[論文レビュー] Fluid-structure interaction problems: An application to anchored and unanchored steel storage tanks subjected to seismic loadings

Hoang Nam Phan, Fabrizio Paolacci|arXiv (Cornell University)|May 2, 2018

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ABAQUSを用いて、地震動に対するアンカーリングありおよびなしのスチール貯蔵タンクにおける流体-構造相互作用をシミュレートする非線形有限要素モデルを提示する。表面基準の音響-構造結合と、浮上および滑りを模擬する接触アルゴリズムを組み込む。このモデルは、水圧、自由表面の高さ、底板の浮上を正確に予測し、INDUSE-2-SAFETYプロジェクトの実験的シェイキングテーブルデータと強い一致を示す。

ABSTRACT

The estimation of the degree of risk of steel storage tanks from an industrial or nuclear power plant during an earthquake event is a very difficult task since the dynamic behaviour of the tank-liquid system is highly complex. The seismic response of steel storage tanks is quite different from building structures not only due to hydrodynamic effects acting on the shell and bottom plate but also because of many sources of nonlinear behaviour mechanisms. For the earthquake-resistant design of tanks, it is important to use a rational and reliable nonlinear dynamic analysis procedure, which is capable of capturing the seismic behaviour of the tanks under artificial or real earthquakes. The present paper deals with the nonlinear finite element modelling of steel storage tanks subjected to seismic loadings. The interaction effects of fluid and structure are modelled using a surface-based acoustic-structural interaction in the ABAQUS software. The successive contact and separation between the bottom plate and its rigid foundation caused by sliding and uplift are taken into account by a contact modelling approach. Reduced scales of both slender and broad cylindrical steel storage tanks from a shaking table campaign within the framework of the INDUSE-2-SAFETY project are selected for the study. The seismic responses of the tanks including the hydrodynamic pressure distribution acting on the shell plate, the elevation of the liquid free surface, and the uplift response of the bottom plate when the tank is unanchored are presented and compared with the experimental results. The responses obtained from the refined models are also compared with those obtained using a simplified approach, which is based on the lumped mass model of the liquid motion.

研究の動機と目的

• 地震動を受けたスチール貯蔵タンクに対して信頼性の高い非線形動的解析手順を開発すること。
• 円筒形スチールタンクにおける、水圧および液体のスロッシングを含む複雑な流体-構造相互作用効果を調査すること。
• アンカーレスタンクにおける底板の浮上および滑りといった接触現象をモデル化すること。
• INDUSE-2-SAFETYプロジェクトの実験的シェイキングテーブルデータと照合して、洗練された有限要素モデルを検証すること。
• 液体動態を簡略化した集中質量アプローチと比較して、詳細なFSIモデルの性能を評価すること。

提案手法

• タンク-液体系における流体-構造結合をモデル化するため、ABAQUSにおける表面基準音響-構造相互作用を採用した。
• 底板と剛性基礎間の動的接触検出を備えた接触アルゴリズムを実装し、浮上および滑りを模擬した。
• INDUSE-2-SAFETYシェイキングテーブルキャンペーンから得られた細断スケールのスレンダータンクおよびボリュームの大きな円筒タンクを、数値的ベンチマークとして使用した。
• 地震動の実記録および人工地震動を入力加速度として用い、さまざまな荷重条件における地震応答を評価した。
• 時間依存挙動（液体圧分布および自由表面の高さを含む）を捉えるために、非線形瞬時動的解析を実施した。
• 詳細なFSIモデルの結果と、液体運動の簡略化された集中質量モデルの結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面基準の流体-構造相互作用を有する非線形有限要素モデルは、スチール貯蔵タンクの地震応答をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 アンカーレスタンクにおける底板の浮上および滑りは、地震動下での動的挙動にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 詳細なFSIモデルと簡略化された集中質量アプローチとの間で、タンクシリンダー表面における水圧分布はどのように異なるか？
• RQ4 洗練されたFSIモデルは、INDUSE-2-SAFETYシェイキングテーブル実験の結果をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 詳細モデルと簡略モデルとの間で、予測された液体自由表面の高さおよび基部せん断力にどのような差異があるか？

主な発見

• 詳細なFSIモデルは、タンクシリンダー表面における水圧分布に関して実験データと優れた一致を示し、ピーク圧力の大きさと空間的変動を的確に捉えていた。
• モデルは地震動下における液体自由表面の高さを正確に予測し、アンカーリングありおよびなしの両配置において測定値と一致した。
• アンカーレスタンクでは、モデルが底板の浮上開始および進行を効果的に捉えており、接触の解放および再接続のイベントが接触アルゴリズムによって適切に表現されていた。
• 洗練されたFSIモデルは、局所的圧力ピークや非線形流体-構造結合効果を捉える点で、簡略化された集中質量アプローチを上回る性能を示した。
• 比較により、特に高強度の地震動下では、簡略化モデルが基部せん断力およびモーメントを予測する際に顕著な差異を示すことが判明した。
• 本研究は、アンカーレスタンクの正確な地震応力評価において接触モデリングが不可欠であることを確認した。浮上が荷重伝達経路および動的挙動を顕著に変化させるからである。