Rapportage storingsonderzoek 150 kV-lijn Doetinchem-Ulft/Dale 14 juli 2010
Arnhem, oktober 2010
30101141-Consulting 10-2002
Rapportage storingsonderzoek 150 kV-lijn Doetinchem-Ulft/Dale 14 juli 2010
Versie 1.1 Arnhem, 29 oktober 2010 Auteur: … KEMA Consulting
In opdracht van TenneT TSO BV, BU Asset Management
KEMA Nederland B.V. Utrechtseweg 310, 6812 AR Arnhem Postbus 9035, 6800 ET Arnhem T (026) 3 56 91 11 F (026) 3 89 24 77
[email protected] www.kema.com Handelsregister Arnhem 09080262
© KEMA Nederland B.V., Arnhem, Nederland. Alle rechten voorbehouden. Dit document bevat vertrouwelijke informatie. Overdracht van de informatie aan derden zonder schriftelijke toestemming van KEMA Nederland B.V. is verboden. Hetzelfde geldt voor het kopiëren (elektronische kopieën inbegrepen) van het document of een gedeelte daarvan. KEMA Nederland B.V. en/of de met haar gelieerde maatschappijen zijn niet aansprakelijk voor enige directe, indirecte, bijkomstige of gevolgschade ontstaan door of bij het gebruik van de informatie of gegevens uit dit document, of door de onmogelijkheid die informatie of gegevens te gebruiken.
Versie 1.1
-4-
30101141-Consulting 10-2002
INHOUD blz. SAMENVATTING .................................................................................................................. 7 1 1.1 1.2
Inleiding ............................................................................................................... 8 Aanleiding en doelstelling..................................................................................... 8 Leeswijzer ............................................................................................................ 8
2
Aanpak en rolverdeling ........................................................................................ 9
2.1 2.2
Betrokken partijen ................................................................................................ 9 Aanpak onderzoek ............................................................................................... 9
3
Beschikbaar gestelde informatie .........................................................................11
4 4.1 4.2 4.3 4.4
Voorgeschiedenis ...............................................................................................12 Situatieschets......................................................................................................12 Netsituatie...........................................................................................................13 (Recent) onderhoud ............................................................................................14 Vigerende normen en richtlijnen..........................................................................16
5
Vaststelling tijdens bezoek ..................................................................................18
5.1 5.2
Algemene indruk getroffen lijndeel ......................................................................18 Algemene indruk omgeving.................................................................................25
6 6.1 6.2 6.3
Gebeurtenissen in het net voorafgaand aan/tijdens de storing ............................27 Storingsregistratie ...............................................................................................27 Weersverwachting...............................................................................................27 Getuigen .............................................................................................................27
7 7.1 7.2
Weersomstandigheden .......................................................................................29 Weersgegevens ..................................................................................................29 Gevolgen van het noodweer ...............................................................................30
8
Analyse gebeurtenissen......................................................................................31
9 9.1 9.2 9.3
Hypothesen.........................................................................................................33 Inleiding ..............................................................................................................33 Hypothese 1: Sterkte mastlichaamontwerp voldoet niet aan de norm .................34 Hypothese 2: Funderingsontwerp voldoet niet aan de richtlijn.............................36
Versie 1.1
-5-
30101141-Consulting 10-2002
9.4 9.5 9.5.1 9.5.2
Hypothese 3: Elektrisch systeem voldoet niet aan de norm.................................37 Hypothese 4: Verborgen gebreken......................................................................37 Verborgen gebreken in mastlichaam...................................................................38 Verborgen gebreken in fundatie ..........................................................................39
9.5.3 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11
Verborgen gebreken in het elektrisch systeem....................................................40 Hypothese 5: Gebrekkig onderhoud leidend tot verminderde conditie van het mastlichaam........................................................................................................41 Hypothese 6: Extern object raakt de verbinding ..................................................42 Hypothese 7: Extreem hoge windbelasting op de verbinding ..............................42 Hypothese 8: Brand heeft de verbinding verzwakt ..............................................43 Hypothese 9: Moedwil.........................................................................................44 Resumé hypothesen ...........................................................................................44
10
Conclusie ............................................................................................................46
Bijlage A Restpunten .........................................................................................................48 Bijlage B Medewerkers Faalonderzoek ..............................................................................51
Versie 1.1
-6-
30101141-Consulting 10-2002
Versie 1.1
-7-
30101141-Consulting 10-2002
SAMENVATTING Op woensdagavond 14 juli 2010 zijn tijdens zwaar weer 5 steunmasten van de 150-kV hoogspanningslijn Doetinchem – Ulft/Dale omgewaaid ("Gefaald") waardoor de energievoorziening tijdelijk werd onderbroken. Dit KEMA-rapport bevat de resultaten van het onderzoek naar de oorzaak van dat falen. Daarbij heeft het zich gericht op het mogelijk voorkomen van negen verschillende faaloorzaken, met als onderliggende vraag: zijn er behalve het extreme weer en de daarbij opgetreden windbelasting, andere oorzaken die een significante rol hebben gespeeld. Het onderzoek heeft drie belangrijke componenten: a) Onderzoek naar het mastontwerp b) Onderzoek naar de feitelijke toestand van de betrokken masten c) Onderzoek naar veroorzakers van excessieve belasting buiten de ontwerpbelasting Samengevat levert het onderzoek de volgende resultaten: Ad a: Berekeningen hebben aangetoond dat het ontwerp van de masten voldoen aan de normen die van kracht waren ten tijde van de bouw in 1970. Ad b: Veldonderzoek en materiaalmonsters geven aan dat de masten ook volgens het ontwerp zijn gebouwd. Ad c: Veld – en sporenonderzoek hebben geen aanwijzing gevonden dat er redelijkerwijs andere oorzaken dan de windbelasting een rol hebben gespeeld. De vraag of de opgetreden windbelasting wel van voldoende sterkte was om de benodigde faal-belasting te veroorzaken, moet beantwoord worden door analyse van meteorologische informatie. De reden daarvoor is dat directe metingen van de ter plekke opgetreden windsterkte er niet zijn. Uit meteorologische studies van vergelijkbare incidenteel voorkomende verschijnselen als opgetreden bij Vethuizen, volgen windsnelheden die inderdaad ruim boven de ontwerpbelasting van de masten komen. (KNMI). 1
1
Een onderzoek naar de feitelijk opgetreden windsnelheden wordt uitgevoerd door MeteoConsult. Daarbij wordt gebruik gemaakt van geavanceerde meteorologische berekeningen en analyse van waarnemingen ten tijde van het incident in de omgeving van Vethuizen. De conclusies van dit onderzoek zijn nog niet beschikbaar (29/10)
Versie 1.1
-8-
1
INLEIDING
1.1
Aanleiding en doelstelling
30101141-Consulting 10-2002
Op woensdagavond 14 juli 2010 zijn tijdens zwaar weer 5 steunmasten van de 150-kV hoogspanningslijn Doetinchem – Ulft/Dale gefaald. In alle vijf situaties vond falen plaats in het onderstuk van de mast met als gevolg dat de complete mast is bezweken en als geheel is gefaald. De masten zijn grofweg gevallen in de richting loodrecht op de lijn. In het vak zijn twee steunmasten blijven staan, beide direct naast een hoekmast. De bezweken masten zijn steunmasten van het type S+0. De masten van de lijn zijn geplaatst in 1970 en zijn daarmee dus 40 jaar oud. Er hebben zich bij het omvallen van de masten geen persoonlijke ongevallen voorgedaan. De energievoorziening is tijdelijk overgenomen door de plaatsing van noodmasten. De verantwoordelijke netbeheerder TenneT heeft aangegeven dat de hoogspanningslijn snel hersteld dient te worden. Hiertoe heeft TenneT aan KEMA de volgende opdracht gegeven: - enerzijds, en met voorrang, is het onderzoek er op gericht om het definitieve Herstel van de lijn te ondersteunen - anderzijds zal het Faalonderzoek inzicht geven in de oorzaak en optredende mechanismen van het falen van het lijndeel. De resultaten van het onderzoek ten behoeve van herstel zijn apart gerapporteerd. Dit rapport gaat nader in op het storingsonderzoek naar de oorzaak van het falen van het lijndeel. Vanaf het begin is duidelijk geweest dat het weer een belangrijke rol heeft gespeeld in dit incident. De vraag richt zich dan ook vooral op het achterhalen of het alleen het weer is geweest of een combinatie van factoren; en wat het precieze faalmechanisme is geweest. Belangrijk in het faalonderzoek is de vaststelling in hoeverre er sprake is van incidentele of meer structurele oorzaken.
1.2
Leeswijzer
Dit document omschrijft de gevolgde aanpak bij het faalonderzoek. Verzamelde feiten worden gepresenteerd waarna de gebeurtenissen worden geanalyseerd. Aan de hand van een aantal faalhypothesen wordt de meest waarschijnlijke faaloorzaak afgeleid. Tot slot worden conclusies getrokken en aanbevelingen gegeven ten aanzien van dit incident en eventueel meer structurele bevindingen.
Versie 1.1
-9-
2
AANPAK EN ROLVERDELING
2.1
Betrokken partijen
30101141-Consulting 10-2002
Bij het faalonderzoek zijn de volgende partijen betrokken:
2.2
•
TenneT, afdeling Asset Management; eigenaar van de verbinding, beheerder.
