Il fenomeno di sloshing in un serbatoio cilindrico soggetto ad azioni sismiche : modellazione numerica e strategie di isolamento

In the present thesis project, the benefits deriving from the introduction of a seismic isolation system in an existing tank were evaluated through numerical analysis carried out with the finite element software Abaqus v. 6.13. In the first chapters, the actions at the base of the internal circular tank caused by the motion of the fluid due to an earthquake in the horizontal direction have been obtained analytically. The maximum values of the reactions at the base of the container were evaluated by applying the response spectrum method to the equivalent mechanical model proposed by R. Ibrahim and those provided by EC8. Subsequently, several 3D models were developed in order to verify the correct static and dynamic behavior of the finite element discretization adopted for the tank and for the fluid. The latter has been implemented by means of brick elements and the use of ALE, an Adaptive meshing technique that allows to model in an effective way the phenomenon of sloshing by appropriately modifying the properties of the fluid. After the correct modelling of the modal characteristics of the fluid has been assessed, the tank was subjected to 8 spectrum-compatible accelerograms. The discrepancy found in comparison with the analytical results led to the development of a new model in which only a portion of the liquid was modelled as a deformable body. The results obtained are in good agreement with the analytical ones and highlight some problems related to the portion of the fluid defined as impulsive by the regulations. In the last chapter several models with increasing complexity will be proposed, with and without isolators, in order to evaluate the effectiveness of the introduced isolation system, for which high-damping isolators HDRB have been used. In particular the different static and kinematic quantities of interest will be analyzed in the detail, before and after the introduction of the isolation system, to evaluate the viability of the intervention.

Nel presente elaborato di tesi sono stati valutati i benefici derivanti dall’introduzione di un sistema di isolamento sismico in un serbatoio esistente tramite analisi numeriche svolte con il software ad elementi finiti Abaqus v. 6.13. Nei primi capitoli sono state ricavate analiticamente le azioni alla base del solo serbatoio circolare interno provocate dal moto del fluido per il caso di sisma in direzione orizzontale. I valori massimi delle reazioni alla base del contenitore sono stati valutati applicando il metodo dello spettro di risposta al modello meccanico equivalente proposto da R. Ibrahim ed a quelli previsti dall’EC8. Successivamente, sono stati sviluppati diversi modelli 3D volti a verificare nel dettaglio il corretto comportamento statico e dinamico delle discretizzazioni ad elementi finiti adottate per il serbatoio e per il fluido, realizzata, per quest’ultimo, mediante elementi di tipo brick e l’utilizzo dell’ALE, tecnica di Adaptive meshing, che permette di modellare efficacemente il fenomeno dello sloshing modificando in maniera appropriata le proprietà del fluido. Dopo aver accertato la corretta modellazione delle caratteristiche modali del fluido il serbatoio è stato sottoposto ad 8 accelerogrammi spettrocompatibili. La discrepanza riscontrata con i risultati analitici ha condotto allo sviluppo di un nuovo modello in cui soltanto una porzione del liquido è stata modellata come un corpo deformabile. I risultati ottenuti sono compatibili con quelli analitici ed evidenziano alcune problematiche relative alla porzione del fluido definita come impulsiva dalla normativa. Nell’ultimo capitolo verranno proposti diversi modelli a complessità crescente, con e senza isolatori, al fine di valutare l’efficacia del sistema di isolamento introdotto, per il quale sono stati utilizzati degli isolatori ad alto smorzamento HDRB. In particolare le diverse quantità statiche e cinematiche verranno analizzate nel dettaglio, prima e dopo l’introduzione del sistema di isolamento, per valutare l’attuabilità dell’intervento.