Nuclear safety-related underground liquid storage tanks, such as those used to store fuel for emergency diesel generators, are critical components for safety of hundreds of existing nuclear power plants (NPP) worldwide. Since most of those NPP will continue to operate for decades, a beyond design base (BDB) seismic screening of safety-related underground tanks in those NPP is beneficial and essential to public safety. The analytical methodology for buried tank subjected to seismic effect, including a BDB seismic evaluation, needs to consider both soil-structure and fluid-structure interaction effects. Comprehensive analysis of such a soil-structure-fluid system is costly and time consuming, often subjected to availability of state-of-art finite element tools. Simple, but practically and reasonably accurate techniques for seismic evaluation of underground liquid storage tanks have not been established. In this study, a mechanics based solution is proposed for the evaluation of a cylindrical underground liquid storage tank using hand calculation methods. For validation, a practical example of two underground diesel fuel tanks in an existing nuclear power plant is presented and application of the proposed method is confirmed by using published results of the computer-aided System for Analysis of Soil Structural Interaction (SASSI). The proposed approach provides an easy to use tool for BDB seismic assessment prior to making decision of applying more costly technique by owner of the nuclear facility.
Recently, in proportion to the increase of earthquake occurrence-frequency and its strength in the countries within the circum-pan Pacific earthquake belt, a concept of earthquake-proof design for huge structures containing liquid has been growing up. This study deals with the refinement of classical numerical approaches for the free vibration analysis of separated structure and liquid motions. According to the liquid-structure interaction, LNG-storage tanks exhibit two distinguished eigenmodes, the sloshing mode and the bulging mode. For the sloshing -mode analysis, we refine the classical rigid-tank model by reflecting the container flexibility. While, for the bulging-mode analysis, we refine the classical uncoupled structural vibration system by taking the liquid free-surface fluctuation into consideration. We first construct the refined dynamic models for both problems, and present the refined numerical procedures. Furthermore, in order for the efficient treatment of large-scale matrices, we employ the Lanczos iteration scheme and the frontal-solver for our test FEM program. With the developed program we carry out numerical experiments illustrating the theoretical results.
The seismic responses of elevated tanks considering liquid-structure interaction are presented under horizontal earthquake. The scaled model tank is fabricated to study the dynamic responses of anchored tank and newly designed uplift tank with replaced dampers. The natural frequencies for structural mode are obtained by modal analysis. The dynamic responses of tanks are completed by finite element method, which are compared with the results from experiment. The displacement parallel and perpendicular to the excitation direction are both gained as well as structural acceleration. The strain of tank walls and the axial strain of columns are also obtained afterwards. The seismic responses of liquid storage tank can be calculated by the finite element model effectively and the results match well with the one measured by experiment. The aim is to provide a new type of tank system with vertical constraint relaxed which leads to lower stress level. With the liquid volume increasing, the structural fundamental frequency has a great reduction and the one of uplift tank are even smaller. Compared with anchored tank, the displacement of uplift tank is magnified, the strain for tank walls and columns parallel to excitation direction reduces obviously, while the one perpendicular to earthquake direction increases a lot, but the values are still small. The stress level of new tank seems to be more even due to uplift effect. The new type of tank can realize recoverable function by replacing dampers after earthquake.
유연한 지반에 놓인 액체저장탱크의 지진 거동은 유체-구조물-지반 상호작용에 의해 복잡하게 나타나므로, 이 시스템의 지진응답과 피해를 정확하게 예측하기 위해서는 이를 엄밀히 고려하여야 한다. 이 연구에서는 유체-구조물-지반 상호작용을 엄밀히 고려하여 유연한 지반에 놓인 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 수행하고 그 응답 특성을 분석하고자 한다. 이를 위해 지진하중 작용 시 발생하는 유체의 동수압력 및 지반과 구조물 간의 상호작용력을 유한요소 기법을 사용하여 산정한다. 이때, 반무한 지반에서의 에너지 방사를 고려하기 위해 mid-point integrated finite element와 점성 감쇠기를 사용하여 지반 원역의 거동을 모사한다. 이와 같이 산정된 동수압력과 지반-구조물 상호작용력을 구조물의 유한요소에 작용시킨다. 자유장 해석을 통하여 입사 지진파에 의한 유효 지진력을 산정한다. 유연한 지반에 놓인 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 통하여 지반-구조물 상호작용의 효과로 인해 시스템 응답의 변화가 다양하게 나타남을 확인할 수 있다. 그러므로, 유연한 지반에 놓인 직사각형 액체저장탱크의 내진설계를 수행하거나 내진성능을 검토할 때는 유체-구조물-지반 상호작용을 엄밀히 고려하여야 할 것이다.
