Σεισμική τρωτότητα και βέλτιστη αντιμετώπιση της σεισμικής διακινδύνευσης δεξαμενών αποθήκευσης υδρογονανθράκων

Abstract

Large-scale storage tanks are used worldwide for the safe storing of various liquids. Rectangular and cylindrical, concrete or steel, storage tanks are constructed for storing water, hazardous chemicals, liquefied natural gas (LNG) and oil. In general, there is a variety of tank types regarding the liquid content, the shape and their position (i.e., underground, above-ground, elevated). On the other hand, many such tanks have been constructed in areas with high seismicity. Several seismic events have shown that potential damages of these critical infrastructures can cause leakages, explosions and fires. In order to avoid serious environmental and socio-economic consequences, the optimum aseismic design of liquid storage tanks is of paramount importance. In addition, it should be noted that liquid storage tanks, due to their important role in serving basic needs, should remain functional even after a severe earthquake.Cylindrical steel tanks are widely used for storing oil and LNG. During an earthquake, liquid storage tanks exhibit different seismic behavior compared to ordinary structures (i.e., buildings) due to dynamic liquid-tank-soil interaction phenomena. More specifically, liquid storage tanks are subjected to inertial earthquake loads and hydrodynamic pressures. The main damages of liquid storage tanks are related to buckling phenomena of tank walls, typically in the form of "elephant-foot" and "diamond-shape" buckling types, while roof damages can be caused due to sloshing. In addition, kinematic type distress (i.e., liquefaction phenomena in coastal areas) can also cause problems to liquid storage tanks and related industrial facilities. Several norms have been proposed for the aseismic design of liquid storage tanks (such as Eurocode 8 in Europe, IITK-GSDMA in India, API-650 in USA, among others). The basic aim of these codes -in the contemporary framework of performance-based design- is the avoidance of severe damages even for extreme seismic events, due to the adverse on the population and the environment. Simple measures for the seismic protection of liquid storage tanks include increased tank wall thickness and stiffening rings for the avoidance of buckling phenomena. In addition, base-isolation schemes are implemented, in which isolators are installed between the base of the superstructure and the foundation. Generally, the foundation type of storage tanks depends on various parameters (e.g., soil characteristics, topography, tank construction type, use of anchors, etc.). In any case, ground deformations should be limited. Many researchers have studied the seismic response of liquid storage tanks, investigating the hydrodynamic tank-liquid interaction. The majority of these studies have considered the structure fixed at its base, which is not always a realistic representation. In general, the realistic and reliable assessment of seismic vulnerability and the minimization of seismic risk of such critical facilities consists an important and continuously developing research field. Consequently, in this doctoral thesis -based on an extended literature review- soil-tank-liquid interaction phenomena have been elaborately examined, via efficient numerical tools and finite element models. In this way, the dynamic response and seismic vulnerability of large-scale tanks have been assessed. Moreover, efficient seismic protection measures, based on seismic isolation and supplemental damping, have been proposed utilizing advanced optimization methods. Conclusively, the seismic vulnerability and the minimization of seismic risk of liquid storage tanks consist the main contributions of the present doctoral dissertation.More specifically, the seismic vulnerability of liquid storage tanks isolated by various types of friction isolators has been studied in terms of isolators maximum displacement capacity. The tanks are base-isolated via Single Friction Pendulum Bearings (SFPB), Triple Friction Pendulum Bearings (TFPB), as well as Quintuple Friction Pendulum Bearings (QFPB). In addition, the impact of global damping on the seismic vulnerability of base-isolated storage tanks has been examined. More specifically, the “damping leakage” phenomenon has been extensively investigated in liquid storage tanks isolated by SFPB or TFPB. According to relevant studies, if global damping is not simulated in an appropriate manner, then “damping leakage” can significantly affect the results. Another goal of this doctoral research is the systematic investigation of the dynamic interaction soil-tank. It is a very complex phenomenon that needs extra attention in any problem in structural dynamics, especially for critical infrastructure such as liquid storage tanks. Accordingly, various parameters were examined, such as the friction coefficient at the interface between tank base and foundation, the tank slenderness ratio, the liquid filling percentage, etc. The current study has also been focused on the seismic vulnerability assessment of base-isolated storage tanks with supplemental viscous dampers. More specifically, a storage tank with SFPB devices and supplemental linear viscous dampers has been used to investigate the impact of additional damping percentage on the vulnerability of the isolators, the superstructure accelerations and damper hysteretic curves.In addition, a significant part of this doctoral research has been devoted in establishing novel optimum design formulations of base-isolated storage tanks. The first approach examined the isolators optimization of base-isolated tanks using standard, enhanced and hybrid evolutionary optimization algorithms. The second methodology constitutes a combined approach aiming to concurrently optimize both isolators sizing parameters and placement utilizing Cuckoo Search (CS) optimization algorithm. Lastly, an efficient multi-objective optimization formulation is proposed for base-isolated liquid storage tanks with supplemental viscous dampers.

Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται προοδευτική αύξηση της χρήσης δεξαμενών μεγάλης κλίμακας για την αποθήκευση διαφόρων υγρών. Μεγάλες δεξαμενές ορθογωνικής και κυλινδρικής διατομής από σκυρόδεμα ή χάλυβα κατασκευάζονται για την αποθήκευση νερού, χημικών και καυσίμων. Γενικά, υπάρχει μεγάλη ποικιλία στους τύπους των δεξαμενών ανάλογα με το περιεχόμενο, το υλικό κατασκευής τους, το σχήμα, το στατικό τους σύστημα και τη θέση τους σε σχέση με το έδαφος (υπόγειες, επίγειες, υπερυψωμένες). Από την άλλη πλευρά, αρκετές από αυτές τις δεξαμενές κατασκευάζονται σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από υψηλή σεισμικότητα, όπως για παράδειγμα οι δεξαμενές υγροποιημένου φυσικού αερίου στη Ρεβυθούσα. Διάφορα καταγεγραμμένα περιστατικά από σεισμούς σε διάφορες χώρες αποδεικνύουν ότι η αστοχία τέτοιων σημαντικών έργων υποδομής μπορεί να προκαλέσει διαρροές, εκρήξεις, πυρκαγιές, κ.α. Για την αποφυγή σοβαρών περιβαλλοντικών και οικονομικών επιπτώσεων, είναι αναγκαίος ο βέλτιστος αντισεισμικός σχεδιασμός τους, αφού η εύρυθμη λειτουργία τους είναι κεφαλαιώδους σημασίας για την κοινωνία, την οικονομία και το περιβάλλον. Επίσης, πρέπει να τονισθεί ότι αυτές οι μεγάλες δεξαμενές, λόγω του σημαντικού ρόλου που έχουν στην εξυπηρέτηση βασικών αναγκών, είναι απαραίτητο να παραμένουν λειτουργικές ακόμα και μετά από έναν ισχυρό σεισμό.Οι κυλινδρικές μεταλλικές δεξαμενές χρησιμοποιούνται ευρέως για την αποθήκευση πετρελαίου και υγροποιημένου φυσικού αέριου. Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού, οι δεξαμενές παρουσιάζουν μια διαφορετική συμπεριφορά σε σχέση με τις συμβατικές (π.χ., κτιριακές) κατασκευές, εξαιτίας της δομής τους, της δυναμικής αλληλεπίδρασης με το υγρό περιεχόμενο τους, αλλά και τον τρόπο θεμελίωσης τους. Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού οι δεξαμενές υπόκεινται σε αδρανειακά σεισμικά φορτία και υδροδυναμικές πιέσεις. Φαινόμενα λυγισμού των τοιχωμάτων (τύπου "elephant-foot" και "diamond-shape"), καθώς και αστοχία της οροφής λόγω φαινομένων κυματισμού (sloshing), αποτελούν τις πιο διαδεδομένες μορφές αστοχίας τους. Επίσης, κινηματικού τύπου καταπονήσεις (π.χ., εξαιτίας ρευστοποίησης σε παράκτιες θέσεις) μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα τόσο σε δεξαμενές όσο και άλλες παρακείμενες εγκαταστάσεις συμπίεσης, υγροποίησης, κ.α. Τα τελευταία χρόνια έχουν διατυπωθεί διάφοροι κανονισμοί για τον αντισεισμικό σχεδιασμό δεξαμενών αποθήκευσης υγρών (όπως είναι για παράδειγμα ο Eurocode 8 στην Ευρώπη, ο IITK-GSDMA στην Ινδία, ο API-650 στις ΗΠΑ, κ.