Dynamic analysis of multiple liquid-storage tanks

Mykoniou, Konstantinos; Klinkel, Sven; Könke, Carsten

doi:34841

Dynamic analysis of multiple liquid-storage tanks = Dynamische Analyse multipler flüssigkeitsgefüllter Tankbauwerke

Mykoniou, Konstantinos

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Konstantinos Mykoniou

ImpressumAachen : Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik 2015

UmfangXVI, 164 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-946090-03-8

ReiheSchriftenreihe des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik der RWTH Aachen ; 2015,04

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Druckausgabe: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Klinkel, Sven (Thesis advisor) ; Könke, Carsten (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-052158
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/538326/files/538326.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/538326/files/538326.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
structure-soil-structure interaction (frei) ; liquid-storage tanks (frei) ; seismic response (frei) ; adjacent structures (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die seismische Analyse flüssigkeitsgefüllter Tankbauwerke erfolgt üblicherweise ohne die Berücksichtigung von Effekten aus der dynamischen Interaktion mit benachbarten Tankbauwerken, obwohl diese beispielsweise in Tanklagern häufig eng nebeneinander in Gruppen angeordnet sind. In der vorliegenden Arbeit soll deshalb das dynamische Verhalten von Tankbauwerken unter Berücksichtigung der Gruppeninteraktionen untersucht werden. Dazu wird eine verfeinerte Substrukturtechnik im Frequenzbereich entwickelt, welche die Berücksichtigung der Interaktionseffekte entlang benachbarter flüssigkeitsgefüllter Tanks durch das tragende, verformbare Bodenmedium erlaubt. Die Tank-Flüssigkeitssysteme werden durch mechanische Modelle dargestellt, wobei diskrete Federn und Dämpfer den Boden unter den Fundamenten abbilden. Die den Modellen der Superstruktur zugeordneten Eigenschaften resultieren aus den Ergebnissen einer halb-analytischen Berechnungsmethode für die dynamische Analyse flüssigkeitsgefüllter, kreisförmiger, Zylinderschalen. Dabei werden sowohl die Kopplung der Schwingung der freien Fluidoberfläche und der Schalenschwingung als auch die Kompressibilität der Flüssigkeit berücksichtigt. Die Koeffizienten der dynamischen Impedanzfunktionen für die Fundamente werden mit Hilfe einer gekoppelten FEM-BEM Formulierung erlangt, welche die Lösung des Problems dreidimensionaler Wellenausbreitung im Bodenmedium in die Bewegungsgleichung der Oberflächenfundamente integriert.Mit Hilfe des vorgeschlagenen Modells wird die dynamische Antwort benachbarter Tanks für harmonische und seismische Bodenanregungen über eine große Bandbreite von Tankgeometrien und Bodenbedingungen ermittelt. Der Einfluss der Anzahl und der räumlichen Anordnung der Tanks sowie deren Abstand auf das Gesamtsystemverhalten wird untersucht. Die Ergebnisse deuten an, dass die Wechselwirkungseffekte die impulsiven Komponenten der Antwort jedes einzelnen Elementes in einer Tankanlage wesentlich verändern können. Der Grad dieser Auswirkung wird hauptsächlich von den Tankgeometrien sowie dem Abstand der dominanten Schwingungsfrequenzen der Schale-Flüssigkeit-Boden Systeme und der seismischen Bodenbewegung kontrolliert. Es zeigt sich, dass die Gruppeneffekte bei der Tankbemessung nicht a priori außer Betracht gelassen werden dürfen, sofern die Tanks nicht auf einem flachen Sediment gegründet, welches Felsgestein oder starres Material überlagert.Für die baupraktische Bemessung von Tankbauwerken wird aus den Erkenntnissen der Arbeit ein vereinfachter seismischer Nachweis zur Berechnung der hydrodynamischen Druckverteilungen auf starr gelagerte Tankschalen vorgeschlagen. Ebenfalls wird eine Berechnungshilfe für eine überschlägige Bewertung der Gruppeneffekte der allgemeinen, dynamischen Bauwerk-Boden-Bauwerk Interaktion hergeleitet.

The seismic analysis of liquid-storage tanks proceeds ordinarily on the basis of neglecting the dynamic interaction with adjacent tanks, although they are frequently arranged next to each other, for instance in tank farms. In this work, a study on the dynamic behavior of tanks is therefore carried out, which takes into account group interaction effects.To this aim, a refined substructure technique in the frequency domain is developed, which permits consideration of the interaction effects among adjacent containers through the supporting deformable soil medium. The tank-liquid systems are represented by means of mechanical models, whereas discrete springs and dashpots stand for the soil beneath the foundations. The properties assigned to the models for the superstructures result from a semi-analytical method for the dynamic analysis of circular, cylindrical shells, which takes into account both coupled free surface-shell vibrations and liquid’s compressibility. The coefficients for the dynamic impedance functions of the foundations are obtained with the aid of a coupled FEM-BEM formulation, which incorporates the solution of a three-dimensional wave propagation problem for the soil medium into the surface foundations equation of motion.The proposed model is employed to assess the responses of adjacent tanks for harmonic and seismic excitations over wide range of tank proportions and soil conditions. The influence of the number, spatial arrangement of the containers and their distance on the overall system’s behavior is addressed. The results indicate that the cross-interaction effects can substantially alter the impulsive components of response of each individual element in a tank farm. The degree of this impact is primarily controlled by the tank proportions and the proximity of the predominant natural frequencies of the shell-liquid-soil systems and the input seismic motion. The group effects should not a priori disregarded, unless the tanks are founded on shallow soil deposit overlying very stiff material or bedrock.With a focus on issues concerning engineering practice, a simplified seismic design process is proposed for the determination of the hydrodynamic pressures exerted on liquid-storage tanks in fixed-base conditions. A guideline for preliminary evaluation of group effects for general, dynamic structure-soil-structure interaction problems is also provided.

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