[논문 리뷰] 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)|2018. 05. 02.

Fluid Dynamics Simulations and Interactions참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 ABAQUS를 사용하여 지진 하중 하에서 고정 및 비고정 스테인리스 탱크의 유체-구조 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 비선형 유한요소 모델을 제시한다. 표면 기반 음향-구조 결합 및 상승과 슬라이딩을 위한 접촉 알고리즘을 통합하였다. 이 모델은 수압, 자유 표면 높이 및 바닥판 상승을 정확하게 예측하며, INDUSE-2-SAFETY 프로젝트의 실험적 진동대 데이터와 강한 일치를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지진 자극에 노출된 스틸 저장 탱크를 위한 신뢰할 수 있는 비선형 동적 해석 절차를 개발하기 위해.
• 실린더형 스틸 탱크에서 수압 및 액체 기복 현상과 같은 복잡한 유체-구조 상호작용 효과를 조사하기 위해.
• 비고정 탱크에서 기초 위의 바닥판 상승 및 슬라이딩과 같은 접촉 현상을 모델링하기 위해.
• INDUSE-2-SAFETY 프로젝트의 실험적 진동대 데이터와의 비교를 통해 정교한 유한요소 모델을 검증하기 위해.
• 액체 동역학을 위한 간단한 집중 질량 모델과 상세한 FSI 모델의 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 탱크-액체 시스템에서의 유체-구조 결합을 모델링하기 위해 ABAQUS에서 표면 기반 음향-구조 상호작용을 활용하였다.
• 바닥판과 경성 기초 사이의 동적 접촉 감지 기반 접촉 알고리즘을 구현하여 상승 및 슬라이딩을 시뮬레이션하였다.
• INDUSE-2-SAFETY 진동대 캠프에서 사용된 미약 척도의 긴형 및 넓은 실린더형 탱크 모델을 수치 기준으로 사용하였다.
• 실제 및 인공 지진 기록을 입력 자극으로 적용하여 다양한 하중 조건 하에서 지진 반응을 평가하였다.
• 시간에 따라 변화하는 거동, 즉 유체 압력 분포 및 자유 표면 높이를 포괄하는 비선형 일시적 동적 해석을 수행하였다.
• 액체 운동에 대한 상세한 FSI 모델의 결과와 단순화된 집중 질량 모델의 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 기반 유체-구조 상호작용을 갖는 비선형 유한요소 모델은 스틸 저장 탱크의 지진 반응을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 지진 하중 하에서 비고정 탱크의 동적 거동에 대해 바닥판 상승 및 슬라이딩이 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 상세한 FSI 모델과 단순화된 집중 질량 접근법 간에 탱크 측벽에 작용하는 수압 분포는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 정교화된 FSI 모델은 INDUSE-2-SAFETY 진동대 실험 결과를 어느 정도 정확하게 재현하는가?
• RQ5 상세 모델과 단순 모델 간에 예측된 액체 자유 표면 높이 및 기초 전단력의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 상세한 FSI 모델은 탱크 측벽의 수압 분포에 대해 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였으며, 특히 피크 압력 크기와 공간 분포를 잘 포착하였다.
• 지진 자극 하에서 액체 자유 표면의 높이를 정확하게 예측하였으며, 고정 및 비고정 구성 모두에서 측정된 반응과 일치하였다.
• 비고정 탱크의 경우, 모델이 바닥판 상승의 시작과 진행을 성공적으로 포착하였으며, 접촉 해제 및 재접촉 이벤트가 접촉 알고리즘에 잘 반영되었다.
• 정교한 FSI 모델은 특히 국소 압력 피크와 비선형 유체-구조 상호작용 효과를 포착하는 데서 단순화된 집중 질량 접근법보다 우수한 성능을 보였다.
• 비교 분석을 통해 고강도 지진 운동 기간 동안 단순 모델이 기초 전단력과 모멘트 예측에 상당한 오차를 보이는 것으로 나타났다.
• 이 연구는 접촉 모델링이 비고정 탱크의 정확한 지진 평가에 필수적임을 확인하였으며, 상승이 하중 경로와 동적 거동을 크게 변화시킨다.