Le développement d'outils de simulation efficaces demande d'appréhender à la fois la modélisation physique, la modélisation mathématique et la programmation informatique. Pour chacun de ces points, il est nécessaire de garder à l'esprit l'application visée, en effet le niveau de modélisation à adopter mais également les techniques de programmation à mettre en œuvre vont être différents selon l'utilisation que l'on envisage pour un code de calcul ou un logiciel de simulation.On commence dans ce travail de thèse par s'intéresser au niveau fin pour lequel on résout les équations d'Euler pour calculer un écoulement, on aborde ensuite la question de l'utilisation d'un code de calcul parallèle dans le contexte de la simulation d'un benchmark industriel. Enfin, on traite du niveau macroscopique associé à la simulation d'une installation industrielle complète pour lequel on utilise des relations phénoménologiques basées par exemple sur des corrélations expérimentales.Le premier chapitre traite de la détermination d'une vitesse de grille dans le contexte des méthodes ALE (Arbitrary Langrangian-Eulerian). Dans le chapitre suivant, on s’intéresse aux équations d'Euler compressibles résolues à l'aide de la méthode VFFC (Volumes Finis à Flux Caractéristiques), il s'agit d'introduire un modèle d'interface entre un fluide seul d'une part et un mélange homogène de deux fluides d'autre part, l'un des deux fluides ayant la même loi d'état que celui présent de l'autre côté de l'interface.Le troisième chapitre est consacré à la réalisation de simulations haute performance utilisant le code de calcul FluxIC basé sur la méthode VFFC avec capture d'interfaces, on s'intéresse plus particulièrement au phénomène de sloshing rencontré lors du transport de gaz naturel liquéfié par navire méthanier.Pour finir, le quatrième et dernier chapitre traite de la modélisation au niveau système d'une installation industrielle. On y présentera une approche systémique qui constitue un niveau de modélisation adapté à la simulation d'un grand nombre de composants et de leurs interactions. L'approche qui est présentée permet de concilier la modélisation de phénomènes physiques déterministes avec une modélisation stochastique visant à simuler, par exemple, le comportement de l'installation pour divers régimes de fonctionnement caractéristiques. / The development of efficient simulation tools requires an understanding of physical modeling, mathematical modeling and computer programming. For each of these domains it is necessary to bear in mind the intended application, because the use for a calculation code or simulation software will dictate the level of modeling, and also the programming techniques to be adopted.This dissertation starts with a detailed description applied in the form of fluid flow calculations using the Euler equations. Then simulation of an industrial benchmark is considered using a parallel computational method. Finally, simulation of a complete industrial plant is addressed, where phenomenological relations based on experimental correlations can be used.The first chapter deals with the determination of mesh velocity in the context of ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) methods. In the following chapter we focus on the compressible Euler equations solved using the FVCF method (Finite Volume with Characteristic Flux). In this case we consider an interface between a single fluid and a homogeneous two-fluid mixture, where one of the two mixed fluids and the single fluid have the same equation of state.The third chapter is devoted to running high performance simulations using the FluxIC computation code based on the FVCF method with interface capturing. The focus is on sloshing phenomenon encountered during transportation of Liquefied Natural Gas by LNG carriers.The fourth and final chapter deals with modeling of an industrial facility at system level. A systemic approach is presented that provides a level of modeling adapted to the simulation of a large number of components and their interactions. This approach enables users to combine deterministic modeling of physical phenomena with stochastic modeling in order to simulate the behavior of the system for a large set of operating conditions.

