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Technologie

Das  Erdbeben-Engineering  Online-Archiv.
Seismische  Zuverlässigkeit  Analysemethoden  für erhöhten  Kugeltanks.


Stanford California Earthquake Engineering Center (06-1989).
Tung, Albert TY; Kiremidjian, Anne S.-John A.Blume

Erhöhte kugelförmigen Tanks, eine einzigartige Art von Struktur häufig in großen industriellen Anlagen verwendet werden, um extrem giftig und  oder brennbares Material unter Druck zu speichern, sind in der Gruppe der kritischen Strukturen, deren Sicherheit gegen Ausfall unter seismischer Belastung von entscheidender Bedeutung sind enthalten.
In dieser Studie werden drei unterschiedliche systematische Ansätze entwickelt, aus verschiedenen Perspektiven und auf verschiedenen Ebenen der Komplexität, zur Beurteilung der seismischen Leistungsfähigkeit (Zuverlässigkeit) des erhöhten kugelförmigen Tanks.

Eine diskretisierte-Masse-mechanisches System mit Massen und Steifigkeiten als Funktion der Flüssigkeit zu füllen Höhe gebaut, um die dynamischen Effekte von flüssigen sloshing Modell.
Die Zuverlässigkeit der Komponenten-Analyse, die erste der drei Methoden entwickelt, berechnet die jährlichen Ausfallwahrscheinlichkeiten der Bauteile bei intakten Zustand nur mit der Gefahr Kurve der Region und der Standort-abhängige dynamische Verstärkungsfaktor Spektrum der seismischen Last-Eingang.

Mit den gleichen Eingang wie die Zuverlässigkeit der Komponenten Analyse, sondern unter progressive Versagen und Last Umverteilung berücksichtigt, die Zuverlässigkeit des Systems Analyse, die zweite Methode entwickelt, identifiziert die wahrscheinlichste Bauteilversagen Sequenzen und erhält das gesamte System Ausfallwahrscheinlichkeit.
Die dritte Methode, die zufällige Schwingungsanalyse, nutzt die in stationäre Bodenbewegungen im Frequenzbereich wie die seismische Last-Eingang und einen hysteretische Rückstellkraft Modell, um das nichtlineare Verhalten der erhöhten Kugeltank Tragrahmen in die Analyse einzubeziehen.

Er wertet die maximale horizontale Verschiebung Statistiken zu verschiedenen Duktilität Verhältnis aufweisen.
Eine Flüssigkeit enthaltende erhöhten Kugeltank in der San Francisco Bay Area wird unter Verwendung aller drei Methoden als ein anschauliches Beispiel.
Diese Erfindung bezieht sich auf erhöhte Tanks zur Lagerung von Flüssigkeiten, und betrifft Insbesondere die Bereiche mit einem kugelförmigen Tanks auf umlaufend angeordneten Säulen.

Es wurde in der Vergangenheit festgestellt, dass erhöhte Tanks, insbesondere kugelförmigen Tanks, Unterkategorien projizierten von Expansion und Kontraktion des Wärmen der Sonne, Änderungen in der Temperatur durch das Wetter verursachte Schwankungen des Drucks und dergleichen verursacht werden.

Diese Expansionen und Kontraktionen manchmal zerreißen den Tank locker aus seinen Stützbeinen oder Spalten und so viele von diesen Tanks erfordern häufige und teure Reparaturen.

Sie sind besonders störend mit sphärischen Tanks als es schwierig ist, Stützsäulen am Tank zu befestigen, wobei dies in der Regel durch Schweißen die Spalten an den Seiten des Tanks an Punkten unterhalb der horizontal  Äquator durchgeführt.

Da die Stützen an den Tank mit einem Winkel verschweißt sind, das Lösen des Schweißens durch Expansion oder Kontraktion bringt sofort das Gewicht des Tanks auf der geschwächte Teil tragen und neigt dazu, die gesamte Spalte losreißen.

Ein Reservoir dieser Unterlagen neigt dazu, hin und her schwingen, und diese Tatsache macht es sehr anfällig für Erdbeben tektonischen Instabilität der Bodenwelle und erhöht so das Problem, eine angemessene Unterstützung für die Kugeltank Katastrophe zu vermeiden, vorstellbar.

TECNI SYSTEME INSTITUTE

 

Pacific Earthquake Engineering Reserarch (PEER) Center

Lebensdauerbestimmung einer I ngenieurstruktur.
Die Anwendbarkeit des vorgestellte simulationsbasierten Konzepts zur Lebensdauerbestimmung wird in diesem Kapitel anhand einer praxisrelevanten lngenieurstruktur aufgezeigt.
Dabei kommt ein auf zylinderförmigen Stützen gelagerter kugelförmiger Gasdruckbehälter zum Einsatz, welcher einer Erdbebenbelastung ausgesetzt ist.

Kugelbehälter auf zylinderförmigen Stützen.

