Progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7: carichi, ancoraggi e documenti strutturali
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Progettazione sismica ASCE 7 per serbatoi di stoccaggio dell'acqua
La progettazione sismica di un serbatoio d'acqua non è una decisione che spetta al fornitore del serbatoio; è una decisione che il committente prende nei documenti consegnati. ASCE 7 tratta un serbatoio come una struttura non edilizia ai sensi del Capitolo 15 anziché come un componente non strutturale ai sensi del Capitolo 13, perché il serbatoio risponde al terremoto come una struttura con massa, superficie libera, ancoraggio e mantello, non come un'apparecchiatura appesa a un edificio. Due componenti sismiche agiscono su di esso: la componente impulsiva generata dalla massa dell'acqua e del mantello che si muove con il terreno, e la componente convettiva generata dall'acqua che ondeggia in superficie. L'ondeggiamento è il motivo per cui il franco libero è un requisito sismico e non una formalità, e l'ancoraggio è il motivo per cui un ancoraggio sovradimensionato è una cattiva soluzione, perché l'ancoraggio deve snervarsi e sviluppare allungamento prima del mantello e il calcestruzzo deve sviluppare quella resistenza su tutta la lunghezza di ancoraggio. Questo articolo illustra le due componenti, il requisito del franco libero, la duttilità dell'ancoraggio, il cedimento che la flessibilità delle tubazioni previene, le verifiche del fusto e dei supporti, gli input che il committente deve fornire, ciò che rientra nell'ambito del fornitore del serbatoio e l'interfaccia geotecnica che chiude il ciclo per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Perché un serbatoio è una struttura non edilizia, non un componente non strutturale
Un serbatoio d'acqua non è un componente appeso a una struttura. È una struttura con una grande massa, una superficie libera, un guscio che porta quella massa e un ancoraggio che trasferisce tutto nel terreno. Il Capitolo 15 dell'ASCE 7 tratta i serbatoi e i recipienti come strutture non edilizie e fornisce le disposizioni sismiche che riflettono il loro comportamento. Il Capitolo 13 disciplina i componenti non strutturali negli edifici, dove la domanda è un fattore di amplificazione del componente a un livello di supporto. Utilizzare la via del Capitolo 13 produce una domanda priva di significato fisico, e un serbatoio progettato in quel modo supererà una verifica della capacità di ancoraggio fallendo ciò che conta per la progettazione sismica dei serbatoi secondo l'ASCE 7
Le due componenti sismiche agenti sul serbatoio
Le componenti impulsiva e convettiva sono calcolate separatamente perché agiscono in periodi diversi e producono domande diverse. La componente impulsiva è la risposta a periodo breve generata dalla massa del guscio e dall'acqua che si muove con esso, e governa lo stress circonferenziale nel guscio, il carico assiale di ancoraggio e la verifica di instabilità. La componente convettiva è la risposta a periodo lungo dovuta al movimento ondoso dell'acqua sulla superficie, e governa il franco e il carico sul tetto. Un progetto che riporta una sola domanda sismica ha riportato solo una delle due per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
Aspetto | Componente impulsiva | Componente convettiva |
Eccitata da | Guscio e massa del liquido che si muovono con il terreno | Sloshing del liquido attraverso la superficie libera |
Periodo | Breve, vicino al periodo naturale guscio-liquido | Lungo, secondi per un grande serbatoio |
Governa | Sollecitazione circonferenziale, carico assiale delle ancoraggi, instabilità | Franco, livello del liquido, carico sul tetto |
Verificato in | Progettazione del guscio e delle ancoraggi | Calcolo del franco, accettazione del tetto |
Sloshing e perché il franco è un requisito sismico
