Jak niezakotwione zbiorniki magazynowe cieczy zachowują się w przypadku trzęsienia ziemi?
Zbiorniki magazynowe cieczy, jako kluczowe elementy systemów bezpieczeństwa i instalacji przemysłowych, muszą być bezpieczne. Jednak brutalna prawda jest taka, że nie są: na przestrzeni lat uszkodzenia spowodowane trzęsieniami ziemi często skutkowały wyciekiem toksycznych substancji, co miało w niektórych przypadkach katastrofalne następstwa. Jednym z najbardziej znanych przykładów jest trzęsienie ziemi w Izmirze w 1999 roku. Zbiorniki magazynowe cieczy należące do rafinerii Tupras zostały zniszczone przez ogień i przez kilka dni paliły się w niekontrolowany sposób. Poważnemu uszkodzeniu uległo około 30 z 45 zbiorników rafinerii, a część wyciekłego oleju przedostała się do Zatoki Izmirskiej. Ponieważ zbiorniki magazynowe cieczy zwykle zawierają oleje, chemikalia i nawozy płynne lub środki do przetwarzania żywności, powyższy przykład pokazuje, że uszkodzenia tych zbiorników i wynikające z nich wycieki mogą spowodować poważne problemy społeczne, ekonomiczne i środowiskowe. „Jeśli takie zbiorniki są budowane w regionie narażonym na trzęsienia ziemi, muszą być zaprojektowane tak, aby przetrwać trzęsienie i zachować swoją funkcjonalność” – mówi dr Bülent Erkmen, wykładowca na Uniwersytecie Özyeğin i koordynator projektu LIFTING TANKS (Seismic Analysis of Liquid-Storage Tanks with a Focus on Tank-Base Uplift). Istnieją dwa rodzaje zbiorników magazynowych cieczy: zakotwione i niezakotwione. Te pierwsze, których wymagane zachowanie w razie trzęsienia ziemi jest opisane w normach projektowych, takich jak API-650 czy Eurocode 8, wymagają stabilnych fundamentów i śrubowych systemów mocujących zdolnych wytrzymać duże obciążenia sejsmiczne. Walka z ograniczeniami norm projektowych Niezakotwione zbiorniki są zupełnie inne. Mimo wysokiej podatności na uszkodzenia podczas trzęsień ziemi są używane najczęściej – głównie z powodu niższych kosztów. „Dane dotyczące wytrzymałości sejsmicznej zbiorników niezakotwionych oraz wpływu wypiętrzania podstawy zbiornika na tę wytrzymałość są bardzo ograniczone” – twierdzi dr Erkmen. „Większość badań teoretycznych i modeli obliczeniowych zbiorników niezakotwionych nie uwzględnia skutku udarów wywołanych wodą przemieszczającą się w zbiorniku, pionowych obciążeń sejsmicznych ani wpływu wypiętrzania podstawy zbiornika na obciążenia hydrodynamiczne”. Innymi słowy, reakcja niezakotwionych zbiorników na ruchy sejsmiczne podczas trzęsienia ziemi, główny cel badawczy projektu LIFTING TANKS, nie jest znana. Uczestnicy projektu LIFTING TANKS zajęli się tym problemem, jak również oceną stosowalności obecnych wytycznych w zakresie bezpieczeństwa sejsmicznego do zbiorników niezakotwionych. Opracowane metodą elementów skończonych szczegółowe trójwymiarowe modele zbiorników, uwzględniające interakcje pomiędzy konstrukcją a wypełniającą ją cieczą, zostały sprawdzone pod kątem poprawności, a następnie zastosowane do zbadania wpływu oddziaływań sejsmicznych na różne zbiorniki magazynowe cieczy metodą analizy czasowej (THA) z wykorzystaniem licznych danych z zapisów trzęsień ziemi. Modele te uwzględniają charakterystykę trzęsienia ziemi, geometrię zbiornika, poziom cieczy w zbiorniku oraz właściwości podłoża w miejscu, w którym znajduje się zbiornik. „Przykładowo nasze badania doświadczalne i obserwacje wykazały, że w przypadku zbiorników niezakotwionych wytyczne normy API-650 w zakresie długości promienia wypiętrzonego dna zbiornika oraz wypiętrzenia podstawy, a tym samym wytrzymałości na obciążenie cieczą poruszającą się w czasie trzęsienia, są znacznie niedoszacowane. Norma API-650 przewiduje również nierealnie wąską strefę ściskaną w podstawie zbiornika, co powoduje wzrost obciążeń ściskających oddziałujących na płaszcz zbiornika” – zauważa dr Erkmen. Przestrzeń na poprawę Wyniki projektu pokazują, że tradycyjny, mechaniczny model analogowy sprężyna-masa, stanowiący podstawę obowiązujących obecnie norm sejsmicznych API-650 i Eurocode 8, nie nadaje się do przewidywania wypiętrzenia podstawy zbiornika niezakotwionego ani wpływu wypiętrzenia na zachowanie zbiornika podczas wstrząsów sejsmicznych. „Ponadto nasze odkrycia sugerują, że maksymalne całkowite siły poziome i moment obliczone na podstawie bieżących norm sejsmicznych w przypadku zbiorników poziomych nie są wystarczające. Normy sejsmiczne muszą być bardziej zachowawcze. Musimy zaktualizować wytyczne zawarte w normach projektowych i przeprowadzić więcej badań” – argumentuje dr Erkmen. Ponieważ projekt był przewidziany tylko na dwa lata, zamiast na pracy eksperymentalnej skupiono się na opracowaniu modeli matematycznych przewidujących zachowanie zbiornika podczas wstrząsów. Jednakże zespół ma świadomość, że do potwierdzenia poprawności stworzonych modeli matematycznych niezbędne są badania doświadczalne. „Jesteśmy mocno zainteresowaniu kontynuacją naszych badań” – wyjaśnia dr Erkmen. „Sprawdzimy odporność sejsmiczną przeskalowanego zbiornika magazynowego cieczy z wykorzystaniem stołu wstrząsowego i danych z trzęsień ziemi zarejestrowanych przez nasz macierzysty instytut. Ruch wody w zbiorniku podczas wstrząsów będzie rejestrowany za pomocą kamer poklatkowych, zaś dane z badania zostaną wykorzystane do dalszego sprawdzania poprawności naszych modeli matematycznych. Ogólnie rzecz biorąc, nasze kolejne wysiłki skupią się na wpływie wypiętrzenia podstawy zbiornika na siły ścinające przy podstawie, moment wywracający, ogólną stabilność i wyboczenia płaszcza zbiornika, ruch wody w zbiorniku oraz wymogi w zakresie wolnej przestrzeni w zbiorniku”.
Słowa kluczowe
Zbiorniki magazynowe cieczy, model matematyczny, trzęsienie ziemi, LIFTING TANKS, Uniwersytet Özyeğin, zbiornik niezakotwiony
