api 650 appendix e

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1 Seismic Design of Liquid Storage Tanks Update API 650 Appendix E September 2006 Presented by: John M. Lieb PE Tank Industry Consultants [email protected] Why has Appendix E changed? Update API 650 to State of the Art Practice Make API 650 More Consistent with Building Codes and Standards ASCE 7 International Building Code (IBC) National Earthquake Hazard Reductions Program (NEHRP) Replace “Seismic Zone”Concept with More Accurate Approach Tank Industry Consultants

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API 650 Appendix E

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Page 1: API 650 Appendix E

1

Seismic Designof Liquid Storage Tanks

UpdateAPI 650 Appendix E

September 2006Presented by:

John M. Lieb PETank Industry Consultants

[email protected]

Why has Appendix E changed?

•Update API 650 to State of the Art Practice•Make API 650 More Consistent with Building

Codes and Standards•ASCE 7•International Building Code (IBC)•National Earthquake Hazard Reductions Program

(NEHRP)•Replace “Seismic Zone”Concept with More

Accurate Approach

Tank Industry Consultants

Page 2: API 650 Appendix E

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How has Appendix E changed?•Incorporated newer definitions of ground motion in the

US,•Added a procedure to address regions outside the US,•Expanded and generalized the equations to improve

programming applications and reduce reliance on plots,•Added hydrodynamic hoop stresses and vertical

earthquake,• Included information and equations previously found

only in outside reference materials,•Revised the combination of impulsive and convective

forces to use the SRSS method instead of direct summethod.

Tank Industry Consultants

How has Appendix E changed?•Introduced concept of an “anchorage ratio”, J, for

clarity,

•Permit the use of soil structure interaction formechanically­anchored tanks,

•Added detailing requirements for freeboard, pipeflexibility, and other components,

• Improved maintainability,•Added Commentary with example problems.

Tank Industry Consultants

?54.1)4.01((2 ≤

+−=

avt

rw

wAwDMJ

Page 3: API 650 Appendix E

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How Will New Appendix E AffectTank Design?

•Parametric study concluded:•For overall tank population –not much difference from

previous appendix.•For some areas, e.g., Houston, TX, new rules are

“more stringent”•For other areas, e.g. Some parts of California, new

rules are “less stringent”.

Tank Industry Consultants

When was Appendix E Published?

API 650 included the revised Appendix in the10th Edition, Addendum 4.

The Commentary to Appendix E will beincorporated in the 11th Edition.

Tank Industry Consultants

Page 4: API 650 Appendix E

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Appendix E Outline

• Design Spectral Accelerations (defining therequired ground motions)

• Seismic Design Factors (I and Rw to define thedesign level forces)

• Design (base shear, impulsive and convectiveloads, vertical effects, over­turning moment, SSI,allowable stresses)

• Detailing Requirements (piping, anchorage,freeboard, connections, sliding)

Tank Industry Consultants

Ground Motion­ ASCE 7 Method

• Response spectra, mapped or defined by regulations

1.0 4.00

1

0 1 2 3 4 5Period, T  (sec)

Spec

tral R

espo

nse 

Acc

eler

atio

n,Sa

 (g)

DSS

D1S

0T ST

D1ai

SS

T=

1.5 D1ac

SST

=

26 D1

acSST

=

Recurrenceinterval

Soil Effects

Tank Industry Consultants

Page 5: API 650 Appendix E

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Ground Motion for Regions OutsideUSA

• Peak Ground Acceleration, Sp

Ss = 2.5 Sp

S1=1.25 Sp

Tank Industry Consultants

Ground Motion­ Site Specific

• Site­specific ResponseSpectra

Probabilistic, Deterministic

5%, 0.5%

Includes Soil Effects

Recurrence Interval

Tank Industry Consultants

Page 6: API 650 Appendix E

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Generalized Equations

•Examples,impulsive coefficient

ringwall moment

=

=

wa

wDSi R

ISQFRISA 05.2

[ ] [ ]22 )()( cccrrssiiirw XWAXWXWXWAM +++=

Tank Industry Consultants

What’s Next?

•API 650–Publish Commentary to Appendix E in 11th

Edition•API 620

–Rewrite Appendix L, Address:–Operating Basis Earthquake (OBE)–Safe Shutdown Earthquake (SSE)

Tank Industry Consultants

Page 7: API 650 Appendix E

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Joint API/PAJ* Research Project

UpdateFloating Roof Stability

*Petroleum Association of Japan

Information in this portion of the presentation wasprovided by Takayasu Tahara, Dr. Eng. Of PAJ andPhil Myers, P.E., of Chevron.

Floating Roof StabilityThis  portion  of  the  presentation  addresses  the  joint  API/PAJ  researchproject  to  develop  seismic  design  provisions  for  floating  roofs. Theproject  is  intended  to  do  the  technical  work  needed  to  understand  thebehavior  of  floating  roofs  under  loading  conditions  including  sloshingwaves.  Why?

