4-3- 1- مقايسه نتايج جرمهاي معادل سيال………………………………………………………………………………………………………………..94
4-3- 2- مقايسه نتايج مدل اجزاي محدود و مدل جرم و فنر براي مخازن جداسازي شده ……………………………………………….96
4-3- 3- بررسي دقت روش جمع مجذور مربعات……………………………………………………………………………………………………….99
4-3- 4- محاسبه ارتفاع امواج سطحي مايع براي نمونه‌هاي مورد بررسي………………………………………………………………………100
فصل پنجم : نتيجه گيري
نتيجه گيري………………………………………………………………………………………………………………………………….104
فهرست منابع و ماخذ
منابع…………………………………………………………………………………………………………………………………………..107
فصل اول
تاريخچه تحليل ديناميکي مخازن ذخيره مايع و دستورات آيين‌نامه‌اي در اين خصوص‌
چکيده
هدف اصلي در تحقيق حاضر، بررسي نحوه تاثير وجود جداسازهاي لرزه‌اي بر روي عملکرد ديناميکي مخازن ذخيره مايع در هنگام زلزله است. در اين راستا لازم است ابتدا رفتار ديناميکي مخازن در هنگام وقوع زلزلههاي واقعي شناخته شده و انواع خرابيهاي لرزه‌اي ممکن‌الوقوع در مخازن ذخيره مايع معرفي گردد. اين خرابي‌ها سرمنشا تحقيقات زيادي در خصوص تحليل ديناميکي مخازن مي‌باشد که چکيده اين تحقيقات در قالب دستورالعملهاي کاربردي، در آيين‌نامه‌هاي معتبر منعکس شده‌اند. لذا در قسمت پاياني فصل، فلسفه بکار گرفته شده در برخي از آيين‌نامه‌هاي معتبر در رابطه با نحوه اعمال اثرات ديناميکي رفتار مخازن مرور مي‌شود و مقررات آنها پيرامون مسائل کلي و مهم در حوزه تحليل ديناميکي مخازن، مورد بررسي و مقايسه قرار مي‌گيرد.
1-1- خسارات وارد شده به مخازن ذخيره مايع تحت بارهاي لرزه‌اي

مشاهدات انجام شده در خصوص عوامل موثر بر خرابيهاي مخازن ذخيره مايع در هنگام اعمال بارهاي لرزه‌اي، بيانگر آسيبپذيري بيشتر مخازن فولادي نسبت به مخازن بتني ميباشد.تجربيات زلزلههاي گذشته باعث شده است که آييننامههاي معتبر، مقررات خود را براي تحليل ديناميکي مخازن دائما بهبود دهند. اگر چه مقررات آييننامه‌اي در خصوص بررسي برخي از پديدهها به درک يکساني رسيده است، اما فلسفه بکار گرفته شده در آييننامههاي مختلف،براي بررسي برخي ديگر از پديدهها، متفاوت بوده و هنوز جمعبندي يکساني در رابطه با آنها وجود ندارد. به عنوان مثال اثر سقف مخازن در باز توزيع نيروهاي طراحي، نحوه تاثير عوامل مختلف بر برآورد ارتفاع قسمت آزاد بالاي مخازن و يا باز توزيع تنشها در هنگام بلند شدن مخزن و …. از جمله مواردي هستند که هنوز مدل تحليلي يکساني براي آنها وجود ندارد.
بنابراين موضوع تحليل ديناميکي مخازن ذخيره مايع، اگر چه موضوعي آشنا و با پيشينه طولاني است، اما به دليل تعدد پديده‌هاي درگير با آن، هنوز داراي وجوه مبهم بسياري است که باعث پويايي تحقيقات در اين زمينه شده است. از طرفي، حضورپديدههايي نظير اندرکنش مايع-سازه و پديده اندرکنش سازه-خاک بر پيچيدگيموضوع تحليل ديناميک مخازن و تنوع خرابيهاي مشاهده شده در آنها ميافزايند. شناخت دقيق انواع خرابيهاي ناشي از اعمال بارهاي لرزه‌اي در مخازن ذخيره، ميتواند ديدگاه اوليهاي را در رابطه با زمينههاي تحقيق فراهم آورد.
در يک جمع بندي کلي خرابيهاي حاصل در مخازن ذخيره مايع در هنگام زلزله را ميتوان در انواع ذيل خلاصه کرد.
1- کمانش جداره مخزن در اثر نيروهاي هيدروديناميک ناشي از اندرکنش مايع- سازه
2- خرابي در اثر حرکت سيال مواج در هنگام زلزله و برخورد آن با سقف و قسمتهاي فوقاني جداره مخزن
3- نشت مايع از مخزن به دليل ايجاد تنشهاي حلقوي بالا در محل اتصالات
4- بلند شدگي مخزن از روي پي (براي مخازن مهار نشده)
5- کمانش ستونهاي ثابت مياني که براي نگه داشتن سقف بکار ميروند
6- حرکتهاي جانبي سازه مخزن (عدم استفاده از اتصالات انعطافپذير در محل اتصال لولههاي ورودي و خروجي مايع با مخزن ممکن است باعث پاره شدن ورق جداره يا خرابي ملحقات مخزن گردد).
1-1-1-خرابيهاي حاصل از اثرات نيروهاي هيدروديناميک
مهمترين نوع خرابي مشاهده شده براي مخازن ذخيره مايع فولادي، خرابي ناشي از کمانش جداره مخزن ميباشد. اين کمانش در اثر نيروي هيدروديناميک فشاري حاصل از لنگر خمشي توليد شده در هنگام زلزله بوجود ميآيد. در حالت کلي دو نوع کمانش در جداره مخازن فولادي گزارش شده است. کمانش جداره ممکن است در حالتي که جداره چندان ضخيم نيست، قبل از جاري شدن کامل مصالح رخ دهد که به اين نوع کمانش، کمانش لوزي شکل يا الماسي گفته ميشود.
