Gemi Mühendisliği ve Sanayimiz Sempozyumu, 24-25 Aralık 2004 SİLİNDİRİK DENİZ DEPOLARININ SİSMİK İZOLASYONLA İNCELENMESİ Doç. Dr. Nicat MESTANZADE 1, Araş. Gör. Gökhan YAZICI 2 ÖZET Silindirik deniz depoları genellikle petrol veya LNG gibi tehlikeli sıvıları depolamak için kullanılmaktadır ve bu depoların önemli bir bölümü deprem bölgelerinde yer almaktadır. Bu çalışmada, yanal deprem kuvvetlerini azaltmak için sismik izolasyon tekniği kullanılmıştır. Sismik izolasyon tekniğinde, üst yapı ile zemin arasına esnek bir tabaka yerleştirilerek yapıya etkiyen deprem kuvvetleri önemli ölçüde azaltılmaktadır. Aynı geometriye sahip sismik izolasyonlu ve sabit tabanlı iki petrol tankının deprem altındaki davranışı karşılaştırılmış ve iç ve dış hidrodinamik kuvvetlerde önemli bir azalma görülmüştür. Anahtar kelimeler: Sismik izolasyon, Deniz depoları 1. Giriş Silindirik deniz depoları genellikle petrol veya LNG gibi tehlikeli sıvıları depolamak için kullanılmaktadır ve bu depoların önemli bir bölümü deprem bölgelerinde yer almaktadır. Bu yapılarda deprem sonucu ortayan çıkan yangınların kontrol edilmesi güç olmakta ve çevredeki diğer yapıların da hasar görmesine ve önemli ekonomik kayba neden olmaktadır. Buna ek olarak, yakıt sızıntıları ve zehirli kimyasal bulutları büyük ölçüde çevre felaketlerine yol açmaktadır (Niigata, 1964, Miyagi-Ken-Oki,1978 ve Kocaeli, 1999). Kocaeli depreminde Tüpraş rafinerisinde bulunan yüzen-çatılı (floating roof) Naphta yakıt tanklarından birinde çıkan yangın, çevredeki diğer tanklara da yayılmış ve yaklaşık 500 milyon dolarlık ekonomik kayba neden olmuştur. Tüpraş rafinerisinde bulunan Naphtha yakıt tanklarında oluşan hasarlar Şekil 1 de görülmektedir. 1 İstanbul Kültür Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü n.mestanzade@iku.edu.tr 2 İstanbul Kültür Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü gokhanyazici@iku.edu.tr 187
Nielsen [10] tarafından yapılan bir araştırmada 1933 ile 1983 yılları arasında petrol rafinerilerinde deprem nedeniyle oluşan deprem hasarları detaylı olarak incelenmiş ve performanslarının arttırılması gerektiğinin altı çizilmiştir. Malhotra [7], [8] tarafından yapılan araştırmalarda da silindirik çelik sıvı tanklarının depremlerde hasar görmeye oldukça müsait olduğu ve sismik performanslarının arttırılması için yeni yöntemlerin geliştirilmesi gerektiği vurgulanmıştır. Şekil 1. Tüpraş rafinerisinde bulunan Naphta yakıt tanklarında oluşan hasarlar Silindirik çelik sıvı tanklarında gözlenen başlıca deprem hasarları aşağıda sıralanmıştır. Devirme (overturning) momentinin yarattığı eksenel basınç gerilmelerinin tank duvarının alt kısmında oluşturduğu elastik-plastik burkulma. (Şekil-2) Eksenel basınç gerilmelerinden dolayı tank duvarının elastik burkulması. (Şekil-3) Tankın üst kısmında düşük basınç sebebiyle oluşan elastik burkulma Tank tavanının göçmesi Yere sabitlenmemiş tanklarda alt levha ile tank duvar arasındaki bağlantının kırılması Temelde farklı oturmalar Tanka bağlı boruların çatlaması veya kırılması Tankın kayması Sıvı tanklarının depremlerde