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摘要
1999年，土耳其西北部两次地震对大量工业设施造成严重破坏，该地区是土耳其工业化程度最高的地区，其严重的破坏对经济发展有着非常重要的影响。工业储罐因为地震而破裂，在大火蔓延的过程中造成严重破坏。储罐是一种结构独特的圆柱形容器，有些由相对较短的钢筋混凝土柱支撑。本研究的主要目的是评价土耳其工业设施，特别是储罐的抗震性能。对工业设施的典型储罐进行建模有助于了解结构的地震响应。模型储罐结构被建模为集总质量和弹簧系统的实体。通过非线性方程分析，对40种不同的地震资料进行了性能估计。经过时间历史分析，脆性分析对储罐模型进行了概率地震评估。在模型结构上，对分析结果进行了评价和比较。在本研究中，确定了土耳其储罐的脆弱性，并根据分析结果确定了概率风险。
关键词：工业设施，储油罐，动态分析，时程分析，地震评估
第一章 引言
土耳其是最容易发生地震的国家之一。1999年8月17日，Kocaeli地震袭击了土耳其西北部，造成了大范围的财产损失，夺去了3万多人的生命(USGS, 2000)。地震发生在北安那托利亚断层系统的西部地区，震中位于伊斯坦布尔东南约100公里处。Kocaeli地震袭击的地区(图 1)支撑着土耳其大约40%的重工业。
图 1 土耳其地震图和北安那托利亚
在地震中，工业设施遭受了严重的破坏，而地震活动所引发的火灾也使破坏程度大大增加。1999年的Kocaeli(土耳其)、1964年的Niigata(日本)和1964年的阿拉斯加(美国)地震对工业设施造成了巨大的破坏。Tupras(土耳其炼油厂公司)炼油厂位于断层破裂处约2公里处，按照美国标准建造于1960年代，在Kocaeli地震中遭受了重大损失。该炼油厂自1999年以来一直归国家所有，2006年转为私有，并在随后几年进行了扩建。塔普拉斯炼油厂在经济上很重要，因为它与当时美国西部的炼油厂相似，因为它是按照与美国炼油厂(Korkmaz、Carhoglu和Sari)相同的建筑标准设计的。地震前，这家名为Tupras的炼油厂每天生产22万桶石油相关产品，约占土耳其总产量的三分之一，是欧洲第七大炼油厂。该炼油厂也是液化天然气的主要港口，也是国内和出口天然气的集散中心。塔普拉斯炼油厂受到强烈的震动和火灾的破坏，影响了港口设施、储罐、冷却塔、烟囱和原油加工设备。大火持续了5天，甚至在3天后才得到控制。图2中是科卡伊里地震后塔普拉斯炼油厂的鸟瞰图(土耳其出版社，1999年)。
图 2 Kocaeli地震后Tupras炼油厂的鸟瞰图
用于储存液体的储罐受到了特别的关注，因为储罐在地震中发生故障可能会引起无法控制的火灾，从而点燃邻近的储罐和建筑物，而有毒化学物质的泄漏可能会造成比地震本身更大的破坏。塔普拉斯精炼厂包括三个罐区的45个储罐;储罐中装有石脑油、原油或液化石油气。由于浮顶的晃动，石脑油从罐顶流出，并被浮顶与侧壁碰撞产生的火花点燃。受影响最严重的地区是石脑油罐区，火灾使6个钢制储罐熔化。总体而言，45个浮顶油罐中有30个严重受损。大多数损坏的储罐是按照西方(美国)的设计标准建造的。罐区的大火还蔓延到附近的一个冷却塔并将其烧毁。Kocaeli地震导致两起化学物质泄漏到伊兹米特湾的事件。首先，在装卸石脑油港口码头，一艘轮船挣脱并断开了管道连接，导致石脑油泄漏到伊兹米特湾。一个断裂的液化石油气装卸臂将大约35吨液化石油气释放到码头的海湾，造成了第二次事故。这两起事故在马尔马拉海海岸线上产生了一层厚厚的石油。储罐的失效会导致整个结构的灾难性倒塌。在文献中，各种调查考虑了储罐的损坏和失效;然而，在许多情况下，传统的程序不足以准确定义结构行为。因此，准确的结构行为定义需要对包含液罐结构和基础系统之间的相互作用进行非线性分析或有限元分析。
