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Comportamiento de tanques de almacenamiento de petrĂ³leo en presencia de fuego
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Abstract
This thesis presents the analysis of the structural behavior of steel oil storage tanks exposed to fire. This study focuses on determining the deformed configurations and the critical buckling temperatures of storage tanks in relation with their failure scenarios, attending to external actions that influence the structural response. Furthermore, it presents the investigation of the causes of explosions occurred in oil plants located in Buncefield, UK, in Bayamon, Puerto Rico, and in Anacortes, Washington, in 2005, 2009 and 2010, respectively. Structural analysis have been performed using the Riks method applied to finite element models, using the commercial software ABAQUS. Geometric and material nonlinearities due to thermal action of fire in terms of mean temperature and thermal gradient in the cross section on the structure have been considered. The heating process is simulated until the occurrence of buckling failure in the wall of cylindrical tanks with and without external fixed roof. The geometries modeled correspond to tanks affected by the fire incident occurred in Caribbean Petroleum Corporation (CAPECO) in Bayamon, Puerto Rico, in 2009. The results indicate that thermal buckling occurs in the tank walls because temperature variations along the structure generate irregular levels of displacement in the shell, which, in its attempt to expand, suddenly changes its geometrical configuration to stay in equilibrium, while restricted by the boundary conditions and by shell areas under lower temperature levels. The analyzed structures show relatively low critical temperatures compared to the temperatures developed during fires at oil plants, which means that buckling in the storage tanks could arise in early stages of the fire event. In addition, it is observed that the volume of fuel in the tank has significant influence on the critical temperature, since the fluid pressure stabilizes the cylinder walls delaying the occurrence of buckling. Also, it is noticed that the development of thermal gradients in the cross section of the shell causes structural buckling at a mean temperature lower than the temperature at which the tank without external roof will fail under a uniform thermal distribution.
En esta tesis se presenta el anĂ¡lisis del comportamiento estructural de tanques metĂ¡licos de almacenamiento de petrĂ³leo expuestos a la acciĂ³n del fuego. Este estudio se enfoca en determinar las configuraciones deformadas y las temperaturas crĂticas de pandeo que exhiben dichos tanques en relaciĂ³n a su escenario de falla, atendiendo a las acciones externas que influyen en la respuesta de la estructura. AdemĂ¡s, se presenta la investigaciĂ³n de las causas de accidentes en plantas petrolĂferas ocurridos en Buncefield, Reino Unido, en BayamĂ³n, Puerto Rico, y en Anacortes, Washington, en 2005, 2009 y 2010, respectivamente. El anĂ¡lisis estructural ha sido realizado aplicando el mĂ©todo de Riks a modelos de elementos finitos, utilizando el programa comercial llamado ABAQUS. Se han considerado las no-linealidades geomĂ©tricas y del material a causa de la acciĂ³n tĂ©rmica del fuego sobre la estructura, reflejada en tĂ©rminos de temperatura media y gradiente tĂ©rmico en la secciĂ³n transversal. El proceso de calentamiento se simula hasta la ocurrencia de falla por pandeo en la pared de tanques cilĂndricos con y sin techo externo fijo, cuyas geometrĂas corresponden a contenedores afectados por el incendio ocurrido durante el accidente de Caribbean Petroleum Corporation (CAPECO) en BayamĂ³n, Puerto Rico, en 2009. Los resultados indican que el pandeo por acciĂ³n tĂ©rmica ocurre en los tanques debido a que las variaciones de temperatura en la estructura generan niveles de desplazamientos no uniformes en la cĂ¡scara, la cual, en su intento por expandirse, cambia su configuraciĂ³n sĂºbitamente para satisfacer las condiciones de equilibrio ante las restricciones ejercidas por los soportes y por zonas de la misma cĂ¡scara que mantienen temperaturas menores. En las estructuras analizadas las temperaturas crĂticas encontradas son relativamente bajas en proporciĂ³n a las temperaturas mĂ¡ximas desarrolladas durante incendios en plantas petrolĂferas, lo que implica que el pandeo en los tanques de almacenamiento podrĂa originarse en etapas tempranas del incendio. Se observa que el volumen de combustible contenido en el tanque tiene gran influencia en la temperatura crĂtica de falla, ya que la presiĂ³n del fluido almacenado estabiliza las paredes del cilindro postergando la ocurrencia de pandeo. AdemĂ¡s, se concluye que el desarrollo de gradientes tĂ©rmicos en el espesor de la cĂ¡scara provoca que la estructura sin techo externo fijo falle a un valor de temperatura media inferior al que podrĂa alcanzar si la acciĂ³n tĂ©rmica estuviese uniformemente distribuida.
En esta tesis se presenta el anĂ¡lisis del comportamiento estructural de tanques metĂ¡licos de almacenamiento de petrĂ³leo expuestos a la acciĂ³n del fuego. Este estudio se enfoca en determinar las configuraciones deformadas y las temperaturas crĂticas de pandeo que exhiben dichos tanques en relaciĂ³n a su escenario de falla, atendiendo a las acciones externas que influyen en la respuesta de la estructura. AdemĂ¡s, se presenta la investigaciĂ³n de las causas de accidentes en plantas petrolĂferas ocurridos en Buncefield, Reino Unido, en BayamĂ³n, Puerto Rico, y en Anacortes, Washington, en 2005, 2009 y 2010, respectivamente. El anĂ¡lisis estructural ha sido realizado aplicando el mĂ©todo de Riks a modelos de elementos finitos, utilizando el programa comercial llamado ABAQUS. Se han considerado las no-linealidades geomĂ©tricas y del material a causa de la acciĂ³n tĂ©rmica del fuego sobre la estructura, reflejada en tĂ©rminos de temperatura media y gradiente tĂ©rmico en la secciĂ³n transversal. El proceso de calentamiento se simula hasta la ocurrencia de falla por pandeo en la pared de tanques cilĂndricos con y sin techo externo fijo, cuyas geometrĂas corresponden a contenedores afectados por el incendio ocurrido durante el accidente de Caribbean Petroleum Corporation (CAPECO) en BayamĂ³n, Puerto Rico, en 2009. Los resultados indican que el pandeo por acciĂ³n tĂ©rmica ocurre en los tanques debido a que las variaciones de temperatura en la estructura generan niveles de desplazamientos no uniformes en la cĂ¡scara, la cual, en su intento por expandirse, cambia su configuraciĂ³n sĂºbitamente para satisfacer las condiciones de equilibrio ante las restricciones ejercidas por los soportes y por zonas de la misma cĂ¡scara que mantienen temperaturas menores. En las estructuras analizadas las temperaturas crĂticas encontradas son relativamente bajas en proporciĂ³n a las temperaturas mĂ¡ximas desarrolladas durante incendios en plantas petrolĂferas, lo que implica que el pandeo en los tanques de almacenamiento podrĂa originarse en etapas tempranas del incendio. Se observa que el volumen de combustible contenido en el tanque tiene gran influencia en la temperatura crĂtica de falla, ya que la presiĂ³n del fluido almacenado estabiliza las paredes del cilindro postergando la ocurrencia de pandeo. AdemĂ¡s, se concluye que el desarrollo de gradientes tĂ©rmicos en el espesor de la cĂ¡scara provoca que la estructura sin techo externo fijo falle a un valor de temperatura media inferior al que podrĂa alcanzar si la acciĂ³n tĂ©rmica estuviese uniformemente distribuida.
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Date
2011
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Steel oil storage tanks