hasar görmelerinin başlıca nedenlerinden biri rezonans olgusudur. Büyük kapasiteli silindirik çelik sıvı tanklarının titreşim periyotları genellikle 0,10s ile 0,50s arasında değişmektedir. Bu periyot aralığı aynı zamanda kuvvetli yer hareketlerinin maksimum enerjiyi içerdiği periyot aralığına denk gelmektedir. Çelik sıvı tanklarının depremde hasar görmelerinin bir başka nedeni de, büyük miktarlardaki sismik enerjiyi sönümleyecek bir süneklik mekanizmasına sahip olmamalarıdır. Bu sorunlarının çözümü için değişik yaklaşımlar araştırılmaktadır. Bu yaklaşımlardan birisi de sismik izolasyon yöntemidir. 188
Sismik izolasyon sisteminin tanklarda kullanlıması durumunda tankın titreşim periyodu uzamakta ve dolayısıyla da rezonans aralığından uzaklaşılmaktadır. Bu sistemin diğer bir avantajı da enerji sönümü için bir mekanizma sunmasıdır. a. b. Şekil 2. Tanklarda deprem nedeniyle oluşan fil ayağı tipi burkulma (Şekil 2a.Malhotra ve diğ., 2003 [8]) (Şekil 2b.Bolt ve diğ., 1986[13]) Şekil 3. Tanklarda deprem nedeniyle oluşan elastik burkulma (Diamond-shaped buckling) (Niwa ve Clough, 1982 [11]) Yakın geçmişte, Güney Kore de ve Yunanistan da yüksek kapasiteli iki LNG (Sıvılaştırılmış Doğal Gaz) tankına sismik izolasyon uygulanmıştır. Sismik izolasyon sistemleri bir sonraki alt başlıkta yüzeysel olarak tanıtılacaktır. Sismik izolasyon sistemleri hakkında daha ayrıntılı bilgi [9] ve [12] den elde edilebilir. Bu çalışmada, ilk olarak sıvı tanklarının dinamik analizi kısaca tarif edilecek ve örnek bir sıvı tankında deprem etkisi altında oluşan taban kesme kuvveti ve devrilme momenti hesaplanacaktır. Bir sonraki aşamada aynı tanka sismik izolasyon uygulandığında deprem etkisi altında oluşan taban kesme kuvveti hesaplanacaktır. En son olarak da, deniz altındaki bir sıvı deposunda sismik izolasyonun etkinliği incelenecektir. 189
2. Sıvı tanklarının dinamik analizi Sıvı tanklarının dinamik analizi genellikle sürekli sıvı kütlesinin, impulsif ve konvektif modlarını temsil eden genelleştirilmiş tek serbestlik dereceli sistemlerin kullanılmasıyla yapılmaktadır (Şekil 4). Çoğu mühendislik uygulamasında, implusif ve konvektif modların sadece ilk modlarının kullanılması yeterli olmaktadır. m c H r h i m i h c Şekil 4. Sıvı deposunun basitleştirilmiş dinamik modeli (Malhotra, 2000 [8]) Sıvı tanklarının önemli bir kısmının yüksek sismik risk altında bulunan bölgelerde bulunması, bu yapıların dinamik modellenmesi konusunda çok sayıda araştırma yapılmasına neden oldu. Sıvı tankları ile ilgili ilk dinamik modelleme ve analiz çalışmaları 1950 lerde başladı. Housner [4], [5] rijit tankların hidrodinamik davranışını sürekli sıvı kütlesini impulsif ve konvektif kütle olmak üzere iki parça halinde incelenebileceğini kabul ederek modelledi. Haroun, [3] Housner in modelini tankın esnekliğini göz önünde bulunduracak şekilde genişletti. Haroun un modelinde sürekli sıvı kütlesi, konvektif kütle, impulsif kütle ve rijit kütle olarak üç parça halinde incelenebileceğini kabul ederek modelledi ve bu kütlelerin dinamik özelliklerinin tayin edilebilmesi