Analyse van de probitfunctie voor de effecten van overdruk op de mens - Het Vlaamse 40 mbar overdrukcriterium

Jeroen Debroey
In Vlaanderen wordt de kans op overlijden ten gevolge van de overdruk afkomstig van een explosie uitgedrukt door middel van een probitfunctie. In deze scriptie wordt de herkomst van de Vlaamse probitfunctie doorgelicht en vergeleken met alternatieve opvattingen en technieken. Uit dit onderzoek besluit de auteur dat de huidige Vlaamse probitfunctie anno 2016 te conservatief is. Hij ontwikkelt daarom een geactualiseerde probitfunctie, ten einde de Vlaamse probitfunctie opnieuw af te lijnen met moderne bouwfysische omstandigheden.

Zware industrie in Vlaanderen: op zoek naar de grenzen van het toelaatbare

In het geïndustrialiseerde Vlaanderen van vandaag is nijverheid op grote schaal niet meer weg te denken. Haar bijdrage aan onze huidige welvaart mag niet worden onderschat, onder de vorm van de tewerkstelling die wordt gecreëerd en de technologische vooruitgang die wordt gestimuleerd. Maar helaas is er een keerzijde van de medaille. Economische ontwikkeling gaat immers hand in hand met het bestaan van belangrijke risico’s voor mens en milieu. Vandaar de behoefte aan een concreet wettelijk kader dat de grenzen van het toelaatbare vastlegt en aldus verzekert dat grootschalige calamiteiten uit het verleden zich niet meer kunnen voordoen.

De Seveso-richtlijn

Historisch gezien is de ecologische ramp van 10 juli 1976 nabij het Italiaanse Seveso een mijlpaal voor het veiligheidsbeleid met betrekking tot zware industrie binnen Europa. Het gaf immers aanleiding tot de opmaak van een Europese richtlijn, bekend onder de naam Seveso-richtlijn, die preventie en controle van grootschalige calamiteiten beschrijft. De Seveso-richtlijn is van toepassing op industriële sites waar gevaarlijke substanties in grote hoeveelheden worden gebruikt of opgeslagen. Er wordt een bijkomend onderscheid gemaakt tussen zgn. lagedrempel en- hogedrempelinrichtingen in functie van de effectieve hoeveelheden van de betrokken producten. Vanzelfsprekend wordt de tweede categorie aan strengere eisen onderworpen dan de eerste.

De Seveso-richtlijn wordt omgezet naar Belgisch recht in de vorm van het Samenwerkingsakkoord tussen de Federale Staat en de drie gewesten. De correcte implementatie van het Samenwerkingsakkoord is onontbeerlijk om een exploitatievergunning voor de beoogde industriële activiteiten te kunnen verkrijgen. Dit wordt op Vlaams niveau nauwgezet opgevolgd door de Dienst Veiligheidsrapportering van het Departement Leefmilieu, Natuur en Energie van de Vlaamse overheid.

In Vlaanderen zijn er bijna 300 inrichtingen gekend die onderworpen zijn aan de Seveso-richtlijn. Voor de hogedrempelinrichtingen houdt dit onder meer in dat rapporten moeten worden opgemaakt die de potentiële risico’s van de industriële activiteiten voor de bevolking beschrijven, rekening houdend met het toxische karakter van de producten en met de schadelijke effecten ten gevolge van explosie of brand. Tal van rampscenario’s worden bestudeerd zodat de verschillende blootstellingen aan toxische concentraties, overdruk en stralingswarmte kunnen worden voorspeld. Om op basis van deze blootstellingen ten slotte te kunnen afleiden met welke waarschijnlijkheid een doorsnee mens eraan zal overlijden, bestaan er mathematische dosis-responsrelaties, gepubliceerd door de Dienst Veiligheidsrapportering, die verplichtend moeten worden aangewend.

Het huidige overdrukcriterium in Vlaanderen

Het doel van mijn thesis bestond uit een grondige doorlichting van de dosis-responsrelatie die in Vlaanderen wordt voorgeschreven om de kans op doding te berekenen ten gevolge van de invallende overdruk, veroorzaakt door een accidentele explosie. Een duidelijke beschrijving van de hypothesen die in het begin van de jaren 1990 werden vooropgesteld bij het opstellen van deze relatie was helaas niet meer voor handen. In eerste instantie ben ik dus terug moeten gaan in de tijd om op basis van de toenmalige state-of-the-art te achterhalen hoe de relatie destijds tot stand was gekomen. Ik stelde vast dat twee dosis-responscriteria werden weerhouden:

  • Als kenmerkende lage dosis werd een overdruk van 40 mbar geselecteerd. Met deze overdruk werd een kans op overlijden van 1 % geassocieerd. Het menselijk lichaam heeft niet de minste moeite om aan deze lage overdruk te weerstaan. De doodsoorzaak bij 40 mbar overdruk moet dus elders worden gezocht, met name onder de vorm van fatale verwondingen ten gevolge van scherven afkomstig van gebroken vensterglas die binnenskamers worden geprojecteerd.
  • Als referentiewaarde voor een hoge dosis werd een overdruk van 700 mbar gekozen. Bij deze dosis werd een hoge potentiële letaliteit van 90 % verwacht, te wijten aan vergevorderde vernieling van de meeste gebouwen en bijhorende fatale gevolgen voor de aanwezigen die worden bedolven onder zware brokstukken.

