Riunione di coordinamentoLinea 2 – Sistemi speciali

Nuovo Progetto ReLUIS 2009-2012

Dipartimento di Ingegneria StrutturaleFacoltà di Ingegneria

Università di Napoli “Federico II”Via Claudio 21

Napoli, 02/03/2011

Nuovo Progetto ReLUIS 2009-2012:Unità di Ricerca UNIMOL

Università del Molise - Laboratorio StreGa

Personale Unità di Ricerca:• Prof. Giovanni Fabbrocino – giovanni.fabbrocino@unimol.it;• Prof. Filippo Santucci de Magistris – filippo.santucci@unimol.it;• Dr. Giovanni Lanzano – giovanni.lanzano@unimol.it;• Dr. Antonio di Carluccio – antonio.dicarluccio@unimol.it.

AT2.2 Linea 2.3 Task 2.2.3:Analisi sismica di lifelines e strutture

interrate di supportoAttività UR triennale:

a) Effettuare un significativo studio dello stato dell’arte delle tecniche di progettazione e di analisi (statica e dinamica) delle tipologie strutturali oggetto di studio;

b) Indagare sugli effetti dell’interazione terreno-struttura, dell’interazione tra il contenuto e la struttura stessa, nonché dell’interazione dell’intero sistema terreno-struttura-fluido;

c) Effettuare una stima della vulnerabilità sismica dei componenti industriali precedentemente definiti.

AT2.2 Linea 2.3 Task 2.2.3:Analisi sismica di lifelines e strutture

interrate di supportoObiettivi:

Fase 1 (12 mesi): Stato dell’arte delle tecniche di progettazione secondo le normative vigenti. Database di strutture omogenee e standardizzate (serbatoi di forma cilindrica; vasche interrate)

Fase 2 (24 mesi): Studio dei fenomeni di interazione terreno-struttura-fluido. Costruzione di modelli numerici avanzati agli elementi finiti. Modelli semplificati come calibrazione e confronto per i modelli numerici avanzati

Fase 3 (36 mesi): Analisi di vulnerabilità strutturale e geotecnica sui componenti. Compilazione di Linee Guida sulle tipologie e le modalità di analisi.

Northridge Earthquake (1994)Danni arrecati a serbatoi e tubazioni (Lau et al. 1995)Strutture interrate (tubazioni):Compression cracks Tension cracks Buckling Shear failure

Serbatoi fuori-terra (serbatoi metallici cilindrici):

Elephant foot Anchor pull out Uplift Collapse

Bam Earthquake (Iran) (2003)Leakage of water from tank wall

Settlement and tensile cracks observed in tank earth fill

Damage to tank foundation due to tank uplift

Darfield Earthquake (New Zealand) (2010)Aerial view of the Sewage Treatment plant at Bromley

Damage induced by liquefaction

Sewage pipe

Damage to stop-banks in the oxidation ponds

Maule Earthquake (Chile) (2010)Damaged Large Diameter Welded Steel Water Pipe

Oil tank sloshing spill over the rim

Typical Collapsed Elevated Small Steel Tank

Anno Terremoto Mw Reference Structure types Geotechnical aspects Structural aspects Effects of damage1933 Long Beach 6.3 Val Lund (2003) Petroleum storage

above and underground tanks

Ground shaking and failure

No damage to underground tanks, but possible cracks in the concrete lining. Severe damage to above ground steel tanks and pipe connections.

Collapse.Leakage.Service stop.

1933 Long Beach 6.3 Val Lund (2003) Water supply system

Ground shaking and failure

127 braks in cast iron pipelines. No damage to steel tanks, but to surrounding soil.

Collapse.Leakage.Service stop.

1980 Irpinia 6.8? Stratta et al. (1981)Cotecchia et al. (1986)

Water supply system

Ground shaking and failure.

Damage to underground tunnel (Pavoncelli).

Possible contamination of water. In some cases service stop.