için abaklar hazırladı. Bu modelde rijit kütle, tank dibinde olan ve tankla beraber rijit olarak hareket eden sıvı kütlesini; impulsif kütle, rijit kütleninn üzerinde bulunan ve tankla aynı yönde hareket eden sıvı kütlesini; konvektif kütle ise tankın en üstünde bulunan ve çalkalanmaya neden olan sıvı kütlesini temsil etmektedir. Daha sonra dinamik davranışın sadece impulsif ve konvektif kütlenin 1. mod davranışlarını göz önünde bulundurularak yeterli doğrulukta tahmin edilebileceği Kim [6] tarafından deneysel olarak ve Malhotra tarafından da [8] nümerik olarak gösterilmiştir. Bu çalışmada Malhotra tarafından geliştirilen basitleştirilmiş dinamik model kullanılmaktadır. Bu model Şekil 4 de şematik olarak gösterilmiştir. İmpulsive ve konvektif kütlelerin doğal titreşim periyotları, (1) ve (2) ifadeleriyle hesaplanabilir. T imp H ρ = Ci (1) h r E Tcon = Cs r (2) 190
Burada, h tank duvarının kalınlığını, ρ sıvının özkütlesini ve E tank duvarının elastisite modülünü temsil etmektedir. C i ve C c katsayıları Tablo 1 den enterpolasyonla elde edilebilir. İmpulsif ve konvektif kütlelerin toplam sıvı kütlesine oranı da Tablo 1 den elde edilebilir (Malhotra, 2000 [8]). Tablo 1. Basitleştirilmiş dinamik model parametrelerinin tavsiye edilen değerleri H/r C i C c [s/m 0,5 ] m i /m l m c /m l h i /H h c /H 0,3 9,28 2,09 0,176 0,824 0,400 0,521 0,5 7,74 1,74 0,300 0,700 0,400 0,543 0,7 6,97 1,60 0,414 0,586 0,401 0,571 1,0 6,36 1,52 0,548 0,452 0,419 0,616 1,5 6,06 1,48 0,686 0,314 0,439 0,690 2,0 6,21 1,48 0,763 0,237 0,448 0,751 2,5 6,56 1,48 0,810 0,190 0,452 0,794 3,0 7,03 1,48 0,842 0,158 0,453 0,825 Sıvı tankına etkiyen toplam taban kesme kuvveti, (3) ifadesiyle hesaplanabilir. ( m + m + m ) S T ) m S ( T ) Q = + (3) i w r e( imp c e con Burada, m w tank duvarının kütlesini, m r tank çatısının kütlesini, S e (T imp ) impulsif spektral ivmeyi ve S e (T con ) konvektif spektral ivmeyi temsil etmektedir. S e (T imp ) impulsif spektral ivmesi, çelik ve öngermeli beton tanklarda %2 sönümlü elastik davranış spektrumundan ve yerinde dökme betonarme tanklarda ise %5 sönümlü elastik davranış spetrumundan elde edilmektedir. S e (T con ) konvektif spektral ivmesi ise %0,5 sönümlü elastik davranış spektrumundan elde edilebilir. Sıvı tankında dinamik yükleme sonucu oluşan devrilme momenti M, (4) ifadesiyle hesaplanabilir. ( m h + m h + m h ) S T ) m h S ( T ) M = + (4) i i w w r r e ( imp c c e con Burada, h i ve h c sırasıyla impulsif ve konvektif kütlelerin ağırlık merkezlerinin mesafelerini; h w ve h r ise sırasıyla tank duvarının ve tank çatısının ağırlık merkezlerini temsil etmektedir. Çalkalanma (sloshing) nedeniyle sıvı seviyesinin yükselme miktarı d, (5) ifadesiyle hesaplanabilir. Bu ifadede, g yer çekimi ivmesini temsil etmektedir. Se ( Tcon ) d = r (5) g Yukarıda verilen bilgiler doğrultusunda, Şekil 5 de gösterilen silindirik petrol tankının dinamik modeli hazırlanacak ve deprem etkisiyle tankta oluşan taban kesme kuvveti ve devrilme momenti aşağıda hesaplanmıştır. 191