De Vlaamse dosis-responsrelatie voor overdruk is dus gebaseerd op de verwachte fatale gevolgen van structurele schade, zoals beschreven staat in literatuur uit de jaren 1970 en 1980.

Adaptaties op basis van recentere gegevens

Overtuigd van de gunstige invloed van recente bouwfysische verbeteringen op de overlevingskansen van bewoners bij een accidentele explosie, verdiepte ik mij vervolgens in de casuïstiek van zware ongevallen en bestudeerde ik tal van rapporten in verband met effecten van explosies en projectie van fragmenten. Ik organiseerde ook zelf een proefcampagne waarbij verschillende vensters met enkel glas en dubbel glas aan een schokgolf werden onderworpen. Voor de keuze van het type venster dat als model kan worden beschouwd in Vlaanderen baseerde ik mij op statistische gegevens uit een nationale survey uit 2012 in verband met energieverbruik. Mijn vermoedens werden keer op keer bevestigd. Zonder te raken aan de originele filosofie van de huidige dosis-responsrelatie voor overdruk, integreerde ik ten slotte mijn bevindingen zodat een geactualiseerd criterium ontstond. Het nieuwe criterium was duidelijk optimistischer dan het originele, dat vandaag van toepassing is. Zo was er nu geen 40, maar 50 mbar aan invallende overdruk nodig om een fatale respons van 1 % te bereiken. Het stelde mij gerust dat dezelfde waarde ook in Duitsland, Frankrijk en het Waalse gewest is voorgeschreven en dat zelfs de Europese Commissie gebruik maakt van 50 mbar als ondergrens voor onomkeerbare lichamelijke gevolgen.

Implicaties van een eventuele versoepeling

Het huidige overdrukcriterium in Vlaanderen blijkt dus eerder conservatief te zijn. Voor de Dienst Veiligheidsrapportering van het Departement Leefmilieu, Natuur en Energie, is dit echter niet per se problematisch. Het wil immers zeggen dat haar richtlijnen voor overdruk ruimschoots volstaan om de bescherming van de bevolking tegen de gevolgen van grootschalige calamiteiten te kunnen waarborgen. Anderzijds opent mijn onderzoek ook nieuwe perspectieven voor de zware industrie. Een versoepeling van het criterium zou immers in de kaart spelen van bedrijven die verlangen naar capaciteitsuitbreiding maar binnen het huidige wettelijke kader geen vergunning kunnen krijgen.

Of mijn ondervindingen een formeel gevolg zullen krijgen, valt nog af te wachten. Maar in ieder geval bevindt een geactualiseerd criterium om de Vlaamse dosis-responsrelatie opnieuw af te lijnen met moderne omstandigheden zich bij deze binnen handbereik.

