بخشی از مقاله
خلاصه
سدهای سنگریزهای با رویه بتنی - CFRD - از جمله سدهای رایج در کشور بوده که این امر بواسطه عملکرد خوب در مقابل زلزله و تطبیق با شرایط موجود در کشور می باشد. در این مقاله تلاش شده تا تأثیر نحوه اتصال رویه بتنی به بدنه سنگریز، بر روی پاسخ لرزهای این سدها در حالت های مخزن خالی و مخزن پر مورد بررسی قرار گیرد. برای این منظور سد CFR گلورد واقع در استان مازندران توسط نرم افزار ANSYS مدل وتحت مؤلفه افقی زلزله کجور فیروزآباد، آنالیز دینامیکی خطی تاریخچه زمانی شده است. مدل سازی اتصال اصطکاکی رویه بتنی به بدنه سنگریزهای سد با استفاده از المان فصل مشترک با سختی برشیهای متفاوت انجام شده است. جابجایی ها و تنش ها در حالت های مخزن خالی و مخزن پر مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: سدهای سنگریزهای با رویه بتنی - - CFRD، المان فصل مشترک - - Contact Element، تحلیل دینامیکی، روش عناصر محدود.
-1 مقدمه
سدها به عنوان یک سازه آببند هستند که در مقطع عرضی سد برای ایجاد یک مخزن در بالادست ایجاد می شوند. سد یک سازه دائمی است که باید در مقابل همه شرایط بارگذاری پایدار بماند. همچنین باید در مقابل فشار هیدرواستاتیکی و فشار بالابرنده مقاومت کند. سد ممکن است از مصالح مختلفی ساخته شود از قبیل: خاک - خاک و سنگ - سنگریزه و بتن. ساخت سدهای خاکریز - خاکی - به دلیل عدم وابستگی به بستر وشکل دره خاص و نیز تکنولوژی ساخت ساده تردر سالهای اخیر بیش ازانواع دیگر سدها - سدهای بتنی - مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا سدهای سنگریزه ای به جهت پایداری بیشتر بدنه و نیز در دسترس بودن مصالح سنگی به جای مصالح خاکی در بعضی سایتهای خاص به عنوان جایگزین مناسبی برای سدهای خاکی محسوب می شوند. از طرف دیگر چون نفوذ پذیری مصالح سنگی بسیار بالاتر از سایرمصالح است لذا روشهای مختلفی برای آب بندی این گونه ازسدها بکار میرود. یکی از این روشها استفاده از پوشش نفوذ ناپذیر بتن آرمه در بالا دست این سدهاست که نوع خاصی از سدهای سنگریز را با عنوان سدهای سنگریزه ای با رویه بتنی - CFRD - 1 تشکیل می دهد.
طراحی و ساخت اولین سد CFR به سال 1940 بر می گردد. با ظهور غلتک های لرزشی دوره جدیدی از سدهای CFR به وجود آمد و در سال 1970 به سرعت پیشرفت کرد. اولین تحقیق دقیق در سال 1985، توسط سید و همکارانش انجام شد، این تحقیق بر روی مدل دو بعدی و با فرض رفتار الاستیک خطی و بدون در نظر گرفتن دال بتنی انجام شده است .>1@ در سال 1988، هان و همکارانش، با استفاده از یک مدل فیزیکی بر روی میز لرزان به بررسی رفتار دینامیکی سدهای CFR پرداختند .[2] در سال 1987 گزتاس به بررسی رفتار لرزه ای سدهای CFR به خصوص دال رویه بتنی پرداخت، این تحقیق بر روی یک مدل دو بعدی و با فرض رفتار خطی انجام شد .[3] بایراکتار و کارتال پاسخ لرزه ای رویه بتنی اینگونه سدها را
بصورت خطی و غیر خطی بررسی کردند .[4] همچنین، بایراکتار و همکاران در سال 2011 تاثیر رویه بتنی سدهای سنگریزه ای را بر عملکرد لرزه ای اینگونه سدها مورد مطالعه قرار دادند .[5] نورزائی و همکاران در سال 1379 تحلیل دینامیکی غیر خطی سد کوار را بدون در نظر گرفتن تاثیر متقابل رویه بتنی و بدنه سنگریزه ای سد و تاثیر فشار هیدرودینامیکی انجام داده اند .>6@ حائری و همکاران در سال 1382 یک سد سنگریزه ای با رویه بتنی را در دو حالت دو بعدی و سه بعدی تحلیل دینامیکی نموده و شتاب های القایی در مقاطع سد را محاسبه نموده و با حالت دو بعدی مقایسه کرده اند. برای این منظور، یک نوع اتصال رویه بتنی به بدنه سنگریزه ای سد در نظر گرفته شده است .[7] قناد در سال 1387 تحلیل استاتیکی و دینامیکی سد سیاه بیشه واقع در استان مازندران را بدون در نظر گرفتن اندرکنش رویه بتنی و بدنه سنگریزه ای و تاثیر فشار هیدرودینامیکی انجام و نتایج را مقایسه نموده است .[8] همچنین نورزاد و عابدینی عملکرد این سدها را با انجام تحلیل های استاتیکی و دینامیکی مورد توجه قرار دادند .[9]
بررسی تحقیقات انجام شده مؤید آن است که نحوه اتصال رویه بتنی به بدنه سنگریز کمتر مورد توجه قرار گرفته است. از آنجا که نحوه اتصال رویه بتنی به بدنه سنگریزه ای در پایداری سد و پاسخ آن به زلزله مهم است، در این تحقیق به بررسی اتصالات مختلف پرداخته خواهد شد. به منظور انجام یک مطالعه موردی، مقطعی از سد گلورد واقع در استان مازندران با استفاده از نرم افزار ANSYS مدل شده است. نحوه اتصال رویه بتنی به بدنه سنگریز سد به صورت اتصال جوشی - Welded Contact - و اتصال اصطکاکی - Friction Contact - با استفاده از المان های مناسب در این نرم افزار مدل شده است. همچنین آب پشت سد و شرایط مرزی مدل به نحو مناسبی در نرم افزار مدل شده است. فشار هیدرودینامیک با استفاده از روش اویلر-لاگرانژ در نرم افزار به حساب آورده شده است.
-2 اندرکنش سازه و سیال
در هنگام وقوع زلزله آب پشت سد به دلیل نیروی برشی ناچیز بین کف و محیط مخزن مستقیماً تحت تأثیر حرکت زمین قرار نمی گیرد و تنها در اثر ارتعاش سازه در محیط مخزن، امواج فشار هیدرودینامیک ایجاد می شوند که خود تابعی از حرکت سازه می باشند به این ترتیب دستگاه معادلات دینامیکی حاکم بر حرکت سد و فشار هیدرودینامیک در محیط سیال مستقل از هم نبوده و اصطلاحاً کوپله یا درگیر می باشند. چگونگی بروز این فشار بدین صورت است که در اثر حرکت بدنه سد همراه با حرکت زمین آنقدر حرکت زمین و بدنه سد سریع اتفاق می افتد که باعث ایجاد فضای خالی بین توده آب و بدنه سد می شود. حال آب به علت اختلاف فشار بین مخزن وفضای خالی شروع به حرکت می کند تا فضای خالی را پر کند. همزمان با این، سد به طرف آب مخزن حرکت برگشتی خواهد داشت و در نتیجه بین بدنه سد و جریان آب برخورد ایجاد می شود که باعث وارد شدن فشاری به بدنه
سد می گردد که به آن فشار هیدرودینامیک گویند. جهت پیش بینی فشار هیدرودینامیک در هنگام زلزله از روش های تحلیلی همچون وسترگارد و زنگار استفاده می شود. در دو ده اخیر استفاده از روش المان های محدود برای تحلیل سیستم های سد و مخزن به طور گسترده ای متداول گردید به طور کلی در روش های عددی دو شیوه متفاوت از نظر مجهول گرهی در محیط سیال به کار گرفته می شود. در شیوه نخست که به فرمولاسیون لاگرانژ موسوم است مجهول گرهی محیط سیال همانند سازه همان تغییر مکان می باشد. با این ترتیب که مدول برشی سیال مساوی صفر منظور می گردد. فرمولاسیون دوم که به فرمولاسیون اویلر- لاگرانژ موسوم است مجهول گرهی در محیط سیال فشار هیدرودینامیک انتخاب می شود.
-3 مطالعه موردی: مدل عددی سد گلورد
-1-3 خصوصیات مصالح و زلزله طرح
سد گلورد نکا از جمله سدهای سنگریزه ای با رویه بتنی است که هدف عمده از ساخت این سد تأمین آب زراعی مطمئن برای بخشی از دشت نکا و بهشهر و همچنین جلوگیری از خسارات ناشی از سیلاب های مخرب در محدوده آسیب پذیر می باشد. سد گلورد دارای ارتفاع 113 متر از پی و طول تاج 270 متر می باشد. هندسه سد گلورد در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 هندسه سد گلورد
همچنین چگالی آب 1000 کیلوگرم بر متر مکعب و مدول بالک آب 2.07E+03 MPa در نظر گرفته شده است.
در این تحقیق مدل دو بعدی سد گلورد واقع در استان مازندران و در 45 کیلومتری جنوب شرقی شهرستان نکا، مورد مطالعه قرار گرفته است. آنالیزهای انجام شده در حوزه زمان - تحلیل تاریخچه زمانی - می باشند، جهت تحریک افقی از رکورد زلزله فیروز آباد کجور 8 - خرداد سال - 1383 در فاصله 98 کیلومتری محل سد به وقوع پیوسته، استفاده شده است. این زمین لرزه در 148 ایستگاه شتابنگاری شبکه ملی کشور ثبت شده است. در این تحقیق تاریخچه زمانی شتاب افقی ایستگاه نکا که در نزدیکی سد واقع است مورد استفاده قرار گرفته است. شتاب مبنای طراحی برای نرمال کردن رکورد زلزله کجور 0.3g در نظر گرفته شده است. شتاب مورد نظر به پی سد وارد می شود. در شکل 2 رکورد شتاب افقی زلزله کجور فیروزآباد آورده شده است.
برای مدل سازی از یک مدل دو بعدی کرنش مسطح استفاده شده است. این مدل دارای ارتفاع 113 متر از بستر سنگی می باشد. در بخش های مختلف بدنه سنگریز و همچنین رویه بتنی از المان PLANE42 استفاده شده است. از المان FLUID29 برای قسمت آب استفاده شده است. برای مدل کردن اتصال جوشی بین رویه بتنی و بدنه سنگریز سد گره های مشترک یکی می شوند بدین ترتیب دو سطح مورد نظر بهم چسبیده می شوند که اصطلاحاً گفته می شود بین دو سطح اتصال جوشی برقرار است. برای مدل کردن اصطکاک بین رویه بتنی و بدنه سنگریز، دو المان CONTA171 و TARGE169 مورد استفاده قرار گرفته است که به این المان ها المان فصل مشترک1 گفته می شود. در این تحقیق از 5 مقدار سختی برشی متفاوت المان های تماس استفاده شده است. این مقدار که در ثابت FKT المان های تماس تعریف می شود عبارتند از:
