Çelik Sıvı Depolama Tanklarının Apı-650 İle Sismik Analizi

Abstract

Sıvı depolama tankları hayatın ve sanayi tesislerinin önemli yapılarıdır. Bunlar su temini ve yangın söndürme sistemleri için de önemli yapılarıdır. Çok sayıda endüstri tesisinde su, petrol, kimyasal maddeler ve sıvılaştırılmış doğalgazın depolanması için kullanılırlar. Sıvı depolama tanklarının deprem etkisi altındaki davranışının önemi, tankın ve tank içeriğinin ötesinde bir öneme sahiptir. Bu yüzden mühendisler sismik yükler etkisi altında bu tip yapıların farklı davrandığını ve farklı sebeplerden dolayı hasar aldığını bilmelidirler. Stratejik yakıt ve su depolarının önemli bir kısmının yüksek sismik risk altında bulunan bölgelerde bulunması, bu yapıların dinamik modellenmesi konusunda çok sayıda araştırma yapılmasını zorunlu kılmıştır. Bu araştırmalarda sürekli sıvı kütlesinin depo tabanına yakın olan kısmının depoyla beraber hareket ettiği ve serbest yüzeye yakın kısmının ise uzun periyotlu bir çalkalanma hareketi yaptığı belirtilmiştir. Bu doğrultuda geliştirilen dinamik modellerde sürekli sıvı kütlesi, depoyla beraber hareket eden impulsif bileşen ve çalkalanma hareketinden sorumlu olan uzun periyotlu konvektif bileşeni ile temsil edilmektedir. Zemin üzerine doğrudan mesnetlenen sabit tabanlı depoların duvarlarında ve tabanında oluşan hidrodinamik basıncın büyük bir bölümü darbesel bileşenden kaynaklanmaktadır. 1994 California-Northridge, 1995 Japonya-Kobe ve 1999 Tayvan-Chi Chi depremleri sonrası sıvı depolama tanklarında ağır hasarlar ve göçme gözlemlenmiştir. Yakın zamanda ülkemizde meydana gelen 1999 Kocaeli depreminde İzmit-Tüpraş rafinerisindeki petrol depolama tanklarında ağır hasarlar meydana gelmiştir. Bu yapısal hasarların sonucu olarak ortaya çıkan yangın ağır maddi kayba sebep olmuştur ve bölgenin güvenliği tehlike altına girmiştir. Geçmiş depremlerde zemine mesnetli sıvı depolama tanklarında çeşitli hasar ve göçme tipleri bildirilmiştir. Göçme genellikle tank duvarının aşırı basınç gerilmesi etkisi altında burkulması, ankrajların göçmesi ve taban plağının plastik deformasyonu şeklinde görülmektedir. Sıvı depolama tanklarının sismik davranışı akışkan-sıvı etkileşimi nedeniyle oldukça karmaşıktır. Bu etkileşim depreme dayanıklı yapı tasarımı çerçevesinde çeşitli hesap metodlarının uygulanmasına yol açar. Sıvı depolama tanklarının sismik performansını araştıran sınırlı sayıda deneysel ve analitik çalışma bulunmaktadır. Sıvı depolarında oluşan hasar tiplerini ve bu hasarlara neden olan etmenleri belirlemek amacıyla çeşitli araştırmacılar tarafından saha çalışmalarında; sıvı depolarının enerji sönümleme mekanizmalarının oldukça kısıtlı olmasından dolayı depremlerde kötü performans sergiledikleri ve depreme dayanımlarının arttırılması için yeni yöntemlerin geliştirilmesinin gerektiği vurgulanmıştır. Sıvı depolarını depremin olumsuz etkilerinden korumayı hedefleyen yeni tekniklerden biri de sismik yalıtımdır. Sismik yalıtım sistemleri yardımıyla sıvı depolarının sönüm kapasitelerinin arttırılması ve periyot uzaması etkisiyle depo içerisinde impulsif bileşenden kaynaklanan hidrodinamik etkilerin azaltılması amaçlanmaktadır. API 650 Ek E yaygın olarak çelik depolama tanklarının sismik tasarımı için dünya çapında kullanılmaktadır. API 