Deprem Yalıtımlı Tank Tasarımında Yönetmeliklerin Doğrusal Olmayan Analiz Prensiplerinin İrdelenmesi

Yıl 2024, Cilt: 14 Sayı: 2, 551 - 575, 18.06.2024

Samet Kılıç

https://doi.org/10.31466/kfbd.1385764

Öz

Endüstriyel tanklarda, depremlerde hasarları engellemek için, günümüzde sismik yalıtım kullanılmaktadır. Sismik yalıtım, zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler gerektirir. Yalıtımlı tanklar için doğrusal olmayan analiz prensipleri Eurocode8, ASCE7-16 ve diğer kodlarda detaylı olarak verilmiştir ve binalara benzer yapılar için tanımlanan kurallar tanklar için önerilmiştir. Türkiye Boru Hattı Sistemleri ve Sıvı Depolama Tankları Deprem Yönetmeliği’nde, yalıtımlı tankların tasarımında Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’ne yönlendirme yapılmaktadır. Yaygın tank tasarım kodlarına Eurocode8 Part4, API 650 ve New Zeland Yönetmeliği örnektir. Bu yönetmeliklerde sismik yalıtım esaslarından bahsedilmiş fakat tüm tasarım prensipleri tanımlanmamış, ilgili ülkelerin deprem yönetmeliklerine atıfta bulunulmuştur. Tank ve deprem yönetmelikleri kıyaslandığında, doğrusal olmayan analiz prensiplerinin sismik yalıtımlı tanklar için uyumsuzluğu görülmüştür. Bu çalışmada, mevcut yönetmeliklerin sismik yalıtım prensipleri incelenmiştir. Bir adet atmosferik basınçlı, 10m yüksekliğinde, içerisinde su bulunduran çelik tank boyutlandırılıp, uygun yalıtım sistemi tasarımı yapılmış ve doğrusal olmayan analizler için ANSYS kullanılarak, deprem yalıtım sistemleri değerlendirilmiştir. Taban kesme kuvvetleri, yalıtım birimi çekme kuvvetleri, hidrodinamik tank duvarı gerilmeleri ve çalkalanma dalgası yüksekliği sonuçları deprem ölçekleme metotları kıyaslanarak değerlendirilmiştir. Bunlar sonucunda, deprem ölçekleme yöntemlerinin elde edilen sonuçları değiştirdiği, yalıtım biriminin çekme ve basınç kuvveti kapasitelerinde yer değiştirmiş izdüşüm alanının belirleyici olduğu, yalıtım sisteminin tanklarda darbesel mod üzerinde etkili olduğu, devinimsel modda olmadığı sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

Tank sismik tasarımı, Taban yalıtımı, Deprem kaydı ölçekleme, Yapı sıvı etkileşimi, Çelik tanklar, Silindirik kabuklar

The Investigations of Nonlinear Analysis Principles of Codes in Base-Isolated Tank Design

Öz

Seismic isolation is used today to prevent damage to industrial tanks during earthquakes. Seismic isolation requires nonlinear time-history analysis. Nonlinear analysis principles for seismically isolated tanks are detailed in Eurocode8, ASCE7-16 and other codes and the rules defined for structures similar to buildings are also recommended for tanks. In the Turkish Pipeline Systems and Liquid Storage Tanks Earthquake Regulation, the design of seismically isolated tanks is directed to the Türkiye Building Seismic Code-2018. Examples of common tank design codes are Eurocode8 Part4, API 650 and the New Zealand Regulation. In these regulations, seismic isolation principles are mentioned, but not all design principles are defined, and references are made to the earthquake regulations of the relevant countries. When tank and earthquake regulations are compared, it is seen that nonlinear analysis principles are incompatible for seismically isolated tanks. In this study, seismic isolation principles of current regulations are examined. An atmospheric pressure, 10m high, steel tank containing water is dimensioned, an appropriate isolation system was designed, and isolation systems are evaluated using ANSYS for non-linear analysis. Base shear forces, isolation unit tensile forces, hydrodynamic tank wall stresses and sloshing wave height results are evaluated by comparing earthquake scaling methods. Consequently, it is concluded that earthquake scaling methods change the results obtained, that the displaced projection area is decisive in the tensile and compression force capacities of the isolation unit, and that the isolation system is effective on the impulsive mode in tanks and not on the convective mode.