•
Liandon, serviceprovider
•
KNMI en MeteoConsult, weerinstituten
•
Getuigen
•
KEMA, technisch adviseur in opdracht van TenneT.
Aanpak onderzoek
Het onderzoek door KEMA is gebaseerd op haar onafhankelijke rol ten opzichte van het onderhoud of de bedrijfsvoering van de lijn en op basis van haar expertise op het gebied van faalonderzoek, maar ook op het gebied van mastontwerp, norm-ontwikkeling en toepassing en interpretatie van ontwerpnormen. Het onderzoek maakt bovendien gebruik van het geavanceerde rekeninstrumentarium waarover KEMA beschikt. Op hoofdlijnen heeft KEMA de volgende activiteiten ondernomen in het kader van het faalonderzoek. In eerste instantie heeft het intakegesprek plaatsgevonden met Liandon op vrijdag 16 juli. Op 19 juli is het veldbezoek afgelegd. Op 21 juli heeft het eerste voortgangsoverleg plaatsgevonden met TenneT en Liandon. 26 Juli hebben de gesprekken met de getuigen plaatsgevonden. De weken er na heeft de focus gelegen op het herstel van de lijn. Ten behoeve van het faalonderzoek zijn aanvullende gegevens opgevraagd bij TenneT en Liandon; en zijn monsters uit mast 24 genomen ten behoeve van materiaalonderzoek. Berekeningen zijn uitgevoerd om de sterkte van de mastlichamen en fundatie te controleren en te simuleren wanneer de mast zou bezwijken. Uitgebreide berekeningen met behulp van de eindige elementenmethode in het programma ANSYS bleken hierbij nodig. Inmiddels is bij MeteoConsult een onderzoek in opdracht gegeven om zo exact mogelijk te bepalen welke windsnelheden hebben opgetreden (uitslag begin november verwacht). In een aantal interne expert sessies is de verzamelde informatie en berekeningsresultaten geëvalueerd en zijn faalhypothesen geformuleerd en is onderzocht of, en met welke waarschijnlijkheid deze opgetreden kunnen zijn. Vanaf het begin is duidelijk geweest dat het weer een belangrijke rol heeft gespeeld in dit incident. Ook heeft de media aandacht besteed aan het incident en heeft dit tot een aantal
Versie 1.1
-10-
30101141-Consulting 10-2002
vragen geleid. Dit in overweging nemend, is een aantal hypothesen geformuleerd die in dit faalonderzoek behandeld en beoordeeld worden: 1. Sterkte mastlichaamontwerp voldoet niet aan de norm 2. Funderingsontwerp voldoet niet aan de richtlijn 3. Elektrisch systeem voldoet niet aan de norm 4. Verborgen gebreken in de fundering 5. Gebrekkig onderhoud leidend tot verminderde conditie van het mastlichaam 6. Extern object heeft de verbinding geraakt 7. Extreem hoge windbelasting op de verbinding 8. Brand heeft de verbinding verzwakt 9. Moedwil Dit rapport geeft de feitenbasis waarop de faalanalyse is gebaseerd; de analyse van de gebeurtenissen en de conclusies over de meest waarschijnlijke oorzaak. Te onderscheiden zaken zijn hierbij of het faalmechanisme puur het weer is geweest of een combinatie van factoren; en in hoeverre hier sprake is van incidenten of structurele oorzaken.
Versie 1.1
3
-11-
30101141-Consulting 10-2002
BESCHIKBAAR GESTELDE INFORMATIE
Van TenneT is de volgende informatie verkregen ten behoeve van het faalonderzoek: •
Melding storing Bedrijfsmiddel met onderbreking energielevering.
En via de serviceprovider van TenneT, Liandon, is de volgende informatie verkregen ten behoeve van het faalonderzoek: •
Energieonderbreking 14 juli 2010 os Dale en Ulft 10 kV installatie; Liandon HSI OostSI/MW, 1 augustus 2010 versie 1.0
•
Gegevens over de bestaande situatie: o Armaturen en geleiders o Inspectie rapport o Lengteprofiel o Lijngegevens o Mast- en fundatieberekening o Masttekeningen o Sonderingen
•
Foto's van 14 juli 2010 en de dagen er na
•
Videomateriaal van 15 juli
Overige informatiebronnen ten behoeve van het faalonderzoek: •
KNMI: weersgegevens
•
MeteoConsult: weersgegevens
•
KLPD: fotomateriaal
•
Getuigen
•
Resultaten materiaalonderzoek
•
Fotomateriaal en bevindingen ter plekke van KEMA
•
Berekeningsresultaten door KEMA.
Versie 1.1
-12-
4
VOORGESCHIEDENIS
4.1
Situatieschets
30101141-Consulting 10-2002
In onderstaande figuur is een situatieschets van de directe omgeving van de gefaalde hoogspanningsverbinding weergegeven.
Mast 20 Mast 21 DOETINCHEM Mast 22 Mast 23
Locatie ooggetuige Mast 24 Camping Kempers Mast 25
Mast 26
Mast 27
ULFT
Figuur 4-1 Situatieschets
Mast 28
Versie 1.1
-13-
30101141-Consulting 10-2002
De met een rood kruis aangemerkte masten zijn op 14 juli jl. bezweken. Verder is de locatie aangegeven van de getroffen camping waar twee doden en acht gewonden zijn gevallen. Aan de Kemperplas waar de slachtoffers vielen werden zo'n twintig caravans de lucht in getild om verderop in de plas neer te komen. Ook is de locatie van de geïnterviewde ooggetuige aangegeven.
4.2
Netsituatie
Het getroffen gedeelte bevindt zich in de 150 kV ring Doetinchem – Ulft – Dale – Winterswijk – Borculo – Lochem – Zutphen - Langerak. Station Ulft is daarbij ingelust in een van beide circuits van de verbinding Doetinchem-Dale. Vanuit Zutphen gaat er daarnaast een verbinding naar Apeldoorn, en vanuit Langerak loopt een verbinding naar Zevenaar. De netsituatie wordt schematisch verduidelijkt aan de hand van onderstaande figuur.
Storingslocatie
Figuur 4-2: Netschema
Versie 1.1
-14-
30101141-Consulting 10-2002
Traverse 1 (bliksemdraad) Traversen 2, 3, 4 (fase)
Elektrisch systeem Mastlichaam
Broekstuk Fundatie
Figuur 4-3: Toegepast mastontwerp
Figuur 4-3 is een foto van het masttype dat gefaald is. Tevens zijn in deze foto de begrippen aangegeven die in het vervolg van het rapport gehanteerd worden. Masten 21 tot en met 26 zijn van het type "s+0"; mast 27 is van het type "s+9"; en masten 20 en 28 zijn hoekmasten.
4.3
(Recent) onderhoud
Uit onderhoudsgegevens zoals aangeleverd door Liandon blijkt dat de betreffende 150 kV verbinding Doetinchem – Ulft – Dale voor het laatst geïnspecteerd is in juli 2007 als onderdeel van de reguliere 6-jaarlijkse periodieke inspectie. Tijdens deze inspectie zijn de volgende punten gecontroleerd per mast: •
Mastpootaardingen
•
Poeren
•
Aanduidingen
•
Schilderwerk
•
Mastconstructie
•
Klimvoorzieningen
Versie 1.1
•
E - delen steunpunt
•
E - delen veld
•
Omgeving
-15-
30101141-Consulting 10-2002
Van alle ophang en afspankettingen worden de componenten gecontroleerd op: •
Corrosie
•
Uitslijting
Uit het inspectieverslag blijkt dat de tijdens de storm van 14 juli jl. bezweken masten 22 t/m 26 geen gebreken vertoonden. Ditzelfde valt te zeggen over de aangrenzende masten 20, 21, en 28. Alleen met betrekking tot mast 27 wordt een opmerking gemaakt, zie Figuur 4-4.
Figuur 4-4: Fragment uit de inspectierapportage van Liandon
Behalve de periodieke inspecties boven het maaiveld wordt er jaarlijks geschouwd, waarbij alléén zichtbare gebreken worden gerapporteerd. In vak 20-28 zijn geen gebreken geconstateerd en dus is geen rapportage voorhanden voor dit deel van de HS-lijn. Conserveringsinspecties (steekproef) worden incidenteel uitgevoerd op basis van verwachtingen ten aanzien van einde beschermingsduur. Voor deze HS-lijn was er geen verwachting ten aanzien van einde beschermingsduur en derhalve is de conservering niet geïnspecteerd in de periode vanaf 1993, het jaar dat voor het laatst geconserveerd is.
