Evaluating Sensitivity of an AAR-Affected Concrete Arch Dam to the Effects of Structural Joints and Solar Radiation

Реакция щелочей цемента с заполнителями бетона может влиять на предельную прочность и конструкционные характеристики смоченных бетонных структур, таких как арочные плотины. Кроме химически зависимых факторов, таких как подверженность щелочно-силикатным реакциям, влажность, смесь материалов и т.п., существуют и другие, которые усложняют моделирование данного процесса. При этом важное значение имеют следующие структурные факторы: напряжения, трещины и их распределение, а также температурные распределения в поврежденных структурах. Точность и адекватность моделирования вышеуказанных факторов обеспечивают верификацию расчетных результатов. Напряженное состояние конструкции определяется в основном параметрами составляющих ее соединений, а температурное распределение – солнечной радиацией. При оценке поведения выпукло-вогнутой бетонной плотины, ослабленной из-за реакции щелочей цемента с заполнителями бетона, учитываются составляющие соединений конструкции и солнечная радиация. Кроме результатов расчетов для конечной стадии получены оценки с учетом истории нагружения плотины. При оценке уровня напряжений оба фактора являются очень важными, однако при оценке уровня допустимых перемещений эффект солнечной радиации оказывается менее критичным. На промежуточных стадиях деформации плотины наблюдается другая тенденция, причем учет в модели нелинейных свойств материалов может привести к качественно иным результатам.Реакція лугу цементу із заповнювачами бетону може впливати на граничну міцність і конструкційні характеристики змочених бетонних структур, таких як аркові греблі. Окрім хімічно залежних чинників, таких як схильність до лужно-силікатних реакцій, вологість, суміш матеріалів і т.п., існують й інші, що ускладнює моделювання даного процесу. При цьому важливе значення мають наступні структурні чинники: напруга, тріщини й їх розподіл, а також температурний розподіл у пошкоджених структурах. Точність і адекватність моделювання цих чинників забезпечує верифікацію розрахункових даних. Напружений стан конструкції визначається в основному параметрами складових її з’єднань, а температурний розподіл – сонячною радіацією. При оцінці поведінки опукло-вгнутої бетонної греблі, що ослаблена через реакцію лугу цементу із заповнювачами бетону, враховуються складові з’єднань конструкції і сонячна радіація. Окрім результатів розрахунку для кінцевої стадії отримано оцінки з урахуванням історії навантаження греблі. При оцінці рівня напружень ці чинники є важливими, однак при оцінці рівня припустимих переміщень ефект сонячної радіації є менш критичним. На проміжних стадіях деформації греблі має місце інша тенденція, причому врахування в моделі нелінійних властивостей матеріалів може привести до якісно інших результатів

Orthotropic Material and Anisotropic Damage Mechanics Approach for Numerically Seismic Assessment of Arch Dam-Reservoir-Foundation System

