بخشی از مقاله
خلاصه
در مناطق زلزله خیز در هنگام وقوع زلزله نیروی دینامیکی فراوانی به سد اعمال میشود. که سبب بروز ترک و گسترش آن در بدنهی سد و درحالت بحرانیتر باعث تخریب و آسیبدیدگی جدی سد میشود. بخش قابل توجهای از نیروی دینامیکی اعمالی بر سد ناشی از نیروی هیدرودینامیکی تولید شده در مخزن در اثر اندر کنش سد و مخزن میباشد. یکی از راهکارهای کنترل لرزهای سد بتنی وزنی استفاده از میراگرهای لرزهای با مصالح مختلف در مرز سد و مخزن جهت کاهش فشار هیدرودینامیکی وارده بر سد میباشد لذا در این تحقیق به بررسی تأثیر میراگرلاستیکی بر نمایش لرزهای سد بتنی وزنی با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش پرداخته میشود. آب داخل مخزن به صورت یک سیال غیر لزج، تراکمپذیر با تغیر شکلهای کوچک در نظر گرفته شده و سد نیز به صورت جامد الاستیک با رفتار خطی فرض میشود. با توجه به پیچیدگی سیستم سد مخزن- فونداسیون- میراگر لاستیکی، از روش اجزای محدود به دلیل قابلیت مناسب در اعمال شرایط مرزی مختلف برای مدلسازی و تحلیل استفاده شده است. برای آنالیز لرزهای سیستم، مدل اجزای محدودی با استفاده از نرمافزار انسیس تهیه شده است. در استخراج معادلات حاکم بر دامنهها، اثرات اندرکنش بین سد، مخزن، فونداسیون در مدل لحاظ شده و شرایط مرزی متنوعی برای اعمال بر سیستم پیشبینی شده است. با توجه به تحریکات دینامیکی، آنالیز در حوزه زمان انجام گرفته و برای حل معادلات دینامیکی حاصلشده از روش نیومارک استفاده شده است که از لحاظ عددی بهصورت غیرمشروط پایدار است. برای نشان دادن تأثیر میراگرلاستیکی بر پاسخ لرزهای سد بتنی وزنی، سد پاینفلت به عنوان مطالعه موردی انتخاب شده و زمینلرزه منجیل به مدل اعمال شده است. مدل موردنظر برای دو حالت سد بدون میراگرلاستیکی و سد با میراگرلاستیکی مورد آنالیز و مقایسه قرار گرفته است. نتایج حاصل از آنالیزها، تأثیر میراگر لاستیکی را بر کاهش پاسخ لرزهای سد بتنی وزنی نشان میدهد.
واژه های کلیدی: سد بتنی وزنی، تاریخچه زمانی، میراگر لاستیکی، اندرکنش، کنترل لرزه ای
.1مقدمه
امروزه کنترل ارتعاش در سازه به کمک سیستمهای مستهلک کننده انرژی صورت میگیرد. این امر به کاهش پاسخهای لرزهای سازه در برابر بارهای جانبی زلزله منجر می شود. همچنین با توجه به اتلاف انرژی توسط میراگرها، خرابی سازه در هنگام زلزله کاهش مییابد. مطالعه این وسائل باعث ایجاد فلسفه طراحی جدیدی شده که روی افزایش ظرفیت استهلاک انرژی در سازه تاکید دارد و سازه به جای مقاومت در برابر زلزله، در مقابل آن کنترل می شود . به عبارت دیگر انرژی زلزله بهجای جذب شدن در اعضای سازهای و خرابی آنها در این میراگرها جذب میشود. کنترل لرزهای به عنوان یکی از تکنولوژیهای مدرن بیشتر در سازههای مهندسی مانند ساختمانها و پلها استفاده شده و تأثیرات عملی خود را در برخی از حوادث لرزهای قوی نشان داده است.
این تکنولوژی به یک رویکرد توسعه مدرن در مهندسی زلزله تبدیل شده است. با این وجود در زمینهی ایمنی سدهای بزرگ در مراحل اولیه باقی مانده است. در ساختمانها میراگرهای لرزهای معمولا در پایه ساختمان قرار میگیرند در صورتی که در سدها برای کاهش فشار هیدرودینامیکی ناشیاز اندرکنش سد و مخزن، بر روی بالادست بدنهی سد نصب میشوند. از اولین اقدامات کنترل لرزهای در سدهای بتنی میتوان به استفاده از میلههای تقویتی فولادی در سد قوسی اینگوری1 در اتحاد جماهیر شوروی اشاره کرد که هزینهی زیادی صرف میلگرد بکار رفته 23000 - تن - شد. ازاین رو توسعهی تکنولوژی کنترل لرزهاییک ضرورت و در عین حال دارای چالشهایی میباشد. ساخت و توسعهی میراگرهای لرزهای در سد از سال 1950 در کشورهایی چون روسیه و فرانسه آغاز گردید. اولین نمونه میراگرهای لرزهای تحت عنوان بالشتک هوا 2 بر روی سد بتنی وزنی کلایووبولرلی3 با ارتفاع بیش از 20 متر در اتحاد جماهیر شوروی صورت گرفت که فشارهای ناشی از انفجار حدود 67 تا 88 درصد کاهش پیدا کردند.
