بخشی از مقاله
خلاصه
سدهای بتنی بخش مهمی از فراسازههای هر کشور را تشکیل میدهند. ایمنی این فراسازهها به علت نتایج ضرربار ناشی از ویرانی و خرابی بسیار حائز اهمیت میباشد. بدین جهت رفتار سدهای بتنی به دلیل نیاز به افزایش اطمینان از ایمنی سدها در حین بارگذاریهای جانبی بسیار مورد توجه میباشد. در راستای بررسی رفتار سدهای بتنی باید آنالیزهای غیرخطی صورت گیرد تا رفتار غیرخطی مصالح سدهای بتنی وزنی در اثر بارگذاری-های جانبی مورد ارزیابی قرار گیرد. در این میان بر رفتار بتن، پارامترهای مختلفی منجمله مدول الاستیسیته، مقاومت فشاری و کرنش نهایی تاثیر میگذارند. در این مقاله هدف براین است با استفاده از آنالیز استاتیکی غیرخطی به تحلیل حساسیت سازه سد نسبت به پارامترهای بتن بپردازیم. تحلیل حساسیت سازهها با درنظر گرفتن رفتار غیرخطی، یک مرحله مهم در طراحی ایمن و بهینه سازهها با استفاده از روش طراحی براساس عملکرد می باشد. سد بتنی وزنی پاینفلت تحت پارامترهای متغیر مدول الاستیسیته، تنش نهایی کششی و کرنش نهایی با اعمال بارگذاری نموی جانبی مشابه بارهای جانبی لرزهای در دو جهت بالادست و پایین دست سد مورد بررسی قرار خواهد گرفت. براساس نتایج حاصله میتوان دریافت که مشخصات مصالح بتن توده نقش قابل ملاحظهای بر پاسخ سدهای بتنی ایفا میکنند.
کلمات کلیدی: تحلیل حساسیت، سدهای بتنی وزنی، آنالیز استاتیکی غیرخطی
.1 مقدمه
سدهای بتنی نقش مهمی در صنعت آب و برق در بسیاری از کشورهای جهان به عهده دارند. خسارتهای بالقوه اقتصادی و غیر اقتصادی ناشی از شکست سدها، چه مستقیم و چه غیر مستقیم ممکن است، بسیار زیانبار باشد. با توجه به عواقب وخیم شکست سدها در طی رخدادهای لرزه ای حصول اطمینان از عملکرد آنها بسیار حائزاهمیت میباشد. بدین جهت رفتار سدهای بتنی به دلیل نیاز به افزایش اطمینان از ایمنی سدها در حین بارگذاریهای جانبی بسیار مورد توجه میباشد. در راستای بررسی رفتار سدهای بتنی باید آنالیزهای غیرخطی صورت گیرد تا رفتار غیرخطی مصالح سدهای بتنی وزنی در اثر بارگذاریهای جانبی مورد ارزیابی قرار گیرد. در این میان بر رفتار بتن، پارامترهای مختلفی منجمله مدول الاستیسیته، مقاومت فشاری و کرنش نهایی تاثیر میگذارند. آنالیز حساسیت اهمیت هر پارامتر را به صورت مستقل نشان میدهد. در این مقاله با استفاده از آنالیز استاتیکی غیرخطی به تحلیل حساسیت سازه سد نسبت به پارامترهای بتن پرداخته می شود. سد بتنی وزنی پاینفلت تحت پارامترهای متغیر مدول الاستیسیته، تنش نهایی کششی و کرنش نهایی با اعمال بارگذاری نموی جانبی مشابه بارهای جانبی لرزهای در دو جهت بالادست و پایین دست سد مورد بررسی قرار خواهد گرفت. برای آنالیزها از نرم افزار ABAQUS استفاده خواهدشد. براساس نتایج حاصله میتوان دریافت که مشخصات مصالح بتن توده نقش قابل ملاحظهای بر پاسخ سدهای بتنی ایفا میکنند.
.2 آنالیز استاتیکی غیرخطی - SPO -
در تحلیل بار افزون استاتیکی یک بار جانبی تک جهته افزایشی به شکل استاتیکی به سازه اعمال می شود و پارامترهای پاسخ سازه تا رسیدن سازه به وضعیت های “تسلیم” و “نهایی” ردیابی و دنبال می شوند .[1] علیرغم محدودیت در توانایی تخمین عملکرد، تحلیل بار افزون روشی ساده است که دید مناسبی از رفتار قابل انتظار مدل سازه بدست می دهد .[2] طبق مفاهیم تحلیل بار افزون استاتیکی غیرخطی، پس از اعمال بارهای وزن و هیدرواستاتیک، یک بار نموی جانبی با الگویی مشابه بارهای جانبی لرزه ای در زلزله ها به بدنه سد اعمال می شود. در ساختمانها این الگو اغلب از مد ارتعاشی اول سازه تبعیت می کند اگر توزیع جرم در ارتفاع سازه یکنواخت باشد، و در غیر اینصورت باید اثرات توزیع غیر یکنواخت جرم نیز در نظر گرفته شود .