Lo sloshing è la parte del problema sismico più spesso lasciata a una nota sul disegno. Quando l'acqua si muove sale su un lato del serbatoio e scende sull'altro, e l'altezza dell'onda dipende dal diametro del serbatoio, dalla profondità dell'acqua e dall'intensità della scossa. Se il franco è inferiore all'onda, l'acqua raggiunge un tetto dimensionato per un carico permanente e una modesta sottopressione, e il vortice alla parete abbassa il livello al centro per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Il freeboard è quindi un risultato della progettazione sismica piuttosto che una tolleranza nominale. L'altezza di sloshing deve essere calcolata dalla componente convettiva e aggiunta al livello del liquido di progetto, e verificata rispetto al tetto. Un freeboard impostato come frazione fissa dell'altezza del serbatoio produce un serbatoio effettivamente pieno in caso di terremoto per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Ancoraggio: perché un ancoraggio sovradimensionato non è una risposta migliore
L'intento non è che l'ancoraggio trattenga il serbatoio; è che l'ancoraggio ceda prima del mantello e poi si allunghi, così il serbatoio può muoversi senza che il mantello o la saldatura si lacerino. Un ancoraggio sovradimensionato rispetto a tale intento elimina la duttilità: il calcestruzzo o l'ancoraggio raggiungono prima la capacità, oppure il collegamento si rompe in modo fragile, e il serbatoio perde la capacità di ridistribuire la sollecitazione. Un ancoraggio resistente non è quindi automaticamente sicuro, e il dettaglio deve specificare un requisito di sviluppo e non solo una capacità: un annegamento sufficientemente lungo per il completo sviluppo del calcestruzzo, un ancoraggio duttile e una costruzione che consenta al mantello di ruotare per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
· Resistenza: la capacità supera la domanda amplificata dell'ancoraggio per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Duttilità: l'ancoraggio snerva e si allunga prima che il mantello ceda per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Sviluppo: l'interramento dimensionato affinché il calcestruzzo sviluppi la piena resistenza dell'ancoraggio per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Materiale: acciaio duttile per ancoraggi, taglio fragile sulla faccia del calcestruzzo evitato per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Interfaccia: la disposizione degli ancoraggi verificata rispetto alla capacità di movimento del mantello per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Flessibilità delle tubazioni e il guasto che previene
Una tubazione collegata a un serbatoio è un guasto sismico in attesa del prossimo evento. Il mantello si muove sotto carico impulsivo; la tubazione no. Dove una tubazione è collegata rigidamente a un bocchello, il movimento relativo viene imposto al bocchello, alla saldatura e al supporto, e il più debole dei tre diventa il punto di guasto, ben al di sotto della capacità del serbatoio. Il rimedio è un collegamento flessibile dimensionato sul risultato dell'analisi per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
Ciò ha una conseguenza in fase di approvvigionamento che si manifesta ben prima che il calcolo sia eseguito. Il numero, le dimensioni, la posizione e la direzione dei collegamenti dei bocchelli devono essere concordati con il progettista delle tubazioni, perché la flessibilità non può essere aggiunta dopo la saldatura per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
Verifiche del mantello e dei supporti e l'ipotesi conservativa del rapporto
Un serbatoio su un fusto è un assemblaggio strutturale, e il guscio immediatamente sopra il supporto è determinante. Due verifiche sono importanti: la verifica di instabilità del guscio nella lunghezza non supportata fino al primo anello di irrigiditori intermedi, e la compressione assiale e circonferenziale che il fusto sopporta a causa del ribaltamento sismico e del vento. La verifica di instabilità viene comunemente eseguita con un'assunzione conservativa di rigidezza anulare, un rapporto R/I pari a 1,0, e il calcolo deve dichiarare tale assunzione per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7.
