Learning Centre

Seismic analysis of a liquid-filled tower-type shell structure

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Piironen, Jukka
dc.contributor.author Matilainen, Jussi
dc.date.accessioned 2014-03-25T09:47:39Z
dc.date.available 2014-03-25T09:47:39Z
dc.date.issued 2014-03-24
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/12817
dc.description.abstract The purpose of this study is to introduce a numerical technique for analyzing a liquid-filled shell structure under EN 1998 compliant earthquake ground motions. Prescriptions of the EN 1998 to the representation of earthquake ground motion as accelerograms are explained. Accelerograms representing the ground motion are generated by matching recorded accelerograms to a response spectrum and, alternatively, artificial accelerograms are generated for reference.For the numerical simulations, structures are treated with traditional Lagrangian formulation while the liquid is represented by arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation. Governing equations of the ALE formulation, the Mie-Grüneisen equation of state representing the fluid and a solving strategy based on operator splitting are introduced. Euler-Lagrange coupling algorithm is employed to achieve the fluid-structure interaction. Coupling mechanism based on a spring-damper system and its possible drawbacks are illustrated. The numerical method is verified with three examples based on previous research papers which demonstrate its reliability. An industrial-sized liquidfilled tower subjected to both the matched and artificial tri-axial accelerograms is analyzed. Horizontal deflections of both the liquid-filled and empty towers due to the matched and artificial accelerograms are determined. The liquid-fill is also taken into account by simply adding the liquid mass to the mass of the empty tower in order to evaluate how much the liquid motion affects the structural response. As a result of this study, information is gained from both the effect of ground motion selection process and liquid fill on the structural response of the tower. Vertical ground motion had no effect on the response because the tower as a vertical cantilever does not possess any modes of importance in the vertical direction. The use of artificial accelerograms resulted in much larger deflections in the case of an empty tower and moderately larger deflections in the case of an added mass model than the use of matched accelerograms. This is attributed to the assumption that artificial accelerograms carry higher frequency content than the matched accelerograms. In the case of liquid-filled tower, the source of an accelerogram had a negligible effect on the response which demonstrates that the liquid fill increases the fundamental period compared to the added mass model. The liquid fill was noted to affect the structural response not only by its mass but also by its motion. Analyses conducted with the empty tower and the added mass model resulted in underestimation of deflections by 37.1 % and overestimation of deflections by 35.1 %, respectively. In conclusion, this study demonstrates that the fluid-structure interaction significantly affects the dynamic behavior of a structure during a seismic event. en
dc.description.abstract Tässä diplomityössä esitellään numeerinen menetelmä nesteellä täytetyn reaktoritornin maanjäristystarkastelulle standardin EN 1998 mukaisia aikahistorioita käyttäen. Standardin EN 1998 ohjeet ja vaatimukset seismisen kuorman esittämiseksi aikahistoriana selostetaan ja niiden mukaiset aikahistoriat tuotetaan kahdella eri menetelmällä. Ensimmäiset aikahistoriat valitaan kansainvälisestä tietokannasta ja manipuloidaan siten, että niiden taajuussisältö vastaa haluttua vastespektriä. Toiset aikahistoriat sen sijaan tuotetaan keinotekoisesti tarkoitukseen sopivalla ohjelmalla. Numeerisessa menetelmässä rakenteet mallinnetaan perinteisellä Lagrangen menetelmällä ja neste ALE-menetelmällä (arbitrary Lagrangian-Eulerian). ALE-menetelmän perusyhtälöt ja niiden ratkaisuun soveltuva menettely, nestettä kuvaava Mie-Grüneisen tilayhtälö sekä nesteen ja rakenteen vuorovaikutuksen aikaansaava kytkentäalgoritmi esitellään työssä. Kytkentäalgoritmi havainnollistetaan jousi-vaimenninsysteeminä ja siihen liittyvällä ongelmalla. Numeerinen menetelmä verifioidaan kolmella, aikaisempiin tutkimusjulkaisuihin perustuvilla esimerkeillä ja osoitetaan menetelmän luotettavuus. Teollisen mittakaavan nesteellä täytetty reaktoritorni analysoidaan sekä taajuudeltaan manipuloiduilla että keinotekoisilla kolmiaksiaalisilla maanjäristyksen aikahistorioilla. Sekä nesteellä täytetyn että tyhjän tornin vaakasiirtymät manipuloitujen ja keinotekoisten aikahistorioiden johdosta määritetään. Tyhjän tornin tapauksessa neste otetaan huomioon myös pelkkänä massana. Tämän diplomityön tuloksena saadaan tietoa sekä aikahistorian valintaprosessin että nesteen vaikutuksesta tornin rakenteelliseen toimintaan. Pystysuora maaperän liike ei vaikuttanut rakenteen vasteeseen, koska vertikaalisena ulokkeena tornilla ei ole merkittäviä ominaismuotoja pystysuoraan suuntaan. Keinotekoisten aikahistorioiden käyttö johti paljon suurempiin siirtymiin tyhjän tornin tapauksessa ja hieman suurempiin siirtymiin nesteen massan huomioon ottavan tornin tapauksessa. Tämän katsotaan aiheutuvan keinotekoisten aikahistorioiden korkeammasta taajuussisällöstä. Nesteellä täytetyn tornin tapauksessa aikahistorian alkuperällä ei ole merkittävää vaikutusta siirtymiin, mikä osoittaa nesteen kasvattavan rakenteen ominaisperiodia nesteen pelkkänä massana huomioon ottavaan torniin verrattuna. Tornin täyttäminen nesteellä vaikutti rakenteen siirtymiin massan lisäksi myös nesteen liikkeen kautta. Tornin analysointi tyhjänä johti maksimisiirtymän aliarvioimiseen 37.1 %:lla ja vastaavasti nesteen huomiointi pelkkänä massana johti maksimisiirtymän yliarvioimiseen 35.1 %:lla. Johtopäätöksenä rakenteen ja nesteen välinen vuorovaikutus vaikuttaa merkittävästi rakenteen toimintaan maanjäristyksen aikana. fi
dc.format.extent 66 + 42
dc.language.iso en en
dc.title Seismic analysis of a liquid-filled tower-type shell structure en
dc.title Nesteellä täytetyn reaktoritornin maanjäristystarkastelu fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö en
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword EN 1998 en
dc.subject.keyword earthquake ground motions en
dc.subject.keyword seismic design en
dc.subject.keyword finite element method en
dc.subject.keyword arbitrary Lagrangian-Eulerian en
dc.subject.keyword ALE en
dc.subject.keyword Euler-Lagrange coupling en
dc.subject.keyword fluid-structure interaction en
dc.subject.keyword FSI en
dc.subject.keyword EN 1998 fi
dc.subject.keyword seisminen kuorma fi
dc.subject.keyword aikahistoriat fi
dc.subject.keyword elementtimenetelmä fi
dc.subject.keyword arbitrary Lagrangian-Eulerian fi
dc.subject.keyword ALE fi
dc.subject.keyword Euler-Lagrange coupling fi
dc.subject.keyword nesteen ja rakenteen vuorovaikutus fi
dc.subject.keyword FSI fi
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201403251634
dc.programme.major Rakennetekniikka fi
dc.programme.mcode R3001 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Puttonen, Jari
dc.programme Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma fi
local.aalto.openaccess no
local.aalto.digifolder Aalto_01262
dc.rights.accesslevel closedAccess
local.aalto.idinssi 48873
dc.type.publication masterThesis
dc.type.okm G2 Pro gradu, diplomityö


Files in this item

Files Size Format View

There are no open access files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

Statistics