بخشی از مقاله
چکیده
رفتار غیرخطی آب در مخزن سدها یکی از پارامترهای موثر در تحلیل دینامیکی این نوع از سازهها میباشد که در طی وقوع زلزلههای شدید و انتشار امواج الاستیک در محیط مخزن میتواند به وجود آید. وقوع این پدیده که کاویتاسیون نام دارد در کنار مسائل اندرکنش آب و سازه، میتواند سبب پیچیدگی تحلیل سدها گردد. هدف از تحقیق حاضر تحلیل دینامیکی سد بتنی وزنی تحت تحریک دو مولفهای و سه مولفهای زلزله با در نظرگیری پدیده کاویتاسیون در محیط مخزن سد و بررسی اثرات آن بر پاسخ لرزهای سدهای بتنی وزنی میباشد.
بدین منظور از روش نیومارک با فرمولبندی سرعت جهت حل معادله تعادل دینامیکی حرکت و روش نیوتن رافسون اصلاح شده برای کنترل همگرایی در تحلیل غیرخطی استفاده شده است. بر اساس روش ارائه شده آنالیزهای مختلفی با در نظرگیری عامل متغیر تراز مخزن در سه حالت پر، دو سوم پر و یک سوم پر تحت تحریک دو مولفهای و سه مولفهای زلزله صورت پذیرفته است.
نتایج نشان میدهد که با تغییر در تراز مخزن و وقوع پدیده کاویتاسیون، پاسخ تغییرمکانهای تاج سد کاهش و فشار هیدرودینامیک در المانهای کاویته شده در مخزن افزایش مییابد. علاوه بر این در نظرگرفتن مولفه دورانی حرکت زمین نیز در اکثر موارد موجب تغییر پاسخ خواهد گردید.
-1 مقدمه
یکی از پدیدههای حائز اهمیت که در تحلیل دینامیکی غیرخطی سدها همواره مطرح بوده و اغلب در طراحی این سازهها مورد توجه قرارگرفته است، رفتار غیرخطی آب و پدیده کاویتاسیون ایجاد شده در محیط مخزن میباشد. این رفتار در سیالات تحت بارهای شدید زلزله و در اثر کاهش فشار ناشی از انتشار امواج الاستیک به وجود میآید که سبب جداشدگی بین محیط سد و مخزن و کاهش فشار در محیط سیال خواهد شد. این کاهش فشار که به حد فشار بخار اشباع و یا کمتر از آن رسیده است با لحاظ فشارهای هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی حاصل میگردد، که سبب ایجاد نواحی گازی شکل در محدوده سیال در بخشهایی از مخزن میباشد که پدیده کاویتاسیون نام دارد.
اهمیت کاویتاسیون در سیستم سد-مخزن، سبب ایجاد اثرات احتمالی بر روی نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر سد میگردد به طوریکه پاسخ دینامیکی سازه را تحت تاثیر قرار میدهد. تحقیقات صورت گرفته در زمینه کاویتاسیون در سیستم سد-مخزن تحت اثر تحریک دینامیکی بسیار کم است و اغلب کارهای آزمایشگاهی در مورد کاویتاسیون مربوط به مسائل جریان با سرعت بالا نظیر توربینها و پمپها میباشد.
به منظور بررسی اثر کاویتاسیون در سیستم سد-مخزن و اثراتی که ممکن است بر روی نیروهای هیدرودینامیک بگذارد، اولین بار در آزمایشی که توسط کلاف و نیوا انجام شد پدیده کاویتاسیون در مدل آزمایشگاهی سد کوینا مشاهده گردید. در این آزمایش مدل هیدرولیکی سد کوینا با ارتفاع 27 متر تحت تحریک آزمایشگاهی قرار گرفت و جداشدگی بین سازه و سیال زمانی که فشار سیال کاهش پیدا کرد و نزدیک به فشار بخار رسید مشاهده گردید
مطالعات تحلیلی دیگری توسط کلاف و چنگ انجام پذیرفت که در آن از تراکمپذیری سیال صرفنظر میشد نیز تقریبا به همان نتایج آزمایشگاهی دست یافتند.
