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Le comportement des réservoirs de stockage de liquide non ancrés lors des séismes

Les normes parasismiques des réservoirs ancrés destinés à stocker des liquides sont clairement définies par des dispositions particulières. Mais ces dispositions sont-elles applicables à leurs homologues non ancrés? Grâce à un financement de l'UE, les chercheurs du projet LIFTING TANKS ont développé des modèles mathématiques pour tenter de répondre à cette question.
Le comportement des réservoirs de stockage de liquide non ancrés lors des séismes
Éléments essentiels des services vitaux et des systèmes industriels, les réservoirs de stockage de liquide doivent être maintenus en sécurité. Mais la dure vérité est qu'ils ne le sont pas: au cours des années, les dommages causés par les séismes ont souvent provoqué le déversement de produits toxiques, avec parfois des effets désastreux.

Le tremblement de terre d'Izmit en 1999 en est l'un des exemples les plus notables. Des réservoirs de stockage de liquide de la raffinerie Tupras ont été détruits par le feu et ont brûlé, hors de contrôle, pendant plusieurs jours. Environ 30 réservoirs sur les 45 que comptait la raffinerie ont été gravement endommagés, et une partie du pétrole s'est déversé dans la baie d'Izmit. Les réservoirs de stockage de liquides contiennent en général du pétrole, des produits chimiques, des fertilisants liquides ou des produits de transformation alimentaire, et cet évènement a illustré comment les dommages causés à ces réservoirs et les fuites qui en résultent peuvent entraîner des problèmes sociaux, économiques et environnementaux graves.

«Quand ces réservoirs sont situés dans des régions sujettes aux séismes, ils doivent être conçus pour y résister et rester fonctionnels après le séisme», déclare le docteur Bülent Erkmen, professeur assistant à l'Université Özyegin et coordinateur du projet LIFTING TANKS (Seismic Analysis of Liquid-Storage Tanks with a Focus on Tank-Base Uplift).

Il existe deux types de réservoirs de stockage de liquide: ceux qui sont ancrés et ceux qui ne le sont pas. Les premiers, dont le comportement en cas de séisme est bien établi en vertu de codes de conception sismiques tels que l'API-650 et l'Eurocode 8, nécessitent des fondations solides et un mécanisme de fixation constitué de boulons, qui leur permettent de résister à la force considérable des charges sismiques.

Faire face aux limites des normes de conception

Pour les réservoirs non ancrés, c'est une autre histoire. Particulièrement vulnérables aux séismes, ils sont beaucoup plus utilisés car moins chers.

«Les études sur les performances sismiques des réservoirs non ancrés et les effets du soulèvement de leur base sont très limitées», déclare le Dr Erkmen. «La plupart des études théoriques et informatiques sur les réservoirs non ancrés n'intègrent pas l'effet de rupture dû au balancement du fluide, les charges sismiques verticales et les effets du soulèvement de la base du réservoir sur les charges hydrodynamiques.»

En d'autres termes, la réponse sismique des réservoirs non ancrés pendant les tremblements de terre, qui était au cœur de la recherche de LIFTING TANKS, est encore largement méconnue.

Le principal objectif de LIFTING TANKS était de lever le voile sur cette réponse, ainsi que d'évaluer l'applicabilité des normes antisismiques actuelles pour les réservoirs non ancrés. En utilisant la méthode des éléments finis, les chercheurs ont développé et vérifié des modèles détaillés de réservoir en 3D tenant compte de l'interaction liquide-structure. Ils les ont ensuite utilisés pour étudier les performances sismiques de divers réservoirs de stockage de liquide en se basant sur un grand nombre de données sismiques enregistrées et en utilisant une analyse dynamique dans le temps. Ces modèles prennent en compte les caractéristiques du séisme, la géométrie du réservoir, le niveau du contenu liquide et les propriétés du sol sur le site du réservoir.

«Nos études et observations expérimentales ont ainsi démontré que la longueur radiale de la plaque de fond soulevée et le soulèvement de la base, et par conséquent la résistance réelle au poids du liquide mis en mouvement pendant un séisme, sont fortement sous-estimés par les dispositions de l'API-650 relatives aux réservoir non ancrés. Les dispositions de l'API-650 prévoient également une zone de compression beaucoup trop étroite au pied du réservoir, ce qui conduit à des contraintes compressives considérables sur ses parois», fait remarquer le Dr Erkmen.

Des améliorations sont possibles

Globalement, les résultats du projet indiquent que le modèle d'analogie mécanique masse-ressort traditionnel, qui sert de base pour les normes antisismiques actuelles comme l'API-650 et l'Eurocode 8, ne peut pas être utilisé pour prévoir le soulèvement de la base des réservoirs non ancrés et ses effets sur leurs performances sismiques.

«De plus, nos résultats suggèrent que le cisaillement en base et le moment maximum calculés en utilisant les normes antisismiques actuelles ne correspondent pas à la réalité des réservoirs non ancrés et que ces normes sont donc insuffisantes. Les normes antisismiques devraient être mises à jour afin d'être plus strictes, et il faudrait mener des recherches supplémentaires», affirme le Dr Erkmen.

Comme le projet ne prévoyait que deux années de recherche, il ne pouvait pas comprendre d'études expérimentales et s'est plutôt axé sur des modèles mathématiques destinés à prévoir le comportement du réservoir en cas de séisme. L'équipe est cependant consciente que des études expérimentales sont nécessaires pour valider ces modèles mathématiques.

«Nous souhaitons vivement poursuivre cette recherche», explique le Dr Erkmen. «Les performances sismiques d'un réservoir de stockage de liquide à l'échelle seront testées en utilisant une table vibrante et des données sismiques enregistrées à l'institut d'accueil. Le balancement du fluide durant la charge sismique sera enregistré en utilisant des caméras à grande vitesse, et des données expérimentales seront utilisées pour valider nos modèles mathématiques. Globalement, nos futurs efforts s'intéresseront aux effets du soulèvement de la base du réservoir sur la force de cisaillement de sa base, au moment de basculement, à la stabilité globale et à la déformation de la paroi du réservoir, au balancement du fluide dans le réservoir et aux exigences relatives au franc-bord.»

Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

Réservoir de stockage de liquide, modèle mathématique, séisme, LIFTING TANKS, Université Özyegin, réservoir non ancré