650 Standartı, dikey, silindirik, yerüstü kaynaklı, kapalı ve açık tavanlı çeşitli boyutlarda ve kapasitelerde atmosferik basınca yaklaşan iç basıncın etkisi altındaki dizel gibi petrol ürünlerini depolayan sıvı depolama tankları için malzeme, tasarım, imalat, montaj ve test için minimum gereksinimleri belirler. Ancak, ayrıntıları ile API 650 yönetmeliğini tanıtan kapsamlı bir çalışmaya rastlanmamıştır. Ayrıca, sıvı depolama tanklarının sismik analizi ve tasarımı için kapsamlı bir Türk yönetmeliği de bulunmamaktadır. Tezin amacı, bu yapıların deprem analizinde kullanılan API-650 yönetmeliğinin özelliklerini tanıtmaktır. Bu hedeflere ulaşmak için API-650 özetlenerek sunuldu ve sayısal bir örnek izlendi. Sismik yükün impulsif ve konvektif bileşenleri API-650 kullanılarak hesaplandı. Tank yüksekliği boyunca hesaplanan impulsif yükün grafiğine göre bu yükün etkisinin tankın alt kısmında maksimum değere ulaştığı görüldü. Çalkalanma etkisi olarak adlandırılan konvektif yükün etkisinin ise tankın üst kısmında maksimum değere ulaştığı görüldü. Sonra sismik yükün impulsif ve konvektif bileşenleri kombine edilerek her bir tank kabuğu için maksimum gerilme değerleri elde edildi. Grafik sonuçlarına göre impulsif bileşenin etkisinin konvektif bileşenin etkisinden daha baskın olduğu görüldü. Bundan dolayı bir deprem etkisi altında tank kabuğunda fil ayağı burkulması görülebileceği kanısındayız. Fil ayağı şeklindeki burkulma küçük genlikli olup kritik burkulma yükünün altındaki bir yük değerinde gerçekleşeceği için elastik olmayan bir burkulma türüdür. Bu sayede yapıda meydana gelebilecek olası bir göçme durumunda önce kabuk malzemesi olan çelik akmaya başlayacaktır ve yapı hasar alacaktır. Burkulma yani göçme daha sonra meydana gelecektir. Olası göçme durumu sünek karakterli olacaktır. Bu göçme durumu depreme dayanıklı yapı tasarımı çerçevesinde istenen bir durumdur. Yapı hasar alarak sismik enerjiyi sönümleyebilecektir. Beş bölümden oluşan yüksek lisans tezinin birinci bölümünde giriş kısmına yer verilmiş ve bu bölümde çalışmanın konusu, amacı ve kapsamı belirtilmiştir. Ayrıca bu konu üzerine geçmişte yapılan çalışmaları özetleyen bir literatür araştırması yapılmış ve geçmişte meydana gelen depremler sonucu sıvı depolama tanklarında meydana gelen hasar ve göçme tipleri açıklanmıştır. Göçme ve hasar tipleri genellikle kabuk burkulması, çatıda ve boru bağlantılarında meydana gelen hasarlar şeklinde olabilir. 1964 Alaska, 1977 San Juan, 1980 Livermore, 1983 Coalinga ve 1999 Kocaeli depremlerinde sıvı depolama tanklarında çeşitli hasar ve göçme tipleri rapor edilmiştir. Ayrıca bu bölümde yeni geliştirilen bir teknoloji olan sismik temel izolasyonunun tanklar üzerindeki uygulamalarına da yer verilmiştir. Elastomerik mesnetler ve sürtünmeli sarkaç sistemleri tanklara gelen deprem yükünü azaltmak için kullanılabilmektedir. İkinci bölümde, çelik sıvı depolama tanklarının sismik analizi hakkında genel bilgiler verilmiştir. Tank ve depolanan sıvının sismik analizini basitleştirebilmek için yapılan çeşitli varsayımlar tanımlanmıştır. Bu varsayımlara göre sıvı homojen, sürtünmesiz ve sıkıştırılamazdır. Akış alanı çevrintisizdir. Sadece küçük genlikli salınımlar dikkate alınmalıdır. Akış alanı içerisinde herhangi bir boşluk bulunmamaktadır. Kabuk malzemesi homojen, izotropik ve doğrusal elastiktir. Orta yüzeye dik eksenel gerilme diğer gerilmelerle karşılaştırıldığında ihmal edilebilecek değerdedir. Başlangıçta orta yüzeye dik olan çizgi deformasyon oluştuktan sonra da orta yüzeye dik olarak kalacaktır. Üçüncü bölümde, API-650 yönetmeliğinin E bölümündeki sismik analiz tanımları açıklamalarıyla verilmiştir. Bu açıklamalara göre yönetmelik eşdeğer yatay yük analiz metodunu kullanır. Eşdeğer statik yatay yükler rijit duvarlarlı ve sabit tabanlı tankın doğrusal matematiksel modeline uygulanır. Yönetmelik hesaplamalarda gerçekçi ve pratik yöntemleri baz alır. Dinamik analiz uygulamaları, düşeyde çerçeve elemanlarla desteklenmiş tankların ve yüzen çatıların sismik tasarımı, yakın fay etkisi altındaki tanklar ile sismik temel izolasyonu ve enerji sönümleyici sistemlere sahip tankların sismik tasarımı ve tasarımcının istediği performans gereksinimlerine göre tasarım bu yönetmeliğin kapsamının dışındadır. Bu bölüme göre sismik tasarımın temel performans amacı hayatın korunması ve tankın tamamiyle yıkılmasının önlenmesidir. Yönetmelik sismik etki altında tankta ve bileşenlerinde hasar oluşmayacağını ima etmez. Sismik hesaplamalarda tankın ve içeriğinin impulsif mod ve konvektif (çalkalanma) modu olmak üzere iki tip tepki modu vardır. İmpulsif mod %5 ve konvektif (çalkalanma) modu %0,5 sönüm oranına sahiptir. Yönetmelik izin verilebilen gerilmeler tasarım metodunu kullanır ve sismik yük etkisi altındaki kaynaklı çelik sıvı depolama tanklarının tasarımı için minimum gereksinimleri belirler. Tank kabuğunun devrilmeye karşı stabilitesini ve eksenel basınç etkisi altında meydana gelebilecek burkulmaya karşı direncini kontrol eder. Bölümün sonunda hesaplarda kullanılan akma gerilmesi azaltma faktörleri, halka şeklindeki taban plağının kalınlıkları ve kullanılabilir plak malzemeleri ile izin verilebilen gerilmelerin tabloları verilmiştir. Dördüncü bölümde, çelik bir sıvı depolama tankının sismik tasarımı API-650 nın E bölümüne göre ayrıntılı olarak yapılmıştır. Bölümün başında ele alınan tankın sismik tasarımı için gerekli olan parametreler verilmiştir. Daha sonra bu parametreleri kullanarak yönetmeliğe göre tankın impulsif ve konvektif (çalkalanma) periyotları, spektral ivmelenme değerleri, etkin ağırlıkları, tasarım kesme kuvvetleri, etkin yatay kuvvetlerin etki merkezlerinin yükseklikleri, halka duvarın ve döşemenin devrilme momentinin etki merkezlerinin yükseklikleri, çevresel kuvvetler ve gerilmeler hesaplanmıştır. İmpulsif, konvektif ve hidrostatik çevresel kuvvetlerin ve maksimum ile minimum gerilmelerin tank yüksekliği boyunca değişen etki grafikleri çizilmiştir. Halka duvarın ve döşemenin devrilme momentlerinin değerleri hesaplanmıştır. Maksimum eksenel kabuk basınç gerilmesi hesaplanmış ve kontrolü yapılmıştır. Mekanik ankraj ve halka plak genişliği hesaplamaları yapılarak devam edilmiş, kayma tahkiki yapılmış ve son olarakta tankın düşey doğrultudaki tahmini deplasman değeri ile depolanan sıvının maksimum dalgalanma yüksekliği hesaplanmıştır. Beşinci bölümde ise tankın yüksekliği boyunca çizilen impulsif ve konvektif çevresel kuvvetlerin ve maksimum gerilmenin etki grafiklerinin yorumlanmasıyla çalışmada varılan sonuçlar açıklanmıştır.