In contrast with modeling of the contraction joints, the performance and influence of lift joints are usually neglected in numerical analysis of concrete arch dams. In this paper, the seismic nonlinear response of a concrete arch dam– reservoir–foundation system is investigated with considering the effects of lift joints using orthotropic-based material. An anisotropic damage mechanics approach is introduced and modified to take into account the effects of weak horizontal planes between concrete lifts during the construction phase. This model is capable to consider the pre-softening behavior, the softening initiation criterion and anisotropic cracking behavior in mass concrete. The coupled equation of motion in dam–reservoir system is solved by staggered displacement method while the foundation rock is assumed as a mass-less and rigid mediums. The coupled system is excited using three-component ground motion in the maximum credible level. It is found that using orthotropic-based material increases crest displacements and also leads to more damage in the dam body in comparison with the case using the common isotropic-based material.В отличие от моделирования усадочных швов, при численном анализе бетонных арочных плотин работа и влияние строительных швов обычно не учитываются. Исследуется сейсмическая нелинейная реакция системы (бетонная) арочная плотина–резервуар–основание с учетом действия строительных швов на основе ортотропного материала. Представленный анизотропный подход к механике повреждения изменен для учета слабых горизонтальных плоскостей между слоями бетона в процессе строительства. Эта модель допускает учет характеристики предварительного размягчения, критерия возникновения размягчения и характеристики анизотропного растрескивания. С помощью метода ступенчатых перемещений, предполагая, что скальное основание состоит из невесомых жестких тел, решена система связанных уравнений движения в системе плотина–резервуар. Движение грунта по трехкомпонентной технологии возбуждает данную систему на максимально вероятном уровне. Обнаружено, что использование ортотропного материала увеличивает смещение гребня плотины и, как следствие, повреждение тела плотины в большей степени по сравнению с использованием распространенного изотропного материала.На відміну від моделювання усадкових швів, при чисельному аналізі бетонних арочних гребель робота і вплив будівельних швів зазвичай не враховуються. Досліджується сейсмічна нелінійна реакція системи (бетонна) арочна гребля–резервуар–основа з урахуванням дії будівельних швів на основі ортотропного матеріалу. Представлений анізотропний підхід до механіки руйнування змінено для урахування слабких горизонтальних площин між шарами бетону в процесі будівництва. Ця модель допускає урахування характеристики попереднього розм’якшення, критерію виникнення розм’якшення і характеристики анізотропного розтріскування. За допомогою методу східчастих переміщень, припускаючи, що скельову основу складають невагомі жорсткі тіла, розв’язано систему зв’язаних рівнянь руху в системі гребля–резервуар. Рух ґрунту за трикомпонентною технологією збуджує дану систему на максимально імовірному рівні. Установлено, що використання ортотропного матеріалу збільшує зміщення гребеня греблі і, як наслідок, пошкодження тіла греблі в більшій мірі порівняно з використанням розповсюдженого ізотропного матеріалу

Feasibility study of Dez arch dam heightening based on nonlinear numerical analysis of existing dam

The Dez dam was commissioned in 1963 and since sediments accumulated in the reservoir up to an elevation of approximately 15m below the intake of the power tunnel. One of the possible measures to improve operation of the reservoir is by heightening of the existing dam. This paper describes the conducted procedure for static and thermal calibration of this 203m dam in Iran based on micro geodesies measurements. Also the nonlinear response of existing dam is investigated under maximum credible earthquake ground motions considering joint behavior and mass concrete cracking and safety of dam is evaluated for possible heightening. For thermal calibration of provided numerical model, transient thermal analysis was conducted and results were compared with thermometers records installed in central block. In addition, for static calibration; thermal distribution within dam body, dam self weight, hydrostatic pressure and silt load applied on the 3D finite element model of dam-reservoir-foundation were considered. Results show that the distribution of stresses will be critical within dam for heightening case under seismic loads in MCL

Feasibility Study of Dez Arch Dam Heightening Based on Nonlinear Numerical Analysis of Existing Dam

The Dez dam was commissioned in 1963 and since sediments accumulated in the reservoir up to an elevation of approximately 15m below the intake of the power tunnel. One of the possible measures to improve operation of the reservoir is by heightening of the existing dam. This paper describes the conducted procedure for static and thermal calibration of this 203m dam in Iran based on micro geodesies measurements. Also the nonlinear response of existing dam is investigated under maximum credible earthquake ground motions considering joint behavior and mass concrete cracking and safety of dam is evaluated for possible heightening. For thermal calibration of provided numerical model, transient thermal analysis was conducted and results were compared with thermometers records installed in central block. In addition, for static calibration; thermal distribution within dam body, dam self weight, hydrostatic pressure and silt load applied on the 3D finite element model of dam-reservoir-foundation were considered. Results show that the distribution of stresses will be critical within dam for heightening case under seismic loads in MCL

Mathematical Modeling and Numerical Analysis of Thermal Distribution in Arch Dams considering Solar Radiation Effect

The effect of solar radiation on thermal distribution in thin high arch dams is investigated. The differential equation governing thermal behavior of mass concrete in three-dimensional space is solved applying appropriate boundary conditions. Solar radiation is implemented considering the dam face direction relative to the sun, the slop relative to horizon, the region cloud cover, and the surrounding topography. It has been observed that solar radiation changes the surface temperature drastically and leads to nonuniform temperature distribution. Solar radiation effects should be considered in thermal transient analysis of thin arch dams