Structural behavior of liquid storage steel containers under strong dynamic excitation

Abstract

Liquid containing tanks made of steel material are used in water storage and distribution systems, as well as in industrial plants for the storage and/or processing of a variety of liquids and liquid-like materials, including oil, liquefied natural gas, chemical fluids and wastes of various forms. The present research refers to ground-supported tanks and does not refer to underground or elevated tanks.Tanks can be categorized as anchored and unanchored, if they are constructed with or without anchor bolts respectively. In the case of a strong seismic event unanchored tanks are likely to exhibit uplifting of their bottom plate, when the magnitude of the overturning moment exceeds a threshold value. During a strong seismic event, liquid storage tanks may exhibit significant damages. Their structural response under strong seismic loading constitutes an important issue for safeguarding the structural integrity of industrial facilities. Typical steel tank damage can occur in the following forms: (a) buckling of the shell, because of excessive axial (meridional) compression due to overall bending of the structure under transverse seismic action, (b) damage of the roof and the top part, caused by sloshing of the upper part of the contained liquid when there is insufficient freeboard between the liquid surface and the roof, (c) base plate fatigue or/and fracture due to uplifting of the tank, (d) anchor bolt failure in the case of tanks anchored to the ground (e) shell damage at nozzle areas due to non-flexible connections with piping and other accessories, due to the inability of these elements to accommodate the deformations of the flexible shell. Shell buckling usually takes the form of “diamond shaped” or “elephant’s foot” buckling that appears at a short distance above the base and usually extends around most or of the entire circumference. In previous earthquake events, damages of various severity have been reported, e.g. from fracture of a pipe that created only slight leaks on minor repairs (damage to an overflow pipe) to complete loss of tank content.Seismic analysis of liquid-containing tanks differs from typical civil engineering structures (i.e. buildings and bridges) mainly because of two reasons: first, during seismic excitation, liquid inside the tank exerts hydrodynamic force on tank walls and base, and second, tanks are generally less ductile and have significantly lower redundancy. The present dissertation refers to the response of liquid storage tanks under strong dynamic excitation, with emphasis on seismic response. In particular, it emphasizes in two major phenomena which are examined extensively; (a) elephant’s foot buckling and (b) base uplifting of unanchored tanks. The research is aimed at better understanding of tank mechanics and response, and defines a performance-based design framework that can be used for reliable development of vulnerability and assessment of seismic risk. The results of the present research can be also employed in possible future amendments and revisions in existing seismic design provisions. Modeling of tank structural behavior is performed using an efficient combination of detailed finite element models and simplified numerical techniques, which offer a simple and efficient tool for tank dynamic analysis. Elephant’s foot buckling is examined in Chapter 3 using three-dimensional and axisymmetric nonlinear finite element rigorous tools, in terms of buckling and post-buckling, considering material and geometric nonlinearities, accounting for initial imperfections for hydrostatic pressure and for internal pressure levels up to a significant percent of yield pressure. Two types of imperfections are considered: (a) imperfections from real measurements in an existing tank, which are of random shape and (b) axisymmetric imperfections in the form of an initial bulge at the bottom of the cylinder around the circumference of the cylinder. Special emphasis has been given on the development of local stresses and strains at the buckled area, in the pre-buckling and the post-buckling configuration. The numerical results have been compared with the predictions from the relevant provisions of EN 1993-1-6 and EN 1998-4. Lastly, the effectiveness of strengthening the tank with FRP wrapping against elephant’s foot buckling failure is also examined.