Liquid storage tanks are important components of lifeline and industrial facilities. They are critical elements in municipal water supply and fire fighting systems, and in many industrial facilities for storage of water, oil, chemicals and liquefied natural gas. Behavior of large tanks during seismic events has implications far beyond the mere economic value of the tanks and their contents. So engineers have to know that these special structures behave differently when induced seismically and also damaged due to different reason. Recent years have seen a number of occurrences of catastrophic failures of liquid storage tanks due to severe, impulsive, seismic events such as the 1994 Northridge earthquake in California, the 1995 Kobe earthquake in Japan and 1999 Chi-Chi earthquake in Taiwan. In the past earthquakes, damage and failure of various ground supported liquid storage tanks had been reported. The failure occurred mainly due to buckling of tank wall due to excessive compressive stress, tearing of anchorage systems and plastic deformation of base plate. The seismic behavior of liquid storage tanks is highly complex due to liquid?structure interaction leading to a tedious design procedure from earthquake-resistant design point of view. There are limited experimental and analytical studies, which investigate the performance of liquid storage tanks, are reported in the past. API 650 Appendix E has been widely used around the world for seismic design of steel storage tanks. API 650 Standard establishes minimum requirements for material, design, fabrication, erection, and testing for vertical, cylindrical, aboveground, closed- and open-top, welded storage tanks in various sizes and capacities for internal pressures approximating atmospheric pressure. For instance, diesel storage tanks fall under the category of tanks subjected to internal pressures approximating atmospheric pressure. However, there is not more comprehensive study which introduces API-650 specification with details. Also, there is not any Turkish design code for the seismic analysis and design of liquid storage tanks. The aim of the thesis is to introduce the API-650 specification which is used for seismic analysis of these structures. To achieve these goals summary of API-650 has been presented and a numerical example has been followed. Impulsive and convective component of the seismic load have been calculated by using API-650. According to graphics which are calculated along the tank elevation the effect of the impulsive component increased near to the bottom part of the tank and the effect of convective component which is called as sloshing effect increased near to the top part of the tank. After maximum stresses have been gained to be combined impulsive and convective component of the seismic load for each tank shells. According to graphics results, the effect of the impulsive component is more effective than convective component?s effect. Therefore it can lead to elephant foot buckling on the tank shell after possible earthquake effect. Elephant foot buckling has small amplitude. It is realized under the critical buckling load. It has a non-elastic characteristic. In the event of a possible failure, first material of the shell can start to yield. Therefore, damage can be occurred in the structure before failure. Failure can be carried out later. In this way, possible failure can have a ductile character. This failure form can be desirable for the earthquake resistant structure design. In this scope, while structure is taking damage, seismic energy can be absorbed. The study consists of five sections. The first section includes the preface which explains the subject, goals and the extent of the study. Furthermore, a literature search has been done in this section. It summarizes that the studies has been done on this topic in the past and types of damage and failure which have been occured on the liquid storage tanks as a result of past earthquakes are described. The second section is consists of general rules and information about seismic analysis of steel liquid storage tanks. The third section covers the concepts and requirements of the reference code API-650, Part-E. Seismic calculations and controls of the case liquid storage tank have been done in detail in accordance with API-650, Part E in the fourth section. Results and conclusions have been given in the fifth section.