1989 Loma Prieta 6.9 EERI (1990)NRC (1994)Mc Nutt (1990)

Water pipelinesGas and oil pipelines

Liquefaction Cracks

1994 Northridge 6.7 Lau et al. (1995) Lifelines Ground shaking and faliure

Damage to aboveground tanks and steel pipelines due to sloshing waves.

1995 Hyogoken-Nanbu (Kobe)

6.9 NIST (1996), Shinozuka (1995), UNCRD (1995)

Water supply and wastewater facilities

Ground shaking, liquefaction

Ruptures in the transmission pipelines. Higashimada plant was heavily damaged

Complete restoration in 1 year

2001 El Salvador 7.6 –6.6

Val Lund (2003) Water and wastewater system

Ground shaking Severe damage to treatments plants. Service stop.

2003 Boumerdes (Algeria) 6.8 EERI (2004) Wastewater system (pipelines)

Ground shaking Cracks at the station connections and dislodged pipe to pipe connections.

Service stop

2003 Boumerdes (Algeria) 6.8 EERI (2004) Wastewater system (treatment concrete semiburied plant)

Ground shaking Damage to RC columns and neoprene pads on the top of the concrete walls

Service stop

2003 Boumerdes (Algeria) 6.8 EERI (2004) Wastewater system (Elevated RC tank)

Ground shaking Collapse (1) and severely damaged (10) Content spillage and service stop.

2003 Bam (Iran) 6.5 Eshghi and Razzaghi (2004)

Three underground water tanks

Ground shaking, permanent displacement and fault displacement

Damage to un-reinforced stone masonry. Cracks at the joints of masonry wall.

Service stop due to water leakage.

2003 Bam (Iran) 6.5 Eshghi and Razzaghi (2004)

Steel oil tanks and pipelines

Ground shaking Rupture at the roof-wall junctions due to sloshing waves. Damage to foundation

Service stop due to oil leakage and tank emptying.

2009 L’Aquila 6.3 Nigro and Bilotta (2009)

Wastewater plants Ground shaking Partial collapse of the vessels walls. Damage in same case were pre-existing.

Service stop in case of collapse.

2009 L’Aquila 6.3 Tang and Cooper (2009)

Lifelines Ground shaking Damage to water transmission pipelines and gas pipelines

Service reduction.

2010 Maule (Chile) 8.8 TCLEE (2010) Water and wastewater system

Ground shaking and failure.

Damage to treatment plants and pipes due to inertial overload and permanent ground deformation

Before the earthquake the leak rate of water was 40%. After 60%.

2010 Maule (Chile) 8.8 TCLEE (2010) Gas and liquid fuel storage structure

Ground shaking and failure.

Roof floating due to local ground failure Spillover of product

2010 Darfield (New Zealand)

7.1 Orense (2010) Sewage treatment plant

Liquefaction Slumping of the pond bank, cracks a collapse of sewage pipes.

Service stop.

Tabella riassuntiva danni a lifelines (serbatoi e tubazioni)

Considerazioni relativamente ai danni osservati su alcune lifelines

• Sono stati considerati nella raccolta dati, i danni arrecati alla lifelinesdi stoccaggio e trasmissione di liquidi di origine civile ed industriale (acquedotto, fognatura, gas e petrolio);

• Le strutture interrate generalmente subiscono danni minori rispetto alla strutture fuori terra;

• Il comportamento sismico migliora all’aumentare del livello di confinamento laterale offerto dal terreno;

• Tuttavia le condizioni possono peggiorare se nel terreno si verificano fenomeni di rottura conseguenti all’evento sismico (liquefazione, frane, faglie attive);

• Molti danni sono stati osservati alle tubazioni sia metalliche che di cemento armato;

• Alcuni danni sono stati osservati anche a serbatoi interrati progettati e realizzati senza misure antisismiche.

Approccio multidisciplinareIngegneria Geotecnica

Ingegneria Strutturale

Ingegneria Idraulica

Ingegneria Industriale

Richiede la conoscenza anche di aspetti geofisici e geologici

Rischio sismico:• Scuotimento del mezzo•Liquefazione;• Frane;• Faglie attive;

Aspetti progettuali:• Verifiche allo stato limite ultimo;• Interazione terreno/struttura.

