بخشی از مقاله
چکیده
این تحقیق به معرفی و شرح شاخصی برای افزایش دقت نتایج تحلیل خطی در سدهای بتنی قوسی میپردازد. در طراحی اولیه سدهای بتنی قوسی به دلیل زمان بر بودن تحلیل غیرخطی و تعداد زیاد تحلیل در حین طراحی از تحلیل خطی استفاده می شود ؛ ولی در عمل می دانیم با بازشدن درزهای سدهای بتنی قوسی حتی تحت بارهای استاتیکی تنش های کششی در محل درزها آزاد و بازتوزیع صورت خواهد پذیرفت . طراحان با علم به این موضوع و با فرض به اینکه تنش به حد مجاز نخواهد رسید به سد این اجازه را می دهند که مقدار تنش در بدنه آن از مقدار مجاز تجاوز نماید. حال سؤال اینجاست تا چه مقدار تجاوز از تنش مجاز قابل قبول است.
این تحقیق برای یافتن پاسخی برای این پرسش، به معرفی شاخص بدون بعدی تحت عنوان شاخص طراحی در طراحی اولیهی سدهای بتنی دوقوسی پرداخته است.در ادامه با مدلسازی و تحلیل خطی و غیرخطی چندین سد بر روی دره هایی با اشکال مختلف ، ضمن محاسبه مقدار مناسب برای این شاخص و رابطه ی آن با حداکثر تنش غیرخطی ، به نحوه ی استفاده از این شاخص در طراحی های مقدماتی - بدون نیاز به انجام تحلیل غیرخطی ولی در نظر گرفتن اثرآن - پرداخته شده است .
.1 مقدمه
سدهای بتنی قوسی با توجه به عملکرد آنها در انتقال بار ناشی از فشار آب به جناحین با استفاده از قوس های افقی، نیاز به حجم بتن کمتری نسبت به سایر سدهای بتنی دارند ولی بایستی به دقت پایداری آن ها در تکیهگاهها و تحت تنش های کششی کنترل شود. برای کنترل تنشهای کششی ناشی از حرارت و انقباض بتن و همچنین برای سهولت در ساخت سد، سدهای بتنی قوسی را از بلوک های مجزایی می سازند که با درز های انقباضی عمودی از یکدیگر جدا شده اند.
علاوه بر این در محل اتصال بدنه ی سد به فونداسیون نیز درز پیرامونی وجود دارد. مقاومت کششی این درزها از مقاومت بتن بدنه کمتر است بنابراین تحت بارهای وارده میتوانند باز شده و باعث بازتوزیع تنش در بدنهی سد شوند. گرچه در تحلیل خطی سدهای بتنی قوسی، رفتار این درزها در نظر گرفته نمی شود ولی تحقیقات نشان داده است که مدلسازی آنها اثر قابل توجهی در نتایج تحلیل سد دارد.
در یکی از اولین تحقیقات [1] رفتار درز ها با فنر هایی با سختی محوری و خمشی مدل شده است. نتایج مدل سازی بر روی سد پاکویما نشان میدهد که تحت بار زلزله درزهای قائم در قسمت بالایی سد باز میشوند. در این سد درز های پیرامونی حتی در حین زلزلههای خفیف نیز باز شده و باعث بازتوزیع تنش میشوند؛ در تحقیق آقای احمدی و همکاران [2] المان های غیرخطی ای برای مدل سازی رفتار درزها معرفی شده است. در این تحقیق ارتفاع کلیدهای برشی، چسبندگی درزه، اصطکاک درزه، نرم شدگی پس از ایجاد ترک در درز و رابطه ی بین باز شدن درز و لغزش آن مدل شده است.
