Valutazione del rischio sismico per impianti industriali

This PhD thesis presents a framework for conducting a hazard-consistent seismic risk assessment of industrial facilities. In the first part of this study, which is the exposure and modelling approach, the assets of a hydrodesulphurisation (HDS) unit of a crude oil refinery are presented in sufficient detail to create a system-wide model for seismic risk assessment. The assets include pumps, liquid storage tanks, heat exchangers, equipment-supporting buildings, furnaces, process towers, high-temperature separators, and the piping network. Reduced-order numerical models for some of the structures were developed based on established concepts, while for the other structures improvements on available models from the literature were made to account for salient characteristics, functionality, and interconnectivity of the assets. Most importantly, a full 3D model of the piping network is provided, which incorporates a simplified single-mass representation of the connected structures to capture the dynamic interaction with the piping, enabling cost-effective assessment. Afterwards, a methodology for developing hazard-consistent (i.e., representative of the hazard of the site) component-specific fragility functions for a system of interconnected industrial assets is presented; this methodology is demonstrated with the HDS unit. Exposure and fragilities are combined to produce a methodology for the estimation of direct and indirect monetary losses, and two approaches are examined. The first is the conventional fragility-based assessment, using fragility functions to evaluate earthquake-induced damages to industrial assets. The second, termed record-based assessment, does not aggregate results from nonlinear response history analysis into fragilities, but instead tracks their consequences separately per record and jointly throughout the facility, preserving the correlation of demand across different assets for any given event. Again, the HDS unit is used as a case study to evaluate the potential impact of including such kind of correlation, but also the impact on assumptions regarding the operational condition of the unit, specifically the fill ratios (i.e., fluid height over total tank height) of the liquid storage tanks. This methodology for the seismic risk assessment of industrial facilities is then extended to include cascading effects with the help of the development of empirical relationships between seismically induced damage to liquid storage tank and the degree of material release, which can be flammable. A demonstration of this extended methodology for the HDS unit will be presented in a future study.

Questa tesi di dottorato presenta un framework per condurre una valutazione del rischio sismico coerente con la pericolosità sismica locale per gli impianti industriali. Nella prima parte di questo studio, che riguarda l'esposizione e l'approccio alla modellazione, sono presentati gli asset di un'unità di idrodesolforazione (HDS) di una raffineria di petrolio greggio in dettaglio sufficiente per creare un modello globale per la valutazione del rischio sismico. Gli asset includono pompe, serbatoi di stoccaggio liquidi, scambiatori di calore, edifici di supporto per attrezzature, forni, torri di processo, separatori ad alta temperatura e la rete di tubazioni. Sono stati sviluppati modelli numerici di ordine ridotto per alcune delle strutture basati su concetti stabiliti, mentre per le altre strutture sono stati apportati miglioramenti ai modelli disponibili nella letteratura per tener conto delle caratteristiche salienti, della funzionalità e dell'interconnettività degli asset. È particolarmente importante sopralineare il modello 3D completo della rete di tubazioni, che incorpora una rappresentazione semplificata a massa singola delle strutture collegate per catturare l'interazione dinamica con le tubazioni, consentendo una valutazione economica a livello di risorse computazionali. Successivamente, viene presentata una metodologia per sviluppare funzioni di fragilità specifiche per i componenti coerenti con la pericolosità sismica (cioè rappresentative della pericolosità del sito) per un sistema di asset industriali interconnessi; questa metodologia è dimostrata con l'unità HDS. L'esposizione e le fragilità sono combinate per produrre una metodologia per la stima delle perdite monetarie dirette e indirette, esaminando due approcci. Il primo è la valutazione convenzionale basata sulla fragilità, utilizzando funzioni di fragilità per valutare i danni indotti da terremoti agli asset industriali. Il secondo, definito valutazione basata su record, non aggrega i risultati dell'analisi della storia di risposta non lineare in fragilità, ma tiene traccia delle loro conseguenze separatamente per ogni record e congiuntamente in tutta la struttura, preservando la correlazione della domanda tra diversi asset per un dato evento. Ancora una volta, l'unità HDS viene utilizzata come caso studio per valutare l'impatto potenziale dell'inclusione di questo tipo di correlazione, ma anche l'impatto sulle assunzioni riguardanti le condizioni operative dell'unità, specificamente i rapporti di riempimento (cioè, altezza del fluido rispetto all'altezza totale del serbatoio) dei serbatoi di stoccaggio liquidi. Questa metodologia per la valutazione del rischio sismico delle strutture industriali viene poi estesa per includere effetti a cascata con l'aiuto dello sviluppo di relazioni empiriche tra danni indotti sismicamente ai serbatoi di stoccaggio liquidi e il grado di rilascio di materiale, che può essere infiammabile. Una dimostrazione di questa metodologia estesa per l'unità HDS sarà presentata in un futuro studio.