بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله رفتار لرزها ي سد بتنی دو قوسی بختیاري در ایران با در نظر گرفتن اثرات مخزن سد به دو روش مدلسازي توسط المانهاي آب واقعی و مدلسازي بروش جرم افزودهي وسترگارد مورد بررسی قرار گرفته است. سد بتنی دو قوسی بختیاري با ارتفاع 325 متر از تراز پی در زمان بهرهبرداري، به عنوان بلندترین سد بتنی دو قوسی جهان محسوب میشود .
بدین منظور دو مدل اجزا محدود از مجموعهي سد-فونداسیون-مخزن ساخته شده که در مدل اول، مخزن سد توسط المانهاي آب واقعی و در مدل دوم، توسط المانهاي جرم نقطهاي مدلسازي شده و کلیهي شتابنگاشتهاي منتخب براساس نتایج مطالعات غفوري آشتیانی و همکاران به منظور بررسی رفتار لرزهاي سد در تحلیلهاي تاریخچه زمانی مورد استفاده قرار گرفته است.
شتابنگاشتهاي منتخب متناسب با دوره تناوب سد در حالت مخزن پر آب و جرم موثر مودي در راستاي اعمال شتابنگاشت، انتخاب و نتایج تاریخچه زمانی جابجایی 63 گره در بالادست بدنهي سد در هر دو روش مدلسازي مخزن مقایسه شدهاند. مقایسهي تاریخچه زمانی جابجایی گرهاي، دقت پایین روش جرم افزودهي وسترگارد در تحلیلهاي تاریخچه زماتی را نشان میدهد که گزارش آن به تفضیل در بخش نتایج ارائه شده است.
مقدمه
سدها سازههایی عظیم هستند که در صورت تخریب میتوانند خطرات فاجعه باري را براي مناطق پاییندست به وجود آورند. تحلیلهاي تاریخچه زمانی یکی از مهمترین تحلیلها براي بررسی رفتار بدنهي سدهاست و از طرفی در نظر گرفتن اثرات آب مخزن سد در تحلیلهاي تاریخچه زمانی اهمیت قابل توجهی دارد.
یکی از روشهاي در نظر گرفتن آب مخزن سد، روش تقریبی جرم افزودهي وسترگارد است. این روش توسط وسترگارد در سال 1933 براي مدلسازي تقریبی مخزن تراکم ناپذیر ارائه شده است . - Theorical Ma nual for Analysis of arch dams - درواقع در روش وسترگارد آب مخزن سد بااستفاده از المانهاي جرم افزوده مدلسازي شده و دیگر نیازي به مدلسازي المان محدود آب واقعی مخزن نیستکه اینموضوع تاثیر بسیار زیادي در سرعت تحلیلها و حجم نتایج خروجی دارد.
همچنین سدهاي بتنی قوسی به دلیل شکل خاص خود که از ناحیهي تکیهگاهها و پی گیردار میباشند، نسبت به حرارت و تغییرات آن بسیار حساسند و باید تغییرات دمایی در بدنهي سد و تنشها و کرنشهاي حرارتی مربوطه به عنوان شرایط اولیه در تحلیل ایمنی و پایداري این سدها منظور شود. در مقالهي حاضر رفتار لرزهاي بدنهي سد بتنی دو قوسی بخت یاري توسط مدل جرم افزودهي وسترگارد و همچنین توسط مدلسازي آب واقعی مخزن سد مورد بررسی قرارگرفته و مقایسهي نتایج این دو روش در بارگذاريهاي مختلف - خصوصا شرایط خاص دمایی - ارائه شده است.
در این تحقیق با استفاده از نرم افزار ANSYS، رفتار سد بتنی دو قوسی بختیاري تحت ورودي زلزله بررسی شده و پاسخ سازه، تحت مدلسازي آب واقعی مخزن مورد ارزیابی قرار گرفته است. به اینمنظور یک مدل کامل المان محدود از مجموعه ي سد – فونداسیون – مخزن در نرمافزار ANSYS تهیه شد و تحلیل تاریخچه زمانی این سازه تحت شتابنگاشتهاي منتخب انجام شد.
کلیهي شتابنگاش تهاي مورد استفاده در تحلیلهاي تاریخچه زمانی متناسب با دوره تناوب سد در حالت مخزن پر آب و جرم موثر مودي در راستاي اعمال شتابنگاشت وبا استفاده از نتایج تحقیقات غفوري آشتیانی و همکاران در زمینهي "انتخاب شتابنگاشتهاي شدید زلزله براي پیش بینی ایمنی لرزهاي سازهها" انتخاب شدهاند . - Ghafoury et al.,2010 - براي انجام تحلیلهاي حاضر از روش تحلیل کوپل سازهاي- حرارتی استفاده شده که در این روش دماي گرهاي به وسیلهي نتایج تحلیلهاي حرارتی محاسبه شده و مقادیر آن به عنوان بارگذاريهاي حرارتی به مدل اعمال شده و سپس بارگذاري لرزهاي توسط تحلیل سازهاي بر روي سد انجام میشود.
معرفی مدل المان محدودسد-فونداسیون-مخزن
موقعیت جغرافیایی ساختگاه سد بتنی قوسی بختیاري در 48درجه و 46دقیقه و 50 ثانیه طول شرقی و 32 درجه و 57دقیقه و 41ثانیه عرض شمالی بوده و در مرز بین استانهاي لرستان و خوزستان قرار دارد. این سد در زمان بهره برداري با ارتفاع 325 متري از تراز پی و طول تاج 520/2 متري، به عنوان بلندترین سد بتنی دو قوسی جهان محسوب خواهد شد.
