انجمن سازه‌های فولادی ایران نشریه علمی سازه و فولاد 2008-4552 20 51 2026 04 04 Numerical Study on Fluid-Structure-Soil Interaction Effect on Free Vibration of Steel Storage Tanks مطالعه عددی اثر اندرکنش سیال- سازه- خاک بر ارتعاش آزاد مخازن فولادی 41 54 246870 10.22034/jss.2026.580905.1034 FA سید محمد سعید سبحان استادیار دانشکده مهندسی، مرکز آموزش عالی محلات، محلات، ایران 0000-0002-0117-0699 طه خاکی دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران 0009-0009-9144-1621 فیاض رحیم زاده رفویی دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران 0000-0002-3308-1498 Journal Article 2025 11 22 <strong>Background:</strong> Aboveground cylindrical steel storage tanks are widely used for storing water, petroleum products, and other essential liquids, making them key components of industrial infrastructure. Because these structures are highly susceptible to seismic loading, their damage or failure during earthquakes can result in significant economic and environmental consequences. Therefore, understanding their dynamic behavior is crucial for ensuring their safe and reliable performance. In this context, the present study examines the effects of different soil conditions on the vibration characteristics, natural frequencies, and effective modal mass participation of fluid-filled steel storage tanks.<br><strong>Methods:</strong> In this study, the results of free-vibration analysis of anchored steel cylindrical tanks are investigated using the finite element method while accounting for fluid–structure–soil interaction. The full-scale steel tanks were designed according to the seismic design provisions of the API 650 standard. The steel tank diameter is 30 meters, and the height-to-diameter ratios (H/D) for the broad and slender tanks are 0.4 and 0.8, respectively. In the finite element models, three soil mediums with appropriate dimensions, representing hard, medium, and soft soil layers, were considered.<br><strong>Results:</strong> The natural frequencies, mode shapes, modal mass participation factors, and hydrodynamic pressure distributions of the impulsive mode were calculated using the free-vibration response of tanks with and without soil–structure interaction.<br><strong>Conclusion: </strong> The results indicate that considering soil–structure interaction has a greater influence on the free-vibration response of slender tanks compared to broad tanks. When soil–structure interaction is included, the modal mass participation factor of the slender tank with a flexible foundation decreases by 33% compared to the fixed-base support condition. Softening of the soil beneath the tank leads to a significant reduction in the hydrodynamic pressure acting on the shell of the slender tank in comparison with the broad tank. In the slender tank, soil softening causes a notable change in the hydrodynamic pressure distribution. Accounting for soil–structure interaction in broad tanks reduces the amplitude of the modal shape function in the mid-height region of the tank shell, whereas its effect on the slender tank is negligible. <strong>زمینۀ پژوهش: </strong>مخازن فولادی روزمینی از سازه‌های حیاتی برای ذخیره‌سازی آب، نفت و سایر سیالات هستند و نقش مهمی در تداوم عملکرد زیرساخت‌های صنعتی دارند. با توجه به آسیب‌پذیری این مخازن در برابر زلزله و پیامدهای ناشی از نشت یا تخریب آن‌ها، بررسی و ارزیابی رفتار دینامیکی آن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. هدف اصلی پژوهش حاضر، بررسی اثر شرایط مختلف خاک بر ویژگی‌های ارتعاشی، فرکانس‌های طبیعی و مشارکت جرم مؤثر مخازن فولادی حاوی سیال است.<br><strong>روش پژوهش: </strong>در این پژوهش نتایج تحلیل ارتعاش آزاد مخازن فولادی استوانه‌ای مهارشده با استفاده از روش اجزای محدود و با درنظرگرفتن اندرکنش سیال-سازه-خاک بررسی شده است. سیال درون مخزن به‌صورت تراکم‌ناپذیر و محیط خاک زیر آن بدون جرم فرض شده است. مخازن فولادی در ابعاد واقعی و با استفاده از ضوابط طراحی لرزه‌ای استاندارد API 650 طراحی شده‌اند. قطر مخازن فولادی برابر ۳۰ متر و نسبت ارتفاع به قطر مخزن عریض و مخزن بلند (H/D) به‌ترتیب برابر ۰/۴ و ۰/۸ است. در مدل‌های اجزای محدود، سه نوع جزیرۀ خاک با ابعاد مناسب شامل لایه‌های سخت، متوسط و نرم در نظر گرفته شده است.<br><strong>یافته‌ها: </strong>فرکانس‌های طبیعی، شکل مودها، ضریب مشارکت جرمی مودها و توزیع فشار هیدرودینامیک مود ضربانی مخازن به‌عنوان معیارهایی برای مقایسۀ پاسخ ارتعاش آزاد مخازن با و بدون درنظرگرفتن اندرکنش خاک-سازه محاسبه شده است.<br><strong>نتیجه‌گیری: </strong>نتایج نشان داد که درنظرگرفتن اندرکنش سازه-خاک، تأثیر بیش‌تری بر پاسخ ارتعاش آزاد مخازن بلند در مقایسه با مخازن عریض دارد. در ملحوظ‌نمودن اثر اندرکنش سازه-خاک، ضریب مشارکت جرمی مخزن بلند روی خاک نرم نسبت به حالت تکیه‌گاه ثابت (بدون اندرکنش سازه-خاک)، 33 درصد کاهش یافته است. نرم‌ترشدن خاک زیر مخزن منجربه کاهش محسوس فشار هیدرودینامیک وارد بر پوستۀ مخزن بلند در مقایسه با مخزن عریض شده است. در مخزن بلند با نرم‌ترشدن خاک زیر مخزن، توزیع فشار هیدرودینامیک تغییر قابل‌توجهی دارد. https://www.journalisss.ir/article_246870_17bc020c81609ee9356db91cdb8157c1.pdf