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Seismische Auslegung von Tankbauwerken = Seismic design of liquid storage tanks



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Julia Elisabeth Rosin

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XXII, 348 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-946090-06-9

ReiheSchriftenreihe des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik der RWTH Aachen ; 07 (2016)


Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-02-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-082950
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/672786/files/672786.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/672786/files/672786.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flüssigkeitstank (frei) ; Fluid-Struktur-Interaktionsmodell (frei) ; Basisisolierung (frei) ; Erdbeben (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird ein Fluid-Struktur-Interaktionsmodell entwickelt, um die nichtlinearen Interaktionseffekte des gekoppelten Tank-Flüssigkeitssystems infolge seismischer Belastung zu analysieren. Durch die integrale Modellierung ist mit einer transienten Analyse eine genauere Berechnung der seismischen Antwort der fluidgefüllten Tankstruktur möglich. Mit diesem Modell werden zunächst die bestehenden semi-analytischen Berechnungskonzepte hinsichtlich der Gültigkeit der ihnen zu Grunde liegenden Vereinfachungen untersucht und verbessert. Des Weiteren werden Vorschriften für die Überlagerung der verschiedenen hydrodynamischen Druckanteile der vereinfachten Verfahren für eine mehrdimensionale Erdbebenanregung entwickelt. Da die semi-analytischen Konzepte ausschließlich für eine starre Lagerung am Tankfuß gelten, bei der die seismische Anregung direkt am Tankboden angreift, ist eine Übertragung auf abweichende Auflagerungssituationen nicht möglich. Deswegen wird das Fluid-Struktur-Interaktionsmodell in einem zweiten Teil der Arbeit zur Analyse basisisolierter Tankbauwerke herangezogen. Aufbauend auf den Ergebnissen der FSI-Berechnungen wird ein vereinfachter, allgemeingültiger Berechnungsansatz zur Analyse seismisch isolierter Tanks entwickelt. Dieser Ansatz berücksichtigt die nichtlinearen Eigenschaften üblicher Basisisolationssysteme und kann somit die veränderten hydrodynamischen Kräfte auf die Tankschale bestimmen sowie die daraus resultierende Spannungsverteilung in der Tankschale.Im dritten Teil der Arbeit werden zwei numerische Konzepte für die Durchführung des Stabilitätsnachweises untersucht. Diese Konzepte auf der Grundlage statischer Analysen betrachten die globale Tankschale unter dem gesamten Lastkollektiv. Dadurch wird die kombinierte Belastung infolge seismischer Anregung implizit in der Nachweisführung erfasst und gegenseitige beullasterhöhende oder -vermindernde Interaktionen der verschiedenen gleichzeitig auftretenden Spannungskomponenten können sinnvoll berücksichtigt werden. Das eine Nachweiskonzept basiert auf einer vollständig nichtlinearen Analyse der imperfekten Tankschale. Hier werden konsistente geometrische Ersatzimperfektionen, die nach dem Konzept der quasi-kollapsaffinen Imperfektionen ermittelt werden, sowie eigenformaffine Ersatzimperfektionen hinsichtlich ihrer beullastmindernden Wirkung untersucht. Aufgrund der Berücksichtigung von materieller und geometrischer Nichtlinearität können maximale Ausnutzungsgrade der Tankschale erreicht werden. Das zweite Berechnungskonzept umfasst eine vereinfachte Nachweisführung, die bisher nicht für seismisch belastete Tankbauwerke herangezogen worden ist. Für kritische Detailpunkte in diesem Nachweiskonzept werden Anwendungsempfehlungen ausgearbeitet. Unterstützt werden die Analysen durch Berechnungen mit dem Fluid-Struktur-Interaktionsmodell. Als Ergebnis steht ein Konzept zur Führung der Stabilitätsnachweise für kombiniert beanspruchte Schalen bereit.

In the present work the nonlinear interaction effects of coupled tank liquid system subjected to seismic excitation are investigated. Therefore, a numerical model representing the fluid-structure interaction is developed and used in a transient analysis to enable a more accurate calculation of the seismic response of liquid filled tank structures. With this type of fluid-structure interaction analysis the existing semi-analytical calculation concepts are studied with regard to the validity of their underlying simplifications and improved. Furthermore, strategies are developed for the combination of the different hydrodynamic pressure components calculated with the simplified procedures for a multidimensional seismic excitation.Since the semi-analytical concepts are valid only for a rigid support at the bottom of the tank where the seismic excitation acts directly on the bottom, the simplified calculation procedures are not transferable to different types of boundary conditions. Therefore, in the second part of the work the fluid-structure interaction analysis is used to investigate base isolated tank structures. Based on the results of the fluid-structure interaction calculations a simplified, general calculation approach is developed for analyzing seismically isolated tanks. This approach takes into account the nonlinear properties of conventional base isolation systems and thus allows to determinate the modified hydrodynamic forces acting on the shell of the tank as well as the resulting stress distribution in the shell.In the third part of the work, two numerical concepts for the verification of stability are investigated. These concepts are based on static analyses of the global tank shell subjected to the entire load spectrum. The combined load due to seismic excitation and thus mutual interactions of the several stress components occurring simultaneously may have both positive and negative influence with regard to the buckling resistance, which can be considered. The first numerical concept is based on a fully nonlinear analysis of the imperfect shell. Here, consistent geometric imperfections according to the concept of quasi-collapse affine imperfections as well as eigenmode affine equivalent imperfections are examined with regard to their buckling load reducing effect. Due to the consideration of material and geometrical nonlinearity, a maximum load factor of the tank can be achieved. The second calculation concept includes a simplified verification process that has not been applied to seismically loaded tank structures so far. For critical details in those concepts recommendations are elaborated. The recommendations are verified by fluid-structure interaction analyses. As a result, a guideline for the proof of stability of shells under combined loads is given.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT019146337

Interne Identnummern
RWTH-2016-08295
Datensatz-ID: 672786

Beteiligte Länder
Germany

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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Civil Engineering (Fac.3)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
311810

 Record created 2016-10-22, last modified 2023-04-08