Versie 1.1
4.4
-16-
30101141-Consulting 10-2002
Vigerende normen en richtlijnen
Bij een bestaande verbinding als de 150 kV-lijn Doetinchem-Ulft/Dale moeten er afhankelijk van de situatie en het doel, verschillende normen en richtlijnen als uitgangspunt worden toegepast. In normen worden de wettelijke minimum eisen neergelegd, een opdrachtgever kan ten alle tijde aanvullende eisen stellen. Deze laatste kunnen projectspecifiek zijn maar ook afkomstig uit praktijkrichtlijnen die (nog) geen onderdeel zijn van de norm. Normen voor de bestaande verbinding. Indien het een onderzoek naar de bestaande verbinding betreft is het uitgangspunt de normen en richtlijnen ten tijde van de bouw van de verbinding. De lijn Doetinchem-Ulft/Dale is in 1970 gebouwd, toentertijd waren voor bovengrondse hoogspanningsverbindingen de volgende normen van kracht: o NEN 1060 (editie 1964) “Bovengrondse Hoogspanningslijnen”” o Voor fundaties de "Begemann-methode" of “Slipmethode” Normen voor nieuwbouw Bij nieuwbouw van een bovengrondse hoogspanningsverbinding, of vervanging van een mast of lijnstuk in een bestaande verbinding, dient aan de dan geldende normen en richtlijnen voldaan te worden Vanaf 2001 is de Nederlandse norm voor bovengrondse hoogspanningslijnen vervangen door Europese regelgeving. In 2010 bestaat de Europese regelgeving voor hoogspanningslijnen met een spanningsniveau van 45 kV en hoger uit twee onderdelen: 1. EN 50341-1 (2001); dit is de "main body". Deze bevat regelgeving welke van toepassing is op alle EU landen en akkoord zijn bevonden door de CLC/TC11 en alle nationale commissies, zoals in Nederland NEC11/36. Deze regelgeving wordt beschouwd als "minimum requirement". 2. EN 50341-3 (2001); deze bevat de National Normative Aspects (NNA). Deze bevat Adeviations (afwijkingen van Main body ingegeven door landelijke wetgeving) en "special national conditions". De laatste categorie bevat nationale omstandigheden (wind, ijs e.d.) en nationale ontwerpregels die niet zomaar kunnen worden veranderd. Ontwerpregels voor funderingen behoren tot de laatste categorie. Door de decennia heen zijn vele methoden voor grondonderzoek en fundatieontwerp op regionaal niveau ontstaan die nauw samenhangen.
Versie 1.1
-17-
30101141-Consulting 10-2002
De EN 50341 en dan met name de Nederlandse NNA is grotendeels gebaseerd op zijn voorganger, de NEN 1060. De verschillen in belasting- en bedrijfsituaties ook ten gevolge van extreme weersomstandigheden, zoals temperatuur, wind en ijs, zijn beperkt. De eisen in de EN 50341 zijn over het algemeen identiek of iets zwaarder ten opzichte van de oude NEN 1060. Een uitzondering geldt voor de ijslast in noordoost Nederland. In de EN 50341 - 3 zijn hiervoor aanvullende ontwerpeisen gedefinieerd. Deze gelden echter niet voor de provincie Gelderland en zijn daarmee ook niet van kracht voor de verbinding Doetinchem-Ulft/Dale. Gebruikte normen ten behoeve van faalonderzoek Ten behoeve van faalonderzoek gaat het om de vraag of de masten zijn gebouwd volgens de toen geldende normen. Door KEMA zijn de controleberekeningen van de masten in de verbinding DoetinchemUlft/Dale gebaseerd op de EN 50341-1/3. De verschillen met de NEN 1060 (ed. 1964) zijn beperkt en als de masten voldoen aan de EN 50341 wordt eveneens voldaan aan de NEN 1060. Enkel indien de mast, of delen hiervan, niet blijken te voldoen aan de EN 50341 wordt nader ingezoomd op de verschillen tussen de twee normen. De nieuwe masten in de verbinding worden ontworpen op basis van de EN 50341-1/3.
Door KEMA wordt de controle van de bestaande fundering uitgevoerd aan de hand van de in de Nederlandse norm genoemde "Begemann-methode".
Versie 1.1
5
-18-
30101141-Consulting 10-2002
VASTSTELLING TIJDENS BEZOEK
Op maandag 19 juli is een veldbezoek afgelegd waarbij het getroffen lijndeel en de nabije omgeving geschouwd is op een aantal aspecten, zoals bijvoorbeeld de mastlichamen, fundaties, en de omgeving. Tijdens het veldbezoek is gesproken met medewerkers van TenneT en Liandon. Dit hoofdstuk beoogt de belangrijkste bevindingen van het veldbezoek op hoofdlijnen weer te geven.
5.1
Algemene indruk getroffen lijndeel
Tijdens de schouw zijn de volgende algemene observaties gedaan ten aanzien van het getroffen lijndeel: 1. De gefaalde masten 22 tot en met 26 zijn steunmasten 2. De gefaalde masten bevinden zich in het midden van het vak 20-28 3. De gefaalde masten zijn allen in dezelfde richting gevallen 4. De gefaalde masten liggen allen (nagenoeg) haaks op de lijnrichting 5. De gefaalde masten zijn hierbij (nagenoeg) niet getordeerd 6. De beschadiging van het bovenliggende mastlichaam lijkt enkel gevolgschade van de val. 7. Gebreken in de zin van ontbrekende of kapotte bouten, moeren, randstaven, schetsplaten, etc. zijn niet aangetroffen. 8. Van de gefaalde masten zijn de mastpoten van het broekstuk uitgeknikt. 9. De configuratie van de randstaaf en de diagonaal in de mastvoet lijkt erg steil (< 22,5 graden, zie Figuur 5-1)
Figuur 5-1: Configuratie randstaaf en diagonaal
Versie 1.1
-19-
30101141-Consulting 10-2002
10. De conservering van de masten is van goede kwaliteit, zie Figuur 5-2.
Figuur 5-2 Verflaag bezweken masten van goede kwaliteit, geen corrosie zichtbaar
Versie 1.1
-20-
30101141-Consulting 10-2002
11. De traversen van de gefaalde masten vertonen knik in de trekschoren (Figuur 5-3).
Figuur 5-3: Vervorming trekschoren traversen
12. De derde traverse van mast 23 richting Dale is als enige traverse van alle gevallen masten sterk naar boven geknikt.
Figuur 5-4: Afwijkende valrichting traverse mast 23 (boven) t.o.v. bijvoorbeeld mast 24 (onder)
Versie 1.1
-21-
30101141-Consulting 10-2002
13. Er is geen (excessieve) corrosievorming in het overgangsgebied tussen ingestorte randstaaf en de beton van de fundatiepaal vastgesteld. 14. De fundatie van de masten lijkt grotendeels intact, met uitzondering van mast 24 en 25. Van mast 24 is de fundatiepaal van de rechterbuiten poot nummer 4 deels (± 30 cm) uit de grond getrokken, zie Figuur 5-5. Van mast 25 is de fundatiepaal van de rechterbuiten poot nummer 4 deels (± 10 cm) uit de grond getrokken.
Figuur 5-5: Fundatie mast 24
15. De geleiders zijn niet gebroken en er heeft geen verschuiving van geleiders in de draagklemmen plaatsgevonden. Van mast 23 is een van de bliksemdraden gebroken aan beide zijden van de inklemming bij de ophangketting. Richting mast 22 is de draad
Versie 1.1
-22-
30101141-Consulting 10-2002
gebroken op ongeveer 30 cm van de inklemming ten gevolge van overbelasting. Aan de andere kant, richting mast 24, is de bliksemdraad afgesneden door de traverserand. De traversepunt met bliksemdraadophanging is tijdens de val ruim 1,5 meter in de grond geslagen. Het is aannemelijk dat tijdens de val van mast 23 de bliksemdraad eerst gebroken is (zijde mast 22)en vervolgens, net boven of onder maaiveld, aan de ander kant van de ophanging is doorgesneden. De tieren van de bliksemdraad, richting mast 22, vertonen duidelijk sporen van een belasting boven de breukgrens. De breukvlakken geven aan dat de tieren deels zijn ingescheurd, gevolgd door een restbreuk. De randen van de breukvlakken zijn scherp. Dit laatste en het feit dat er geen smeltsporen zijn gevonden, geeft aan dat de bliksemdraad niet beschadigd of doorgebrand is tengevolge van kortsluiting. Ook het breukvlak richting mast 24 laat geen sporen van kortsluiting zien. 16. De breukvlakken van de bliksemdraden zijn scherp. Dit duidt op mechanische breuk, als gevolg van de impact op de grond.
Figuur 5-6: Breukvlakken bliksemgeleider mast 23
17. Isolatorkettingen zijn niet gebroken, met uitzondering van breuk als gevolg van de impact op de grond
Versie 1.1
-23-
30101141-Consulting 10-2002
Figuur 5-7: Isolatorkettingen
18. Er zijn geen brandsporen op het staal van de mast geconstateerd welke als gevolg van een kortsluiting tussen fase en mastlichaam zouden zijn ontstaan 19. Er zijn geen brandsporen in het gras geconstateerd welke als gevolg van een kortsluiting naar aarde zouden zijn ontstaan; met uitzondering van mast 23. Bij mast 23 zijn bij zowel de fase als de bliksemgeleider brandsporen geconstateerd welke als gevolg van een kortsluiting naar aarde zullen zijn ontstaan.
Versie 1.1
-24-
30101141-Consulting 10-2002
Figuur 5-8: Brandsporen bij mast 23
20. Mast 21 en 27 zijn niet gefaald. Een verschuiving rondom de boutverbindingen is zichtbaar: scheuren in de verflagen.
Figuur 5-9: Verschuiving rondom boutverbindingen mast 21 (links) en mast 27 (rechts)
Versie 1.1
5.2
-25-
30101141-Consulting 10-2002
Algemene indruk omgeving
Tijdens de schouw zijn de volgende algemene observaties van de omgeving gedaan: •
Het lijndeel bevat zich in een agrarisch gebied gekenmerkt door open weide- en akkerland afgewisseld met lintbebouwing, bomenrijen en een beperkte dorpskern op enige afstand
Figuur 5-10: Omgeving van het gefaalde lijndeel
•
In de directe omgeving van de gefaalde masten (bij/op/onder) stonden geen bomen en zijn geen omgewaaide bomen geconstateerd
•
In de bossage tussen mast 22 en 23 is geleiderbeschadiging aangetroffen. Dit lijkt in eerste instantie fysieke schade te zijn die tijdens de val is ontstaan en niet als gevolg van kortsluiting.
•
Er zijn geen brandsporen op aangrenzende bebouwing bij mast 22 en 25 geconstateerd. Dit had kunnen duiden op een sluiting tussen fasegeleider en aarde.
•
Er is fysieke beschadiging van de aangrenzende bebouwing en vegetatie bij mast 22 en 25 geconstateerd.
Versie 1.1
-26-
30101141-Consulting 10-2002
Figuur 5-11: Schade aan bebouwing en vegetatie
•
Iets verder van de locatie verwijderd bevindt zich een gebied met veel materiële schade aan bebouwing. Dit betreft het gebied rondom de camping alwaar vele kampeermiddelen zijn gesneuveld. In dit gebied is ook veel schade aan woningen, schuren en anderszins bebouwing geconstateerd.
Versie 1.1
-27-
30101141-Consulting 10-2002
6
GEBEURTENISSEN IN HET NET VOORAFGAAND AAN/TIJDENS DE STORING
6.1
Storingsregistratie
Het bedrijfsvoeringcentrum van de lijn heeft een registratie gemaakt van de volgordelijke gebeurtenissen van de storing voorzover die uit de afstandsregistratie is op te maken. Deze LBC-registratie toont het uitvallen van de lijnen maar levert geen inzicht op voor wat betreft de faaloorzaak. Het schakelgedrag, afgeleid uit de LBC-info, geeft overigens wel de indicatie dat het brandspoor bij mast 23 hoogstwaarschijnlijk niet van wederinschakelen afkomstig is en hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt moet zijn door de eerste aanraking tijdens de val. Het betreft een indicatie voor de volgorde, niet voor de oorzaak.
6.2
Weersverwachting
Op 14 juli heeft het KNMI in haar weerbericht2 gewaarschuwd voor zware regen- en onweersbuien die in de loop van de middag en avond vanuit het zuidwesten over het land zullen trekken. Vooraf geeft KNMI aan dat bij deze buien hagel en (zeer) zware windstoten mogelijk zijn van 75 tot 100 km/uur en in het (noord)oosten 100-120 km/uur. Ook kan lokaal in korte tijd veel neerslag vallen. De verwachting is dat de zware buien rond middernacht het noordoosten van het land verlaten en het in de middag in de oostelijke helft van het land tropisch warm wordt. Het weerbericht wordt in de loop van de dag een weeralarm voor de provincies in het zuidoosten en oosten van het land met de waarschuwing voor zware regen- en onweersbuien en zeer zware windstoten.
6.3
Getuigen
Het falen van de masten is door één ooggetuige waargenomen; Hij bevond zich in de nabijheid van mast 24 op de Warmseweg. Getuige geeft aan dat hij een lokaal front zag 2
http://www.knmi.nl/cms/content/78142/waarschuwingen_extreem_weer_en_weeralarm_in_2010_archief_
Versie 1.1
-28-
30101141-Consulting 10-2002
naderen ("witte pluim") dat met groot geweld, in een vallende beweging van gelijktijdig wind, regen en hagel een spoor volgde vanuit het ZZW tussen boerderijen, mast 24 en voor hem afboog naar het NNO. Volgens zijn verklaring speelde dit zich af in korte tijd. Delen van begroeiing kwamen los en vlogen door de lucht. Met het voorbijgaan van de beschreven vlaag, zag Getuige mast 24 langzaam naar hem toe omgaan ("Zakken"). Met de val ziet hij dat de buurmasten successievelijk als het ware worden meegetrokken. Vervolgens, nadat de val (bijna) is volvoerd, ziet Getuige "Vuur rond de mast", lijkt op "Vuurwerk" (nader lokaliseren is moeilijk vast te stellen; uit het gesprek wordt opgemaakt dat de vuurverschijnselen zich ter hoogte van de mastconstructie plaatsvinden, niet op de grond.) Hij geeft bovendien aan dat hij op verschillende tijdstippen en op verschillende plaatsen vuur heeft gezien. Het waren spetters op de draad. Hij heeft niet gezien dat er iets tegen de geleiders is gekomen. Hij heeft niet gezien dat de bliksemdraad is gebroken. Van het gesprek is een verslag beschikbaar. Een andere Getuige (2) gesproken was tijdens het begin van de storm buiten. De dreiging was zo groot dat hij de stal is ingevlucht. De storm heeft de staldeur ontzet waardoor de deur niet meer open kon. Deze Getuige heeft de masten niet zien vallen, wijst voornamelijk op de verdere schade in de buurt.
Versie 1.1
-29-
7
WEERSOMSTANDIGHEDEN
7.1
Weersgegevens3
30101141-Consulting 10-2002
Het front zelf was vrij breed, met het actieve deel van provinciegrens Utrecht tot voorbij de Duitse grens . De hoogst gemeten windstoot op de officiële KNMI stations was 122 km/u op Volkel. Dit is de hoogste windstoot in de afgelopen 40 jaar gemeten op een station in het binnenland in de zomermaanden. Op enkele plaatsen is het tot extreme valwinden gekomen, zoals bij de omgeving Deurne en Vethuizen. Die extreme valwinden hebben een gebied met ongeveer 2km breedte en 3-5km lengte aangedaan. Daar is bij Vethuizen en ook omgeving Deurne de zwaarste schade aangetroffen,, zie Figuur 7-1.
Figuur 7-1 Overzicht schadegebied vastgesteld door KNMI
De trekrichting van het gehele systeem was ongeveer ZZW-NNO. De windrichting aan de grond zal ook voor het grote deel in die richting zijn geweest. Wat bij valwinden wel
3
De informatie in deze paragraaf is afkomstig van het KNMI; besproken op 30 september
Versie 1.1
-30-
30101141-Consulting 10-2002
kenmerkend is, is dat de lucht zich over de grond in alle richtingen uitspreidt en dat dus vaak een uitwaaierend (divergent) patroon van windrichting wordt waargenomen. KNMI heeft onderzocht welke windsnelheden kunnen zijn opgetreden. Daarbij is een aantal componenten te onderscheiden, die aan de windstoten hebben bijgedragen: • De hoofdoorzaak van de windstoten zijn de valwinden geweest. • Uit de radarbeelden blijkt dat er op een hoogte van 2km een versterking van de luchtstroming uit het zuidwesten is ontstaan (een zogenaamde rear-inflow jet). In de gebieden waar de valwinden het aardoppervlak bereikten, is ook momentum uit deze luchtstroming naar het aardoppervlak getransporteerd. • Uit beeldmateriaal op o.a. youtube blijkt dat er zeer waarschijnlijk roterende wervels zijn ontstaan langs het front (merk op: dit zijn geen windhozen, maar zgn. miso- of mesovortexen). Met behulp van informatie over de atmosferische opbouw en de meteorologische omstandigheden, is een afschatting gemaakt van deze 3 componenten. Daaruit volgt dat er in de gebieden waarin de zwaarste valwinden zijn opgetreden (waaronder dus bij Vethuizen en omgeving), windstoten van 150 km/u zijn opgetreden, waarbij lokaal (typische lengteschaal van enkele honderden meters) windstoten van rond 200 km/u mogelijk zijn geweest. Het KNMI kan geen uitspraak doen of de zwaarste windstoten precies op de locatie van de omgewaaide masten zijn opgetreden, maar gezien de schade rondom de camping is dit wel aannemelijk.
7.2
Gevolgen van het noodweer
Het KNMI heeft het volgende overzicht4 van de gevolgen van het noodweer gegeven. Het noodweer liet een spoor van vernielingen achter in het zuidoosten en oosten. Naast de gebeurtenissen in Vethuizen, was er ook schade in de rest van het land. Veel plaatsen in het oosten en zuidoosten meldden schade aan daken en bomen door windstoten, blikseminslagen en hagel en veel overlast. Nijmegen en Bemmel kregen te kampen met een stroomstoring, waardoor zo'n 40.000 huishoudens zonder elektriciteit enige tijd zaten. In Noord- en Midden-Limburg raakten tien mensen gewond door bomen die op auto's of woningen vielen. Bewoners van flats in Roermond werden geëvacueerd. Ook zijn vrachtauto's door de wind omver geblazen.