هنگامی که تنش کششی در درز ها از حد مجاز فراتر رود سختی کششی درز صفر می شود و با افزایش فاصله ی بین دو بلوک و رسیدن فاصله به اندازه ی ارتفاع کلیدهای برشی، سختی برشی درزه نیز صفر می گردد. مدل معرفی شده بر روی یک تیر بتنی کنترل شده و سپس در مدل سد ماریوپوینت به کار گرفته شده است. نتایج نشان میدهد که تحت زلزلهی قائم و یا تحت زلزلهی در راستای دره و برای بارگذاری متقارن، درزهای میانی دچار شکست کششی و درزهای کناری واقع در یک چهارم دهانه، دچار شکست برشی میشوند.
عموماً باز شدگی درزها بیش از چند سانتیمتر نبوده و از ارتفاع کلیدهای برشی تجاوز نکرده است؛ آقای احمدی و رضوی [3] با استفاده از المانهای رابط و مدل ترک گسسته و با ساده سازی هایی به مدل سازی رفتار درز های قائم و درزهای بین سد و فونداسیون، تحت بارهای استاتیکی غالب پرداختند. نتایج نشان داد که چه برای سدهای با پی صلب و چه برای سدهای با پی نرم و همچنین برای سدهای با نسبت دهانه به ارتفاع متفاوت، مدل کردن درز ها و وقوع ترک در درزههای بین سد و پی، اساساً باعث افزایش تنش های فشاری شعاعی در بدنه و کاهش تنش های کششی می شود؛در تحقیق آقای فِنوس و همکاران [4] سد قوسی با المانهای پوسته و درزهای بین بلوک ها با المان های 8 گرهی اتصال با رفتار غیرخطی مدل شده است.
نتایج بیانگر آن است که در صورت مدل سازی سد بدون درزها تحت اثر زلزله، تنش های کششی غیرواقعی و زیادی در راستای قوس در بدنهی سد به وجود میآید. مدل سازی درز ها باعث کاهش 50 تا 60 درصدی در حداکثر میزان تنش های قوسی در بدنه ی سد می شود ولی تنش های کششی طره را افزایش می دهد. در این تحقیق فرض شده است که کلیدهای برشی از لغزش مماسی درزها جلوگیری می کند؛ در تحقیق [5] از المان های درز در نرم افزار آدینا برای مدل سازی درز ها استفاده شده است. نتایج بیانگر افزایش تنش های فشاری و تنش های کششی در راستای طره و کاهش تنش های کششی در راستای قوس به میزان 40 می باشد.
همچنین مدل سازی سد با 3 درز انقباضی جواب های بهتری را به دست می دهد؛ در تحقیقات آقای رضوی و واتانابی [7 ,6] المان های رابط ایزوپارمتریک سه بعدی برای مدلکردن درزهای قائم و پیرامونی سدهای قوسی به کار گرفته شدهاند. سد شهیدرجایی به عنوان مطالعه ی موردی انتخاب شده است. نتایج نشان می دهد که درزهای پیرامونی سد حتی در بارگذاری استاتیکی نیز باز می شوند و این امر باعث کاهش تنش های کششی طرهای و افزایش عملکرد قوسی سد و افزایش تنش فشاری در راستای قوس می شود. برعکس این حالت هنگامی که درز های قائم باز می شوند تنش های فشاری و کششی طره در پایه ی سد افزایش می یابد و از عملکرد قوسی سد کاسته میشود.
در نظر نگرفتن اثر درزها در تحلیل سد قوسی باعث به دست آمدن تنش های کششی زیادی در بدنه می شود که با رفتار واقعی سد همخوانی ندارد؛ در تحلیل لرزه ای سد بتنی قوسی توسط آقای هال [8] درزهای قائم انقباضی نیز مدل شده اند. نشان داده شده است که رویکرد پخشی در لغزش اصطکاکی درز ها اثر زیادی دارد؛ مدل سازی رفتار بازشدن و بستهشدن درزها و همچنین مدل کلیدهای برشی در تحقیقی توسط آقای لو و همکاران [9] انجام شده است. نتایج ارائه شده نشان می دهد که عملکرد درز ها باعث تغییر زیادی در توزیع تنش و میدان جابجایی در بدنه ی سد می شود. همچنین کلید های برشی مانع موثری در برابر لغزش در درزها میباشند. حتی بدون وجود کلیدهای برشی درز ها در قسمت های پایینی، سد دچار لغزش نمیشوند.