Cette thèse porte sur le problème du ballottement d'un liquide dans un réservoir, rencontré dans le transport et le stockage du GNL par des structures flottantes. La prédiction des chargements réels, dus au ballotement sur les parois du réservoir, est souvent basée sur des études expérimentales à petite échelle. La modélisation expérimentale à petite échelle respecte la similitude de Froude et le rapport de densité entre le gaz et le liquide. Cependant, d’autres similitudes sont biaisées comme la similitude par rapport au nombre de Weber et la similitude par rapport au nombre de Reynolds. De plus, les pressions enregistrées montrent une grande variabilité quand le même essai est répété. Dans une première partie, différentes sources physiques responsables de cette variabilité sont discutées, à savoir les instabilités de surface libre, la retombée des gouttes et des jets liquides sur la surface libre, et la production et l'entraînement des bulles dans le liquide. En fait, ces phénomènes sont à l'origine des perturbations de l'écoulement, de la variabilité de la géométrie de la vague et de cette façon des pressions engendrées par cette dernière sur la paroi. D'autres mécanismes de dissipation d’énergie sont identifiés. Ils sont liés aux frottements aux parois et aux déferlements de vagues. Nous montrons que cette dissipation induit un effet mémoire à courte durée pour l’écoulement, permettant de reproduire pour chaque impact la distribution statistique des pics de pression avec une courte durée des excitations. Ces sources de variabilité et ces mécanismes de dissipation dépendent de la tension de surface et de la viscosité du liquide. Ainsi nous étudions dans une deuxième partie, les effets de ces paramètres physiques. Nous montrons que la forme locale de la vague dépend de la tension de surface. Par contre, les effets sur la forme globale de la vague sont négligeables. Plus la tension de surface diminue, plus les pics pression sont faibles. Ce qui est dû aux différents phénomènes liés au développement des ligaments, la fragmentation en gouttes et la génération de la mousse sur la crête de la vague, et à l’entraînement des bulles dans le liquide. Quant à la viscosité du liquide, elle affecte à la fois la forme globale et la forme locale de la vague, là encore les pressions sont modifiées. Cette étude paramétrique permet, dans une troisième partie, d'étudier et comprendre les effets du nombre de Weber et du nombre de Reynolds, en comparant les résultats pour deux échelles différentes 1:40 et 1:20, quand les mêmes fluides sont considérés. De plus, en se basant sur différents cas de comparaison avec la similitude de Reynolds et/ou la similitude de Weber, nous montrons que la double similitude est indispensable pour obtenir une forme de vague avant l'impact indépendante de l'échelle. Cependant, la distribution statistique des pics de pression dépend aussi d’autres nombres adimensionnels à savoir le nombre de Mach du liquide et le nombre de Mach du gaz. / This work focuses on sloshing problem, encountered in the transport and storage of LNG by floating structures. The prediction of real sloshing loads is often based on small-scale experimental studies, respecting the Froude similarity and the density ratio between the gas and the liquid. However, other similarities are biased such as the Weber similarity and the Reynolds similarity. In addition, the recorded pressures show great variability when the same test is repeated. In a first part, different physical sources responsible for this variability are discussed, which are the free surface instabilities, the falling droplets and liquid jets impinging on the free surface, and the liquid entrainment by bubbles. In fact, these phenomena are at the origin of the flow disturbances, the variability of the wave shape, and hence its pressures on the wall. Other dissipation mechanisms are identified. They are related to wall frictions and breaking waves. Thanks to this energy dissipation, we show that the flow is characterized by a short-term memory, making it possible to reproduce for each impact its statistical distribution of pressure peaks with a short duration of excitations. These sources of variability and dissipation mechanisms depend on the surface tension and the viscosity of the liquid. Thus, we study, in a second part, these physical parameters. We show that the local wave shape depends on the surface tension. However, its effects on the global wave shape are negligible. Besides, when the surface tension is reduced, the statistical pressures are reduced. This is due to various phenomena related to the development of liquid ligaments, their fragmentation into drops and the generation of foam at the wave crest, and the liquid entrainment by bubbles. As for the viscosity of the liquid, it affects both the local and global shape wave shapes, again the pressures are changed. Based on this parametric study, The effects of Weber number and Reynolds number are studied by comparing the results for two different scales 1:40 and 1:20, when the same fluids are used. Moreover, considering different cases of comparison with Reynolds number similarity and / or Weber number similarity, the results show that both similarities are essential to obtain a scaleindependent wave shape. However, the statistical distribution of pressure peaks also depends on other dimensionless numbers, namely the Mach number of the liquid and the Mach number of the gas.

