Atmosferik depolama tanklarında güncel hasarlarla ampirik ve analitik kırılganlık analizi

Abstract

Silindirik atmosferik depolama tankları temelde ülkelerin enerji ihtiyaçlarının karşılanmasında kullanılan petrol ve türevleri ile sıvılaştırılmış doğal gaz gibi ürünlerin depolanmasında faydalanılan yapısal elemanlardır. Bu tanklar su, şarap ya da katı atıkların da depolanmasında kullanılmıştır ve halen kullanıldığı tesisler mevcuttur. Depoladığı üründen bağımsız olarak, depolama tanklarının gerek geometrisinden kaynaklı hasar almasının mümkün olması, gerek ülkeler genelinde tank tesislerinin konumlandırıldığı alanların sismik etkilere daha açık bulunmaları, gerekse tanklar içerisindeki sıvı malzemenin olası salınımlarda sahip olduğu salınım etkilerinin tanklarda hasara sebep olacak şekilde etkili olması durumları, depolama tanklarını kırılgan yapmakta ya da hasar görebilmeye açık hale getirmektedir. Bu çalışma kapsamında "kırılganlık" ya da "hasar görebilme" terimleri sadece sismik etkilerden direkt etkilenen ya da sismik etkilere bağlı ikincil etkilerden kaynaklanan hasarı temsil etmek için kullanılacaktır. Literatürde ve pratik kullanımlarda farklı depolama birimleri bulunmaktadır. Bu araştırmada, sadece atmosferik silindirik çelik depolama tankları üzerinde çalışılmıştır. Çalışma genelinde, ilgilenilen bu tanklar depolama tankı ya da atmosferik depolama tankı ifadeleriyle nitelendirileceklerdir. Bu çalışmada izlenen yol kısaca ifade edilecek olursa, çalışmanın ilk aşamasını mevcut akademik yayın çalışmalarından, sismik aktiviteler sonucu hazırlanan raporlardan, araştırma tezlerinden ve akademik açıdan kabul edilebilecek diğer kanallardan elde edilen depolama tankı hasar veri tabanının derlenmesi işi oluşturmuştur. Gözleme dayalı hasar kayıtları çalışmalarının tarihçesi 1970'lere dayanmakla birlikte, yakın tarihimize kadar depolama tanklarındaki hasarlarla ilgili çalışmalar mevcuttur. Yazar, ilgili çalışmalarda işlenmiş gerçek deprem olayları sonucu hasar gören tankları, tankların geometrileri, tank lokasyon bilgileri, tankın içerdiği sıvı niteliği, tank konfigürasyonu ve özelliği ve çalışmanın ileriki bölümlerinden görüleceği üzere, sismik hesap sonuçları ve diğer değişkenleri içerecek şekilde derlemeyi başarmıştır. Bu şekilde toplanan toplam tank sayısı 4509'dur. Bu çalışma sonucu tank hasarlarına ait bir hasar matrisi oluşturulmuştur. Tanklar bu matriste sahip oldukları hasarlara göre belirli hasar sınıflarına atanmıştır. Tank hasar belirleme ve hasar sınıfı tayini mevcut literatürde ve tank tasarımı ile ilgili uluslararası kodlarda günümüze kadar gelişip değişerek işlenmiştir. Bu hasar sınıfları arasında ciddi farklar olmasa da farklı hasar sınıfı tanımlamaları mevcuttur. Bu araştırmada, yazar tank hasar sınıfını da yaptığı kapsamlı veri toparlama işlemleri neticesinde, sektör uzmanlarının da görüşleri üzere güncelleyerek çalışmaya dahil etmiştir. Ardından, gözleme dayalı bu hasar veri setinde, hasara sebep olan sismik olayların temel karakteristikleri kullanılarak, hasar ve hasarın sebebi arasındaki istatistiksel ilişki mevcut istatistiksel bakış açıları ile yorumlanıp, tank hasar matrisindeki hasar sınıfları için sismik kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. Bu noktada kısaca vurgulanmak gerekirse, literatürde kırılganlık analizi