نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

مطالعه عددی اثر اندرکنش سیال- سازه- خاک بر ارتعاش آزاد مخازن فولادی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار دانشکده مهندسی، مرکز آموزش عالی محلات، محلات، ایران
2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
3 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران
10.22034/jss.2026.580905.1034
چکیده
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. در این پژوهش نتایج تحلیل ارتعاش آزاد مخازن فولادی استوانه‌ای مهارشده با استفاده از روش اجزاء محدود و با درنظرگرفتن اندرکنش سیال- سازه- خاک تحقیق شده است. سیال درون مخزن به صورت تراکم ناپذیر 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 30 متر و نسبت ارتفاع به قطر مخزن عریض و مخزن بلند (H/D) به ترتیب برابر 0.40 و 0.80 است. در مدل‌های اجزاء محدود، سه نوع جزیره خاک با ابعاد مناسب شامل لایه‌های سخت، متوسط و نرم درنظرگرفته شده است. فرکانس‌های طبیعی، شکل مدها، ضریب مشارکت جرمی مدها و توزیع فشار هیدرودینامیک مد ضربانی مخازن به عنوان معیارهایی برای مقایسه پاسخ ارتعاش آزاد مخازن با و بدون درنظرگرفتن اندرکنش خاک- سازه محاسبه شده است. نتایج نشان داد که درنظرگرفتن اندرکنش سازه- خاک، تأثیر بیشتری روی پاسخ ارتعاش آزاد مخازن بلند در مقایسه با مخازن عریض دارد. در صورت مدل‌سازی اندرکنش سازه- خاک، ضریب مشارکت جرمی مخزن بلند روی خاک نرم نسبت به حالت تکیه گاه ثابت (بدون اندرکنش سازه-خاک)، 33 درصد کاهش یافته است. نرم‌تر شدن خاک زیر مخزن منجر به کاهش محسوس فشار هیدرودینامیک وارد بر پوسته مخزن بلند در مقایسه با مخزن عریض شده است. در مخزن بلند با نرم‌تر شدن خاک زیر مخزن، توزیع فشار هیدرودینامیک تغییر قابل توجهی دارد. لحاظ کردن اثر اندرکنش سازه- خاک در مخازن عریض باعث کاهش دامنه تابع شکل مدی در ناحیه میانی ارتفاع پوسته مخزن شده است در صورتی که در مخزن بلند تأثیر ناچیزی دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Study on Fluid-Structure-Soil Interaction Effect on Free Vibration of Steel Storage Tanks

نویسندگان English

Taha Khaki 2
Fayaz Rahimzadeh Rofooei 3
2 Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
3 Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

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 0.40 and 0.80, respectively. 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. 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.

کلیدواژه‌ها English

Steel Tank
Soil-Structure Interaction
Free Vibration
Finite Element Analysis
Hydrodynamic Pressure

  • تاریخ دریافت 18 اردیبهشت 1405
  • تاریخ بازنگری 11 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 17 تیر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 17 تیر 1405
  • تاریخ انتشار 01 فروردین 1405