بخشی از مقاله
خلاصه
سدها سازه های بسیار مهمی هستند که نقش به سزایی در جوامع صنعتی مدرن دارندکه هدف از طراحی بهینه سدهای وزنی، ضمن برآوردن اهداف ناشی از ساخت، تأمین پایداری و ظرایب ایمنی می باشد. در این راستا تحلیل عددی رفتار لرزه ای، معیارهای پایداری طراحی نوین و عملکرد مکانیسم هندسی سدهای انعطاف پذیر ذوزنقه ای با مصالح CSG در بهبود پایداری و ظرایب ایمنی، از اهداف این تحقیق بوده است که با در نظر گرفتن عملکرد کوپله سد و مخزن در روش اجزای محدود و حجم محدود میدان جریان مخزن شیبه سازی گردیده است.
به منظور نیل به هدف تحقیق با گسترش رویکرد جدیدبا 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. 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.
در این راستا ارزیابی معیارهای پایداری با ضرایب اطمینان، کنترل گسترش طول ترک و مقاومت برشی در سد های ذوزنقه ای تحت بارگذاری استاتیکی، سیلابی و دینامیکی، نیروهای زیر فشار با در نظر گرفتن پارامترهای موثرگالری زهکش، با استفاده از روش تحلیل طیفی چوپرا مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشاندهنده این است که عملکرد و رفتار بدنه سدهای انعطاف پذیر ذوزنقه ای 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 در حوضه زمان در تاج سد ، حداکثرتنشهای نرمال قائم تقریبأ در وسط تکیه گاه بدنه سد و میزان تنش فشاری در پاشنه و پنجه نامحسوس بوده که با عملکرد متقارن بدنه سد، عامل خستگی فشاری محسوب شده و ترک طولی کششی در تکیه گاه سدهای ذوزنقه ای رخ نداده که حاکی افزایش مقاومت سد های ذوزنقه ای در برابر نیروی زیر فشار است. از اینرو مشهود است با تنش کششی کمینه با بکار گیری مصالح ضعیف تر و عیار سیمان پایین، مقاومت فشاری کمتر مصالحCSG نسبت به بتن، طراحی بهینه می گردد.
.1 مقدمه
یکی از قسمتهای جالب و مهم مهندسی زلزله بحث هیدرودینامیک می باشد که 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 و تأمین ظرایب ایمنی و معیارهای پایداری در مقابل چرخش یا واژگونی ، لغزش ، طراحی بهینه به منظور عدم ایجاد تنش کششی در مقطع بحرانی سد و همچنین بررسی ترکهای موجود در سدهای ساخته شده و اثر زلزله اخیر بر روی سدهای بتنی کشور بسیار حائز اهمیت است.
در این راستا بررسی عددی رفتار لرزه ای سدهای انعطاف پذیر ذوزنقه ای با مصالح CSG و تحلیل معیارهای پایداری و ترک کششی با در نظر گرفتن عملکرد کوپله روش اجزای محدود و حجم محدود مبنی بر مدلسازی حقیقی میدان جریان مخزن، تحت بارگذاری استاتیکی، سیلابی و دینامیکی، نیروهای زیر فشار با در نظر گرفتن پارامترهای موثرگالری زهکش، با استفاده از روش تحلیل طیفی چوپرا مورد بررسی 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 معیارهای طراحی نوین و عملکرد مکانیسم هندسی سدهای ذوزنقه ای بر پاسخ فشار هیدرودینامیکی مخزن، برآورد دقیق نیروهای دینامیکی که منجر به بهبود در شرایط تأمین پایداری و ظرایب ایمنی اینگونه سدها گردیده است. باتوجه به اینکه معادلات صریح برای تخمین مناسبی از رفتار تنش، کرنش، فشار هیدرودینامیکی و سایر پارامترهای سیال در سیستم های اندرکنش سازه ومخزن 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.. در نهایت تحلیل معیارهای پایداری با ضرایب اطمینان، کنترل گسترش طول ترک و مقاومت برشی در سد های ذوزنقه ای تحت بارگذاری استاتیکی، سیلابی و دینامیکی، نیروهای زیر فشار با در نظر گرفتن پارامترهای موثرگالری زهکش، با استفاده از روش تحلیل طیفی چوپرا مورد بررسی قرار گرفت.
.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 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