4
Bron: KNMI website
Versie 1.1
8
-31-
30101141-Consulting 10-2002
ANALYSE GEBEURTENISSEN
Ieder faalonderzoek probeert zo nauwkeurig mogelijk de volgordelijkheid van de gebeurtenissen in kaart te brengen, teneinde de meest waarschijnlijke storingsoorzaak te achterhalen en vast te stellen of er één of meerdere faalmechanismen hebben opgetreden. Aan het begin van de avond van 14 juli 2010 komt er in het gebied bij Vethuizen binnen enkele minuten een storm voorbij met een extreem windfront en harde regen. Dit windfront vormt een discontinuïteit in het weerbeeld, leidend tot een extreme belasting op de hoogspanningsverbinding Doetinchem – Ulft/Dale. Het lijndeel van mast 20 tot en met 28 wordt in een toestand gebracht die de ontwerpeisen te buiten gaat. In een "chaos" proces met groot geweld bezwijken de masten 22 tot en met 26. Het omgaan van het lijndeel zal naar verwachting binnen een minuut hebben plaatsgevonden. Er is sprake van een lokaal systeemfalen. Na zo'n moment, zal niet altijd exact te bepalen zijn welke gebeurtenissen in welke volgorde hebben plaatsgevonden. Alle masten liggen nagenoeg haaks en nagenoeg niet getordeerd op de lijnrichting. Hieruit wordt afgeleid dat de windrichting haaks of vrijwel haaks op de lijn heeft gestaan waarbij alle masten op nagenoeg hetzelfde moment gefaald zijn. De bliksemdraden zijn grotendeels bepalend geweest voor het vallen van de masten in dezelfde richting. De vraag is of de masten tegelijk zijn bezweken (integraal systeemfalen) of dat er een cascade effect is opgetreden waarbij mogelijk andere bezwijkmechanismen betrokken zijn. De volgordelijkheid van bezwijken van de masten kan in meer detail als volgt zijn verlopen: •
Op een gegeven moment krijgen alle masten een belasting in de buurt van de bezwijksterkte.
•
Optie 1. Op een gegeven moment gaat er één mast als eerste. Daardoor krijgen de andere masten een extra belasting, waarschijnlijk via de bliksemdraad, en het laatste extra zetje om te bezwijken.
•
Optie 2. Alle masten bezwijken door de wind. Dan gaat er nog steeds één mast als eerste, omdat niet alle masten precies dezelfde belasting krijgen (invloed veldlengte en turbulentie). Het bezwijkmechanisme is dan voor alle masten hetzelfde.
De bliksemdraden zijn grotendeels bepalend geweest voor het vallen van de masten in dezelfde richting. Bij falen in de vorm van een kettingreactie zouden de buurmasten, naast de eerst gefaalde mast, iets schuin in de richting van de eerst gevallen mast gelegen hebben en waarschijnlijk iets getordeerd zijn. Omdat de geleiders niet zijn verschoven in de
Versie 1.1
-32-
30101141-Consulting 10-2002
draagklemmen, is een bezwijkmechanisme waarbij één mast eerst is gaan bezwijken en deze mast de andere masten heeft omgetrokken, minder waarschijnlijk.
Versie 1.1
-33-
9
HYPOTHESEN
9.1
Inleiding
30101141-Consulting 10-2002
Reinforce
Remove
Operational Service Life
Project preparation
Replace
Design
Extend
Planning
New
Construction
Om de feitelijke oorzaak van de storing vast te stellen en minder waarschijnlijke oorzaken uit te sluiten, worden diverse hypothesen opgesteld op basis van de verzamelde informatie en ervaring. De levenscyclus van een bedrijfsmiddel wordt als uitgangspunt genomen; in de diverse levensfasen kunnen afwijkingen ontstaan welke op termijn tot falen leiden.
Extend Replace Reinforce
Figuur 9-1: Levenscyclus bedrijfsmiddelen
Daarbij is gebruik gemaakt van de kennis van eerdere storingsonderzoeken: welke faalmechanismen zijn in het verleden opgetreden bij het falen van hoogspanningsverbindingen? Onderscheid is gemaakt tussen "interne" en "externe" faalmechanismen: oorzaken binnen de verbinding (mast, fundatie en elektrisch systeem) en oorzaken buiten de verbinding (bijvoorbeeld de weersomstandigheden). In het kader van dit onderzoek zijn de volgende hypothesen geformuleerd: 1. Sterkte mastlichaamontwerp voldoet niet aan de norm 2. Funderingsontwerp voldoet niet aan de richtlijn 3. Elektrisch systeem voldoet niet aan de norm 4. Verborgen gebreken in de fundering 5. Gebrekkig onderhoud leidend tot verminderde conditie van het mastlichaam 6. Extern object heeft de verbinding geraakt 7. Extreem hoge windbelasting op de verbinding 8. Brand heeft de verbinding verzwakt 9. Moedwil In navolgende paragrafen worden de hypothesen achtereenvolgens beschreven, uitgewerkt en gewaardeerd volgens de classificering zeer onwaarschijnlijk, onwaarschijnlijk, mogelijk, waarschijnlijk, zeer waarschijnlijk.
Versie 1.1
9.2
-34-
30101141-Consulting 10-2002
Hypothese 1: Sterkte mastlichaamontwerp voldoet niet aan de norm
Deze hypothese onderzoekt of het ontwerp van het mastlichaam voldeed aan de norm en eisen aan de sterkte. Een 'zwakker' ontwerp zou ten grondslag kunnen liggen aan het falen van de masten. De mast is ontworpen in de jaren zeventig. In het kader van het onderzoek is de ontwerpsterkte van het mastlichaam onderzocht. Controleberekeningen van het oorspronkelijke S+0 mastontwerp (referentie 10-1735 "150 kV-lijn Doetinchem-Ulft/Dale) leiden tot de conclusie dat deze voldoet aan de toen geldende norm. Tijdens het veldbezoek zijn geen kapotte boutverbindingen aangetroffen en is vastgesteld dat de mast niet is bezweken ter plaatse van de boutverbindingen, maar als gevolg van het uitknikken van de mastpoten van het broekstuk. In de controleberekening wordt naast verificatie op voldoende sterkte van de profielen en verbindingen ook gecontroleerd of een profiel tussen twee ondersteuningen (boutverbindingen) voldoende stabiliteit (knik) op drukbelasting heeft. Globale knik van het broekstuk is niet aan de orde zolang de hoek tussen de diagonaal en de randstaaf in het broekstuk groter is dan 20 graden. Dit was bij de masten 22 tot en met 26 niet het geval. De norm EN 50341 stelt dat als in het broekstuk de hoek tussen randstaaf en diagonaal minder is dan 20° de knikverkorters als constructie-element (dragend deel) in de berekening moeten worden meegenomen. In de controleberekening van de mast is dit zo uitgevoerd, echter het resultaat is identiek aan de berekening zonder knikverkorters als constructieelement. De relatief kleine hoek in het broekstuk heeft hiermee geen capaciteitsverlagende invloed op het mastlichaam. Als extra controle is het onderste mastsegment gemodelleerd in ANSYS voor een stabiliteitsberekening. Hiermee kan de stabiliteit (knik) van mastpoten als geheel worden gesimuleerd en gecontroleerd.
Versie 1.1
-35-
30101141-Consulting 10-2002
Figuur 9-2: Globale knikvorm bezweken broekstuk
Figuur 9-3: Spanningsverloop
Deze analyse gaf als resultaat: • •
dat de maatgevende knikvorm goed overeen kwam met de faalvorm van de masten 22 tot en met 26, zie Figuur 9-2 en Figuur 9-3.
de bezwijkdruksterkte van de mastpoot is 350 kN. De norm vereiste van deze masten een druksterkte equivalent van 300 kN. Ook deze analyse bevestigt dat de mast voldoet aan de EN 50341.
Versie 1.1
-36-
30101141-Consulting 10-2002
Opgemerkt wordt dat deze bezwijksterkte wat lager is dan volgens de reguliere berekeningen. De verklaring is dat de reguliere berekening geen rekening houden met globale knik van de mastpoten. Aangezien het mastlichaamontwerp voldoet aan de nieuwe norm, voldoet het ontwerp ook aan de eisen van de oude norm. Dit kan niet de aanleiding zijn voor het falen van de mast en hypothese 1 wordt daarom als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.3
Hypothese 2: Funderingsontwerp voldoet niet aan de richtlijn
Deze hypothese onderzoekt of het ontwerp van de fundering voldeed aan de eisen. Indien het ontwerp van de fundering te kort schiet, zou dit aanleiding geweest kunnen zijn voor het falen van de masten. Toetsing van de mastfundamenten aan de “Begemann-methode”, gebaseerd op NEN 1060 (ed. 1964) geeft aan dat de capaciteit van de fundatiepalen voldoende is.
