Structural behavior of liquid storage steel containers under strong dynamic excitation
Authors: Βάθη Μαρία 
Published: September 2021

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.