α.). Ο βασικός στόχος των εν λόγω κανονισμών -υπό το πρίσμα του σύγχρονου αντισεισμικού σχεδιασμού με βάση την επιτελεστικότητα ενός έργου για διάφορα σεισμικά σενάρια- είναι η αποφυγή ακραίων καταστάσεων αστοχιών. Αυτό ισχύει ακόμα και για σπάνια σεισμικά γεγονότα εξαιτίας των πολύ δυσμενών συνεπειών που θα προκληθούν στον ανθρώπινο πληθυσμό και στο περιβάλλον από την αστοχία τέτοιων τεχνικών έργων υποδομής τόσο μεγάλης σπουδαιότητας και επικινδυνότητας. Στο πλαίσιο των μέτρων αντιμετώπισης των σεισμικών γεωκινδύνων στις δεξαμενές πολλές φορές χρησιμοποιούνται διάφορα σχετικά απλά μέτρα για την αποφυγή φαινομένων λυγισμού (αύξηση του πάχους, περιμετρικοί δακτύλιοι δυσκαμψίας, κ.α.), αλλά και συστήματα σεισμικής μόνωσης μεταξύ της ανωδομής και της θεμελίωσης. Γενικά, ο τύπος της θεμελίωσης (επιφανειακή ή βαθιά με πασσάλους) μίας δεξαμενής εξαρτάται από πολλές παραμέτρους (τα χαρακτηριστικά του υπεδάφους, τα φορτία, την τοπογραφία στη θέση κατασκευής της, τη χρήση αγκυρώσεων για υπερυψωμένες δεξαμενές, κ.α.). Σε κάθε περίπτωση οι καθιζήσεις (ολικές και διαφορικές) θα πρέπει να είναι περιορισμένες για να μη δημιουργήσουν προβλήματα στις δεξαμενές. Αρκετοί ερευνητές έχουν μελετήσει τη σεισμική συμπεριφορά δεξαμενών υγρών αποθήκευσης, διερευνώντας την υδροδυναμική αλληλεπίδραση ρευστού-κατασκευής θεωρώντας τις ως πακτωμένες στη βάση τους, το οποίο μπορεί να είναι μία πολύ απλουστευτική παραδοχή αφού δεν λαμβάνει υπόψη την επίδραση της δυναμικής αλληλεπίδρασης με το έδαφος. Εν γένει, η ρεαλιστική και αξιόπιστη αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας και η βέλτιστη αντιμετώπιση της σεισμικής διακινδύνευσης τέτοιων κρίσιμων τεχνικών έργων αποτελεί επίκαιρο, αλλά και στρατηγικής σημασίας ζήτημα επιστημονικού και πρακτικού ενδιαφέροντος. Για τον λόγο αυτόν, η ερευνητική προσπάθεια σε αυτό το πεδίο βρίσκεται σε συνεχή εξέλιξη. Στην παρούσα διδακτορική έρευνα -μετά από μια εκτενή βιβλιογραφική διερεύνηση για την καλύτερη κατανόηση του προβλήματος- αναπτύχθηκαν αποτελεσματικά υπολογιστικά εργαλεία για τη ρεαλιστική προσομοίωση της δυναμικής αλληλεπίδρασης ρευστού-κατασκευής-θεμελίωσης. Μέσω κατάλληλων αριθμητικών προσομοιωμάτων πεπερασμένων στοιχείων εξετάστηκε ενδελεχώς η δυναμική απόκριση και τρωτότητα των δεξαμενών έναντι του σεισμικού κινδύνου. Επιπροσθέτως, αξιολογήθηκαν μέσω προηγμένων μεθοδολογιών βελτιστοποίησης πιθανά μέτρα για τη μέγιστη δυνατή μείωση της σεισμικής διακινδύνευσης τους. Τα προαναφερθέντα αποτέλεσαν τους βασικούς επιστημονικούς στόχους και επιτεύγματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής.Πιο αναλυτικά, μελετήθηκε η σεισμική τρωτότητα δεξαμενών για διάφορους τύπους εφεδράνων εκκρεμούς-τριβής, με κριτήριο υπέρβασης τη μέγιστη ικανότητα μετακίνησης των διατάξεων αυτών. Συγκεκριμένα, οι δεξαμενές ήταν σεισμικά μονωμένες με εφέδρανα μονής (Single Friction Pendulum Bearing – SFPB), τριπλής (Triple Friction Pendulum Bearing – TFPB), καθώς και πενταπλής (Quintuple Friction Pendulum Bearing – QFPB) καμπύλης επιφάνειας τριβής. Σε επόμενο στάδιο εξετάστηκε η επιρροή της καθολικής απόσβεσης στη σεισμική τρωτότητα δεξαμενών με σεισμική μόνωση. Ειδικότερα, σε δεξαμενές με εφέδρανα SFPB και TFPB διερευνήθηκε εκτενώς το φαινόμενο της «διαρροής απόσβεσης». Όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία, εάν δεν καθοριστεί με κατάλληλο τρόπο η καθολική απόσβεση, τότε η «διαρροή απόσβεσης» μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τα αποτελέσματα.Η δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους-δεξαμενής αποτελεί ένα ακόμα αντικείμενο μελέτης της παρούσας διατριβής. Αποτελεί ένα σύνθετο φαινόμενο που χρήζει ιδιαίτερης μελέτης σε κάθε πρόβλημα της σεισμικής μηχανικής, πόσο μάλλον σε σημαντικές υποδομές όπως είναι οι δεξαμενές αποθήκευσης υγρών. Στη σχετική διερεύνηση εξετάστηκαν αρκετές παραμέτρους, όπως ο συντελεστής τριβής στη διεπιφάνεια της βάσης της δεξαμενής και του εδάφους, ο λόγος λυγηρότητας, το ποσοστό πλήρωσης του υγρού περιεχομένου, κ.α. Επόμενος στόχος της ερευνητικής προσπάθειας ήταν η βελτίωση της απόκρισης δεξαμενών με συστήματα σεισμικής μόνωσης και πρόσθετους ιξώδεις αποσβεστήρες. Πιο αναλυτικά, σε δεξαμενή με εφέδρανα τύπου SFPB και γραμμικούς ιξώδεις αποσβεστήρες εξετάστηκε η επιρροή του ποσοστού πρόσθετης απόσβεσης στη σεισμική τρωτότητα του συστήματος σεισμικής μόνωσης, στις επιταχύνσεις στην ανωδομή, καθώς και στους βρόγχους υστέρησης των αποσβεστήρων.Ακολούθως, ένα μεγάλο τμήμα της διδακτορικής έρευνας επικεντρώνεται στη διατύπωση και εφαρμογή πρωτότυπων μεθοδολογιών βέλτιστου σχεδιασμού δεξαμενών αποθήκευσης υγρών με σεισμική μόνωση. Η πρώτη προσέγγιση εξέτασε τη βελτιστοποίηση των εφεδράνων σεισμικής μόνωσης σε δεξαμενές χρησιμοποιώντας τυπικούς, βελτιωμένους και υβριδικούς εξελικτικούς αλγόριθμους. Στη δεύτερη προσέγγιση διερευνάται η συνδυαστική βελτιστοποίηση βασικών παραμέτρων και χωροθέτησης των εφεδράνων, με εφαρμογή της μεθόδου αναζήτησης κούκων (Cuckoo Search – CS). Τέλος, η τρίτη εστιάζεται στην πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση δεξαμενών με σεισμική μόνωση και πρόσθετους γραμμικούς ιξώδεις αποσβεστήρες.