De nos jours, le respect de l'environnement est une obligation dans le cadre de travaux maritimes. Les caissons en béton verticaux à plaques poreuses sont souvent la solution technique privilégiée pour agrandir les ports existants et / ou améliorer l'agitation des bassins. L'empreinte au sol est réduite et la demande en matériaux de carrière est moins importante par rapport aux digues en enrochement classiques. Récemment, des systèmes alternatifs aux caissons en béton verticaux ont été conçus. Les structures amortisseuses de la houle à enrochements verticalisés sont constituées d'une structure métallique entourant des blocs. Ce type de structure offre des avantages environnementaux, une perméabilité aux courants et une bonne performance hydrodynamique. Ce travail de thèse visait à développer un nouveau code 3D-BEM facile à utiliser et intégrant les écoulements en milieux poreux. Des géométries innovantes sont testées comme des gabions espacés avec une chambre d’expansion ou un mélange de plaques poreuses et de milieux poreux.La description des écoulements dans un milieu poreux est une question complexe. Navier-Stokes moyenné au sens de Reynolds (RANS) est le processus mathématique communément utilisé pour modéliser les écoulements en milieux poreux. Ce dernier est considéré comme un milieu continu homogène. L'équation bien connue de Forchheimer étendue décrit les forces volumiques appliquées à l'écoulement par un milieu poreux à travers des coefficients de résistance et d'inertie. Ces recherches ont été l’occasion d’examiner ces coefficients, notamment celui d'inertie mal connu dans le cas d’un milieu poreux. Il joue un rôle majeur pour les écoulements à très faible KC se produisant dans les couches internes des digues poreuses. Une analyse de la littérature sur les écoulements de milieux poreux a été entreprise. Le code numérique appelé Diffra3D a été développé. Il a ensuite été utilisé pour rechercher des coefficients de résistance de milieux poreux à l'aide de données provenant de trois campagnes expérimentales : un test de sloshing sur hexapode et deux études classiques de transmission/réflexion en canal à houle. Celles-ci ont également été l'occasion de tester et de calibrer le code. De nouvelles géométries de structures poreuses ont ensuite été testées expérimentalement et numériquement.Deux nouvelles valeurs de coefficients de résistance d'un milieu poreux sont proposées pour les écoulements à très faibles KC. Certaines caractéristiques intéressantes concernant le coefficient d'inertie CM d'un milieu poreux sont également développées. Ce sujet de recherche mériterait encore d’être approfondi pour tenter de trouver une ou plusieurs loi(s) empirique(s) décrivant l’évolution du coefficient d'inertie dans ce régime spécifique d’écoulement. Le code Diffra3D fonctionne de façon satisfaisante pour modéliser les écoulements en milieu poreux. Il est cependant limité aux vagues à faibles cambrures. Tout l'enjeu est de bien caractériser le milieu poreux étudié. L'utilisation de Diffra3D a permis de montrer que les structures poreuses verticales innovantes, telles que les gabions espacés, ont entièrement leur place en tant que digues amortisseuses de la houle respectueuses de l'environnement. Elles pourraient être couramment utilisées dans le futur. / Nowadays the respect of the environment is an obligation in maritime works. Vertical concrete caissons with porous plates are often the number one technical solution to enlarge existing ports and/or to improve the agitation of the basins. The footprint is reduced and the demand in quarry materials is less important compared to classical riprap breakwaters. Recently, alternative systems to vertical concrete caissons have been designed. Vertical riprap breakwaters are made of a metal framework enclosing blocks. This kind of structure offers environmental benefits, permeability for currents and a good hydrodynamic performance. This thesis work looks at developing a new 3D-BEM code that is easy to use and integrates porous media. Innovative geometries are tested like spaced gabions with damping chamber or a mix of porous plates and porous media.Describing flows in porous media is an complex issue. Volume averaging method is the common mathematical process used to model porous media flows without drawing every grain of a porous medium. The well-known extended Forchheimer equation describes the volumetric forces applied to the flow by a porous medium through resistance and inertial coefficients. These researches were the occasion to look into this coefficients, especially the one of poorly understood inertia in the case of a porous medium. It plays a major role in very low-KC flows currently occurring in porous breakwaters apart from armour layer.First, a literature review on porous media flows was undertaken. In parallel, the numerical code called Diffra3D was produced. It was then used to look for resistance coefficients of porous media through data coming from three experimental campaigns : one sloshing test on hexapode and two classical reflection-transmission studies in a wave tank. These campaigns were also the occasion to test and calibrate the code. New geometries of porous structures were then tested experimentally and numerically. Two new values of resistance coefficients of a porous medium are proposed. Some interesting features concerning the inertia coefficient CM of a porous medium are also developed. In simulations, we observe that the hydrodynamic behaviour of porous structures in low-KC flows is very sensitive to the coefficient of inertia. This research topic would still deserve further studies in order to find empirical law(s) for the inertia coefficient of a porous medium. The code Diffra3D performs well to model porous media flows. However, it is limited to waves with low steepness. The challenge is to properly characterise the porous medium. This research has shown that innovative porous structures like spaced gabions have proven their place as environmentally-friendly damping breakwaters. They may be commonly used in the future.

