerd dat aardverschuivingen door voormalige kolenmijnen gecompenseerd kunnen worden. In het stadion kunnen zo n 50.000 voetbalvrienden plaatsnemen en ca. 5000 VIP gasten. De oppervlakte van de bouwplaats is zo n 255.000m 2, waarvan ca. 46.780m 2 bebouwd oppervlak. De kosten voor het complete stadion bedragen zo n 180 Miljoen Euro. Verder is erg bijzonder aan dit gebouw het imposante glazen dak hetgeen een oppervlakte van ruim 24.000m 2 beslaat. Het compleet rondlopende glazen dak veranderd in een groot juweel als het word overgoten door zonlicht. Het is zeker dat voetbalclub, FC Shakhtar, met afstand, de modernste arena bezit die momenteel in Oost-Europa in gebruik is. De arena zal onder andere dienst doen in de halve finale tijdens de Europese kampioenschappen in 2012. Figuur 3: Dakconstructie tijdens montage, afgelopen in mei 2008.
2.3 Half afzinkbare boorplatformen In Abu Dhabi word momenteel half afzinkbare boorplatformen gebouwd. Deze manier van bouwen maakt gebruik van pontons als drijvers waardoor het booreiland in grote waterdiepte dienst kan doen tot 3500m en mobiel waardoor ze flexibel ingezet kunnen worden. Gevulde ballasttanks zorgen ervoor dat het booreiland ook bij ruig weer op zee zichzelf rustig en stabiel houd. In Figuur 4 herkent men een uit drie delen bestaand ponton met een totale lengte van ca. 105m lang. Figuur 4: Voorbereiding van de pontons (oplevering mei 2008) Figuur 5: Eindmontage van het booreiland in de droogdok In Figuur 5 ziet men het booreiland in aanbouw in de droogdok voor eindmontage. Dit platform is uitgerust met in totaal 8 motoren om het hele gevaarte voort te stuwen. Naast het voorstuwen zijn deze motoren ook in staat het gehele platform op zijn plaats te houden op positie en boven het boorgat. Het totaalgewicht zal liggen rond 30.000T.
3. Procesvarianten en lastechnische uitvoering. Berustend op operationele kosten en praktische ervaring viel de keuze voor het hoofd lasproces in de voorbereiding van de staalconstructies op OP-Lassen. De afmetingen en geometrie van de constructiedelen lieten OP-Lassen uitermate goed toe. Uit economische en kwaliteit s aspecten word er gekozen voor OP-Lassen met gevulde draden. Voor wanddikte tot 60mm word er gekwalificeerd in twee-draad tandem proces. Zoals Figuur 6 laat zien, word daarbij met 4mm dikke, basische vuldraden gewerkt, eerst word de grondnaad, de eerste 5-6 lage, met enkele draad gelast. 35 17 (44mm 60mm 4mm 12mm 60 Naadvoorbereiding 1-6 en 18-22 7-17 en 23-28 DC + DC + 6 18 1 22 28 Laagopbouw 15 AC Kerftaaiheid (J) bij -46 C Centrum van de plaat Laag 1-17 Laag 18-28 224 134 180 202 190 164 204,5 176,5 Lasrichting 22mm 500-650A 550-650A 500-600 26-30V 27-28V 31-34V 45-60cm/min 55-70cm/min Materiaal : SA 516 Gr 70 N Gevulde draad : TC 731B / 4,0mm Flux : BF 10 Warmtebehandeling: 630 C / 12h Figuur 6: Parameters en resultaten van de lasproeven. Met dank aan de reinigende werking van de basisch gevulde lasdraad is uitslijpen of gutsen van de tegenlaag niet noodzakelijk. Het goede aanvloeien aan de flanken van de naad en in de overlapping is bij gebruik van juiste parameters absoluut foutloos. Precies hier ligt de hoofd reden van de besparing ten opzichte van massieve draad.
De reparatie factor is praktisch nul, mede omdat de lastige naadvoorbereiding is vervallen en met niet hoeft te slijpen en gutsen. De producent komt op deze manier goed voor de dag tegenover de aannemer en opdrachtgever. Niet op de laatste plaats wegen de zeer goede kerfslagwaarden mee voor de keuze van deze lasdraad. 30 197mm 6mm 60 (167mm) 30mm Grondnaad, Gelast met Megafil 713R Beschermgas M21 Vorm Ceramische strip Laag Rest 1-4 DC + DC + AC TwinArc 2 koppen Tandem Lasrichting 20-25mm 600-650A 800-1000A 700-800A 26-28V 29-32V 33-36V 50-60cm/min 70-90cm/min TwinArc 1 Kop TwinArc 2 Koppen Tandem Figuur 7: Lasproeven in 197mm plaatdikte met OP-TwinArc en OP-TwinArc-Tandem, met 2x2,4mm vuldraad type Topcore 731B en Flux type BF10. Voor de extreem grote wanddikte voor de bouw van de kokerprofielen en de daar aan verwante staalconstructie werd vastgesteld dat men gebruik gaat maken van dezelfde TwinArc techniek als voorheen besproken, 2x2,4mm gevulde draad. Vanwege het geslaagde vooronderzoek word deze variant in een bepaalde bandbreedte toegelaten en zelfs naar dubbeldraad-tandem uitgebreid. In Figuur 7 zijn de parameters en werkwijze in 197mm plaatdikte te zien. Voor de TwinArc applicatie is gekozen voor mobiele lastractoren welke in de handel verkrijgbaar zijn.
