Seismic analysis and strengthening of cylindrical steel storage water tanks

Abstract

Silindirik çelik sıvı tankları su, petrol ve endüstriyel kimyasallar gibi çeşitli sıvıları depolamak amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Sıvı depolama tankları birçok farklı konfigürasyona sahiptirler; ancak bu çalışmada, tasarım ve konstrüksiyondaki sadelikleri ve diğer konfigürasyonlarla karşılaştırıldığında hidrostatik ve hidrodinamik yüklere karşı dayanımlarından dolayı, yerden destekli silindirik sıvı çelik tanklar tercih edilmektedir. Bu tez, yerden destekli silindirik (dikey) çelik su depolama tanklarının sismik tasarımına odaklanmaktadır. Üç boyutlu sonlu elemanlar analizi için, ANSIS Workbench yazılımı ile üstü-açık, düz-kapalı, konik-kapalı ve üstü-kubbe şeklinde kapatılmış tank modelleri tasarlanmıştır. Sismik analiz, El-Centro ve Kobe deprem yükleri altında dört farklı kapak şekline sahip, üç farklı duvar kalınlığındaki tanklar ile gerçekleştirilerek, eksenel deformasyon, eşdeğer gerilme ve burkulma sonuçları sırasıyla hem impulsif hem de konvektif kütleler için sunulmuştur. Sonuçlar, eksenel deformasyonun, konik ve kubbeli tanklarda ciddi şekilde azaldığını göstermektedir. Öte yandan, düz kapatılmış tankların hiçbir avantajının olmadığı görülmüştür. Duvar kalınlığı arttırıldığında, düz kapalı tanklarda eksenel deformasyonun azalmadığı ve düz çatı üzerinde bu deformasyon ve burkulmanın meydana geldiği gözlemlenmiştir.Bu tezin önemli amaçlarından biri de, silindirik çelik sıvı depolama tanklarının güçlendirilmesidir. Gerilmeleri ve burkulmaları azaltmak için tanklara epoksi-karbon sarılmıştır. Sonlu elemanlar metodu kullanılarak epoksi-karbon ile sarılmış tanklarda eksenel deformasyonun azaldığı görülmüştür. 4 mm kalınlığındaki bir tankın 6 mm kalınlığındaki korunmamış bir tanktan daha iyi bir performansa sahip olabileceği vurgulanarak, epoksi-karbon tankların güçlendirilmesi için öneriler getirilmiştir.Son olarak, kısa deprem yükü altında gerçekleştirilen etki analizi ile, tank duvarlarında meydana gelen plastik deformasyonları görebilmek için 0,22 saniyelik El-Centro deprem kaydı, deplasman kaydı olarak kullanılmıştır. Bu analiz sonucunda depremlerde meydana gelmiş burkulma şekillerine benzer sonuçlar ortaya çıkarılmıştır.

Cylindrical steel storage tanks are widely used for the storage of various liquids, industrial chemicals and firefighting waters. Liquid-storage tanks have many different configurations; however, in this study, cylindrical ground-supported liquid steel tanks are preferred due to their simplicity in design and construction as well as their efficiency in resisting hydrostatic and hydrodynamic applied loads, when compared with other configurations. This thesis focuses on the seismic design ground supported cylindrical (vertical) steel liquid storage tanks. Dimensions of cylindrical open-top, flat-closed, conical-closed and torispherical-closed-top tanks were determined for 3D-finite element method (FEM) models in an ANSYS Workbench software. The seismic analyses were conducted under the El-Centro and Kobe earthquake loads at different shell thickness and roof types of cylindrical steel tanks. Directional deformation, Equivalent stress, and buckling results presented for both impulsive and convective masses respectively. The results show that the directional deformation tanks is seriously reduced in conical and torispherical closed. On the other hand, it is observed that there is no advantage of flat-closing tanks. When shell thickness is increased, it is observed that directional deformation does not decrease in flat-closed tanks and that directional deformation and buckling occur on the flatly roof.One purpose of this thesis is to strengthen of the cylindrical steel liquid tanks. The tanks were covered with epoxy-carbon composite material. In this study, the directional deformation was observed to reduce in the epoxy-carbon wrapped tanks using the finite element method. Suggestions have been made to strengthen epoxy-carbon tanks, emphasizing that a 4 mm thickness tank may have better performance than an unprotected 6mm thickness tank.Finally, El-Centro earthquake recording was used as a displacement value for 0.22 seconds in order to be able to see the plastic deformations that took place in the tank walls with the effect analysis carried out under short earthquake load. As a result of this analysis, results similar to those of buckling that occurred in the earthquakes were revealed.