همچنين کمانش ممکن است با جاري شدن مصالح همراه باشد که به آن کمانش پافيلي ميگويند. اين دو نوع کمانش از لحاظ فلسفه تشکيل، محل وقوع و شکل ظاهري با يکديگر تفاوت دارند.
1-1-1-1-کمانش لوزي شکل1
همانطور که اشاره شد اين نوع کمانش در حقيقت نوعي از کمانش الاستيک است (که البته مي‌تواند غير الاستيک هندسي نيز باشد) که بدليل تنشهاي فشاري محوري ناشي از بارهاي هيدروديناميک لرزهاي حاصل ميگردد. اين نوع کمانش معمولا در مخازن با نسبت ارتفاع به شعاع بزرگ و در محل يک سوم پاييني جداره رخ ميدهد. يعني در جايي که تنشهاي ناشي از فشار هيدرواستاتيک نسبت به تنش تراز کف جداره کوچکتر هستند. مقدار تنش فشاري براي ايجاد چنين کمانشي را ميتوان از تئوري کمانش خطي بدست آورد. مقدار تنش بحراني کمانش براي استوانه پوستهاي تحت فشار محوري خالص برابر با مقدار زير بدست مي‌آيد.
(1-1)
که E مدول الاستيسيته و t ضخامت پوسته و R شعاع مخزن مي‌باشد. اين مقدار تئوريک را نميتوان به عنوان تنش مجاز فشاري در مخازن تحت بارهاي ديناميکي بکار گرفت. زيرا در مخازن تحت بار زلزله، اولا تمام پوسته تحت فشار يکنواخت قرار ندارد. ثانيا وجود فشار داخلي مايع باعث ايجاد تنشهاي محيطي در جداره مخزن ميشود و اين تنشهاي محيطي بر مقاومت جداره در مقابل تنشهاي فشاري تاثير گذارند. ثالثا جداره مخزن داراي نقايص اوليه است که در روند ساخت بوجود آمده و نميتوان آن را يک ماده يکنواخت فرض کرد. بنابراين اثرات اين سه عامل يعني عيوب اوليه، فشار داخلي مايع و عدم يکنواختي تنشهاي فشاري را بايد در رابطه تئوريک وارد کرد.
اثرات ناشي از عيوب ساخت موجود در جداره، تنشهاي مجاز فشاري را به طرز چشمگيري کاهش ميدهد. اما فشار هيدروديناميک مايع در داخل پوسته، باعث کاهش اثرات ناشي از عيوب اوليه شده و از اين طريق به افزايش تنش مجاز فشاري کمک ميکند. همچنين عامل سوم يعني عدم يکنواختي تنشهاي فشاري ناشي از لنگر خمشي، احتمال همزمان شدن تنش فشاري بيشينه در محل حضور عيوب اوليه را کمتر کرده و باز هم باعث افزايش تنش مجاز فشاري ميگردد. با اين حال اثر منفي عامل اول يعني عيوب اوليه بسيار زياد است و اثرات مثبت دو عامل ديگر را خنثي مي‌کند. در نتيجه تنش فشاري مجاز در حالت کمانش الاستيک عملا کمتر از مقدار پيشنهادي رابطه (1-1) ميباشد. در شکل (1-1) نمونههايي از کمانش الماسي يا لوزي شکل نشان داده شده است.
1-1-1-2- کمانش پافيلي2
صورت ديگري از کمانش وجود دارد که معمولا در ناحيه پايين مخازن کوتاه با نسبت ارتفاع به شعاع مخزن کوچکتر از يک رخ ميدهد. اين کمانش در اثر ترکيب تنشهاي محيطي ناشي از فشار داخلي مايع و تنشهاي فشاري ناشي از زلزله ايجاد ميگردد. با توجه به مطالعات انجام شده توسط محققين قبلي [1]، کمانش پافيلي در اثر مشارکت تنشهاي قائم و تنشهاي حلقوي کششي، بوجود ميآيد[2]. بايد دقت کرد که در کمانش پافيلي، ابتدا مصالح جاري شده و سپس کمانش پلاستيک رخ ميدهد. در حالي که در نوع الماسي، جداره مخزن قبل از جاري شدن مصالح کمانش ميکند. همچنين بايد دقت کرد که فشار داخلي مايع به جداره در حالت کمانش الاستيک نقش مثبت دارد و باعث ميشود که اثرات عيوب اوليه کمتر و تنش مجاز فشاري بيشتر شود. اما در مورد کمانش پافيلي، فشار داخلي نقش منفي داشته و باعث کاهش تنش مجاز ميگردد. شکل(1-2) چند نمونه از کمانش پافيلي را نشان ميدهد.
در يک جمع‌بندي کلي ميتوان گفت که کمانش الاستيک بيشتر براي مخازن لاغر و بلند که نسبت شعاع به ضخامت آنها پايين است، رخ ميدهد. اما کمانش پافيلي بيشتر براي مخازن کوتاه و پهن با نسبت ارتفاع به شعاعِ کمتر از يک رخ مي‌دهد.
1-1-2- خرابيهاي حاصل از حرکت امواج مايع در محل سطح آزاد سيال
در هنگام وقوع زلزله قسمتي از مايع مخزن به صورت رفت و برگشتي و با پريودي به مراتب طولانيتر از پريود زلزله در حرکت است. اين قسمت از مايع، باعث ايجاد امواج سطحي در محل سطح آزاد ميشود که اين امواج ممکن است با سقف و جداره بالاي مخزن برخورد کنند. نحوه خرابي مخازن با سقف ثابت و شناور در مواجه با پديده امواج مايع، متفاوت است. در حالت کلي خرابيهاي ناشي از حرکت مايع مواج در بالاي مخزن را ميتوان به شکل زير خلاصه کرد.
1- در مورد مخازن با سقف ثابت، ممکن است برخورد مايع مواج با جداره و سقف مخزن، باعث کمانش آنها در محل نزديک به سقف شود (شکل1- 3 ، 1-4 ، 1-5 ، 1-6 ).
2- براي مخازن رو باز،فوران مايع از بالاي مخزن، ممکن است باعث ايجاد آلودگيهاي زيست محيطي شود. اين مورد خصوصا در مورد مخازن ذخيره مواد سمي حائز اهميت است (شکل1-7 ).
3- در برخي موارد، برخورد مايع با سقف باعث جاري شدن اتصالات بين سقف و جداره مي‌گردد.
4- در هنگام وقوع زلزله، سيال درون مخزن حرکتهاي بزرگي از خود نشان مي‌دهد که ممکن است باعث خروج مايع از سقف شناور مخزن گردد و يا در اثر حرکت سقف مخزن، جرقههايي در محل اتصال جداره و سقف بوجود آيد که در اين مورد امکان وقوع آتشسوزيهاي بزرگ وجود دارد (شکل1-8).
جدول (1-1) به شکل مطلوبي خرابيهاي مشاهده شده در برخي مخازن ذخيره مايع را در اثر وقوع زلزلههاي اخير دسته بندي کرده است[3].
جدول 1-1: خرابيهاي مشاهده شده در جداره و سقف مخازن ذخيره مايع در زلزله هاي گذشته[3]
شکل1-1 : کمانش لوزي شکل يا الماسي جداره مخزن در اثر فشارهاي هيدروديناميک ايجاد شده در هنگام زلزله

شکل1-2: چند نمونه از وقوع کمانش پافيلي در مخازن ذخيره مايع

شکل1-3 : تغيير شکل قسمت بالاي جداره مخزن در اثر برخورد مايع مواج

شکل1-4 : تغيير شکل جداره مخزن در اثر برخورد مايع مواج شکل1-5: تغيير شکل قسمت فوقاني جداره مخزن در اثر برخورد مايع مواج(4)شکل1-6: تغيير شکل سقف ثابت مخزن در اثر برخورد مايع مواج[5]
شکل 1-7: خروج مايع در اثر وقوع زلزله خروج مايع در اثر وقوع زلزله Ismit, Turkey 1998
شکل1-8: در اثر وقوع زلزله Tokachi-oki، خرابي در 42 مخزن از بين 51 مخزن با سقف شناور رخ داد و همچنين سقف 6 مخزن در مايع فرو رفت. همچنين خرابي‌هاي موضعي در 15 مخزن از 51 مخزن با سقف ثابت گزارش شد[6]

به منظور جلوگيري از خرابيهاي لرزه‌اي مذکور، که در اثر برخورد امواج سطحي مايع با سقف مخزن بوجود مي‌آيند، معمولا يک ارتفاع آزاد در بالاي مخازن پيش‌بيني مي‌شود تا از برخورد سيال با سقف جلوگيري به عمل آيد. بنابراين يکي از نيازهاي اصلي طراحي ايمن، تخمين دقيق ارتفاع فضاي خالي بالاي سطح آزاد ميباشد. اين موضوع جهت جلوگيري از خرابي سقف مخزن و يا بيرون ريختن مايع ضروري است. همچنين فشار حاصل از ضربه امواج سطحي، ممکن است در لنگر کلي واژگوني و افزايش امکان بلندشدگي و کمانش جداره مخزن تاثيرگذار باشد. ماکزيمم ارتفاع امواج سطحي، معمولا بر اساس شتاب جرم مواج مايع در مد اصلي تغيير شکل مايع، محاسبه ميگردد. همچنين پريود اصلي موج، نوع خاک محل، شتاب ماکزيمم زمين، اندرکنش مولفههاي مختلف زلزله، ميزان ميرايي در نظر گرفته شده براي مايع و ابعاد هندسي مخزن، از جمله عواملي هستند که بايد در محاسبه ميزان ارتفاع آزاد مايع لحاظ گردند.
1-1-3- ساير خرابيها
علاوه بر خرابيهاي اشاره شده در بالا، ممکن است مخازن در اثر بلند‌شدگي از روي پي دچار خرابي شوند. در اين حالت، بلندشدگي مخزن و برگشت مجدد آن بر روي زمين، باعث افزايش تنشهاي فشاري در جداره مخزن شده و در نتيجه احتمال کمانش جداره افزايش مي‌يابد. همچنين بلندشدگي کف مخزن باعث ايجاد تنش در سقف ثابت مخزن شده و باعث مي‌شود که سقف به عنوان يک المان سازهاي، در تحمل نيروهاي فشاري وارد شود. اين حالت در برخي موارد به کمانش کلي يا موضعي سقف منجر مي‌شود. انواع ديگر خرابي‌هاي مشاهده شده در مخازن، عبارتند از خرابي سيستمهاي اتصال لولهاي و ساير ملحقات به مخزن که اين اتصالات،ممکن است در اثر حرکت لغزشي مخزن، دچار خرابي شوند. همچنين نشت نامتقارن، شکست فونداسيون و عدم تحمل خاک زير مخزن، ممکن است باعث واژگوني مخزن(شکل1-9) و يا اعمال تنشهاي اضافي گردد.

شکل 1-9: واژگوني مخازن ذخيره در اثر خرابي پي

1-1-4- رفتار مخازن در زلزله‌هاي گذشته
در قسمت قبل انواع خرابيهاي مشاهده شده در مخازن تحت بارهاي ديناميکي ناشي از زلزله،دستهبندي شد. در اين قسمت به مرور مشاهدات تجربي در چند زلزله مهم پرداخته ميشود.