Silindirik çelik tank, 50 cm kalınlığında betonarme radye temel üzerine ankrajlanmıştır. Tank 10 m yüksekliğe kadar petrol ile doldurulmuştur. Petrolün özkütlesi 830 kg/m 3 olarak alınmıştır. Çelik tankın kalınlığı 0,005 m dir. Hesaplarda çeliğin elastisite modülü 2,1x10 11 N/m 2 ve özkütlesi 7833 kg/m 3 olarak alınmıştır. Depo birinci derece deprem bölgesi sınırlarındadır ve ayrışmamış metamorfik kayaçlar oluşan bir zeminin üzerinde oturmaktadır. Hesaplarda kullanılacak %2 sönümlü elastik davranış spektrumu FEMA356 da [14] verilen sönüm ayarlama katsayısı (B) yaklaşımı kullanılarak 1999 Afet yönetmeliğinde [15] tarif edilen yüzde 5 lik elastik davranış spektrumundan elde edilmiştir. Yüzde 0,5 sönümlü elastik davranış spektrumunu pratik olarak elde etmek için kullanılan bir B katsayısına rastlanmamıştır. Yüzde 0,5 sönümlü elastik davranış spektrumunu elde etmek için B katsayısının değeri 0,65 alınmıştır. Buna ek olarak yapının önem katsayısı I = 1,6 ve taşıyıcı sistem davranış katsayısı R = 2,25 alınmıştır. 3m 10 m 13 m 35 m Şekil 5. Silindirik çelik petrol tankı H/r oranından faydalanarak Tablo 1 den C i, C c, m i, m c, h i ve h c bulunmuştur. Bir sonraki adımda (1) ve (2) ifadeleri kullanılarak impulsif ve konvektif kütlelerin doğal titreşim periyotları bulunmuştur. Daha sonra %2 ve %0,5 sönümlü elastik davranış spektrumları kullanılarak S e (T imp ) ve S e (T con ) hesaplanmıştır. En son safhada ise (3), (4) ve (5) ifadeleri kullanılarak sırasıyla taban kesme kuvveti, devrilme momenti ve çalkalanma yüksekliği bulunmuştur. Bulunan değerler Tablo.2 de özetlemiştir. Tablo 2. Temel üzerine rijit olarak ankrajlanmış petrol tankının dinamik analiz sonuçları C i C c h i (m) h c (m) m i (kg) m c (kg) 7,41 1,67 3,99 1,67 2735175 5250360 T i (s) T c (s) S e (T imp ) S e (T con ) Q (MN) M (MNm) 0,22 7,01 0,78 0,08 26,38 117,41 192
3. Sismik İzolasyon Yöntemi Sismik izolasyon tekniğinde, üst yapı ile zemin arasına yatay yönde esnek bir tabaka yerleştirilerek yapıya etkiyen deprem kuvvetleri önemli ölçüde azaltılması hedeflenmektedir. Yatayda esnek elemanlar sayesinde yapının doğal titreşim periyodu uzamakta ve kuvvetli yer hareketlerinin en etkili olduğu periyot aralığından uzaklaşılmaktadır. Bu tekniğin diğer bir avantajı da yapıda sönümün bu görev için imal edilmiş ve kolayca değiştirilebilir sismik izolasyon sistemi elemanları tarafından sağlanmasıdır. Bu teknik günümüzde deprem bölgelerinde yer alan kritik köprüler ve hastaneler gibi depremden sonra faal kalması gereken yapıları korumak için kullanılmaktadır. Şekil 5 de verilen petrol tankının, tireşim periyodu 3s olan sürtünmeli sarkaç izolatörleri üzerine yerleştirilmesi durumu için taban kesme kuvveti ve devrilme momenti değerleri yeniden hesaplanmıştır. Şekil 6 da sismik izolasyonlu petrol tankı şematik olarak gösterilmiştir. Sismik izolasyonlu tankın hesabında impulsif kütlenin periyodunun yaklaşık 3s olacağı kabul edilmiştir. Taban kesme kuvveti ve devrilme momenti hesabında konvektif kütlenin periyodu sabit petrol tankınınkine oldukça yakın olduğu kabul edilmiştir. Sismik izolasyonlu yapıda tankın altındaki 0,50 