<p>  </p> <p>Cavitation, liquid slosh, and splashes are ubiquitous in science and engineering. However, these phenomena are not fully understood. Yet to date, we do not understand when or why sometimes the splash seals, and other times does not. Regarding cavitation, a high temporal resolution method is needed to characterize this phenomenon. The low temporal resolution of experimental data suggests a model-based analysis of this problem. However, high-fidelity models are not always available, and even for these models, the sensitivity of the model outputs to the initial input parameters makes this method less reliable since some initial inputs are not experimentally measurable. As for sloshing, the air-liquid interface area and hydrodynamic stress for the liquid slosh inside a confined accelerating cylinder have not been experimentally measured due to the challenges for direct measurement.</p>

<p> A numerical algorithm has been developed to solve the sloshing motion of liquid in a Tuned Liquid Damper (TLD) outfitted by slat screens under large and random amplitude of excitation. It is based on the finite-difference method. The free surface has been reconstructed using volume of fluid method. Donor-acceptor technique has been used for tracking the volume fraction field. The effect of slat screen has been included and modeled using the partial cell treatment method. </p> <p> The algorithm is an integrated fluid-structure model where the response of the structure is determined considering the effects of TLD. The structure is assumed as a single degree of freedom system (SDOF) and its response is calculated using the Duhamel integral method. </p> <p> The algorithm has been validated against experimental data for the cases with and without screens. An excellent agreement was obtained between numerical and experimental results. </p> <p> An extensive parametric study has been carried out investigating the effect of slat screens and screen pattern on the TLD performance and on the structure response. A new parameter termed as slat ratio was introduced to characterize the slat screens based on their pattern. Results indicated that screen pattern has a significant effect on the TLD performance and it could lead up to 33 % reduction in structure response. It was found that decreasing the slat ratio will increase the damping effect of a TLD outfitted by slat screen. </p> <p> The validity of the most commonly used approach, Baines and Peterson model, to calculate pressure drop of slat screens has been investigated. A conelation factor as a function of Reynolds number and solidity ratio of screen has been proposed to improve the results of this model. A new concept termed as effective solidity ratio has been proposed to account for the physical significant of screen pattern on TLD performance. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

<p> Tuned Liquid Dampers (TLDs) are increasingly being used to suppress the dynamic vibration of tall buildings. An equivalent mechanical model is essential for rapid analysis and design of a TLD. The most common TLD tank geometries are circular, annular and rectangular. Rectangular tanks are utilized for 1-D and 2-D TLDs, whereas circular and annular are usually applied to axisymmetric structures. The amount of fluid that participates in the sloshing motion is directly influenced by the tank geometry. Although not commonly used, a TLD having a curved-bottom tank is expected to perform more effectively due to its relatively large value of effective mass. The main objective of this study is to develop mechanical models for seven TLDs with different tank geometries including the curved-bottom case, and to theoretically investigate the performance of rectangular, vertical-cylindrical and horizontal-cylindrical TLDs.</p> <p> Potential flow theory, linear long wave theory, Lagrange's equations and virtual work method are employed to develop the equivalent mechanical model parameters of TLDs with rectangular, vertical-cylindrical, horizontal-cylindrical, hyperboloid, triangular, sloped-bottom, and parabolic tank geometries. A rectangular, vertical-cylindrical and horizontal-cylindrical TLD are selected for further study using a single-degree-of-freedom (SDOF) model and a two degree of freedom structure-TLD system model applying the derived equivalent mechanical parameters.</p> <p> The dynamic characteristics of the TLDs as a SDOF system are investigated. The mechanical model is verified by comparing calculated values with experimental results for a rectangular TLD. The free surface motion, sloshing force and energy dissipation are found to be dependent upon the excitation amplitude. Analytical results also indicate that the horizontal-cylindrical TLD possesses the greatest normalized sloshing force and energy dissipation among the TLDs considered.