Il mantello stesso viene verificato per la compressione assiale e per il momento ribaltante applicato, e la connessione dell'anello di ancoraggio è dove viene risolta la duttilità dell'ancoraggio discussa sopra. Un serbatoio supportato da mantello è anche dove il rapporto altezza-diametro conta di più: su un guscio alto su un supporto snello il carico impulsivo di ancoraggio e il franco libero di sloshing crescono mentre il taglio alla base no, per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Gli input che il committente deve fornire prima dell'inizio della progettazione
Il committente detiene la maggior parte degli input necessari a una progettazione sismica di un serbatoio, e se non sono nel pacchetto di gara il fornitore deve assumerli, il che è il posto sbagliato per fare un'assunzione sismica. La classe di sito e i parametri sismici associati determinano lo spettro di progetto e la categoria di progetto; la categoria di progetto e la categoria di rischio determinano quali disposizioni si applicano; la velocità base del vento e la categoria di esposizione stabiliscono il caso vento, che spesso governa l'ancoraggio per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Mancano abitualmente due input di processo: il livello del liquido di progetto e la densità, che determinano la massa sismica e la profondità di sloshing, e la distinta degli ugelli con l'approccio delle tubazioni, che fissa i requisiti di connessione flessibile prima della fabbricazione per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Input del committente | Da dove proviene | Cosa controlla |
Classe di sito e Ss / S1 | Relazione geotecnica, dati sismici del sito | Spettro di progetto e categoria di progettazione sismica |
Categorie di progettazione sismica e di rischio | Criteri del codice strutturale per l'occupazione | Quali disposizioni del Capitolo 15 si applicano |
Velocità base del vento, categoria di esposizione | Criteri del codice del vento per il sito | Il caso vento per mantello, tetto, ancoraggio |
Relazione geotecnica | Indagine del sito | Fondazione, interazione, liquefazione, cedimenti |
Livello del liquido di progetto, densità, volume | Dati di processo e operativi | La massa sismica e la profondità di sloshing |
Programma degli ugelli e approccio delle tubazioni | Progettista delle tubazioni, dati di processo | Dettaglio del collegamento flessibile, rinforzo dell'ugello |
Cosa rientra nell'ambito sismico del fornitore del serbatoio
L'ambito sismico del fornitore del serbatoio dovrebbe essere indicato come un elenco, perché la frase secondo cui il serbatoio sarà progettato per i carichi sismici non significa nulla di per sé. L'elenco comprende normalmente la progettazione del mantello e del fondo per la combinazione sismica, la struttura del tetto, la progettazione dell'ancoraggio con il relativo requisito di sviluppo, il calcolo dello sloshing e del franco, e i carichi sugli ugelli e sulle fondazioni per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Quando il sito si trova in una zona sismica, i disegni di officina dovrebbero riportare il caso di progettazione sismica, in modo che un revisore possa confrontarlo con gli input del committente anziché dedurlo da una nota. Ciò che non dovrebbe essere nell'elenco è una progettazione sismica specifica presentata come trasferibile: lo stesso serbatoio in una classe di sito diversa è una struttura diversa per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
L'interfaccia geotecnica e una checklist delle specifiche sismiche
Il rapporto geotecnico fa più che stabilire le fondazioni. La valutazione della liquefazione, la previsione dei cedimenti e l'ipotesi di interazione terreno-struttura alimentano tutti la progettazione del serbatoio, e l'ultima è una decisione progettuale piuttosto che un dato di sito: se si assume che il terreno si muova con la struttura o che sia flessibile cambia il periodo della componente impulsiva e la sollecitazione sull'ancoraggio. Dove il rapporto tace, l'ipotesi deve essere dichiarata e riesaminata per la progettazione sismica del serbatoio secondo asce 7
· Indicare la norma sismica e l'edizione, e dichiarare che il serbatoio è una struttura non edilizia per la progettazione sismica del serbatoio secondo asce 7
· Riportare la classe di sito, Ss e S1, le categorie di progettazione sismica e di rischio per la progettazione sismica del serbatoio secondo asce 7
· Indicare il livello del liquido di progetto, la densità e il livello utilizzato per la massa sismica per la progettazione sismica del serbatoio secondo asce 7
· Richiedere un calcolo di sloshing e indicare il franco bordo come dimensione di disegno per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Richiedere che l'ancoraggio specifichi una lunghezza di sviluppo e un requisito di allungamento per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Richiedere che la verifica di instabilità del mantello specifichi il rapporto R/I assunto per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Richiedere un dettaglio di connessione flessibile per ogni bocchello, dimensionato sul movimento calcolato per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Indicare le ipotesi geotecniche e le questioni riservate all'ingegnere per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
· Richiedere il caso di progettazione sismica e i dettagli di ancoraggio sui disegni per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Caso di studio del progetto
Riferimento di consegna per questo compito, citato dalla libreria di progetto verificata. Livello di corrispondenza C. Una consegna a due serbatoi con un elevato rapporto altezza-diametro, citata come riferimento di geometria e disposizione. La libreria verificata non registra i suoi input di progettazione sismica, la classe del sito o i dettagli di ancoraggio, quindi questo articolo non utilizza il progetto per dimostrare le prestazioni sismiche, come dettagliato per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7.
