تحلیل تنش
با انتخاب محور و طراحی اولیه سد، کفایت محور منتخب و طرح کلی سدهای وزنی بتن غلتکی بر مبنای تحلیل های پایداری بدنه سد (و تکیه گاه ها) کنترل و ارزیابی می‌شود. پس از این مرحله، کنترل و بهینه سازی طرح هندسی بدنه سد مستلزم انجام تحلیل های تنش برای شرایط بارگذاری محتمل استاتیکی و دینامیکی در طول دوره بهره برداری است. فرایند تحلیل تنش و بهینه سازی طرح هندسی بدنه سد شامل مراحل زیر می شود.
روش های تحلیل سدهای وزنی بتن غلتکی را می توان به دو دسته روش های تحلیلی ساده و روش های تحلیلی عد دی اجزای محدود تقسیم نمود. روش های تحلیلی ساده مبتنی بر تحلیل تعادل حدی مقطع سد و روابط ساده مقاومت مصالح و عموماً با فرض رفتار صلب برای بدنه سد هستند. در روش های تحلیلی عددی اجزای محدود نیز در غالب قریب به اتفاق موارد مقطع دو بعدی سد به همراه محدوده مناسبی از توده سنگ پی و مخزن سد، با فرض رفتار انعطاف پذیرخطی و یا غیرخطی برای بتن بدنه سد مدل سازی و تحلیل می‌شود.
اتخاذ روش تحلیلی مناسب تابع اهداف و نوع کاربری سد، شرایط ساختگاه و سطح داده ها و اکتشافات ژئوتکنیکی، و نیز دقت مورد نظر در مطالعات است. بدیهی است انتخاب و استفاده از روش تحلیلی مناسب تأثیر تعیین کننده ای در حصول اهداف مطالعات و دستیابی به طرح هندسی بهینه متناسب برای بدنه سد خواهد داشت. به طور معمول در مراحل اولیه مطالعات از روش های تحلیلی ساده، و در مراحل پایانی مطالعات (طراحی تفصیلی و مطالعات حین اجرا) بسته به میزان اهمیت سد و شرایط ساختگاه از روش های دقیق تر تحلیل عددی اجزای محدود برای محاسبه و کنترل تنش ها ی ایجاد شده در بدنه سد و ارزیابی و بهینه سازی طرح هندسی آن استفاده می‌شود. بدیهی است برای سدهای با اهمیت کم و یا کاربری موقت نظیر فراز بند ها، استفاده از روش های تحلیلی اجزای محدود چندان ضرورت نخواهد داشت.
از آنجا که مبانی طراحی سدهای وزنی بتن غلتکی به طور کلی بر اساس رفتار خطی بدنه سد تحت اثر بارهای عادی و غیرعادی استوار است، تدوین و تبیین دقیق روش های تحلیل مبتنی بر فرض رفتار خطی بتن غلتکی پایه و اساس کنترل طراحی مقطع سد بوده و از اهمیت ویژه ای برخوردار است. علاوه بر این، بر اساس نتایج تحلیل های خطی، می توان پتانسیل و میزان توسعه رفتار غیرخطی در بدنه سد در شرایط بارگذاری فوق العاده را شناسایی نموده و با پیش بینی تمهیدات لازم میزان خسارات وارد بر بدنه سد را در این شرایط به حداقل ممکن تقلیل داد.
اصولاً رفتار غیرخطی در سدهای بتنی وزنی بتن غلتکی در وهله اول به دلیل بازشدگی درزهای افقی و در وهله بعدبه دلیل از ترک خوردن جسم بتن غلتکی در اثر تنش های کششی ایجاد شده در بدنه سد، ایجاد می‌شوند. بنابراین رفتار غیرخطی بدنه سد در تحلیل های تنش باید متناسب با ماهیت رفتار بتن غلتکی بدنه سد، ویژگی ها ی ژئوتکنیکی و تکتونیکی ساختگاه، و همچنین هدف از مطالعه و تحلیل در نظر گرفته شود. در پاره ای موارد استفاده از روش ها ی ساده شده و تقریبی برای ارزیابی پتانسیل رفتار غیرخطی (بازشدگی درزهای افقی و ترک خوردگی بتن) در بدنه سد و یاپایداری کلی مقطع ترک خورده احتمالی بسیار مفید و موثر بوده و می تواند معیار مناسبی برای قضاوت به دست بدهد.
روش تحلیلی ساده
روش تحلیلی ساده همان گونه که ذکر شد بر فرض رفتار صلب بدنه سد و روابط تحلیل تعادل حدی و روابط حاکم بر تیر طره ای قائم بر اساس تئوری اولر- برنولی، استوار است. فرض دیگر این روش، رفتار مجزای بلوک های بدنه سد از یکدیگر است که لازمه آن وجود درزهای قائم تزریق نشده و بدون کلید برشی بین بلوک های بدنه سد است. با توجه به این که در سدهای وزنی بتن غلتکی غالباً شرایط فوق وجود داشته و بلوک های بدنه سد به صورت مجزا از هم عمل می کنند، استفاده از این روش جهت برآورد تنش ها و همچنین محاسبه (تخمین) طول مقطع ترک نخورده در داخل بدنه سد (به خصوص در ترازهای قطع بتن ریزی) و در مرز تماس بدنه سد و پی امکان پذیر است.
با توجه به فرضیات فوق، فرایند و مبانی روش تحلیلی ساده سدهای وزنی کاملاً مشابه با روش تحلیل تعادل حدی متداول برای تحلیل پایداری این نوع سدها است. علیرغم مبانی ساده و فرضیات ساده کننده روش تحلیلی ساده، نتایج حاصل از این روش از دقت مطلوبی برخوردار بوده و می تواند مبنای مطالعات طراحی و بهینه یابی طرح هندسی بدنه سد در مراحل اولیه مطالعات و حتی در طراحی تفصیلی باشد. به همین جهت، مطالعات و تحقیقات نسبتاً جامعی برای توسعه و بهبود سطح دقت و نتایج حاصل از روش های تحلیلی ساده سدهای وزنی انجام یافته است. بدیهی است استفاده از روش های تحلیل های دقیق تر در مطالعات مرحله تفصیلی، برای اعمال دقیق تر بارهای استاتیکی و دینامیکی و شناخت بهتر توزیع تنش در بدنه سد اجتناب ناپذیر خواهد بود.
روش تحلیلی ساده برای بارهای استاتیکی
مود شکست و پتانسیل رفتار غیرخطی غالب در سدهای وزنی بتن غلتکی، در اثر شکست کششی (بازشدگی) درزهای قطع بتن ریزی و یا شکست کششی جسم بتن غلتکی رخ می دهد. تنش های اصلی کششی در بدنه سدهای وزنی غالباً در مجاورت رویه بالادست سد رخ داده و با توجه به هندسه متداول مقطع سدهای وزنی بتن غلتکی، جهت تنش های اصلی کششی عموماً نزدیک به قائم است.
از سوی دیگر، با توجه به هندسه افقی صفحات نسبتاً ضعیف تر قطع بتن ریزی در بدنه سد، محاسبه تنش های کششی قائم در ارزیابی کفایت و بهینه سازی طرح هندسی سدهای وزنی بتن غلتکی کاملاً ضروری و اساسی است. بنابراین در روش تحلیلی ساده سدهای وزنی بتن غلتکی، به طور معمول محاسبات توزیع تنش در امتداد صفحات افقی در داخل بدنه سد انجام می پذیرد.
اولین گام در محاسبه توزیع تنش های قائم در امتداد صفحات افقی در بدنه سد، بررسی پتانسیل ترک خوردگی و محاسبه طول ترک احتمالی در بدنه سد در امتداد صفحه افقی مورد نظر است. این موضوع تابع وجود یا عدم وجود فشار برکنش در داخل بدنه سد (در محدوده مورد نظر)، و مقاومت کششی درز قطع بتن ریزی در بدنه سد است. با افزایش مقاومت کششی درزهای قطع بتن ریزی، ریسک وقوع و میزان پیشرفت ترک در بدنه سد متناسباً کاهش می یابد. همچنین در صورتی بدنه سد به صورت آب بند طراحی شود، ریسک وقوع ترک در بدنه سد به دلیل حذف فشار برکنش به شدت کاهش یافته و مقادیر تنش های کششی (و فشاری) در بدنه سد تقلیل می یابند.