Bibliografie
  1. AASTP-1. Allied Ammunition Storage and Transport Publication 1: NATO guidelines for the storage of military ammunition and explosives. NATO, 2015.
  2. AASTP-4. Allied Ammunition Storage and Transport Publication 4: Manual on explosives safety risk analysis. NATO, 2008.
  3. AMINAL. Richtlijn evaluatie veiligheidsrapportering. KU Leuven, 1993.
  4. ASTM F1642-04. Standard test method for glazing and glazing systems subject to air blast loadings. American Society for Testing and Materials, 1996.
  5. Baker et al. Explosion Hazards and Evaluation. Elsevier, 1983.
  6. Baker. Explosions in Air. Southwest Research Institute, 1973.
  7. Beveridge et al. Forensic Investigation of Explosions, 2nd ed. Taylor & Francis, 2012.
  8. Biggs. Introduction to Structural Dynamics. McGraw-Hill, 1964.
  9. Bjerketvedt et al. Gas Explosion Handbook. GexCon, 1992.
  10. Borgers. Pyrotechniek en Beschermingsconstructies. Nederlandse Defensie Academie, 2015.
  11. Bourgois. Constructies onderworpen aan Explosiebelastingen. Koninklijke Militaire School, 1999.
  12. Bowen et al. Estimate of Man's Tolerance to the Direct Effects of Air Blast. Lovelace Foundation for Medical Education and Research, 1968.
  13. Breeze et al. Perforation of fragment simulating projectiles into goat skin and muscle. Journal of the Royal Army Medical Corps 159 (2013), 84-89.
  14. Bulson. Explosive Loading of Engineering Structures. E & FN Spon, 1997.
  15. Callister. Materials Science and Engineering: An Introduction, 7th ed. John Wiley & Sons, 2007.
  16. Cellule Risques d'Accidents Majeurs. Vademecum: Spécifications techniques relatives au contenu et à la présentation des études de sûreté, des notices d'identification des dangers et des rapports de sécurité. Département de l'Environnement et de l'Eau, 2015.
  17. CPR 16E. Green Book: Methods for the determination of possible damage to people and objects resulting from releases of hazardous materials. Committee for the Prevention of Disasters caused by Dangerous Substances, 1999.
  18. CPR 18E. Purple Book: Guideline for quantitative risk assessment. Committee for the Prevention of Disasters caused by Dangerous Substances, 1999.
  19. Debroey. Analyse van de Interactie van Schokgolven met Gordijngevels. Afstudeerwerk, Koninklijke Militaire School, 2008.
  20. Dienst Veiligheidsrapportering. Code Risicocriteria. Departement Leefmilieu, Natuur en Energie van de Vlaamse overheid, 2006.
  21. Dienst Veiligheidsrapportering. Handbook Failure Frequencies. Departement Leefmilieu, Natuur en Energie van de Vlaamse overheid, 2009.
  22. Dienst Veiligheidsrapportering. Richtlijn Probitfuncties. Departement Leefmilieu, Natuur en Energie van de Vlaamse overheid, 2011.
  23. Duijm. Acceptance Criteria in Denmark and the EU. Danish Ministry of the Environment, 2008.
  24. FEMA 459. Incremental Protection for Existing Commercial Buildings from Terrorist Attack. U.S. Department of Homeland Security, 2008.
  25. Fletcher et al. Glass Fragment Hazard from Windows Broken by Air Blast. Lovelace Biomedical and Environmental Research Institute, 1980.
  26. Glasstone & Dolan. The Effects of Nuclear Weapons. U.S. Department of Defence, 1977.
  27. Gorrens. Lectures on quantitative risk analysis. KU Leuven, 2015.
  28. GSA-TSO1-2003. Standard test method for glazing and window systems subject to dynamic overpressure loadings. U.S. General Services Administration, 2003.
  29. Haldimann. Fracture Strength of Structural Glass Elements. PhD thesis, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2006.
  30. Harvey et al. Second report. Advisory Committee on Major Hazards, 1979.
  31. HSE. The effects of explosions in the process industries. Loss Prevention Bulletin, Issue 068 (1986).
  32. Hubbard & Hamilton. Studies of the chemical durability of glass by an interferometer method. Journal of Research of the National Bureau of Standards 27 (1941), 143-157.
  33. INERIS. Guide technique relatif aux valeurs de référence de seuils d'effets des phénomènes accidentels des installations classées. Ministère de l'Ecologie et du Développement Durable, 2004.
  34. INERIS. La résistance des structures aux actions accidentelles. Ministère de l'Ecologie et du Développement Durable, 2007.
  35. ISO 16933. Glass in building - explosion-resistant security glazing - test and classification for arena air blast loading. International Organisation for Standardization, 2007.
  36. ISO 16934. Glass in building - explosion-resistant security glazing - test and classification by shock tube loading. International Organisation for Standardization, 2007.
  37. Janovsky et al. Small-scale physical explosions in shock tubes in comparison with condensed high explosive detonations. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 26 (2013), 1590-1596.
  38. Kingery & Bulmash. Air Blast Parameters from TNT Spherical Air Burst and Hemispherical Burst. U.S. Army Ballistic Research Laboratory, 1984.
  39. Kinney & Graham. Explosive Shocks in Air, 2nd ed. Springer-Verlag, 1985.
  40. Krauthammer et al. Structural Design for Physical Security. Structural Engineering Institute of the American Society of Civil Engineers, 1999.
