Seismic performance assessment of industrial facility atmospheric liquid storage tanks
Authors: Μπακάλης Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Οι ατμοσφαιρικές δεξαμενές μεγάλης χωρητικότητας χρησιμοποιούνται ευρέως με σκοπό την αποθήκευση των διαφόρων υγρής μορφής υλικών που είναι απαραίτητα για την εύρυθμη λειτουργία κάθε σύγχρονης κοινωνίας. Οι καταστροφικές επιπτώσεις των σεισμικών βλαβών στις δεξαμενές στο παρελθόν (π.χ. Kocaeli 1999, Tohoku 2011) έχουν καταστήσει σαφή την τρωτότητα των εν λόγω δομικών συστημάτων, τονίζοντας παράλληλα την ανάγκη για καινοτόμες ιδέες στον τομέα της μηχανικής με σκοπό την ελαχιστοποίηση των κοινωνικών και οικονομικών απωλειών. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι ο προσδιορισμός της σεισμικής επιτελεστικότητας βιομηχανικών ατμοσφαιρικών δεξαμενών, στοχεύοντας στη δημιουργία ενός εύχρηστου εργαλείου αποτίμησης που προσφέρει αξιόπιστα αποτελέσματα σε ένα εύλογο χρονικό διάστημα, απαραίτητο για τη δομική ανάλυση και τη επακόλουθη επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Ακολουθώντας τις ιδέες που έχουν διατυπωθεί στο πλαίσιο της αντισεισμικής μηχανικής με βάση την επιτελεστικότητα, μορφώνεται ένα απλοποιημένο τρισδιάστατο αριθμητικό προσομοίωμα προκειμένου να καθοριστεί η κατανομή των διαφόρων μέτρων απόκρισης υπό σεισμική φόρτιση. Το προτεινόμενο μοντέλο δύναται να προσομοιώσει τόσο αγκυρωμένες όσο και ελεύθερα εδραζόμενες δεξαμενές, χρησιμοποιώντας χρονοϊστορίες σεισμού σε μια ή περισσότερες από τις κύριες διευθύνσεις φόρτισης ταυτόχρονα, χωρίς να απαιτείται διακρίβωση με λεπτομερή μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων. Αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα που παρέχει η εν λόγω αριθμητική προσομοίωση, δίνεται η δυνατότητα για τη δημιουργία ενός σημαντικού όγκου δεδομένων ανάλυσης, τα οποία με τη σειρά τους μπορούν μέσω στατιστικής επεξεργασίας να συνοψιστούν στις καμπύλες τρωτότητας, ή ακόμη να αξιοποιηθούν συνδυαστικά με την καμπύλη σεισμικής επικινδυνότητας προκειμένου να υπολογιστεί η μέση ετήσια συχνότητα υπέρβασης της οριακής κατάστασης μιας οποιασδήποτε αστοχίας. Για την πληρέστερη αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης των ατμοσφαιρικών δεξαμενών, χρησιμοποιούνται κατηγορίες σταθμών βλάβης που αναφέρονται τόσο σε αστοχίες που ενδέχεται να συμβούν τοπικά στην κατασκευή, όσο και σε αυτές που αναφέρονται στο επίπεδο ολόκληρου του συστήματος. Η κατηγοριοποίηση με βάση τις τοπικές βλάβες περιλαμβάνει τις συνήθεις αστοχίες που παρατηρούνται στις δεξαμενές σε περίπτωση σεισμού, όπως η πλαστική στροφή της βάσης της δεξαμενής, ο λυγισμός μορφής πόδα ελέφαντα στο τοίχωμα, οι βλάβες λόγω κυματισμού της ελεύθερης επιφάνειας του αποθηκευμένου υγρού και η αστοχία των αγκυρίων για τις αγκυρωμένες δεξαμενές. Ειδική μνεία γίνεται στην αστοχία λυγισμού μορφής πόδα ελέφαντα, καθώς το κριτήριο που καθορίζει τη συγκεκριμένη αστοχία είναι συνάρτηση τόσο του χρόνου όσο και του επιπέδου της σεισμικής έντασης. Οι παραπάνω μορφές αστοχίας συνδυάζονται κατάλληλα ώστε να προκύψει η κατηγοριοποίηση των βλαβών στο επίπεδο του συστήματος της δεξαμενής, η οποία δύναται να αξιοποιηθεί κατά την αξιολόγηση μιας ομάδας δεξαμενών, αντί ενός μεμονωμένου δομικού συστήματος. Επιπρόσθετα, εξετάζεται ένα πλήθος βαθμωτών και διανυσματικών μέτρων σεισμικής έντασης με σκοπό τον προσδιορισμό της βέλτιστης λύσης η οποία αφενός θα ελαχιστοποιεί το πλήθος των απαιτούμενων αναλύσεων και αφετέρου θα καθιστά την απόκρισης της κατασκευής ανεξάρτητη από τα διάφορα σεισμολογικά χαρακτηριστικά. Με βάσει αυτές τις κατευθύνσεις, ο γεωμετρικός μέσος των φασματικών επιταχύνσεων για περιόδους που βρίσκονται στο διάστημα μεταξύ 0.1s και 4.5 φορές τη θεμελιώδη περίοδο της κατασκευής προτείνεται ως ένα πιθανό βέλτιστο μέτρο σεισμικής έντασης. Το εν λόγω μέτρο αξιοποιείται στην αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας μιας ομάδας δεξαμενών, όπου μορφώνονται κατάλληλοι δείκτες βλάβης με σκοπό την εκτίμηση των αναμενόμενων απωλειών σε επίπεδο αποθηκευμένου υλικού και ικανότητας αποθήκευσης με το πέρας ενός ισχυρού σεισμού.