تعیین پارامترهای موثر بر پایداری سدهای بتنی وزنی

توضیحات

تعیین پارامترهای موثر بر پایداری سدهای بتنی وزنی
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده
سدها سازه های عظیمی هستند که در صورت ایجاد خرابی در آن ها خسارات جبران ناپذیر جانی و مالی و ... به وجود می آید، از این رو کنترل پایداری سدها از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در کشور ما نیز با توجه به لرزه خیز بودن اکثر مناطق اهمیت این موضوع دو چندان می گردد. با توجه به روش های متفاوت کنترل پایداری و جنبه های مجهولی که هنوز در بحث پایداری سدها وجود دارد و همچنین پیشرفت برنامه های کامپیوتری موجود در این ضمینه در سال های اخیر، لزوم مطالعه و بررسی بیشتر بر روی موضوع پایداری سدها به خوبی احساس می شود. در این تحقیق نیز به بررسی پارامترهای موثر در کنترل پایداری سدهای بتنی وزنی به صورت مطالعه موردی بر روی سه سد مهم ، بلو استون ، همچنین فولسوم پرداخته می شود. طبیعی است که شناخت پارامترهای موثر در پایداری و میزان نقش هر کدام از آن ها می تواند کمک شایانی در بحث طراحی سدهای جدید داشته باشد.
کلمات کلیدی: سد- پایداری- پاین فلت- بلو استون- فولسوم
فهرست مطالب
فصل اول- مقدمه
1-1- پیشگفتار 1
1-2- ایمنی در سدها 2
1-3- پایداری سدهای بتنی وزنی 3
1-4- روش های مختلف آنالیز پایداری 6
1-5- مروری بر مطالعات گذشته 8
1-6- هدف از انجام تحقیق 12
1-7- ساختار پایان¬نامه 13
فصل دوم- پایداری سدهای بتنی وزنی
2-1- مقدمه 14
2-2- انواع نیروهای وارده بر سدهای بتنی وزنی 15
2-2-1- بارهای استاتیکی 15 2-2-1-1- بار ناشی از وزن 15
2-2-1-2- فشار هیدرواستاتیک 18 2-2-1-3- نیروی زیرفشار 21
2-2-1-4- بار ناشی از حرارت 28
2-2-1-5- نیروی ناشی از رسوب 28
2-2-1-6- فشار یخ 29
2-2-1-7- فشار زیر اتمسفری 29
2-2-2- بارهای دینامیکی 30
2-2-2-1- نیروی زلزله 30
2-2-2-2- نیروی هیدرودینامیک 31
2-2-2-3- فشار باد 32
2-2-2-4- نیروی ناشی از امواج 32
2-2-3- نیروی عکس العمل پی 33
2-3- معیارهای پایداری 34
2-4- پایداری در برابر واژگونی 35
2-5- پایداری در برابر لغزش 37
فصل سوم- آیین نامه ها و دستورالعمل های پایداری:
3-1- مقدمه 51
3-2- دستورالعمل ها و آیین نامه ها 52
3-2-1- مهندسین ارتش آمریکا (USACE) 52
3-2-2- دستورالعمل FERC 63
3-2-3- دستورالعملUSBR 67
فصل چهارم- مدلسازی
4-1- مقدمه 71
4-2- سد Blue Stone 72
4-2-1- هندسه سد 74
4-2-2- مشخصات مصالح سد 75
4-2-3- مشخصات مصالح پی 75
4-3- سد Folsom 76
4-3-1- هندسه سد 78
4-3-2- مشخصات مصالح سد 79
4-3-3- مشخصات مصالح پی 79
4-4- سد Pine Flat 80
4-3-1- هندسه سد 82
4-3-2- مشخصات مصالح سد 83
4-3-3- مشخصات مصالح پی 83
4-5- نرم افزار CADAM 84
4-6- نرم افزار RSDAM 90 4-7- نرم افزار ABAQUS 94
4-8- مشخصات مدل 104
فصل پنجم- نتیجه¬گیری و پیشنهاد
5-1- مقدمه 105
5-2- نتایج نرم افزارهای CADAM و RSDAM 106
5-3- نتایج نرم افزار ABAQUS 121
5-4- پیشنهاداتی برای تحقیقات آینده 126
مراجع 127
فصل اول
مقدمه
1-1- پیشگفتار
با توجه به اهمیت آب برای حیات موجودات زنده بشر از همان ابتدا به دنبال مهار کردن جنبه های مفید منابع آبی مثل تامین آب شرب و همچنین مقابله با اثرات مخرب آن مانند مهار سیلاب ها بوده است. شواهد تاریخی وجود دارد که نشان می دهد سدسازی قدمتی در حدود 4000 سال پیش از میلاد دارد. همانطور که می دانیم اهداف گوناگونی سبب ساخت سدها می شوند که از آن جمله می توان مهار سیلاب ها، تامین آب شرب، کسب برق، تامین آب برای کشاورزی و صنعت، ایجاد مکان های تفریحی، جلوگیری از افت کردن تراز آب زیر زمینی و ... را نام برد. سدها دارای طبقه بندی های مختلفی هستند به طور مثال بر حسب وظیفه به کار گرفته شده به صورت: سدهای مخزنی ، سدهای نگهداری ، سدهای انحرافی ، سدهای باطله و سدهای موقت تقسیم بندی می شوند. بر حسب نوع مصالح نیز سدها به سدهای خاکی، سنگ ریزه ای، بتنی و بتن غلتکی تقسیم می شوند]1[. خود سدهای بتنی بر حسب عملکرد سازه ای به دو دسته وزنی و قوسی تقسیم می گردند. در سدهای قوسی بارهای وارده از طریق دو مکانیزم عملکرد طره ای و عملکرد قوسی به پی و تکیه گاه ها منتقل می شوند. ولی در سدهای وزنی همانطور که از اسم آن ها هویدا است عامل مقاوم در برابر نیروهای وارده وزن خود مصالح سد است. سدهای بتنی وزنی )که در این تحقیق بررسی می شوند( مقاومت و پایداری خود در برابر نیروهای وارده را از طریق وزن خود کسب می کنند. شکل مقطع این نوع سدها به صورت مثلثی است و طبیعی است که هر چه قاعده این مثلث بزرگتر باشد سد پایدار تر است.