gerçekleştirmek için birden fazla istatistiksel metot bulunmakla birlikte, bu çalışma kapsamında hasarın doğası ile uyumlu olacağı ispat edilmiş yöntemler seçilmiştir. Sismik aktiviteler sonucu tankların performansı söz konusu hasarın varlığı veya yokluğu şeklinde ikili değişkenle tanımlanabileceği için, istatistikte ikili (binary) dağılımlar için olasılık hesaplarında işlevselliği ispatlanmış olan lojistik regresyon yöntemi seçilmiştir. Bununla birlikte, bu yöntemde parametre tahmini için kullanılan fonksiyonlardan logit ve probit modeller ile maksimum olabilirlik yöntemi seçilerek, lojistik regresyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu noktada dikkat edilmesi gereken konu; hasarın çıkış nedeni olan depremlerin ve tanklara ait karakteristiklerin her tank ya da tank grubu için birbirinden bağımsız olmasıdır. Bu nedenle, elde edilen hasar sınıflandırma matrisi her hasar sınıfı için yakın ya da ortak dağılımı vermekten uzaktır. Bu da hasar matrisinin ve sadece gözleme dayalı verilerin kullanılarak elde edilen kırılganlık eğrilerinin güvenilirliği sorusunu göz önüne getirmektedir. Ayrıca farklı durumlarda, özel ihtiyaçlara göre risk hesaplamalarının gerekli olduğu durumlarda, çok genel sonuçlar ifade edecek gözlemsel sonuçların vereceği kanı sorgulanmalıdır. Bu noktada, akademik ve mühendislik perspektifi mevcut veri boşluğuna rasyonel müdahalelerle elde edilen kırılganlık eğrilerinin iyileştirilmesini gerekli kılmaktadır. Bilimsel bilginin temel ilkelerinden biri olan faydalılık prensibi gereğince, mevcut hasar veri tabanını iyileştirmeye yönelik sonlu eleman analizleri ile gerçek tank geometrisi ve özelliklerini kullanarak, tanklarda sismik etkilerin sonuçları gözlemlenmiştir. Tankların maruz bırakıldıkları sismik yer hareketleri sonucu, sahip oldukları hasarlara göre her tank ilgili hasar sınıfına yerleştirilerek mevcut hasar veri tabanı hem nitelik hem de nicelik olarak iyileştirilmiştir. Sonlu eleman modelleri ile kırılganlık analizlerinin gerçekleştirildiği hasar veri tabanında toplamda 396 adet hasar bilgisi bulunmaktadır. Çalışmanın bu bölümünde, 11 adet yer hareketi ile gerçekleştirilen 396 adet analiz sonucu kırılganlık eğrileri 8 farklı deprem şiddet ölçüm birimi için gerçekleştirilmiştir. Çalışmada 3 farklı geometride, 2 farklı doluluk oranında, 2 farklı çatı konfigürasyonunda ve 3 farklı tank kabuk kalınlığı dağılımında modellenen tanklar, yapı sıvı etkileşimi göz önünde tutularak, zaman serisi analizleri sonucu hasar bilgileri kaydedilmiştir. Numerik çalışmaların sunduğu model bilgileri ile literatürde güvenilirliği kanıtlanmış ampirik formülasyonlar kullanılarak depolama tankları için periyot hesapları gerçekleştirilmiştir. Bunun nedeni, maksimum yer ivmesi ve maksimum yer hızına (PGA, PGV) ek olarak diğer sismik ölçüm birimlerinin kırılganlık analizinde ortaya çıkaracağı sonuçlara yanıt aramaktır. Böylece, aşağıda izah edileceği üzere deprem kayıtlarından elde edilebilecek PGA ve PGV parametrelerine ek olarak, 6 adet sismik şiddet parametresi elde edilmiştir. Çalışmanın bu konusu kapsamlı şekilde, binlerce veri analizi sonucu elde edilmiştir. Bu çalışmada sadece elde edilen sonuçlar ve analiz prosedürleri ifade edilmiştir. Çalışmada enerji hesapları, 24 farklı periyot değerinin 3 farklı deprem bileşenine sahip 11 adet deprem kaydı için