بررسی رفتار کمانشی مخزن فولادی استوانه‌ای زمینی تحت اثر بارگذاری لرزه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی، مرکز آموزش عالی محلات، محلات، ایران.

2 استادیار، دانشکده مهندسی،مرکز آموزش عالی محلات، محلات، ایران.

چکیده

در این پژوهش، پاسخ لرزه­ای و کمانش دینامیکی مخزن فولادی استوانه‌ای زمینی ذخیره سیال، تحت اثر مجموعه‌ای از مؤلفه‌های افقی زلزله با استفاده از تحلیل دینامیکی افزایشی مطالعه شده است. یک مخزن ذخیره سیال عریض به قطر 30 متر و با نسبت ارتفاع به قطر 0.40 براساس استاندارد API 650 طراحی شده است. تحلیل‌های دینامیکی افزایشی برای هفت رکورد زلزله، که هر رکورد برای PGAهای مختلف از 0.05g تا 0.50g مقیاس شده، انجام شده است. برای صحت‌سنجی مدل‌سازی اجزای محدود سیستم مخزن- سیال، نتایج تحلیل اجزای محدود با نتایج تحلیلی و نتایج عددی موجود در ادبیات فنی، مقایسه شده است. مقادیر پریود مودهای ضربانی و نوسانی حاصل از تحلیل مودال، تطابق نزدیکی با نتایج تحلیلی و نتایج عددی دارد. با استفاده از مدل مکانیکی جرم و فنر مخزن، پاسخ لرزه‌ای مخزن شامل حداکثر برش پایه و حداکثر لنگر واژگونی تخمین زده شده و با نتایج تحلیل‌های دینامیکی مقایسه شده است. نتایج نشان داد که به ازای تحریک افقی با PGA کوچکتر مساوی 0.20g، متوسط حداکثر برش پایه و متوسط حداکثر لنگر واژگونی مخزن ناشی از تحلیل اجزای محدود بیشتر از نتایج مدل جرم و فنر و برعکس برای PGA بزرگتر مساوی 0.30g تا 0.50g، کمتر است. نتایج تحلیل‌های دینامیکی مخزن نشان داد که کمانش در پایین ارتفاع جداره (در ارتفاع 2.8 متر بالای کف مخزن) ایجاد شده است. همچنین با استفاده از معیار کمانش دینامیکی، متوسط حداکثر شتاب افقی زمین و متوسط نیروی برش پایه دینامیکی بحرانی که باعث وقوع کمانش پوسته مخزن شده، تخمین زده شده است. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Study of the Buckling Behavior of Aboveground Cylindrical Steel Tank under Seismic Loading

نویسندگان [English]

  • Mohammad Saiid Sobhan 1
  • Pedram Hosseini 2
1 Faculty of Engineering, Mahallat Institute of Higher Education, Mahallat.
2 Faculty of Engineering, Mahallat Institute of Higher Education, Mahallat.
چکیده [English]

In this study, the seismic response and buckling of aboveground cylindrical steel liquid storage tanks subjected to horizontal components of earthquake ground motions is investigated using incremental dynamic analyses (IDA). A broad steel tank with diameter of 30 m and height to diameter (H/D) ratio of 0.40 was designed using API 650 standard. The incremental dynamic analyses of liquid storage tank were performed for seven real seismic ground motions, which were scaled for PGAs of 0.05g to 0.50g. To verify the accuracy of the propose  finite element model of the tank-liquid system, natural periods of the tank-liquid system vibration modes computed from finite element analysis compared to those obtained by analytical solutions and other numerical study. Small difference between natural periods indicates the acceptance accuracy of the finite element model. The mean peak base shear and overturning moment of the steel tank are estimated using mass spring model and compared with those obtained by finite element model. The mean peak base shear and overturning moment from finite element model greater than those obtained by mass spring model for PGA less equal 0.20g and vice versa for PGA from 0.30g to 0.50g. The incremental dynamic analysis results show that buckling of tank shell occurred at a height of 2.8 m above the tank base. Also mean critical horizontal peak ground acceleration (critical PGA) and mean critical dynamic base shear force, which induces buckling at the bottom of the cylindrical shell, are estimated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Steel Tank
  • Incremental Dynamic Buckling
  • Fluid-Structure Interaction
  • Dynamic Buckling
  • Elephant Foot Buckling

