Numerical Analysis Of Flexible-Wall Silos / by Al Hussein Ibrahim Hilal Ibrahim ; supervisors by Prof.Hany Ahmed Aly Abdalla, Prof.Osman M.O.Ramadan, Prof Abdel Monem Yassin Sanad, Dr. Mohamed H. Abdelbarr

Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 162-166.

This research aims to study the thin-walled silos via conducting a 3D finite element model (FEM). The finite element model can predict the lateral wall pressure distribution at the end of the filling phase for noncircular silos. The numerical approach, using ABAQUS software, estimates the stress state in bulk solids and the pressure exerted on the silo walls. An elasto-plastic model using the Drucker–Prager criterion was employed to simulate the behavior of the granular materials. The FEM simulates the behavior of the bulk solid and its interaction with the silo’s wall and base using a surface-to-surface discretization model. The model’s results were validated against previous experimental measurements and existing theories. The results revealed good agreement between the FEM predictions and the experimental measurements.

The research confirmed that the lateral pressure distribution is not uniform at any silo level. This highlights that many available theories and current design codes are inaccurate for flexible steel walls. As a result of the wall’s deformability, pressure regimes on the silo wall change significantly in the horizontal direction at any level. The results showed that the horizontal variations of lateral pressure significantly change concerning wall stiffness. The FEM was used to study the influence of crucial parameters on the distribution of wall pressures. The effect of granular material mechanical characteristics on lateral wall pressure is studied. The effect of silo dimensions on the lateral wall pressure was studied. The effect of ring beams on filling wall pressure and lateral deformation was examined.

Most design guidelines recommend that the silo wall be rigid and that the wall pressure ratio remains constant throughout the silo’s height. In the case of a concrete silo, the assumption of a rigid wall is acceptable; however, this assumption is not accurate in the case of a silo with a thin metal wall. As a result, identifying the wall width-to-thickness ratio for metal silo walls is critical in assessing whether or not the code should be used. The major outcomes were reviewed to provide a simplified design approach for the unstiffened square planform silo.

Furthermore, a new approach was proposed for square and rectangular silos filled with two granular material types based on the equivalent circular silo with the same volume as the actual silo. Thus, substantial variations in the amplitude of the wall-filling pressures applied on the wall have been established. A series of comparisons were conducted between the new approach’s outcomes and finite element results to demonstrate their applicability.

يهدف هذا البحث إلى دراسة الصوامع ذات الجدران المرنة عن طريق إجراء نموذج ثلاثي الأبعاد للعناصر المحدودة (FEM). يمكن أن يتنبأ نموذج العناصر المحدودة بتوزيع ضغط الجدار الجانبي في نهاية مرحلة الملء للصوامع غير الدائرية. يقدّر النهج العددي، باستخدام برنامج "أباكس" ABAQUS، حالة الإجهاد في المواد الصلبة السائبة والضغط الذي يمارس على جدران الصومعة. تم استخدام نموذج مرن - لدن باستخدام معيار "دراكر– براجر" Drucker-Prager لمحاكاة سلوك المواد الحبيبية. يحاكي نموذج العناصر المحدودة سلوك المادة الصلبة السائبة وتفاعلها مع جدار الصومعة وقاعدتها باستخدام نموذج سطح إلى سطح. تم التحقق من صحة نتائج النموذج مقابل القياسات التجريبية السابقة والنظريات الموجودة. أظهرت النتائج توافق جيد بين تنبؤات نموذج العناصر المحدودة والقياسات التجريبية.
أكد البحث أن توزيع الضغط الجانبي غير ثابت في أي مستوى لجدار الصومعة. يسلط هذا الضوء على أن العديد من النظريات المتاحة وأكواد التصميم الحالية غير دقيقة بالنسبة للجدران الفولاذية المرنة. نتيجة لقابلية تشوه الجدار، يتغير توزيع الضغط على جدار الصومعة بشكل كبير في الاتجاه الأفقي على أي مستوى. أظهرت النتائج أن التغيرات الأفقية للضغط الجانبي تتغير جذرياً مع تغير صلابة الجدار. تم استخدام نموذج العناصر المحدودة لدراسة تأثير العوامل الحاسمة على توزيع الضغوط الأفقية للجدار. تمت دراسة تأثير الخصائص الميكانيكية للمواد الحبيبية على ضغط الجدار الجانبي. تمت دراسة تأثير أبعاد الصومعة على ضغط الجدار الجانبي. تم فحص تأثير الكمرات الحلقية على ضغط الملئ للجدار والازاحات الجانبية له.
توصي معظم إرشادات التصميم بأن يكون جدار الصومعة صلبًا وأن تظل نسبة ضغط الجدار الأفقي الي الرأسي ثابتة بكامل ارتفاع الصومعة. في حالة وجود صومعة خرسانية، فإن افتراض جدار الصومعة صلب يعد مقبولاً؛ ومع ذلك، فإن هذا الافتراض غير دقيق في حالة وجود صومعة بجدار معدني رقيق. نتيجة لذلك، يعد تحديد نسبة عرض الجدار إلى السماكة لجدران الصومعة المعدنية أمرًا بالغ الأهمية في تقييم ما إذا كان يجب استخدام الكود أم لا. تمت مراجعة النتائج الرئيسية لتوفير نهج تصميم مبسط لصومعة مربعة الشكل وذات جدارن غير مدعمة.
علاوة على ذلك، تم اقتراح نهج جديد للصوامع المربعة والمستطيلة المملوءة بنوعين من المواد الحبيبية مبني على مبدأ ثبات حجم الصومعة الدائرية المكافئة للصومعة الفعلية. وبالتالي، لوحظ اختلافات كبيرة في قيمة ضغوط ملء الجدار الواقعة على الجدار. تم إجراء سلسلة من المقارنات بين نتائج النهج الجديد ونتائج العناصر المحدودة لإثبات قابليتها للتطبيق.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.