</p> <p> The performances of various TLDs installed in a structure are studied in terms of effective damping, efficiency and robustness. Tuning ratio, structural response amplitude, mass ratio and liquid depth are adjusted to investigate their affect on the performance of the studied TLDs. Performance charts are developed and subsequently used to present the results. It is found that small liquid depth ratio and large mass ratio can lead to a robust structure-TLD system with small relative motion ratio between the structure and the vibration absorber. Comparisons of performance between the three TLDs are made and it can be concluded that the horizontal-cylindrical TLD is the most robust and effective device with the smallest relative motion ratio.</p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

The purpose of this study is to perform an investigation of the numerical methods that may contribute to the design and analysis of liquid containers. The study examines several of these methods individually, namely Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of sloshing and Finite Element Methods (FEM) analysis of impact, to evaluate their contribution to the design cycle. Techniques that enhance the use of the various methods are presented and examined to demonstrate effectiveness. In the case of sloshing analysis, experimental tests performed add to the understanding of the phenomena at hand and qualifies the validity of the numerical method used (CFD). As a final contribution, the study presents a method of utilising impact analysis tools, FEM, and CFD in a Multidisciplinary Design Optimisation (MDO) environment. This is an introductory attempt at demonstrating a single coupled multidisciplinary method of designing liquid containers. The results of the study demonstrate a number of valuable numerical techniques that may be used in the design of liquid containers. The presented Total Deviation Value (TDV) proves to be an effective single quantification of sloshing performance and the CFD tools used to determine the value demonstrate sufficient ability to reproduce the sloshing event itself. More advanced experimental facilities would provide a more in-depth understanding of the limitations of the CFD analysis. The use of numerical optimisation adds a valuable dimension to the use of numerical simulations. Significant design improvements are possible for several design variables without performing exhaustive studies and provide interesting information about design trends. Finally, the use of multiple disciplines, FEM and CFD, in conjunction with the available numerical optimisation routines offers a powerful multidisciplinary design tool that can be adapted to any base geometry and is capable of finding optimal trade offs between the two disciplines according to the designer’s needs. This study provides a platform for further investigations in the use and coupling of sloshing and impact analysis in the design of industrial liquid container applications. / Dissertation (MEng (Mechanical Engineering))--University of Pretoria, 2006. / Mechanical and Aeronautical Engineering / unrestricted

L’émergence de bruits auparavant inaudibles dans les réservoirs à carburants automobiles requiert des constructeurs une meilleure compréhension des phénomènes physiques intervenants au sein de leurs produits. Dans cette thèse, différents travaux ont été conduits autour de l’étude du ballottement de fluide dans une cuve rigide rectangulaire partiellement remplie de fluide et soumise à une excitation extérieure. La première partie présente un état de l’art sur le sloshing suivant trois approches complémentaires - approche analytique, approche numérique et approche expérimentale - permettant d’orienter les travaux. Dans une deuxième partie, une étude préliminaire sur le sloshing dans une cuve rectangulaire soumise à une excitation harmonique forcée est réalisée. La confrontation des résultats numériques entre une approche linéaire - basée sur la théorie d’écoulement potentiel tenant compte de la viscosité du fluide [Schotté et Ohayon, 2013] - et une approche non linéaire commerciale – basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes - permet de définir un paramètre de linéarité. Ce dernier permet de déterminer les cas de sloshing qui nécessitent une résolution non linéaire et ceux pour lesquels la théorie linéaire suffit pour prédire le phénomène. La troisième partie de ce document présente une étude expérimentale du ballottement de fluide dans une cuve rectangulaire rigide soumise à un freinage automobile. Deux niveaux de remplissage créant deux types d’impacts contre les parois (avec et sans enfermement de poche d’air) ont été analysés. Les essais menés ont permis de mesurer les forces engendrées par le mouvement du fluide, les pressions d’impact en paroi ainsi que le champ de vitesse par méthode Particle Image Velocimetry (PIV). Ce chapitre constitue une importante base de données expérimentales ayant permis d’étudier précisément le phénomène physique. L’étude est complétée par une confrontation des résultats expérimentaux avec des résultats Computational Fluid Dynamics (CFD). Enfin, pour conclure ce mémoire, une étude du sloshing dans un réservoir en tenant compte de la Fluid-Structure Interaction (FSI) est présentée. Le choix du couplage a été porté sur un schéma partitionné itératif faible avec, dans un premier temps, une approche potentielle instationnaire, puis avec une approche Volume Of Fluid (VOF) pour la physique fluide. Les limites d’un tel couplage dans le cas d’étude d’un réservoir partiellement rempli de fluide et attaché de manière flexible en fonction du rapport de masse fluide-réservoir ont été mises en évidence. La correction du schéma de couplage par l’effet de masse ajoutée présentée dans [Song et al., 2013] permet la résolution d’un système couplé quel que soit le rapport de masse en jeu et améliore de manière significative la convergence en réduisant également fortement le temps de calcul. / The present thesis focuses on an investigation of the sloshing phenomenon in a partially filled fuel tank submitted to a harmonic excitation motion. In the first part, the confrontation of numerical results between a linear approach - taking into account viscosity - and a nonlinear approach based on a commercial code leads to define a parameter of linearity. This parameter allows determining cases of sloshing who require non-linear resolution and those who need a linear theory to predict the phenomenon. An experimental study of fluid sloshing in a rectangular tank submitted to an automotive braking is conducted. Tests leaded allow measuring global forces engendered by the motion of the fluid, pressure of fluid impact and velocity field by PIV. This chapter provides an important data base and helps to investigate on the physical phenomenon. This study is completed by CFD results. To conclude, a numerical model for fluid-structure interactions is presented. Limits of this segregated partitioned coupling in case of sloshing in tank flexibly attached are highlighted, depending mostly on the mass ratio between fluid and tank structure. An added-mass term is integrated to the corrected staggered scheme ensuring systematically the convergence of the coupled solution and reducing significantly the iterations required.

Ce mémoire contient deux articles que j’ai rédigés au cours de ma maîtrise. Le premier chapitre sert d’introduction à ces articles. Plusieurs concepts de géométrie spectrale y sont présentés dans le contexte du problème de Steklov, en plus des résultats principaux des chapitres subséquents. Le second chapitre porte sur le problème de Steklov paramétrique sur des surfaces lisses. Un développement asymptotique complet des valeurs propres du problème est obtenu à l’aide de méthodes pseudodifférentielles. Celui-ci généralise l’asymptotique spectrale déjà connue du problème de Steklov classique. Nous en déduisons de nouveaux invariants géométriques déterminés par le spectre. Le troisième chapitre porte sur le problème de ballottement sur des prismes à base triangulaire. Le but est de comprendre comment les angles du prisme affectent le deuxième terme du développement asymptotique de la fonction de compte des valeurs propres. En construisant des quasimodes, nous obtenons une expression de ce terme que nous conjecturons comme étant la bonne pour les vraies valeurs propres. Cette conjecture est alors supportée par des expériences numériques. / This thesis contains two articles that I wrote during my M.Sc. studies. The first chapter serves as an introduction to both articles. Some concepts of spectral geometry in the context of the Steklov problem are presented, as well as the main results of the subsequent chapters. The second chapter concerns the parametric Steklov problem on smooth surfaces. We obtain a complete asymptotic expansion of the eigenvalues of the problem by using pseudodifferential techniques. This generalizes the already known spectral asymptotics of the classical Steklov problem. We deduce new geometric invariants determined by the spectrum. The third chapter concerns the sloshing problem on triangular prisms. The goal is to understand how the angles in the prism affect the second term in the asymptotic expansion of the eigenvalue counting function. By constructing quasimodes, we obtain an expression for this term that we conjecture as being correct for the true eigenvalues. This conjecture is then supported by numerical experiments.

