Σεισμική τρωτότητα και βέλτιστη αντιμετώπιση της σεισμικής διακινδύνευσης δεξαμενών αποθήκευσης υδρογονανθράκων
Authors: Τσιπιανίτης Αλέξανδρος 
Published: June 2022

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.