به منظور بررسی رفتار لرزهاي سد، مدل المان محدودي مطابق شکل 1 تهیه شده است. مدل المان محدود سد شامل 46251 گره سازهاي بوده و در آن از 25768 المان 20 گرهی سه بعدي براي مدلسازي بدنه استفاده شده است. به منظور مدلسازي بدنهي سد از 1404 المان، محدوده نامنظم مخزن از 22464 المان، فونداسیون سنگی سد از 1750 المان و براي مدلسازي المانهاي انتقال دهندهي فشار بالابرنده به بدنهي سد از 150 المان 4 گرهی استفاده شده است. مدلسازي بدنهي سد در راستاي ضخامت توسط سه لایه المان با دقت بسیار بالا انجام شده که این موضوع تاثیر زیادي بر توزیع یکنواخت تنشها و دقت نتایج دارد. همچنین خصوصیات مکانیکی و حرارتی منظور شده براي بتن بدنهي سد، پی و آب مخزن که در مدل عددي استفاده شده است، به ترتیب در جداول 1 الی 3 آمده است.
جدول :1 مشخصات مکانیکی و حرارتی منظور شده براي بتن بدنهي سد
جدول :2 مشخصات آب مخزن
شکل:1 مدل المان محدود سد-مخزن-فونداسیون سد بختیاري
بارگذاري
بارهاي وارد بر سدهاي بتنی قوسی به طور کلی به دو دستهي بارهاي استاتیکی و بارهاي دینامیکی تقسیم میشوند.به علت مدلسازي واقعی بارگذاري لرزهاي، مدت زمان ده ثانیه اول تحلیل به بارگذاري ثقلی اختصاص مییابد و برنامه این امکان را میدهد که پس از انجام تحلیل استاتیکی، تحلیل دینامیکی انجام شود.
بارهاي استاتیکی
بار مرده در سدهاي قوسی، شامل وزن بتن سازه به همراه سازههاي وابسته به سد مانند دریچهها، پلها و تجهیزات مکانیکی است.
بار ناشی از فشار هیدرواستاتیک بر وجه بالادست و پایین دست بدنهي سد اعمال میشود. تراز نرمال و حداقل آب مخزن با توجه به خصوصیات و مطالعات هیدرولوژیکی منطقه و موقعیت سرریزها در بدنهي سد تعیین میشود.
با توجه به نتایج مطالعا ت هیدرولوژیکی منطقه در پروژهي سد بتنی قوسی بختیاري، تراز آب حداقل بالادست در ارتفاع 785 متري از سطح آب دریا، تراز آب حداقل پایین دست در ارتفاع 534/3 متري از سطح آب دریا و پی سد در ارتفاع 515 متري از سطح آب دریا قرار دارد.
بار رسوبات مانند فشار هیدرواستاتیک آب بر بالادست بدنهي سد اعمال میشود . مطالعات هیدرولوژیکی منطقه نشان میدهد که سطح رسوبات پس از 50 سال از زمان بهره برداري سد به تراز 626 متري از سطح دریا - معادل 110 متر - خواهد رسید. در واقع اثر رسوبات براي اعمال بر بدنهي سد معادل فشار هیدرواستاتیک مایعی به چگالی 13600 نیوتن بر متر مکعب در نظر گرفته میشود.
در سدهاي بتنی دو قوسی، فشاري که در جهت پایین به بالا اثر مینماید به علت آنکه وزن سد را کاهش داده و در جهت ناپایداري آن عمل میکند، با اهمیت است. از طرفی در سد بختیاري به علت بزرگ بودن سطح فونداسیون سد، این موضوع اثرات قابل توجهی خواهد داشت. براساس گالري زهکش در نظر گرفته شده براي سد بختیاري در نزدیکی پاشنهي سد، طرح فشار بالابرنده در محل اتصال سد به فونداسیون در حالت زهکشی شده و مقدار آن به صورت خطی از 0/33 بیشترین فشار بالادست به بیشترین فشار پایین دست کاهش مییابد.
در مطالعهي حاضر اثرات بارگذاري حرارتی عملیاتی در سردترین و گرمترین روزهاي سال در نظر گرفته شده است. براي انجام بارگذاري حرارتی در تحلیل سد بتنی قوسی بختیاري از روش اشتوکی- درون استفاده شده است . - Stucky and derron 1957 - براساس جدول 4 که میانگین دماي هوا در محل سد بختیاري را نشان میدهد، می توان یک تابع سینوسی هارمونیک را میانیابی کرد. معادلهي این تابع می تواند به شکل زیر باشد و می تواند دماي هواي محیط در زمان دلخواهی از سال را نمایش دهد.
جدول :4 میانگین دماي هواي در محل سد بختیاري بر حسب درجهي سانتی گراد
:TAirدماي هواي محیط در زمان t از سال
TAirAvg :دماي متوسط سالانه ، بر پایهي برازش منحنی سینوسی. در محل سد بختیاري این مقدار برابر 21/2 درجه سانتی گراد است. :TAirAmpدامنهي تغییرات دماي هواي محیط بر پایهي برازش منحنی سینوسی. این مقدار مساوي با 13/24 درجه سانتی گراد است.
