بررسی رفتار لرزه ای مخازن هوایی بتنی استوانه ای برای شکل های مختلف مخزن با احتساب اندرکنش آب و سازه

در این تحقیق به بررسی تغییرات پارامترهای لرزه ای ناشی از تحلیل های دینامیکی بر روی مخازن هوایی بتنی آب پرداخته شده است وقتی که مخزن آب با ابعاد هندسی مختلف و حجم یکسان طراحی شده باشد. بعلاوه رفتار مخازن در ابعاد یکسان و سطوح آب مختلف نیز بررسی شده است. برای این منظور یک مدل مخزن هوایی بتنی با پایه مرکزی، بر اساس نمونه موردی ساخته شده در شهر رشت، مدل سازی و سایر مدل ها بر اساس آن توسعه داده شده است. سپس مدل های مورد مطالعه تحت تحلیل های طیفی و دینامیکی خطی و غیرخطی قرار گرفت. ابتدا اهمیت ساخت و نگهداری مخازن هوایی آب، به گونه ای که تحت زمین لرزه های نسبتاً شدید دچار آسیب نشوند و به سرویس دهی خود ادامه دهند، پرداخته شده است. در ادامه نمونه هایی از مطالعات و تحقیقات صورت گرفته در زمینه رفتار لرزه ای مخازن هوایی و زمینی برای بهبود عملکرد لرزه ای آنها و نیز اصلاح آیین نامه های طراحی معرفی شد. همچنین معادلات حاکم بر سیستم اندرکنش سیال و سازه با توجه به رفتار لرزه ای مخازن هوایی معرفی و روش های مختلف برخورد با حل این معادلات اعم از روش های ریاضی دقیق و روش های معادل تقریبی ارائه شد. در نهایت به بررسی عددی این معادلات در مخازن هوایی آب با استفاده از نرم افزار اجزای محدود پرداخته شده است. در این تحقیق پارامترهایی همچون تناوب اصلی سازه ای و نوسانی آب، برش پایه، لنگر واژگونی، تغییرمکان سازه، تلاطم آب و درصد مشارکت مودها برای ارزیابی رفتار مخازن هوایی مورد توجه بوده اند. در نهایت تلاش شده است تا با مقایسه پاسخ های مختلف، عملکرد بهینه و مناسب به ازای ابعاد هندسی مختلف ممکن برای طراحی پیشنهاد گردد. خلاصه ای از نتایج 1- بیشترین مقدار تناوب نوسانی برای مخزن با کم ترین نسبت (پهن ترین مخزن) رخ می دهد که البته کیفیت این تغییرات با منحنی تغییرات وزن سازه ها مطابقت دارد. همچنین زمان تناوب نوسانی برای آب داخل مخزن بیش از آنکه به وزن سازه بستگی داشته باشد، به میزان سطح آزاد آب مخزن وابسته است و برای مخازن پهن تر که دارای امکان تلاطم بیشتری هستند، این مقدار عددی بزرگ تر را خواهد داشت. 2- با افزایش نسبت ، تناوب ضربانی (سازه ای) افزایش می یابد. علت این امر در آن است که افزایش این نسبت سبب افزایش ارتفاع مرکز جرم سازه شده و سختی آن را کاهش می دهد. این روند افزایشی هم برای مدل هایی با هندسه های مختلف و هم برای مدل هایی با سطح تراز آب مختلف بر قرار است. 3- با انجام تحلیل طیفی بر روی مدل ها مشاهده می شود که برای مخازن با ابعاد هندسی مختلف، هر چه نسبت بیشتر باشد، مجموع مشارکت مودهای سازه ای و نوسانی در آن کاسته می شود. بعلاوه در حالت کلی مقدار درصد مشارکت مود سازه ای بیشتر از درصد مشارکت مود نوسانی بوده است. اما برای مخازن با سطح تراز مختلف آّب، با افزایش نسبت درصد مشارکت مودی افزایش می یابد. 4- افزایش نسبت ، مقدار ضرایب ، که به عنوان ضریب میرایی جرمی مطرح است، دارای روندی کاهشی و مقدار ضریب ، که به عنوان ضریب میرایی سختی مطرح است، دارای روندی افزایشی است. به عبارت دیگر، هر چه نسبت در مخزن افزایش می-یابد، و یا به عبارتی سازه مخزن پهن تر می شود، میزان عناصر مستهلک کننده سختی نقش مهم تری در مقایسه با عناصر مستهلک کننده وابسته به جرم سازه دارند. 