بخشی از مقاله
خلاصه
پارامترهای مختلفی در رفتار دینامیکی سازه سد و سیال مخزن تحت عملکرد کوپله تأثیر گذارندکه منجر به وارد شدن فشار هیدرودینامیکی ناشی از موج حاصل از حرکت ارتعاشی سد حین زلزله می باشد. برآورد دقیق نیروهای دینامیکی که لازمه طراحی و ارزیابی مناسب سدها و از اهمیت ویژه ای برخورداراست. در این راستا بررسی عددی رفتار لرزه ای سد ذوزنقه ای و استخراج فشار دینامیکی ناشی از عملکرد کوپله روش اجزای محدود و حجم محدود مبنی بر مدلسازی حقیقی میدان جریان مخزن، از اهداف این تحقیق بوده است.
به منظور نیل به هدف با گسترش رویکرد جدید از تحلیل رفتار لرزه ای سد و بکارگیری نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی که معادلات حاکم بر جریان سیال شامل معادلات پیوستگی و حرکت ناویر استوکس توسط گسسته سازی غیر صریح روش حجم محدود شبیه سازی گردیده است.از اینرو پارامترهای هیدرولیکی، رفتار دینامیکی ناشی از عملکرد پاسخ نیروهای هیدرودینامیکی مخزن است، بررسی گردیده است. شرایط مرزی مناسب در بالادست، سطح مشترک بین اجزا سد، پاسخ فرکانسی، انعطاف پذیری بدنه سد و تراکم پذیری آب به عنوان عوامل موثر بر مدلسازی عددی در نظر گرفته شده و رویکردهای عددی - حجم محدود سیالات اولری و اجزاء محدود جامدات الاستیک - با رویکردهای تحلیلی مطابقت قابل قبولی دارد.
پاسخ واقعی سد و فشار دینامیکی را می توان با بکار گیری شرایطی مرزی منطبق بر ماهیت واقعی حاکم، از شبیه سازی عددی بصورت مستقیم استخراج کرد. نتایج حاکی از این است که تراکم پذیری سیال بر پاسخ دینامیک سیستم تأثیر گذار است به طوری که تراکم پذیری باعث افزایش فشار وارده بر سد شده است. همچنین مقدار فشار هیدرودینامیکی تابعی ازهندسه وشکل مخزن می باشد و بزرگی و اهمیت آن می تواند بستگی به موقعیت و شکل و هندسه مخزن و سد تغییر می کند، بطوری که توزیع فشار هیدرودینامیکی پشت سد با ایجاد شیب در بالادست بدنه سد، میرایی سازه کاهش و با در نظر گرفتن شیب درکف مخزن افزایش می یابد.
عملکرد و رفتار بدنه سدهای انعطاف پذیر ذوزنقه ای با مصالح CSG ناشی از تنشهای غیر خطی ناشی از زلزله ، بصورت الاستو پلاستیک بوده که میزان تغییر مکان ها افقی مخزن، با افزایش ارتفاع آب مخزن که ناشی از افزایش نیروی هیدرودینامیک بوده، افزایش یافته است. همچنین حداکثر تغییر مکان افقی بدنه سد در حوضه زمان در تاج سد بوده است و حداکثر تنشهای نرمال قائم تقریبأ دروسط تکیه گاه بدنه سد بوده است که تنش فشاری تکیه گاه، حاکی از عملکرد متقارن هندسه سد ذوزنقه ای است.
.1 مقدمه
یکی از قسمتهای جالب و مهم مهندسی زلزله بحث هیدرودینامیک می باشدکه شامل فشارهای دینامیکی وارده به سدها، مخازن حاوی مایعات و ارتعاش در سازه های مستغرق می گردد. با وجود اشتراکی که این سازه ها در کلیات مسائل هیدرودینامیکی خود با یکدیگر دارند، لیکن هر یک شرایط و محدودیت های خاص خود را داشته و می بایست به طور جداگانه مورد بررسی قرار گیرند. فشار هیدرودینامیک سدها در طول زلزله اولین بار توسط وسترگارد - - 1933 مورد بررسی قرار گرفت، که فشار هیدرودینامیکی آب برروی سدهای بتنی وزنی تحت تأثیر حرکت هارمونیک افقی زمین را محاسبه کرد.