Στην εργασία αυτή διερευνάται η δυναμική απόκριση κρυογενικών δεξαμενών υγροποιημένου φυσικού αερίου υποκείμενων σε δράση σεισμού. Επειδή οι εν λόγω δεξαμενές αποτελούν κρίσιμα στοιχεία για τη λειτουργία ενός συστήματος διανομής φυσικού αερίου και επειδή ενδεχόμενη καταστροφική αστοχία τους θα είχε δυσβάστακτες κοινωνικές επιπτώσεις, ιδιαίτερα αυστηρές απαιτήσεις ισχύουν σχετικά με τον αντισεισμικό σχεδιασμό τους. Για το σχεδιασμό έναντι σεισμού προδιαγράφονται συνήθως ένα σεισμικό γεγονός με μέση περίοδο επαναφοράς της τάξης των 500 ετών, κατά το οποίο οι δεξαμενές απαιτείται να παραμένουν πλήρως λειτουργικές, και ένα σεισμικό γεγονός με μέση περίοδο επαναφοράς της τάξης των 5000 έως 10000 ετών, κατά το οποίο απαιτείται η εξασφάλιση της ασφαλούς διακοπής της λειτουργίας των δεξαμενών, ενώ ελάχιστη μόνο βλάβη είναι αποδεκτή στα δομικά στοιχεία τους. Οι εν λόγω δεξαμενές αποτελούνται από δύο κελύφη: Ένα εξωτερικό κυλινδρικό κέλυφος από προεντεταμένο σκυρόδεμα με θολωτή στέγη από οπλισμένο σκυρόδεμα και ένα εσωτερικό κέλυφος από κρυογενικό χάλυβα, εντός του οποίου αποθηκεύεται το προϊόν. Τα δύο κελύφη εδράζονται σε κοινή πλάκα βάσης. Στην εργασία αυτή εξετάζονται δύο εναλλακτικοί τρόποι έδρασης της πλάκας βάσης: α) απλή έδραση επί του διαμορφωμένου εδάφους και β) εφαρμογή κάποιας διάταξης σεισμικής μόνωσης επί της οποίας εδράζεται η πλάκα βάσης. Ειδικότερα, εξετάζονται τα ακόλουθα συστήματα σεισμικής μόνωσης: α) μόνωση με ελαστομεταλλικά εφέδρανα με ελαστομερές υψηλής απόσβεσης, β) μόνωση με ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μόλυβδου, και γ) μόνωση με συνδυασμό γραμμικών ελαστομεταλλικών εφεδράνων και μη γραμμικών αποσβεστήρων. Στις ιδιαιτερότητες του δυναμικού προβλήματος περιλαμβάνονται, εκτός από την επίδραση της μόνωσης, η δυναμική αλληλεπίδραση των δύο κελυφών, η δυναμική αλληλεπίδραση υγρού-δεξαμενής, ο κυματισμός της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού και η δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους-δεξαμενής. Τα φαινόμενα αυτά λαμβάνονται υπόψη στην ανάλυση. Για τη μελέτη του κυματισμού της ελεύθερης επιφάνειας χρησιμοποιείται η γραμμική θεωρία κυμάτων. Για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης υγρού-δεξαμενής εφαρμόζεται μια προσέγγιση τύπου Lagrange με χρήση πεπερασμένων στοιχείων υγρού. Για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής χρησιμοποιούνται συγκεντρωμένα στοιχεία δυσπαραμορφωσιμότητας και απόσβεσης. Επίσης, συγκεντρωμένα στοιχεία δυσπαραμορφωσιμότητας και απόσβεσης χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των συστημάτων μόνωσης. Τα χαρακτηριστικά των παραπάνω συγκεντρωμένων στοιχείων για την προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής και των συστημάτων μόνωσης επιλέγονται με βάση ρεαλιστικές υποθέσεις για τις δυναμικές ιδιότητες του εδάφους θεμελίωσης και τα χαρακτηριστικά των συστημάτων μόνωσης. Δύο περιπτώσεις υφιστάμενων δεξαμενών υιοθετούνται προς ανάλυση. Οι δύο δεξαμενές διαφέρουν κυρίως ως προς τη χωρητικότητα και το λόγο ύψους προς ακτίνα. Και οι δύο δεξαμενές έχουν μελετηθεί και κατασκευαστεί χωρίς σεισμική μόνωση. Ένα συνθετικό επιταχυνσιογράφημα συμβατό με το φάσμα απόκρισης σχεδιασμού του Ευροκώδικα 8 για λόγο απόσβεσης 5%, για την αντίστοιχη κατηγορία εδάφους και για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση λίγο μεγαλύτερη από αυτή για την οποία είναι σχεδιασμένες οι δεξαμενές περιγράφει τη διέγερση της κατασκευής στην οριζόντια διεύθυνση. Για την ανάλυση αναπτύσσεται ένα συνολικό παραμετρικό προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων το οποίο περιλαμβάνει τα δύο κελύφη και το αποθηκευμένο υγρό. Στο προσομοίωμα συμπεριλαμβάνονται, ανάλογα με την περίπτωση που κάθε φορά αναλύεται, τα κατάλληλα στοιχεία για την προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής ή των διαφόρων συστημάτων μόνωσης. Το προσομοίωμα χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των ιδιομορφών και την πραγματοποίηση δυναμικών γραμμικών και μη γραμμικών αναλύσεων με ολοκλήρωση στο πεδίο του χρόνου. Οι μη γραμμικές αναλύσεις είναι αναγκαίες για να ληφθεί υπόψη με ρεαλιστικό τρόπο η έντονα μη γραμμική συμπεριφορά των συστημάτων μόνωσης. Στην περίπτωση αυτή η μη γραμμικότητα είναι συγκεντρωμένη στα στοιχεία που προσομοιώνουν τη μόνωση ενώ για την υπόλοιπη κατασκευή γίνεται σε κάθε περίπτωση η παραδοχή γραμμικής συμπεριφοράς. Η παραδοχή