Mast vs fundament: Opgemerkt wordt dat in de praktijk de kans groot ( >80%) is dat fundamenten sterker zijn dan de masten. Reden hiervoor is dat er veel meer spreiding in de sterkte van de fundamenten aanwezig is dan in de sterkte van masten. Optimaal ontworpen fundamenten zijn gemiddeld 40-60% sterker dan de ontwerpeis terwijl masten gemiddeld 15 -25% sterker zijn dan hun ontwerpeis. Dit gegeven onderschrijft en komt overeen met hetgeen is waargenomen. Tijdens het veldbezoek is vastgesteld dat vijf masten zijn omgegaan en twee trekpalen verticaal enkele decimeters uit de grond getrokken zijn en ook als bezweken kunnen worden beschouwd. Indien de trekpalen de minst sterke schakel zouden zijn geweest, waren deze verder uit de grond getrokken. De masten zouden scheef zijn gaan staan of eventueel zonder uitknikken bezweken. Gezien het bezwijken van de masten en de bezwijkvorm is het waarschijnlijk dat het fundament, in casu de trekpalen, "sterker" is dan de mastpoten en niet maatgevend is voor het bezwijken van het lijndeel. Zeer waarschijnlijk zijn de bezweken trekpalen daarom gevolgschade, die is opgetreden bij het bezwijken van de masten.
Versie 1.1
-37-
30101141-Consulting 10-2002
De conclusie is gerechtvaardigd dat het bezwijken van de lijn als gevolg van falen van een trekpaal niet waarschijnlijk is. Hypothese 2 wordt daarom als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.4
Hypothese 3: Elektrisch systeem voldoet niet aan de norm
Deze hypothese onderzoekt of het ontwerp van het elektrisch systeem voldoet aan de norm. In het veld is geconstateerd dat enkele isolatoren beschadigd zijn en de bliksemdraad gebroken is. De bliksemdraad is ontworpen voor een treksterkte van 50,2 kN. Volgens de ontwerpnorm is de maximaal toelaatbare belasting 50% van deze waarde, wat gelijk is aan 25,1 kN. Bij de maximale windsnelheid, op basis van de ontwerpnorm, is de berekende trekkracht in de draad 15,4 kN hetgeen ruim binnen de eis is. •
Geleiderbreuk als faaloorzaak zeer onwaarschijnlijk Geleiderbreuk kan leiden tot enkelzijdige belasting van masten, met falen van de masten als gevolg. Tijdens het veldbezoek is vastgesteld dat er geen geleiders gebroken zijn met uitzondering van de bliksemdraad van mast 23. De breukvlakken zijn scherp hetgeen wijst op een mechanische breuk, vermoedelijk dus na de impact met de grond. Het is dan ook niet aannemelijk dat masten gefaald zijn als gevolg van enkelzijdige belasting als gevolg van geleiderbreuk. Dit vermoeden kan bevestigd worden door berekening van de geleidersterkte.
De draad is gebroken toen de mast al op de grond lag conform de analyse van de gebeurtenissen [Hoofdstuk 8 ]. Aangezien het elektrisch systeem aan de norm / richtlijn voldoet, wordt hypothese 3 als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.5
Hypothese 4: Verborgen gebreken
Verborgen gebreken kunnen ontstaan doordat tijdens de bouw van de verbinding is afgeweken van het ontwerpvoorschrift. Verborgen gebreken kunnen zich voordoen in het mastlichaam, de fundering en het elektrisch systeem.
Versie 1.1
9.5.1
-38-
30101141-Consulting 10-2002
Verborgen gebreken in mastlichaam
Deze hypothese onderzoekt of door afwijkingen tijdens de bouw, de constructie dermate verzwakt is dat de verbinding is bezweken. In het veld is vastgesteld dat de mast conform het ontwerp gebouwd is. Uit het buitenland is bekend dat netbeheerders in het verleden staal van onvoldoende kwaliteit hebben toegepast. Dit materiaal degradeert in de loop der tijd, en kan door brosheid bezwijken. Er is discussie of deze staalkwaliteit überhaupt is toegepast in Nederland. Tevens zijn hier dunwandige profielen toegepast, en gezien de omgevingstemperaturen ten tijde van de storm, is in principe niet te verwachten dat de masten bros gefaald zijn. In het veld is vastgesteld dat er weinig breukvlakken zijn, meestal zijn de randstaven in het broekstuk zwaar gedeformeerd zonder dat er breuk optreedt. Het materiaal van de randstaven en de binnenvlakken blijkt heel taai te zijn. Dat is ook te zien aan de breukvlakken: een zeer fijnkorrelige (gladde) breuk onder circa 45 graden gevolgd door een grove restbreuk onder 0 graden. De breukvlakken laten zien dat het materiaal niet bros gefaald zal zijn. Zie ook figuur Figuur 9-4.
Figuur 9-4 Mast 24, breuk randstaaf in het broekstuk
Versie 1.1
-39-
30101141-Consulting 10-2002
Om deze hypothese zeker te kunnen uitsluiten, is de materiaalkwaliteit (monster uit poot 4 van mast 24) van het gebruikte staal onderzocht. Onomstotelijk is vastgesteld5 dat de profielen S235 zijn en de bouten kwaliteit 5.6. De sterkte en breukrek van de tweeonderzochte profielen voldoen aan de eisen voor staal S235, NEN-EN 10025-2. De boutkwaliteit is conform de eis in NEN-EN-ISO 898-1. De bouten voldoen ook aan de 0,2% rekgrens en breuksterkte, maar de rek bij breuk is onder norm. De lagere verlenging bij breuk van de bouten is waarschijnlijk een gevolg van het galvaniseren in combinatie met de leeftijd, waardoor het materiaal iets van zijn taaiheid verliest. Dit laatste is echter niet van belang omdat de bouten niet gefaald zijn, en enkel op afschuiving worden belast. De hypothese dat verborgen gebreken in het mastlichaam zijn opgetreden wordt als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.5.2
Verborgen gebreken in fundatie
Deze hypothese onderzoekt of door afwijkingen tijdens de bouw, de constructie van de fundering dermate verzwakt is dat de verbinding is bezweken. Als een fundering is aangelegd, kan er weinig onderhoud aan gepleegd worden. Onder het maaiveld worden door netbeheerders geen reguliere nog incidentele inspecties gedaan. Op gezette tijden kan de betonkwaliteit van de voet worden geïnspecteerd en visueel of de mast wegzakt. Indien het beton in de voet afbrokkelt, kan inwatering plaats vinden waardoor corrosie kan ontstaan. In theorie zou een fundering kunnen breken of degraderen met instabiliteit van de mast tot gevolg. In het veld heeft Liandon6 de volgende observaties bij de fundering vastgesteld
5 6
•
Mast 22 P4; circa 4 cm horizontale verplaatsing op maaiveld. Verticale verplaatsing niet waarneembaar. Beton rondom L-staal verbrijzeld.
•
Mast 23; P4 circa 3 cm horizontale verplaatsing op maaiveld. Verticale verplaatsing niet waarneembaar. Beton rondom L-staal verbrijzeld.
•
Mast 24; P4 circa 30 cm verticaal verplaatst. Horizontaal kleine verplaatsing zichtbaar, circa 1 cm. Kan ook door uitdroging grond zijn veroorzaakt.
•
Mast 25; P4 circa 10 centimeter verticale verplaatsing. Ook is er geringe horizontale verplaatsing.
Bron: Stork FDO Inoteq B.V.; certificaatnummer MKW10-1534; 20 september 2010 Bron: Liandon, Beschrijving schade aan fundaties; Storing Dtc-Uf-Dal, Mast 22 t/m 26, datum Juli
2010
Versie 1.1
•
-40-
30101141-Consulting 10-2002
Mast 26; geen zichtbare schade aan fundatiepalen.
Gezien de beweging die de fundering van mast 24 (paal 4) gemaakt heeft, zou deze paal gebroken kunnen zijn voorafgaand aan het bezwijken of als gevolg van het bezwijken.
Figuur 9-5: Verplaatsing van de fundering van mast 24
Met ultrasoon metingen is nagegaan wat de lengte van de paal 4 is. Uit controle met de werkelijke lengte van de paal blijkt dat de paal niet gebroken is. De hypothese dat verborgen gebreken in de fundatie zijn opgetreden wordt als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.5.3 Verborgen gebreken in het elektrisch systeem Deze hypothese onderzoekt of door afwijkingen tijdens de bouw, de constructie van het elektrisch systeem dermate verzwakt is dat in combinatie met een ander faalmechanisme de verbinding is bezweken. Solitair optreden van deze hypothese hoeft niet tot falen van de masten te leiden; er moet dan een combinatie met een andere hypothese zijn. In het veld zijn geen afwijkingen aan het elektrisch systeem geconstateerd ten opzichte van het ontwerp. Ook is geconstateerd dat enkele isolatoren beschadigd zijn en de bliksemdraad gebroken is.
