Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/10704
Title: Σεισμική απόκριση και αποτίμηση οριακής αντοχής χωμάτινων φραγμάτων
Other Titles: Seismic response and limit state assessment of earth dams
Authors: Κατσάνου, Ελένη
Keywords: Χωμάτινα φράγματα
Οριακή κατάσταση αντοχής
Σεισμική απόκριση
Πεπερασμένα στοιχεία
Ισοδύναμη γραμμική ανάλυση
Αλληλεπίδραση ταμιευτήρα-φράγματος
Εξισώσεις διαρροής
Κρίσιμες επιφάνειες ολίσθησης
Φέρουσα ικανότητα
Keywords (translated): Earth dams
Limit state analysis
Seismic response
Finite elements
Equivalent linear analysis
Reservoir-dam interaction
Yielding equations
Critical sliding slope curves
Capacity
Abstract: Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά τη σεισμική απόκριση χωμάτινων φραγμάτων με απώτερο σκοπό την αποτίμηση της οριακής αντοχής τους. Οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν συνολικά σε κώδικα APDL (ANSYS Parametric Design Language) του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων ΑΝSYS (ΑΝSYS 14.0). Το κεφάλαιο 1 αποτελεί μια εισαγωγή στα χωμάτινα φράγματα και παρουσιάζει μια κύρια περιγραφή του φράγματος του Μόρνου, το οποίο αποτελεί ένα φράγμα ιδιαίτερης σημασίας που μελετάται εκτενώς και σε βάθος στην παρούσα διατριβή. Στο Κεφάλαιο 2 διεξάγονται παραμετρικές στατικές αναλύσεις προκειμένου να επιτευχθεί μια αξιόπιστη εκτίμηση του μέτρου διάτμησης του αργιλικού πυρήνα και των σωμάτων αντιστήριξης από αμμοχάλικο που χρησιμοποιούνται συνήθως στην κατασκευή χωμάτινων φραγμάτων. Συγκεκριμένα, μελετάται αναλυτικά το χωμάτινο φράγμα του Μόρνου και εφαρμόζεται μια επαναληπτική διαδικασία που λαμβάνει υπόψιν την επιρροή της μέσης οκταεδρικής ενεργoύ τάσης καθώς και της γωνιακής παραμόρφωσης για κάθε πεπερασμένο στοιχείο σε κάθε βήμα επανάληψης. Οι στατικές αναλύσεις πραγματοποιούνται σε δύο διαστάσεις υπό συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης και σε τρεις διαστάσεις, συνυπολογίζοντας την επίδραση του ταμιευτήρα. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα για την κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς των χωμάτινων φραγμάτων υπό φορτία βαρύτητας. Στο Κεφάλαιο 3 μελετάται η ιδιομορφική ανάλυση χωμάτινων φραγμάτων με την μονοδιάστατη εξίσωση της «διατμητικής δοκού» και με προσομοίωση με τα πεπερασμένα στοιχεία στις δύο και τρεις διαστάσεις. Η σύγκριση των τιμών της πρώτης και δεύτερης ιδιοπεριόδου φανερώνει το βαθμό ικανοποιητικής εφαρμογής και τους περιορισμούς της εξιδανίκευσης της «διατμητικής δοκού» στο χωμάτινο φράγμα του Μόρνου και Long Valley dam (Καλιφόρνια, Η.Π.Α.), το οποίο έχει μελετηθεί εκτενώς σε προηγούμενες μελέτες. Επιπλέον, οι παραμετρικές αναλύσεις του φράγματος του Μόρνου σε δύο και τρεις διαστάσεις αναδεικνύουν την επίδραση του ταμιευτήρα, του μέτρου διάτμησης και της γεωμετρίας του φράγματος στα δυναμικά χαρακτηριστικά του. Το Κεφάλαιο 4 επικεντρώνεται στην μελέτη της σεισμικής απόκρισης χωμάτινων φραγμάτων σε δύο διαστάσεις μέσω μιας ισοδύναμης γραμμικής δυναμικής ανάλυσης. Πραγματοποιείται μια θεωρητική επισκόπηση των μεθόδων ανάλυσης που υιοθετούνται με βάση τη βιβλιογραφία με απώτερο σκοπό την ανάδειξη των βασικών παραδοχών και περιορισμών της εκάστοτε μεθόδου. Στη συνέχεια, διερευνάται η σεισμική απόκριση του φράγματος του Μόρνου σε δύο στάδια που περιλαμβάνουν (α) τη ρεαλιστική εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας της ευρύτερης περιοχής με την επιλογή δέκα σεισμικών διεγέρσεων σύμφωνα και με τα φάσματα σχεδιασμού (Ε.Α.Κ2000 και ΕC8) και (β) την εφαρμογή της ισοδύναμης γραμμικής δυναμικής ανάλυσης στο πεδίο του χρόνου (time-history analysis) με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, η οποία βασίζεται σε μια επαναληπτική διαδικασία σύμφωνα με τις αντιπροσωπευτικές τιμές των διατμητικών παραμορφώσεων που αναπτύσσονται για κάθε πεπερασμένο στοιχείο σε κάθε χρονικό βήμα της ανάλυσης. Τα αποτελέσματα που εξάγονται δίνουν μια αντιπροσωπευτική εικόνα της δυναμικής συμπεριφοράς χωμάτινων φραγμάτων όταν λαμβάνεται υπόψιν η αλληλεπίδραση φράγματος-ταμιευτήρα. Λόγω του ότι η ισοδύναμη γραμμική ανάλυση συγκλίνει σε αρκετά μεγάλες διατμητικές παραμορφώσεις του χωμάτινου φράγματος του Μόρνου, η διατριβή ερευνά στο Κεφάλαιο 5 την οριακή αντοχή του φράγματος με βάση ένα αξιόπιστο κριτήριο αστοχίας, όπου οι εδαφικές παράμετροι έχουν προσδιοριστεί πειραματικά (Ε.ΥΔ.ΑΠ. Α.