Anahtar Kelimeler

Tank seismic design, Base isolation, Ground motion scaling, Fluid structure interaction, Steel tanks, Cylindrical shells

Kaynakça

• ANSYS. (2018). Workbench user’s guide. ANSYS Inc. Southpointe, 275, Technology Drive, Canonsburg, PA 15317.
• API650. (2020). “Standard Welded Tanks for Oil Storage Appendix-E-Seismic Design of Storage Tanks”, American Petroleum Institute.
• ASCE7. (2016). “Minimum design loads for buildings and other structures”, ASCE/SEI 7-16. Reston, VA.”, American Society of Civil Engineers.
• Aslam, M. (1981). Finite Element Analysis of Earthquake-Induced Sloshing in Axisymmetric Tanks. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 17, 159-170.
• Aydın, A. C., Bilen, M. B., and Maali, M. (2022). Effect of Hydrochloric Acid Corrosion and CFRP Coating on the Buckling Behavior of Cylindrical Shells under External Pressure. Scientia Iranica, 29 (6), 2886-2901. doi: 10.24200/sci.2021.57618.5332
• Çelebi, O., Özer, Ç., Bayrak, B., Kılıç, M., and Aydın, A. C. (2023). Earthquake Response of Historical Church within the Perspective of Structural Dynamics: Oltu Russian Church. Journal of Building Engineering, vol.74, 1-40. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.106884
• Çelik, A. İ., Köse, M. M., Akgül, T., and Alpay, A. C. (2018). Directional-Deformation Analysis of Cylindrical Steel Water Tanks Subjected to El-Centro Earthquake Loading. Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences, 36 (4), 1033-1046.
• Chen, Y., and Xue, M., (2018). Numerical Simulation of Liquid Sloshing with Different Filling Levels Using OpenFOAM and Experimental Validation. Water, 10 (12), 1752. doi:10.3390/w10121752
• Dinçer, E. A., (2019). Investigation of the Sloshing Behaviour Due to Seismic Excitations Considering Two-Way Coupling of the Fluid and the Structure. Water, 11 (12), 2664. doi:10.3390/w11122664
• Eurocode8. (2003). “Design of structures for earthquake resistance Part 4: Silos, tanks and pipelines”, European Committee for Standardization.
• Gökçe, T., Orakdöğen, E., and Yüksel, E. (2021). Improvement of the Polyurethane Spring Isolation Device for HV Post Insulators and Its Evaluation by Fragility Curves. Earthquake Spectra, 2021, 1-21. doi: 10.1177/8755293020981967
• Guler, E., and Alhan, C. (2019). Effectiveness of non-linear fluid viscous dampers in seismically isolated buildings. Earthquakes and Structures, 17(2), 191–204. https://doi.org/10.12989/EAS.2019.17.2.191
• Guler, E., and Alhan, C. (2021). Performance Limits of Base-Isolated Liquid Storage Tanks with/without Supplemental Dampers Under Near-fault Earthquakes. Structures, 33 (2021), 355–367. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2021.04.023
• Guler, E., and Alhan, C. (2024). Behavior of Base-Isolated Liquid Storage Tanks with Viscous Dampers under Historical Earthquakes Considering Superstructure Flexibility. Turkish Journal of Civil Engineering, 35(1), 109-138. https://doi.org/10.18400/tjce.1380129
• Kanyılmaz, A., and Castiglioni, C. A. (2017). Reducing the Seismic Vulnerability of Existing Elevated Silos by Means of Base Isolation Devices. Engineering Structures, 143, 477–497.
• Kılıç, M., (2021). Buckling Behavior of Nose Cone Type Steel Tanks Including Horizontal Imperfection. International Journal of Steel Structures, 21 (4), 1408-1419. https://doi.org/10.1007/s13296-021-00512-y
• Kılıç, S., (2015). The Investigation of the 25 Percent Rule in Concentrically Brace Frame Dual System with Special Moment Frame. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• Kılıç, S., (2022). Endüstriyel Yapılarda Yatay Geniş Tanklar ile Dikey Narin Siloların Deprem Esnasındaki Davranışlarının ve Farklı İzolatör Tipleriyle Güçlendirilmesinin İrdelenmesi. Doktora Tezi, Gebze Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli.
• Kılıç, S., Akbaş, B., and Zülfikar, A. C., (2021,October). The evaluation of Seismic Behavior of Broad Tanks Subject to Strong Ground Motions Scaled with Different Approaches: 6th International Conference on Earthquake Engineering and Seismology. Gebze, Gebze Technical University.
• Kılıç, S., Akbaş, B., Paolacci, F., and Shen, J., (2022). Seismic Behavior of Liquid Storage Tanks with 2D and 3D Base Isolation Systems. Structural Engineering and Mechanics, 83 (5), 627-644. doi:10.12989/sem.2022.83.5.627
• Kılıç, S., Akbaş, B., Uçkan, E., ve Çakır, F., (2021, Haziran). Endüstriyel Yapılarda Yatay Geniş Tanklar ile Dikey Narin Tankların Deprem Esnasındaki Davranışlarının ve Farklı Sismik Yalıtım Sistemleriyle Tasarımlarının İrdelenmesi. 9. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı. İstanbul: Türkiye.