1-1-4-1- در زلزله آلاسکا
تا قبل از وقوع اين زلزله بزرگ عملکرد مخازن ذخيره مايع مورد تاييد بود. اما در اين زلزله، مخازن ذخيره مايع دچار خرابيهاي قابل توجهي شدند. بيشتر مخازن از ناحيه سازه مخزن دچار خرابي شدند و تعداد اندکي از آنها در اثر نشت نامتقارن زمين و يا لغزش زمين آسيب ديدند. در يک دسته‌بندي کلي، خرابيهاي مشاهده شده در اين زلزله به شرح زير است.
1- کمانش جداره در محل پايين پوسته مخزن
2- کمانش سقفهاي مخروطي و محدودههايي از جداره مخزن که نزديک به سقف بودند.
3- خرابيهاي مشاهده شده در محل اتصال لولهها به مخزن
در مخازن محدودي هم پارگي اتصالات بين سقف و جداره مخزن مشاهده شد که بيشتر به خاطر کمانش جداره در زير اين اتصالات بود. اين خرابيها بيشتر به خاطر عدم برآورد صحيح فشار هيدروديناميک ناشي از برخورد امواج مايع با سقف مخزن رخ داد (برخورد مايع با سقف مخزن در فصل سوم مفصل بررسي شده است) . همچنين کمانش پافيلي که در قسمت قبل توضيح داده شد،در تعداد محدودي از مخازن باعث خرابي کامل مخزن شد. در مخازن مهار نشده، بلندشدگي کف مخزن تا حدود 5 سانتيمتر نيز مشاهده شد. در برخي موارد لولههاي متصل به نواحي ورودي و خروجي مخازن، در اثر حرکتهاي افقي مخزن قطع شده بودند که در يک مورد، منجر به وقوع آتش سوزي بزرگي گرديد[7]. در مورد مخازن مهار نشده نيز در برخي موارد سازه تا حدود 2 متر در روي زمين جابجا شده بود که در اثر اين حرکت مخزن، ملحقات مربوطه کاملا قطع شده و مايع به بيرون نشت کرده بود.
1-1-4-2- زلزله کوبه ژاپن[6]
اگر چه در اين زلزله، مخازن گروهي مايع آسيبهاي جدي ديده بودند. اما عملکرد سازه مخزن در مجموع قابل قبول بوده است. در منطقهاي که پديده جاري شدن ماسه رخ داده بود، خرابي قابل ملاحظهاي گزارش نشد. اين موضوع، عملکرد فونداسيونهاي متکي به شمع را تاييد ميکند. اما براي مخازني که پي آنها به صورت گسترده اجرا شده بود و از شمع در زير آن استفاده نشده بود، مخازن در اثر نشست نامتقارن پي، دچار واژگوني و يا اعوجاج شده بودند که منجر به قطع اتصالات مخزن و خروج مايع در برخي از مخازن گرديد. در برخي نقاط اطراف محل زلزله، حتي با اينکه شتابِ تا حدود g8/0 را هم تجربه کردند، اما خرابي قابل ملاحظهاي در آنها رخ نداد. در نقاط ديگر، برخي از سيلوها در اثر کمانش جداره و يا تحت نيروهاي برشي ايجاد شده،آسيبهاي جدي ديدند و در اثر واژگوني به سازههاي مجاور نيز صدماتي وارد کردند(شکل1-10).در محل ديگري که شتاب پيک کمتري را تجربه کرده بود، برخي از مخازن در اثر پديده روانگرايي زمين کج شده بودند(شکل1-11).
1-1-4-3- زلزله کواکولي ترکيه
محلي که نزديکترين فاصله را به منبع و سرچشمه زلزله کوکالي ترکيه داشته است، بزرگترين محل صنعتي ترکيه محسوب ميشود که پالايشگاها و صنايع مربوط به توليدات فولادي در آن قرار دارد. پالايشگاه تارپاس که يک سوم نياز انرژي ترکيه را توليد ميکند، بيشترين خسارات را از اين زلزله متحمل شده است. در اين پالايشگاه 112 مخزن ذخيره مايع وجود دارد. از اين تعداد، 40 مخزن از نوع مخازن استوانهاي معمول بودند که از ميان آنها، شش مخزن در اثر وقوع زلزله سوختند. همه مخازن سوخته شده داراي سقف شناور بودند (شکل1-12) [8]. اين آتش‌سوزي در اثر خروج مايع از مخزن رخ داد و به مخازن ديگر سرايت کرد. به اين معني که آتش از طريق جاري شدن نفت به مخازن کناري کشيده شد (شکل 1-13). در اين زلزله به طور کلي تمام مخازن با سقف شناور دچار آسيبهاي جدي شدند. اما مخازن کروي رفتار مناسبي از خود نشان دادند. فقط يک مورد کمانش پافيلي جداره در اين زلزله گزارش شده است[8].
شکل 1-10: خرابي سيلوها در زلزله ژاپن در اثر شکست برشي
شکل 1-11: کج شدن تانکهاي ذخيره در اثر روانگرايي زمين(زلزله کوبه)شکل 1-12: مخازن با سقف شناور که در اثر خروج مايع و آتش سوزي از بين رفتند(زلزله ترکيه)شکل 1-13: مخازن ذخيره مايع که در اثر نشت مايع و سرايت آتش سوزي به مخازن ديگر از بين رفته‌اند( ترکيه)
1-2- دستورات آيين‌نامه‌ها در رابطه با تحليل ديناميکي مخازن
پارامترهاي مهم در طراحي لرزه‌اي مخازن ذخيره مايع عبارتند از: ارتفاع آزاد مايع، لنگر خمشي و نيروي برشي حاصل از نيروهاي هيدروديناميک. به منظور تعيين اين پارامترها لازم است که رفتار اندرکنشي سيستم مايع- سازه- خاک به درستي فهميده شود. لذا در اين قسمت، فلسفههاي بکار گرفته شده از طرف آييننامههاي معتبر براي مدل‌سازي رفتار ديناميکي مخزن معرفي مي‌گردد.بدين منظور،ديدگاه آيين نامه‌هاي معتبر پيرامون محورهاي ذيل مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
1- ساده سازي رفتار ديناميکي مايع با بکارگيري مدل‌هاي ساده شده جرم- فنر.
