Seismic performance assessment of industrial facility atmospheric liquid storage tanks

Abstract

Large-capacity atmospheric tanks are widely used to store a variety of liquid-form materials that are deemed necessary for the functionality of any modern community. The devastating consequences of earthquake damage on liquid storage tanks (e.g. Kocaeli 1999, Tohoku 2011) have revealed the vulnerability of such structural systems against strong ground motions, while at the same time have highlighted the need for innovative engineering concepts in order to mitigate the associated socioeconomic losses. Along these lines, the seismic performance of industrial-facility atmospheric liquid storage tanks is examined, in view of providing an easy-to-implement assessment tool that offers reliable results within a reasonable timeframe with respect to structural analysis and the associated post-processing.Following the concepts of performance-based earthquake engineering, a three-dimensional reduced-order (i.e. surrogate) model is formed to obtain the distribution of the various engineering demand parameters of interest under earthquake loading. Liberated from the need for structure-specific calibration using detailed finite element models, the proposed model is able to represent both anchored and unanchored liquid storage tanks, using ground motion components at multiple principal loading directions simultaneously. Exploiting the virtues of the model in our disposal allows to summarise a considerable volume of analysis results in the form of the fragility curves and perform the subsequent integration with the site hazard of interest to derive the associated mean annual frequency of exceeding certain failure mode thresholds. In view of a comprehensive seismic risk assessment estimation, both component and system-level damage states are employed. Commonly observed modes of failure such as base plate plastic rotation, elephant’s foot buckling, sloshing-wave-induced damage and anchorage failure, are used to form the component-level damage classification. Special attention is paid to the elephant’s foot buckling failure mode, as the underlying criterion to signal failure is time and seismic intensity dependent. The aforementioned failure modes are appropriately combined to form the system-level damage classification and thus obtain information for a group of tanks rather than a structural system alone. Several scalar and vector seismic intensity measures are also examined in order to come up with a solution that on one hand minimises the required number of records to achieve numerical fidelity, and on the other renders structural response independent of ground motion characteristics. The geometric mean of spectral accelerations in the range of 0.1s and 4.5 times the fundamental period of vibration is proposed as a potentially optimal solution to perform the seismic risk assessment estimation. The latter is employed to perform a seismic vulnerability assessment on an indicative tank farm layout, whereby suitable damage indices are defined to estimate the expected loss of stored material and storage capacity following a strong ground motion.

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.