Dynamic behavior of flexible rectangular liquid storage structures is analysed by the developed method. The rectangular liquid storage structures are assumed to be fixed to the ground and a moving coordinate system is used. The irrotational motion of invicid and incompressible ideal fluid is represented by two analytic solutions. One is the solution of the fluid motion in the rigid rectangular liquid storage structure due to ground motions and the other is the solution of the fluid motion by the motion of the wall in the flexible rectangular liquid storage structure. The motion of structure is modeled by finite elements. The fluid-structure interaction effect is reflected into the coupled equation of motion as added fluid mass matrix. The free surface sloshing motion and hydrodynamic pressure acting on the wall in the flexible rectangular liquid storage structure due to the horizontal ground motion are obtained by the developed method and verified.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.5
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pp.203-209
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2022
A simplified method for earthquake response analysis of a rectangular liquid storage tank is proposed with fluid-structure interaction considered. In order to simplify the complex three-dimensional structural behavior of a rectangular liquid storage tank, it is assumed that structural deformation does not occur in the plane parallel to the direction in which the earthquake ground motion is applied but in the plane perpendicular to the direction. The structural deformation is approximated by combining the natural modes of the simple beam and the cantilever beam. The hydrodynamic pressure, the structure's mass and stiffness, and the hydrodynamic pressure's added mass are derived by applying the Rayleigh-Ritz method. The natural frequency, structural deformation, pressure, effective mode mass, and effective mode height of the rectangular liquid storage tank are obtained. The structural displacement, hydrodynamic pressure, base shear, and overturning moment are calculated. The seismic response analysis of an example rectangular liquid storage tank is performed using the proposed simplified approach, and its accuracy is verified by comparing the results with the reference solution by the finite element method. Existing seismic design codes based on the hydrodynamic pressure in rigid liquid storage tanks are observed to produce results with significant errors that cannot be ignored.
The dynamic behavior of the rectangular liquid storage structure is known to be greatly influenced by fluid-structure interaction. By mounting the liquid storage structure on the properly designed base isolators, dynamic response of the superstructure can be reduced. However, base isolators inevitably incur large displacement of the structure to the ground ·ind may give adverse effects on the sloshing height. This paper presents the analysis method for fluid-structure-isolator interaction in base-isolated rectangular liquid storage structures. In the method, the irrotational motion of invicid and incompressible ideal fluid is expressed by analytic solutions and the superstructure and isolators are properly modeled by finite element and bilinear model. Free surface sloshing motion, hydrodynamic pressure acting on the wall and structural response are obtained by the presented method.
The effects of internal fluid motion have to be considered in the analysis of liquid storage containers. Therefore this thesis developed a three-dimensional boundary element-finite element method for the analysis of rectangular liquid storage containers. The irrotational motion of inviscid and incompressible ideal fluid is modeled by using boundary elements and the motion of structure by finite elements. Coupling is performed by using compatibility and equilibrium conditions along the interface. Dynamic response characteristics of rectangular liquid storage containers such as sloshing motion, hydrodynamic pressure, displacement by fluid-structure interaction are investigated.
Based on the sliding isolation concrete LSS (liquid-storage structure), the specific seismic vulnerability is analyzed according to the general failure mode. In this study, 12 seismic inputs with different characteristics are used, and their acceleration peak values are modulated. By inputting these waves to the sliding isolation concrete storage structure, the finite-element models of different concrete rectangular LSSs are obtained and analyzed, and the failure probabilities are obtained according to the IDA (incremental dynamic analysis) curves of the structure. The results show that when the seismic acceleration peak value gradually increases from 0.1 g to 1.0 g, the failure probability of LSS gradually increases with the increase in friction coefficient. However, the failure probability of a sliding isolation LSS is less than 100% and far less than the failure probability of a non-isolated rectangular LSS, which shows that an isolated liquid storage structure continues working under a big earthquake. Thus, the sliding isolation for the concrete LSS has a significant damping effect.