ID progetto | Paese | Prodotto | Capacità | Numero di serbatoi | Dimensioni | Completamento | Ambito di fornitura |
SIN-FIRE-1666 | Singapore | Serbatoio bullonato in acciaio rivestito di vetro (GFS) | 1.666 m3 | 2 | φ8,41 × 15,0 m (H) per serbatoio | 2026-01 | Solo serbatoio |
Una consegna di due serbatoi con un elevato rapporto altezza-diametro, citata come riferimento di geometria e disposizione. La libreria verificata non registra i suoi input di progettazione sismica, la classe del sito o il dettaglio dell'ancoraggio, pertanto questo articolo non utilizza il progetto per dimostrare le prestazioni sismiche, come dettagliato per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7.
Domande frequenti
D1. Perché un serbatoio è classificato come struttura non edilizia?
Perché risponde al terremoto come una struttura, non come un'apparecchiatura ad essa collegata. Ha una grande massa, una superficie libera, un guscio che sostiene tale massa e un ancoraggio che trasferisce tutto al terreno. Il Capitolo 15 dell'ASCE 7 fornisce le disposizioni sismiche per serbatoi e recipienti su questa base, mentre il Capitolo 13 disciplina i componenti non strutturali negli edifici per la progettazione sismica dei serbatoi secondo l'ASCE 7
D2. Quali sono le due componenti sismiche che agiscono su un serbatoio?
La componente impulsiva, la risposta a breve periodo generata dal guscio e dalla massa liquida contenuta che si muove con il terreno, governa la sollecitazione circonferenziale del guscio, il carico assiale delle ancoraggi e la verifica di instabilità del guscio. La componente convettiva, la risposta a lungo periodo generata dallo sloshing del liquido attraverso la superficie libera, governa l'adeguatezza del franco e il carico sul tetto. Una progettazione che riporta una sola domanda ha riportato solo una delle due per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
D3. Il franco è un requisito sismico o solo una formalità normativa?
È un requisito sismico con un calcolo alla base. L'onda di sloshing si alza su un lato del serbatoio e scende sull'altro, e la sua altezza dipende dal diametro del serbatoio, dalla profondità dell'acqua e dall'intensità della scossa. Se il franco è inferiore all'onda, l'acqua raggiunge un tetto dimensionato per un carico permanente e una modesta spinta verso l'alto. L'altezza deve derivare dalla componente convettiva per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
D4. Perché un ancoraggio sovradimensionato è un problema?
Poiché l'intento sismico non è che l'ancoraggio trattenga il serbatoio, ma che ceda prima del guscio e poi sviluppi allungamento, così che il serbatoio possa muoversi senza che il guscio o la saldatura si strappino. Un ancoraggio sovradimensionato rimuove quella duttilità: il calcestruzzo o l'ancoraggio raggiungono prima la capacità, oppure il collegamento si rompe in modo fragile. Il dettaglio necessita di una lunghezza di sviluppo per la piena resistenza dell'ancoraggio e di un materiale duttile per l'ancoraggio ai fini della progettazione sismica del serbatoio secondo ASCE 7
D5. Quale cedimento previene il piping flessibile?
Previene che il movimento relativo tra il guscio e un tubo collegato rigidamente venga imposto all'ugello, alla saldatura e al supporto. Il guscio si muove sotto carico impulsivo mentre il tubo no, e il più debole di quegli elementi diventa il punto di cedimento, solitamente ben al di sotto della capacità del serbatoio. Un giunto flessibile o un anello di dilatazione dimensionato sul movimento calcolato lo previene ai fini della progettazione sismica del serbatoio secondo ASCE 7
D6. Quali input deve fornire il committente prima dell'inizio della progettazione?
La classe di sito con i relativi Ss e S1, la categoria di progettazione sismica e la categoria di rischio, la velocità base del vento e la categoria di esposizione, e la relazione geotecnica comprensiva della valutazione della liquefazione e dei cedimenti. Due input di processo sono altrettanto importanti: il livello e la densità del liquido di progetto, che determinano la massa sismica e la profondità dello sloshing, e la distinta degli attacchi con il percorso delle tubazioni, che fissa il dettaglio del collegamento flessibile per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
D7. Cosa dovrebbe rientrare nell'ambito di fornitura del fornitore del serbatoio?