[1]در سدهای بتنی وزنی، عموما دو نوع بار جانبی در زلزله ها تولید می شود: بارهای اینرسی و بارهای هیدرودینامیک. بنابراین، برای تحلیل بارافزون سدهای وزنی این دو بار باید برای تولید توزیع بار جانبی افزایشی مورد استفاده قرار گیرند. توزیع جرم در راستای ارتفاع سدهای وزنی به وضوح غیر یکنواخت است. بنابراین باید بارگذاری در دو جهت بالادست و پایین دست صورت گیرد تا بتوان بدرک درست از رفتار سد، نتایج را مورد مطالعه قرار داد. بعلت تحلیل دوبعدی همگن سد بتنی وزنی، توزیع جرم در ارتفاع آن را می توان متناسب با عرض مقطع آن در هر تراز دانست. همچنین بایست به مقادیر نسبی این دو بار جانبی توجه کرد و با ضرایب وزنی مناسب نسبت آن دو را متناسب کرد. برای آنالیز استاتیکی غیرخطی - SPO - از روش توسعهیافته توسط عالمباقری و قائمیان استفاده میگردد.[3] جهت بررسی سدهای وزنی از بلندترین مقطع غیرسرریز سد وزنی Pine Flat استفاده می شود. این سد بر روی رودخانه کینگز در دره سن یواخین در ایالت کالیفرنیای ایالات متحده قرار داشته و دریاچه Pine Flat را تشکیل داده است. ارتفاع سد 122 متر می باشد. شکل - 1 - سد پاین فلت را نشان میدهد.
رفتار غیرخطی مصالح بتن سد در تحلیل استاتیکی غیرخطی با استفاده از رویکرد پلاستیک-خرابی مدل می شود. مشخصات مصالح بتن توده سد در جدول - 1 - لیست شده است. بتن سد همگن در نظر گرفته می شود. در اینجا رفتار ساختاری مدنظر برای بتن سد در کشش که در تحلیل ها مورد استفاده قرار می گیرد در شکل - 2 - نشان داده می شود. در مدل محاسباتی به کار رفته، جابجایی های لغزشی و شرایط پس از زلزله در صورت رخ دادن خرابی که ممکن است سبب ایجاد فشارهای برکنش در ترک ها شود، را در نظر نمی گیرد. برای مصالح غیر خطی بتن در تحلیل دینامیکی و استاتیکی از رویکرد خرابی پلاستیک یا به عبارتی روش مکانیسم خرابی استفاده می شود.[3] در این رویکرد، تحت کشش چرخه ای تک محوری ، بتن قبل از مقاومت کششی - t0 - - تنش شکست و حد الاستیک - رفتار خطی دارد. در این سطح تنش ترک های ریزی در ماده بتن شکل می گیرد. ترکیب این ترک های ریز به صورت میکروسکوپی توسط نرم شدگی کرنشی مدل می شوند. پس از هر باربرداری پس از حد پلاستیک و روی شاخه نرم شده، پاسخ ضعیف شده و کاهش سختی الاستیک مصالح با یک متغیر خرابی کششی - dt - که تابع کرنشهای پلاستیک میباشد.کاهش مدول الاستیک ناشی از خرابی کششی با رابطه زیر تعیین می شود با :
که در آن E0 مدول الاستیسیته اولیه بوده و dt بیانگر متغیر خرابی هست که بین صفر و یک می باشد. مقدار صفر حالتیکه هیچ آسیبی مشاهده نشود و عدد یک نشان دهنده از دست رفتن کل سختی است. فشار برکننده یا همان بالازدگی ناشی سیال درمدلها منظورنشده است.شکست کششی سازه سد تنها مد غالب بالقوه شکست مدل در نظر گرفته شده است. اساسا تسلیم فشاری در سدهای بتنی وزنی رخ نمی دهد و در نتیجه شکست فشاری در تحلیل ها نظر گرفته نمی شود. بنابراین حالات حدی مدل سد عبارت خواهند بود از شروع نرم شدگی کششی - حالت “تسلیم - ”، شروع ترک خوردگی، رشد پایدار ترک، و در نهایت ترک عرضی کامل یا رشد ناپایدار ترک که به عنوان حالت حدی “نهایی” - شکست - در نظر گرفته می شود. به علت رفتار نامتقارن سدهای بتنی وزنی، همانطور که قبلا نیز ذکر شد، بارگذاری دردو سمت بالادست و پایین دست، تحت بارهای جانبی افزایشی قرار گیرند.
3. آنالیز حساسیت
آنالیز حساسیت، حساسیت پاسخ سازه ای مدل سد را به پارامترهای رفتار کششی متفاوت بتن بیان می کند. اکنون باید پارامترهای موثر درمدل سد برای ارزیابی انتخاب شود. تعداد زیادی از متغیرها میتواند براساس رفتار کششی اتخاذ شده انتخاب گردد. با توجه به شکل - 2 - سه پارامتر E0 و t0 و u متغیرهایی مستقل از هم می باشند، که مقدارشان در تمام بدنه سد بصورت توزیع یکنواخت است؛ بنابراین بتن در کل سد همگن و ایزوتروپ می باشد. درآنالیز حساسیت با تغییر هر یک از سه پارامترها بصورت مستقل در یک زمان، با توجه به نمونه پایه مورد بحث قرار خواهد گرفت. آنالیز استاتیکی غیرخطی به عنوان یکی از روشهای ساده برای ارزیابی حساسیت پاسخ سازه در مقابل تغییرات پارامترهای ورودی بکار گرفته خواهد شد. تحلیلهای حساسیت برای تغییرات زیر بصورت مستقل در دوجهت بارگذاری به سمت بالادست و پایین دست انجام می شود: در ادامه ابتدا با اعمال بار افزون در پایین دست، و سپس با عمال در جهت بالا دست هر یک از پارامترها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