2- نحوه محاسبه پريود ارتعاش براي مدهاي مختلف تغييرمکان مايع.
3- نحوه محاسبه و توزيع فشارهاي هيدروديناميک.
4- نحوه بررسي پديده اندرکنش خاک و سازه .
5- نحوه محاسبه ارتفاع امواج سطحي.
1-2-1- مروري بر پيشينه تحليل ديناميکي مخازن مايعات
ايده در نظر گرفتن فشار هيدروديناميکي ناشي از وقوع زلزله، از اوايل دهه 1930 در رابطه با طرح تعدادي از سدهاي بلند در مناطق زلزله خيز شکل گرفت. اولين راه حل براي اين مساله توسط (Westergard ,1933)[9] ارائه شد. او با صرفنظر از اثرات تراکم‌پذيري آب و تاثير امواج سطحي (بدليل عمق نسبي زياد مخزن)، فشار هيدروديناميک ايجاد شده روي وجه قائم ديواره صلب يک سد با مخزن بينهايت را در اثر تحريک هارمونيک بدست آورد. حاصل اين مطالعه، رابطه معروف وسترگارد مي‌باشد که براي مدت طولاني بصورت گسترده در طرح سازه‌هاي هيدروليکي مختلف بکار گرفته شده است.
مطالعات تحليلي اوليه در مورد رفتار ديناميکي مخازن، با فرض صلب بودن جداره و پي، انجام گرفته است. هاسکينز و ژاکوبين در سال 1934 اولين گزارش را بر اساس مشاهدات آزمايشگاهي و تحليل مخازن صلب استوانهاي و مستطيلي تحت اثر حرکت افقي زلزله منتشر کردند.
سپس (Lamb ,1945) [10]حل مساله حرکت امواج سطحي در يک مخزن استوانهاي صلب را ارائه کرد. (Jacobsen ,1940)[11] بافرض سيال غيرلزج و غيرقابل‌تراکم و صرفنظر از اثر امواج سطحي، فشار هيدروديناميک وارد بر پايههاي استوانهاي احاطه شده با آب را که پي آنها تحت اثر يک حرکت ديناميکي افقي قرار داشت، محاسبه کرد.
اما اولين جمعبندي مناسب و کاربردي براي تحليل ديناميکي مخازن توسط هازنر ارائه شد. (Housner,1957)[12] با يک روش تقريبي و با استفاده از مشتقات جزئي و سريهاي نامتناهي، يک مدل ساده، براي بررسي اثرات ديناميکي سيال در مخازن صلب استوانهاي و مستطيلي تحت اثر حرکت افقي زلزله ارائه نمود. او فشار هيدروديناميک سيال را به دو قسمت فشار نوساني و فشار انتقالي تقسيم کرد و با هدف ساده‌سازي رفتار مايع، نسبت به ارائه يک مدل ديناميکي معادل بصورت سيستم جرم- فنر اقدام کرد. استفاده از مدل جرم و فنر او، به منظور تخمين پاسخ ديناميکي مخازن استوانهاي و مستطيلي بسيار رايج مي‌باشد.
او همچنين با بکارگيري مدل جرم- فنر مذکور، يک آناليز ديناميکي ساده بر اساس طيف پاسخ براي مخازن هوايي ارائه کرد (Housner,1963)[13].
(Veletsos ,1984)[14] يک روش متفاوت با محققين قبلي، براي حل مساله مخازن استوانهاي انعطافپذيرارائه کرد. وي فرض کرد که مخزن بصورت سيستم يکدرجه آزادي تعميم يافته، در مدهاي از قبل پيشبيني شده، ارتعاش ميکند و در مدت زمان ارتعاش، مقطع آن بصورت دايره باقي ميماند. در اين روش، توزيع فشار هيدروديناميکي، برش پايه و لنگر واژگوني براي تعداد زيادي از مودهاي ارتعاشي نشان داده شد.در تحقيقات بعدي،(Veletsos)[14,15,16,17] فرمولهاي سادهشدهاي براي تعيين فرکانسهاي طبيعي پوسته مخازن ذخيره مايعات با استفاده از روش ريلي- ريتز ارائه کرد. در اين روش توجه خاصي به مودهاي ارتعاشي کسينوسي شد که در آن يک موج کسينوسي منفرد براي تغيير شکل محيطي مخزن فرض گرديد.
(Veletsos & Yang ,1977)[17] پاسخ ديناميکي مخازن صلب و انعطاف‌پذير را تحت حرکت رفت و برگشتي زمين بدست آوردند. در اين مطالعه مدل ديناميکي مشهوري براي منظور کردن اثرات حرکت هارمونيک پي بدست آمد که از انعطاف‌پذيري جداره مخزن با يک تکنيک تقريبي استفاده مي‌کند.
(Haroun ,1983)[18]نتايج کار يک گروه تحقيقاتي را بصورت مقالهاي عرضه کردند. هدف اصلي از اين مطالعه ارائه يک روش عملي بود که از نقطه نظر مهندسي بتواند برآورد ساده و سريعي، براي پاسخ لرزهاي مخازن مهار شده در اختيار طراحان قرار دهد. در اين مطالعه، پوسته الاستيک مخزن به روش اجزاي محدود، و سيال داخل آن به کمک روش المان مرزي تحليل ميشود و در پايان يک مدل مکانيکي معادل که اثر انعطاف‌پذيري جداره را نيز در نظر ميگيرد، ارائه شده است.