m kalınlığında betonarme plağın da kütlesi hesaplarda ele alınmıştır. Tankın sismik izolasyonlu sistemle elastik davranması istenmiştir ve bu nedenle taşıyıcı sistem davranış katsayısı da 2,25 ten 1 e düşürülmüştür. Elde edilen tasarım parametreleri Tablo 3 de sismik izolasyonsuz durum ile mukayese edilmiştir. Tablo 3. Sismik izolasyonun taban kesme kuvveti ve devrilme momenti üzerindeki etkileri Q (MN) M (MNm) Sabit tabanlı 26,38 117,41 Sismik izolasyonlu 15,44 63,88 4. Deniz Depolarının Sismik İzolasyonla İncelenmesi Deniz altındaki depolar, içerdikleri sıvının oluşturduğu iç hidrodinamik kuvvetlerle beraber çevresindeki deniz suyunun yapıya etkittiği dış hidrodinamik kuvvetlere de maruz kalmaktadır [1]. Depo yanal yönde hareket ederken, deponun çevresinde de bir sıvı kütlesi hareket etmektedir. Bu sıvı kütlesi, ek svı kütlesi olarak adlandırılmaktadır ve depoya etkiyen dış hidrodinamik kuvvetin hesaplanmasında kullanılacaktır. 193
F w Z H w Şekil 6. Sürtünmeli sarkaç izolatörlerin üzerine yerleştirilmiş deniz petrol tankı Deniz depolarına tesir eden dış hidrodinamik kuvvet, deponun geometrisinden oldukça etkilenmektedir. Ek sıvı kütlesi, H w /r oranına bağlı olarak Şekil 7a da verilen grafik aracılığıyla bulunmaktadır. H w = 8m ve r = 17,5 m için ek sıvı kütlesi oranı, µ 0,2 dir. Ek sıvı kütlesi, tankın kapladığı hacimdeki sıvı kütlesinin, ek sıvı kütlesi oranı ile çarpılmasıyla elde edilir. Deniz suyunun özkütlesi 1000 kg/m 3 alınırsa; 2 2 35 m m = ( π r Hγ ) µ = ( π 17,5 8 1000) 0,2 = 1539380, 4 kg [6] Dış hidrodinamik kuvvet, ek sıvı kütlesinin beklenen spektral ivme ile çarpılmasıyla elde edilir. Yere sabitlenmiş bir tank için yüzde 5 sönümlü davranış spektrumundan spektral ivme 0,68g olarak bulunmuştur.bu durumda dış hidrodinamik kuvvet, F w = m a = 1539380,4 0,68 9,81= 10268898,77 N [7] Devrilme momenti hesabında, dış kuvvetin esdeğer olarak etkidiği mesafe olan Z, Şekil 7b den elde edilebilir. H w /r = 0,457 için Z = 3,04 m olur. [2] Sismik izolasyonlu tank (T = 3s) için yüzde 5 sönümlü davranış spektrumundan spektral ivme 0,11g olarak bulunmuştur.bu durumda dış hidrodinamik kuvvet, F w = m a = 1539380,4 0,11 9,81= 1661145,39 N [8] Sismik izolasyon sisteminin kullanılmasıyla, dış hidrodinamik kuvvetler yaklaşık 6,2 misli azalmıştır. 194
Şekil 7.a.Ek sıvı kütle oranı çizelgesi b.yayılı dış hidrodinamik kuvvetin ağırlık merkezi 5. Sonuçlar Bu çalışmada, bu tip depolara gelen yanal deprem kuvvetlerini azaltmak için sismik izolasyon tekniği kullanılmıştır. Sismik izolasyon tekniğinde, üst yapı ile zemin arasına esnek bir tabaka yerleştirilerek yapıya etkiyen deprem kuvvetleri önemli ölçüde azaltılmaktadır. Bu teknik günümüzde deprem bölgelerinde yer alan kritik köprüler ve hastaneler gibi depremden hemen sonra faal kalması gereken yapıları korumak için kullanılmaktadır. Yunanistan ın Revithoussa adasında bulunan yüksek kapasiteli LNG (sıvı doğal gaz) tankı da bu teknikle inşaa edilmiştir. Bu çalışmadaki depoda sismik izolasyon sistemi, deponun yanal hareketine izin verecek mertebede esnek ve su sızdırmayan