Endüstriyel tesislerdeki depolama tanklarının deprem risk analizleri
Seismic risk analysis of storage tanks in industrial facilities
Yazar: SEZER ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. ALİ SARI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: LPG tankları = LPG tanks ; Silindirik sıvı tankı = Cylindrical liquid tank ; Sismik risk = Seismic risk assesment ; Sismik risk değerlendirmesi = Seismic risk assesment ; Yakıt tankları = Fuel tanks

Özet:
Sıvı depolama tankları petrol, kimya, tarım vb. gibi birçok farklı endüstride yaygın olarak kullanılan yapılardandır. Özellikle yanıcı ve patlayıcı maddelerin depolanması ile herhangi bir tetikleyici durumda tehlikeli kazalar meydana gelebilir. Bunun olayların insanlar, tesis, çevre ve ekonomi üzerinde büyük olumsuz etkileri olabilmektedir. Deprem bu olayların ortaya çıkmasındaki büyük etkenlerden biridir ve geçmiş yıllarda meydana gelen depremlerin ardından ortaya çıkan yangın ve patlama gibi olayların çokça örneği bulunmaktadır. Bunun sonucunda endüstriyel tesislerde ve ülke ekonomisinde önemli hasarlar oluşmaktadır. Bu tez çalışmasında endüstriyel tesislerde yaygınca kullanılan farklı tür ve geometrideki depolama tanklarının depremlere karşı risk analizi yapılmış ve sismik kırılganlıkları değerlendirilmiştir. 
Çalışma kapsamında depolama tankları üç farklı geometri göz önüne alınarak değerlendirilmiştir. Düşey silindirik depolama tankları, küresel depolama tankları ve yatay silindirik depolama tankları çalışma kapsamında incelenen tank türleridir. Her bir tank türüyle ilgili detaylı gözlemlere dayalı veri araştırması yapılmıştır. Düşey silindirik depolama tankları ile ilgili 30'un üzerinde depremden toplamda 4500'ün üzerinde hasar verisi elde edilmiştir. Düşey silindirik tanklarda duvarın elmas veya fil ayağı şeklinde burkulması, sıvı çalkalanması sebebiyle duvar üst katmanının ve çatısının burkulması, sıvı taşması veya sızması, boru göçmesi, ankraj göçmesi, zeminden yukarı kalkma gibi hasar modları en çok karşılaşılan hasarlardandır. Bu hasar verileri önceden tanımlanmış olan hasar sınıfı tanımlarına ve şiddetlerine göre gruplara ayrılmıştır. Hasarsız durumdan tamamen göçme durumuna doğru yükselen bir hasar sınıflandırması yapılmış ve her bir hasar verisi ilgili hasar sınıfına atanmıştır. Gözlemlere dayalı silindirik depolama tankı verileri, ayrıca yürütülen sonlu eleman analizleri aracılığıyla genişletilmiş ve desteklenmiştir. Böylece düşey silindirik depolama tanklarının kırılganlık analizleri için gereken tüm veriler elde edilmiştir. Ardından sonlu eleman analiz sonuçlarının gözlemlere dayalı verilere eklenerek ve hariç tutularak farklı hasar durumları için kırılganlık eğrileri türetilmiştir. Kırılganlık eğrilerinin türetilmesinde literatürde yaygınca kullanılan istatistiksel yaklaşımlardan logit modeli, probit modeli, maksimum olabilirlik yöntemi ve kümülatif lognormal dağılım yaklaşımı kullanılmıştır. 
Küresel depolama tankları için de benzer süreç takip edilmiş olup gözlemlere dayalı veriler düşey silindirik tanklara göre daha sınırlı olarak elde edilmiştir. Bu tür tank yapılarında en çok karşılaşılan hasarlar, kolonların burkulması ve göçmesi, kolonlar arası çelik çapraz çubukların burkulması veya kopması, ankraj bulonlarının göçmesi şeklindedir. Depremlerden elde edilen verilerin yanında sonlu eleman analizleri yürütülmüş ve bulunan sonuçlar kırılganlık analizlerinde kullanılmıştır. Sonlu eleman analizleri öncesinde çalışmada kullanılacak deprem kayıtlarının seçimi üzerine detaylı bir çalışma yapılmış ve farklı özelliklerde 120 deprem ivme kaydı seçilmiştir. Küresel depolama tankları için altı farklı sonlu eleman modeli kurulmuştur ve toplamda 720 analiz yürütülmüştür. Analizlerde sıvı-yapı etkileşimi Bu modeller ile çapraz çubuk elemanların varlığı, sıvı seviyesi ve kolon sayısı gibi parametrelerin küresel depolama tanklarının deprem performansı ve kırılganlığı üzerindeki etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Kolon sayısı artırıldığında doğal olarak sismik performans artmakta ve kırılganlık azalmaktadır. Aynı şekilde sıvı seviyesi artırıldığında depremin tank üzerindeki etkisi yüksek olmaktadır. Ek olarak çapraz çubuk elemanların sisteme eklenmesiyle yine sismik hassasiyetin azaldığı yapılan çalışmalar aracılığıyla anlaşılmıştır. 
