مقاله مروری بر مطالعات انجام شده در باب مخازن ذخیره مدفون

بخشی از مقاله

مروری بر مطالعات انجام شده در باب مخازن ذخیره مدفون

هدف اصلی ساخت مخازن ذخیره سیال، ساخت مخازن امن با مقاومت کافی در مقابل زلزله و هزینه پایین می باشد. امـا توجـه کمـی به توسعه و پیشرفت کمیت در روش های طراحی کامپیوتری برای طراحی ارزان مخازن با عملکرد بالا شده است. در ایـن پـژوهش در ابتدا مقایسه ی میان مخازن مدفون و غیر مدفون انجام گرفته شد که مخازن مدفون عملکرد بهتری در ارتباط با حداکثر تغییرمکـان و تنش های وارده به جداره از خودشان نشان دادند. سپس تاثیر تغییرات مخازن مدفون نسبت به، عمـق مـدفون شـدی مخـزن، جـنس خاک اطراف مخزن، توزیع فشار دینامیکی سیال های متفاوت، تاثیرعمق آب موجود بر روی فرکانس مخزن و نسبت طول به ارتفاع بـر روی فرکانس مخزن، صورت پذیرفت. نتایج حاصله از این پژوهش حاکی از آن است که هرچه میزان عمـق مخـزن افـزایش پیـدا کنـد باعث افزایش تنش و جابجایی شده و با نرم تر شدن خاک اطراف مخزن نتایج بحرانی تری حاصل خواهد شـد. همچنـین توزیـع فشـار دینامیکی سیال، بشدت به وزن مخصوص سیال مرتبط می باشد. با افزایش ارتفاع آب موجود در مخزن و یا افـزایش نسـبت طـول بـه ارتفاع، فرکانس مخزن کاهش پیدا می کند.

واژگان کلیدی : مخازن مدفون ، فشار دینامیکی سیال ، عمق مدفون شدگی

مقدمه

از دیرباز تا به امروز آب عامل تعیین کننده در زندگی انسان ها بوده و حضور آن یکی از عوامل رفاهی در زندگی می باشد. به همـین دلیـل انسـان ها در تلاش به جهت ذخیره سازی آب و استفاده آن در زندگی خود بوده اند. انسان های نخستین با الهام گیری از طبیعت، از هر وسیله برای ذخیـره آب استفاده می کردند. با متمدن شدن بشر و ساخت سازه های مرتفع نیاز آب و ذخیره آن بیش از پیش احساس می شود. با توجه بـه سـاخت و سـازه هـای شهری و کمبود فضا در سطح زمین برای ، مخزن ذخیره آب و با احتساب این مورد که، مخزن یکی از سازه های مـی باشـد کـه در شـریان هـای حیـاتی نقش حیاتی ایفا می کند، به ناچار، ساخت مخازن در سطوح غیر همسطح زمین، یکی از راهکارهای ذخیره سازی می باشد.

مخازن از نظر قرارگیری به گروههای مخازن هوایی و مخازن زمینی تقسیم می شوند. مخازن زمینی نیز خود به سه دسته تقسیم می شود که بـه شرح زیر می باشد :
1. مخازن مدفون

مخازن بتنی زمینی مدفون مخازنی هستند که تا عمق مناسب در زمین فرو رفته و سپس در پشت دیوارها و همچنین روی سقف آن ها خـاک ریخته می شود .اینگونه مخازن علاوه بر محاسنی که از لحاظ استتار در برابر عوامل محیطی دارند، از نظر تبـادل حرارتـی نیـز بسـیار مناسـب هستند . برای مناطق سردسیر برای جلوگیری از یخ زدگی آب در مخزن باید از مخازن مدفون اسـتفاده شـود . 7 نمونـه مخـازن مـدفون در شکل 1 ارائه شده است.

2. مخازن نیمه مدفون

مخازنی هستند که عمل خاکریزیغالباً تا نصف ارتفاع دیوار انجام می شود و در روی سقف مخزنعملاً هیچ گونه خاکی وجود ندارد . 7 این گونه مخازن از لحاظ استتار، تغییرات دما و همچنین انبساط و انقباض دال سقف، شرایط نامناسبی دارند و با توجه به ضـوابط پدافنـد غیرعامـل برای استفاده در شبکه آب آشامیدنی شهری قابل توصیه نمی باشند . 7 نمونه مخازن نیمه مدفون در شکل 2 ارائه شده است.

3. مخازن نمایان

این گونه مخازن به طورمعمول به لحاظ معماری منظر و یا نمادگرایی، و در تطابق با محیط پیرامون برای سامان دهی سـیما و منـاظر شـهری، تاریخی و توریستی، به صورت نمایان ساخته می شوند. نمونه مخازن نمایان در شکل 3 ارائه شده است.

شکل ( _ ( 1 مخزن بتنی زمینی مدفون 7

شکل ( _ ( 2 مخزن بتنی زمینی نیمه مدفون 7

شکل ( _ ( 3 مخزن بتنی نمایان 7

استفاده از مخازن مدفون و نیمه مدفون به جهت ذخیره سازی آب، فرآورد ههای نفتی و یـا انبـار نمـودن ضـایعات واحـدهای صـنعتی، توسـعه روزافزونی یافته است. بررسی رفتار لرزه ای مخازن مدفون به لحاظ نحوه توزیع فشار دینامیکی سیال درون مخزن و فشار خاک اطـراف آن تحـت اثـر بارگذاری زلزله اهمیت بسزایی دارد . 6

در بررسی مخازن تحت بار زلزله پارامترهای مختلفی را باید مد نظر قرار داد که از جمله این پارامترها می توان به انـدرکنش سـیال و سـازه اشـاره نمود. همچنین لازم به ذکر می باشد که در صورت مدفون بودن مخزن، اندرکنش خاک و سازه از یکی از پارامترها به حساب می آید. در ارتباط با مخـزن مطالعات

ایده ساخت مخازن بتنی برای اولین بار در توکیو در سال 1914 مطرح شد که در خلال جنـگ جهـانی دوم توسـط ایـالات متحـده آمریکـا بـرای ذخیره سازی سوخت کشتی های خود اقدام به ساخت اینگونه مخازن کرد . 2 رفتار مخازن حاوی سیالات در اثر زلزله مـورد توجـه محققـین بسـیاری

قرار گرفته است که این امر نه تنها به دلیل اهمیت کارکرد مخازن بعد از زمین لرزه می باشد بلکه به دلیل سادگی ساختمان مخـزن و تـاثیر گـذار بـودن مجموعه سیال – خاک – سازه در رفتار آن ها می باشد .

هاسکینز و ژاکوبس در سال 1934 اولین گزارش را براساس مشاهدات آزمایشگاهی و تحلیل مخازن صلب استوانه ای و مستطیلی تحت اثر حرکـت افقـی زلزله منتشر کردند . 4 ژاکوبس، در سال 1949 فشار هیدرودینامیکی وارد بر داخل یک مخزن استوانه ای و خارج یک پایه استوانه ای احاطه شـده بـا آب که پی آن ها تحت اثر یک حرکت افقی قرار داشت، را محاسبه نمود، وی اولین محققی است که برروی رفتاردینامیکی مخازن آب تحقیقـات وسـیعی انجام داده است . 4 گراهام و رودریگز در سال 1952 روشی آنالیزی برای محاسـبه فشـارهای نوسـانی و ضـربه ای در یـک مخـزن مسـتطیلی را ارائـه دادند . 1 بعد از آن هاسنر در سال 1957 مطالعاتی بر روی مدل های دینامیکی برای مخزن های استوانه ای و مستطیل مدفون انجام داد . 9 چـو و همکارانش، در سال 2001 روش های برای تجزیه و تحلیل لرزه ای و ارتعاش آزاد مخازن حاوی مایعات ارائه نمودنـد کـه حـل غیرخطـی و غیـر متعامـد فرکانس های طبیعی و ماتریس جرم افزوده یک روش عددی اطلاح شده و یک روش عددی متناوب همگرا بـرای محاسـبه مـاتریس جـرم افـزوده بـرای تحلیل لرزه ای پیشنهاد دادند . 3 شیرمالی و همکاران ، در سال 2002پاسخ لرزه ای مخازن حاوی مایعات را که توسط تکیه گـاه هـای لغزنـده از پایـه جداسازی شده بودند را مدلسازی و تحت دو مؤلفه تحریک افقی لرزه ای قرار دادند 3 ؟ همچنین وی در همین سـال دو نـوع از مخـازن روزمینـی را بـه روش معادلات دیفرانسیل غیر خطی مزدوج مدلسازی کردند و تحت تحریک دو طرفه زمین لرزه قرار دادند، با توجه به غیر خطی بـودن رفتـار تغییـر شـکل پایه مخزن، پاسخ لرزه ای سیستم را توسط روش گام به گام نیومارک محاسبه نمودند . 3هوانچو و همکاران، در سال 2004با استفاده از مدلسـازی یـک سیستم مزدوج دینامیکی،پاسخ لرزه ای مخازن ذخیره سازی مایعات را که در محدوده زمان تحت اثرات اندرکنش خاک سازه؛سیال وجود داشـت را بدسـت آوردند . 3 لیواوگلو و دوگانگان ، در سال 2007 اثرات جاسازی کردن پی بر رفتار لرزه ای مخزن – پی – خاک – سیال با سازه قاب نگهدارنده مخـزن حاوی سیال بررسی شده است . جابجایی سقف مخزن مرتفع توسط جاسازی در خاک نرم بطور قابل توجهی تحت تاثیر قرار دارد ، با ایـن حـال ایـن اثـر برای انواع خاک سفت کوچکتر است . به جز نوع خاک نرم ، جاسازی به پارامترهای پاسخ دیگر مانند نوسانات جابجایی تاثیر نمی گذارد . 8 لیواوگلـو ، در سال 2008 رفتار دینامیکی سیال مخزن مستطیلی – خاک/پی را با یک روش تجزیه تحلیل ساده و سریع مـورد ارزیـابی قـرار داد ، در ایـن روش اثـر اندرکنش دو جرم هانسر برای سیال و مدل مخروط برای سیستم خاک/پی ارائه شد . نتایج نشان می دهد که جابجایی و نیروهای برش پایه به طـور کلـی با کاهش سختی خاک ، کاهش می یابد . با این حال جاسازی ، انعطافپذیری و اندرکنش خاک و سازه SSI به طور قابل ملاحضـه بـر روی جابجـایی نوسانات تاثیر نمی گذارد . 8

سینهاماهاپاتا و میترا ، در سال 2008 با استفاده از روش اجزاء محدود برای اثر اندرکنش در یک مخزن ذخیره آب بتنی را شبیه سازی کرد ، پـی مخـزن را بصورت صلب در نظر گرفت . خاک اطراف مخزن در آنالیز مایع مخزن اعمال نشد . نتایج آنالیز نشـان مـی دهـد فشـار هیـدرودینامیک بـر روی دیـوار انعطاف پذیر بیشتر از دیوار صلب می باشد . 8

اوزمیر و همکاران ، 2010 اندرکنش سازه و سیال را به روش غیر خطی برای آنالیز لرزه ای مخازن ذخیره سیال فولادی با لنگر و بدون لنگر مورد ارزیـابی قرار دادند . حرکت سیال توسط معادلات Navier Stokes حاکم بود . هر دو ماده غیر خطی و هندسه به منظور دقت تعیین تنش ، کـرنش و نـرخ کرنش توزیع در سراسر مخزن در نظر گرفته شد . نتایج پیش بینی شده با داده های تجربی مقایسه شد . مقایسـه نشـان مـی دهـد ، نتـایج آزمایشـگاه و پیش بینی شده تطابق خوبی دارند . 8

-2 مقایسه مخازن مدفون و غیر مدفون مستطیلی

مخزنی به ابعاد 3.5*13.2*13.2 که حاوی3 متر آب می باشد، با ضخامت کف و جداره 30 سـانتیمتر و ضـخامت سـقف 20 سـانتیمتر، شـامل 3 لایه بتن و 2 لایه آرماتور با رفتار غیرخطی می باشد، وزن مخصوص بتن و فـولاد بـه ترتیـب m 3 2400 kg و m 3 7800 kg ، ضـریب پواسـون بـه ترتیب 0.17 و 0.3 و مدول الاستیسته 20Gpa، 200Gpa و مدول برشی 21 mpa فرض شده است، این مدل تحت دو شتابنگاشـت طـبس و ناغـان که به 0.4 g مقیاس شده اند، مورد بررسی قرار گرفته شد. دو رکورد در امتداد محور x به مدل ها وارد شدند نمای کلی مخزن در شـکل 4 و همچنـین دو شتابنگاشت ذکر شده در شکل 5 نشان داده شده است . 1

شکل ( _ ( 4 نمای کلی مخزن بهمراه سقف آن 1

شکل _ 5 مقایسه حداکثر تغییر مکان سقف مخزن در حالت مدفون و غیر مدفون 1

نتایج حاصله از حداکثر جابجایی سقف مخزن تحت رکوردهای زلزله ناغان و طبس، در حالت مدفون و غیر مدفون، با توجه به مـدل تعریـف شـده، بشرح جدول 1 می باشد.

جدول ) ) 1 حداکثر تغییر مکان سقف مخزن برای یک نوع خاک 1

نوع شتابنگاشت حداکثر تغییر مکان سقف مخزن mm
مدفون غیر مدفون

رکورد زلزله طبس 1.91 3.66
رکورد زلزله ناغان 2.38 4.54

نتایج حاصله از تحلیل با توجه به جدول 1 حاکی از این مسئله می باشد که تاثیرات اندرکنش خاک و سازه در تغییـر مکـان مـوثر بـوده و میـزان حداکثر تغییر مکان در رکورد زلزله طبس و ناغان را بشدت کاهش می دهد بصورتی که نتایج تغییرات جابجایی مدل غیر مـدفون تقریبـا دو برابـر نتـایج مدل مدفون می باشد . 1

یکی دیگر از عوامل تعیین کننده تاثیر مدفون بودن مخزن علاوه بر حداکثر تغییرمکان، تنش های به وجود آمده در مخـزن مـی باشـد بـرای ایـن منظور تنش های به وجود آمده در جداره داخلی و خارجی دیواره به موازات محور y در مخزن با توجه به مدفون یا غیـر مـدفون بـودن را تخـت رکـورد زلزله ناغان مورد بررسی قرار گرفت که نتایج آن در شکل های 6 و7 قابل مشاهده می باشد . 1

شکل ( _ ( 6 نمودار گستره تنش در لایه خارجی دیواره مخزن تحت زلزله ناغان 1

شکل ( _ ( 7 نمودار گستره تنش در لایه داخلی دیواره مخزن تحت زلزله ناغان 1

با توجه به نتیج بدست آمده، تنش در جداره داخلی و خارجی در مخزن غیر مدفون بیشتر از مخزن مدفون می باشد. همچنین می تـوان مشـاهده نمود که تنش ها در دو حالت مدفون و غیر مدفون در داخل دیواره مخزن نسبت به خارج دیواره بیشتر است که این مطلـب مـی توانـد بـه دلیـل نیـروی هیدرو دینامیک آب باشد . 1

-3 تاثیرات عمق و جنس خاک بر روی مخزن مستطیلی

در این قسمت مدل مخزن مکعبی بتنی برای آنالیزهای اندرکنش خاک و سازه به جهت بررسی تاثیرات عمق و جنس خاک بر روی مخازن، درنظر گرفته شده است که چگالی بتن m 3 2400 kg، ضریب پواسون 0.2 و مدول الاستیسیته m 2 2.1 *109 kg ، خاک به صورت نرم و سخت می باشد با چگالی m 3 1900 kg، مشخصات مدل خاک در جدول 2 ارائه شده است . 9

جدول ( _( 2 مشخصات خاک اطراف مخزن 9

مدل های مورد مطالعه در جدول 3 ذکر شده اند، در تمامی مدل ها، مخازن حاوی 3 متر آب می باشـند و سـتون میـانی مخـازن آن هـا بصـورت مربعی با مساحت 1 متر مربع می باشد. نمونه ای از این مدل ها در شکل 8 ارائه شده است . 9

جدول ( _( 3 خصوصیات مخازن 9
شماره مدل شکل مخزن عمق دفن شدگی ابعاد مخزن m نوع خاک ارتفاع مخزن m
m

شکل ( _ ( 8 مدل 3بعدی مخزن مکعبی 9

رکورد زلزله آل سنترو بر روی سنگ بستر بصورت تاریخچه زمانی اعمال شد. در صورت در نظر گرفتن همه ی رکورد زلزلـه، حجـم محاسـبات بـه شدت افزایش پیدا می کند به همین جهت برای جلوگیری از افزایش حجم محاسبات تنها دو ثانیه از رکورد زلزله که بین 0.4 تا 2.4 ثانیـه مـی باشـد، در نظر گرفته شده است. رکورد این زلزله آل سنترو در شکل 9 نشان داده شده است . 9