بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی لرزه اي سد بتنی غلتکی چشمه عاشق با در نظرگرفتن اندرکنش سد و مخزن
چکیده
نتایج تحلیل تنش و ارزیابی ایمنی لرزهاي سد بتنی غلتکی چشمهعاشق با در نظرگرفتن اندرکنش سد و مخزن در این مقاله مورد بحث قرار میگیرد. در ابتدا مبانی تئوریک آنالیز دینامیکی و همچنین نحوه بارگذاري در تحلیل هامختصراً ارائه میشود.
سپس بلندترین مقاطع سرریز و غیرسرریز براي انجام تحلیل ها که توسط برنامه ANSYS انجام شده است معرفی می گردند. در ادامه پاسخ دینامیکی سد مذکور مورد ارزیابی قرار میگیرد. لازم به ذکر است که در این تحلیلها مقادیر پوش حداکثر تنشهاي کششی و حداقل تنشهاي فشاري که در طی زلزله ایجاد می شوند مبناي مقایسه با تنشهاي مجاز است. تنشها به تفکیک بتن رویه معمولی و بتن هسته غلتکی مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند. تحلیلهاي دینامیکی در دو سطح زلزله DBEو MCE
صورت گرفته استنهایتاً. مقاومت فشاري پیشنهادي براي بتن معمولی براي بخش عمدهاي از بدنه سد 25 مگاپاسکال و براي بخش غلتکی12 مگاپاسکال مورد تائید قرار گرفت. لکن در بخشهایی از بدنه سد بخصوص نزدیک ناحیه تغییرشیب بالادست سد افزایش مقاومت به 28 مگاپاسکال قابل توصیه است.
کلمات کلیدي: تحلیل دینامیکی، طرح لرزهاي، سد بتنی غلتکی، اندرکنش سد و مخزن، تحلیل تنش
مقدمه
سدها سازه هایی هستند که با ذخیرهکردن آب، نقش مهمی در زندگی بشر ایفا مـیکننـد. بـا در نظرگـرفتن ملاحظـات
زیست محیطی و اقتصادي، عملکرد مناسب و مطمئن آنها امري حیاتی است. از لحاظ آماري، تخریب سدها کمتـر از سـایر
هايسازه دیگر گزارش شده ولی در بسیاري از حالات، این تخریب باعث نتایج فاجعهباري شده است.
در سال هاي اخیر، مطالعات گستردهاي در مقوله تأمین ایمنی سدها به خصوص در نواحی لرزهخیز صورت گرفته است.
با این وجود هنوز هم رفتار پیچیده این سیستم تحت تحریکات دینامیکی به درستی درك نشده است. در مطالعات مربـوط
به ارزیابی ایمنی سدها، نه تنها سدهاي در دست احداث، بلکه سدهاي ساخته شده نیز باید مورد ارزیابی قراراولینگیرند.
گام در ارتباط با این مقوله، انجام تحلیل هاي دینامیکی خطی و مقایسه تنشهاي بابهدستآمده تنشهاي مجاز توصیهشـده در آیین نامه هاي طراحی سدهاي بتنی است. پس از ارزیابی هاي لرزه اي خطی سد در سطوح مختلف زلزله، ممکن است به
تحلیل هاي دقیق تر غیرخطی بر اساس مدل رفتاري مناسب بتن در کشش یا فشار نیاز باشد. بدون شک، تحلیل هايايلرزه
خطی سد میتواند تا حدي وضعیت ایمنی سد را تحتهايزلزله مختلف منعکس کند.
نتایج تحلیلهاي دینامیکی و همچنین ارزیابی ایمنی طراحی مرحله دوم سد بتنی غلتکی چشمهعاشق در این مقاله ارائه میشود. این سد با ارتفاع حدود 60 متر در فاصله 96 کیلومتري جنوب شرق شهر نیریز فارس روي رودخانه چشمه عاشق واقع شده است. در ابتدا مبانی و تئوري آنالیز دینامیکی و همچنین معرفی مختصر برنامه مورد استفاده آورده شده است. در ادامه، مشخصات مصالح و پارامترهاي اولیه طراحی و سپس نحوه بارگذاري در تحلیلهاي دینامیکی مورد بحث
قرار میگیرد. در پایان، نتایج آنالیزهاي مختلف تشریح شده است. براي انجام تحلیلها از برنامه ANSYS استفاده شده
است .[1] انتخاب این برنامه، بهدلیل داشتن قابلیتهاي فوقالعاده در بحث تحلیلهاي دینامیکی بالاخص در زمینه مدلکردن آب مخزن و در نظرگرفتن تراکمپذیري آب و همچنین استفاده از پیش و پس پردازش قوي آن بوده است. در قسمت تئوري آنالیزها، مبانی تئوریک مورد استفاده در این برنامه مختصراً تشریح میشود.
معرفی سد چشمهعاشق
پلان سد چشمهعاشق که از نوع وزنی با تک قوس ملایم است در شکل (1) ترسیم شده است. نظر به قوس اندك در
پلان، بلوكهاي سد بهصورت وزنی با رفتار تنش مسطح در تحلیلها مدنظر هستند. هندسه بلندترین بلوك غیر سرریز سد با ارتفاع 62/2 متر که در تحلیلها مورد استفاده قرارگرفته در شکل (1) نشان داده شده است.
2
شکل:1 پلان، پروفیل طولی و مقطع عرضی بلندترین بلوك سد چشمهعاشق
مبانی تئوریک تحلیل دینامیکی با در نظر گرفتن اندرکنش سد و مخزن
اگرچه روشهاي ساده وبعضاً محافظهکارانه جهت واردکردن اثر فشارهاي هیدرودینامیک بهصورت جرم افزوده به وجه بالادست سد وجود دارند، لکن در این مقاله، از روش دقیق مدلسازي مخزن براي در نظرگرفتن اثرات اندرکنش سد
و مخزن در تحلیلها استفاده شده است. معادله حاکم بر محدوده سیال در حالت کلی به نام رابطه ناویر- استوکس معروف
است. با فرض تراکمپذیري سیال، استفاده از رابطه پیوستگی و در نظرگرفتن سرعتهایی با دامنه کم همچنین فرضحرکت غیرچرخشی سیال، رابطه حاکم بر مخزن بهنام معادله موج شناختهصورتمیشود که به :[2]
در این رابطه، C ، سرعت موج فشاري در سیال است. در تحلیلهاي مطرح در این مقاله، معادله فوق با تحمیل شرایط مرزي مناسب به مرزهاي مخزن در محدوده زمان حل شده است. در اینجامختصراً به شرایط مرزي مطرح کهحلبراي معادله فوق مورد نیاز است اشاره میشود. نظر به اینکه بدنه سد آببند بوده و جریانی در مرز بین سد و مخزن وجود ندارد، لذا میتوان رابطه زیر را به عنوان شرط مرزي وجه بالادست سد بهکار برد.
که در آن n ، نشاندهنده بردار واحد نرمال رویه بالادست سد بهسمت دریاچه و شتاب نرمال رویه بالادست
است. در صورتیکه کف مخزن بهصورت صلب فرض شود، میتوان رابطه (2) را بهعنوان شرط مرزي بین مخزن و دیواره
اطراف و کف بهکار برد. صلببودن کف مخزن بهاین معنی است که، هیچگونه جذب موجاطرافویا نفوذ آب بهداخل
مخزن وجود ندارد. ولی باید توجه داشت که همواره مقداري رسوب در مخزن وجود دارد که باعث جذب درصدي از امواج هیدرودینامیک میشود. شرط مرزي مورد استفاده براي این بخش مخزن با فرض این که پس از برخورد امواج با
کف مخزن، تنها امواج طولیمنتشرعمودي در پی شوند به صورت زیر خواهد بود:
این رابطه در مقایسه با شرط مرزي بین سد و مخزن، یک جمله اضافه دارد که بیانگر جذب امواج هیدرودینامیک توسط بستر رسوبی و پی سد است. q ضریب جذب موج بوده که مقدار آن بر حسب α بهعنوان ضریب انعکاس موج
یعنی نسبت دامنه موج هیدرودینامیک برگشتی به دامنه موج اولیه، از رابطه زیر بهدست میآید:
از بعد تئوریک، مقدار ضریب انعکاس موج بین +1 و -1 تغییر میکند. بدیهی است که در حالت فرض بستر صلب،
مقدار ضریب جذب موج برابر صفر خواهد شد. بههر حال انتخاب α مناسب به وضعیت رسوبات کف مخزن نیز بستگی
دارد بهطوريکهعموماً براي سدهاي نوساز از مقادیر بین 0/9 -1 و براي سدهایی با گذشت زمان زیاد از ساخت آنها
(ایجاد رسوب) از مقادیر 0/7 -0/9 استفاده میشود. اندرکنش سد و مخزن در حالت تراکمپذیر بهدلیل ایجاد امواج فشاري
و انتقال این امواج در مخزن، اغلب بهصورت المان نیمه بینهایت براي جلوگیري از انعکاس امواج مطرح بوده، لذا با
داشتن چنین ماهیتی، براي سادگی معمولاً از روشهاي آنالیز در محدوده فرکانس استفاده میشود و اگر بخواهد در محدوده زمان بررسی شود میبایستی شرط مرزي مناسبی براي انتهاي قطعشده مخزن در نظرگرفته شود بهطوريکه
امواجی که از سازه دور میشوند در انتهاي دورکاملاً جذب شوند. رایجترین آنها شرط مرزي سامرفیلد است:
تعبیر فیزیکی معادله فوق این است که در مرز بالادست، تعدادي مستهلککننده امواج فشاري قرار داده شده باشد. این مستهلککنندهها به امواج فشاري ایجادشده امکان بازگشت یا انعکاس به داخل مخزن را نمیدهند. شرط مرزي سطح آزاد
مخزن با صرفنظر از امواج سطحی بهصورت فشار صفر اعمال میشود. این مهم در تحلیلها با مقیدکردن درجات آزادي فشار در گرههاي سطح آزاد مخزن صورت میگیرد. با اعمال روش باقیمانده وزنی گالرکین به معادله موج و در نظرگرفتن شرایط مرزي فوق، میتوان معادلات درگیر سیستم را بهصورت رابطه زیر خلاصه کرد :[1,2]
در این معادله، G، Lو H بهترتیب ماتریسهاي شبهجرم، شبهمیرایی و شبهسختی در محدوده سیال هستندکه
در ابتدا براي هر المان سیال انتگرالگیري شده ونهایتاً ماتریسهاي کل آنها تشکیل میشوند. همانطور که مشاهده
میشود، از میان ماتریسهاي ضرایب دستگاه فوق، ماتریسهاي جرم و سختی، نامتقارن و با عرض باند بزرگ هستند. حل
این دستگاه در برنامصورتهANSYSبه حل همزمان گیردانجام می .[1]
فرضیات تحلیلهاي انجامشده و مش هاي اجزا محدود
براي جلوگیري از انعکاس امواج در مرزهاي سنگ پی، مطابق معمول تحلیل دینامیکی سدهاي بتنی، از مدل بدون
جرم براي پی استفاده شده است. به عبارت دیگرصرفاً، انعطافپذیري پی مد نظر است. در واقع، در این مطالعه از
اندرکنش سد و پی صرفنظر شده است. بدیهی است، واردکردن اندرکنش سد و پی در تحلیل میتواندعمدتاً منجر به
4
کاهش پاسخ دینامیکی شود. درنظرگرفتن این اندرکنش مستلزم اعمال شرایط مرزي مناسب براي مرزهاي پی است. این مهم در این مقاله بهطور محافظهکارانه بهصورت میرایی معادل سیستم سد و پی مدنظر قرار میگیرد.
بهطور معمول، میرایی اعمالشده در تحلیلهاي DBE و MCE به ترتیب 5% و 10% با تنظیم میرایی در دو فرکانس
مناسب براي محاسبه ضرایب استهلاك رایلی مد نظر است. همانطور که اشاره شد، میرایی سنگ بستر نیز سهم زیادي در
میرایی سیستم مرکب سد- سنگ بستر دارد. این مهم بهویژه در سدها با مدول تغییرشکل کم براي بستر سنگی میزان
قابلتوجهاي خواهد بود. از اینرو، میتوان میرایی موثري براي سیستم سد و سنگ بستر در نظرگرفت. براي این سد با مشخصات فرکانسی آن، افزایش میرایی در حد 3 تا 4 درصد بهخاطر میرایی هیسترتیک و همچنین میرایی انعکاسی پی
منطقی و تاحدي محافظهکارانه به حساب میآید. بدین ترتیب در تحلیلهاي انجامشده، میرایی اعمالشده در تحلیلها
برابرو %13 %9 براي سطوح زلزله DBEو MCE هستند. با توجه به شرایط لرزهخیري ساختگاه سد رکورد زلزله طبس با
ضرایب مقیاس مناسب در دو سطح زلزله مورد استفاده قرار میگیرد. حداکثر شتاب در مولفههاي افقی و قائم در سطح
ترتیبDBE به 260gو0/098g 0/ و در سطح MCE بهترتیب 0/692g و0/295g است .[3]
در تحلیلهاي حاضر، رفتار بتن بدنه بهصورت تنش مسطح و بخش پی سد بهصورت کرنش مسطح فرض شده است.
فرض تنش مسطح بودن بدنه، بهدلیل وجود درزهاي قائم با فاصله 16 تا 20 متر اتخاذ شده است. المان مورد استفاده براي
مدلسازي بدنه، پی و مخزن سد، 4 گرهاي ایزوپارامتریک است. تحلیلها روي بلندترین بلوكهاي سرریز 57/7) متر) و
غیرسرریز 62/2) متر) سد انجام شده است. جزئیات مشهاي اجزاء محدود مربوط به سیستم سد، پی و مخزن در شکلهاي (2) و (3) ترسیم شده است. مناطق مختلف بدنه سد که بهصورت بتن معمولی و غلتکی مطرح هستند تفکیک شدهاند. لازم بهذکر است که در مدلسازي مخزن، آب سد، تراکمپذیر با سرعت موج فشاري1440 m/s و ضریب انعکاس موج کف مخزن 0/8 فرض شده است. با توجه به تأثیر قابلملاحظه شتابهاي کف مخزن روي تنشهاي بدنه سد، شرط
مرزي کف مخزن چنان اعمال شده کصلبهتحریک کف مخزن در مدلها لحاظ شود.
شکل:2 مدل اجزاء محدود بدنه، پی و مخزن براي بلندترین مقاطع سرریز (راست) و غیرسرریز (چپ)
5