[1] با این حال فرکانس سد و ضربهی موج در آب، بیش از حد بالا بودند 23-13 - هرتز - که برای سدهای مرتفع مناسب نبود. در سال 1980 بالشتک هوا در دو سد قوسی چیرکی4 با ارتفاع 232 متر و مایتلی5 با 86 متر در روسیه استفاده شد.[2] در سال 1990 بالشتک هوا در طراحی سد بتنی وزنی ماک6 با ارتفاع 155 متر در روسیه به کار گرفته شد که با کاهش 9 درصدی سطح مقطع سود فراوانی به بار آورد..[1] گاز با فشار معمولی در بالشتک هوا به کمپرسور هوا و سیستم لوله تأمین هوا بستگی دارد. نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از محفظهی افزایش بالشتک هوا در نیروگاه برق آبی نشان داد که نشت هوا در محفظهی افزایش کم میباشد. به عنوان نمونه نشت هوا از محفظهی افزایش بالشتک هوا با حجمی حدود 110000 متر مکعب در نیروگاه برق آبی کویلدا7 نروژ که محفظهی بالشتک آن یکی از بزرگترینها در جهان است تقریباً 0/17 نانو متر مکعب در دقیقه میباشد. علاوه بر این برق مصرفی متوسط چند سال یا هر ساله 547000 کیلو وات ساعت میباشد. با توجه به مطالب بالا تأمین هوا و نگهداری بالشتک هوا موجه به نظر میرسد. از جمله عوامل ایجاد کننده محدودیت برای بالشتک هوا عبارتند از: -1 متعلقات سازهها و تجهیزاتی که روی سطح بالا دست سد قرار داده میشود. -2 رسوبات مخزن. این عوامل، محدودیت وسیعی در نصب و راهاندازی بالشتک هوا ایجاد میکنند.
مطالعات اولیه در زمینهی تأثیر میراگرهای لرزشی بر پاسخ سد توسط هال8و ال-ادیا9 در سال 1982 ارائه شد.[3] آنها یک مدل سد بتنی وزنی با بالنهای پر از هوا و یا حبابهای گاز تزریق شده جهت فراهم کردن لایه هوا در وجه بالا دست سد، به صورت دوبعدی و به روش اجزای محدود مورد تحلیل قرار دادند هیچکدام از این دو روش، کاهشی را در پاسخ دینامیکی سد مخزن ایجاد نکرد. در ادامه هال و همکارانش در سال 1992، تأثیر یک مادهی نرم چسبنده به وجه بالادست یک سد بتنی را روی کاهش پاسخ سد مطالعه کردند .
[4] آنها، تراکمپذیری ماده را مشابه با رفتار یک بعدی گاز کامل فرض نمودند؛ ولی با این مدل برایلایهی نرم، کاهش قابل توجهای در پاسخ سد بتنی حاصل نشد. اگر حجم پردهی جداساز کم شود، اثر جدایی در کاهش فشار هیدرودینامیکی روی سد کاهش مییابد. این امر، ممکن است درهنگام نشت هوای داخل ظرف به علت تغییرات دما، ارتعاشات سد و سیستم جدایی در هنگام زلزله اتفاق بیفتد. در نتیجه، طرح پردهی جداساز نیازمند به هزینه اضافی و نگهداری برای رسیدن به یک اطمینان بالا میباشد. حاتمی1 در سال 1996 ، کاهش فشار هیدرودینامیکی اعمال شده را با استفاده از یک لایهی ایزولاسیون با ضخامت ثابت در محل تماس سد و مخزن بررسی کرد. او برای بررسی اثر لایهی ایزولاسیون از روند حل تحلیلی استفاده نمود و تأثیر وجود پردهی جداساز را در کاهش فشار هیدرودینامیکی وارد بر سد، نشان داد 5] و .[6 با توجه به مطالب ذکر شده در این مطالعه برای کنترل لرزهای سد در مقابل نیروهای ناشی از اندر کنش از میراگر لاستیکی که به بدنهی بالادست سد متصل شده است استفاده میشود. میراگر لاستیکی به دلیل سختی کم قابلیت جذب فشار هیدرودینامیکی ناشی از اندرکنش را دارد. در نتیجه می تواند جایگزین مناسبی برای بالشتک هوا باشد.
.2 معادلات حاکم
در این بخش، ملاحظات سازهای و هیدرودینامیکی فرمولبندی میشوند. آب داخل مخزن، بهصورت سیال غیر لزج، تراکم ناپذیر و با تغییر مکانهای کوچک فرض میشود. همچنین سد بهصورت جامد الاستیک با رفتار خطی مصالح در نظر گرفته میشود.
.1-2 مدل سازی دامنه سازه
معادله حاکم بر رفتار قسمت جامد، معادله حرکت است. ولی برای در نظر گرفتن و تعریف کامل اندرکنش سیال و سازه، بار اعمال شده ناشی از فشار هیدرودینامیکی سیال در محل تماس سازه و سیال باید به معادلات سازه افزوده شود.
در رابطه فوق، M ماتریس جرم، C ماتریس میرایی و K تغییرمکان نسبی،̇ بردار سرعت،̈ بردار شتاب حرکت سازه،̈ دینامیکی وارد شده از طرف مخزن بر سد در محل تماس.
ماتریس سختی سازه هستند. همچنین u بردار بردار شتاب زمین و بردار بار فشار هیدرو
.2-2 مدل سازی دامنه سیال
در مسائل مربوط به اندرکنش آکوستیکی سازه و سیال، معادله مربوط به دینامیک سازه لازم است همراه با معادلات ناویر-استوکس اندازه حرکت و پیوستگی سیال در نظر گرفته شود. با فرض اینکه آب داخل مخزن غیر لزج، تراکم ناپذیر و با تغییر مکانهای کوچک است، معادلات پیوستگی و اندازه حرکت به معادله موج خلاصه میشوند. همچنین فشار اعمالشده از طرف سیال بر سازه در محل تماس، برای تشکیل ماتریس اندرکنش در نظر گرفته میشود.