در شرایطی که آب بندی بدنه سد با پیش بینی و اجرای المان آب بند در رویه بالادست تامین شده باشد، باید هندسه بدنه سد به گونه ای طراحی (و بهینه) شود که پتانسیل وقوع تنش های کششی به حداقل ممکن رسیده و امکان ترک خوردن رویه آب بند بالادست سد وجود نداشته باشد. زیرا در صورت وقوع ترک و شکست رویه آب بند بالادست، با بسیج فشار برکنش در داخل بدنه سد، ترک به سرعت گسترش یافته و ایمنی و ایستایی بدنه سد، به خصوص برای شرایط بارگذاری بحرانی، تهدید می‌شود. در گام بعد، بر اساس تئوری حاکم بر تیرها (تئوری اولر- برنولی) می توان تنش های نرمال و برشی را در امتداد صفحه مورد بررسی محاسبه نمود. با توجه به تئوری تیرها، تغییرات تنش های نرمال (تنش عمود بر صفحه مورد نظر) به صورت خطی بوده و مقادیر این تنش ها را می توان بر اساس روابط تعادل نیروهای داخلی مقطع به دست آورد.
محاسبه طول ترک
در اغلب مواقع وقوع ترک در درزهای افقی قطع بتن ریزی که در تماس با مخزن هستند، رخ می دهد. پس از وقوع ترک، با نفوذ آب تحت فشار و ایجاد فشار برکنش کامل بر روی سطوح ترک، فرایند رشد و گسترش ترک با توجه به مقاومت کششی بدنه در امتداد وقوع ترک (مقاومت کششی بتن غلتکی یا درز قطع بتن ریزی) آغاز می‌شود. بنابراین محاسبه طول ترک کاملاً مرتبط با فشار آب مخزن در محل وقوع ترک، میزان بسیج فشار برکنش در بخش ترک نخورده مقطع، و مقاومت کششی بدنه سد در امتداد وقوع ترک بوده و با توجه به ماهیت پیچیده و غیرخطی این فرایند، تحلیل دقیق آن مستلزم انجام یک سری محاسبات تکراری است تا جایی که همگرایی لازم در تحلیل ها و محاسبات تامین شود.
در شرایطی که مقاومت کششی بدنه سد در راستای عمود بر صفحه مورد نظر نسبتاً قابل توجه بوده و فشار برکنش در بخش ترک نخورده مقطع سد به دلیل وجود سیستم زهکشی و یا نفوذپذیری کم بدنه سد به شکل محدودتری بسیج شود، برای محاسبه دقیق طول ترک باید در ابتدا یک مقدار اولیه برای طول ترک (طول ترک صفر) در نظر گرفته شده و متناسب با آن، میزان و توزیع فشار برکنش در بخش ترک نخورده مقطع سد مشخص شود (توزیع فشار برکنش در امتداد ترک ثابت و مقدار آن همواره مساوی با هد مخزن در محل وقوع ترک در نظر گرفته می شود).
با برقراری تعادل نیروها، توزیع تنش نرمال موثر در بخش ترک نخورده مقطع سد در امتداد صفحه مورد نظر قابل محاسبه خواهد بود. درصورتی که تنش کششی موثر در لبه بالادست (یا درنوک ترک) معیار ایجاد (یا معیار گسترش) ترک را ارضاء نماید، طول فرض شده برای ترک باید افزایش یافته و محاسبات تکرار شود. این فرایند تکرار تا حصول شرایط مرزی برای معیار گسترش ترک در نوک ترک باید ادامه یابد. لازم به ذکر این که معمولاً انرژی مورد نیاز برای ایجاد ترک از انرژی مورد نیاز برای گسترش ترک بیش تر است، در نتیجه در حالت کلی معیار گسترش ترک می تواند با معیار ایجاد ترک متفاوت باشد. با این حال، می توان معیار ساده مقایسه تنش کششی موثر با مقاومت کششی بدنه سد در امتداد صفحه مورد نظر را به عنوان معیار ایجاد و گسترش ترک در نظر گرفت.
