بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به اهمیت سدهای بتنی قوسی بررسی رفتار دقیق این نوع سدها از اهمیت ویژهای برخوردار است. این سدها از بلوکهای مجزایی ساخته میشوند که برای دستیابی به رفتار یکپارچه بدنه لازم است تا درزهای بین بلوکها با دقت کافی تزریق گردند.
این موضوع در انتقال منطقی و مطلوب نیروهای وارده نقش تعیین کنندهای دارد و در صورت ناقص بودن تزریقات ممکن است ایمنی سد تحت تاثیر قرار گیرد. تحقیق حاضر به بررسی اثر احتمالی تزریق ناقص درزها بر رفتار غیر خطی بدنه سد میپردازد. سد کارون 4 به عنوان مطالعه موردی در این تحقیق انتخاب شده و تزریق ناقص درزها با در نظر گرفتن اصطکاک، چسبندگی و فاصله اولیه برای درزها مورد بررسی قرار گرفته است.
نتایج به دست آمده با استفاده از نرمافزار ABAQUS نشان میدهد که تحت بارگذاری استاتیکی و تزریق ناقص درزهای ثلث فوقانی سد تنشهای ماکزیمم کششی در بالادست سد توسعه یافته و همچنین جابجاییهای تاج سد نیز افزایش یافته است.
1. مقدمه
با توجه به نقش حیاتی سدها در صنعت و اقتصاد کشورها و فاجعه آمیز بودن شکست احتمالی آنها بررسی ایمنی این سازههای عظیم از اهمیت خاصی برخوردار میباشد. اگر چه در دهههای اخیر مطالعات فراوانی در مورد این سازهها صورت گرفته اما به علت پیچیدگی ذاتی سدهای بتنی قوسی هنوز ابهامات زیادی درباره آنها وجود دارد که بایستی مورد توجه بیشتری قرارگیرد.[1] که مدل سازی رفتار غیر خطی سد شامل درزهای موجود در سد و رفنار مادی سد از این موارد میباشد.
در زمینه رفتار غیر خطی سد شامل درزهای انقباض و درزهای پیرامونی پی سد و همچنین رفتار غیر خطی مادی بتن شامل ترک خوردگی و مدلهای پلاستیک مطالعات زیادی انجام شده است. Mays و همکاران در سال 1993 سد کانیئون شرقی4 را با دو مدل خطی و غیر خطی توسط نرمافزار ADINA مدلسازی و تحلیل کردند. در مدلسازی انجام شده از المانهای 20 گرهی با مصالح الاستیک خطی استفاده شد.
سد مورد مطالعه با سه درز انقباضی قائم تحت بارهای مرده، بارهای هیدرواستاتیکی و بار زلزله مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج به دست آمده حاکی از کاهش تنشهای کششی در جهت قوس و افزایش تنشهای فشاری وکششی در جهت طره در تحلیل غیر خطی نسبت به تحلیل خطی است.[2] واتانابه و همکاران در سال 2000، تاثیر بازشدگی درزها و غیر خطی بودن مصالح بر پاسخ لرزهای یک سد بتنی قوسی را مورد مطالعه قرار دادند. برای مدل کردن رفتار غیر خطی مصالح از یک رابطه تنش-کرنش شکست الاستو-پلاستیک جامع، مبتنی بر تئوری الاستیسیته و پلاستیسیته استفاده کردند.
درزهای انقباضی و پیرامونی سد را توسط یک المان سطح ایزوپارامتریک درجه دوم با ضخامت صفر که قابلیت جدا شدن را داشت مدل کردند. بارهای اعمالی به این سد شامل بار وزن، بار هیدرواستاتیکی و بار زلزله بود. نتایج به دست آمده نشان داد که با باز شدن درزهای عمودی و جابجایی سد به سمت بالادست تنشهای فشاری طرهای در پایه بالادست سد و تنشهای کششی طرهای در پایه پایین دست سد افزایش مییابد. همچنین با در نظر گرفتن تاثیر غیر خطی مصالح مشاهده شد که میزان باز شدگی درزها و جابجایی کلی سد افزایش مییابد. علاوه بر این با باز شدن درزهای محیطی بین پی و سد، تنشهای فشاری قوسی در بالا دست سد افزایش مییابد.
Lotfi و همکاران در سال 2009، پاسخ لرزهای غیر خطی سد قوسی را در اثر لغزش و باز شدگی درزهای محیطی و عمودی تحت بارهای استاتیکی و دینامیکی مورد بررسی قرار دادند. مدل المان محدود استفاده شده برای سد و پی شامل 76 و 228 المان 20 Solid گرهی بود.
همچنین برای مدل کردن درزهای عمودی و پیرامونی از یک المان میان رویه با ضخامت صفر و مکانیزمهای متفاوت باز شدگی درز استفاده کردند. نتایج به دست آمده نشان داد که به طور کلی باز شدگی درزها باعث کاهش تنشهای قوسی و افزایش تنشهای کششی طرهای در پایین دست سد میشود. زمانی که لغزش در مدل اتفاق میافتد تنشهای کششی طرهای بالادست سد مانند پایین دست سد افزایش مییابد و همچنین وجود درزهای افقی در بدنه سد باعث کاهش تنشهای کششی قوسی میشود.
مطالعات انجام شده اهمیت در نظر گرفتن درزهای انقباضی را به عنوان یک عامل غیر خطی در رفتار سازهای سد به خوبی توجیه میکند. همانطور که ملاحظه میشود در این بررسیها پارامترهای درز به صورت یکپارچه و یکسان میان تمامی بلوکها در ارتفاع سد توزیع شده است. ولی امکان دارد بنا به دلایلی تزریق کامل درزهای اجرایی مثل بالا آمدن سریع سطح آب در اثر عوامل پیشبینی نشدهای مانند سیل، به خصوص در سطوح فوقانی سد مقدور نباشد که این عدم تزریق درزهای فوقانی ممکن است باعث به وجود آمدن مشکلاتی در عمکرد سازهای سد شود که باید مورد بررسی دقیق قرار گیرد.
در این تحقیق یک تحلیل خطی بدون درز انقباض و دو تحلیل غیر خطی با در نظر گرفتن درزهای انقباض و فاصله اولیهای برابر با 3 میلیمتر انجام شده است. در یکی از تحلیلهای غیر خطی فرض شده که درزها به صورت یکپارچه و کامل تزریق شدند و در مدل دیگر فرض شده که یک سوم قسمت فوقانی سد تزریق نشده است و سپس نتایج با یکدیگر مقایسه گردیدند. در این تحقیق از مدل آقای جنابی دهکردی در سال 1390 استفاده شده است.
2. مشخصات سد و مدل اجزای محدود
سد بتنی دو قوسی کارون 4 در جنوب غربی ایران و بر روی رودخانه کارون در عرض جغرافیایی 50 24 05 و طول جغرافیایی 31° 35 53 ساخته شده است. دره ساختگاه سد از نوع v شکل نامتقارن با شیب عمومی تندتر در جناح چپ بوده و عرض آن در تراز 1032 - تراز تاج سد - در حدود 350 متر است. نسبت عرض به ارتفاع دره برابر 1 به 8 است که نسبتی مناسب برای یک سد بتنی دو قوسی میباشد.[6] مشخصات مکانیکی و حرارتی سد در جدول 1 آمده است.
مدل بدنه سد کارون 4 توسط نرمافزار اجزا محدود ABAQUS در 22 بلوک مجزا مدلسازی شده است. این مدل شامل 3852 المان خطی مکعبی 8 گرهای با نام C3D8R میباشد.
جدول-1 مشخصات مکانیکی و حرارتی بدنه سد
3. مدل درزهای انقباضی
برای مدل کردن درزهای انقباضی از تماس سطح به سطح1 نرم افزار با گسسته سازی تماس گره به سطح2 و لغزش محدود استفاده شده است. این نوع سطح تماس قابلیت مدلسازی فشار تماسی، لغزش اصطکاکی، چسبندگی و شکست را دارد.
مدل مرزی تماس شامل یک سطح مبنا و یک سطح پیرو میباشد که در آن هر گره پیرو بر روی سطح تماس در یک طرف به صورت عمودی با یک گره از سطح مبنا در طرف دیگر سطح تماس در ارتباط است. بنابراین هر گره از سطح پیرو با مجموعهای از گرهها در سطح مبنا در تماس میباشد.[7] این وضعیت در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل-1 گسسته سازی تماس گره به سطح
برای مدل سازی رفتار سطوح تماسی با توجه به رفتار برشی وچسبندگی ملات داخل درزهای انقباضی خصوصیتهای فشار تماسی، اصطکاک و چسبندگی در نظر گرفته شده است. در زیر در مورد هر یک از رفتارهای اشاره شده به طور مختصر توضیح داده شده است.
.1,3 فشار تماسی عمودی
از یک رابطه فشار تماسی لگاریتمی سخت شونده برای شبیه سازی رفتار عمودی درزهای انقباض استفاده شده است. طبق این رفتار قبل از اینکه سطوح به هم برسند هیچ فشار تماسی بین سطوح تحمل نمی شود ولی بعد از آنکه فاصله سطوح به فاصله مشخص شده برسد فشار تماسی بین سطوح انتقال مییابد و سپس به صورت لگاریتمی طبق رابطه - 1 - و مانند شکل 2 محاسبه میشود.
که در آن P فشار تماسی عمودی، c فاصله اولیه سطوح تماس، h فاصله سطوح تماس از یکدیگر و P0 مقدار فشار در باز شدگی صفر میباشد.