Tubazioni:• Rotture del rivestimento longitudinali e trasversali;• Dislocazione per il passaggio di faglie attive;• Instabilità;• Spostamento laterale.

Serbatoi:• Elephant foot;• Sollevamento della base;• Rotture nel rivestimento.

Liquidi a pelo libero:• Acque reflue;• Olii e gas liquidi;

Effetti dinamici:EC8 (Approccio

semplificato)• Componente rigido-impulsiva;• Componente convettiva.

Modelli a masse concentrate

Analisi dinamica interazione terreno-struttura-fluido

Rischi connessi con l’evento sismico:• Perdita di contenuto per i serbatoi:• inquinamento della falda;• incendi;• scoppi ed esplosioni;

Quantitative Risk Analysis (QRA):Stima delle conseguenze derivate da eventi naturali o in termini di perdite economiche, danni ambientali e di vite umane

Natural hazard of industrial storage plants

Tipologie di strutture interrate per impianti industriali

• Serbatoi cilindrici a sviluppo orizzontale:– Uso: Stoccaggio di carburante GPL;– Materiali: Acciaio;– Messa in opera: Si effettua scavo e rinterro, completamente al di sotto

del piano campagna o modificando il profilo del terreno. I serbatoi sono prefabbricati.

• Vasche interrate e semi-interrate:– Uso: decantazione e trattamento di liquidi pericolosi o inquinanti o

di risulta di un processo sia per scopi civili che industriali;– Materiali: Calcestruzzo armato.– Messa in opera: Le opere possono essere parzialmente o totalmente

interrate, talvolta senza solaio di copertura. Le opere sono realizzate in situ tramite uno scavo e la costruzione di opere di sostegno.

Serbatoi metallici interrati per stoccaggio GPL

35°

Soil and river sand

TK-02

1%

TK-01 TK-03 TK-04 TK-05 TK-06

1%

Layer of river sand (500 mm) Supported layer made ofcompacted soil and river sand

Supported embankment made ofselected mixed compacted soil

Volume[m3]

Diameter[m]

Length Tot.[m]

Thickness of cylinder

[mm]200 3.2 25.8 14420 4.0 34.8 18500 4.0 41.2 191000 5.5 44.0 241500 6.0 55.0 262000 6.6 60.0 303000 7.4 72.1 334000 7.8 86.4 345000 8.0 102.2 35

Typical geometry of underground steel tanks for industrial use:

Vasche di per il trattamento dei reflui civiliVasche circolari interrate

Impianto di sedimentazione secondaria

Vasche di per il trattamento dei reflui civiliVasche rettangolari interrate

Impianto di disinfezione: Impianto di denitrificazione:

Vasche per uso industrialeTrattamento delle acque reflue

Fogna oleosa e non-oleosa

Prescrizioni progettuali normativeEurocodice 8 parte 4

Prescrizioni generali:Stato limite ultimo:• The overall stability of the tank is ensured. The overall stability refers to rigid body behaviour and may be impaired by sliding or overturning. A limited amount of sliding may be accepted if tolerated by the pipe system and the tank is not anchored to the ground;• Inelastic behaviour is restricted within limited portions of the tank, and the ultimate deformations of the materials are not exceeded;• The nature and the extent of buckling phenomena in the shell are adequately controlled;• The hydraulic systems which are part of, or connected to the tank are designed so as to prevent loss of the tank content following failure of any of its components;

Prescrizioni progettuali normativeEurocodice 8 parte 4

Prescrizioni generali:Stato limite di servizio:a) Full integrity:

• The tank system maintains its tightness against leakage of the contents. Adequate freeboard shall be provided, in order to prevent damage to the roof due to the pressures of the sloshing liquid or, if the tank has no rigid roof, to prevent the liquid from spilling over;• The hydraulic systems which are part of, or are connected to the tank, are capable of accommodating stresses and distortions due to relative displacements between tanks or between tanks and soil, without their functions being impaired;

b) Minimum operating level:• Local buckling, if it occurs, does not trigger collapse and is reversible; for instance, local buckling of struts due to stressconcentration is acceptable

Prescrizioni normative EC8Serbatoi cilindrici orizzontali (non confinati)

Caso 1: 0,5<H/R<1,6Bisogna distinguere una componente impulsiva e una convettivaCaso 2: H/R>1,6Il liquido è solidale con il serbatoio.