Οι δεξαμενές αποθήκευσης υγρού χρησιμοποιούνται σε συστήματα διανομής νερού και σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις για την αποθήκευση ή/και την επεξεργασία υγρών, όπως πετρελαίου, υγροποιημένου φυσικού αερίου, χημικών ρευστών και αποβλήτων διαφόρων μορφών. Η παρούσα μελέτη αναφέρεται σε δεξαμενές που στηρίζονται στο έδαφος (ground-supported tanks) και δεν περιέχει υπόγειες (underground tanks) ή ανυψωμένες δεξαμενές (elevated tanks). Οι δεξαμενές επίσης διακρίνονται σε αγκυρωμένες και μη-αγκυρωμένες ανάλογα με το αν συγκρατούνται ή όχι σταθερά στο έδαφος με αγκύρια. Οι αστοχίες στις αγκυρωμένες δεξαμενές περιλαμβάνουν αστοχίες στη θεμελίωση, στις στηρίξεις και στο κέλυφος της δεξαμενής λόγω θλίψης. Σε αντίθεση με τις αγκυρωμένες δεξαμενές οι οποίες δεν επιτρέπουν το ανασήκωμά τους, οι δεξαμενές που δε φέρουν αγκυρώσεις είναι πιθανό να ανασηκωθούν λόγω της ροπής ανατροπής που δημιουργούν οι υδροδυναμικές πιέσεις που προκαλεί ο σεισμός. Κατά τη διάρκεια ενός ισχυρού σεισμού, οι δεξαμενές αποθήκευσης υγρών μπορεί να παρουσιάσουν σημαντικές φθορές. Τυπικές αστοχίες δεξαμενών μπορεί να είναι των ακόλουθων μορφών: (α) λυγισμός του κελύφους που μπορεί να δημιουργηθεί λόγω υπερβολικής αξονικής συμπίεσης εξαιτίας ολικής κάμψης της κατασκευής, (β) ζημιά στην οροφή και στο ανώτερο κομμάτι της δεξαμενής λόγω του έντονου κυματισμού του ανώτερου τμήματος του περιεχόμενου υγρού στην περίπτωση που δεν υπάρχει μεγάλο κενό μεταξύ της επιφάνειας του υγρού και της οροφής, (γ) αστοχία λόγω κόπωσης ή/και θραύσης του πυθμένα της δεξαμενής εξαιτίας του ανασηκώματος, (δ) αστοχία στα αγκύρια στην περίπτωση αγκυρωμένης δεξαμενής και, (ε) αστοχία των σωληνώσεων και άλλων εξαρτημάτων λόγω της αδυναμίας των στοιχείων αυτών να παραλάβουν τις παραμορφώσεις του εύκαμπτου κελύφους. Ο λυγισμός του κελύφους συνήθως είναι μορφής τύπου “diamond shape“ ή τύπου “elephant’s foot buckling” που εμφανίζεται σε μικρή απόσταση από την πλάκα έδρασης και συνήθως εκτείνεται σε μεγάλο τμήμα ή και ολόκληρη την περιφέρεια της δεξαμενής. Η σεισμική ανάλυση των δεξαμενών διαφέρει από τις τυπικές κατασκευές πολιτικού μηχανικού (όπως κτίρια και γέφυρες) με δύο τρόπους: αρχικά, κατά τη διάρκεια της σεισμικής διέγερσης το υγρό μέσα στη δεξαμενή ασκεί υδροδυναμικές δυνάμεις στα τοιχώματα και στον πάτο. Κατά δεύτερον, οι δεξαμενές παρουσιάζουν απότομη κατάρρευση μετά το μέγιστο φορτίο.Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται στην απόκριση δεξαμενών αποθήκευσης υγρών υπό ισχυρή δυναμική φόρτιση, επικεντρώνοντας στο πρόβλημα της σεισμικής απόκρισης. Στόχος είναι η αντιμετώπιση των παραπάνω ζητημάτων δομικής επάρκειας δεξαμενών, χρησιμοποιώντας κυρίως αριθμητικές προσομοιώσεις λαμβάνοντας υπόψη τις βασικές αρχές αντισεισμικού σχεδιασμού. Η έρευνα αποσκοπεί στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου πλαισίου για τον αντισεισμικό σχεδιασμό κατασκευών βιομηχανικών εγκαταστάσεων με βάση την επιτελεστικότητα. Για την προσομοίωση της δομικής συμπεριφοράς των δεξαμενών, χρησιμοποιείται το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS, ενώ για την εξέταση σεισμικών αποτελεσμάτων, αναπτύσσονται απλοποιημένα αριθμητικά μοντέλα. Τα αποτελέσματα αποσκοπούν στην καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς ατμοσφαιρικών δεξαμενών αποθήκευσης υγρών υπό ισχυρό σεισμικό φορτίο.Πιο αναλυτικά, η διατριβή απαρτίζεται από 7 κεφάλαια: Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη περιγραφή αστοχιών δεξαμενών αποθήκευσης υγρών σε συγκεκριμένους σεισμούς που έχουν καταγραφεί τα προηγούμενα χρόνια καθορίζοντας με αυτόν τον τρόπο την ανάγκη μελέτης της σεισμικής απόκρισης των δεξαμενών. Πραγματοποιείται επίσης βιβλιογραφική ανασκόπηση των εργασιών που αφορούν τη μελέτη της σεισμικής απόκρισης δεξαμενών αποθήκευσης υγρών. Το 2ο Κεφάλαιο αφορά θέματα σχετικά με τη σεισμική ανάλυση και σχεδιασμό δεξαμενών αποθήκευσης υγρών. Αρχικά περιγράφονται τα πιο σημαντικά πρότυπα και κανονισμοί για τη σεισμική ανάλυση των δεξαμενών και στη συνέχεια παρουσιάζονται οι σχετικές προδιαγραφές των προτύπων αυτών και οι συνήθεις αστοχίες που εμφανίζονται σε δεξαμενές αποθήκευσης υγρών. Στο 3ο Κεφάλαιο γίνεται μελέτη του λυγισμού τύπου “elephant’s foot” που αποτελεί και το πρώτο σημαντικό θέμα της διατριβής, και εξετάζεται η ευαισθησία των δεξαμενών αυτών σε δυο μορφές ατελειών. Διερευνάται επίσης η πιθανότητα ενίσχυσης δεξαμενών με περίσφυξη με φύλλα FRP για βελτίωση της αντοχής τους και αποφυγής αυτού του είδους λυγισμού. Στο 4ο Κεφάλαιο μελετάται το δεύτερο σημαντικό θέμα της διδακτορικής διατριβής, το φαινόμενο του ανασηκώματος των μη αγκυρωμένων δεξαμενών υπό ισχυρή σεισμική φόρτιση. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται αποτελείται από 2 βήματα: (α) μια ακριβή ανάλυση, μέσω μη-γραμμικής στατικής προσομοίωσης δεξαμενών με πεπερασμένα στοιχεία (β) ανάλυση που χρησιμοποιεί την προηγούμενη προσομοίωση για τη δημιουργία ενός απλοποιημένου μοντέλου για δυναμική ανάλυση των δεξαμενών σε σεισμική διέγερση. Πραγματοποιείται επίσης παραμετρική μελέτη της επίδρασης της οροφής στο ανασήκωμα της δεξαμενής. Για το σκοπό αυτό προσομοιώθηκαν οχτώ μη-αγκυρωμένες δεξαμενές με και χωρίς οροφή με πεπερασμένα στοιχεία. Στο 5ο Κεφάλαιο διατυπώνεται ένα πλαίσιο για τον αντισεισμικό σχεδιασμό δεξαμενών με βάση την επιτελεστικότητα. Στόχος είναι η πρόταση ενός ολοκληρωμένου πλαισίου που θα περιλαμβάνει (α) τα επίπεδα επιτελεστικότητας, (β) τη συσχέτισή τους με τις πιθανές μορφές αστοχίας (γ) τη χρησιμοποίηση απλοποιητικών μοντέλων για τον καθορισμό των επιπέδων επιτελεστικότητας σε μία δεξαμενή για κάθε μορφή αστοχίας. Τέλος, στο 6ο Κεφάλαιο συνοψίζονται τα σημαντικότερα συμπεράσματα της διδακτορικής διατριβής.