Dogangun、Karaca、Durmus和Sezen(2009)调查了筒仓损坏和故障，并讨论了它们的原因。介绍和讨论了世界各地筒仓的损伤和破坏情况。Sezen等人(2008)发表了关于在土耳其的Kocaeli地震中被损坏的储罐的研究。他们的发现对储罐很重要。Kieselbach(1997)研究了大型储罐并解释了其对环境的破坏和经济损失。Housner(1957)研究了液体罐上的动态压力。Abramson(1963)和Cooper(1960)研究了水箱与水的相互作用和结构行为。Epstein(1976)研究了圆柱形和矩形储罐的结构行为。他们在分析中使用了地震反应谱。他们改变了液体的高度，发现整个容器的负载值更高。Ramiah and Gupta(1966)研究了单自由度水箱在地震作用下的结构行为。James和Raba(1991)也使用不同的结构模型研究了液体罐的结构行为。他们用有限元法来确定应力和变形。Leon和Kaunsel(1984)考虑到美国石油协会API 650设计规范(1998)，对美国的油箱进行了研究。在本研究中，通过一个构建的模型对土耳其现有的工业储罐设施进行了研究，该模型采用了弹簧系统和弹簧系统来表示工业设施中的储罐，Sezen和Whittaker(2006)对此进行了详细的解释。本研究的主要目的是评估土耳其工业设施的抗震性能，特别是储罐的抗震性能。因此，根据Sezen和Whittaker(2006)给出的数据，建立了一个调查模型。图3为罐体模型。应用40个不同地震数据的非线性时程分析(USGS, 2010)，得到了储罐模型的性能估计。地震数据是从世界各地的A级和B级土壤中随机抽取的，平均为20个。在进行时程分析后，将脆性分析应用于罐体模型的概率地震评估，对模型的结果进行了评估和比较。
图 3 储罐模型
储罐性能评估
本研究通过直径为14.6 m,高度为18 m的结构模型研究了储罐结构的地震响应。该分析使用具有三个不同层的有限元建模: 0. 6 m钢-0.6 m 空气-0.6 m钢。立柱直径为500毫米;柱高为2500毫米;立柱加固为5000mm2 ;钢筋的屈服强度(fy) 为420 Mpa，混凝土的抗压强度(fc)为30 MPa。开发的储罐模型反映了Tupras炼油厂的储罐(请参见图3).图4显示样品已损坏且未损坏的储液罐。储罐采用固体元素集中质量建模，弹簧系统模拟储罐内部的液体。
图 4 损坏的储罐
图 5 弹簧质点模型
在分析中，有限元方法(FEM) 被用于结构研究。FEM是用于分析结构和结构构件的有效数值程序。这种方法已经有效地用于许多工程应用中。在FEM应用中，系统以有限元网格划分，而不是驱动方程式(Kircher, Nassar, Kustu和Holmes, 1997年)，考虑整个系统求解网格成员。边界条件成员叠加在整个系统的矩阵中。在对建筑物建模时，应考虑这两个关键的建模问题，即真实的结构行为和非线性材料关系的表示。 在分析中，使用了储罐和大众弹筻模型(Bayraktar和Hancer, 2005年). 该方案出现在图5而图6呈现水团行为根据以下说明，将MasseSpring 系统参数用于储罐的有限元建模Celep和Kumbasar(2000).对于储罐模型，时程分析使用了来自A和B类土壤的40种不同的地震地面加速度数据。非线性动态时程分析中使用的地震动数据出现在表1和2以及地震名称，地震日期，记录名称，组分，震级和断层类型的峰值地面加速度(PGA) 。时程分析确定的位移，以及图7和图8显示时间历史分析中的位移。
图 6 水的行为
图 7 A类土的位移值
图 8 B类土的位移值
表 1 来自A级土壤的地震数据
表 2 来自A级土壤的地震数据
第三章 地震概率评估
易碎性曲线是概率地震评估的量度，表示为在危险范围内进入以特定危险发生为条件的特定极限状态的概率慧，1991;Rossettoamp;Elnashai, 2003;温爱玲伍德韦内齐亚诺和布拉奇，2003年) Wen等。(2003)定义了 弱点能力函数为“遭受损失的概率至少等于指定的货币单位，以发生指定强度和强度的地震为条件白，2004).哈桑和索森(1997)描述了1992年土耳其Erz incan地震损坏的低层建筑物的地震脆弱性，有无砌石填充墙。此外，古尔坎和索森(1999)提出 了一种基于将有效横截面积与每个成员的总面积相关联的墙和柱索弓|来选择具有较高地震脆弱性的建筑物的方法。筱冢，冯，李和长沼(2000) 绘制了阪神高速公路公共公司桥梁在1995年神户地震中的经验脆性曲线。筱冢，冯金和金 (2000) 运用非线性静态程序来绘制孟菲斯桥梁的脆性曲线。