Computational methods and acceptance criteria to evaluate grinding mill seismic response

Abstract

This master’s thesis studied how earthquake loadings are modelled and how response in structures is estimated. Objective of this thesis was to use different complexity levels of seismic analysis methods and compare the structural response. Analysis methodology was taken from ASCE/SEI 7-10 design standard and seismic design textbooks. Three different analysis methods: transient, response spectrum and static method, were identified and chosen to be studied using finite element analysis software ANSYS 2024 R2. Acceleration time-history of an earthquake, provided by Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER), was used to define the loading across the different analyses.

Dynamic response was evaluated using a SDOF spring-mass model to verify the transient analysis settings and response spectrum curve definition. After this, the three different analysis methods were applied to a Metso Select™ grinding mill, focusing on the bearing structure. The results indicated similar global deformation behaviour across the three methods. The response spectrum stress distribution showed variance to the other two methods, as the distribution in the bearing structure is defined by the nonlinear contact definition. Static and transient analysis results showed that in the material elastic region, the static method provides equivalent results with fractional computational cost. Plastic design of non-standardised structures requires the use of nonlinear transient analysis method or new research of nonlinear static method to confidently assess the structural integrity.

Tässä diplomityössä tutkittiin, miten maanjäristyskuormia mallinnetaan ja miten rakenteiden vastetta arvioidaan. Työn tavoitteena oli käyttää eri tason analyysimenetelmiä ja vertailla laskennallisia tuloksia. Analyysimenetelmiä selvitettiin ASCE/SEI 7-10 standardista ja maanjäristysmitoitus oppikirjoista. Kolme erilaista analyysimenetelmää, dynaaminen, vastespektri ja staattinen menetelmä valittiin tutkittavaksi analysoitavaksi käyttäen elementtimenetelmä ANSYS 2024 R2 ohjelmistoa. Työssä käytettiin Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) mitattua maanjäristyksen kiihtyvyysdataa kuormituksen määritykseen eri analyyseihin.

Dynaamista vastetta arvioitiin ensin yhden vapausasteen jousimassamallilla, jossa varmistettiin analyysin asetukset ja vastespektrikäyrän määrittely. Tämän jälkeen kolmea eri analyysimenetelmää vertailtiin käyttäen Metso Select™ jauhinmyllyä, keskittyen laakerin rakenteeseen. Tulokset osoittavat samankaltaista globaalia muodonmuutoskäyttäytymistä analyysien välillä. Vastespektrimenetelmän jännitysjakauma poikkeaa kahden muun välillä, koska laakerirakenteen jännitys määräytyy epälineaarisen kontaktin määritelmän mukaan. Staattinen ja dynaaminen analyysien tuloksien vertailu osoitti, että materiaalin elastisella alueella staattisella menetelmällä saadaan päteviä tuloksia käyttäen vain murto-osan laskennallista aikaa. Standardoimattomien rakenteiden plastinen suunnittelu edellyttää epälineaarista dynaamista analyysin käyttöä tai epälineaarisen staattisen menetelmän uutta tutkimusta, jotta kompleksisten rakenteiden hajoamismuotoja voidaan analysoida luotettavasti.