Numerical modelling considerations for analysis of concrete hydraulic structures subjected to high-frequency seismic loads

QC230224

Abstract

Betongkonstruktioner för vattenkraft och vattenförsörjning är av stor betydelse för dagens samhällen. I områden med hård berggrund kan dessa konstruktioner vara särskilt känsliga för seismiska händelser då de domineras av höga frekvenser, vilket kan leda till katastrofala konsekvenser för slanka konstruktioner. Syftet med föreliggande avhandling var att undersöka överväganden och antaganden som måste göras vid analyser av sådana strukturer för vattenkraft och vattenförsörjning vid excitationer med högre frekvenser. Strukturer under jord och på markytan undersöktes separat. Underjordiska rörledningar och lamelldammar av betong valdes till studien eftersom de vid seismiska excitationer domineras av deras styvhet. De mest effektiva modellerna och modelleringsmetoderna för de seismiska analyserna av sådana strukturer implementerades och utvärderades. Tvådimensionella finita element (FE) modeller utvecklades för dynamisk analys av underjordiska rörledningar av betong utsatta för seismiska vågor som utbreder sig från berggrunden och genom jordlager. Samspelet mellan berggrunden och den omgivande marken undersöktes med avseende på bergets geometri och markegenskaperna. Bergytan hos dammfundament är vanligtvis oregelbunden, vilket resulterar i ojämna rörelser vid gränsytan mellan damm och grundläggning. Modelleringsmetoderna med fria fält för betongdammars berggrundläggning har här anpassats för att korrekt beskriva utbredningen av jordbävningsvibrationer frånvibrationscentrum till markytan. Implementeringen av en tredimensionell FE-modell för betonglamelldammar undersöktes. Två olika metoder för frifältsmodellering presenteras, vilka kan användas oberoende av aktuell programvara. De seismiska belastningarna appliceras som effektiva jordbävningskrafter vid icke-reflekterande materialgränser. Med den första metoden bestäms de fria fältens rörelser vid de icke-reflekterande gränserna genom den så kallade domänreduktionsmetoden, med direkt FE-beräkning. I den andra metoden bestäms frifältsrörelserna analytiskt utifrån teorin om endimensionell vågutbredning. Resultaten jämförs också med metoden för modellering med antagen masslös undergrund, där de topografiska förstärkningarna försummas. Det visades att en tvådimensionell modell effektivt kan redogöra för rörledningarnas beteende. Den viktigaste aspekten av modellerna är förmågan att beskriva böjdeformationer, eftersom segmenterade strukturer såsom rörledningar är sårbara i detta avseende. Ojämn berggrund minskar säkerheten för betongrörledningar, särskilt på grund av böjdeformationer i rör och fogar. Metoden som ej beaktade undergrundens massa gav opålitliga resultat vid analys av dammar, speciellt vid högfrekventa excitationer. Den analytiska metoden var också opålitlig när det gäller att uppskatta dammars icke-linjära beteende. Men, en ny metod med konvolution i tidsdomänen utvecklades för att omvandla jordbävningens rörelse från grundläggningsytan till motsvarande rörelse på djupet. Det framkom att modellering av fria fält för grundläggningen med den direkta FE-metoden exakt kan beskriva de topografiska förstärkningarna av de seismiska excitationerna. Det visades att en tredimensionell modell krävs för seismisk utvärdering av betonglamelldammar. Den topografiska förstärkningen av högfrekventa vågor vid markytan hos dalgångar hade en betydande effekt på responsen hos denna typ av damm. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-323972