1-2- ایمنی در سدها
بهره برداری همراه با کنترل ایمنی دو فرایند جدانشدنی و مستمر در دوره عمر سدها می باشند. با ساخت و شروع بهره برداری از ابر سازه ای چون سد در واقع برای جامعه پایین دست شرایط بالقوه مخاطره ای آمیزی می تواند ایجاد گردد و شکست سد پدیده ی نابهنجاری است که با ایجاد سیل در پایین دست همراه بوده و می تواند موجب خسارات مالی و جانی قابل ملاحظه ای گردد. دامنه این خسارت ها چه در بعد زمان و چه در بعد مکان بسیار گسترده بوده و حتی موجب کاهش اعتبار ملی یک کشور نیز می گردد]2[.
با توجه به مطالب ذکر شده در بالا موضوع ایمنی در سدها اهمیت بسیار بالایی دارد خصوصا در کشور ما که بسیاری از نقاط سد سازی در مکان هایی با لرزه خیزی بالا قرار دارند. در واقع با توجه به هزینه بالای سد سازی، عدم توجه کافی به ایمنی سدها می تواند موجب از بین رفتن سرمایه های ملی کشور نیز بشود.
1-3- پایداری سدهای بتنی وزنی
پایداری سدهای بتنی به وسیله سه معیار مختلف تعریف می شود، یعنی سدی که بتواند این سه معیار را که در ادامه تعریف می شوند را شامل شود پایدار محسوب می شود. پایداری در برابر لغزش اولین معیار پایداری سدها است، لغزش هنگامی ایجاد می شود که نیروهای برشی ایجاد شده بر روی سطح لغزش، بیشتر از نیروی برشی مقاوم بر روی این سطح که ناشی از چسبندگی و اصطکاک است، شوند. سطح لغزش می تواند در داخل بدنه سد، سطح تماس سد و پی و یا در داخل پی قرار داشته باشد. ولی با توجه به اینکه معمولا سطح تماس پی و سد دارای مقاومت برشی کمتری نسبت به سایر نقاط است یک سطح بحرانی محسوب می شود. در این تحقیق نیز سطح لغزش بحرانی در محل تماس سد و پی در نظر گرفته می شود.
شکل1-1. ناپایداری لغزشی
دومین عامل ناپایداری در سدها واژگونی است. ناپایداری در برابر واژگونی نیز هنگامی به وقوع می پیوندد که مجموع لنگرهای واژگون کننده بیشتر از مجموع لنگر های مقاوم یا پایدار کننده حول نقطه چرخش سد گردند. همچنین ثابت می شود تا زمانی که برایند نیروها در داخل مقطع قرار داشته باشد می توان اطمینان داشت که مشکلی از لحاظ واژگونی وجود ندارد.
شکل1-2. ناپایداری در برابر واژگونی
ایجاد تنش های بیش از حد مجاز در داخل بدنه سد و یا در داخل پی نیز به عنوان سومین و آخرین عامل ناپایداری شناخته می شود. بر مبنای روابط مقاومت مصالحی اگر برایند نیروها در یک سوم میانی قرار بگیرد هیچ گونه تنش کششی در مقطع ایجاد نمی شود، از نظر دیدگاه طراحی نیز با توجه به این مضوع در حالت عادی استفاده از سد سعی می شود با قرار دادن برایند در یک سوم میانی مقاطع هیچ کششی در مقاطع مختلف سد به وجود نیاید. بدین وسیله می توانیم اطمینان حاصل نماییم که با توجه به کم بودن مقاومت کششی بتن هیچ گونه ترک خوردگی در حالت بهره برداری از سد به وجود نمی آید. ولی در زمان زلزله برایند نیروها به سمت پایین دست متمایل شده و با خارج شدن از داخل هسته مرکزی مقطع سبب ایجاد تنش های کششی در داخل مقطع می شود. با توجه به نبود مقاومت کششی کافی، این تنش های کششی ترک ها را ایجاد کرده و کمک به ناپایدار شدن سد می نمایند. همچنین در این حالت تنش فشاری در پایین دست به شدت افزایش یافته و ممکن است با خرابی قسمت پنجه، سد دچار ناپایداری شود.