bir membran ile korunmuştur (Şekil 6). Yapının matematiksel modelinin oluşturulmasında deponun kütlesi ve rijitliği, depolanan sıvının kütlesi, sismik izolasyon sisteminin yanal rijitliği ve depo dışında kalan suyun ek kütlesi göz önüne alınmıştır. Analiz aşamasında deprem etkisiyle yapıya etkiyecek iç ve dış hidrodinamik kuvvetler hesaplanmıştır. Aynı geometriye sahip sismik izolasyonlu ve sabit tabanlı iki petrol tankının deprem altındaki davranışı karşılaştırılmıştır. Sismik izolasyonlu yapıda iç kuvvetler hesaplanırken deponun elastik davranması için taşıyıcı sistem davranış katsayısı 2,25 yerine 1 olarak alınmıştır. Sismik izolasyonlu petrol tankında, iç hidrodinamik etkiler yaklaşık 2 misli, dış hidrodinamik etkiler ise yaklaşık 6 misli azalmıştır. Sonuç olarak, sismik izolasyon sisteminin deniz petrol tanklarını depremden korumak için iyi bir çözüm olduğu görülmüştür. 6. Kaynaklar [1] Dawson T.H., Offshore structural Emgineering Prentice Hall,inc. Eagle wood Cliffs, New Jersey, 1986. 195
[2] Gershunov, M. E., Calculation of offshore hydrodynamic forces, Oil & Gas Journal, September 1985, s63-67 [3] Haroun, M. A., Implications of Observed Earthquake-induced Damage on Seismic Codes and Standards of Tanks, PVP Vol 223 Fluid-structure Vibration and Sloshing, ASME 1991. [4] Housner, G.W., "Dynamic Pressure on Accelerated Fluid Containers", Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 47, No. 1, pp. 15-35, 1957 [5] Housner, G.W., The Dynamic Behavior of Water Tanks, Bulletin of Seismological Society of America, 53(2) 381-387, Feb.1963. [6] Kim, N.S. and Lee, D.G. (1995). Pseudo-Dynamic Test for Evaluation of Earthquake Performance of Base-Isolated Liquid Storage Tanks, Engineering Structures, 17(3), 198-208.Seismology and Earthquake Engineering, 2, 45-54 [7] Malhotra, P., Method for seismic base isolation of liquid-storage tanks, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 123, No. 1, January, 1997 [8] Malhotra, P., Practical Nonlinear Seismic Analysis of Tanks, Earthquake Spectra, May 2000, 473-492 [9] Naeim, F., and Kelly, J. M. (1999). Design of seismic isolated structures: From theory to practice, Wiley, Chichester, England. [10] Nielsen, R., "Damage to Oil Refineries from Major Earthquakes", Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 112, pp. 1481-1491, 1986 [11] Niwa, A. and Clough, R.W., "Buckling of Cylindrical Liquid-Storage Tanks Under Earthquake Loading", Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 10, pp. 107-122, 1982. [12] Skinner, R. I., Robinson, W. H., and McVerry, G. H. (1993). An introduction to seismic isolation, Wiley, Chichester, England [13] Bolt, B. et al., "The Chile Earthquake of March 3, 1985", Earthquake Spectra, Vol.2, No. 2, Chapter 5, pp. 373-409, 1986. [14] Federal Emergency Management Agency FEMA-356 Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings. FEMA 356/November 2000, Building Seismic Safety Council, Washington D.C. [15] Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, ABHYYH 1998, 2.7.1998 23390 sayılı Resmi Gazete. 196