Das zuvor für den Werkstoff 20 Mn Mo Ni55 kalibrierte und validierte Mikroporenschädigungsmodell
wird nachfolgend zur Ermittlung der Lebensdauer einer praxisrelevanten ingenieurstruktur,
dem Ethylentank B L01 der lCl_Wilhelmshaven GmbH & Co,verwendet.
Dieser auf 12 zylinderförmigen Stützen gelagerte kugelförmige Gasdruckbehälter (Abbildung 8.1 ) ist
einer Erdbebenbelastung ausgesetzt,die aufgrund von Hebung und senkung des Stützenlagers zur
Kurzzeitermüdung des Behälters führt.
Die Belastung wird als ungünstig angenommen,das heisst zwei benachbarte Stützen führen immer
eine entgegengesetzte Bewegung aus (Abbildung 8.2 ( b) ).

Lebensdauerbestimmung einer ingenieurstruktur

Die wichtigsten Geometriedaten sowie die verwendete Finite Elemente Diskretisierung sind den nachfolgenden Abbildungen zu entnehmen.
Es werden die Symmetrie- und Antimetrieeigenschaften der Struktur ausgenutzt und lediglich ein Schalenbereich von 15" gemäss Abbildung 8.2 (b) modelliert, um den numerischen Aufwand zu reduzieren.
Die Diskretisierung des modellierten Teils der Struktur erfolgt mil72 Elementen.Zur anschaulicheren Dartstellung der numerischen Ergebnisse wird dieses Segment entsprechend der Dartstellung in Abbildung 8.2 (c) gespiegelt.

Abbildung 8.2 :( a ) Kugelbehälter der lCl- Wilhemshaven, ( b ) Geometriedaten des Behälters und ( c ) Finite Elemente Diskretisierung der Struktur.
Anmerkung : Die Simulation dieser Struktur verlangt die Verwendung einer speziellen
Parametrisierung des Schalendirektors in der Finite Elemente Schalenformolierung,,da es sich um ein zusammengesetztes Schalentragwerk handelt ( Anhang C ).
Als belastung wird das El Centro Erdbeben vom 18 Mai L940 in Kalifornien agenommen.
Das Erdbeben der Stärke 6.9 auf der Richterskala galt lange Zeit im Bereich des lngenieurbaus als bemessungsrelevantes Erdbeben.
Abbildung 8.3 zeigt die vertikale Erdbewegung der erste 32 Sekunden des Bebens,welche als massgebende Belastung angesetzt wird ( Berg & Housner 1961- ).

 

Kugelbehalter auf zylinderförmigen Stutze

Die Ergebnisse der numerischen Simulation in Abbildung 8.4 zeigen nach der Belastung von 32 Sekunden eine deutliche Schädigungsakkumulation im Bereich des Übergangs Stütze-Behälter.

 

 

Der maximale Porenvolumenanteil f, gekennzeichnet durch die dunklen Bereiche, tritt dabei am obersten Punkt des Übergangs auf.
Die Abbildung 8.5 (b) zeigt die Schädigungsevolution für diesen massgebend Punkt der Struktur über die gesamte Belastungsdauer des Erdbebens in Abbildung 8.5 (a ).

Ein Anwachsen des maximalen Porenvolumenanteils ist für die Belastungsbereiche der Erdsenkung- Zug der Stütze - deutlich zu beobachten, wohingegen für die Entlastung bzw. Erdhebungein nahezu konstanter Schädigungszustand erkennbar ist.Der maximale Porenvolumenanteil beträgt lediglich f =0.015
und liegt damit weit entfernt von dem kritischen Wert der Porenkoaleszenz ( f trn =0.09. Schädigung beeinflusst das Tragverhalten der gesamt konstruktion demnach nur sehr gering und ein globales Versagen
des Gashochdruckbehälters ist bei dem Lastfall des El Centro Erdbebens nicht zu befüchten.

Lebens dauerbestimmung einer ingenierstuktur

Zusammenfassung

Die Anwedbarkeit des in der Arbeit entwichelten numerischen Modells für kurzzeitermüdungssimu- Lationen wird anhand der Lebensdaueranalyse einer schalenförmigen lngenieurkonstruktion aus dem Bereich des Behälterbaus gezeigt.
Dabei wird der Gashochdruckbehälter der lCl-Wilhelmshaven GmbH & Co einer Erdbebenbelastung ausgesetzt, welche dem kalifonischen El Centro Erdbeben aus dem Jahre 1940 entspricht.
Die numerische Untersuchung ermöglicht die folgende Beurteilung:
1 Das Auftreten einer deutlichen Schädigungsakkumulation im Bereich des Übergangs Stütze- Behälter ist zu erkennen.
2 Die modellierte Struktur hätte das simulierte El Cento Erdbeben nahezu unbeschadet
überstanden,da der auftretenden maxymale Porenvolumenanteil ausserhalb des kritischen Bereiches liegt.

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