Verification of the cylindrical tank shell stability using the stress design and the MNA-LBA procedure

• Autorzy: Słowiński Kamil , Piekarczyk Marek , Król Mateusz

Identyfikatory

DOI

10.37705/TechTrans/e2021021

Warianty tytułu

PL

Weryfikacja stateczności płaszcza zbiornika cylindrycznego z wykorzystaniem podejścia naprężeniowego oraz procedury MNA-LBA

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the course and results of the procedure for verifying the stability of the cylindrical shell of an oil tank with a floating roof, under wind load. Two dimensioning methods recommended by standard PN-EN 1993-1-6 were used, i.e. dimensioning based on the stress state and the MNA-LBA procedure. The method of determining the critical buckling resistance ratio from the linear bifurcation analysis (LBA) and the plastic reference resistance ratio from the physically nonlinear analysis (MNA) has been presented. Comparison of the results obtained with the use of the indicated design methods revealed significant discrepancies in the stress intensity levels of the analysed shell. When using the stress-based dimensioning method, it was shown that the buckling strength was exceeded by 33%, while the results of the MNA-LBA procedure indicated a 33% reserve of the capacity of the analysed system.

PL

W artykule przedstawiono przebieg i rezultaty procedury weryfikacji stateczności płaszcza zbiornika cylindrycznego na ropę naftową, z dachem pływającym, obciążonego wiatrem. Wykorzystano dwie z rekomendowanych przez normę PN-EN 1993-1-6 metod wymiarowania, tj. wymiarowanie na podstawie stanu naprężenia oraz procedurę MNA-LBA. Przedstawiono sposób wyznaczania wskaźnika nośności krytycznej z liniowej analizy bifurkacyjnej (LBA) oraz wskaźnika nośności plastycznej z analizy fizycznie nieliniowej (MNA). Porównanie ze sobą wyników otrzymanych przy zastosowaniu wskazanych metod projektowania ujawniło znaczące rozbieżności w poziomach wytężenia analizowanej powłoki. Przy zastosowaniu metody wymiarowania na podstawie stanu naprężenia wykazano przekroczenie nośności powłoki o 33%, natomiast rezultaty procedury MNA-LBA wskazały na 33% rezerwy nośności analizowanego układu.

Słowa kluczowe

EN

MNA-LBA procedure; steel tank; buckling; plastic collapse; wind load

PL

procedura MNA-LBA; zbiornik stalowy; wyboczenie; zniszczenie plastyczne; obciążenie wiatrem

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki
• Czasopismo: Technical Transactions
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 118, iss. 1
• Strony: art. no. e2021021
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., il., wykr., wz.

Twórcy

autor

Słowiński Kamil

• Chair of Building Structures, Faculty of Civil Engineering, Silesian University of Technology in Gliwice

autor

Piekarczyk Marek

• Chair of Bridge, Metal and Timber, Faculty of Civil Engineering, Cracow University of Technology

autor

Król Mateusz

Bibliografia

• 1. Bathe, H.J. (1982). Finite element procedures in engineering Analysis. New Jersey: Prentice-Hall.
• 2. Chen, L., Rotter, J.M. (2012). Buckling of anchored cylindrical shells of uniform thickness under wind load. Engineering Structures, 41, 199-208.
• 3. Chrysanthos, M., Georgios, A.B., Konstantinos, D.T. (2015). Numerical evaluation on the shell buckling of empty thin-walled steel tanks under wind load according to current American and European design codes. Thin-Walled Structures, 95, 152-160.
• 4. Doerich, C., Rotter, J.M. (2011). Accurate determination of plastic collapse loads from finite element analyses. Journal of Pressure Vessel Technology, 133.
• 5. ECCS TC8 TWG 8.4 (2008). Shells - Buckling of steel shells - European design recommendations - 5th edition. Portugal: European Convention for Constructional Steelwork.
• 6. Godoy, L.A. (2016). Buckling of vertical oil storage steel tanks: review of static buckling studies. Thin-Walled Structures, 103, 1-21.
• 7. Holst, J.M.F.G., Rotter, J.M., Münch, M. (2007). Failure criteria for shells on local brackets. In H.R. Drew, S. Pellegrino (Eds.), New Approaches to Structural Mechanics, Shells and Biological Structures (pp. 315-328). London: Kluwer Academic Publishers.
• 8. Iwicki, P., Tejchman, J., Chróścielewski, J. (2014). Dynamic FE simulations of buckling process in thin-walled cylindrical metal silos. Thin-Walled Structures, 84, 344-359.
• 9. Król, M. (2021). Weryfikacja stateczności płaszcza zbiornika na ropę naftową z wykorzystaniem podejścia naprężeniowego oraz procedury wymiarowania MNA-LBA (master thesis). Politechnika Śląska (manuscript).
• 10. PN-EN 1990 (2004). Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji. Warszawa: PKN.
• 11. PN-EN 1993-1-1. (2006). Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych - Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. Warszawa: PKN.
• 12. PN-EN 1993-1-6. (2009). Eurokod 3:Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-6: Wytrzymałość i stateczność konstrukcji powłokowych. Warszawa: PKN.
• 13. PN-EN 1993-4-1. (2009). Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych - Część 4-1: Silosy. Warszawa: PKN.
• 14. PN-EN 14015. (2010). Specyfikacja dotycząca projektowania i wytwarzania na miejscu zbiorników pionowych o przekroju kołowym, z dnem płaskim, naziemnych, stalowych spawanych, na ciecze o temperaturze otoczenia i wyższej. Warszawa: PKN.
• 15. Rotter, J.M. (2011). Shell buckling design and assessment and the LBA-MNA methodology. Stahlbau, 80(11), 791-803.
• 16. Słowiński, K., Piekarczyk, M. (2019). FEM determination of the plastic limit load for cylindrical shells. Technical Transactions, 12, 151-162.
• 17. Supernak, E., Ziółko, J. (2013). Podciśnienie w zbiornikach - Wnioski ze zdarzeń w ostatnich latach. In XXVI Konferencja naukowo-techniczna Awarie Budowlane (pp. 589-598). Szczecin.
• 18. Timoshenko, S.P., Gere, J.M. (1963). Teoria stateczności sprężystej. Warszawa: Arkady.
• 19. Uematsu, Y., Yamaguchi, T., Yasunaga, J. (2018). Effects of wind girders on the buckling of open-topped storage tanks under quasi-static wind loading. Thin-Walled Structures, 124, 1-12.
• 20. Zhao, Y., Lin, Y. (2014). Buckling of cylindrical open-topped steel tanks under wind load. Thin-Walled Structures, 79, 83-94.
• 21. Żyburtowicz, M. (1966). Album rysunków konstrukcji stalowych. Warszawa: Arkady.