Boden-Bauwerk-Fluid-Interaktion flüssigkeitsgefüllter Tankbauwerke auf nachgiebigen, vielfach geschichteten Böden unter seismischer Einwirkung

Michel, Philipp; Butenweg, Christoph; Klinkel, Sven; Könke, Carsten

doi:10.18154/RWTH-2021-07541

Boden-Bauwerk-Fluid-Interaktion flüssigkeitsgefüllter Tankbauwerke auf nachgiebigen, vielfach geschichteten Böden unter seismischer Einwirkung = Soil-structure-fluid-interaction of liquid-filled tanks on compliant mulit-layered soils under earthquake action

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Michel

ImpressumAachen : Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Bauingenieurwesen, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-946090-10-6

ReiheSchriftenreihe des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik der RWTH Aachen University ; 11

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Klinkel, Sven (Thesis advisor)^RWTH* ; Könke, Carsten (Thesis advisor) ; Butenweg, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-07541
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/824340/files/824340.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Baudynamik (frei) ; Boden-Bauwerk-Fluid-Interaktion (frei) ; Erdbeben (frei) ; Tankbauwerke (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Ziel dieser Thesis ist die seismische Analyse der Boden-Bauwerk-Fluid-Interaktion (BBFI) von flüssigkeitsgefüllten Tankbauwerken, gegründet auf nachgiebigen, vielfach geschichteten Böden. Die Flüssigkeitsbewegung im Erdbebenfall unterteilt sich in eine konvektive Schwappbewegung und eine gemeinsame impulsive Biegeschwingung von Fluid und Tankschale. Infolge der Fluidbewegung stellen sich dynamische Flüssigkeitsdrücke ein. Aus diesen folgt die Spannungsverteilung in der Tankschale, welche zur Bemessung der Struktur dient. Die Lagerung der Struktur auf nachgiebigen Böden hat einen deutlichen Einfluss auf die Gesamtdynamik der Tankschale. Ein leistungsfähiges Modell ist erforderlich, um alle dynamischen Interaktionseffekte gemeinsam darzustellen und Spannungsverläufe im Erdbebenfall zu berechnen. Ein Ingenieurmodell zur zielgerichteten und effektiven ganzheitlichen Berechnungen der BBFI wird vorgestellt. Mit einem praxistauglichen Ein-Schritt-Verfahren werden dynamische Flüssigkeitsdrücke und Spannungsverteilungen in der Tankschale berechnet. Im Sinne der Substrukturmethode wird das Gesamtmodell in Bodenmodell und Bauwerk-Fluid-System unterteilt. Diese werden zunächst einzeln betrachtet und zur finalen Analyse gekoppelt. Die Routine SSI-SALT nutzt die Precise-Stiffness-Matrix-Method als Bodenmodell und das Added-Mass-Verfahren zur Simulation der Tankschale, um die BBFI-Effekte möglichst genau abzubilden, aber in praxisorientierten Untersuchungen anwendbar zu bleiben. Die Tankschale wird mit den Impedanzfunktionen des Fundament-Boden-Systems gekoppelt. Als Einwirkung auf die Tankschale werden sowohl normative Antwortspektren, als auch dem Bodenaufbau entsprechend amplifizierte Erdbebenspektren eingesetzt. Am Gesamtsystem können ohne weitere Zwischenschritte die Spannungsverläufe infolge Erdbebeneinwirkung berechnet werden. Im Vergleich zur starren Lagerung erlauben nachgiebige Böden eine größere Starrkörperrotation von Fundament und Tankschale. Dementsprechend wird die Schale weniger stark verformt, was einen geringeren impulsiven Druck nach sich zieht. Eine stärkere Anregung führt zwangsläufig zu größeren Fluiddrücken. Der tatsächliche dynamische Druck folgt aus der Kombination von Lagerungsbedingung und Einwirkung. Der Einfluss der BBFI überträgt sich von den Drücken auf die Spannungsverteilung. Als maßgebliche Einflussgrößen auf die Gesamtdynamik werden die Tankparameter Schlankheit und das Verhältnis von Wandstärke zu Tankradius identifiziert. Aus dem Tankradius folgt der Radius des Fundamentes, der gemeinsam mit der Bodenschichtung den führenden Einfluss auf den Impedanzverlauf hat. Dieser wird, ebenso wie die Bodenbewegung, von dem Schubmodul und der Mächtigkeit der Bodenschichten beherrscht. Die komplexe Wechselwirkung zwischen den einzelnen Größen erlaubt keine pauschale Abschätzung der Spannungsverteilung für Tanks auf nachgiebigen Böden. Vielmehr muss für jeden Standort und Tank eine BBFI-Analyse durchgeführt werden, was mit SSI-SALT mit vertretbarem Aufwand möglich ist.

The aim of this thesis is the seismic analysis of the soil-structure-fluid interaction (SSFI) of liquid-filled tank structures, based on compliant, multi-layered soils. The fluid movement in case of an earthquake is divided into a convective sloshing movement and a common impulsive bending vibration of fluid and tank shell. Following the fluid movement, dynamic fluid pressures are generated. These result in the stress distribution in the tank shell, which is used to design the structure. The support of the structure on compliant soils has a significant influence on the overall dynamics of the tank shell. A powerful model is required to represent all dynamic interaction effects together and to calculate stress distributions in case of earthquakes. An engineering model for the targeted and effective holistic calculations of SSFI is presented. Dynamic fluid pressures and stress distributions in the tank shell are calculated using a practical one-step procedure. In terms of the substructure method, the overall model is divided into a soil model and a structure-fluid system. These are first considered individually and coupled for final analysis. The routine SSI-SALT uses the Precise-Stiffness-Matrix-Method as soil model and the Added-Mass-Method for the simulation of the tank shell in order to represent the SSFI effects as accurately as possible, but to remain applicable in practice-oriented investigations. The tank shell is coupled with the impedance functions of the foundation-base system. Normative response spectra as well as earthquake spectra amplified according to the soil structuring are used to affect the tank shell. The stress curves due to earthquake action can be calculated for the entire system without any further intermediate steps. Compared to rigid support, compliant soils allow a greater rigid body rotation of the foundation and tank shell. Accordingly, the shell is less strongly deformed, which results in a lower impulsive pressure.Stronger excitation inevitably leads to greater fluid pressures. The actual dynamic pressure therefore follows from the combination of storage condition and action. The influence of the SSFI is transferred from the pressures to the stress distribution. The tank parameters slenderness and ratio of wall thickness to tank radius are identified as the decisive influencing variables on the overall dynamics. From the tank radius follows the radius of the foundation, which, together with the ground stratification, has the leading influence on the impedance. Like the ground movement, this is dominated by the shear modulus and the thickness of the ground layers. The complex interaction between the individual variables does not allow a general estimate of the stress distribution for tanks on compliant soils. Rather, a SSFI analysis must be carried out for each location and tank, which is possible with SSI-SALT at reasonable cost.

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