Dynamic analysis method is Presented for analyzing rectangular liquid storage structures excited by horizontal and vertical ground motions. The irrotational motion of invicid and incompressible ideal fluid in rigid rectangular liquid storage structures subjected to horizontal and vertical ground motions and the motion of fluid induced by structural deformation are expressed by analytic solutions. Analysis methods are obtained by applying analytic solutions of the fluid motion to finite element equation of the structural motion. The fluid-structure interaction effect is reflected into the coupled equation as added fluid mass matrix. The free surface sloshing motion, hydrodynamic pressure acting on the wall and structural behavior due to horizontal and vertical ground motions are obtained by the presented method.
Concrete rectangular liquid storage tanks are widely used, but there are many cases of damage in previous earthquakes. Nonlinear fluid-structure interaction (FSI) is considered, Mooney-Rivlin material is used for rubber bearing, nonlinear contact is used for sliding bearing, numerical calculation models of no-isolation, rubber isolation, sliding isolation and hybrid isolation concrete rectangular liquid storage tanks are established; dynamic responses of different structures are compared to verify the effectiveness of isolation methods; and influences of earthquake amplitude, bidirectional earthquake and far-field long-period earthquake on dynamic responses are investigated. Results show that for liquid sloshing wave height, rubber isolation cause amplification effect, while sliding isolation and hybrid isolation have reduction effect; displacement of rubber isolation structure is much larger than that of sliding isolation with limiting-devices and hybrid isolation structure; when PGA is larger, wall cracking probability of no-isolation structure becomes larger, and probability of liquid sloshing wave height and structure displacement of rubber isolation structure exceeds the limit is also larger; under bidirectional earthquake, occurrence probabilities that liquid sloshing wave height and structure displacement of rubber isolation structure exceed the limit will be increased; besides, far-field long-period earthquake mainly influences structure displacement and liquid sloshing wave height. On the whole, control effect of sliding isolation is the best, followed by hybrid isolation, and rubber isolation is the worst.
To analyze the seismic reliability of concrete rectangular liquid storage structures (CRLSSs), assuming that the wall thickness and internal liquid depth of CRLSSs are random variables, calculation models of CRLSSs are established by using the Monte Carlo finite element method (FEM). The principal stresses of the over-ground and buried CRLSSs are calculated under three rare fortification intensities, and the failure probabilities of CRLSSs are obtained. The results show that the seismic reliability increases with the increase of wall thickness, whereas it decreases with the increase of liquid depth. Between the two random factors, the seismic reliability of CRLSSs is more sensitive to the change in wall thickness. Compared with the over-ground CRLSS, the buried CRLSS has better reliability.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.1
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pp.45-53
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2020
Analytical and experimental studies show that the dynamic behavior of liquid storage tanks is significantly influenced by the fluid-structure interaction (FSI). The effects of FSI must be rigorously considered for accurate earthquake analysis and seismic design of liquid storage tanks. In this study, a dynamic analysis of a rectangular liquid storage tank subjected to bi-directional earthquake ground motions is performed and its dynamic characteristics are examined, with the effects of FSI rigorously considered. Hydrodynamic pressure is evaluated using the finite-element approach with acoustic elements and applied to the structure. The responses of the rectangular tank subjected to bi-directional earthquake ground motions are thus obtained. It can be observed that the incident angle of bi-directional horizontal ground motions has significant effects on the dynamic responses of the considered system. Therefore, the characteristics of the system must be considered in its seismic design and performance evaluation.
In this paper, behavior of rectangular storage structures under earthquake loadings are investigated. Linear sloshing is assumed in this study. The effect of the wall flexibility is considered. Eulerian and lagrangian approaches are presented. The Eulerian approach is carried out by solving the boundary value problem for the fluid motion. In the lagrangian approach, the fluid as well as the storage structure is modelled by the finite element method. The fluid region is discretized by using fluid elements. The (1 $\times$ 1)-reduced integration is carried out for constructing the stiffness matrices of the fluid elements. Seismic analysis of the coupled system is carried out by the response spectra method. The numerical results show that the fluid forces on the wall obtained by two approaches are in good agreements. By including the effect of the wall flexibility, the forces due to fluid motion can be increased very significantly.
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