بخشی از مقاله
خلاصه
سدهاي بتنی وزنی به عنوان مهمترین سازههاي مهندسی با صرف هزینههاي کلان ساخته میشوند. از اینرو استفاده از روشهاي قابل اعتماد به منظور طراحی سدهاي مقاوم در برابر بارها وکمترین هزینه ساخت ضروري میباشد. در این مقاله، طرح بهینه شکل سدهاي بتنی وزنی، با درنظر گرفتن اثرات غیرخطی اندرکنش سد-آب-فونداسیون، جهت کاهش حجم بتن مصرفی بدنه سد ارائه شده است.
حالتهاي بارگذاري شامل بارهاي ثقلی، فشار هیدرواستاتیک، فشار هیدرودینامیک و نیروي زلزله بوده است. محدودیتهاي تنش، لغزش و واژگونی به عنوان قیود بهینهسازي درنظر گرفته شدهاند. سیستم اندرکنش با درنظر گرفتن اثرات غیرخطی مصالح سد توسط روش اجزاي محدود شبیهسازي شده است. صحت مدل ارائه شده، با نتایج مراجع معتبر مقایسه و تایید شده است. به منظور بررسی کارایی روش ارائه شده براي بهینهسازي سدهاي وزنی، سد ساریاي ترکیه به عنوان یک سازه واقعی انتخاب شده است. نتایج بهینهسازي بیانگر اثرات چشمگیر رقتار غیرخطی مصالح در طرح بهینه سدهاي وزنی بوده است.
1. مقدمه
سدها به عنوان شریانهاي حیاتی که به همان میزان که تاثیر مثبت آنها برجسته و قابل توجه است، در صورت صدمه دیدن و شکسته شدن، میتوانند مخرب و فاجعه آمیز باشند. زلزله از جمله مهمترین عواملی است که میتواند چنین فاجعهاي را به بار آورد. طی قرن حاضر سدهاي بتنی زیادي ساخته شده و انتظار میرود که تعداد زیادتري نیز در مناطق زلزلهخیز ساخته شود.
این سدها دیر یا زود علاوه بر عوامل زیانآور معمولی، در معرض زمین لرزههاي مهمی نیز قرار خواهند گرفت. از آنجا که میلیونها نفر در دشتهاي سیلابی پایین دست این سدها زندگی میکنند، لازم است توجه فزایندهاي به ایمنی آنها در مقابل زلزله مبذول شود. براي ارزیابی ایمنی و پایداري سدها نیز، لازم است که رفتار لرزهاي آنها به طور کامل شناسایی شده و چگونگی عملکرد و نقاط ضعف آنها مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد. طراحی شکل و ابعاد سدهاي وزنی بتنی همواره به عنوان یک چالش اصلی در بحث طراحی این سازهها مطرح بوده است.
به طور سنتی طراحی سدهاي وزنی با یک فرایند آزمون و خطاء انجام میشود. براساس این روش، ابتدا یک طرح اولیه توسط طراح انتخاب و سد تحلیل میشود. چنانچه این طرح اولیه الزامات و خواستههاي طراحی را ارضاء نمایند قابل قبول واقع میشود در غیر این صورت شکل و ابعاد سد اصلاح شده و مجددا تحلیل میشود و این فرایند تا زمانی که همه احتیاجات طراحی برآورده شوند ادامه مییابد. شکلی که بدین روش براي سد بدست میآید قابل قبول میباشد اما لزوما بهینه و اقتصادي نمیباشد.
از طرف دیگر این پروسه ممکن است بسیار کسلکننده و وقتگیر باشد. همچنین با توجه به افزایش سدسازي در کشورها و سرمایهگذاري زیاد در بخش سدسازي، ارائه راه حلی مناسب، موثر و علمی جهت طراحی سدهاي بتنی وزنی که توجیه عملی و اقتصادي نیز داشته باشد جهت طراحی آنها ضروري است. تا بدین صورت ساخت سدها با حداقل هزینه ممکن، اجرا و مورد بهرهبرداري قرار گیرد. لذا براي دستیابی آسانتر و مطمئنتر به این هدف و ارائه یک طرح اقتصادي، یک روش بهینهسازي در طراحی بهینه سدهاي وزنی میتواند به طراحان کمک زیادي نمایید. در فرایند بهینهسازي میتوان با یک فرایند خودکار بهترین ابعاد شکل سد را با ارضا شدن شرایط و قیود طراحی را طوري بدست آورد بطوري که هزینه بتنریزي بدنه سد کاهش یابد.
در ارتباط با بهینهسازي شکل سدهاي وزنی با استفاده از روشهاي هوش مصنوعی تحقیقاتی انجام شده است.[4-1] در این تحقیقات، اثرات اندرکنش سد- مخزن- فونداسیون بطور مستقیم لحاظ نشده است. سلاجقه و همکاران[5] و سلاجقه و خسروي[6] مطالعاتی بر روي بهینهسازي شکل سدهاي وزنی بتنی با درنظر گرفتن اثرات خطی مصالح و اندرکنش سد- مخزن- فونداسیون ارائه دادهند.
همچنین، خطیبینیا و خسروي[7] با استفاده الگوریتم ترکیبی اصلاح شده گرانشی و پیوند متعامد، طراحی شکل بهینه سدهاي بتنی وزنی را انجام دادند. در تحقیقات گذشته، اثرات غیرخطی مصالح لحاظ نشده است در حالیکه این اثرات میتواند در طرح بهینه سد تاثیرگذار باشد.
