Boden-Bauwerk-Fluid-Interaktion flüssigkeitsgefüllter Tankbauwerke auf nachgiebigen, vielfach geschichteten Böden unter seismischer Einwirkung

• Soil-structure-fluid-interaction of liquid-filled tanks on compliant mulit-layered soils under earthquake action

Michel, Philipp; Klinkel, Sven (Thesis advisor); Könke, Carsten (Thesis advisor); Butenweg, Christoph (Thesis advisor)

Aachen : Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Bauingenieurwesen, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriftenreihe des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik der RWTH Aachen University 11
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Ziel dieser Thesis ist die seismische Analyse der Boden-Bauwerk-Fluid-Interaktion (BBFI) von flüssigkeitsgefüllten Tankbauwerken, gegründet auf nachgiebigen, vielfach geschichteten Böden. Die Flüssigkeitsbewegung im Erdbebenfall unterteilt sich in eine konvektive Schwappbewegung und eine gemeinsame impulsive Biegeschwingung von Fluid und Tankschale. Infolge der Fluidbewegung stellen sich dynamische Flüssigkeitsdrücke ein. Aus diesen folgt die Spannungsverteilung in der Tankschale, welche zur Bemessung der Struktur dient. Die Lagerung der Struktur auf nachgiebigen Böden hat einen deutlichen Einfluss auf die Gesamtdynamik der Tankschale. Ein leistungsfähiges Modell ist erforderlich, um alle dynamischen Interaktionseffekte gemeinsam darzustellen und Spannungsverläufe im Erdbebenfall zu berechnen. Ein Ingenieurmodell zur zielgerichteten und effektiven ganzheitlichen Berechnungen der BBFI wird vorgestellt. Mit einem praxistauglichen Ein-Schritt-Verfahren werden dynamische Flüssigkeitsdrücke und Spannungsverteilungen in der Tankschale berechnet. Im Sinne der Substrukturmethode wird das Gesamtmodell in Bodenmodell und Bauwerk-Fluid-System unterteilt. Diese werden zunächst einzeln betrachtet und zur finalen Analyse gekoppelt. Die Routine SSI-SALT nutzt die Precise-Stiffness-Matrix-Method als Bodenmodell und das Added-Mass-Verfahren zur Simulation der Tankschale, um die BBFI-Effekte möglichst genau abzubilden, aber in praxisorientierten Untersuchungen anwendbar zu bleiben. Die Tankschale wird mit den Impedanzfunktionen des Fundament-Boden-Systems gekoppelt. Als Einwirkung auf die Tankschale werden sowohl normative Antwortspektren, als auch dem Bodenaufbau entsprechend amplifizierte Erdbebenspektren eingesetzt. Am Gesamtsystem können ohne weitere Zwischenschritte die Spannungsverläufe infolge Erdbebeneinwirkung berechnet werden. Im Vergleich zur starren Lagerung erlauben nachgiebige Böden eine größere Starrkörperrotation von Fundament und Tankschale. Dementsprechend wird die Schale weniger stark verformt, was einen geringeren impulsiven Druck nach sich zieht. Eine stärkere Anregung führt zwangsläufig zu größeren Fluiddrücken. Der tatsächliche dynamische Druck folgt aus der Kombination von Lagerungsbedingung und Einwirkung. Der Einfluss der BBFI überträgt sich von den Drücken auf die Spannungsverteilung. Als maßgebliche Einflussgrößen auf die Gesamtdynamik werden die Tankparameter Schlankheit und das Verhältnis von Wandstärke zu Tankradius identifiziert. Aus dem Tankradius folgt der Radius des Fundamentes, der gemeinsam mit der Bodenschichtung den führenden Einfluss auf den Impedanzverlauf hat. Dieser wird, ebenso wie die Bodenbewegung, von dem Schubmodul und der Mächtigkeit der Bodenschichten beherrscht. Die komplexe Wechselwirkung zwischen den einzelnen Größen erlaubt keine pauschale Abschätzung der Spannungsverteilung für Tanks auf nachgiebigen Böden. Vielmehr muss für jeden Standort und Tank eine BBFI-Analyse durchgeführt werden, was mit SSI-SALT mit vertretbarem Aufwand möglich ist.