Il serbatoio come struttura: progettazione del mantello e del fondo per la combinazione sismica, la struttura del tetto e il suo fissaggio, la progettazione dell'ancoraggio o del supporto inclusi il materiale dell'ancora e i requisiti di sviluppo, il calcolo dello sloshing e del bordo libero, i carichi sugli ugelli che il progettista delle tubazioni deve sopportare e i carichi imposti alla fondazione. Gli elementi di interfaccia appartengono allo stesso elenco: i parametri geotecnici utilizzati per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
D8. Come viene gestita l'interfaccia geotecnica?
Attraverso la relazione geotecnica, che fa più che stabilire le fondazioni. La valutazione della liquefazione, la previsione dei cedimenti e l'ipotesi di interazione terreno-struttura alimentano tutti la progettazione del serbatoio, e l'ultima è una decisione piuttosto che un dato di sito: assumere che il terreno si muova con la struttura o si comporti in modo flessibile cambia il periodo della componente impulsiva e la domanda sull'ancoraggio. Dove la relazione tace, l'ipotesi deve essere dichiarata per la progettazione sismica del serbatoio secondo asce 7
D9. Cosa deve contenere una lista di controllo per le specifiche sismiche?
Nove elementi: la norma sismica e l'edizione con il serbatoio identificato come struttura non edilizia; la classe del sito, Ss e S1, la categoria di progettazione sismica e la categoria di rischio; il livello e la densità del liquido di progetto utilizzati per la massa sismica; un calcolo dello sloshing con il franco libero come dimensione di disegno; la lunghezza di sviluppo e il requisito dell'ancoraggio; la verifica di instabilità del mantello con rapporto R/I; un dettaglio flessibile per ogni bocchello per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
La progettazione sismica di un serbatoio viene definita prima del disegno del mantello, nella classe di sito, nella categoria di progetto, nella base del franco e nel principio di ancoraggio che il committente consegna. Le due componenti devono essere tenute separate, impulsiva per il mantello, gli ancoraggi e la verifica di instabilità, e convettiva per l'onda di sloshing e il franco, perché il serbatoio viene giudicato rispetto a entrambe. Il punto di ancoraggio viene molto spesso sbagliato nella direzione della falsa resistenza: un ancoraggio più grande rimuove la duttilità richiesta dalla norma, poiché il requisito è che l'ancoraggio snervi e si allunghi prima del mantello e che il calcestruzzo sviluppi quella resistenza su tutto l'incassamento. Un serbatoio che supera una verifica di capacità e fallisce quel principio non è sismicamente conforme; è più resistente di quanto fosse necessario, e fragile nel punto sbagliato per la progettazione sismica dei serbatoi secondo asce 7
Parla con un ingegnere
Inviare la classe del sito con le Ss e S1 associate, la categoria di progettazione sismica e la categoria di rischio, la velocità base del vento e la categoria di esposizione, la relazione geotecnica comprensiva della valutazione di liquefazione e cedimenti, il diametro del serbatoio e l'altezza supportata, il livello e la densità del liquido di progetto, e lo schema degli ugelli con l'approccio delle tubazioni. Restituiremo una base di progetto che tratta il serbatoio come struttura non edilizia, indica separatamente le componenti impulsiva e convettiva, fornisce il calcolo dello sloshing e il franco, e specifica l'ancoraggio per la duttilità e lo sviluppo anziché solo per la capacità, con le verifiche di instabilità del mantello e della gonna e i requisiti di connessione flessibile inclusi per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7
Informazioni su Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) è un produttore professionale dedicato alla progettazione e fabbricazione di serbatoi di stoccaggio bullonati dal 2008. La gamma di prodotti comprende serbatoi in vetro-acciaio (GFS), serbatoi in epossidica fusa a legame (FBE), serbatoi in acciaio inossidabile, serbatoi in acciaio zincato e coperture a cupola geodetica in alluminio, insieme al supporto tecnico EPC e agli accessori per serbatoi. La produzione è conforme alle norme ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, e la gamma di prodotti è certificata NSF/ANSI 61, WRAS, CE e EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 e NFPA ove l'applicazione lo richieda. L'azienda detiene quasi 200 brevetti di smaltatura, gestisce una base produttiva di 150.000 m2, produce circa 300.000 lastre in acciaio smaltato all'anno, ha completato più di 30.000 progetti installati e ha spedito serbatoi in più di 100 paesi. La capacità di progettazione ingegneristica copre volumi di serbatoi fino a 60.000 m3, come dettagliato per la progettazione sismica dei serbatoi secondo ASCE 7.
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