文摘
给坦克的重要性及其各种应用程序在不同的行业,研究这些设施的地震行为是至关重要的。在这样的结构,获得精确的理论解的地震行为坦克由于土壤结构的存在是非常困难的交互。在这项研究中,地震行为研究已经考虑到,除了考虑有限元模型的三维模型表面矩形槽及其土壤SSI和FSI效应之下,我们所做的要求分析和Drucker-Prager非线性模型被用来研究更准确描述土壤的行为。欧拉视图与可选的网格位移已被用于模拟容器交互。根据结果从这个造型,坦克和土壤结构相互作用影响下土壤高地震行为表面上的坦克。同时,响应密度变化和土壤结构的弹性模量变化更敏感系数基础上表面之间的摩擦系数和土壤和内摩擦角没有切实的对反应的影响。研究结果表明,液体容器响应更敏感的变化土壤密度和弹性模量比表面和基础之间的摩擦系数和内部摩擦角。
1。介绍
由于城市的扩张和产业的发展,需要等液体的储罐水、石油、化工、和燃料增加了。这种结构的一个主要压力是地震和考虑到国家的压力非常地震这样的设施维护和持续开发当地震发生后,这是至关重要的。例如,水箱达到由于地震会导致重大问题,如无法扑灭火结果地震和缺乏饮用水。选择模型,混凝土表面槽提供饮用水,根据实际的坦克获得成立于1395年,科曼莎(图1)。
给坦克的重要性及其各种应用程序在不同的行业研究这些设施的地震行为是至关重要的。在这样的结构,获得精确的理论解的地震行为坦克由于土壤结构的存在是非常困难的交互。在这项研究中,地震行为研究已经考虑到,除了考虑有限元模型的三维模型表面矩形槽及其土壤SSI和FSI效应之下,我们所做的要求分析和Drucker-Prager非线性模型被用来研究更准确描述土壤的行为。欧拉视图与可选的网格位移已被用于模拟容器交互。
最新的,不同的研究都是关于地震的行为进行坦克。Jacobseny是最早研究人员做了很多研究在水箱的动态行为。他在1954年,建模一立方和圆柱形液体储罐1]。他还计算了流体压力分布的流体和表面波的高度水平振动引起的使用质量弹簧动态系统(2]。Haron和Housner发达一个环模型用有限元模型和积分边界假设周围的流体模型和地壳的可靠的动态分析方法灵活的坦克(3]。Haron(1992)进一步研究坦克的实验模型建立在土壤soil-tank交互效应。然后,特别是有限元数值方法被广泛用于模型仔细流体行为除了坦克的行为。伯纳尔(4]研究了地震响应的圆柱形坦克在地球上地震记录下使用三维有限元模型(5]。
沉重的赔偿已报告由于频繁和强烈地震新泻等(1934),阿拉斯加(1964),帕克菲尔德(1966),皇城(1979),管理人员(1983),北岭(1994),Cocalo(1999)和北京(2001),其中一些已经报道Adlparvar et al。6),穆哈马迪et al。7伊瓦拉,和Krawinkler8]。具体的坦克也损害极大。例如,很多具体的坦克被打破时上升高度或被损坏在辣椒强烈地震在1960年和2001年北京地震。此外,大型和强烈的损害对矩形坦克在地球已报道了金正日和金9在神户地震。
1957年之后,Husner有制定的想法(10)和1963年(11)通常用于土木工程课程来满足地震反应的液体在刚性和弹性矩形和圆柱形坦克。这种液体是不可压缩、非粘性的。在这种方法中,流体压力导致地震激发被分成热质量和影响组件使用近似值肿块。冲击压力是由一个液体的一部分或坦克加速度而热压力是由一个液体振荡在坦克的一部分。因此,Husner减少这些压力通过扩大或质量块模型简化语句。块质量从冲击压力的角度连接密集柜的墙但质量块从热压力的角度与墙的柜使用。这个模型与一些修改批准在许多现行的规范和标准(12]。
2。方法和材料
2.1。固耦合(FSI)
固耦合(FSI)是一些可移动或变形的相互作用结构内部或周围的流体流动。在本文中,使用接触单元引入交互。在这个元素,所有部队都转移在两个切向和垂直方向从表面到另一个。切向行为(切向组件)包括表面的相对运动(幻灯片)如果剪应力存在摩擦的影响。是否可转让的剪切力之间的表面相互接触,分析需要计算摩擦力量的抵制与表面之间的相对滑动。一个常见的模型定义切向接触表面之间的交互的组件是库仑摩擦模型。它决定了接触表面之间的摩擦行为使用摩擦系数μ。默认的摩擦系数为零。切向位移为零的程度上表面张力对剪切应力不超过一个临界值。剪切应力确定如下方程(13]: 在这μ摩擦系数和吗ρ是两个表面之间的接触压力。这骑马了极限值为参与表面剪切应力在接触。相互接触的表面没有任何幻灯片之间的剪切应力时他们就等于有限的摩擦切应力;大多数的表面,μ通常是小于1的。从欧拉定义水上构筑物交互视图与可选的网格位移被用在这强烈的网格的转换是有限的,一代新网格允许在每一刻转变点。实际上在这种方法中,假设网格节点的位移确实是独立于模仿的材料和能通量网内。该方法的主要优点之一是它提供的可能性当地网不改变整个网的修正案。另一方面,可以说,调查材料是固定的但它的网是改变每一刻和解决方案是转移从第一第二单元。欧拉关系(关系(2)写成下面是由以下方程考虑流体压力(14]:
因此,著名的假设欧拉方程(在第三类型交互)小位移,不旋转运动,忽略粘度(粘附效应)。鉴于上述三个假设,著名的方程在水箱的水是一样的欧拉方程。通过考虑流体压力,方程(3)可以提取15]:
鉴于位移和速度范围的第三种类型相互作用非常有限,那么第二个语句的左手方程可以忽略。因此,最终形式的著名的欧拉运动方程得到如下方程(16]:
2.2。土壤结构相互作用(SSI)
介绍了structure-soil-structure动态交互的概念,和研究方法进行了讨论17]。基于几个文档,系统总结structure-soil-structure动态交互研究的历史和现状,认为提出了相邻结构作为研究的参考(18]。最常见的方式来解决土壤结构的相互作用问题是根据子结构分析方法。在这种方法中,线性问题的土壤结构相互作用分为一系列的子问题,然后使用叠加原理相结合的结果。的方法分离和分裂的子结构(19),整个系统的土壤结构在图表示1分为三个子结构。我子结构包括网站的自由场、二世子结构包括挖掘土壤容积和III子结构包括表面结构及其基础。在子结构的分离方法,它假定土壤结构相互作用只发生在公共子结构的寄宿生,接触表面,或土壤。子结构的运动方程在图表示1可以写在下列方程的矩阵形式20.]:
实施谐波激励,ω频率、负载向量和位移可以写成下面的方程(21]:
当{问},{u}是综合力矢量和位移ω频率。因此,对于每一个频率,将运动方程如下方程(22]:
土壤结构相互作用体系的运动方程分离为下列方程(23]: 在指数I, II, III三个子结构和相关吗我,w,和年代指数相关自由度对应的可用节点之间的边界土壤和结构,挖掘土壤体积,分别和表面结构(图2)[25]。
左手边的方程,结合动态刚度矩阵相关频率仅仅表示,根据上面的分类,挖掘土壤中减去的刚度矩阵的动态刚度结构和自由场。矩阵与频率被称为阻抗矩阵获得我子结构变压器。或向量是获得运动网站的交互点表示的自由场我子结构。网站之间的景深的相互作用被认为是在阻抗模型和水平层和外部负载向量计算[4]。同时,层内的假设线性变换的变化可分为瑞利波和爱的代数特征值。使用分离土壤模型,特征值为瑞利波的运动方程可以写成下面的方程(26]:
在这个模型中在每两层之间的边界,然后每两个自由度的存在n系统将有2层n自由度。在前面的方程,ω和k角频率的振动模式和特征值,分别和{V}是特定组件的2n特征向量。的尺寸(一个]、[B]、[G),(米2)矩阵n×2n这些矩阵是通过总结相关矩阵的子层。考虑到hj的深度,罗依j的密度,剪切模量和土地一个j的常数jth层,那么矩阵可以表示如下(27]: 在哪里和连续不断的质量和集中质量矩阵。使用数字技术提出的脉管,特征值方程,方程(14)可以解决。分离的子结构方法,SSI体系运动方程,包括阻抗矩阵,是相同的如方程所示(15)。在这种方法中,阻抗矩阵计算边界节点(节点图2)。在每个频率,计算出的阻抗矩阵分析是动态柔软矩阵。在三维问题,估计动态柔软矩阵的问题却降低了问题的发现水平层的反应系统的加载在边境层。计算后的质量和刚度矩阵的元素,将运动方程如下方程(28]: C的动态刚度矩阵 和R是阻抗矩阵的能量吸收边界。p和c相关指数边界线上的自由度和模量的周长uc和up是记者的位移量。的外部节点模型的位移 是通过以下方程(29日]:
的米指数与傅里叶谐波程度和下面的矢量模态参与系数,与3n,的转型模式吗n层土壤系统: 和矩阵是一个3n×3n矩阵是一个函数的径向轴的距离模型,特征值,特征向量,汉克尔函数的第二种米th学位(30.]。在模块化参与向量,方程(11)应用于计算位移,每一点与径向距离r从模型的轴。在每个频率分析是一个动态的柔软矩阵 矩阵系统我环境的相互影响的节点soil-free字段。
3所示。数值模拟
在这项研究中,使用有限的组件软件,研究了坦克在现实中进行动态和三维。然后,科曼莎被选中的一个表面的坦克和固体元素用于建模31日]。
3.1。力学特性的材料
国家钢铁的行为,使用非线性行为与运动硬化。塑料行为模型的选择是基于·冯·米塞斯屈服准则和基于ST37应力-应变图。给图3、杨氏模量和泊松比是 和0.3,分别32]。
al行为模型,该模型考虑了土壤在本文Drucker-Prager模型中相同的弹性理论用于弹性行为和硬化Drucker-Prager塑性模型用于塑性行为。这个模型被称为土壤的非线性模型的行为使用修改Drucker-Prager塑性模型(cap)屈服面、流动法则,和硬化规则也应该被考虑33]。Drucker-Prager狂喜表面获得从下面的关系(34]: 在这 和 代表材料的摩擦角和附着力,分别会受到温度的影响,θ,定义和其他因素。t和P的偏应力和等效应力,分别为(33]。
研究土壤结构相互作用的土壤类型的影响,三种土壤,柔软,温和,和困难,使用和结果相互比较。土壤中使用模型的特征表表示1(35]。
在表1,φC和ψ土的内摩擦角、附着力和土壤膨胀角,分别。这个模型所使用的非线性行为在压缩区和线性行为在拉伸区域(33]。与此同时,表2用于混凝土通过线性行为和人物介绍吗4通过非线性行为36]。
介绍坦克内部的流体水密度1000 kg / m3、动态粘度0.0013 N·秒/ m2和剪切波速在水中1400 m / s已经考虑。选中的坦克是科曼莎位于丛林的街道。这个柜的总尺寸是50∗40近4米的高度。建立了双水箱供应饮用水的科曼莎在1395年。
3.2。几何模型的规范
这个柜包括36列与3 m高度和40 60∗∗40厘米尺寸和60厘米。坦克包括基金会,周围的墙壁和中隔墙,列和天花板(图5)。
网槽的几何模型,其列和墙壁,六角8-node元素已经被使用;最终的模型如图6。
3.3。加载
做动态分析、地震激励是通过实施低时间历史的位移作为边界模型使用。这些荷载瞬态和的方向X轴(图7)。与此同时,因为只是影响参数对响应的影响结构的调查,然后地震荷载对土壤质量只在水平方向上(37]。
4所示。结果分析
这么多因素影响的地震响应表面坦克包括土壤类型、土壤的弹性模量之间的摩擦角(基金会)和土壤结构,槽内的液体的高度和灵活性的舱壁。在这项研究中,试图研究最初几个因素是如何影响(38]。
4.1。土壤类型的影响
时间的历史水平位移的方向载荷施加在坦克不同种类的土壤数据所示8和9。这个图,可以看出,罐上的水平位移比温和、硬软土的土壤。的确,土壤中横波速度越低,越影响土壤结构相互作用的分析和软结构和更多的坦克会发生位移。增加土壤结构相互作用的影响增加结构的阻尼,降低输入位移和降低结构的频率(增加的结构,因此其软化)。土壤类型的影响产生的剪切应力脚下的坦克(在连接槽与基金会的网站)在图表示8和9。可以看到,压力罐脚软土小于温和和硬土。之前说,通过减少剪切波速在土壤中,土壤结构相互作用效应的增加,因此,压力下降(压力降低地震输入减少,阻尼增加)的影响。
4.2。土壤密度的影响
减少土壤密度、最大位移增加高于水箱。密度下降了15%,土壤变得柔软和增加土壤结构相互影响的效果,因此变得柔和,结构最大位移增加了近17%。最大剪应力在水箱中可以看到数据10和11。通过减少土壤密度15%,土壤变得柔和、相互影响的效果和最大张力下降。
4.3。土弹性模量的影响
因为它可以看到数据12和13土弹性模量下降30%,最大位移增加50%以上。与弹性模量下降了30%,土壤变得柔软和增加土壤结构相互影响的效果,因此变得柔和,结构最大位移增加16%。
4.4。之间的摩擦系数的影响的土壤和基础
研究表面的交互性对地震响应的影响,基础和土壤表面之间的摩擦系数是0.1,0.2,0.4和0.7。看到,随着摩擦系数之间的土壤和基础表面,最大位移在坦克增加。事实上,随着土壤和基础表面之间的摩擦系数,滑动表面之间的减少和输入位移上面的坦克增加,因此最大位移增加。另一方面,与土壤刚度增加近15%,最大数量的位移减小15%(图14)。
4.5。的影响土的内摩擦角量
随着土壤的内部摩擦角、最大位移也减少。与内部的摩擦角的影响土壤的6倍,参与土壤颗粒之间的增加、相互影响的效果减少,因此最大位移高于水箱减少不明白地不到1%(图15)。
4.6。流体(水)高度的影响在坦克和动荡
研究的影响,对其地震反应槽内部的高度,在水箱的高度是2、5和7槽上方和位移和应力脚下的坦克已经计算在土壤中。图16表示时间的历史上的剪切应力的三个州的坦克坦克内的水的高度和温和的土壤。增加2米高度内水箱,水动压力施加在墙上的水箱的增加,另一方面,导致水箱的质量增加,因此更大的地震力施加到坦克,然后压力罐的脚减少了近20%。
研究湍流效应,两个样本在动荡和湍流状态模型的结果比较图17。剪应力脚下的舱,考虑湍流的水将会近30%高于基础的压力大小的观点。必须考虑变化的响应率估计的参数对储层的影响坦克的行为。然后,作为一个参数λ定义是通过以下关系:λ=绝对(商的百分比的变化响应给定参数的变化)。
图18表明,结构响应的变化更加敏感和土的弹性模量和密度变化的土壤和基础表面之间的摩擦角和内摩擦角没有切实的对反应的影响。
5。结论
通过减少土壤密度、最大位移增加高于水箱。密度减少15%,土壤变得柔软和增加土壤结构相互影响的效果,因此变得柔和,结构最大位移增加了近17%。土弹性模量下降30%,最大位移在坦克增加近50%。与弹性模量下降30%,土壤变得柔软和增加土壤结构相互作用,因此变得柔和,结构最大位移增加16%。研究表面的交互性对地震响应的影响,基础和土壤表面之间的摩擦系数是0.1,0.2,0.4,0.7,和剪应力脚下的舱,考虑湍流的水压力将比基础上涨近30%。与土壤和基础表面之间的摩擦系数增加15%,最大位移坦克增加15%以上。随着土壤的内部摩擦角、最大位移高于水箱减少。结果表明,内摩擦角的影响可以忽略不计的坦克位移因为其6时间增加引起只增加1%的最大位移。从这个研究最重要的结果是有效的的敏感性参数对槽的反应,这样结构的响应更敏感的变化土壤密度和弹性模量和表面之间的摩擦系数的变化和基础和内部摩擦角没有切实的对反应的影响。
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的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。