مراجع

[1] Hamdan, F. H. (2000). “Seismic behaviour of cylindrical steel liquid storage tanks”, Journal of Constructional Steel Research, 53(3), 307-333.
[2] Alliance, A. L. (2001). “Seismic fragility formulations for water systems”, Washington, DC., FEMA and ASCE.
[3] Batikha, M., Chen, J.-F., & Rotter, J. M. (2018). “Fibre reinforced polymer for strengthening cylindrical metal shells against elephant’s foot buckling: An elasto-plastic analysis”, Advances in Structural Engineering, 21(16), 2483-2498.
[4] Niwa, A., & Clough, R. W. (1982). “Buckling of cylindrical liquid storage tanks under earthquake loading”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 10(1), 107-122.
[5] Steinbrugge, K. V. (1940). Earthquakes and Earthquake Engineering.
[6] Virella, J. C., Godoy, L. A., & Suárez, L. E. (2006). “Dynamic buckling of anchored steel tanks subjected to horizontal earthquake excitation”, Journal of Constructional Steel Research, 62(6), 521-531.
[7] Housner, G. W. (1957). “Dynamic pressures on accelerated fluid containers”, Bulletin of the Seismological Society of America, 47(1), 15-35.
[8] Housner, G. W. (1963). “The dynamic behavior of water tanks”, Bulletin of the Seismological Society of America, 53(2), 381-387.
[9] Veletsos, A. S. (1974). “Seismic effects in flexible liquid storage tanks”, Proceedings of the 5th world conference on earthquake engineering, 1, 630-639.
[10] Veletsos, A. S., & Auyang, J. (1977). “Earthquake response of liquid storage tanks”, Advances in Civil Engineering through Engineering Mechanics, 24.
[11] Haroun, M. A., & Housner, G. W. (1981). “Seismic design of liquid storage tanks”, Journal of the Technical Councils of ASCE, 107(1), 191-207.
[12] Haroun, M. A., & Housner, G. W. (1981). “Earthquake response of deformable liquid storage tanks”, Journal of Applied Mechanics, 48(2), 411-418.
[13] Yoshida, S. (2014), “Review of earthquake damages of aboveground storage tanks in japan and taiwan”, ASME 2014 Pressure Vessels and Piping Conference.
[14] El-Zeiny, A. A. (1995). “Nonlinear time-dependent seismic response of unanchored liquid storage tanks”, Ph.D. dissertation, Department of Civil and Environmental Engineering, University of California, Irvine.
[15] Virella, J. C., Godoy, L. A., & Suárez, L. E. (2006). “Fundamental modes of tank-liquid systems under horizontal motions”, Engineering Structures, 28(10), 1450-1461.
[16] Ozdemir, Z., Souli, M., & Fahjan, Y. M. (2010). “Application of nonlinear fluid–structure interaction methods to seismic analysis of anchored and unanchored tanks”, Engineering Structures, 32(2), 409-423.
[17] Djermane, M., Zaoui, D., Labbaci, B., & Hammadi, F. (2014). “Dynamic buckling of steel tanks under seismic excitation: Numerical evaluation of code provisions”, Engineering Structures, 70, 181-196.
[18] Kildashti, K., Mirzadeh, N., & Samali, B. (2018). “Seismic vulnerability assessment of a case study anchored liquid storage tank by considering fixed and flexible base restraints”, Thin-Walled Structures, 123, 382-394.
[19] Sharifi, M., Moezi, A., & Sobati, N. (2019). “The Seismic Fragility Curve of Atmospheric Steel Storage Tanks on a Pile”, Journal of Civil Infrastructure Researches, 5(1), 51-60.
[20] Hernandez-Hernandez, D., Larkin, T., & Chouw, N. (2021). “Shake table investigation of nonlinear soil–structure–fluid interaction of a thin-walled storage tank under earthquake load”, Thin-Walled Structures, 167, 108143.
[21] ABAQUS 6.10. (2010). Abaqus analysis user’s manual, Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI.
[22] American Petroleum Institute (API). (2013). Welded steel tanks for oil storage, API 650, 12th ed, Washington, DC.
[23] Vamvatsikos, D., & Cornell, C. A. (2002). “Incremental dynamic analysis”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 31(3), 491-514.
[24] Bozorgnia, Y., Abrahamson, N. A., Atik, L. Al, Ancheta, T. D., Atkinson, G. M., Baker, J. W., Chiou, B. S.-J. (2014). “NGA-West2 research project”, Earthquake Spectra, 30(3), 973-987.
[25] Budiansky, B., & Roth, R. S. (1962). “Axisymmetric dynamic buckling of clamped shallow spherical shells”, NASA Collected Papers on Stability of Shell Structures, TN-1510, 597-606.
[26] Maheri, M. R., & Abdollahi, A. (2013). “The effects of long term uniform corrosion on the buckling of ground based steel tanks under seismic loading”, Thin-Walled Structures, 62, 1-9.
[27] Buratti, N., & Tavano, M. (2014). “Dynamic buckling and seismic fragility of anchored steel tanks by the added mass method”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 43(1), 1-21.
ارسال نظر در مورد این مقاله
CAPTCHA Image

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار