Computational buckling analysis of cylindrical thin-walled above-ground tanks

Abstract

This thesis evaluates the stability of cylindrical above-ground steel tanks under imposed support settlements and wind pressures. The tanks considered are representative of tanks constructed in Puerto Rico and in the Caribbean Islands. Typical tanks are constructed with a cylindrical shell with variable thickness and a conical roof supported by rafters. The behavior of these tanks is evaluated by means of computational experiments performed using finite element models developed with ABAQUS. The influence of support settlements on the out-of-plane displacements in the cylindrical shell is investigated considering an elastic material behavior and using different types of analyses. Results are presented for geometric linear, geometric non-linear and bifurcation buckling analyses. Linear results provide a poor indication of the real displacements in the shell, so that geometric non-linearity is included in the analysis for working loads. Results show that the equilibrium path is highly non-linear and that the shell displays a stable symmetric bifurcation behavior. The lower bound approach for the buckling load of imperfection-sensitive shells is implemented in this thesis. Initially, the formulation is presented in a way to highlight what computations can be done following a reduced energy model. Then, a proposed methodology is used in conjunction with a general purpose finite element program to compute the lower bound buckling load for tanks with different geometric and load configurations. Results show that the proposed reduced energy model can predict the lower bound load for cylindrical shells under uniform pressure distributions, but cannot estimate the lower bound for wind pressures. The dynamic stability of an empty tank under wind pressures is investigated. An assumed space variation of pressures, and a simplified deterministic model of time fluctuating pressures due to wind, are applied. The response is calculated using explicit integration of the equations of motion and the dynamic buckling load is identified through a qualitative criterion. The response is analyzed in the time and in the frequency domain in order to recognize the nature of the problem. Results show that pressure fluctuations do not induce resonance of the structure, so that simpler pressure models may be used in practical analyses.

Esta tesis estudia la estabilidad estructural de tanques cilíndricos de acero bajo la acción de desplazamientos impuestos en los apoyos y de presiones de viento. Los tanques analizados son representativos de los que se encuentran en Puerto Rico y en otras islas del Caribe. Éstos están compuestos típicamente de una cáscara cilíndrica de espesor variable y un techo cónico con su estructura de soporte. El comportamiento se evalúa por medio de modelos de elementos finitos desarrollados en ABAQUS. El efecto del descenso de apoyos en los desplazamientos normales a la superficie de la cáscara cilíndrica se evalúa a través de análisis estáticos que consideran linealidad y no linealidad geométrica, y por medio de análisis clásicos de bifurcación. En todos los casos se considera que el material se comporta elásticamente. Los resultados muestran que los análisis lineales no predicen correctamente los desplazamientos reales en la cáscara cilíndrica y que es necesario incluir los efectos no lineales geométricos para amplitudes de descenso típicas. La cáscara cilíndrica muestra un comportamiento altamente no lineal caracterizado por una bifurcación simétrica estable. En esta tesis se implementa el concepto de límite inferior de cargas de pandeo en cáscaras sensibles a imperfecciones a través de un modelo de energía reducida. Inicialmente se identifican las operaciones necesarias para determinar ese límite en el modelo de energía reducida y luego se ejecutan en un modelo de elementos finitos. La metodología propuesta se aplica a distintas configuraciones de tanques, en los cuales los resultados muestran que el modelo de energía reducida propuesto predice bien el límite inferior de carga de pandeo en los modelos sometidos a presión uniforme, pero no puede hacerlo correctamente en los modelos bajo presiones de viento. Se evalúa la estabilidad dinámica de un tanque vacío sometido a presión de viento. Se asume una distribución espacial y se introduce un modelo determinístico simplificado para tener en cuenta las fluctuaciones temporales de las presiones de viento. La respuesta se calcula por medio de integración explícita de las ecuaciones de movimiento y la carga dinámica de pandeo se determina usando un criterio cualitativo. La respuesta se analiza en el dominio del tiempo y de las frecuencias para reconocer la naturaleza del problema. Los resultados muestran que las fluctuaciones temporales no llevan la estructura a resonancia, con lo cual para efectos prácticos es posible usar modelos simplificados de presiones.