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Sloshing

UN CASO STUDIO DI UN SISTEMA DI ISOLAMENTO SISMICO PER UN SERBATOIO DI STOCCAGGIO DI GAS LIQUEFATTO.

Ricerca della TECNI SYSTEME INSTITUTE.

                                                                                                                                      
Il programma di ricerca riguarda l’applicabilità di alcune tecniche antisismiche innovative, come l’isolamento sismico, a componenti di impianti industriali ad alto rischio. Scopo della ricerca è dimostrare la fattibilità delle tecniche antisismiche che si stanno sviluppando in Italia e all’estero e la loro utilità per gli impianti industriali. La ricerca si sviluppa scegliendo un componente reale di un impianto chimico e confrontando il rischio nella condizione convenzionale con quella migliorata mediante tecniche antisismiche. Lo studio è condotto insieme dall’ANPA, l’ENEA e l’Università di Roma La Sapienza e si articola su sei linee di attività qui di seguito riassunte:

1. Identificazione di un componente tipico di un impianto chimico.

2. Definizione del moto vibratorio di progetto adeguato al sito dove sorge l’impianto

3. Analisi del componente scelto per quanto riguarda gli aspetti dell'ingegneria sia chimica sia meccanicostruttu-   rale nella situazione attuale senza isolamento.

4. Scelta del sistema di isolamento sismico più idoneo per il componente preso in considerazione e sua progettazione dettagliata.

5. Analisi del componente isolato, con valutazione degli effetti dell'isolamento sulla resistenza, sulla funzionalità, sul layout e sui costi.

6. Raccolta di elementi per la generalizzazione dei risultati ad altri componenti.

La prima fase ha portato alla scelta di un serbatoio per gas liquefatto, butano, sito nell’impianto Enichem dÝ Priolo. Si tratta di un serbatoio in acciaio, sferico del diametro di circa 21 m. Esso poggia su undici colonne
cilindriche alte circa 12.5 m. Il peso totale in caso di serbatoio vuoto è di 315 ton mentre nel caso di serbatoio pieno ( all’80%) è di circa 3315 ton, ( peso totale kg. 4’143 circa).

  1. Diametro esterno del serbatoio                                                                 D= 21.165 m
  2. Diametro della circonferenza contenente i cntri delle colonne            Dg= 20.512m
  3. Spessore della lamiera del serbatoio                                                      Ss=0.022m
  4. Distanza del centro della sfera dal suolo                                                 H= 12.870m
  5. Diametro esterno delle colonne                                                                 d= 1.0660 m
  6. Spessore della lamiera delle colonne                                                     Sc= 0.0095 m
  7. Altezza delle colonne                                                                                    L= 12.500 m
  8. Quota delle diagonali                                                                                   h= 6.810 m
  9. Area delle diagonali                                                                                      Ad=9.62E-4m2

DEFINIZIONE DELLE AZIONI
Si assume che la struttura in oggetto sia soggetta al carico verticale dovuto al peso proprio e al Liquido in essa contenuto,e all’azione del sisma.Per quanto riguarda le azioni verticali,si considerano tre diverse condizioni di carico,relative ai casi di serbatoio vuoto,pieno al 40% e pieno al’80%.Assumendo che il gas contenuto nel serbatoio sia butano liquefatto caratterizzato da una densità pari a 6 HN/ m3,in corrispondenza delle tre condizioni di carico si hanno i seguenti valori del peso :

  1. Serbatoio pieno al 80%(condizione 1) :    P= 26520 KN
  2. Serbatoio pieno al 40%(condizione 2) :    P= 14810 KN
  3. Serbatoio vuoto (condizione 3) :                P= 3100 KN

La terza fase è consistita nell’analisi del serbatoio nelle condizioni di esercizio e accidentali compresa l’azione sismica.
Questo ha richiesto una sua modellazione mediante un codice numerico agli elementi finiti (fig. 8). L’analisi ha lo scopo di determinare sia le caratteristiche dinamiche, cioè le frequenze proprie ed i modi di vibrare che servono per le successive determinazioni del migliore soluzione di isolamento sismico, sia lo stato di sollecitazione nelle membrature che serve come confronto con quello della soluzione da scegliersi. Dai risultati delle analisi risulta:
La prima frequenza propria è bassa, circa uguale ad 1 Hz, corrispondente ad un modo di vibrare caratterizzato da un movimento quasi rigido della sfera e da una deformazione concentrata sulle colonne portanti. Esse risultano infatti molto flessibili. Il calcolo è stato effettuato nella condizione di serbatoio pieno, che corrisponde al caso di riempimento massimo dell’80% di gas butano. In questa prima indagine è stato tenuto anche conto, in maniera approssimata, del moto di sciacquio (sloshing) del liquido.
?Nel caso di serbatoio vuoto la prima frequenza propria è intorno a 2.8 Hz
?La sollecitazione massima alla base delle colonne è molto alta, superiore allo snervamento, sotto l’azione del peso proprio e del carico sismico, previsto dall’ Anpa e Enea moltiplicato per il fattore di importanza di 1.4.

PROBLEMA  SLOSHING
Si crea dentro un recipiente tipo sferico con appoggio su colonne e alzata da terra; attraverso un brusco spostamento oscillatorio del gas liquido che si trova all'interno della sfera creando una forte forza meccanica che si trasmette alle colonne portanti creando il rischio di eventuali rotture e il cedimento di esse,e di conseguenza di un incidente catastrofico che puo trasmettersi all'intera area.


