اثر محتوای فرکانسی زلزله بر پاسخ دینامیکی مخازن بتنی مستطیلی با استفاده از روش ترکیبی المان محدود و هیدرودینامیک ذرات هموار

صافی, محمد; رسول پور, سپهر; مهدویان, عباس

doi:10.22065/jsce.2018.100667.1348

اثر محتوای فرکانسی زلزله بر پاسخ دینامیکی مخازن بتنی مستطیلی با استفاده از روش ترکیبی المان محدود و هیدرودینامیک ذرات هموار

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ استادیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

² کارشناس ارشد مهندسی زلزله، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

³ دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

10.22065/jsce.2018.100667.1348

چکیده

مخازن زمینی بتنی، کاربرد گسترده‌ای در ذخیره آب، فاضلاب، نفت، مواد شیمیاییِ سمی و سایر مایعات دارند. بنابراین با توجه به نوع کاربری آنها، به طور معمول در رده سازه‌های با اهمیت خیلی زیاد شریان‌های حیاتی قرار دارند؛ در نتیجه تحلیل دینامیکی مخازن ذخیره مایعات از موضوعات مهم در مهندسی زلزله است. از طرفی بررسی رفتار لرزه‌ای مخازن و اندرکنش مایع درون آن اهمیت بسزایی دارد. در این مطالعه محیط آب به روش هیدرودینامیک ذرات هموار و سازه مخزن به روش اجزای محدود مدلسازی شدند. روش هیدرودینامیک ذرات هموار که یک روش بدون مش است دارای مزایای فروانی نسبت به دیگر روش‌های سنتیِ بر پایه شبکه‌بندی می‌باشد. به منظور صحت سنجی، درستی مدل‌سازی با نتایج آزمایشگاهی و عددی موجود مقایسه شد، دلایل و پارامترهای موثر در انتخاب رکوردها بیان، و سپس مخزن مدلسازی شده تحت تاثیر رکورد زلزله‌های با محتوای فرکانسی مختلف به صورت تاریخچه زمانی تحلیل گردید. پارامترهای ارتفاع تلاطم، شتاب در بالای دیواره مخزن، برش پایه، نیرو در عرض واحد و جابه‌جایی دیواره برای مقایسه بدست آورده شدند و در انتها تاثیر محتوای فرکانسی با در نظر گرفتن تاثیر اندرکنش آب-سازه بر مخزن بررسی گردید. نتایج نشان داد که رکورد با محتوای فرکانسی کمتر منجر به تلاطم با ارتفاع بیشتر می‌شود؛ در حالی که رکورد با محتوای فرکانسی متوسط علیرغم ارتفاع تلاطم کمتر باعث به وجود آمدن پاسخ‌های بزرگتر سازه مخزن می‌گردد. همچنین مشاهده شد که فرکانس‌های غالب تلاطم با کاهش محتوای فرکانسی زلزله، افزایش پیدا می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

اندرکنش مایع و سازه

عنوان مقاله [English]

Effect of Earthquake Frequency Content on Dynamic Response of Concrete Rectangular Tanks Using Coupled Finite Element Method and Smoothed Particle Hydrodynamics

نویسندگان [English]

mohammad safi ¹
Sepehr Rassoulpour ²
Abbas Mahdavian ³

¹ Assistant Professor, Dept.of civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

² Msc of Earthquake Engineering, Dept.of Civil, Water and Environmental engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

³ Associate Professor, Dept.of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Concrete ground tanks are widely used in storing water, sewage, oil, toxic chemicals and other liquids. Depending on their type of use, they are usually in the category of very important structures of lifelines; Therefore, the dynamic analysis of liquid storage tanks is one of the most important issues in earthquake engineering. On the other hand, the seismic behavior of the storage tanks and its interaction with liquid is very important. In this study, the water medium is modeled using smoothed particle hydrodynamics method and tank’s structure modeled by finite element method. The smooth particle hydrodynamics, which is a meshfree method, has many advantages over other traditional grid-based methods. For verification purposes, the modeling accuracy was compared with the available experimental and numerical results, the reasons and parameters that were effective on selecting the records were expressed, and then the time history analysis was performed on the modeled storage tank including records with different frequency content. The parameters of sloshing height, acceleration at the top of the tank’s wall, base shear, force per unit width and wall displacement were obtained for comparison. Finally, the effect of frequency content was studied considering the effect of water-structure interaction on the tank. The results showed that a record with low frequency content results higher sloshing height, while a record with moderate frequency content will cause larger responses on the tank’s structure despite of its lower sloshing height. The study also proved that the dominant frequencies of sloshing increases with decreasing frequency content of earthquake.

کلیدواژه‌ها [English]

Concrete tanks
Smoothed particle hydrodynamics
Frequency content
Sloshing height
Water-structure interaction

مراجع

[1] G. W. Housner. (1963). The dynamic behavior of water tanks. Bull. Seismol. Soc. Am., vol. 53, no. 2, pp. 381–387.
[2] M. A. Haroun. (1983). Vibration studies and tests of liquid storage tanks. Earthq. Eng. Struct. Dyn., vol. 11, no. 2, pp. 179–206.
[3] J. K. Kim, H. M. Koh and I. J. Kwahk. (1996). Dynamic response of rectangular flexible fluid containers. J. Engng. Mech. ASCE 122, 807—817.
[4] Koh HM, Kim JK, Park JH. (1998). Fluid-structure interaction analysis of 3D rectangular tanks by a variationally coupled BEM-FEM and comparison with test results. Earthquake Engineering and Structural Dynamics; 27:109–124.
[5]. Lucy L.B. (1977). A numerical approach to the testing of the fission hypothesis // Astron. J.. Vol. 82, p. 1013–1024.
[6]Gingold R.A., Monaghan J.J. (1977). Smoothed particle hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars Mon. Not. R. Astr. Soc.. 181:375–389.
[7]Lucy L.B. (1977). A numerical approach to the testing of the fission hypothesis. Astron. J.. Vol. 82, p. 1013–1024.
[8] Gingold R.A. (1978). Monaghan J.J. Binary fission in damped rotating polytropes. Mon. Not. R. astr. Soc vol. 184, pp. 481–499.
[9] Monaghan J.J. (1982). Why particle methods work. J. Sci. Stat. Comput. Vol. 3, No. 4, pp. 422–433.
[10]Benz W., Hills J.G. (1987). Three-dimensional hydrodynamical simulations of stellar collisions. I-Equal-mass main-sequence stars. The Astrophysical Journal Vol. 323, pp. 614– 628.
[11] Slattery W.L., Benz W. (1992)., Cameron A.G.W. Giant impacts on a primitive Uranus Icarus, Vol. 99 1, pp. 167–174.
[12] Gingold R.A., Monaghan J.J. (1982). Kernel estimates as a basis for general particle methods in hydrodynamics // J.Comp.Phys. 46 pp. 429–453.
[13]. Monaghan J.J. (1985). Particle methods for hydrodynamics. Comput. Phys. Rep.. Vol. 3, p. 71–124.
[14] Monaghan J.J. (1992). Smoothed particle hydrodynamics. Annu. Rev. Astron. Astrophys.. 30:543–574.
[15] Monaghan J.J., Thompson M.C., Hourigan K. (1994). Simulation of free surface flows with SPH. Proc. of ASME Symposium on Computational Methods in Fluid Dynamics. Lake Tahoe, USA, June 19–23.
[16] Libersky L.D., Petscheck A.G., Carney T.C., Hipp J.R., Allahdadi F.A. (1993). High strain Lagrangian hydrodynamics – a three-dimensional SPH code for dynamic material response. J. of Comp. Phys.. 109:67–75.
[17] Cummins S.J., Rudman M. (1999). An SPH projection method. J. Comput. Phys.. 152:584–607. [18] Wilkins, M.L. (1999), Computer simulation of dynamic phenomena, Berlin, Springer-Verlag ,p.61.