مطالعات تحلیلی دیگری توسط زینکویچ و هینتون[3] فنوس و وارگازلولی[4] انجام پذیرفت. نتایج این مطالعات نشان داد که پدیده کاویتاسیون در سد فقط میتواند در اثر حرکات بسیار قوی زمین اتفاق افتد. ال ایدی و هال با استفاده از روش عددی اجزای محدود، سدهای بتنی را تحت اثر زلزله با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی آب در فشارهای پایین و پدیده کاویتاسیون را با در نظر گرفتن رابطه دو خطی فشار-کرنش حجمی مورد بررسی قرار دادند، نتایج بررسیهای آنها نشان داد که اثر کاویتاسیون در زلزلههای با شدت زیاد قابل ملاحظه میباشد و در زلزلههای متوسط این پدیده اثر زیادی بر سیستم نخواهد داشت
در ادامه محققان مختلفی بر روی پاسخ دینامیکی سدهای بتنی وزنی با در نظر گرفتن پدیده کاویتاسیون به روش اجزای محدود تحقیق نمودند. نوائینیا با در نظر گرفتن اندرکنش سد-پی-مخزن و رفتار غیرخطی مصالح جامد، اثر این پدیده را در پاسخ سازه با حل معادله حرکت بر حسب سرعت گرههای شبکه اجزای محدود بررسی نمود
اسکویی به تحلیل دینامیکی سد پاینفلت تحت زلزله السنترو با شتاب حداکثر g و با در نظر گرفتن مولفه قائم زلزله پرداخت. نتایج به دست آمده حاکی از آن میباشد که مولفه قائم زلزله اثری بر پاسخ سازه ندارد و پدیده کاویتاسیون تحت زلزلههایی با شدت زیاد ایجاد میشود.
کلاته و عطارنژاد به بررسی پدیده کاویتاسیون در سدها تحت زلزلههای شدید پرداختند و نشان دادند که پاسخ سازه در اثر پدیده کاویتاسیون در مخازن سدها به صورت جزئی کاهش مییابد و میتوان از اثر این پدیده در سدهای وزنی صرفنظر نمود.
در ادامه کلانی ساروکلائی به بررسی تحلیل دینامیکی غیرخطی سدهای بتنی وزنی تحت حرکات ناهمگون انتقالی و دورانی زلزله پرداخت. نتایج تحقیقات وی نشان میدهد، در حالتی که پدیده کاویتاسیون در مخزن ایجاد میشود پاسخ سد کمتر تحت تاثیر مولفههای دورانی حرکت زمین قرار میگیرد. همچنین با در نظر گرفتن مولفههای دورانی حرکت زمین گسترش منطقه کاویته شده در نزدیکی سطح سیال کمتر میشود و در وجه بالادست مخزن بیشتر میشود.
با وجود اینکه مراجع ذکر شده به بررسی اثر پدیده کاویتاسیون بر پاسخ دینامیکی سدها تحت زلزلههای شدید پرداختند، ولی اثر این پدیده بر پاسخ سدهای بتنی وزنی با در نظر گرفتن عامل متغیر تراز مخزن تحت تحریک دو مولفهای و سه مولفهای زلزله موضوعی میباشد که در تحقیقات پیشین مورد بررسی قرار نگرفته است.
-2 تئوری
1-2 فرمولبندی محیط سیال و اثرات کاویتاسیون
همانطور که اشاره شد با توجه به کاهش فشار سیال در محیط مخزن، پدیده کاویتاسیون در اثر انتشار امواج الاستیک به وجود خواهد آمد که سبب تشکیل حبابهای ریز در مجاورت محیط سیال و جامد میشود به طوری که با تشکیل این حبابها پیوستگی سیال در این ناحیه از مخزن حفظ خواهد شد.
در این تحقیق به منظور در نظر گرفتن اثرات کاویتاسیون، رابطه بین فشار p و کرنش حجمی در آب به صورت دوخطی مطابق شکل - 1 - تغییر مییابد که در آن شیب خط − معرف مدولالاستیسیته حجمی یا مدول بالک سیال Kw میباشد. لذا رابطه بین فشار و کرنش حجمی سیال را میتوان به صورت رابطه - 1 - در نظر گرفت. رابطه خطی مورد نظر تا فشارهای نزدیک به 200 الی 300 مگاپاسکال معتبر میباشد
شکل - : - 1 مدل دو خطی رفتار آب در فشار و کشش - پدیده کاویتاسیون -
در صورتی که فشار آب مخزن تا فشار بخار آب Pv کاهش یابد، شیب خط − با توجه به شکل - 1 - به مقدار Kc تغییر پیدا خواهد کرد که این حالت معرف رفتار غیرخطی آب و پدیده کاویتاسیون میباشد، به طوری که فشار مطلق سیال از رابطه - 2 - بدست خواهد آمد.
از آنجایی که شیب خط، ، به طور دقیق مشخص نمیباشد و نیز به دلیل تاثیر بسیار کمی که در نتایج محاسبات دارد در اکثر تحقیقات انجام شده و همچنین تحقیق حاضر، مقدار آن برابر صفر فرض میگردد