5- با انجام تحلیل های دینامیکی تاریخچه زمانی بر روی مدل ها مشاهده شد که تغییر صورت گرفته در پاسخ دینامیکی مخازن همچون برش پایه، لنگر واژگونی و تغییرمکان افقی به ازای افزایش نسبت ، برای مدل های با ابعاد هندسی مختلف، دارای روندی صعودی است. این روند به ازای مقادیر کوچکتر از دارای روندی نامحسوس و تا حدودی بدون تغییر است، در حالی که به ازای کاملاً قابل توجه است. این در حالی لست که وزن این مدل ها به ازای افزایش دارای روندی کاهشی بوده است. 6- در مورد مخازن با سطح تراز آب مختلف مشاهده می شود که با افزایش ، برش پایه و لنگر واژگونی، به واسطه افزایش جرم مخزن، افزایش می یابند، با این توضیح که شدت این افزایش برای نسبت های کمتر و برای محدوده ، (مخزن نیمه پر تا نزدیک به پر)، متناسب با وزن مخزن افزایش می یابند. اما در مورد پاسخ تغییرمکان افقی چنین نیست. در حالت کلی به نظر می رسد با افزایش نسبت ، پاسخ تغییرمکان افقی مخزن روندی افزایشی دارد. با این توضیح که در مقدارهای (مخزن نیمه پر) و (مخزن کاملاً پر)، یک روند کاهشی شدیدتر به طور استثنا رخ می دهد. 7- بیشینه تغییرمکان سازه به ازای مخزن کاملاً پر بروز نداده است. بلکه به طور مشخص به ازای حجم آب مخزن نیمه پر و مخزن کاملاً پر پاسخ ها مقدار کمتری را نشان می دهند. 8- در حالت کلی مشاهده می شود که با افزایش نسبت و در واقع افزایش عمق آب در مخزن، میزان نوسانات سطح آب افزایش می یابد. 9- در بررسی تاریخچه زمانی پاسخ ها مشاهده می شود که در زمان های انتهایی زلزله نیز پاسخ ها مقادیر قابل توجهی را دارا می باشند. همچنین مشاهده می شود که در مخازن با نسبت بزرگ تر، بیشترین مقدار پاسخ در محدوده محتوای فرکانس موثر زلزله رخ داده است. 10- پاسخ ها برای مخزنی با %25 پرشدگی دارای مقادیر بیشتری نسبت به مخزن پر و مخزن نیمه پر (%62.5 پرشدگی) هستند. این نکته ای است که بایستی در طراحی مخازن در نظر گرفته شود. همچنین مشاهده می شود که رفتار آب درون مخزن، به علت داشتن حرکات نوسانی با تناوبی بیشتر از تناوب سازه، زمان وقوع پاسخ های بیشینه را به تأخیر می اندازد. 11- نتایج حاصل تحلیل دینامیکی خطی و غیرخطی بر روی یک مدل، که مشابه مخزن آب ساخته شده در شهر رشت است، نشان می دهد که به ازای زلزله ای با pga شتاب مبنای طرح آیین نامه زلزله ایران، سازه مخزن وارد رفتار غیرخطی مصالح نمی-گردد. 12- نتایج حاصل از تحلیل به ازای سه تحریک لرزه ای با pga های فزاینده به طور کاملاً متناسبی افزایش می یابد. این مسئله موکد آن است که رفتار دینامیکی در مخازن، حتی در مورد نوسان سطح آب، به شدت به محتوای فرکانسی تحریک اعمال شده بستگی دارد و بزرگی زلزله فقط سبب افزایش مقدار پاسخ ها می گردد.