• Kılıç, S., Akbaş, B., Uçkan, E., ve Çakır, F., (2022). Endüstriyel Yapılarda Yatay Geniş Tanklar ile Dikey Narin Tankların Deprem Esnasındaki Davranışlarının ve Farklı Sismik Yalıtım Sistemleriyle Tasarımlarının İrdelenmesi. İMO İstanbul Bülten, Sayı 172(2022), 4-11.
• Kılıç, S. (2023, May). The Seismic Assessment of Post-tensioned Reinforced Concrete Silo. Academy 1st International Conference on Earthquake Studies. İstanbul: Türkiye.
• Kılıç, S. (2023, Mayıs). Merkezi Çaprazlı ve Moment Aktaran Çerçeveli Karma Sistemlerde %25 Kuralının İncelenmesi. Academy 1st International Conference on Earthquake Studies. İstanbul: Türkiye.
• Maali, M., Kılıç, M., Yaman, Z., Ağcakoca, E., and Aydın, A. C. (2019). Buckling and Post-buckling Behavior of Various Dented Cylindrical Shells Using CFRP Strips Subjected to Uniform External Pressure: Comparison of Theoretical and Experimental Data. Thin-Walled Structures, 137 (2019), 29-39. https://doi.org/10.1016/j.tws.2018.12.042
• Maali, M., Aydın, A. C., Showkati, H., Fatemi, S. M., and Sagıroglu, M. (2018). Longitudinal Imperfections on Thin-Walled Cylindrical Shells. Journal of Civil & Environmental Engineering, 2018, 8:2, 1-10. doi: 10.4172/2165-784X.1000309
• Moslemi, M., and Kianoush, M. R. (2016). Application of seismic isolation technique to partially filled conical elevated tanks. Engineering Structures, 127, 663-675.
• NZSEE. (2009). “Seismic Design of Storage Tanks Recommendations of a NZSEE Study Group on Seismic Design of Storage Tanks”, New Zealand Society for Earthquake Engineering.
• Özdemir, Z., (2010). Nonlinear Fluid-Structure Interaction for Multi-Dimensional Seismic Analysis of Liquid Storage Tanks. Doktora Tezi, Boğaziçi Üniversitesi, Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü, İstanbul.
• Özdemir, Z., Souli, M., and Fahjan, Y. (2010). Application of nonlinear fluid structure interaction methods to seismic analysis of anchored and unanchored tanks. Engineering Structures, 32, 409-423.
• Özdemir, Z., ve Fahjan, Y., (2007, Ekim). Gerçek Deprem Kayıtlarının Tasarım Spektrumlarına Uygun Olarak Zaman ve Frekans Tanım Alanlarında Ölçekleme Yöntemlerinin Karşılaştırılması. 6. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı. İstanbul: Türkiye.
• Öztürk, O., Yenidünya, E., and Keskin, Ü. S. (2021). Effect of Curing Regimes on the Mechanical and Fresh Properties of Steel Fiber-Reinforced Concrete. Architecture, Civil Engineering, Environment, 14-1, 69-81. doi:10.21307/ACEE-2021-007
• Pal, N. C., Bhattacharyya, S. K., and Sinha, P. K. (2003). Non-linear Coupled Slosh Dynamics of Liquid-filled Laminated Composite Containers: A Two-Dimensional Finite Element Approach. Journal of Sound and Vibration, 261 (4), 729-749.
• Paolacci, F., (2015). On the effectiveness of two isolation systems for the seismic protection of elevated tanks. Journal of Pressure Vessels and Technology, 137 (3), 031801. doi:10.1115/1.4029590
• Sagıroglu, M., Maali, M., and Aydın, A. C. (2018). Installation and Maintenance Principles of Seismic Isolators: Erzurum Health Campus. The Open Civil Engineering Journal, 2018, 12, 83-95. doi: 10.2174/1874149501812010083
• SeismoMatch. SeismoSoft Inc, version 2020 [software]. Downloaded from Online Web site: http://seismosoft.com/products/download/
• SeismoSignal. SeismoSoft Inc, version 2020 [software]. Downloaded from Online Web site: http://seismosoft.com/products/download/
• Shekari, M. R., Khaji, N., and Ahmadi, M. T. (2009). A coupled BE–FE study for evaluation of seismically isolated cylindrical liquid storage tanks considering fluid–structure interaction. Journal of Fluids and Structures, 25, 567-585.
• Spritzer, J. M., and Güzey, S. (2017). Review of API 650 Annex E: Design of large steel welded aboveground storage tanks excited by seismic loads. Thin-Walled Structures, 112, 41-65.
• TBDY. (2018). “Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği”, T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara.
• TBHSSDTDY. (2021). “Türkiye Boru Hattı Sistemleri ve Sıvı Depolama Tankları Deprem Yönetmeliği” T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Ankara.
• URL-1: http://www.geogebra.org/classic/hk6txsdj, (Erişim Tarihi: 31 Temmuz 2020).
• URL-2: http://ngawest2.berkeley.edu, (Erişim Tarihi: 21 Aralık 2019).
• URL-3: http://deprem.afad.gov.tr/deprem-tehlike-haritasi., (Erişim Tarihi: 14 Haziran 2020).