بخشی از مقاله
خلاصه
بمنظور شناسایی اثر اندرکنش سیال - سازه بر ضریب رفتار مخازن هوایی فلزی با پایه های بادبندی شده، تعداد سه مدل واقعی بظرفیتهای 134، 160 و 82 متر مکعب، انتخاب شده است. هر کدام از مدلها بصورت ¼پر ، پر ، پر و کاملأ پر در نظر گرفته شده و بر اساس ویرایش چهارم آیین نامه 2800 و مقادیر شتاب طیفی Sa=0.25g و Sa=0,35g، برای زمینهای نوع 1، 2، 3 و 4 آیین نامه، مجددأ طراحی شده اند. سپس برای هر کدام از مدلهای طراحی شده، بر اساس روش جرم افزوده هاوزنر، اطلاعات مربوط به جرم ساکن، جرم مواج و مقادیر سختی بین مخزن و سیال در مدلها اضافه شده است. سپس هر کدام از مدلهای طراحی شده اولیه و مدلهای ثانویه تولید شده، تحت تأثیر 10 شتابنگاشت ثبت شده بر روی زمینهای مورد نظر و مقیاس شده به مقادیر شتاب طیفی Sa=0.25g و Sa=0,35g، قرارگرفته و مجموعأ تعداد 1920 تحلیل تاریخچه زمانی خطی و غیرخطی بر روی مدلها انجام شده است. در نهایت با اعمال تحلیل استاتیکی غیرخطی بر روی مدلها، مقادیر ضرایب رفتار به تفکیک برای مدلهای اولیه و ثانویه محاسبه شده و نتایج حاصل مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
واژههای کلیدی: تحلیل تاریخچه زمانی، اندرکنش سیال- سازه، مخازن هوایی فلزی، تحلیل استاتیکی غیرخطی
1. مقدمه
مخازن هوایی آب سازه های سنگینی هستند که بخش زیادی از وزن آنها در ارتفاع بالای پایه نگهدارنده ن متمرکز شده است. با توجه به اندرکنش آب- سازه، عملکرد سیستم سازه ای به ویژگیهای بارگذاری زلزله وابسته میباشد. مخازن هوایی آب باید طوری طراحی شوند که پس از وقوع زلزله نیز قابلیت سرویس دهی خود را حفظ کنند، لذا تحلیل دقیق این نوع سازه ها دربربرازمینلرزه با در نظرگرفتن مُدهای حرکت سیّال درون آنها اجتناب ناپذیر خواهد بود. تحقیقاتی توسط [3] Haroun، با فرض مدل جرم افزوده و در نظر گرفتن اثرات اندرکنشی خاک- سازه انجام گرفته است. اولین جمعبندی مناسب و کاربردی برای تحلیل دینامیکی مخازن توسط - - Housner, 1957 ارائه شد. این محقق با یک روش تقریبی و با استفاده از مشتقات جزئی و سریهای نامتناهی، یک مدل ساده، برای بررسی اثرات دینامیکی سیال در مخازن صلب استوانهای و مستطیلی تحتاثر حرکت افقی زلزله ارائه نمود .او فشار هیدرودینامیک سیال را به دو قسمت فشار نوسانی و فشار انتقالی تقسیم کرد و با هدف ساده سازی رفتار مایع، نسبت به ارائه یک مدل دینامیکی معادل به صورت سیستم جرم - فنر اقدام کرد. استفاده از مدل جرم و فنر بمنظور تخمین پاسخ دینامیکی مخازن استوانه ای و مستطیلی بسیار رایج میباشد. او همچنین با بکارگیری مدل جرم و فنر مذکور، یک آنالیز دینامیکی ساده بر اساس طیف پاسخ برای مخازن هوایی ارائه کرد.در تحقیق حاضر برای در نظر گرفتن اثر اندرکنش سیال- مخزن از روش فوق استفاده شده است.
.2 مبانی تئوری روش جرم افزوده Housner
در صورتیکه سیال درون مخزن را کاملأ پر کند بصورتیکه مانع از تلاطم عمودی سیال درون مخزن شود، در اینصورت میتوان مجموعه مخزن و سیال را بصورت سیستم یکدرجه آزادی در نظر گرفت. فرض فوق کمتر به واقعیت می پیوندد و در صورتیکه سیال درون مخزن تلاطم داشته باشد، رفتار دینامیکی مخزن تغییر خواهد کرد. در اینصورت یکی از روشهای تحلیل مخازن با احتساب اثرات تلاطم مایع درون آن، استفاده از مدل دوجرمی ارائه شده توسط هاوزنر[4] بشرح شکل 1 میباشد.
شکل - 1 مدل دو جرمی و جرم- فنر معادل مخازن هوایی
همانگونه که از شکل مشخص است، m1 جرم مایع متلاطم بوده و جرم m2 به بخش ساکن جرم مایع + جرم مخزن خالی + بخشی از جرم سازه نگهدارنده اختصاص دارد. روش تحلیل مخازن آب با استفاده از روش هاوزنر، با استفاده از روابط 1 الی 5 انجام خواهد پذیرفت:
.3 مبانی تئوری و ماهیت ضریب کاهش مقاومت
در آییننامههای طراحی لرزهای برای بهرهگیری از ظرفیت جذب انرژی سازه از ضریب کاهش مقاومت R استفاده میشود. مفهوم این ضریب با استفاده از شکل 2 نشان داده میشود. رفتار واقعی غیرخطی سازه با یک رابطه دوخطی که نیروی جاری شده در آن Cy و تغییرمکان حد جاری شده y میباشد، معادل در نظر گرفته میشود. اگر سازه در هنگام زمینلرزه رفتار خطی از خود نشان دهد، نیروی بیشینه اعمالی به آن Ceu خواهد بود. ولی در عمل بدلیل اتلاف انرژی در محدوده غیرخطی، نیروی کمتری در حد Cy به آن وارد شده و در این حالت تغییرمکان حداکثر سازه max خواهد بود. در شکل 2 ، s تغییرمکان لحظهای است که اولین جاری شدن قابل ملاحظه در یکی از اعضاء سازه رخ میدهد و یا به عبارتی اولین مفصل پلاستیک تشکیل میشود Ceu . [5] ضریب برش پایه مورد نیاز در حالت الاستیک بوده و بصورت رابطه - 6 - زیر بیان میگردد:
که در آن Wوزن موّثر سازه و Ve مقدار برش پایه لازم است تا سازه در مقابل آن بصورت ارتجاعی باقی بماند. Cs ضریب برش پایه است که سازه درمقابل آن بصورت ارتجاعی طراحی میگردد و Cy ضریب برش پایهای است که در حالت غیرخطی به سازه اعمال میشود. با توجه به شکل 2، ملاحظه میگردد که بمنظور طراحی، ضریب برش پایه طی دو مرحله زیر کاهش مییابد:
الف - کاهش از Ceu به Cy بدلیل استفاده از قابلیت شکلپذیری سازه
- 7 - ضریب کاهش بر اساس شکلپذیری Ceu / Cy Rμ
- 8 - ضریب کاهش بر اساس مقاومت افزون Cy / Cs Rs
- 9 - ضریب رفتار Rμ . Rs R
شکل - 2 پاسخ عمومی لرزه ای سازه ها
ضریب کاهش بر اساس شکلپذیری نشان دهنده ظرفیت جدب انرژی در سازه میباشد و وابستگی قابل توجهی به رفتار چرخهای - Hysteresis - سازه دارد. برای یک رکورد زمینلرزه مشخص، از حاصل تقسیم نیروی برشی پایه در حالت خطی به نیروی برشی در حالت غیرخطی، ضریب شکلپذیری برای آن سیستم سازهای و زلزله مشخص بدست میآید. تعیین ضریب Rs به آسانی میسر نبوده و باید از روش های تحلیلی و تجربی برای تعیین آن استفاده نمود. روش عملی تعیین مقدار اضافه مقاومت یک سازه استفاده از یک تحلیل استاتیکی غیرخطی رانشی میباشد. برای اعمال تاثیر عوامل مختلف، باید مقادیر اضافه مقاومت بدست آمده از تحلیل را در ضرایب اصلاحی حاصل از نتایج آزمایش مطابق رابطه - 10 - ضرب کرد.
در معادله فوق، ضریب F1 تعیین کننده تفاوت بین مقاومت جاری شدن استاتیکی حقیقی به مقاومت مقاومت جاری شدن استاتیکی اسمی بوده و برای سازههای فولادی مقدار آن برابر 1/05 خواهد بود. عامل F2 میتواند بدلیل افزایش تنش حد جاری شدن بدلیل اثر نرخ کرنش در طی یک زمینلرزه باشد و مقدار آن برابر1/10 در نظر گرفته میشود. لذا میبایستی ضریب مقاومت افزون واقعی را 1/155 برابر مقدار اسمی آن منظور نمود.
.4 معرفی مدلهای سازهای مورد بررسی
در این تحقیق تعداد سه منبع هوایی آب با پایه های فلزی بادبندی شده، بظرفیتهای134، 160 و 82 مترمکعب در نظر گرفته شده است. ابعاد و اندازه ها و همچنین ارتفاع مخازن از سطح زمین سه مخزن فوق بشرح زیر بوده و مدلهای مورد مطالعه در شکل 3 نشانداده شده اند.
شکل- 3 مدلهای مورد بررسی الف - : 134m3 و ارتفاع 24m ب - : 160m3 و ارتفاع 30m ج - : 82m3 و ارتفاع 40m
الف- مخزن 134 مترمکعبی: قطر مخزن 7/27 متر و ارتفاع آن 4/20 متر. ارتفاع از سطح زمین برابر 24 متر است. ب- مخزن 160 مترمکعبی: قطر مخزن 7/00 متر و ارتفاع آن 6/60 متر. ارتفاع از سطح زمین برابر 30 متر است. ج- مخزن 82 مترمکعبی: قطر مخزن 4/50 متر و ارتفاع آن 6/30 متر. ارتفاع از سطح زمین برابر40 متر است.
پایه های اصلی نگهدارنده مخزن از نوع لوله با قطرهای مختلف انتخاب شده است. برای بادبندهای عمودی و تیرهای افقی از المانهای لوله و برای بادبندهای افقی از آرماتور استفاده شده است. کلیه مدلها برای حالات %25 پر، %50 پر، %75 پر و کاملأ پر، بر اساس خاکهای نوع 1، 2 ،3 و 4 برای