•Many  floating  roofs  exist  which  do  not  meet  the  broad  API  650strength requirements outlined in API 650 Appendices C and H.

•Currently the purchaser relies on the manufacturer to provide a floatingroof  that  has  sufficient  strength  to meet  the  standards. Many  examplesand case histories show that this is not the case.

•By  performing  this  work  not  only  will  the  provisions  of  API  650provide the industry with a tool to easily assess the strength of floatingroofs to perform as intended but the work will also provide the basis fordesigns needed in regions and areas subject to seismic activity.

Page 8: API 650 Appendix E

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Is Your Facility Vulnerable?

REGIONS WHERE RESEARCH WORK WILL HAVE HIGHEST IMPACT

Floating Roof Critical to Tank Safety•Controls Product Vaporization•Limits Fire Risk to Rim Fires•Reduces Fire Protection Needs (Foam, etc)

to Rim Area (not Tank Area)•Prevents Escalation to Fully Involved Tank

and Terminal Fires•Single Most Important Fire and Safety

Defense of All Tank Components

Page 9: API 650 Appendix E

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Floating Roof Vulnerabilities

•Floating Roofs Are Vulnerable to:–Sinking–Rain (In Houston, Hurricane Allison Caused

Over 100 Floating Roofs to Sink)–Gas (as From Producing or Pipeline Operations)–Corrosion–API 650 has Performance Based Rules Which

Have Proven to be Inadequate

Is API 650 Adequate?• Rules Require 2 Flooded Compartments Plus Center Deck and,• 10 Inches of Rainfall in 24 Hour Period• Very Few Know How to Design to Meet the Structural

Requirements• Industry Depends on Tank and Roof Manufacturers for Safe

Designs• Many Lawsuits Have Resulted From Floating Roofs Sinking• Industry Needs to Have Simple Rules, Tables and Formulas that

Ensure the Floating Roof is Strong Enough for LoadingConditions

Page 10: API 650 Appendix E

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Seismic Background

• Seismic Technology Changed –So Codes Changed• API 650 Appendix E Revised Accordingly• But Job is Not Complete• Seismic Committee Intended to Address

–Tank Shell and Bottom First (Appendix E DoesThis)

–Then Floating Roof Stability (This is CurrentProposal)

Common Seismic Failure Modes• Tearing Piping

• Shell Elephant’s Foot

• Bottom Separates From Shell

• Floating Roof Collapse/Sinking

• First 3 covered by new Appendix E• Floating Roof (Yet to Complete)

Page 11: API 650 Appendix E

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Seismic waves cause floatingroof to lose buoyancy

Seismic waves cause failure deck andfloating roof sinking

This can result in full surface fire andtank burn­down

Damage Observed in a Recent Major Refinery Earthquake Dueto Tank Sloshing Waves

Ismit, Turkey 1998

Page 12: API 650 Appendix E

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Ismit, Turkey 1998

Is Floating Roof Damage From a SloshingWave a Real Risk?

• Hokkaido, Japan– 4 Fully Involved Tank Fires– 2 Fully Involved Due to Floating Roof Collapse from Sloshing Waves– 50% Due to Sloshing Wave

• Ismit, Turkey– 23 Major Tank Fires– 17 Due to Sloshing Waves– >50% Due to Sloshing Wave

• Anchorage, Alaska– Commingled Data But Many Floating Roofs Collapsed

• API AST Leadership Committee Thinks Seismic Work Not Complete• Seismic Sloshing is Important and Should be Completed

Page 13: API 650 Appendix E

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Business Case• At Least 25 Floating Roofs per Year Sinking in US Alone• About ½ are Due to Corrosion; Other Half Due to Water or Gas• Of the Half, About 1/3 are Due to Inadequate Design• This is About 4 per Year Sinking Due to Inadequate Structural

Stability• Floating Roof Sinkings Can be Reduced or Prevented if API

Companies Have Simple Means to Evaluate Floating Roof Stability• Proposed Work Will Result in This Deliverable• The Lower Bound Estimate for the Ismit and Hokkaido Incidents are

$100 million• At least ½ of the Floating Roofs Causing Fires Would Not Have

Occurred• Cost Savings From These Standards Would be Roughly $30 million

Final Statement of Benefit To Cost

• Benefits– Project Has High Value in Seismically Active Areas– Major Oil Companies Support this Activity– Work Will Result in Adequate Floating Roofs for

Seismic Areas– Will Result in General Understanding of Floating Roofs

for Other Load Conditions (Gas, Rainwater, etc)– Project is Leveraged

• Costs– $25,000 in 2007

Page 14: API 650 Appendix E

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Thank You !

Questions ?