اثر زلزله‌های حوزۀ نزدیک بر پاسخ لرزه‌ای مخازن مستطیلی بتنی آب با درنظرگرفتن انعطاف‌پذیری دیواره ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 1- دانشجوی دکتری، گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 2- دانشیارپژوهشکده مهندسی سازه، پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله، تهران، ایران

3 3- استادیار گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

چکیده

ساخت مخازن بتنی آب جهت تامین فشار آب مورد نیاز در شهرها اجتناب ناپذیر می باشد. از سوی دیگر بسیاری از شهرهای کشور، از جمله کلانشهرها، در نزدیکی گسلهای فعال قرار دارند و چه بسا گسل از داخل شهر عبور کرده است. این در حالیست که هنوز اثر زلزله های حوزۀ نزدیک بر روی رفتار لرزه ای مخازن بطور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است. لذا در این مقاله اثر زلزله‌های حوزۀ نزدیک هم با پالس و هم بدون پالس بر نیروی هیدرودینامیکی ایجاد شده بر دیوار مخازن بتنی مستطیلی و نیز تلاطم سیال با درنظرگرفتن اندرکنش دیواره های مخزن بتنی به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور مدل‌سازی مخزن و مایع از روش اجزای محدود استفاده ‌شده و نتایج بدست آمده از روش عددی مورد استفاده در این مطالعه با نتایج آزمایشگاهی مقایسه و صحت سنجی شده است. سپس از هشت رکورد لرزه ای برگرفته از چهار زلزله حوزۀ نزدیک به صورت دو و سه مولفه ای برای تحلیلهای لرزه ای مخزن استفاده شده است. مطالعه حاضر نشان داد بیشینه تلاطم سطحی سیال در گوشه مخزن در مواردی81/6 درصد بیشتر از بیشنه تلاطم سیال در وسط دیوار است. به عبارت دیگر گوشه مخزن محل بحرانی پاسخ نوسانات سطحی سیال نسبت به وسط دیوار در تمامی تحلیل ها بوده است. از سوی دیگر مولفۀ قائم زلزله‌های حوزۀ نزدیک نشان داده که اثر چندانی در پاسخ تلاطم سیال ندارد در حالی که در نظر گرفتن این مولفه، 58/2 درصد افزایش را در پاسخ نیروی دینامیکی ایجاد شده در مخازن بتنی نسبت به این پاسخ تحت زلزله دو مولفهای (بدون مولفه قائم) نشان داده است. تحلیل لرزه ای این مخازن همچنین نشان داده که زلزله های حوزه نزدیک پالس گونه، می تواند باعث تغییر پاسخ نیروی دینامیکی در مخازن بتنی مستطیلی گردد.این تغییر پاسخ به گونه ای است که نحوه ی توزیع این نیرو در ارتفاع دیوار مخازن در مواردی تغییر کرده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Effect of Near-Field Earthquakes on the Seismic Response of Rectangular Concrete Water Tanks, Considering the Flexibility of Walls

نویسندگان [English]

  • Shayan Abizadeh 1
  • Mahmood Hosseini 2
  • Seyed Abbas Hosseini 3
1 Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Associate professor, Structural Engineering Research Center, International Institute of Earthquake Engineering and Seismology, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Constructing concrete water tanks to supply the water pressure needed in cities is inevitable. In Iran, many cities, including metropolises, are near active faults, and in some cases, the fault even passes through them; while the near-field earthquakes' effect on the seismic behavior of tanks has not been thoroughly investigated. Therefore, the effect of the vertical component of pulse-like and non-pulse-like near-fault earthquakes on the lateral hydrodynamic force acting on the tank's wall and the sloshing response of rectangular concrete tanks are numerically studied in this paper. The finite element method is used to model the tank and liquid, and the results of the numerical method employed in this study are compared and verified by the experimental results. Subsequently, eight seismic records derived from four near-field earthquakes are used for two and three-component seismic analyzes.