روش تحلیلی ساده برای بارهای دینامیکی
مهم ترین و تنها بار دینامیکی موثر وارد بر بدنه سد در دوره اجرا و بهره برداری، بار زلزله است که هم به صورت نیروی اینرسی بر مرکز جرم بدنه سد، و هم به صورت فشار هیدرودینامیک اضافی آب مخزن بر رویه بالادست سد نیرو وارد می کند. با توجه به این که اعمال بار دینامیکی و متغیر با زمان در روش های تحلیلی ساده امکان پذیر نیست، بارهای دینامیکی وارد بر بدنه سد (شامل نیروی اینرسی وارد بر جرم بدنه و فشار هیدرودینامیکی ناشی از مخزن) باید به صورت محاسبه و در نظر گرفته شوند.
با فرض رفتار صلب بدنه سد، عملاً شتاب وارد بر بخش های استاتیکی معادل یک بار مختلف بدنه سد یکسان و معادل شتاب زمین خواهد بود. این فرض، با توجه به این که بخش ابتدایی (محدوده فرکانس های بالا) طیف پاسخ زلزله معمولاً صعودی است، به خصوص در مورد سدهای وزنی بتن غلتکی (که نسبتاً انعطاف پذیرتر از سدهای بتنی وزنی متعارف هستند) می تواند منجر به تخمین دست پایین شتاب زلزله وارد بر بدنه سد شود. بنابراین، اعمال اثر انعطاف پذیدی بدنه سد برای محاسبه و تخمین دقیق تر بار استاتیکی معادل زلزله در سدهای وزنی بتن غلتکی مهم و قابل توصیه است.با توجه به شرایط فوق، روش های محاسبه بار استاتیکی معادل زلزله را می توان به دو روش شبه استاتیکی مبتنی بر رفتار صلب بدنه سد، و روش شبه دینامیکی مبتنی بر رفتار انعطاف پذیر بدنه سد، تقسیم نمود.
روش شبه استاتیکی
در این روش، بر اساس فرض رفتار صلب بدنه سد، شتاب وارد بر بدنه سد (و مخزن) در زمان وقوع زلزله در هر لحظه یکسان و معادل شتاب سطح زمین خواهد بود. بنابراین، بالاترین شتاب وارد بر بدنه سد و مخزن معادل بیشینه شتاب زمین در زمان وقوع زلزله خواهد بود. با توجه به ماهیت دینامیکی بار زلزله، در نظر گرفتن کل مقدار شتاب بیشینه زمین برای محاسبه نیروی استاتیکی معادل زلزله غیرمنطقی و بسیار محافظه کارانه خواهد بود.
روش شبه دینامیکی
معروف ترین و معتبرترین روش شبه دینامیکی برای محاسبه بار استاتیکی معادل زلزله بر روی بدنه سد و مخزن، روش ارائه شده توسط چاپرا است. در روش شبه دینامیکی چاپرا، علاوه بر لحاظ نمودن اثر انعطاف پذیری بدنه سد، اثر تراکم پذیری آب مخزن، و همچنین اثر جذب موج در کف مخزن در محاسبات در نظر گرفته می شوند. در این روش، برآورد نیروی جانبی زلزله بر اساس شکل ارتعاشی مود اول سدهای بتنیوزنی که مود اصلی ارتعاشی نیز است، انجام می‌گیرد.
روش های تحلیل عددی
روش های تحلیل عددی به طور کلی از دقت بالاتری نسبت به روش تحلیلی ساده برخوردار بوده و مستلزم صرف وقت و هزینه بیش تری هستند. به همین دلیل استفاده از این روش ها در مراحل نهایی مطالعات تفصیلی ( مرحله دوم) و مطالعات ارزیابی ایمنی و پایداری سدهای موجود توصیه می‌شود. با توجه به ماهیت رفتار سد های وزنی بتن غلتکی، استفاده از نرم افزارهای تحلیلی مبتنی بر روش اجزای محدود برای تحلیل این نوع سدها رایج است.