SLOSHING EFFECTS IN SPHERICAL VESSELS AND THEIR SUPPORTS
ll presente lavoro indaga la risposta di un recipiente a pressione (serbatoio sferico) sotto eccitazione terremoto.
ll movimento fluido a causa della superficie libera di solito denominato "sbattimento" ö esaminata in dettaglio riguardo alla sua influenza sulla risposta del serbatoio I sistema di supporto, in termini diforza di taglio alla base e momento di rovesciamento.
ll presente studio adotta un semi-analitico soluzione di sloshing in serbatoi sferici, e propone un modello meccanico semplificato per descrivere il comportamento tra cui la flessibilitä dei suoi supporti.
Due casidi studio realida applicazioni industriali sono considerati. ln questi serbatoi sferici, l'importanza di includere gli effetti ( sloshing) viene esaminato.
lnoltre, il taglio massimo alla base e il momento di rovesciamento ottenuti attraverso I'analisi diretta di un vero e proprio evento sismico vengono confrontati con i corrispondenti valori di una procedura di analisi spettrale.

Tabella 1: Le frequenze proprie del sloshing nel contenitore sferico (R = 1).
E 'molto importante notare che gli autovalori dipendono dal troncamento di equazione e questo ö perch6 le funzioni impiegate in un'equazione non sono mutuamente ortogonali.

ln figura 3 la variazione del primo (fondamentale) di frequenza sua ö mostrato in termini ditroncamento dimensione N (n_ N). Si noti che tre termini (n = 3) sono necessari in modo che una precisione molto buona sia raggiunta.

L'FT forza totale applicata dal liquido al serbatoio si ottiene dall'integrazione di pressione sulla parete del serbatoio in direzione dell'eccitazione (diciamo x direzione).

Questa forza ha due componenti, uno impulsivo Fw e una Fs sloshing:
dove Kb e la rigidezza della gamba 1 sistema di supporto tonificante, e X-XG e lospostamento relativo del serbatoio rispetto alsuolo.



Dove Ms ö la metä della massa liquida, ed ö indicato come sloshing di massa. Si puö dimostrare che la to'za totale sulla base di una modalitä sloshing e una buona approssimazione della forza corrispondente assumendo la soluzione completa.

L'equilibrio delle forze implicita una equazione ö ha anche bisogno di essere considerata.

ln questa equazione, la forza totale orizzontale deve essere equilibrata dalle forze elastiche dei supporti e, di conseguenza,lafarza impulsiva dovrebbe includere la massa del serbatoio in acciaio.

Condurre I'integrazione appropriata per la parte sloshing come indicato dalle equazioni laforza totale ö facilmente ottenuta.
La risposta sui serbatoi sferici sopraelevati, sotto carico sismico ö di particolare importanza, a causa diapplicazioni pratiche nel settore petrolchimico.

Qui, due casi di studio vengono esaminati, un terminale di GNL e di un terminale di Propilene, entrambi situati in Grecia.

I risultanti delle tensioni (taglio alla base e cioö momento di rovesciamento) sulla fondazione sono calcolati utilizzando la formulazione semplificata del modello 2DOF e il record di movimento terra da un recente terremoto greco, il terremoto del 1995 Kozani .

Le risultanti di base vengono confrontati con i corrispondenti valori in cui sloshing liquido non e considerato.

lnoltre, una analisi spettrale viene eseguita secondo le disposizioni generali del Codice Greco sismica 21, utilizzando le frequenze proprie ottenute nel corso del presente lavoro, e i risultati delle tensioni corrispondenti sono stati ottenuti, Dove Mw ö la massa liquida totale (323wMR), che in realtä era atteso, perch6 nel movimento impulsivo ogni particella di liquido segue il movimento del serbatoio sferico.

Un altro aspetto importante ö la posizione delle forze di cui sopra. Poich6 la pressione ö sempre normale alla parete del serbatoio, queste forze vengono applicate al centro della vasca.

Questa osservazione si applica a serbatoi sferici riempito fino ad una profonditä arbitraria ( non solo mezzo pieno) ed ö importante al fine di ottenere il momento corrispondente al ribaltamento.

La formulazione di cui sopra e la soluzione, assume che il moto delserbatoio diX (t) ö noto.

Nel caso di un serbatoio sferico supportato da un sistema di gambe e X-bretelle, solo il movimento delterreno Xg (t) ö conosciuto, mentre X (t) ö sconosciuto e deve essere calcolato.

L'equazione aggiuntivi necessari per determinare X (t) ö I'equilibrio di forze alla base: iltotale orizzontale FT forza d'inerzia ö equilibrata dal supporto Fb forza (Figura 4). Ciö significa che dove Kb ö Ia rigiditä della gamba I sistema di supporto tonificante, e X-XG ö lo spostamento relativo del serbatoio rispetto al suolo.

Sulla base di una soluzione analitica, di serie sloshing, in serbatoi sferici mezzi pieni, ö possibile sviluppare un modello semplificato di analisi su tali serbatoi sotto eccitazione terremoto.
Utilizzando questa formula semplice, I'analisi sismica sui due serbatoi sferici danno una condotta tipica.

I risultati mostrano che sloshing ha un notevole effetto sulla risposta in generale, soprattutto sui valori deltaglio alla base e momento di rovesciamento. lnoltre, i risultati di una analisi spettrale sono confrontati con i risultati della presente analisi.

ll presente studio ö di particolare interesse per I'industria petrolchimica, e fornisce uno stumento semplice ed efficace per analizzare gli effetti sui serbatoi sferici e la loro conservazione. I risultati dovrebbero contribuire ad una migliore comprensione del fenomeno
sloshing e verso la designazione terminale piu sicura.


TECNI SYSTEME INSTITUTE.

 
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