title: Αριθμητική διερεύνηση της επίδρασης της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους-ανωδομής στη σεισμική απόκριση δεξαμενών αποθήκευσης υγροποιημένου φυσικού αερίου
title: Numerical study of the dynamic soil-structure interaction impact on the seismic response of liquefied natural gas storage tanks
Creators: name: Κατσιρακης Εμμανουηλ
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: Στις μέρες μας, οι υδρογονάνθρακες αποτελούν την κυριότερη πηγή ενέργειας στον πλανήτη. Ειδικά το φυσικό αέριο (ΦΑ) λαμβάνει ολοένα και περισσότερο πρωταγωνιστικό ρόλο. Εξαιτίας των αυξανόμενων απαιτήσεων σε ΦΑ δημιουργείται και η ανάγκη για την ασφαλή αποθήκευσή του σε υγροποιημένη μορφή (υγροποιημένο φυσικό αέριο (ΥΦΑ)), η οποία γίνεται κυρίως σε μεγάλες δεξαμενές αποθήκευσης, συνήθως μεταλλικές και κυλινδρικού σχήματος. Σε σεισμογενείς χώρες, όπως η Ελλάδα, το κυριότερο πρόβλημα που έχουν να αντιμετωπίσουν οι μηχανικοί στον σχεδιασμό τέτοιων σημαντικών έργων μεγάλης σπουδαιότητας είναι ο σεισμικός κίνδυνος, δεδομένων και των δυσμενέστατων συνεπειών από μία ενδεχόμενη αστοχία. Ωστόσο, ο αντισεισμικός σχεδιασμός τέτοιων έργων δεν είναι καθόλου απλός, εξαιτίας του σύνθετου φαινομένου της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους-ύγρου-ανωδομής που συμβαίνει κατά τη διάρκεια ενός ισχυρού σεισμικού γεγονότος.
Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε η δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους-ανωδομής κυλινδρικής δεξαμενής αποθήκευσης ΥΦΑ, όταν αυτή υποβάλλεται σε σεισμική διέγερση στη βάση της. Για την αριθμητική διερεύνηση του προβλήματος δημιουργήθηκαν κατάλληλα προσομοίωματα πεπερασμένων στοιχείων. Αρχικά, έγινε προσομοίωση της δυναμικής απόκρισης της δεξαμενής όταν αυτή είναι πακτωμένη, δηλαδή όταν είναι θεμελιωμένη σε βράχο. Στη συνέχεια, έγινε μία απλουστευτική προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής και η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε τόσο για χαλαρό όσο και ασυμπίεστο υπέδαφος. Σε όλες τις περιπτώσεις, μελετήθηκαν οι μετακινήσεις, οι επιταχύνσεις, καθώς και οι παραμορφώσεις που εμφανίζονται στη δεξαμενή για διάφορες διεγέρσεις, οι οποίες είχαν επιλεγεί ανάλογα με το υπέδαφος. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση για διαφορετικές παραμέτρους που αφορούν το υγρό περιεχόμενο της δεξαμενής (γεμάτη και άδεια δεξαμενή), καθώς και τις εδαφικές επιταχύνσεις σχεδιασμού (0.24g και 0.36g). 
Η δομή της εργασίας διακρίνεται σε επτά κεφάλαια. Αρχικά, στο 1ο κεφάλαιο παρατίθενται κάποια γενικά στοιχεία για τους υδρογονάνθρακες και πιο αναλυτικά για το ΥΦΑ που αποτελεί και το αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας. Στη συνέχεια, στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής περιγραφή των διαφόρων ειδών δεξαμενών αποθήκευσης, καθώς και των υλικών και των τρόπων θεμελίωσης που χρησιμοποιούνται για την ανέγερσή τους. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην περιγραφή πιθανών μορφών σεισμικών αστοχιών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθενται κάποια γενικά στοιχεία για τον σεισμικό κίνδυνο, καθώς και οι σχετικές διατάξεις διεθνών κανονισμών (EC8, ΕΑΚ2000, Ινδικός κανονισμός) που αφορούν τις δεξαμενές αποθήκευσης υγρών. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφονται οι δράσεις σχεδιασμού για τις δεξαμενές αποθήκευσης υγρών και παρατίθενται όλες οι αναλυτικές σχέσεις του EC8 που αφορούν τον υπολογισμό διαφόρων παραμέτρων. Ακολούθως, στο 5ο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των κυριότερων μεθοδολογιών προσομοίωσης των δεξαμενών ΥΦΑ. Στο 6ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η παραμετρική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε και τα αποτελέσματά της μαζί με τον σχολιασμό τους. Τέλος, στο 7ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν για τη σεισμική συμπεριφορά των δεξαμενών ΥΦΑ, καθώς και προτάσεις για επέκταση της έρευνας επί του θέματος.

description: Nowadays, hydrocarbons are the main energy source. Especially natural gas is increasingly taking a leading role energy market. Because of the increasing demand of natural gas, there is an increasing need for its secure storage in liquid form (Liquefied natural gas (LNG)), which is usually stored in large-scale cylindrical steel tanks. In seismic prone countries, such as Greece, when designing such high importance infrastructure the potential seismic risk has to be considered, given the adverse consequences of a failure. However, the earthquake-resistant design of such projects is a difficult task, due to the complex phenomenon of dynamic soil-liquid-tank interaction that occurs during a severe seismic event.

In this diploma thesis the dynamic response, including soil-structure interaction, of typical LNG storage tanks was studied. Numerical investigation of the problem has been based on efficient finite element simulations. Initially, the dynamic response of the tank was simulating with fixed base conditions, when it is constructed on rock. Then, a simplified simulation of the soil-tank interaction was performed and the parametric investigation was carried out for different soil types. In all cases the developed displacements, accelerations, stresses and deformations occurring in the examined tank were studied for various excitations, which were suitably selected according to soil conditions. In addition, an additional investigation was conducted for different parameters concerning the liquid content of the tank (filled and empty tank) as well as spectral design accelerations levels (0.24g and 0.36g).

The thesis is divided into seven chapters. First chapter presents some general information regarding hydrocarbons and especially LNG, which is the subject of this study. Then, the second chapter presents an extensive description of the different types of storage tanks, as well as the materials and the foundation types used for their construction. In addition, emphasis is given on the description of possible forms of seismic failures occurred in past earthquakes. Third chapter presents some general information with respect to seismic hazard and international seismic norms (EC8, Greek, Indian standards) concerning seismic design of liquid storage tanks. Fourth chapter describes the design methodology for liquid storage tanks and lists EC8 expressions for the calculation of various parameters. Fifth chapter presents a brief overview of the main simulation methodologies of the dynamic response of LNG tanks. Sixth chapter presents the performed parametric investigation as well as a detailed discussion of the obtained results. Finally, last chapter provides the indicative conclusions regarding the seismic behavior of LNG tanks and proposes suggestions for further studies on this important subject.