در این تحقیق درزها با المان های اتصال با ضخامت صفر مدل شده اند. مدل سازی در برنامه ی بنداب که توسعه یافتهی برنامهی ادپ88 میباشد انجام شده است؛ آقای ژانگ و همکاران [10] اثر آرماتورگذاری در درز ها را بررسی کرده اند. آرماتورها در نیمه ی بالایی مونولیت ها و برای سد جیاوان مدل شدهاند. برای به دست آوردن نتایج دقیق حداقل مدل کردن 9 درز قائم ضروری است. نتایج نشان می دهد که استفاده از آرماتور میزان باز شدن درزه ها را در حین زلزله کاهش می دهد ولی بر روی تنشهای طره تاثیر معنی داری ندارد؛ در تحقیق آقای لطفی و همکاران [11] نیز از المانهای رابط با ضخامت صفر استفاده شده است.
رفتار غیرخطی درزهای انقباضی و پیرامونی در حین زلزله و اثرات ناشی از لغزش آنها در تحقیق ذکر شده آورده شده است؛ در تحقیق [12] روش محاسباتی صریحی برای به دست آوردن پاسخ غیرخطی سد تحت بار زلزله و با در نظر گرفتن اثر باز شدن درز ها معرفی شده است. برای اعمال اثر درزها، نیروهای تماسی در درز ها در حین بار لرزه ای محاسبه می شوند. نتایج مدل سازی درز ها با مدل ساخته شده بر روی میز لرزه مقایسه شده است. همچنین سد جیاوان با روش پیشنهادی مدل شده است. نتایج بیانگر کاهش تنش ها در راستای قوس و افزایش تنش های طره ای می باشد.
همچنین با مدل سازی درز های پایینی سد، تنشهای طرهای نیز کاهش یافتند؛ در تحقیقی دیگر [13] اثر درزهای پیرامونی و پایههای تکیه گاهی سد بر ایمنی سدهای قوسی تحت بارهای استاتیکی و دینامیکی بررسی شده است. در این تحقیق سد دز به عنوان مطالعه ی موردی انتخاب شده است. نتایج نشان می دهد که درز های پیرامونی باعث افزایش ایمنی سد تحت بارهای استاتیکی و تحت زلزلههای خفیف میگردد. این درزها اثر کمی بر ایمنی سد تحت زلزلههای شدید دارند؛ در تحقیق [14] اثر میراگر های با آلیاژ حافظه دار، قرار داده شده در درز های قائم، برای کاهش پاسخ لرزه ای سدهای قوسی بلند مورد بررسی قرار گرفته شده است. مدل سازی در نرم افزار انسیس انجام شده است.
در صورت استفاده از این میراگر ها، نتایج بیانگر کاهش میزان باز شدن درزها در هنگام بار زلزله میباشد؛ در تحقیق [15] درزها در سدهای بتنی قوسی آرسیسی به صورت تئوری و همچنین نمونهی آزمایشگاهی سد شاپایی مدل شده است. نتایج مدلسازی بیانگر کاهش تنشهای کششی در بدنه می باشد؛ در [16] رفتار درزها تحت بار لرزهای مورد بررسی قرار گرفته شده است. مدلسازی درزها با استفاده از المان های غیر خطی اتصال و در نرم افزار آباکوس انجام شده است. نتایج مطالعه ی موردی اثر درز ها در سد کارون 1 تحت بار زلزله ی کویینا بیانگر افزایش جابجایی سد و کاهش تنشهای کششی میباشد؛ در تحقیقی دیگر [17] درز ها به صورت المان های رابط مدل شده اند که سختی برشی و نرمالی برای آن تعریف میشود. این مدل بر روی دو سد در چین اعمال شده است.
