Come si comportano i serbatoi per lo stoccaggio di liquidi non ancorati in caso di terremoto?
Essendo dei componenti essenziali dei sistemi di salvezza e di quelli industriali, i serbatoi di stoccaggio per liquidi devono essere tenuti al sicuro. Ma la dura verità è che non sono al sicuro: i guasti causati dai terremoti spesso hanno portato a fuoriuscite di materiali tossici nel corso degli anni, a volte causando degli effetti disastrosi. Uno degli esempi più notevoli fu il terremoto a Smirne nel 1999. I serbatoi di stoccaggio per liquidi nella raffineria Tupras vennero distrutti da vari incendi e bruciarono fuori controllo per diversi giorni. Approssimativamente 30 dei 45 serbatoi nella raffineria furono gravemente danneggiati, e una parte del petrolio fuoriuscito si riversò nella baia di Smirne. Visto che i serbatoi di stoccaggio per liquidi solitamente contengono petrolio, sostanze chimiche, fertilizzanti liquidi o prodotti per la lavorazione degli alimenti, questo è solo un esempio di come i danni a questi serbatoi e le conseguenti fuoriuscite di liquido possono causare gravi problemi sociali, economici e ambientali. “Quando questi serbatoi si trovano in regioni soggette a terremoti, essi dovrebbero essere progettati per sopportare gli effetti di un sisma e per rimanere efficienti anche una volta passata l’emergenza,” dice il dott. Bülent Erkmen, ricercatore all’Università Özyeğin e coordinatore del progetto LIFTING TANKS (Seismic Analysis of Liquid-Storage Tanks with a Focus on Tank-Base Uplift). Esistono due tipi di serbatoi di stoccaggio per liquidi: ancorati e non ancorati. I primi, il cui comportamento sismico è ben definito in codici di progettazione sismica come API-650 e Eurocode 8, richiedono solide fondamenta e un meccanismo di fissaggio sotto forma di bulloni al fine di resistere alla notevole forza dei carichi sismici. Affrontare le limitazioni degli standard di progettazione I serbatoi non ancorati, tuttavia, sono tutta un’altra storia. Essi sono particolarmente soggetti a danneggiamento durante i terremoti, e ciò nonostante il loro utilizzo è più diffuso poiché sono meno costosi. “Gli studi sulle prestazioni sismiche dei serbatoi non ancorati e l’effetto del sollevamento della base del serbatoio su queste prestazioni sono molto limitati,” dice il dott. Erkmen. “La maggior parte degli studi teorici e computazionali sui serbatoi non ancorati non include l’effetto di rottura da oscillazione dell’acqua, i carichi sismici verticali, e gli effetti del sollevamento della base del serbatoio sui carichi idrodinamici.” In altre parole, la risposta sismica dei serbatoi non ancorati durante i terremoti, che era al centro della ricerca di LIFTING TANKS, è ancora in gran parte sconosciuta. L’obiettivo principale di LIFTING TANKS era quello di fare chiarezza su questa risposta, oltre a valutare l’applicabilità delle attuali disposizioni sismiche per i serbatoi non ancorati. Dei dettagliati modelli 3D a “elementi finiti” (FE) del serbatoio che tengono in considerazione l’interazione tra liquido e struttura sono stati sviluppati e verificati, prima di essere usati per studiare le prestazioni sismiche di vari serbatoi per lo stoccaggio di liquidi sulla base di un numero elevato di registrazioni di terremoti per mezzo dell’analisi dinamica. Questi modelli prendono in considerazione caratteristiche del terremoto, geometria del serbatoio, livello del liquido contenuto e proprietà del suolo nel sito del serbatoio. “Ad esempio, i nostri studi e le nostre osservazioni sperimentali hanno dimostrato che la lunghezza radiale della piastra del fondo sollevata e il sollevamento della base, e quindi, l’effettiva resistenza del peso del liquido che entra in azione durante un terremoto, è notevolmente sottostimata dalle disposizioni API-650 per i serbatoi non ancorati. Le disposizioni API-650 prevedono inoltre una zona di compressione irrealisticamente stretta alla base del serbatoio, portando quindi a grandi tensioni compressive nella struttura del serbatoio,” fa notare il dott. Erkmen. Spazio di miglioramento Nel complesso, i risultati del progetto indicano che il tradizionale modello dell’analogia meccanica molla-massa, che funge da base per le attuali disposizioni per la progettazione sismica come API-650 e Eurocode 8, non può essere usato per prevedere il sollevamento della base di un serbatoio non ancorato e i suoi effetti sulle prestazioni sismiche del serbatoio. “Inoltre, le nostre scoperte suggeriscono che la sollecitazione trasversale massima della base del serbatoio e il momento, calcolati usando le attuali disposizioni sismiche, potrebbero non essere sufficienti per i serbatoi non ancorati. Le disposizioni sismiche dovrebbero essere più prudenti, le disposizioni per la progettazione sismica dovrebbero essere aggiornate, e si dovrebbero effettuare ulteriori ricerche,” sostiene il dott. Erkmen. Dato che il progetto prevedeva solo due anni di ricerca, esso non ha potuto includere nessun lavoro sperimentale e si è invece concentrato sui modelli matematici computazionali per prevedere il comportamento sismico del serbatoio. Tuttavia, il team è consapevole della necessità di effettuare degli studi sperimentali per convalidare questi modelli matematici. “Noi siamo molto interessati a portare avanti questa ricerca,” spiega il dott. Erkmen. “Le prestazioni sismiche di un serbatoio di stoccaggio per liquidi in scala ridotta verranno testate usando una tavola vibrante e i dati registrati di un terremoto presso l’istituto ospitante. L’oscillazione dell’acqua durante il carico sismico verrà registrata usando telecamere ad alta velocità, e i dati sperimentali verranno usati per convalidare ulteriormente i nostri modelli matematici. In generale, i nostri sforzi futuri si concentreranno sugli effetti del sollevamento della base del serbatoio su forza trasversale alla base del serbatoio, momento ribaltante, stabilità complessiva e deformazione della struttura del serbatoio, oscillazione dell’acqua nel serbatoio e requisiti del bordo libero.”
Parole chiave
Serbatoio per lo stoccaggio di liquidi, modello matematico, terremoto, LIFTING TANKS, Università Özyeğin, serbatoio non ancorato