milyonlarca deprem verisinin yazılımsal araçlarla işlenmesi sonucu, enerji talep spektrumları olarak elde edilmiştir. Bu sismik parametrelerin PGA ile aralarındaki korelasyon, lineer regresyon analizleri ile elde edilmiştir. Buna ek olarak, bu çalışmada ilgilenilen bir diğer temel konu ise, yapılan kırılganlık analizlerinde kullanılan sismik şiddet ölçüm değişkeninin faklı türdeki hasarların tespitindeki başarısını test etmektir. Tank geometrilerine bağlı olarak, farklı konfigürasyonlar farklı salınım periyotlarına neden olmaktadır. Tankların geniş çaplı olması içereceği sıvının sahip olacağı salınım periyodunun artmasına neden olduğu için, kullanılan sismik şiddet ölçüsünün bu noktada sınanması gerektiği düşünülmüştür. Bu amaçla, yapı analizlerinde ve söz konusu depolama tanklarında sismik yoğunluğu ifade etmek için daha fazla kullanılan "maksimum yer ivmesi" birimine ek olarak, maksimum yer hızı, spektral ivme, spektral hız, spektral deplasman, ortalama spektral ivme, deprem giriş enerjisine eşdeğer ivme ve sönümlenmiş deprem enerjisine eşdeğer ivme değişkenleri de kullanılarak, kırılganlık eğrileri 8 farklı sismik şiddet ölçüm birimi için elde edilmiştir. Yapılan analizler sonucu spektral hız, spektral deplasman ve sönümlenmiş deprem enerjisine eşdeğer ivme parametrelerinin kırılganlık analizinde farklı hasar durumlarının tespit etmek için kullanılabileceği gözlemlenmiştir. Bu kapsamdan bakıldığında yapılan çalışmanın ilgili konuda mevcut çalışmaların bulgularına yenilik eklediği görülmektedir. Lde edilen bu bulgularla gelecek yıllarda yapılacak çalışmalara bu noktada kaynak olacağı umulmaktadır. Yapılan kırılganlık analizlerinde, literatürde kullanılmış farklı istatistik metotlardan faydalanılmıştır. Kırılganlık analizinde işleme giren ana değişkenler sismik şiddet ölçüm birimi ile hasar durumuna ait verilerdir. Fakat unutulmamalıdır ki, işlemden sonuç üreten fonksiyonun kendisi de bir değişken olarak hasar görebilme olasılığına etki etmektedir. Bu noktada, farklı istatistiksel prosedürlerin de hasar olasılıklarına etkisi ispat edilmiştir. Gerek söz konusu alanda gerekse yapı ve deprem mühendisliği noktasında yapılan analizlerde farklı istatistiksel prosedürlerin verdiği sonuçların farklı olacağı göz önüne alınmalıdır. Görüleceği üzere, bu yüksek lisans çalışmasında gözlemsel verilerin elde edilmesi, hasar sınıflarının güncellenerek yeniden tanımlanması, hasar verilerinin yorumlanarak hasar sınıflarına atanması, istatistiksel prosedürlerin kırılganlık analizinde irdelenmesi, gözlemsel veriler için kırılganlık eğrilerinin elde edilmesi, numerik modelleme sonucu elde edilen hasar verilerinin yorumlanması, sıvı salınımı ve tank duvar periyotları hesapları ile sismik şiddet ölçüm parametrelerinin elde edilmesi için spektral analizlerin gerçekleştirilmesi ve analitik verilerle farklı sismik değişkenler için kırılganlık eğrilerinin tekrar elde edilmesi ve elde edilen iki farklı yaklaşımın birbiri ile kıyaslanması olarak özetlenebilecek çok sayıda temel konu ele alınmıştır. Çalışmanın bu anlamdaki kapsamlılığı ve kendi içindeki birliği gerek akademik çalışmalar için yararlanmak isteyen okuyuculara, gerekse pratik mühendislik alanında tasarıma, uygulamaya veya kontrole dayalı işlemlerde tez içeriğinin güvenilir bir kaynak olarak kullanıcıya hitap etmesini mümkün kılmıştır.