Molecular dynamic simulations have been carried out to study the effect of the nano-structure substrate and its temperature on cluster laminating. The interaction between substrate molecules and liquid molecules was modeled in the molecular scale and simulated by the molecular dynamics method in order to understand behaviors of the liquid cluster on nano-structure substrate. In the present model, the Lennard-Jones potential is applied to mono-atomic molecules of argon as liquid and platinum as nano-structure substrate to perform simulations of molecular dynamics. The effect of wettability on a substrate was investigated for the various beta of Lennard-Jones potential. The behavior of the liquid cluster and nano-structure substrate depends on interface wettability and function of molecules force, such as attraction and repulsion, in the collision progress. Furthermore, nano-structure substrate temperature and beta of Lennard-Jones potential have effect on the accumulation ratio. These results of simulation will be the foundation of coating application technology for micro fabrication manufacturing.
In a Guest-Host cell the orientational ordering of dyes doped into liquid crystals has been investigated. To evaluate the influence of the host liquid crystals on the ordering of the dyes we have measured precisely the ordering parameters of the liquid crystals by using the dichroic ratio of the absorbances for infrared light polarized parallel and perpendicular to the diector. Our experimental results show that the ordering of the dyes can be expressed as a function of not only the molecular structure of the dyes but also the order parameter of the liquid crystals. These functions are dependent on the kinds of the liquid crystals and the dyes. Particularly the combination such as anthraquinone dyes doped into cyanobiphenyl liquid crystals show a very high ordering parameter. This is considered due to a strong intermolecular interaction between the dipoles of both liquid crystals and dyes.
Steel cylindrical tanks are widely used for the storage of hazardous substances of which leakage must be prevented under any circumstances. However, the dynamic response of the steel cylindrical liquid storage tank depends sensitively on the fluid-structure interaction and the vibration of the tank structure and necessitates clarification for the safety of the tank structure. This paper presents the results of shaking table tests performed to examine the dynamic behavior of a scaled cylindrical steel tank model considering the presence or not of fixed roof and added mass at the top of the tank for various fluid levels. The test results confirm the occurrence of both beam-type and oval-type vibration modes and show that the larger content of liquid inside the container amplified the acceleration along the height of the cylindrical tank. The oval-type vibration modes are seen to be more dominant in case of large water-to-structure mass ratio.
유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 액체저장탱크의 유한요소 모형을 제시하고, 비선형 지진응답 해석기법을 정식화한다. 탱크 구조물은 기하 및 재료 비선형 거동을 고려할 수 있는 쉘 요소로 모델링한다. 유체의 거동은 acoustic 요소로 구현하고, interface 요소를 사용하여 구조물과 결합한다. 지반-구조물 상호작용을 고려하기 위해 지반의 근역과 원역을 각각 solid 요소와 perfectly matched discrete layer로 모델링한다. 예제 20만 kl급 액체저장탱크의 지진취약도 해석에 적용하여, 유연한 지반에 구조물이 놓인 경우 부지에서의 암반노두운동의 증폭 및 필터링으로 인해 지진취약도의 중앙값과 대수 표준편차가 감소하는 것을 관찰할 수 있다.
구조물의 탄성을 고려한 탱크내 유동은 자유수면을 갖는 유체와 탄성변형하는 구조물이 연성된 시스템으로서 유체유동으로 인한 과도한 구조물변형, 유체의 부가질량 및 부가감쇠력에 의한 구조물의 동특성변화, 구조물 진동으로 인한 유체유동의 왜곡 등이 복합된 비선형 해석이 요구된다. 본 논문에서는 탱크 벽을 1자유도 수평운동하는 강체로 가정하였으며 Lagrangian 유한요소법을 이용하여 유동해석을 수행하였고 유체-구조물 연성문제의 수치적분을 위하여 조합된 implicit-explicit 알고리듬을 도입하였다. 탱크벽의 동특성 변화에 따른 유체-구조물연성 탱크의 동특성변화를 관찰하였으며 파도생성 문제에 관한 수치계산을 수행하였다.
The main objective of this work is to investigate the sloshing behavior in a baffled and unbaffled three dimensional annular-sectored water pool (i.e., tank) which is located at dome region of the primary containment. Initially two case studies were performed for validation. In these case studies, the theoretical and experimental results were compared with numerical results and good agreement was found. After the validation of present numerical procedure, an annular-sectored water pool has been taken for numerical investigation. One sector is taken for analysis from the eight sectored water pool. The free surface is captured by Volume of Fluid (VOF) technique and the fluid portion is solved by finite volume method while the structure portions are solved by finite element approach. Baffled and un-baffled cases were compared to show the reduction in wave height under excitation. The complex mechanical interaction between the fluid and pool wall deformation is simulated using a partitioned strong fluid-structure coupling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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