Tez çalışmasında ele alınan tank türlerinden sonuncusu ise yatay silindirik depolama tanklarıdır. Benzer şekilde bu tank türü ile ilgili geçmiş depremlerden derlenen gözlemlere dayalı hasar verileri listelenmiştir. Bunların yanında kurulan sonlu eleman modeli ile yapılan analizlerde tank ayaklarındaki ankraj bulonlarının performansı incelenmiştir. Yatay silindirik depolama tanklarında gözlemlere dayalı deprem hasar verilerinin sıklıkla ankrajlar ile ilgili olduğu tespit edilmiştir. Yapılan analiz ve hesaplamalarla ankraj çapının ve ankraj bulonu sayısının tank sismik kırılganlığına olan etkisi irdelenmiştir. Buna göre ankraj bulonu çapı ve sayısı arttıkça bulonlarda oluşan kuvvetler düşmektedir ve tank sismik kırılganlığının azaldığı görülmüştür. 
Ülkemizde 2023'te meydana gelen Kahramanmaraş depremlerinin ardından araştırma ekibi tarafından yürütülen saha incelemeleri kapsamında bazı endüstriyel tesislerde oluşan deprem hasarları da çalışma kapsamına dahil edilmiştir. Düşey silindirik sıvı yağ depolama tanklarında farklı türde hasarlar meydana gelmiştir ve bu hasarlar tez çalışmasında sayısal hesaplamalar yardımıyla sunulmuştur. Kurulan sonlu eleman modeli aracılığıyla bir depolama tankı duvarında deprem etkisiyle meydana gelen burkulma hasarı yakalanabilmiştir. Bu da yürütülen analizlerin gerçekçiliği ve doğrulanması bakımından önemli bir bulgudur.

Abstract:
Liquid storage tanks are structures widely utilized in various industries such as oil, chemistry, agriculture, and more. Particularly, the storage of flammable and explosive substances poses the risk of hazardous accidents in the event of any triggering circumstances. Such incidents can have significant adverse effects on people, facilities, the environment, and the economy. Earthquakes are major contributors to the occurrence of these events, and there are numerous examples of fires and explosions following earthquakes in the past. Consequently, industrial facilities and the national economy may sustain substantial damage.
This thesis conducts a risk analysis for different types and geometries of storage tanks commonly used in industrial facilities against earthquakes, evaluating their seismic vulnerabilities. Comprehensive seismic fragility curves have been derived by utilizing both tank damage data obtained from past earthquakes and data obtained through conducted finite element analyses.
Within the scope of the study, storage tanks were evaluated considering three different geometries: vertical cylindrical storage tanks, spherical storage tanks, and horizontal cylindrical storage tanks are the types of tanks investigated in the study. A data research based on detailed observations was conducted for each type of tank. For vertical cylindrical storage tanks, data from over 30 earthquakes, totaling over 4500 instances of damage, were obtained. Common damage modes in vertical cylindrical tanks include bulging of the wall in the form of diamond or elephant foot, buckling of the upper layer and roof due to liquid sloshing, liquid overflow or leakage, pipe failure, anchor displacement, and uplift from the ground. These damage data were categorized according to pre-defined damage class definitions and intensities. A damage classification, ranging from undamaged to complete collapse, was established, and each damage data point was assigned to the relevant damage state. Observation-based cylindrical storage tank data were further expanded and supported through finite element analyses conducted.