چوپرا با بررسی تأثیر تراکم پذیری آب بر پاسخ فشار هیدرودینامیکی مخزن نشان داد که برای سیال تراکم ناپذیر حل وسترگارد درکلیه فرکانس های بارگذاری صادق است لیکن در سدهای بلند تأثیر تراکم پذیری آب بر پاسخ نیروی هیدرودینامیکی در فرکانس های بالا قابل توجه است. تحقیقات چوپرا در این زمینه موجب ایجاد مفاهیم نوین در تحلیل اندرکنشی سدو مخزن گردید و مقالات متعددی توسط وی به چاپ رسیدند. به موازات روش های تحلیلی با در دسترس قرار گرفتن کامپیوترها در دوره اخیر، استفاده از روش المانهای محدود برای تحلیل سیستم های سد و مخزن به طور گسترده ای متداول گردید. دراین زمینه دو شیوه متفاوت ازنظر انتخاب مجهول گره ای درمحیط سیال به کار گرفته شده است.
درشیوه نخست که به فرمولاسیون لاگرانژ -لاگرانژ مرسوم است، مجهول گرهی محیط سیال همانند محیط سازه، همان تغییر مکان درنظر گرفته می شود با این تفاوت که مدول برشی سیال مساوی صفر منظور می گردد. در شیوه دوم که به فرمولاسیون اویلر -لاگرانژ موسوم است فشار به عنوان مجهول گرهی در محیط سیال انتخاب می شود. دراین روش ماتریس های جرم، میرایی و سختی سیستم به شکل نامتقارن و غیرباندی بدست می آیند و حل دستگاه معادلات سیستم به حجم بالایی از محاسبات نیاز دارد.
مطالعات محدودی روی سدهای ذوزنقه ای[4] انجام شده از جمله نورزاد - 1392 - در روی طرح و محاسبه سدهای ذوزنقه ای با مصالح مصالح شن و ماسه سیمانته شده و در مبحث تحلیل دینامیکی اندرکنش سازه وسیال، هاشمی - 1383 - به محاسبه نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر سدهای بتنی با احتساب اندرکنش آب وسازه با بکارگیری روش اجزای محدود و ساده سازی عددی بوده است. در این رویکرد ضرورت فرآیند تحقیق بررسی تأثیر پارامترهای مختلفی در رفتار دینامیکی سد و سیال و حرکت نسبی بین دو سیستم، اندرکنش سیال و سازه سدهای ذوزنقه ای هنگام وقوع زلزله و تأثیر نیروی هیدرودینامیکی به عنوان نیروی مؤثر بر سد در هنگام زلزله از اهمیت ویژه ای برخوردار است که در تحلیل های متداول یا از آن صرفنظر می شود یا به عنوان یک نیروی ثابت معادل درنظر گرفته می شود.
درحالیکه این نیرو خود ناشی از موج پدید آمده در اثر حرکت ارتعاش سد حین زلزله می باشد که تابعی از خواص ارتعاشی بدنه سد است و به این ترتیب مخزن و سد برهم اندرکنش متقابل دارند. در این تحقیق برای تعیین توزیع سه بعدی فشار هیدرودینامیکی در مخزن سد بتنی ذوزنقه ای تحت تأثیر ارتعاشات ناشی از مولفه افقی زلزله، شبیه سازی عددی به جهت تحلیل میدان جریان و بررسی دینامیکی اندرکنش سدهای ذوزنقه ای، تحت اثرزلزله مورد مطالعه قرار گرفته است. بررسی عملکرد هندسه و پایداری دینامیکی سد بر طراحی و بهینه سازی سازه های مستهلک کننده پایاب در بهبود عملکرد هیدرولیکیسیستم های تخلیه سیلاب مخازن سدها، کاهش هزینههای مرتبط و ریسک پذیری پروژه را کاهش داد اهمیت بسزایی دارد.
دراین تحقیق، مسأله اساسی و تمرکز اصلی مطالعات بر روی بخش عملکرد هندسی سدهای ذوزنقه ای بر پاسخ فشار هیدرودینامیکی مخزن، برآورد دقیق نیروهای دینامیکی که لازمه طراحی و ارزیابی این گونه سدها بوده است. باتوجه به اینکه معادلات صریح برای تخمین مناسبی از رفتار تنش، کرنش، فشار هیدرودینامیکی و سایر پارامترهای سیال در سیستم های اندرکنش سازه و مخزن وجود ندارد، مدلسازی سیال حقیقی توسط روش حجم محدود با بکارگیری اندر کنش سیال و سازه ناشی از عملکرد کوپله روش اجزای محدود و حجم محدود مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 روش تحقیق
در این تحقیق از نرم افزار Ansys Workbench با بکارگیری قابلیت ماژولهایTransient Structural وCFX به جهت تحلیل میدان جریان و اندرکنش سیال و سازه استفاده شده است. با گسترش رویکرد جدید از رفتار لرزه ای سد، با استفاده ازگسسته سازی غیر صریح معادلات ناویراستوکس برای تخمین سریع پارامترهای مورد نیاز در تحلیل سیال قابل پیش بینی باشد. دراین راستا عملکرد هندسه سد ذوزنقه ای توبتسو واقع در ژاپن ورفتارلرزه ای آن بررسی گردیده است. در این تحقیق از رویکردهای عددی - اجزای محدود جامدات الاستو پلاستیک وحجم محدود سیالات اویلری - استفاده شده است و صحت نتایج شبیه سازی عددی با با رویکرد تحلیلی چوپرا اعتبار سنجی شده است..
.3 معادلات حاکم
در این تحقیق معادلههای حاکم بر جریان تراکم ناپذیر در محیط آب حل شده و قوانین حاکم بر جریان عبارتند از قانون پایستاری جرم و قانون بقای اندازه حرکت که در شرایط رژیم جریان آرام با استفاده از گسسته سازی غیر صریح معادلههای ناویر استوکس حل گردیده است. شبیه سازی دقیق سطح آزاد نیاز به استفاده از نرم افزارهای CFD دارد که میتواند سطح ارتباط بین دو سیال را بهصورت دقیق مدلسازی کند. روش حل این نرمافزار برای تحلیل سطح آزاد، مدل چند فازی اویلری میباشد و سپس تعامل کوپله سیال و سازه برقرار گردیده است.در این بخش به مبانی نظری روش تحقیق فوق که شامل معادلات حاکم بر سازه، معادلات حاکم بر آب، شرایط مرزی گوناگون مخزن، صورت ماتریسی مسئله اندرکنش، روش های آنالیز و مدلسازی سد های وزنی بتنی در هنگام وقوع زلزله و سپس به معرفی مدلسازی عددی اندرکنش سیال و سد بتنی CSG موجود میپردازیم.
.2,1 دستگاه معادلات کوپله سازه - سیال
معادله حاکم بر حرکت کوپله سد و مخزن پس از گسسته سازی روابط اصلی به روش اجزای محدود به صورت زیر خواهند بود. که در آن:
بردار کل تغییر شکل هر یک از گرههای سازه است که شامل دو مولفه بردار حرکت زمین در حین زلزله و بردار حرکت نسبی سد نسبت به زمین میباشد و بردار فشار ایجاد شده در هر نقطه از سیال مخزن است. و مقادیر مجهول گرهی در شبکه اجزای محدود هستند که با حل دستگاه فوق به دست میآیند. به ترتیب ماتریس جرم، ماتریس سختی و ماتریس میرایی سازه و به ترتیب ماتریس جرم، ماتریس سختی و ماتریس میرایی سیال هستند.
