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Wie verhalten sich nicht verankerte Flüssigkeitsbehälter im Falle eines Erdbebens?

Die Anforderungen für den seismischen Widerstand verankerter Flüssigkeitsbehälter sind in den entsprechenden Bemessungsvorschriften eindeutig festgelegt. Aber sind diese Bestimmungen auf deren nicht verankerte Pendants anwendbar? Die unter dem Projekt LIFTING TANKS finanzierten Forscher entwickelten mathematische Modelle, um dies herauszufinden.
Wie verhalten sich nicht verankerte Flüssigkeitsbehälter im Falle eines Erdbebens?
Als essenzielle Komponenten der Lifeline und industrieller Systeme muss die Sicherheit von Flüssigkeitsbehältern gewährleistet sein. Die harte Realität sieht jedoch anders aus: Durch Erbeben verursachte Mängel haben im Laufe der Jahre oftmals zum Austreten giftiger Materialien geführt, die bisweilen eine verheerende Wirkung zeitigten.

Eines der deutlichsten Beispiele hierfür war das Izmir-Erdbeben im Jahr 1999. Flüssigkeitsbehälter der Tupras-Ölraffinerie wurden durch einen Brand zerstört und brannten mehrere Tage lang unkontrolliert aus. Etwa 30 der 45 Tanks der Raffinerie waren schwer beschädigt worden und Öl trat teilweise in die Bucht von Izmit aus. Da Flüssigkeitsbehälter üblicherweise Öl, Chemikalien, Flüssigdünger oder Lebensmittelverarbeitungsprodukte beinhalten, ist dies nur ein Beispiel dafür, wie eine Beschädigung dieser Tanks und anschließende Flüssigkeitslecks schwerwiegende Probleme für Gesellschaft, Wirtschaft und Umwelt verursachen können.

„Wenn sich solche Behälter in erdbebengefährdeten Regionen befinden, sollten diese so konzipiert sein, dass sie Auswirkungen von Erbeben standhalten und auch nach dem Beben noch funktionieren“, sagt Dr. Bülent Erkmen, außerordentlicher Professor an der Özyeğin-Universität und Koordinator des Projekts LIFTING TANKS (Seismic Analysis of Liquid-Storage Tanks with a Focus on Tank-Base Uplift).

Es gibt zwei vorhandene Arten von Flüssigkeitsbehältern: verankerte und nicht verankerte. Erstgenannte Behälter, deren seismisches Verhalten in Bemessungsvorschriften wie etwa API-650 und Eurocode 8 genau definiert ist, machen ein substanzielles Fundament sowie einen Befestigungsmechanismus in Form von Schrauben erforderlich, damit der beträchtlichen Kraft seismischer Belastungen standgehalten werden kann.

Die Einschränkungen von Bemessungsnormen adressieren

Bei nicht verankerten Flüssigkeitsbehältern gestaltet sich die Situation jedoch anders. Diese sind während Erdbeben einem besonderen Beschädigungsrisiko ausgesetzt, finden jedoch breitere Verwendung, da sie weniger kostenintensiv sind.

„Studien zum seismischen Verhalten nicht verankerter Behälter und die Auswirkungen eines Auftriebs der Behälterbasis auf dieses Verhalten sind sehr begrenzt“, sagt Dr. Erkmen. „Die meisten der theoretischen und rechnergestützten Studien zu nicht verankerten Behältern berücksichtigen nicht die Auswirkungen hin- und herschlagenden, brechenden Wassers, vertikaler seismischer Belastungen sowie die Auswirkungen eines Auftriebs der Behälterbasis auf die hydrodynamische Belastung.“

Anders ausgedrückt: Die seismische Reaktion nicht verankerter Behälter während Erdbeben, die im Fokus der Forschung von LIFTING TANKS stand, ist immer noch größtenteils unbekannt.

Das oberste Ziel von LIFTING TANKS bestand darin, diese Reaktion zu enthüllen sowie die Anwendbarkeit der derzeitigen seismischen Bestimmungen für nicht verankerte Behälter zu beurteilen. Es wurden detaillierte 3D-„Finite-Elemente“ (FE)-Behältermodelle entwickelt und verifiziert, welche die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Struktur berücksichtigen. Anschließend wurden diese auf Grundlage einer Vielzahl an Erdbebenaufzeichnungen mithilfe einer zeitlichen Verlaufsanalyse zur Untersuchung des seismischen Verhaltens verschiedener Flüssigkeitsbehälter verwendet. Diese Modelle berücksichtigen die Erdbebenmerkmale, die Behältergeometrie, den Flüssigkeitsstand und die Bodeneigenschaften am Behälterstandort.

„Unsere experimentellen Untersuchungen und Beobachtungen haben beispielsweise gezeigt, dass die radiale Länge von aufgetriebenen Bodenplatten sowie der Basisauftrieb und folglich der tatsächliche Widerstand des flüssigen Gewichts, das während eines Erdbebens mobilisiert wird, von den API-650-Vorschriften für nicht verankerte Behälter substanziell unterschätzt wird. Die API-650-Vorschriften sehen außerdem eine unrealistisch enge Druckzone an der Basis des Tanks vor, was zu großen Druckbelastungen im Behältergehäuse führt“, merkt Dr. Erkmen an.

Raum für Verbesserungen

Die Projektergebnisse legen insgesamt nahe, dass das traditionelle mechanische Feder-Masse-Analogie-Modell, welches als Grundlage für aktuelle Bemessungsvorschriften wie API-650 und Eurocode 8 fungiert, nicht zur Prognose des Basisauftriebs nicht verankerter Behälter und dessen Auswirkung auf das seismische Verhalten von Behältern verwendet werden kann.

„Unser Erkenntnisse legen ferner nahe, dass die maximale Basisscherung von Behältern und das Moment, mit denen bei den aktuellen seismischen Bestimmungen gerechnet wird, für nicht verankerte Behälter unzureichend sein könnten. Die seismischen Bestimmungen sollten konservativer sein, die seismischen Bemessungsvorschriften sollten aktualisiert werden und es sollte mehr Forschung durchgeführt werden“, meint Dr. Erkmen.

Da das Projekt lediglich zwei Forschungsjahre umspannte, konnten keine experimentellen Arbeiten integriert werden. Stattdessen fokussierte man sich zur Prognose des seismischen Verhaltens von Behältern auf rechnergestützte mathematische Modelle. Das Team ist sich allerdings bewusst, dass zur Validierung dieser mathematischen Modelle experimentelle Studien erforderlich sind.

„Wir sind sehr daran interessiert, diese Forschung weiter zu verfolgen“, erklärt Dr. Erkmen. „Das seismische Verhalten eines skalierten Flüssigkeitsbehälters wird unter Verwendung eines Schütteltischs und aufgezeichnete Erdbebendaten werden in dem Gastinstitut getestet. Das Hin- und Herschlagen von Wasser im Rahmen einer Erdbebenbelastung wird mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet und die experimentellen Daten werden zur weiteren Validierung unserer mathematischen Modelle genutzt. Insgesamt gesehen werden im Fokus unserer zukünftigen Maßnahmen die Auswirkungen eines Behälterbasis-Auftriebs auf die Behälterbasis-Scherkraft, auf ein Überschreiten des Drehmoments, auf die insgesamte Stabilität sowie auf Behältergehäuseverformungen, das Hin- und Herschlagen von Behälterwasser und die Mindestabstandsanforderungen stehen.“

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

Flüssigkeitsbehälter, mathematisches Modell, Erdbeben, LIFTING TANKS, Özyegin-Universität, nicht verankerter Behälter
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