In tegenstelling tot de tractoren voor het TwinArc-Tandem proces, deze moesten speciaal gebouwd worden. Figuur 8: Mobiele OP-TwinArc-Tandem lastractoren, uitgerust met 2,4mm Gevulde draden. Zoals Figuur 8 laat zien werkt men met één mobiel station en twee lastractoren aan iedere zijde. De kokerprofielen voor de fundering worden met twee tractoren per zijde gelijktijdig gelast vanwege de maat tolerantie. Zoals men ook kan zien in figuur 8 word er met in totaal 4 tractoren gelast, elke tractor werkt met twee rollen draad wat resulteert in lassen met 8 rollen tegelijkertijd. Figuur 9 laat zien welke invloeden verschillende OPtechnieken hebben op lastijd en kostprijs in de 197mm dikke verbinding. Dit vergelijk is enkel gemaakt om de verschillen tussen massieve en gevulde draad te laten zien. De vermindering in lastijd in vergelijking tot conventionele OP-technieken ligt ergens tussen 18,8 en 20% ten gunste van de gevulde draad. Echter het bedrijf recht zich op een kostenbesparing van 30% in de productie, zoals eerder besproken word dit bereikt ook door minder fouten en herstelkosten met basische gevulde draad wegens voorgenoemde redenen. Voor de berekening zoals in Figuur 9 getoonde lastijden worden absoluut de gelijke procesparameters gebruikt.
Figuur 9: Vergelijk in lastijd van 197mm plaatdikte op de manier uit Figuur 7. Daarbij komt dat de hier uitgekozen naadvorm met een gewicht van 76,6Kg/m en dit is inclusief een gemiddelde overdikte van 2,5mm. Zoals verwacht komt de OP-TwinArc Tandem met 4 draden als beste naar voren. Naast OP-Lassen werd ook het Mag-Lassen met gevulde draad toegepast. Zoals getoond in Figuur 7 word de grondnaad met Rutieldraad op ceramiek uitgevoerd. Deze lagen dienen in eerste instantie voor de eerste verbinding van de platen. Later zullen deze lagen dienen als badondersteuning voor de vullagen bij het OP-Lassen. Cimtas in Türkije had de meeste ervaring met het lassen van gevulde draden, hier word al zo n 25 jaar met gevulde draden onder beschermgas gelast. Zo werden in de uitvoering van Euresia-Tower Plot 12 en het Dontsk-Stadion alle stompe- en hoeknaden in kleinere plaatdikte uitgevoerd met het Mag-Lasproces met naadloos gevulde draden. Hiervoor kwamen twee type Rutiel draden in aanmerking (E 71 T1 en E 81 T1-Ni1) En een Metaal gevulde (E 70 C-6 M). De foto van Figuur 10 laat duidelijk zien hoe intensief de draden gebruikt worden. Deze draden worden zowel in de voorbereiding als op de bouwplaats ingezet.
Andere lasprocessen die die in deze projecten worden toegepast zijn; - TIG-Lassen & Bout-Lassen - Laser-Lassen - Elektroslak-Bandlassen (Cladden) - Elektrode Lassen Het laatste proces worde enkel in geringe maten op de bouwplaats toegepast. De dun wandige buizen in de dakconstructie worden middels Laser lastechniek vervaardigd. a) Drager met knooppunt voor Plot 12 b) Drager met knooppunt voor het Shakhtar Stadion Figuur 10: Vervaardigen van de Knooppunten met MAG-proces met Gevulde draad in Gemlik,Turkije.
Figuur 11: Lasproeven uit de Staalbouw Figuur 11 Toont de werkelijke mechanische waarde die behaald werden met een Metaal gevulde draad in een plaatdikte van 70mm Staal P460 NL1. Ook in dit geval worden duidelijk de gesteld eisen behaald en zelfs ver overtroffen. 4. Uitleveren en Monteren van de Bouwdelen De continue gewichtstoename van de te transporteren onderdelen heeft in de Marmara- Zee voor grote uitdagingen gezorgd. Het havenbedrijf verantwoordelijk voor logistiek, Firma Borusan, moest in de voorgaande 15 maanden aan het transport hun capaciteit blijvend vergroten en kwalificeren om de omvangrijke en zware delen te kunnen hanteren. De landwegen die begaan moeten worden tussen de productie en haven is ongeveer 3Km, ook deze dienden in vele gevallen vernieuwd en versterkt te worden.
Figuur 12: Monteren van de Vakwerkdragers in Donetsk De maximale stukgewichten voor Plot 12 en FC Shakhtar liggen op zo n 70T. In zoverre zijn de onderdelen zoals men ziet in Figuur 12 hanteerbaar. De problemen deden zich meestal voor in de zijdelingse afloop van de dakconstructie. Vanwege bevriezingsgevaar van de onderdelen konden deze enkel tussen April en Oktober worden vervoerd en gemonteerd. Om opslagkosten te drukken word er in de planning rekening gehouden met inkoop en productie zodat alles precies op elkaar aansluit. 5. Samenvatting In voorgaande tekst word over complexe constructies en grote wanddikte gesproken. Het gaat om Ruslands hoogste Kantoor- en Woongebouw Eurasia-Tower in Moskou, het Booreiland gebouwd in Abu Dhabi en het stadion van FC Shakhtar in Donetsk. In alle projecten komen wanddikte van 200mm en groter voor. De productie faciliteiten bevinden zich in Turkije en de Verenigde Arabische Emiraten. Het lastechnische gedeelte word veelal ingevuld met het OP-Lasproces en het Mag-Lasproces in beide gevallen uitgevoerd met naadloos gevulde draden. Naast de kwalitatieve voordelen van naadloos gevulde draad word ook economisch aspect naar voren gehaald.