هدف اصلی از این تحقیق، طراحی شکل بهینه سدهاي بتنی وزنی با درنظر گرفتن اثرات غیرخطی مصالح سازه در برابر زلزله میباشد. حالتهاي بارگذاري شامل بارهاي ثقلی، فشار هیدرواستاتیک، فشار هیدرودینامیک و نیروي زلزله میباشند. وزن بدنه سد به عنوان تابع هدف مساله بهینهسازي درنظر گرفته شده و متغیرهاي طراحی پارامترهاي هندسی سد میباشند.
محدودیتهاي تنش، لغزش و واژگونی نیز درنظر گرفته شدهاند. بدین منظور سد با مخزن پر و فونداسیون توسط روش اجزاء محدود مدلسازي شده است و رفتار مصالح سد به صورت غیرخطی در تحلیل منظور شده است. فرآیند بهینهسازي با استفاده از الگوریتم جستجوي گرانشی[8] انجام شده است. به منظور بررسی اثرات غیرخطی در بهینهسازي سدهاي وزنی، سد ساریار به عنوان یک سازه واقعی انتخاب و در برابر زلزله نورثریج بهینهسازي شده است. نتایج بهینهسازي نشان میدهد که درنظر گرفتن اثرات غیرخطی مصالح سد باعث افزایش مقدار حجم بتن نسبت به حالت رفتار خطی مصالح میشود. بنابراین باید که در طرح بهینه شکل سدهاي وزنی، اثرات غیرخطی مصالح سد منظور شود.
2. مسأله بهینهسازي سد بتنی وزنی
هدف از طرح بهینه شکل سدهاي بتنی وزنی با درنظر گرفتن اثرات غیرخطی اندرکنش سد-آب- فونداسیون، کاهش حجم بتن مصرفی بدنه سد میباشد. در این تحقیق، پارامترهاي هندسی تاثیرگذار در شکل سد بعنوان متغییرهاي بهینهسازي درنظر گرفته شده است. با توجه به شکل - 1 - ، بردار متغییرهاي مساله بهینهسازي سد وزنی به صورت زیر انتخاب شده است:
که در رابطه فوق، b عرض تاج سد می باشد. H2 و H3 براي تعریف کردن شیب پایین دست و بالا دست سد بکارگرفته شدهاند.
با توجه به حجم بالاي بتن مصرفی و پیچیدگی ساخت سازههاي بتنی حجیم از قبیل سدها، بکارگیري فرایندي که بتواند باعث بهینه شدن حجم بتن مصرفی شود، فواید بسیاري را براي مجریان به دنبال خواهد داشت و در مجموع به اقتصاد طرح کمک شایانی مینماید. لذا در این مطالعه، وزن بتن بدنه سد به عنوان تابع هدف درنظر گرفته شده است و به صورت زیر تعریف میشود:
که در آن، V حجم سد، چگالی بتن و g شتاب ثقل زمین میباشد.
قیود بهینهسازي سدهاي وزنی شامل قید پایداري و تنش میباشند که بصورت زیر درنظر گرفته شده است:
الف - قید لغزش: ضریب اطمینان در مقابل لغزش عبارتست از نسبت کل نیروهاي افقی مقاوم در مقابل لغزش به نیروهاي افقی لغزشی که با صرفهنظر کردن از مقاومت برشی مقطع، تنها نیروي مقاوم، اصطکاك بین دو قطعه میباشد. این ضریب اطمینان 1.75 درنظرگرفته میشود
ب - قید واژگونی: این قید عبارتست از عبارت است از نسبت لنگر نیروهاي مقاوم در مقابل واژگونی حول پنجه هر مقطع از سد به لنگر نیروهاي واژگونی نسبت به همان نقطه. حداقل ضریب اطمینان مذکور معادل 1/5 درنظر گرفته میشود
ج - قیود رفتاري: تنشهاي اصلی فشاري و کششی به عنوان قیود تنش در بدنه سد در هر لحظه از آنالیز دینامیکی بررسی میشود تا از مقادیر مجاز کمتر باشد. بنابراین باید براي همه نقاط زمانی از رکورد زلزله، روابط زیر را ارضا نماید
nj تعداد کل گره هاي بدنه سد میباشد که توسط مشبندي بدنه سد در قالب روش اجزا محدود ایجاد میشود. در این مطالعه، تنش مجاز کششی و تنش مجاز فشاري به ترتیب برابر 1/5 و 12/5 مگاپاسکال درنظر گرفته شده است.
شکل-1 مقطع سد بتنی وزنی
3. مدل اجزاء محدود سیستم سازه و سیال
به منظور تحلیل سیستم اندرکنش سازه و سیال با روش اجزاءمحدود، ابتدا معادلات دینامیکی اجزاء محدود آب و سپس سازه به صورت مجزا استخراج میشوند سپس با استفاده از این معادلات، به یک معادله دینامیکی واحد سازه - سیال تبدیل میشود. آب مخزن یک سیال تراکمپذیر و غیرویسکوز فرض میشود، معادله اجزاء محدود سیال بصورت زیر بیان میشود:
که M f ، C f، K f به ترتیب ماتریس جرم، میرایی و سختی سیال نامیده میشود. pe ،ue ،ug به ترتیب فشار گرهاي، بردارهاي شتاب گرهاي و زمین میباشد.
