Nonlinear fluid-structure interaction for multi-dimensional seismic analyses of liquid storage tanks

Abstract

Sıvı ihtiva eden tankların doğrusal elastic olmayan davranışları, tank malzemesinin akması, sıvı serbest yüzeyinin büyük genlikli çalkalanması, doğrusal elastic olmayan yapı-sıvı etkileşimi, tank tabanının ve cidarının büyük genlikli şekil değiştirmesi ve tank-zemin etkileşiminden kaynaklanan pek çok karmaşık davranış mekanizmasını birlikte içerir. Tankların depremler esnasındaki gerçek performanslarının tam olarak belirlenmesi için tankların analizlerinde kullanılacak methodun bahsedilen bütün bu nonlineer etkileri dikkate alması gerekir.Bu tezde, tankın doğrusal elastik olmayan geometrik ve malzeme davranışlarını ve içerikteki sıvının serbest yüzeyinin lineer olmayan çalkalanmasını dikkate alan sonlu elemanlar methodunun sıvı-katı etkileşimi teknikleri kullanılarak gerçek yer hareketine maruz zemine oturan çelik silindrik sıvı ihtiva eden tankların gerçek davranışları incelenmektedir. Sismik tasarım şartnamelerinde sismik tehlike tasarım ivme spectrumu şeklinde tanımlandığı için analizlerde kullanılmak üzere depremler esnasında alınmış gerçek kayıtlar seçilmiş ve seçilen bu kayıtlar zaman tanım alanında spectrum uyumlu kayıt elde etme yöntemleri kullanılarak Türkiye Deprem Yönetmeliği (DBYBHY, 2007) tasarım ivme spektrumuna uygun olacak şekilde işleme tabi tutulmuştur. Depremin iki yatay bileşenine ilave olarak düşey bileşen de dikkate alınarak, tank modeli üç boyutlu deprem hareketi altında çözülerek düşey bileşenin tankların davranışı üzerindeki göreceli etkisi belirlenmiştir. Tanklar üzerinde yapılan çalışmaların temel sorusu olan tankın temele bağlanmasının tank üzerindeki deprem hasarlarını engelleyip engelleyemeyeceğini aydınlatmak için analizlerde, tanklar için zemine bağlanmış ve bağlanmamış olmak üzere iki değişik mesnet koşulu kullanılmıştır. Sismik tank tasarım yönetmeliklerinde sunulan değerlerle sonlu elemanlar yönteminden elde edilen sonuçların tutarlılığı değerlendirilmiş ve tank sismik tasarım yönetmeliklerinde verilen kriterler üzerine tavsiyeler sunulmuştur.

Real nonlinear behavior of liquid storage tanks includes many complexities which are caused by material yielding, large amplitude free-surface sloshing, non-linear fluid structure interaction, high deformations of tank base and shell, and soil-tank interaction. The algorithm to be employed for the seismic analyses of tanks should account for these nonlinearity effects for the accurate description of the performance of tanks during earthquakes.In this thesis, fluid-structure interaction algorithm of finite element method which can take into account the effects of geometric and material nonlinearities of the tank and nonlinear sloshing behavior of contained liquid is utilized to evaluate the actual behavior of steel cylindrical ground supported liquid storage tanks when subjected to realistic base motions. Since seismic design codes generally define ground shaking in the form of an acceleration response spectrum, earthquake ground motions is selected and processed using spectrum matching techniques in time domain to be compatible with the Turkish Seismic Design Code (2007) spectra. In addition to two horizontal components of ground motion, the vertical component is also taken into account in order to determine relative importance of vertical ground motion on the behavior of tanks. In order to clarify the key question of tank problems whether anchoring would prevent earthquake damage to the tank, numerical analyses are carried out on the same tank model having two different support conditions: anchored and unanchored. The consistency of the provisions presented in current tank seismic design codes and finite element method analysis results are evaluated and recommendations on seismic tank design codes are presented.