steel silo failure case study

13
This report is copyright to RHI written and upload with some modification to hide the client name for educational propose for any comments please email [email protected] Review Report Client Cement Company Unburned clinker steel silo 11/18/2011 11/18/2011 Eng.Amed Saeed Civil Eng.Khaled Eid,Msc,PE Civil 0 Date Written by Reviewed by Approved by Version

Upload: khaled-eid

Post on 13-Dec-2014

2.199 views

Category:

Design


3 download

DESCRIPTION

This report is for real case study

TRANSCRIPT

Page 1: Steel silo failure case study

 

 

 

 

 

 

This report is copyright to RHI written and upload with some modification to hide the client name for 

educational propose for any comments please email [email protected] 

ReviewReportClient Cement CompanyUnburned clinker steel silo 

 

11/18/2011 

      

11/18/2011  Eng.Amed Saeed Civil Eng.Khaled Eid,Msc,PE Civil 

    

Date  Written by   Reviewed by   Approved by   Version 

         

Page 2: Steel silo failure case study

   

   

 

 

 

Contents1  Introduction .......................................................................................................................................... 3 

2  Unburned clinker silo ............................................................................................................................ 3 

2.1  Received documents and drawings .............................................................................................. 4 

2.2  Review methodology .................................................................................................................... 5 

3  Analysis input data ................................................................................................................................ 5 

3.1  Finite Element Program ................................................................................................................ 5 

3.2  Temperature effect ....................................................................................................................... 6 

3.3  Wind load ...................................................................................................................................... 6 

4  Design .................................................................................................................................................... 6 

4.1.1  Silo wall ................................................................................................................................. 6 

4.1.2  Silo bottom hopper ............................................................................................................... 7 

4.1.3  Silo roof ................................................................................................................................. 7 

4.1.4  Silo supporting concrete structure ....................................................................................... 7 

5  Fabrication and erection ....................................................................................................................... 8 

6  Summary and conclusion ...................................................................................................................... 9 

7  Recommendation .................................................................................................................................. 9 

References .................................................................................................................................................. 10 

Appendix 1 ................................................................................................................................................. 11 

Appendix 2 ................................................................................................................................................. 12 

Appendix 3 ................................................................................................................................................. 13 

 

   

Page 3: Steel silo failure case study

   

   

 

1 IntroductionClient Cement (CLIENT) plant  is located in Client, El‐karak 

Jordon 90 Km south Amman. The dry process plant has a  

production of 5000 ton per day started commissioning in 

September 2010. 

Mechanically designed by XXX, Germany referred 

in this report as “the mechanical designer”.  

Managed by the  consultant HOLTEC, India 

referred in this report as “the consultant”. 

Civil design engineer TEM, Turkey referred in this 

report as the” designer or civil designer”. 

The contractor is the MID CONTRACTING, 

AMMAN referred in this report as” the 

contractor”. 

At  the  request of Client cement  from RHI  to  review  the 

structural  design  and  construction  integrity  for  the 

unburned clinker silo 

RHI visited the site on 29th of November 2011and talked 

to  concerned  parties  then  inspected  the  silo,  it  was 

noticed the silo is empty and material is accumulated on 

the  concrete  platform  below  as  a  sign  of  emergency 

discharge. Stair access was covered with material in such 

it  is    during  initial  filling  operation  the  silo  bottom  deformed  as  shown  and  there  are  is  sign  of 

deformation at the supporting ring beam also there is a crushing in the bearing area at the silo support 

Refer to appendix 1 for photos. 

2 UnburnedclinkersiloThe under burnet silo is designed to store the rejected clinker so it may be recycled  by some ratio in the 

process again. Usually stored in silos either steel or concrete. In our case it is a steel silo with a designed 

capacity of 1500 ton based on clinker density of 1.3 ton/m3, the silo diameter is 10 meter and height of 

16.0 meter with a flat  bottom hopper bottom diameter of 7.5 meter and height of 3.75 meter. The silo 

is supported at level 15.2 on four concrete beams supported in four  concrete columns. 

 

Page 4: Steel silo failure case study

   

   

 

2.1 ReceiveddocumentsanddrawingsThese drawing were submitted by Client Cement Company as the latest general arrangement drawings. 