Versie 1.1
-41-
30101141-Consulting 10-2002
Het is waarschijnlijk dat de isolatoren tijdens de val beschadigd zijn geraakt. De bliksemdraad is volgens de analyse van de gebeurtenissen op de grond bezweken. De geleiders zouden zodanig kunnen hebben bewogen, dat de trillingen leiden tot materiaalmoeheid en door breuken in de geleider of klemmen het elektrisch systeem faalt. Dit kan het geval zijn bij wind die typisch een windkracht 4 – 6 heeft en uit oostelijke richting komt, zogenaamde 'laminaire winden'. Om een dergelijke draadbeweging te temperen, worden trillingsdempers in de geleiders aangebracht. Tijdens het veldbezoek zijn deze trillingsdempers aangetroffen en zijn geen afwijkingen geconstateerd. Ook hoeft er als gevolg van laminaire wind geen mastfalen te zijn. Dit faalmechanisme heeft een ander schadebeeld tot gevolg dan bij dit incident Vethuizen het geval is. De hypothese dat verborgen gebreken in het elektrisch systeem zijn opgetreden wordt als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.6
Hypothese 5: Gebrekkig onderhoud leidend tot verminderde conditie van het mastlichaam
Deze hypothese onderzoekt of er sprake is geweest van gebrekkig onderhoud, waardoor het mastlichaam dusdanig is verzwakt dat de verbinding als gevolg daarvan is bezweken. Dit zal een zeer langdurig proces geweest moeten zijn over tientallen jaren, waarbij de mastlichamen een roestig uiterlijk hebben gekregen in de loop der tijd. In het veld is vastgesteld dat de mastlichamen van alle bezweken masten van een voldoende conservering zijn voorzien: er zijn geen roestplekken aangetroffen en de verflaag is van goede kwaliteit. Uit de inspectierapportage zoals van Liandon is ontvangen van juli 2007, is alleen met betrekking tot mast 27 een opmerking gemaakt (zie paragraaf 4.3 (Recent) onderhoud). Een enkele opmerking over mast 27 zoals in de inspectierapportage kan geen aanleiding zijn geweest voor het falen zoals opgetreden. De hypothese dat gebrekkig onderhoud geleid heeft tot een verminderde conditie van het mastlichaam wordt als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
Versie 1.1
9.7
-42-
30101141-Consulting 10-2002
Hypothese 6: Extern object raakt de verbinding
Deze hypothese onderzoekt of er sprake is geweest dat een extern object de verbinding (mastlichaam en/of elektrisch systeem) heeft geraakt, zodanig dat de masten zijn omgegaan. Aanleiding voor deze hypothese is de materiele schade die door de storm is aangericht. Bomen en daken zijn gesneuveld en op de camping nabij de verbinding zijn caravans door de wind verplaatst. Een botsing met een extern object zal sporen nalaten op de verbinding. Tijdens het veldbezoek is in de nabijheid van de bezweken masten een caravandeur gevonden. Er zijn geen objecten onder de verbinding aangetroffen; geen bomen of takken of andere zaken. In het veld zijn er geen beschadigingen geconstateerd die op externe objecten wijzen. Vastgesteld is dat de geleiders niet zijn gebroken. De ooggetuige heeft aangegeven dat hij niet heeft gezien dat er iets tegen de geleiders is gekomen. De hypothese dat een extern object geleid heeft tot het falen van de verbinding wordt als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.8
Hypothese 7: Extreem hoge windbelasting op de verbinding
Deze hypothese onderzoekt welke windbelasting in staat zou kunnen zijn de verbinding te laten bezwijken. Gezien de schade door het weer en de waarnemingen van getuigen, is het aannemelijk dat er extreme windsnelheden geweest zijn. De ooggetuige spreekt van een lokaal front ("witte pluim") met groot geweld, in een vallende beweging van gelijktijdig wind, regen en hagel. Het weer kan in een windbelasting op de mast geresulteerd hebben die de norm voorschriften te buiten gaat. De berekende windbelasting kan geverifieerd worden met de bevindingen van het KNMI. De mast is gebleken de minst sterke schakel te zijn (zie hypothese 2, paragraaf 9.3) en dus maatgevend voor de windbelasting waarbij het bezwijken van de hoogspanningsverbinding optreedt. De norm vereist een druksterkte van 300 kN per mastpoot met wind als enige externe invloed. Voor de berekening van de bijbehorende belasting op de mast wordt in het "windmodel" rekening gehouden met de hoogte, de veldlengte, turbulentie en windrichting ten opzichte van de lijn. De volgens de norm te hanteren windsnelheid voor de bepaling van de sterkte komt overeen met een maximale windsnelheid in een vlaag van 144 km per uur. De werkelijke bezwijksterkte van de masten bedraagt 350 kN zo tonen specifieke nietlineaire berekeningen aan. Op basis van het windmodel waar de Europese norm vanuit gaat
Versie 1.1
-43-
30101141-Consulting 10-2002
is vastgesteld dat de bezwijksterkte van 350 kN per mastpoot wordt overschreden bij maximale windsnelheden in een vlaag van minimaal 180 km per uur ter hoogte van de geleiders. Uit deze analyse blijkt dat de piek windsnelheid op 14 juli ter plaatse van de hoogspanningslijn minimaal 180 km per uur moet zijn geweest. Dit is in overeenstemming met de voorlopige bevindingen van het KNMI, dat spreekt van windstoten van 150-200 km per uur met de zwaarste windstoten om en nabij de 200 km per uur. Deze windsnelheid is aanzienlijk hoger dan welke de norm voorschrijft voor het ontwerp van de betreffende hoogspanninglijn, 144 km per uur. Mast
Wind
Berekende werkelijke bezwijksterkte
Berekende maximale windsnelheid
350 kN
Minimaal 180 km/u
Vereiste druksterkte conform norm
Maximale windsnelheid
300 kN
144 km/u
Figuur 9-6: Kracht op de mast omgerekend in windsnelheden
De hypothese dat de verbinding is bezweken door extreem hoge windbelasting, wordt als "zeer waarschijnlijk" geclassificeerd.
9.9
Hypothese 8: Brand heeft de verbinding verzwakt
Deze hypothese onderzoekt of er sprake is geweest van brand, waardoor de verbinding dusdanig is aangetast dat deze is bezweken. Dit faalmechanisme is eerder voorgekomen bij hoogspanningsverbindingen nabij industriële aangeslotenen waar brand uitbrak. De ooggetuige heeft melding gemaakt van brand. Het verschijnsel beschrijft hij als "vuurwerk", op de draden.
Versie 1.1
-44-
30101141-Consulting 10-2002
Tijdens het veldbezoek zijn op de grond brandsporen aangetroffen bij de geleiders van mast 23. Uit de LBC gegevens blijkt een wederinschakeling na enkele minuten. De brandsporen bij mast 23 kunnen echter niet veroorzaakt zijn door de wederinschakeling. Dichter bij de invoeding vanuit Doetinchem bevinden zich reeds sluitingen met aarde (mast 22 en de bomenrij tussen de nog staande mast 21 en mast 22). De brandsporen bij mast 23 kunnen dus enkel veroorzaakt worden door de initiële sluiting naar aarde tijdens de val (landing). De brandsporen bij mast 23 zijn zeer beperkt van omvang en kunnen op zichzelf niet hebben geleid tot het faalmechanisme zoals beschreven in deze hypothese. De hypothese dat de verbinding is bezweken door brand, wordt als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.10
Hypothese 9: Moedwil
Deze hypothese onderzoekt of moedwil ten grondslag ligt aan het falen van de verbinding. De elektrische energie voorziening is een kritische infrastructuur en in die zin een mogelijk object voor terrorisme. Tijdens het veldbezoek zijn er geen sporen van vernieling aangetroffen die wijzen op enige vorm van terrorisme, sabotage of vandalisme. Het verslag van de ooggetuige geeft eveneens geen aanleiding hiervoor. De hypothese dat de verbinding is bezweken door moedwil, wordt als "zeer onwaarschijnlijk" geclassificeerd.
9.11
Resumé hypothesen
De waardering van de hypothesen is in Tabel samengevat. De meest waarschijnlijke hypothese wordt aangemerkt als de oorzaak van het falen. In dit geval is het zeer waarschijnlijk dat een extreem hoge windbelasting op de verbinding is opgetreden met het falen van de verbinding tot gevolg. Tabel 9-1: Samenvatting waardering van de faalhypothesen
Ontwerpsterkte mastlichaam voldoet niet aan de norm.
X
Fundering richtlijn.
X
voldoet
niet
aan
de
Elektrisch systeem voldoet niet aan de norm.
X
Verborgen gebreken in de fundering.
X
Gebrekkig onderhoud leidend tot verminderde conditie van het mastlichaam.
X
Extern object raakt de verbinding.
X
Extreem hoge windbelasting op de verbinding.
waarschijnlijk
Zeer
Waarschijnlijk
Mogelijk
Zeer
HYPOTHESEN
30101141-Consulting 10-2002
Onwaarschijnlijk
-45-
Onwaarschijnlijk
Versie 1.1
X
Brand heeft de verbinding verzwakt.
X
Moedwil.
X
Versie 1.1
10
-46-
30101141-Consulting 10-2002
CONCLUSIE
Het faalonderzoek heeft zich gericht op negen mogelijke faaloorzaken. Daarbij is de onderliggende vraag vooral: zijn er behalve het extreme weer en de daarbij opgetreden windbelasting, andere oorzaken die een rol hebben gespeeld. Het onderzoek heeft drie belangrijke componenten: a) Onderzoek naar het mastontwerp b) Onderzoek naar de feitelijke toestand van de betrokken masten c) Onderzoek naar veroorzakers van excessieve belasting buiten de ontwerpbelasting Samenvattend laat het onderzoek zien: Ad a) Conclusie 1: Mastontwerp voldoet; •
Berekeningen hebben aangetoond dat deze masten voldoen aan de geldende norm ten tijde van de bouw in 1970.
•
De fundering voldoet aan de Begemann-methode en daarmee aan de ontwerpnorm ten tijde van de bouw in 1970 (en aan de huidige norm).