杜莫娃乔瓦诺斯卡(2000)利用该区域的240个合成地面运动数据点，为马其顿的两个RC结构绘制了脆性曲线。Erberik和Elnashai (2004) 绘制了中层楼板RC建筑的脆性曲线。Akkar, Sucuoglu和Yakut(2005)，Ay, Erberik和Akkar (2006) ，Erberik (2007)和基西尔和波兰(2006)研究了土耳其中层R / C建筑物的脆弱性评估。Karimi和Bakhshi (2006) 建议的砌体建筑脆性曲线。卡里姆和山崎(2001 )研究了具有不同损伤参数和构造的脆性曲线的桥梁结构的易损性。脆性曲线具有广泛的应用范围，因此适合本研究。在本研究中，脆性分析确定了概率地震评估。用于储罐模型的概率地震响应评估考虑了地震地震动和结构响应的概率方面。，当前的研究对储罐模型进行了脆性分析和地震脆性曲线评估。任何结构的故障概率都可以用容量来定义(C)和响应(R)，如方程式所示
在本硏究中，储罐结构的易损性信息表示为地面运动的严重程度与达到或超过不同破坏程度的概率之间的关系。评估结构系统的地震易损性信息/曲线涉及：a)关于结构承载力的信宸，以及b)关于地震危害的信息。由于这两个脆弱性的影响因素在很大程度上不确定，因此通常不能以确定性的方式进行脆弱性评估。相反，需要使用一种概率方法，在该方法中，评估结构响应并将其与与结构损坏相关的响应量的“极限状态极限值进行比较。可以从一组数据中获得易碎性曲线，这些数据表示特定响应变量R(位移，漂移，加速度，损坏)超过特定结构或结构族上各种地震危险的预定极限状态的概率。脆性的数值计算需要预期响应及其可变性的信息。这涉及到结构的详细模型的创建以及数值技术在结构概率评估中的应用。
第四章 结论
减灾，备灾，响应和恢复是储罐抗震评估的重要步驟。因此，储罐的结构分析对于准确响应至关重要。时间历史分析可对储罐进行准确评估。这顶研究表明，储罐需要进行大量的结构工作，从经济角度来看，储罐是非常关键的结构。此外，就地震风险而言，可以为美国和土耳其的石化设施绘制一个链接。因此，这项研究对美国也可能是有益的。在研究的分析部分中，根据对40种不同地震数据进行的时程分析，储罐结构对于地震载荷至关重要。分析采用有限元法。位移结果的总结考虑了系统的几何形状，周期，质量和刚度，这对计算出的位移和力有重要影响。位移表明地震荷载在结构设计中是有效的。计算得出的位移也可用于支持本研究中分析的相似类型储罐的圆柱的概念设计。
根据图7和8，从时间历史分析来看，当距离增加时，地震数据8和9的洛马普里塔地震的位移减小。对于北棕榈泉地震数据11、12、13和14，计算了具有最大距离值的地震数据14的最大位移。另一方面，分析结果表明，当PGV值增加时，位移增加。对于土壤等级B的MorganHill地震，与地震数据2相比，地震数据3具有更高的位移， PGA值和更低的距离。根据表3给出了A类土壤的位移值，X和Y轴的最高位移值在地展数据3处，最低的在地震数据处
3.根据表4给出了B类土壤的位移值，X和Y轴的最高位移值为地震数据1，最低的为地震数据13。
在概率方法中，脆弱性分析定义了储罐模型的概率风险。为了进行概率评估，根据超出概率评估了在非线性分析中确定的位移极限。易碎曲线给出了储罐模型的失效概率值。图9表示罐模型的X和Y方向的脆性曲线。该图描述了储罐的结构地震风险。将这些曲线用于超出概率定义风险。根据风险评估，随着地震数据的PGA值越高，储罐结构的失效概率就越高。根据脆性分析结果，B土类地震数据的破坏概率高于A土类地震数据，X方向的破坏概率高于Y方向。
参考文献：
1.Abramson, H. N. (1963). Dynamic behavior of liquid in moving containers. ASME Applied Mechanical Review, 16(7), 501-506.
2.Akatsuka, H., amp; Kobayashi, H. (2010). Fire of petroleum tank, etc. b
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