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Zusammenfassung (Deutsch)

Aufgrund der häufigen fatalen Schäden an flüssigkeitsgefüllten Tankbauwerken infolge Erdbebenbelastungen, scheinen die bestehenden Berechnungsmöglichkeiten zur Bemessung dieser Tragwerke nicht ausreichend. Insbesondere die Interaktion zwischen Flüssigkeit und Bauwerk ist im Stand der Technik nur unzureichend berücksichtigt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird auf Grundlage der Finiten-Element-Methode ein isoparametrisches Flüssigkeitselement für kompressible, inviskose Flüssigkeiten auf Grundlage der LAGRANGEschen Beschreibung entwickelt. Mit diesem Element kann das dynamische Verhalten der Flüssigkeit und somit auch die Interaktion mit dem Behälterbauwerk wirklichkeitsnah abgebildet werden. Die unter dynamischen Belastungen auftretenden nichtlinearen Ablöseerscheinungen der Flüssigkeit von der Tankwand werden durch ein speziell für dieses Problem hergeleitetes Kontakt-Element simuliert. Das physikalisch und geometrisch nichtlineare Materialverhalten der Tankwand wird mit Hilfe eines schubweichen Schalenelementes, bzw. bei mehrschaligen Tankwänden durch ein Makroelement, bestehend aus Schalen- und Volumenelement, abgebildet.

Die Verifikation der hergeleiteten finiten Elemente erfolgt durch Vergleich der numerischen Berechnungen mit analytischen und experimentellen Daten, die zum großen Teil sehr gute Übereinstimmungen zeigen. Anhand von Beispielrechnungen werden die Auswirkungen der verschiedenen nichtlinearen Einflüsse auf das Tragverhalten der Tankstruktur untersucht.

Zusammenfassung (Englisch)

Because of consistently re-occurring severe damages of liquid-filled storage tanks under earthquake loading, the available methods for calculating these buildings turn up to be unsatisfactory. Especially the problem of fluid-structure-interaction is considered to be significant for the stability of liquid-filled tanks. To investigate the influence of the fluid-structure interaction, advanced numerical studies are essential. In the present work, a fluid element based on the LAGRANGIAN formulation for compressible inviscid fluids is developed. In combination with a contact element (simulating the non-linear contact behaviour between fluid and tank wall) and shell elements with physical and geometrical non-linear properties, it is possible to perform a non-linear FE-simulation of a complete 3D-model of tank-fluid-systems. The developed numerical simulation tools are verified by comparison with analytical and experimental data from literature and show good agreement. On the basis of sample tanks, the influence of different nonlinear effects are investigated.

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