Fabrication details of under burner “XXX”                  841‐89‐756‐B A sheet 1 

Fabrication details of under burner “XXX”                                         841‐89‐756‐B A sheet 2  

Clinker transport and storage gernal arrangement     841‐27‐249‐U A  

KCP‐15‐C‐001_05.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  FOUNDATION PLAN 

KCP‐15‐C‐002_01.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  +2.500 LEVEL FORMWORK PLAN 

KCP‐15‐C‐003_01.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  +5.900 LEVEL FORMWORK PLAN 

KCP‐15‐C‐004_02.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  +8.400 LEVEL FORMWORK PLAN 

KCP‐15‐C‐005_00.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  +15.200 LEVEL FORMWORK PLAN 

KCP‐15‐C‐006_01.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  COLUMN APPLICATION PLAN ‐ C1‐C2‐C3 

KCP‐15‐C‐007_00.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  +2.500 LEVEL SLAB REINFORCEMENT          

                  PLAN 

KCP‐15‐C‐008_01.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  +5.900 LEVEL SLAB REINFORCEMENT  

                PLAN 

KCP‐15‐C‐009_02.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  +8.400 LEVEL SLAB REINFORCEMENT 

                 PLAN 

KCP‐15‐C‐010_00.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  +15.200 LEVEL SLAB REINFORCEMENT 

                 PLAN 

KCP‐15‐C‐011_00.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  REBAR DETAILS OF FOUNDATIONS 

KCP‐15‐C‐011_01.dwg  ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  REBAR DETAILS OF FOUNDATIONS 

KCP‐15‐C‐012_00.dwg   ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  BEAM DETAILS ‐ B001‐B002‐B003‐B004‐

B005‐B006 B101‐B102‐B103‐B104‐

B105‐B106‐B107B108‐B109‐B110‐B204 

KCP‐15‐C‐013_03.dwg   ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  BEAM DETAILS ‐B111‐B201‐B202‐B203‐

B205‐B206 B207‐B208‐B209‐B210‐

B211‐B212‐B213‐B214‐B215‐B216‐B301 

Page 5: Steel silo failure case study

   

   

 

KCP‐15‐C‐014_02.dwg   ( 15‐UNBURNT CLINKER HOPPER)  STAIR PLAN AND DETAILS 

 

 

2.2 ReviewmethodologyDespite of  RHI requested several times from CLIENT to provide the original design calculation but we did not get anything till now which raise a question if this structure was already designed by XXX or not? And how it was approved if there is no supporting design document?  Thus review methodology was applied by making an independent set of check analysis and calculations, according to material and plate thickness provided in the drawings.  The following are the codes and standards used in review 

BS EN 1991‐4:2006 Actions on structures Silos and 

tanks. 

Loads combinations to the ASCE 7‐05  “minimum design 

loads of structure” 

Wind, snow and thermal loads are according to the 

Jordanian loading code. 

Design of steel members as per the American code 

AISC‐ASD. 

Mechanical loads applied exactly as provided by XXX 

only wind loads are calculated. 

3 Analysisinputdata

3.1 FiniteElementProgramThere is no program yet to predict the material flow so in this study the silo buckling behavior was investigated with linear buckling analysis of SAP 2000 (Nonlinear v.14). SAP 2000 is a general purpose structural finite element analysis program. All circumferential and longitudinal stiffeners were modeled as frame elements. 

Page 6: Steel silo failure case study

   

   

 

3.2 TemperatureeffectThe outer walls of the silo can expand during day and contract at night as the temperature drops , if there is no discharge taking place and material inside the silo is free flowing , it will settle as the silo expands because it cannot pushed back up when the silo wall contract . A temperature difference of 100 degree is considered due to the average effect of hot clinker when entering the silo. 

3.3 Windload Circular bins, on the other hand, are very sensitive to wind loading because of the varying pressure/suction distribution of the wind loading around the circumference, and the lack of stiffness of the shell in resisting this loading. The required thickness of plate in the upper strakes of a circular bin is often determined by the wind loading. Wind buckling is characterized by the formation of one or more buckles on the windward face of the shell. Wind also produces an overturning moment on a tall bin, which induces a vertical compressive stress in the leeward face; this reached a maximum at the base of the bin, where the shell needs to be checked against buckling 

4 DesignAs stated before no information 

about how this silo is designed to 

which code, did any changed in either 

height or bottom during erection ? no 

historical information available. 

  So this report will not be able to judge the design calculation but will only refer to the as built on site  

and XXX drawing 841‐89‐756BA rev 2. 

4.1.1 Silo wallSilo material does not act like a fluid; dry materials have frictional or cohesive resistance and tend to form domes with the silo wall that prevents it from falling freely downward. The lateral pressure on the silo shell from the dry materials is of different character than the lateral pressure on the retaining wall from soil at the back of the wall.  