Thus, all the necessary data for the vulnerability analysis of vertical cylindrical storage tanks were obtained. Subsequently, fragility curves for different damage scenarios were derived by combining and excluding finite element analysis results with observation-based data. In the derivation of vulnerability curves, commonly employed statistical approaches in the literature, such as the logit model, probit model, maximum likelihood method, and cumulative lognormal distribution approach, were utilised. The seismic vulnerability curves obtained for vertical cylindrical storage tanks were individually compared with the vulnerability curves provided by HAZUS for both anchored and unanchored tanks. Since the dataset prepared in the thesis includes both anchored and unanchored tanks, the comparisons were conducted separately for each. It is possible to find numerous studies in the literature examining the seismic behavior, design for earthquake loads, and vulnerability analyses of vertical cylindrical storage tanks. However, studies on the vulnerabilities of spherical and horizontal cylindrical storage tanks to potential earthquakes are limited. Therefore, addressing these gaps in the literature is one of the objectives of this thesis.
A similar process was followed for spherical storage tanks, with observation-based data being more limited compared to vertical cylindrical tanks. The most prevalent damages in these types of tank structures include column buckling and displacement, buckling or fracture of steel bracings between columns, and anchor bolt failure. In addition to earthquake-derived data, finite element analyses were conducted, and the obtained results were utilized in vulnerability analyses. Prior to finite element analyses, a detailed study was conducted on the selection of earthquake records to be used in the study, and 120 earthquake acceleration records with different characteristics were selected. In the analyses, the plastic deformation amounts occurring in columns, braces and anchor bolts of spherical storage tanks have been classified according to relevant regulations, and damage severity has been categorized in an increasing manner. As damage to walls and liquid sloshing behavior in spherical storage tanks are not as prevalent as in vertical cylindrical storage tanks, the liquid volume in these analyses has been modeled using the Lagrangian approach, and ALE adaptive mesh settings have been employed to prevent excessive deformation of the liquid mesh.
Six different finite element models were developed for spherical storage tanks, and a total of 720 analyses were performed. The analyses aimed to investigate the effect of parameters such as the presence of bracing elements, liquid level, and the number of columns on the seismic performance and vulnerability of spherical storage tanks. Naturally, an increase in the number of columns enhances seismic performance and reduces vulnerability. Similarly, an increase in the liquid level results in a higher seismic impact on the tank. Furthermore, it was understood through conducted studies that the addition of diagonal steel elements to the system also leads to a decrease in seismic sensitivity.
The last type of tank considered in the thesis is horizontal cylindrical storage tanks. Similarly, observation-based damage data compiled from past earthquakes for this tank type have been listed. In addition to these, analyses conducted with the established finite element model focused on the performance of anchor bolts in tank legs. In horizontal cylindrical storage tanks, it was observed that earthquake damage data based on observations are frequently related to anchors. The analysis and calculations explored the impact of anchor diameter and the number of anchor bolts on the seismic vulnerability of the tank. Accordingly, it was observed that as the anchor bolt diameter and quantity increase, the forces generated in the bolts decrease, resulting in a reduction in the seismic vulnerability of the tank.
In the aftermath of the earthquakes that occurred in Kahramanmaraş in 2023 in our country, earthquake damages observed in some industrial facilities during field inspections conducted by the research team were also included in the scope of the study. Various types of damage occurred in vertical cylindrical liquid oil storage tanks, and these damages have been presented through numerical calculations in the thesis. Using the established finite element model, the buckling damage occurring in a storage tank wall due to the seismic effect could be captured. This finding is significant in terms of the realism and validation of the conducted analyses. In the analysis, xxix considering that sloshing behavior is more critical for vertical cylindrical storage tanks, the Coupled Eulerian Lagrangian approach has been adopted. In this method, the liquid volume is modeled as the Eulerian part, while the spherical tank components are modeled as Lagrangian. In the Lagrangian approach, as the material deforms, the mesh of the solid object also deforms with the material. However, the liquid material modeled as the Eulerian part can move within the fixed mesh as it deforms and sloshes under the influence of dynamic loads such as earthquakes. In this way, the advantages of both approaches are combined in one method. Although this approach extends the analysis run time, it allows for more realistic results for vertical cylindrical storage tanks.
Within the scope of the thesis, a comprehensive seismic risk analysis based on
probabilistic calculations has been conducted for storage tanks commonly used in
industrial facilities. Accordingly, it is believed that the vulnerability curves derived
from the analyses conducted for vertical cylindrical, spherical, and horizontal
cylindrical storage tanks will be valuable tools. The probability of experiencing
different damage scenarios for a specific peak ground acceleration value can be
reasonably estimated through these curves. Therefore, these are useful outputs that can
be taken into consideration in assessing the seismic performance of existing tanks and
in the design of new tanks.