αυτή προκύπτει από το γεγονός ότι για τις δεξαμενές αυτού του τύπου η αποδεκτή βλάβη, και επομένως μη γραμμικότητα στη συμπεριφορά, των δομικών στοιχείων είναι ελάχιστη. Παρουσιάζονται επιλεγμένα αποτελέσματα των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν με χρήση του προσομοιώματος πεπερασμένων στοιχείων. Τα αποτελέσματα αυτά αναφέρονται κυρίως στην τέμνουσα βάσης, τη ροπή ανατροπής, τις οριζόντιες μετακινήσεις της κατασκευής σε διάφορες στάθμες και το ύψος του κυματισμού. Έμφαση δίνεται στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής και της σεισμική μόνωσης στα ανωτέρω μεγέθη. Η εργασία τελειώνει με γενικά συμπεράσματα. / In the present work the dynamic response of liquefied natural gas cryogenic tanks subjected to earthquake action is investigated. Since these tanks are critical elements for the function of a natural gas distribution system and because a potential failure of them could lead to a major disaster, very severe requirements concerning the seismic design of these tanks are imposed. For the design against earthquake action two seismic events are generally considered: an event with a mean return period of 475 years during which the tanks are expected to remain fully operational and an event with a mean return period of the order of 5000 to 1000 years during which the safe shut down of the tanks is to be ensured, while minimum damage is accepted at the structural parts of the tanks. The type of tanks under consideration is constituted of two shells: an outer one made of prestressed concrete and an inner one made of cryogenic steel in which the product is stored. Both shells rest on a common base slab. In these work two alternative ways for the support of this slab are examined: a) the slab lays directly on the ground and b) the slab lays on a number of devices which provide seismic isolation. The following isolation systems are examined. a) high damping rubber bearings, b) lead core rubber bearings and c) low damping rubber bearing in conjunction with non-linear viscous dampers. The examined structural dynamic problem is characterised by certain particularities, besides the one of the implementation of an isolation system. The most important of them are sloshing of the free surface, dynamic fluid-structure interaction, dynamic soil-structure interaction and interaction between the inner and outer shell. These phenomena are taken into consideration in the preformed analyses. For the modeling of the free surface effect the realistic assumption of small wave height is made and the linear wave theory is employed. For the modeling of the fluid-structure interaction a Lagrangian approach is applied using finite elements for the modeling of the liquid and the solid domain. The soil-structure interaction is simulated by using concentrated stiffness and damping elements. Concentrated stiffness and damping elements are used for the modeling of the isolation systems as well. Two cases of existing tanks are adopted for analysis. The two tanks differ mainly in capacity and in the height to radius ratio. Both tanks are designed and constructed without seismic isolation. A global parametric finite element model is developed for the analyses. In this model the appropriate elements are incorporated for the modeling of the soil-structure interaction and the seismic isolation system, depending on the analysed case. The model is used for the calculation of eigenmodes and eigenfrequencies and for performing linear and non-linear transient analyses in time domain. Non-linear analyses are necessary in order for the highly non-linear behavior of the isolation devices to be properly simulated. In these cases the non-linearity is concentrated at the elements which simulate the seismic isolation system while the rest of the structure is considered elastic in all cases. This consideration is justified by the fact that for these tanks the acceptable damage, and consequently non-linearity in the behavior of the structural part, is minimum. Selective results of the performed analyses are presented. These results refer mainly to base shear forces, overturning moments, horizontal displacements at different levels of the tank and sloshing heights. Emphasis is on the quantification of the impact of the soil-structure interaction and the implementation of the examined seismic isolation systems.