(Haroun,1985)[19] روشي براي آناليز پاسخ لرزه‌اي مخازن استوانه‌اي تحت اثر شتاب قائم زلزله ارائه کرد. اين روش بر اساس اصل برهم نهي مودهاي ارتعاشي متقارن محوري، بنا شده است.
مطالعات بعدي توسط (Malhotra,1994, 1995)[20,21] نشان داد که بلند‌شدگي در مخازن مهار‌نشده متکي بر پي صلب، باعث افزايش قابل توجهي در تنشهاي فشاري جداره ميشود. ولي در مخازني که مستقيما روي پي با خاک انعطاف پذير قرار گرفتهاند، بلندشدگي مخزن تاثير چنداني در افزايش تنش محوري فشاري ايجاد شده در جداره ندارد. بلکه بلند‌شدگي مخزن از روي پي، در اين حالت، منجر به نشست‌هاي بزرگ غير يکنواخت شود. (Malhotra ,2000)[22] يک روش ساده مبتني بر مدل مکانيکي جرم و فنر، براي برآورد رفتار ديناميکي مخازن مهار شده با پي‌‌ صلب ارائه کرد که توسط آيين‌نامه اروپا نيز پذيرفته و اقتباس شد. او در سال 2000 با نشر مقالهي ديگر، روش ساده خود را تعميم داد. اين روش بر مبناي کارهاي(Veletsos&Yang ,1977)[17] استوار است. با اين تفاوت که اصطلاحاتي براي اعمال اثرات مودهاي بالاتر جرم مواج مايع اعمال شده‌است.
اخيرا تکامل تدريجي کامپيوترها و روشهاي عددي قابل برنامه‌نويسي، توانايي حل مساله را بطور قابل ملاحظهاي افزايش داده است. بنابراين مطالعات متعددي براي بررسي اندرکنش ديناميکي مايع و جداره انعطافپذير مخزن به کمک روشهاي عددي صورت گرفته است که در ادامه به برخي از مهمترين آنها اشاره خواهد شد و مرور مفصل تر آن در فصول بعدي ارائه خواهد شد.
(Haroun & Housner ,1982) [23,24] يک روش کارا براي محاسبه خصوصيات ديناميکي مخازن استوانه‌اي ارائه کردند. در اين روش سيال داخل مخزن به صورت غيرويسکوز و تراکم پذير فرض گرديد و پوسته الاستيک مخزن به روش اجزاي محدود مدل مي‌شود. اما محيط سيال بصورت تحليلي آناليز مي‌شود تا تعداد مجهولات مساله بطور قابل ملاحظه‌اي کاهش يابد.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

(Clough et al ,1979)[25,26] به روش اجزاي محدود و بر مبناي استفاده از روش ريتز يک مدل مخزن استوانه‌اي شکل مهار نشده و بدون سقف را آناليز تاريخچه زماني کردند. در اين مطالعه مايع تراکم ناپذير و غير‌لزج و پي نيز صلب در نظر گرفته شد. همچنين فرض شد، بلند شدن کف مخزن در طول پاسخ ديناميکي به شکل دايره‌اي است. يکي از نتايج بدست آمده اين بود که در مدل مهار نشده بر خلاف مدل مهار شده، نمودار تاريخچه زماني تنشهاي محوري ايجاد شده در جداره، با تاريخچه زماني لنگر واژگوني حاصل شده همخواني ندارد. (Hamdan ,2000)[3]ضمن انجام تحليلهاي عددي، مقايسه‌اي نسبتا جامع بين آيين‌نامههاي مختلف لرزهاي موجود با تکيه بر نقاط ضعف و قوت آنها ارائه کرد. او بيان داشت که بر هم نهي حداکثر جابجايي قائم سطح آزاد مايع متناظر با مولفه‌هاي گوناگون زلزله که بطور غير همزمان اعمال مي‌شود، ميتواند گمراه کننده باشد. (Nachtigall,2003)[27] براي مدلسازي جداره مخزن استوانهاي، از روش گالرکين استفاده کرد. مقادير بدست آمده از اين آناليزها با فرمولهاي پيشنهادي در آييننامههاي (API) و (EC8)تفاوت چشمگيري داشت. بنابراين در اين مقاله، نياز به تغييرات اساسي در اين آييننامه‌ها، مورد تاکيد قرار گرفت.(Chen and Kianush,2004)[28,29] يک روش براي محاسبه فشار هيدروديناميک در مخازن مستطيلي دوبعدي پيشنهاد دادند که اثر انعطاف‌پذيري جداره را نيز لحاظ مي‌کند. همچنين ميزان تاثير مولفه قائم زلزله در پاسخ ديناميکي مخازن مستطيلي بتني توسط همين محققين مورد بررسي قرار گرفته است. (Ghaemian & et al,2005)[30]روش تغيير مکان متناوب که بيانگر عملکرد کلي ناحيه سيال در حالت سه بعدي مي‌باشد را مورد توجه قرار دادند.
نتايج حاصل از تحقيقات فوق‌الذکر در سي‌سال گذشته به عنوان پايه و اساس روابط موجود در آييننامهها براي طرح لرزهاي مخازن قرار گرفته است. در ادامه مرور مختصري بر روابط ارائه شده در هر يک از اين آيين‌نامه‌ها ارائه ميگردد.