Impulsive pressures on horizontal cylinder with H = R. Transverse excitation.

Dimensionless first convective mode frequency for rigid tanks of various shapes

Per H=RImpulsive mass:mi=0,4mConvective mass:mc=0,6m(first sloshing mode)

Prescrizioni normative EC8 Parte 5Hydrodynamic pressure on the outer face of the wall

The following aspects should be accounted for:a) the generally non-linear behaviour of the soil in the course of its dynamic

interaction with the retaining structure;b) the inertial effects associated with the masses of the soil, of the structure,

and of all other gravity loads which might participate in the interaction process;

c) the hydrodynamic effects generated by the presence of water in the soil behind the wall and/or by the water on the outer face of the wall;

( ) zhkzq wh ⋅⋅γ⋅±=87

Where:kh =α (S/r) is the horizontal seismic coefficient with r = 1;h is the free water height;z is the vertical downward coordinate with the origin at the surface of water.

In futuro: Modellazione numerica avanzataWork in progress: serbatoi orizzontali metallici interrati

-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1

00.10.20.30.40.5

0 5 10 15 20

a [g]

t [s]

0

5

10

15

20

25

30

0 200 400

z [m

]

Vs [m/ s]

Input parameters:

• Soil profile: Vs30 = 241 m/s Class C (EC8, NTC 2008)

Horizontal acceleration time history input(Tolmezzo, Friuli earthquake, 1976)

• Damping ratio frequency indipendentD=1%

Material parameters

thickness[m]

Soil layer 1 1Soil layer 2 2Soil layer 3 2Soil layer 4 5Soil layer 5 5Soil layer 6 5Soil layer 7 10

PGA~0.5g

• Linear visco-elastic model

• Rigid bedrock

EERA LS-Dyna

1D 2D

Free-field Soil/structure/fluid interaction

Frequency domain integration Time domain integration

Multi-layers continuum Finite element meshing

Features of the numerical codes adopted:

In futuro: Modellazione numerica avanzata

H

L=10H

H

L=10H

ssf

70%

Tank 1 Tank 2

Vertical1 Vertical2ssf2

Numerical analyses programme:Free-field analyses (LS-Dyna): 2D Numerical domain• ff1: Initial soil profile :

• EERA (1D);• LS Dyna (2D);

• ff2: Modification of soil profile:• LS Dyna (2D).

Single tank (LS-Dyna): • ss: soil/structure interaction;• ssf: soil/structure/fluid interaction.Two tanks (LS-Dyna): • ss2: soil/structure (empty tanks);• ssf2: soil/structure/fluid (one full tank);• ssff: soil/structure/fluid (two full tanks);

Considerazioni finali• Le strutture interrate generalmente subiscono danni minori rispetto alla

strutture fuori terra;• Il comportamento sismico migliora all’aumentare del livello di

confinamento laterale offerto dal terreno;• Tuttavia le condizioni possono peggiorare se nel terreno si verificano

fenomeni di rottura conseguenti all’evento sismico (liquefazione, frane, faglie attive);

• Lo studio del comportamento sismico di lifelines interrate richiede un approccio multidisciplinare che coinvolge vari ambiti (ingegneria geotecnica, strutturale, idraulica e industriale);

• Le strutture interrate per impianti industriali considerate sono di due tipi: serbatoi orizzontali cilindrici per GPL; vasche interrate per sedimentazione di acque reflue;

• In futuro: modellazione numerica avanzata.

GRAZIE!