مدل تحلیلی اجزای محدود بدنه سد، پی، و مخزن
با توجه به این که رفتار غالب سدهای وزنی بتن غلتکی به صورت دو بعدی (بلوک های مستقل از یکدیگر) است، در روش های تحلیل عددی نیز مشابه با روش تحلیلی ساده، تحلیل تنش سیستم بدنه سد، پی، و مخزن بر پایه مدل دو بعدی مقطع سد انجام می پذیرد. برای این منظور، به طور معمول مدل سازی و تحلیل بلندترین مقطع سد کفایت می نماید ولی در مواردی که به دلیل تغییر در هندسه بدنه سد و یا تغییر شرایط ژئوتکنیکی توده سنگ پی، شرایط رفتاری نواحی کم ارتفاع تر سد متفاوت باشد، مدل سازی و تحلیل تنش سایر مقاطع شاخص بدنه سد نیز ضرورت می یابد.
در برخی موارد، به منظور افزایش یکپارچگی و ایمنی بدنه سد، پلان سدهای وزنی بتن غلتکی به صورت یک قوس با انحنای کم (بدون تزریق درزهای انقباضی) طراحی می‌شود. در این شرایط نیز، پتانسیل رفتار سه بعدی سد را که محدود به شرایط بارگذاری بحرانی (نظیر زلزله) می‌شود، می توان به عنوان حاشیه اطمینان اضافی در نظر گرفته وتحلیل تنش بدنه سد را به صورت دو بعدی انجام داد.
تحلیل استاتیکی
مهم ترین بارهای استاتیکی وارد بر بدنه سد شامل بار وزن و فشار هیدرواستاتیک مخزن هستند. با توجه به روش اجرای سدهای بتن غلتکی، بار وزن بدنه سد به طور تدریجی اعمال می‌شود ولی با توجه به رفتار خود ایستای مقطع سدهای وزنی بتن غلتکی، می توان بار وزن سازه را به صورت یکباره در مدل تحلیلی اعمال نمود. با توجه به رفتار معین سدهای وزنی، اثر تغییرات حرارت در دوره بهره برداری بر تنش های بدنه سد ناچیز و قابل صرف نظر است.
از آنجا که در طبیعت توده سنگ تحت اثر بار وزن خود (و سایر نیروهای طبیعی) در حال تعادل بوده و پایدار است، به طور معمول بار وزن توده سنگ در تحلیل های استاتیکی خطی اعمال نمی‌شود. بر اساس اصول و مبانی طراحی، عملکرد بدنه سد به خصوص تحت اثر بارهای استاتیکی می بایست در محدوده رفتار خطی مصالح بوده و هیچ پتانسیل بازشدگی درز یا ترک خوردگی در بدنه سد وجود نداشته باشد. بنابراین به طور معمول تحلیل های استاتیکی سدهای وزنی بتن غلتکی به صورت خطی انجام می شود.
در شرایط بارگذاری فوق العا ده استاتیکی (نظیر شرایط وقوع سیلاب حداکثر محتمل) و یا در مواردی که به دلیل کیفیت پایین اجرا، ریسک بازشدگی درزهای اجرایی بتن ریزی به دلیل مقاومت کششی کم و توسعه فشار برکنش در سطح این درزها وجود خواهد داشت. در این شرایط، در هنگام باز شدن درز، توزیع فشار برکنش متناسب با طول بازشدگی تغییر می کند و از طرف دیگر تغییر فشار برکنش باعث ازدیاد طول ترک (یا بازشدگی درز) خواهد شد. برای مدل سازی و تحلیل عددی این پدیده نیاز به انجام تحلیل های غیرخطی خواهد بود. شایان ذکر این که در مواردی که انجام تحلیل غیرخطی برای ارزیابی ایمنی و پایداری بدنه سد در برابر بارهای دینامیکی مد نظر باشد، انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی نیز که پیش نیاز تحلیل دینامیکی است، ضرورت می یابد.
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