Ad b) Conclusie 2: Feitelijke toestand (sterkte) van de masten komt overeen met ontwerp; •
Onderhoud laat geen onregelmatigheden zien
•
Inspectie heeft geen defecten of verborgen defecten aangetoond anders dan door het incident zelf veroorzaakt.
•
Gebruikte materiaal zijn volgens ontwerp.
Ad c) Conclusie 3: Er is geen andere oorzaak die de benodigde faalbelasting kan produceren dan het extreme weer c.q. de extreme wind. •
Voor primaire brand of moedwil zijn geen aanwijzingen; Ook niet voor exotische belastingsituaties zoals resonanties of lijndansen (daarvoor zijn heel specifieke weersomstandigheden nodig).
•
Berekeningen hebben aangetoond dat het mastontwerp faalt bij een drukbelasting van ca 350 kN in de randstaaf van het broekstuk, overeenkomend met een windbelasting van ca 180 km/u.
•
Het KNMI geeft aan dat er sprake was van weerverschijnselen waar windsnelheden mogelijk zijn van 150 tot 200 km/u, ruim boven de windsnelheden welke zijn voorgeschreven voor het mastontwerp.
Versie 1.1
-47-
30101141-Consulting 10-2002
Bij storingsonderzoeken komt het voor dat er geen eenduidige oorzaak is vast te stellen, of een combinatie van factoren tot falen heeft geleid. In dit geval is duidelijk vast te stellen dat alleen de opgetreden wind met als gevolg een extreme windbelasting op de verbinding het falen tot gevolg heeft gehad. Met betrekking tot de primaire onderzoeksvraag luidt de conclusie dus: Het falen van de masten is veroorzaakt door een zeer incidenteel voorkomende weersituatie. Er is geen aanwijzing voor een structurele oorzaak binnen de gangbare begrippen.
Versie 1.1
BIJLAGE A
-48-
30101141-Consulting 10-2002
RESTPUNTEN
Ieder faalonderzoek probeert zo nauwkeurig mogelijk de volgordelijkheid van de gebeurtenissen in kaart te brengen, teneinde de meest waarschijnlijke storingsoorzaak te achterhalen en vast te stellen of er één of meerdere faalmechanismen hebben opgetreden. Om het onderzoek sluitend te krijgen is een gedetailleerde analyse van het verloop van de gebeurtenissen behulpzaam, maar niet altijd vereist als dit geen impact heeft op de uitkomsten, aanbevelingen en conclusie van het faalonderzoek. Onderstaand wordt een aantal specifieke details uiteengezet: het bezwijkproces en welke mast als eerste is omgegaan.
1. Het bezwijken van het lijndeel Aan het begin van de avond van 14 juli 2010 komt er in het gebied bij Vethuizen binnen enkele minuten een storm voorbij met een extreem windfront en harde regen. Dit windfront vormt een discontinuïteit in het weerbeeld, leidend tot een extreme belasting op de hoogspanningsverbinding Doetinchem – Ulft/Dale. Het lijndeel van mast 20 tot en met 28 wordt in een toestand gebracht die de ontwerpeisen te buiten gaat. In een chaos proces bezwijken de masten 22 tot en met 26 met geweld. Het omgaan van het lijndeel zal naar verwachting binnen een minuut hebben plaatsgevonden. Er is sprake van een lokaal systeemfalen. Alle masten liggen nagenoeg haaks en nagenoeg niet getordeerd op de lijnrichting. Hieruit wordt afgeleid dat de windrichting haaks op de lijn heeft gestaan waarbij alle masten op nagenoeg hetzelfde moment gefaald zijn. De bliksemdraden zijn grotendeels bepalend geweest voor het vallen van de masten in dezelfde richting. Echter, bij wind niet haaks op de lijn maar meer in lijnrichting ontstaan krachten in de lijnrichting. Vanwege de elasticiteit van de zeeg zal dit betekenen dat extra lengte gehaald wordt uit één van beide velden (afhankelijk van de richting van de kracht in lijnrichting). Dit lengteverschil zal er voor zorgen dat de mast niet exact haaks op de lijn valt. Bij een wind welke niet haaks op de lijn gestaan heeft, zou een minder symmetrische situatie aangetroffen zijn. De vraag is of de masten tegelijk zijn bezweken (integraal systeemfalen) of dat er een cascade effect is opgetreden waarbij mogelijk andere bezwijkmechanismen betrokken zijn. De volgordelijkheid van bezwijken van de masten kan in meer detail als volgt zijn verlopen: •
Op een gegeven moment krijgen alle masten een belasting in de buurt van de bezwijksterkte.
Versie 1.1
•
-49-
30101141-Consulting 10-2002
Optie 1. Op een gegeven moment gaat er één mast als eerste. Daardoor krijgen de andere masten een extra belasting, waarschijnlijk via de bliksemdraad, en het laatste extra zetje om te bezwijken.
•
Optie 2. Alle masten bezwijken door de wind. Dan gaat er nog steeds één mast als eerste, omdat niet alle masten precies even sterk zijn en niet alle masten precies dezelfde belasting krijgen (invloed veldlengte en turbulentie). Het bezwijkmechanisme is dan voor alle masten hetzelfde.
De bliksemdraden zijn grotendeels bepalend geweest voor het vallen van de masten in dezelfde richting. Bij falen in de vorm van een kettingreactie zouden de buurmasten, naast de eerst gefaalde mast, iets schuin in de richting van de eerst gevallen mast gelegen hebben en waarschijnlijk iets getordeerd zijn. Omdat de geleiders niet zijn verschoven in de draagklemmen, is een bezwijkmechanisme waarbij één mast eerst is gaan bezwijken en deze mast de andere masten heeft omgetrokken, minder waarschijnlijk.
2. De eerste mast Een vraag is welke mast als eerste is bezweken. Dit aspect heeft geen impact op de opgetreden faalmechanismen en conclusies en aanbevelingen uit het faalonderzoek. Het wordt hier vermeld omdat er inconsistente verklaringen over bestaan. De ooggetuige wijst mast 24 aan als mast die als eerste bezwijkt. Op basis van het onderzoek vermoedt KEMA dat mast 23 als eerste mast is omgegaan. Bij mast 23 wijkt een aantal verschijnselen af van andere masten. •
Van mast 23 ligt een traverse anders op de grond dan bij andere masten. Ook is de bliksemdraad bij mast 23 mechanisch gebroken en deels in de grond geboord. Vanwege de forse uitzwaai van de geleiders als gevolg van de extreme wind is tijdens de val uplift (opwaartse kracht) in de traverse ontstaan. Uplift zal mede ook zijn onstaan doordat de hoekmasten 20 en 28 en de eerste steunmasten 21 en 27 zijn blijven staan. 21 en 27 zijn blijven staan omdat ze dicht bij de hoekmasten staan en daar steun van ondervinden. De geleiders zijn immers niet gebroken. Hierdoor zijn de trekschoren op druk belast. Dit heeft tot vervorming geleid en hierdoor heeft de punt van traverse(n) “hoog” (dichterbij de masttop) de grond als eerste geraakt en bevinden de geleiders zich in enkele gevallen “op” de traverse, in plaats van er onder. Dit laatste is mede afhankelijk van de exacte uitzwaaihoek en de dynamische verplaatsing van geleiders tijdens de val.
Versie 1.1
•
-50-
30101141-Consulting 10-2002
Het lijndeel is bezweken toen het circuit nog in bedrijf stond. Bij mast 23 zijn brandsporen aangetroffen op de grond. Plausibel is dat dit sporen van sluiting zijn ten tijde van het eerste contact van geleiders en grond; indicatie dat deze mast als eerste is gefaald. De brandsporen kunnen in theorie zijn ontstaan door de eerste sluiting met aarde direct na de val of tijdens een wederinschakeling. Aangezien mast 23 zich midden tussen andere gefaalde masten bevindt is het zeer aannemelijk dat deze brandsporen zijn ontstaan tijdens de val. Immers, een kortsluiting als gevolg van een wederinschakeling zal optreden bij contact met aarde bij de mast welke zich het dichtst bij het invoedende station bevindt. Bij wederinschakeling vanuit Doetinchem zou dit mast 22 zijn. Bij invoeding vanuit Winterswijk zou dit mast 26 betreffen. De brandsporen bij mast 23 kunnen dan ook enkel ontstaan zijn tijdens de landing.
Versie 1.1
BIJLAGE B
-51-
30101141-Consulting 10-2002
MEDEWERKERS FAALONDERZOEK
Aan het faalonderzoek hebben meegewerkt: •
Eus Loriaux, projectmanager
•
Rein Westerbeek, vervangend projectmanager tijdens vakantieperiode
•
Saskia Jaarsma, vervangend projectmanager tijdens vakantieperiode en auteur rapportage
•
Teun Ploeg, hoogspanningslijnen expert en lid Nederlandse normencommissie
•
Ton Ross, hoogspanningslijnen expert
•
Ton van der Wekken, hoogspanningslijnen expert
•
Hans Janssens, D.O.N. Bureau b.v., hoogspanningslijnen expert
•
Henk Semplonius, Adviesbureau Semplonius, fundatie expert, niet lin. berekeningen
•
Richard Houtepen, auteur rapportage
•
Harold Dijk, beoordelaar rapportage.