1-2-2- روشهاي تحليل لرزهاي مخازن از ديدگاه آييننامههاي معتبر
در اين قسمت مقررات مربوط به آيين‌نامه‌هاي معتبر بين‌الملي با تمرکز بر ضوابط ارائه شده براي مدل‌سازي و تحليل مخازن ذخيره مايع، مرور و با يکديگر مقايسه ميشود. از ارائه جزييات صرفنظر شده و فقط فلسفههاي اصلي مورد توجه قرار مي‌گيرد.
آيين‌نامه‌هاي مورد بررسي در اين فصل عبارتند از(ACI350.3), (AWWA), (API650),(NZSEE) (Euro Code 8) و (Indian Standard,IS)[31, …, 37].
در تمام اين آيين‌نامهها از مدلهاي ساده شده براي مدلسازي رفتار مخزن تحت بارهاي جانبي بهرهگيري شده است. اين مدلهاي ساده شده متشکل از اجزاي معادل جرم و فنر هستند که براي ساده‌سازي رفتار ديناميکي مايع بکارگرفته شده‌اند. جدول (1-2) نوع مخازن مورد توجه توسط هر يک از آيين‌نامه‌هاي مختلف را بيان مي‌کند.
جدول 1-2: نوع مخازن مورد بررسي در آيين‌نامه‌هاي مختلف
نوع مخازن بررسي شدهآيين نامه* مخازن رو زميني دايره‌اي و مربعي بتني با پي صلب و يا انعطاف‌پذير،
* تانکهاي هوايي با پايهACI 350.3* مخازن فولادي روزميني با پي صلب و انعطاف پذير
* مخازن فولادي هوايي با پايه فولادي و يا پايه هاي برجي شکلAWWA D-100 & D-103* مخازن بتني پيش تنيده با پايه ثابت و انعطاف پذيرAWWA D-110 & D-115* مخازن فولادي روزميني براي ذخيره نفتAPI 650* مخازن رو زميني دايره‌اي و مربعي بتني با پي صلب و يا انعطاف‌پذير
* تانکهاي هوايي با پايهNZSEE Guidelines* مخازن رو زميني دايره‌اي و مربعي بتني با پي صلب و يا انعطاف پذير
* تانکهاي هوايي با پايهEurocode 8
* مخازن رو زميني دايره‌اي و مربعي بتني با پي صلب و يا انعطاف‌ذير
* تانکهاي هوايي با پايه هاي مختلف چند ستوني و با سفت قائمIndian code(IS)
1-2-2-1- مدلهاي مکانيکي جرم و فنر براي سادهسازي رفتار ديناميکي مايع
همانطور که اشاره شد،معمولا رفتار ديناميکي مايع را با جرمهاي متمرکز معادل که در فاصلهي مشخصي از کف مخزن قرار دارد، جايگزين ميشود. در اين مدل ساده شده جرم-فنر، عمدتا مايع داخل مخزن را با دو جرم متمرکز به نامهاي جرم انتقالي و جرم سخت شبيه‌سازي ميگردد. قسمت انتقالي يا جرم مواج، در بالاي مخزن به حرکت رفت و برگشتي مشغول است و پريود ارتعاش آن به مراتب از پريود ارتعاش جداره مخزن بيشتر است. قسمت نوساني يا جرم سخت، به صورت چسبيده با جداره مخزن حرکت ميکند و پريود آن متاثر از پريود ارتعاش مخزن مي‌باشد. شکل (1-14) حالت ساده اين مدل را نشان ميدهد. در اين شکل فاصله جرم‌هاي نوساني و انتقالي از زمين با توجه به مقدار لنگر نيروهاي هيدروديناميک وارد بر جداره مخزن محاسبه ميشود. برخي آيين‌نامه‌ها نيروهاي هيدروديناميک وارد بر کف مخزن را نيز در محاسبه فاصله جرمهاي نوساني و مواج تا کف مخزن در نظر مي‌گيرند.
در مخازن با جداره صلب، جرم نوساني به صورت چسبيده به مخزن حرکت مي‌کند و شتاب آن با شتاب زمين برابر استدر مخازن با جداره انعطاف‌پذير براي جرم نوساني نيزانعطاف پذيري مشخصي در نظر گرفته مي‌شود
شکل 1-14 : شکل شماتيک مدلهاي جرم و فنر پيشنهادي براي ساده سازي رفتار مايع
در ابتداي اين فصل تاريخچه تحليل ديناميکي مخازن ارائه شد. اما از بين تحقيقات نامبرده شده تعداد محدودي به عنوان تحقيقات پايه از طرف آيين‌نامه‌ها براي پيشنهاد مدلهاي مکانيکي بکار گرفته شده است. از آنجا که در ادامه اين فصل دائما به اين تحقيقات اشاره ميشود، لازم است در اينجا مختصرا به آنها اشاره شود. مدل‌هاي مکانيکي براي اولين بار در مخازن صلب ارائه شدند. همانطور که اشاره شد، (Housner,1963)[13] شايد اولين کسي است که اين مدلها را براي مخازن ذخيره مايع به صورت کاربردي ارائه کرد.Wozniak,1978)[38]&(Mitchell مدل او را براي مخازن لاغر و پهن تقسيم بندي کرد و براي هر يک روابط جداگانهاي ارائه کرد.
اما (Veletsos&Yang,1977)[16]از شيوه متفاوتي براي رسيدن به مدلهاي ساده شده استفاده کردند و براي مخازن دايرهاي صلب نيز روابطي را ارائه کردند.
به دنبال آن (Haroun & Housner,1981) [23] و (Veletsos,1984)[14] مدلهاي خود را براي محاسبه انعطاف‌پذيري جداره توسعه دادند. (Malhotra,2000)[22] با ارائه يک مدل که هم براي مخازن صلب و هم براي مخازن انعطاف پذير قابل استفاده باشد، مدل (Veletsos) را سادهتر کرد. اگر چه مدلهاي مذکور با شيوه‌هاي متفاوت و براي مقاصد مختلفي استخراج شدهاند، اما داراي مقادير تقريبا برابري در محاسبه جرمهاي معادل مايع ميباشند و تفاوت قابل توجهي از اين لحاظ با يکديگر ندارند. تمام آييننامههاي معتبر در بخش تحليل ديناميکي مخازن از يکي از مدلهاي مکانيکي مذکور براي برآورد رفتار ديناميکي مخازن استفاده ميکنند.
(CI350.3), (AWWA D-100), (AWWA D-110) (API650)ازمدل (Housner,1963)[13] با تصحيحات Wozniak,1978)[38]& (Mitchell استفاده ميکنند. اين مدل با فرض جداره صلب، جرمهاي معادل مايع را محاسبه مي‌کند. اگرچه(AWWA D-100) و (API650)مخازن استوانه‌اي فولادي را جزو مخازن انعطاف‌پذير دسته‌بندي ميکنند، اما از آنجا که تفاوت چنداني بين پارامترهاي مدلهاي صلب و انعطاف‌پذير براي محاسبه جرمهاي معادل مايع وجود ندارد، اين آييننامهها از پارامترهاي مدل صلب براي محاسبه جرم‌هاي نوساني و انتقالي در حالت انعطاف‌پذير استفاده ميکنند. (NZSEE)از(Veletsos &Yang,1977)[17] براي مخازن استوانهاي صلب، و از مدل(Haroun & Housner,1981)[23] براي مخازن انعطاف‌پذير استفاده ميکند. براي مخازن مربعي نيز همان مدل مخازن استوانه‌اي صلب توسط اين آيين‌نامه پيشنهاد مي‌شود. در اين حالت نصف عرض مخزن مربعي با شعاع مخزن استوانه‌اي در روابط جايگزين ميگردد. اين فرض براي مخازن مستطيلي تا ميزان 15% خطا نسبت به حل‌هاي تئوري دقيق ايجاد ميکند.
(Euro Code 8) از مدل(Veletsos &Yang,1977)[17] براي مخازن استوانهاي صلب و از مدل (Malhotra,2000)[22]براي مخازن انعطاف‌پذير استفاده ميکند. اين آيين‌نامه براي مخازن مستطيلي نيز از مدل (Housner,1963)[13]استفاده مي‌کند. روش ارائه شده براي محاسبه جرم‌هاي نوساني و انتقالي در مخازن استوانهاي مشابه به روش (NZSEE) مي‌باشد.
آيين‌نامه هند(IS) در ويرايشهاي اوليه در مورد مخازن روزميني دستورالعملي را ارائه نميدهد[40,39] اما در ويرايشهاي جديد از مدل (Housner,1963)[13] با اعمال برخي اصلاحات جهت تحليل ديناميکي مخازن استفاده ميکند[41,42,43,44]. در واقع آيين‌نامه هند نيز روابط خود را براي محاسبه جرم‌هاي انتقالي و سخت از آيين‌نامه (ACI350.3) اقتباس ميکند. در اين آيين‌نامه نيز اثرات انعطاف پذيري جداره در خصوص استخراج جرمهاي مواج و سخت در نظر گرفته نشده است.
مسئله مهم ديگر، نحوه ترکيب نيروهاي هيدروديناميک حاصل از جرم مواج و جرم قسمت سخت مايع ميباشد. همه آييننامهها بجز (Euro Code8)از روش جذر مجموع مربعات براي ترکيب اثرات مدهاي سخت و مواج استفاده ميکنند. اما (EC8) از روش قدر مطلق جمع مقادير استفاده ميکند. در قسمت (1-3)که محاسبات عددي پيرامون صحت سنجي عملکرد مدلهاي مکانيکي ارائه مي‌شود، اين دو روش بيشتر مورد نقد قرار ميگيرد. در همه آييننامهها جرم ديواره و سقف مخزن به عنوان قسمتي از جرم نوساني يا سخت مايع در نظر گرفته شده و در محاسبات مربوط به نيروي برشي و لنگرخمشي لحاظ ميشود. اما (ACI350.3) و(EC8) از ضريب کاهشي براي کم‌کردن وزن مخزن و سقف استفاده ميکنند. اين ضريب توسط(Veletsos,1984)[45] براي جبران فرضهاي محافظه کارانه در محاسبه نيروهاي نوساني بکار گرفته شده است.
1-2-2-2- پريود طبيعي مد نوساني مايع
مد نوساني مايع مربوط به ارتعاش جرم سخت مايع است. جرم سخت يا نوساني، با مخزن حرکت مي‌کند وتحت تاثير اندرکنش جداره مخزن و مايع ميباشد. نيروهاي هيدروديناميک جانبي بيشتر به به مشارکت جرم نوساني وابسته هستند تا به مشارکت جرم مواج. براي محاسبه اين نيروها، به پريود مد نوساني نيازمنديم. پريود مد نوساني به انعطافپذيري فونداسيون وابسته است. جدول(1-3) جزييات روابط ارائه شده توسط آيين‌نامه‌هاي مختلف، براي محاسبه زمان مد نوساني را نشان مي‌دهد. در رابطه با مد نوساني،(ACI) از فرمول ارائه شده توسط (Veletsos,1984)[14]براي مخازن استوانه‌اي استفاده ميکند.
در حالي که(NZSEE) از روابط ارائه شده توسط (Haroun & Housner,1981) [23] استفاده ميکند. (EC8) روش (Malhotra,2000)[22] را براي محاسبه پريود مد نوساني پيشنهاد ميکند.
(AWWA) و (D-100) و (API650) مقادير ثابتي را براي محاسبه شتاب طيفي ارائه ميکنند و در نتيجه در اين آييننامهها نيازي به استفاده از پريود نوساني براي محاسبه شتاب طيفي نيست.


پاسخ دهید