Page 7: Steel silo failure case study

   

   

 

 The designer applies a constant 10mm thickness for the wall and the bottom hopper; practically it is too small when considering allowance for rust and aberration for such large size silos. The critical buckling stress in the wall is governing the thickness required to carry the vertical compression load. It was found by analysis that the silo wall is only safe at the top third of the silo but in all other location is unsafe stress and buckling.  

4.1.2 Silo bottomhopperThe bottom hopper is designed as  10mm with a diameter of 7.5 meter stiffened by angle 75x10, it is found to be away unsafe as well. Refer to appendix 3 for details. 

4.1.3 SiloroofThe top roof with plate 10mm is found to be sufficient to support the applied live loads but the supporting steel  beams are unsafe (the beam spans for seven meters and supporting a width of one and half meter and assigned as UPN 200). 

4.1.4 Silo supporting concretestructure

The silo is supported in four bearing points on a 

200cmx90cm concrete beams by visual inspection 

these beams suffering from diagonal cracks and 

concrete crushing  at one of the bearing points, 

further more concrete beams at level 8.4 suffering 

vertical cracks in both sides . 

It is also visually noticed in some location some 

concrete honeycombs creating a voids in the 

concrete beams and left without curing that is also 

raise a question about the concrete quality. 

RHI requested the concrete structure drawings and run and in depended checking for  the  whole 

structure. 

IT   was found that the supporting beams to be unsafe in shear with evidence of the shear crack, while 

for level 8.4 all beams are safe according to the design so the cracks may be as a reason of the falling 

material on the apron feeder when the silo bottom deforms. 

 Refer to appendix 2 for supporting structure checking. 

Page 8: Steel silo failure case study

   

   

 

5 FabricationanderectionAlthough appropriate sizes as per the design drawing are used but many fabrication and erection errors 

are spotted during inspection giving a bad impression about the quality control. 

1. The bottom stiffeners are tack welded and not in full contact with the silo body. 

2. The stiffeners are not continues with a gap at mid span where a beigest load. 

3. The bottom stiffeners are not connected to the vertical ones thus they are not transferring the 

load to the supports. 

 

Page 9: Steel silo failure case study

   

   

 

6 Summaryandconclusion

Our study concludes that the 

steel silo is under designed 

suffering many design issues 

 These issues are summarized 

as follows  

The supporting 

concrete beam is just 

safe in bending but 

unsafe in shear by 18% this explains the 45 degrees cracks . 

Due to the bottom excessive deformation it damaged the apron feeder with a material falls 

adding unexpected loaded on the concrete beams at level 8.4 creating cracks in these beams.  

The party most responsible for the bottom collapse was the designer because all items are 

unsafe the walls, the flat bottom, the stiffening, the ring beam and the roof, not a single item in 

this silo is found to be safe. 

The erector  and fabricator work was away from standard leading to decrease more the capacity 

however this will not alone lead to the collapse  

There is no sign for any excessive usage, lack of maintenance or operational misuse. 

7 RecommendationWe propose the following actions as part of the rectification 

We tried many repair alternative but none of them solve all issues so we recommend 

replacing the silo as the best option. 

It is advisable to support the silo on eight points to distribute the concentrated load by 

adding steel beams at 45degree. 

The supporting beams will need to be strengthened against shear. 

Cracked beams in level 8.4 should be strengthened. 

Concrete building should be inspected for any construction deficiencies and repaired before 

filling the silo. 

Concrete core test may be required to evaluate the constructed concrete quality and if 

possible to check the existing steel bars and stirrups at random location. 

No access to the silo support to allow for inspection at bearings it is recommended to add ladder from level 8.4 to 15.2 

Page 10: Steel silo failure case study

   

   

 

10 

References 

1. American Welding Society (AWS), 550 NW 42d Avenue, Miami, FL 22126. 

2. Rubin M. Zallen, P.E., ”Collapse of steel silo” 

3. American Iron and Steel Institute (AISI), 1101 17th St., NW, Suite 1300, Washington, 

4. Bahaa Machaly., ”Structural systems for wind and earthquake loads”. 

5. The Jordanian loading code “Arabic  original copy” Amman 2006. 

6. ACI standards 313‐91, “Standard practice fordesing and construction of concrete silos and 

stacking for storing granular materials” 

   

Page 11: Steel silo failure case study

   

   

 

11 

Appendix1

Site Photos 

Page 12: Steel silo failure case study

   

   

 

12 

Appendix2

Concretebuildingreview

Notincludedinthiseducationalcopy

Page 13: Steel silo failure case study

   

   

 

13 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Appendix3

Analysisanddesigncheckingforsilo

Not included in this education copy