  41. Lees. Loss Prevention in the Process Industries, 3rd ed. Elsevier, 2005.
  42. Marchand. Blast-resistant and Anti-terrorism Design. Protection Engineering Consultants, 2011.
  43. Mays et al. Blast Effects on Buildings, 2nd ed. Thomas Telford, 2009.
  44. McCleskey. A comparison of two personnel injury criteria based on fragmentation. 24th DoD Explosives Safety Seminar (1990).
  45. NBN EN 13123-1. Windows, doors and shutters - explosion resistance - requirements and classification - part 1: Shock tube. Belgisch Instituut voor Normalisatie, 2001.
  46. NBN EN 13123-2. Windows, doors and shutters - explosion resistance - requirements and classification - part 2: Range test. Belgisch Instituut voor Normalisatie, 2004.
  47. NBN EN 13124-1. Windows, doors and shutters - explosion resistance - test method - part 1: Shock tube. Belgisch Instituut voor Normalisatie, 2001.
  48. NBN EN 13124-2. Windows, doors and shutters - explosion resistance - test method - part 2: Range test. Belgisch Instituut voor Normalisatie, 2004.
  49. NBN S 23-002. Work in glass. Belgisch Instituut voor Normalisatie, 2007.
  50. Neades. An Examination of Injury Criteria for Potential Application to Explosive Safety Studies. U.S. Army Ballistic Research Laboratories, 1983.
  51. Ngo et al. Blast loading and blast effects on structures - an overview. Electronic Journal on Structural Engineering Special Issue: Loading on Structures (2007), 76-91.
  52. Nowee & Harmanny. De Invloed van het Glaskozijn op de Dynamische Bezwijkbelasting van Ruiten. Prins Maurits Laboratorium, TNO, 1983.
  53. NSG Nippon Sheet Glass. ATS-129: Properties of soda-lime silica float glass. Pilkington, 2013.
  54. Overend et al. Diagnostic interpretation of glass failure. Structural Engineering International, 2 (2007), 151-158.
  55. Peugeot et al. TNT Equivalency: Misconceptions and Reality. Limited report L-132. Munitions Safety Information Analysis Center, NATO, 2006.
  56. PGS1. Deel 2A: Effecten van explosie op personen. Ministerie van Verkeer en Waterstaat, 2003.
  57. PGS1. Deel 2B: Effecten van explosie op constructies. Ministerie van Verkeer en Waterstaat, 2003.
  58. Protec Engineering nv. Schademechanismen & -criteria - Inschatting t.b.v. de Externe Veiligheidsrapportage. BVR 002, 2001.
  59. Scholze. Chemical durability of glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 52 (1982), 97-103.
  60. Sedlacek et al. Glass in structural engineering. The Structural Engineer 73 (1995), 17-22.
  61. Seveso-III-Directive 2012/18/EU. On the control of major-accident hazards involving dangerous substances. Official Journal of the European Union, 2012.
  62. Smith & Renfroe. Glazing Hazard Mitigation. Whole Building Design Guide resource page, Applied Research Associates Inc., 2010.
  63. Smith & Hetherington. Blast and Ballistic Loading of Structures. Butterworth-Heinemann, 1994.
  64. Solomos & Karlos. Report EUR 26456 EN: Calculation of Blast Loads for Application to Structural Components. EC Joint Research Centre - Institute for the Protection and Security of the Citizen, 2013.
  65. Sperrazza & Kokinakis. Criteria for Incapacitating Soldiers with Fragments and Flechettes. U.S. Army Ballistic Research Laboratories, 1965.
  66. Stewart. Blast injuries: Preparing for the inevitable. Emergency Medicine Practice 8, 4 (2006).
  67. Timoshenko. Theory of Plates and Shells, 2nd ed. McGraw-Hill, 1959.
  68. TM 5-855-1. Design and analysis of hardened structures to conventional weapons effects. Joint Departments of the Army, Air Force, and Navy and the Defence Special Weapons Agency, 1997.
  69. TM 5-1300. Structures to resist the effects of accidental explosions. Joint Departments of the Army, Air Force, and Navy, 1990.
  70. Trbojevic. Risk Criteria in the EU. Risk Support Limited, UK, 2005.
  71. UFC 3-340-01. Design and analysis of hardened structures to conventional weapons effects. U.S. Department of Defence, 2002.
  72. UFC 3-340-02. Structures to resist the effects of accidental explosions. U.S. Department of Defence, 2008.
  73. UFC 4-010-01. DoD minimum antiterrorism standards for buildings. U.S. Department of Defence, 2007.
  74. Van de Vyver & Vande Mergel. Behaviour of Laminated Glass under Impact and Blast Loading. Master's thesis, UGent, 2015.
  75. van den Berg. The multi-energy method: A framework for vapour cloud explosion blast prediction. Journal of Hazardous Materials, 12 (1985), 1-10.
  76. Van den Schoor. Lectures on quantitative risk analysis. KU Leuven, 2014.
  77. Van den Schoor. Lectures on explosion safety. KU Leuven, 2015.
  78. Verplaetsen. Lectures on explosion safety. KU Leuven, 2015.
  79. Vito nv. Energy Consumption Survey for Belgian Households. EUROSTAT, 2012.
  80. WTCB. Technische voorlichting 214: Glas en glasproducten, functies van beglazing, 1999.
  81. Yadav. Nuclear Weapons and Explosions: Environmental Impacts and Other Effects. SBS Publishers, 2007.
Universiteit of Hogeschool
Master of Safety Engineering
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Filip Van den Schoor
Kernwoorden
Share this on: