بخشی از مقاله
چکیده
تحلیل و مدلسازی فشارهای هیدرودینامیکی ناشی از تغییرات تراز آب که منجر به شکست و ترک خوردگی در سد های بتنی به خصوص در مناطق زلزله خیز می شود، از آن جهت حائز اهمیت است که خطرات جبران ناپذیری را به دنبال داشته و موجب هدر رفتن آب و سرمایه ملی می گردد. همچنین مدلسازی نحوه ی شکست بتن سد و گسترش ترک با توجه به لرزه خیز بودن منطقه رودبار و منجیل که سد سفید رود را دل خود دارد و در سال 1369 شاهد یکی از بزرگ ترین زلزله های سده اخیر بوده است، این مهم را بیش از پیش خاطر نشان می کند.
از این روی در مقاله حاضر به تاثیر فشارهای هیدرودینامیکی ناشی از نوسانات مختلف تراز آب مخزن سد سفید رود و نیروهای ناشی از زلزله بر بدنه سد پرداخته شده و سطوح بحرانی در حالت های مختلف تعیین شده است. درگام بعد نحوه شکست و گسترش ترک در پیکره بدنه سد مدلسازی و آنالیز شده که نتایج ارائه می گردد. رفتار سد الاستوپلاستیک فرض شده و از منحنی تنش-کرنش بتن در این حالت استفاده به عمل آمده است.
تحلیل و مدلسازی بدنه سد با اساس نرم افزار Abaqus6.12-3 و Ansys14 انجام شده است و تنش های فون میزس، منحنی های هم میزان تنش، تغییر مکان های بحرانی و نحوه گسترش ترک خوردگی در حالت های مختلف تراز آبی مخزن همراه با نیروی زلزله مورد تحلیل قرار گرفته. تحلیل ها حاکی از آن بود که میزان تنش و تغییر شکل در نقاط کلیدی بدنه سد به طور غیر خطی به موقعیت تراز آب مخزن مربوط است و نیروی زلزله نیز تشدید کننده آن است، نتایج تحلیل و مطالعات بیشتر در این راستا می تواند برای طراحی بهینه مقاطع سدهای بتنی در برابر نیروهای ناشی از زلزله و فشارهای هیدرودینامیکی مفید باشد.
-1 مقدمه
مساله ایجاد و توسعه ترک در سازه های بتنی از دیرباز مورد توجه بوده است و تاکنون تحقیقات گسترده ای در این زمینه صورت گرفته است از بین سازه های بتنی مختلف، مساله ترک خوردگی سدها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. چرا که اولا حجم سرمایه گذاری مورد نیاز جهت ساخت این سازه ها قابل توجه است وثانیًا هر نوع آسیبی که موجب تخریب مخزن سد گردد، خسارات جبران ناپذیری در پی خواهد داشت. امروزه با در اختیار قرارگرفتن روشهای محاسباتی توانمند و اطلاعات آزمایشگاهی کافی راجع به رفتار بتن در هنگام شکست و با توجه به شایع بودن پدیده ترک خوردگی سدها، بررسی عوامل ایجاد ترک و پیش بینی نحوه گسترش آن به یکی از مبانی تعیین ایمنی چنین سازه هایی بدل گردیده است.
در این مقاله، تحلیل دینامیکی غیر خطی سدهای بتنی وزنی به روش المان محدود و به وسیله نرم افزار Ansys.14 وAbaqus6.12-3 ارائه گردیده است. رفتار سد در حین بارگذاری دینامیکی زلزله به صورت غیر خطی و بار های ناشی از فشار هیدرودینامیکی به صورت خطی در نظر گرفته شده است. همچنین تاثیرات اندرکنش سیال با سازه در میزان تنشها و جابجائیهای حاصله، مورد مطالعه واقع شده است. مدلهای مختلف ترک در روش المان محدود، مورد بررسی و تحلیل قرارگرفت و مدل مناسب جهت مطالعه حاضر، انتخاب شد. در تحلیل های انجام شده، رفتار بتن قبل از شکست، شروع شکست بتن، رفتار بتن در حین شکست و همچنین، رفتار آن بعد از ترک خوردگی، مد نظر قرار گرفت و اندرکنش کامل سد و مخزن، لحاظ گردیده است.
در این مطالعه، سد بتنی وزنی سفیدرود مورد بررسی واقع شده است. سد نامبرده به عنوان یکی از چهار سد بزرگ ایران از نوع بتنی غیرمسلح پشت بنددار - غیر پایه دار - در طی سالهای 1337 الی1341 بر روی رودخانه ای با همین نام ساخته شده است. ارتفاع سد 106 متر، طول تاج آن 425 متر و شامل هفت بلوک وزنی و 23 بلوک پایه دار است. که هر یک از بلوک ها 14متر طول دارند. این سد با حجم اولیه مخزن یک میلیارد و هشتصد میلیون متر مکعب بر پی از جنس آندزیت و بازالت، در منطقه منجیل- گیلان واقع است.
با توجه به پتانسیل بالای لرزه خیزی در البرز مرکزی و با توجه به تاریخچه لرزه ای منطقه ی مذکور، بررسی رفتار این سد تحت تاثیر زلزله های شدید در تراز های آبی مختلف یکی از مسائل مهم مهندسی است. سد نام برده به صورت سه بعدی در نرم افزار مدل شده و تحلیل های استاتیکی و دینامیکی متعدد به صورت خطی و غیر خطی بر روی آن صورت پذیرفت. نتایج بیانگر اهمیت بررسی دقیق شکست سدهای بتنی می باشد و همچنین این تحلیل ها مبین آن است که ترکهای سرتاسری در تراز ارتفاعی 100 متری یعنی بالاترین تراز آبی سد اتفاق افتاده است.
-2 تاریخچه مطالعات موردی روی سدهای ترک خورده
در سده ی اخیر بسیاری از سدهای بتنی تحت تاثیر زمین لرزه هایی با شدت بالای 6/5 ریشتر قرار گرفته اند که گزارش شدت خرابی در آنها بسیار تکان دهنده و قابل تامل بوده است. که از جمله آنها می توان به سد شیه کانگ- تایوان 2001، سد سفید رود- ایران 1994، سد هسینگ فینگ کیانگ-چین 1962 اشاره کرد. [2]مطالعات علل ترک خوردگی، نحوه ی گسترش ترک و مدلهای شکست این سدها اطلاعات مناسبی را در اختیار قرار داد. یکی از مهم ترین عوامل تاثیر گذار در شدت آسیب دیدگی ناشی از نیروهای دینامیکی زلزله میزان تراز آب مخزن و نیروی وارده ناشی از آن بر جداره سد است. همانطور که اشاره شد متاسفانه تراز آب سد سفید رود در زمان وقوع زلزله در بالاترین سطح خود قرار داشت که این مسئله بر شدت آسیب دیدگی سد افزود.
-3 رفتار بتن سد در بارگذاری های استاتیکی و دینامیکی
مقاومت کششی بتن یکی از موارد مهم و تأثیرگذار در رفتار غیرخطی سدهای بتنی است. آزمایشات انجام شده بر روی نمونه های بتنی نشان داده است که علاوه بر مشخصات مکانیکی مواد تشکیل دهنده بتن و ابعاد نمونه، سرعت بارگذاری نیز بر روی مقاومت کششی بتن تأثیرگذار می باشد. در بررسی های انجام شده بر روی نمونه های بتنی برداشت شده از سد سفید رود که در شرایط آزمایشگاهی تحت دو نوع بارگذاری دینامیکی و استاتیکی قرار گرفت، نتایج نشان داد که مقاومت کششی و فشاری بتن رفتار متفاوتی از خود نشان خواهد داد و با افزایش نرخ کرنش، مقادیر مقاومت فشاری و کششی بتن افزایش می یابد.
تحت آزمایشات کششی که به وسیله دو نیم کردن استوانه - برزیلی - توسط محققین انجام گرفته، نسبت مقاومت کششی بتن در بارگذاری دینامیکی، حدوداً 1/30 الی 1/44 و 1/45 برابر مقاومت کششی در بارگذاری استاتیکی بوده است. که مبین آن است که با افزایش تراز آبی مخزن و وارد آمدن شتاب زلزله به پیکره سد مقاطعی که در کشش قرار گیرند به شدت آسیب پذیر بوده و بروز و رشد ترک در آن دور از انتظار نخواهد بود.
-4 مدلسازی ترک سد سفیدرود
شکست یک شکل مهم از تغییر شکل و خرابی در پهنه سازه های بتنی است. در جهت دقت در پیش بینی رفتار شکست، اغلب لازم است تا تحلیل المان محدود صورت گیرد. از مهم ترین آیین نامه ها در زمینه تحلیل المان محدود در شکست بتن، آیین نامه 446 انجمن بتن آمریکا است. دو روش عمده در تحلیل المان محدود روش ترک پخشی و روش ترک
1-4 مدل سازی به روش ترک پخشی
ترک پخشی بر پایه دو گام اساسی استوار است: گام اول تعیین محل رخداد ترک اولیه بوده وگام بعدی تخمین مسیر ترک و جایگزینی آن با یک المان نرم تر است. که محل رخداد ترک و مسیر رشد آن با شبیه سازی نرم افزاری نشان داده شده. روش ترک پخشی بر پایه یک مش المان محدود ثابت استوار است. در روش ترک پخشی، ترک خوردگی متناسب با رفتار مصالح بتن می باشد. در این روش ترک زمانی رخ می دهدکه تنش به حد تنش خرابی برسد. وقتی اولین ترک رخداد، مکان ترک ذخیره می شود و بعد به دنبال آن مسیر ترک پیش بینی میگردد. با داشتن مسیر ترک، به جای قرار دادن سختی واقعی مصالح در مسیر ترک خورده، از المانهایی با سختی کمتر - نرم تر - استفاده می شود.
2-4 مدل سازی به روش ترک مجزا
روش ترک مجزا به مدل طبیعی ترک معروف است. روشهایی که به روش ترک مجزا وابسته هستند برای هر ترک به صورت منفرد، از مش بندی المان محدود خاصی استفاده می کنند. بعد از این هر ترک مسیر خود را در راستای ماکزیمم تنش ادامه می دهد. در گام بعد دوباره عمل مش بندی برای تطابق با پیشرفت ترک تغییر می یابد. در قدیم این مش بندی بسیار سخت بود ولی در حال حاضر نرم افزارهای جدید با انجام مش بندی اتوماتیک، این مساله را مرتفع کرده اند. - حداقل در دامنه دوبعدی - در این گام در هر جای مدل به غیر از نوک آن رفتار الاستیک در نظر گرفته می شود. در سازه های بزرگ از جمله سدهای بتنی وزنی، این ناحیه نوک ترک که زون پروسه شکست در آن رخ می دهد، بسیار ناچیز بوده و قابل چشم پوشی است در نتیجه می توان از روش الاستیک استفاده کرد. [6]
-5 ضابطه مکانیک شکست بتن
ضابطه مکانیک شکست غیر خطی که مبتنی بر روابط انرژی استوار است، قادر است نرم شدگی کرنش در منطقه صدمه دیده بتن را مدل نماید. یکی از مشخصه های اولیه مکانیک شکست غیر خطی تعریف نرم شدگی کرنش در منطقه آسیب دیده می باشد. انرژی شکست که معیار مکانیک شکست غیر خطی بر پایه آن استوار می باشد، انرژی از دست رفته در واحد سطح ترک در طی پروسه شکست می باشد که به عنوان یک ثابت مصالح محسوب می شود. مدل های پایه در این ارتباط از دو مدل هلیبورگ و بازانت الهام گرفته شد.در مدل اول منطقه آسیب دیده به صورت ترک خیالی که در جلوی راس ترک قرار می گیرد.
سپس با فرض اینکه میزان تنش کششی در راس ترک فرضی برابر با مقاومت کششی جسم باشد و مقدار آن در راس ترک واقعی صفر است، نرم شدگی در منطقه صدمه دیده تعریف گردید. در این مدل رفتار بتن در منطقه آسیب دیده به وسیله رابطه تنش-تغییر مکان بیان می شود و مقاومت جسم در یک تغییر مکان بحرانی که معادل با ترک کامل می باشد، به صفر می رسد. در مدل دوم پروسه شکست با یک راس غیر تیز اتفاق می افتد و فرض شد عرض غیر تیزی ترک یا باند ترک های ریز جزء ثابت های مصالح باشد.
به عبارت دیگر انرژی شکست در عرضی که ترک های ریز قرار گرفته اند آزاد می گردد. به منظور تعیین عرض باند ترک، مدل ارائه شده با یک سری نتایج حاصل از مدل های آزمایشگاهی که توسط دیگر محققین به دست آمده مقایسه شد و نتایج نشان داد که عرض باند ترک در حدود سه الی شش برابر ماکزیمم اندازه دانه بکار رفته در بتن است.
در این مدل نرم شدگی کرنش در منطقه شکست به وسیله رابطه بین تنش-کرنش بیان شد. پارامتر انرژی شکست برابر با مساحت زیر نمودار تنش-کرنش می باشد و از رابطه زیر قابل محاسبه خواهد بود:
که در آن : پهنای نواریست که فرآیند شکست در آن صورت می گیرد. : بردار تنش و : بردار کرنش مطابق تنش است. لازم به ذکر است تعریف یک رابطه مناسب برای نرم شدگی کرنش در محدوده راس ترک که بتواند منطقه صدمه دیده جلوی ترک را مدل نماید، ضروری است. نتایج آزمایشگاهی که بتواند رابطه مشخصی برای این نرم شدگی بیان نماید بسیار