It is found that the maximum sloshing response occurring at the corner of the tank's wall can be higher than that of the middle of the tank's wall by up to 81.6 percent. In other words, the corner of the tank's wall is the critical point for the sloshing response in all cases studied in this paper. In addition, the vertical component of near-fault earthquakes has been indicated to have a negligible effect on the sloshing response while considering this component increases the hydrodynamic force acting on the concrete tank's wall by up to 58.2 percent. On the other hand, near-field pulse-like earthquakes may alter the dynamic force response in rectangular concrete tanks. This alteration can be seen in the force distribution pattern along the tank's wall, which changes under such ground motions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rectangular Concrete Tanks
  • Near-Field Pulse-Like Earthquake
  • Sloshing
  • Hydrodynamic Force
[1] Gates, W. E. (1980). Elevated and ground-supported steel storage tanks. Reconnaissance report, Imperial County, California Earthquake of October 15, 1979. Earthquake Engineering Research Institute, Oakland.
[2] Hall, J. F., Holmes, W. T., & Somers, P. (1995). Northridge earthquake of January 17, 1994: reconnaissance report (Vol. 11). Earthquake Engineering Research Institute.
[3] Yoshida, S. (2001). Report on damage and failure of oil storage tanks due to the 1999 Chi-Chi Earthquake in Taiwan. In ASME PVP Conference, Vol. 428, No. 2, pp. 11-19.
[4] Housner, G.W. (1963) The Dynamic behavior of water tanks. Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 53, pp. 381-387.
[5] Kang, T W, Yang, H I, and Jeon, J S. (2019). "Earthquake-induced sloshing effects on the hydrodynamic pressure response of rigid cylindrical liquid storage tanks using CFD simulation." Engineering Structures, Vol. 197
[6] Kobayashi M, Tamura M. (2022). Case Details: fire of a floating roof tank of crude oil caused due to a large earthquake and fullface fire of another floating roof tank two days later. Retrieved from, http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1300013. html. (Accessed March 2022).
[7] امیدتبریزی، فربد؛ سالاری، معین الدین؛ حاتمی برق، فرزاد: شاهوردیانی، کورش. (1399). اثر شکل هندسی و صلبیت دیوار مخازن بتنی زمینی بر تلاطم سطح مایع. سومین کنفرانس عمران، معماری و مدیریت توسعه شهری در ایران.
 [8] Qiu, Y., Bai, M., Liu, Y., Lei, G., & Liu, Z. (2022). Effect of liquid filling level on sloshing hydrodynamic characteristic under the first natural frequency. Journal of Energy Storage, Vol. 55, 105452.
[9] Avval, I. T., Kianoush, M. R., & Ghaemmaghami, A. R. (2012). Effect of Three-Dimensional Geometry on the Sloshing Behavior of Rectangular Concrete Tanks. In 15th WCEE conf, Lisbon, Portugal.
[10] Akyildız, H., & Ünal, N. E. (2006). Sloshing in a three-dimensional rectangular tank: numerical simulation and experimental validation. Ocean engineering, Vol.33(16), pp.2135-2149.
[11] Hejazi, F. S. A., & Mohammadi, M. K. (2019). Investigation on sloshing response of water rectangular tanks under horizontal and vertical near fault seismic excitations. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol.116, pp.637-653.
[12] Rawat, A., Matsagar, V., & Nagpal, A. K. (2015). Finite element simulation of cylindrical liquid storage tank under tri-directional components of earthquake. Journal of Structural Engineering, Structural Engineering Research Centre (SERC), Vol.42(1), pp.28-39.
[13] Vern, S., Shrimali, M. K., Bharti, S. D., & Datta, T. K. (2021). Behavior of liquid storage tank under multidirectional excitation. In Advances in structural technologies, pp.203-217. Springer, Singapore.
[14] Tarinejad, R., & Hosseinjani, A. (2021). Evaluation of the Seismic Behavior of Steel Liquid Storage Tanks under Near and Far Fault Earthquakes. Journal of Structural and Construction Engineering, Vol.8(6), pp.204-220.
 [15] مردی پیرسلطان، محمد رضا؛ کیلانه‌ئی، فواد؛ محبی، بنیامین. (۱۳۹۸). تاثیر زلزله های حوزه نزدیک بر رفتار امواج سطحی مخازن ذخیره مایعات بتنی مستطیلی. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر, ش ۵۱(۳) ، ص ۴۰۱ - ۴۱۴.
[16] Hatami, F., & Omidtabrizi, F. (2022). Seismic response of rectangular and cylindrical concrete tanks under near-fault and far-fault ground motions. Asas Journal, Vol.23(65), pp.5-14.
[17] Kalogerakou, M. E., Maniatakis, C. A., Spyrakos, C. C., & Psarropoulos, P. N. (2017). Seismic response of liquid-containing tanks with emphasis on the hydrodynamic response and near-fault phenomena. Engineering Structures, Vol.153, pp.383-403.
[18] Zhou, L., Xu, T., Lu, Z., & Zhang, D. (2020). A Study on the Sloshing Problem of Vertical Storage Tanks under the Action of Near-Fault Earthquakes. Advances in Civil Engineering, Vol 2020, pp.10
[19] Bagheri, S., & Hayati Raad, H. (2019). Parametric study on dynamic behavior of liquid storage tanks subjected to pulse-like excitations. Journal of Structural and Construction Engineering, Vol. 6(2), pp.75-86.
[20] Doǧangün, A., Durmuş, A., and Ayvaz, Y. (1996). Static and dynamic analysis of rectangular tanks by using the Lagrangian fluid finite element. Computers & Structures, Vol. 59(3), pp.547-552.
[21] Dogangun, A., & Livaoglu, R. (2004). Hydrodynamic pressures acting on the walls of rectangular fluid containers. Structural engineering and mechanics: An international journal, Vol. 17(2), pp. 203-214.
[22] Yazdanian, M.Razavi, S.V. and Mashal, M. (2016). Seismic analysis of rectangular concrete tanks by considering fluid and tank interaction, Journal of Solid Mechanics, Vol. 8(2), pp. 435-445
[23] Sivakumar, S., Suresh, S., Pradeep, P., Rajesh, S., & Kumar, R.S. (2017). Finite element analysis of landing grid ship assembly for 6.5 tonnes in vertical loading conditions. International Journal of Civil Engineering and Technology, Vol.8(9), pp. 255-261.
[24] Kangda, M. Z. (2021). An approach to finite element modeling of liquid storage tanks in ANSYS: A review. Innovative Infrastructure Solutions, Vol.6(4), pp. 1-20.
[25] Ansys® Academic Research Mechanical, Release 14, Help System, Coupled Field Analysis Guide, ANSYS, Inc.
[26] Goudarzi, M. A., & Sabbagh-Yazdi, S. R. (2012). Investigation of nonlinear sloshing effects in seismically excited tanks. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol.43, pp.355-365.
[27] حسینی، محمود و وثوقی فر، حمیدرضا و ابی زاده، شایان. (۱۳۹۳). رفتار دینامیکی مخازن ذخیره سازی مایعات با بهینه سازی ابعادی المان ها. نشریه سد و نیروگاه برق آبی ایران، ش ۱(۱)، ص ۱۳ - ۲۱
[28] Hosseini, M. Abizadeh, Sh. (2013). Behavior of reinforced concrete rectangular aboveground tanks subjected to near-source seismic excitations, American Environmentalism: Philosophy, History, and Public Policy, pp. 449-454.
[29] Ansys® Academic Research Mechanical, Release 14.
[30] https://ngawest2.berkeley.edu, (downloaded, 2022).
  • تاریخ دریافت: 30 مهر 1401
  • تاریخ بازنگری: 07 آذر 1401
  • تاریخ پذیرش: 19 آذر 1401
  • تاریخ اولین انتشار: 19 آذر 1401