Ε., 2011). Ουσιαστικά, διατυπώνεται μια μέθοδος προσδιορισμού της οριακής κατάστασης χωμάτινων φραγμάτων σε όρους ενεργών τάσεων λόγω της διαρροής του εδαφικού υλικού (limit state analysis) όταν το φράγμα ταλαντώνεται υπό σεισμική διέγερση. Η συγκεκριμένη μέθοδος βασίζεται στην εξίσωση διαρροής Ηoulsby (1986), ενσωματώνοντας τις παραμέτρους αντοχής του αργιλικού πυρήνα και των σωμάτων αντιστήριξης και εφαρμόζεται σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο για κάθε χρονικό βήμα απόκρισης του χωμάτινου φράγματος του Μόρνου, το οποίο μελετάται διεξοδικά στην παρούσα διατριβή. Με τον τρόπο αυτό, προσδιορίζονται οι κρίσιμες ζώνες ολίσθησης λόγω δημιουργίας μεγάλων πλαστικών διατμητικών παραμορφώσεων στο χωμάτινο φράγμα και δύναται να υπολογιστούν οι αντίστοιχες συσσωρευμένες μετακινήσεις λόγω ολίσθησης κατά το επίπεδο αστοχίας. Το κεφάλαιο 6 ασχολείται με τον έλεγχο επάρκειας της στοάς επισκέψεως του φράγματος του Μόρνου λόγω σημαντικής ροής ύδατος που παρατηρήθηκε στο εσωτερικό της. Μελετάται η εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται στη διατομή διαρροής (z=52m) του φράγματος με κορεσμένο το ανάντη κέλυφος και πλήρη ταμιευτήρα υπό φορτία βαρύτητας σε δύο και τρεις διαστάσεις και ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην περιοχή της στοάς επισκέψεως. Παράλληλα, αναλύεται η εντατική κατάσταση της στοάς όταν το φράγμα διεγείρεται από ισχυρές σεισμικές διεγέρσεις. Για τα αποτελέσματα των στατικών και δυναμικών αναλύσεων πραγματοποιείται ο έλεγχος της φέρουσας ικανότητας της στοάς επισκέψεως του φράγματος του Μόρνου. Στο τέλος κάθε κεφαλαίου (Κεφάλαια 2 έως 6) παρουσιάζονται λεπτομερή σχόλια και συμπεράσματα. Το Κεφάλαιο 7 υπογραμμίζει τα πιο σημαντικά συμπεράσματα και την κύρια συνεισφορά της παρούσας διδακτορικής διατριβής.
Abstract (translated): Τhis doctoral thesis studies the seismic response of earth dams with main objective the limit state assessment beyond the elastic range. In general, the analyses are conducted in scripting language APDL (ANSYS Parametric Design Language) using the software ANSYS (ANSYS 14.0) of the finite element method. Chapter 1 is an introduction to earth dams and presents a main review of an important case study, the Mornos earth dam, which is extensively and in depth studied in this thesis. Chapter 2 presents the parametric static analyses which are carried out in order to obtain a realistic estimation of the mechanical behavior of the commonly used materials (cohesive and granular) for the design of earth dams. Specifically, through a comprehensive structural analysis of the Mornos earth dam, the dynamic shear modulus is estimated by adjusting the average octahedral effective stress for the representative levels of the shear strain by means of an iterative procedure conducted for every finite element. The comparison of the results obtained from the static analysis, which ranges from two-dimensional plane strain to three-dimensional finite element analyses accounting for the interaction of dam-reservoir, reveals useful conclusions regarding the mechanical behavior of earth dams subjected to gravity loads. Chapter 3 studies the modal behavior of earth dams applying the 1D shear-wedge solution and the finite element method in two and three dimensions. The comparison of the first and second eigenperiod annotates the satisfactory approximation and limitations of each method in the modal analysis of the Mornos dam and a well-documented case study, the Long Valley dam (California, U.S.A.). Moreover, 2D and 3D parametric modal analyses address the effect of the reservoir, the shear modulus and the geometry of the dam on the dynamic characteristics of earth dams. Chapter 4 is focused on the seismic response analysis by applying an equivalent linear dynamic method on earth dams. A thorough theoretical overview of the methods developed in previous studies is conducted in order to designate the main assumptions and limitations of each method. The dynamic response analysis of the Mornos dam is investigated by (a) a realistic assessment of the seismic hazard of the region and an appropriate selection of ten ground motions in accordance with the design spectra (E.A.K.2000 and EC8) and (b) an equivalent linear dynamic analysis in the time domain (time-history analysis) by applying the finite element method and considering the levels of the shear strain for every element through an iterative procedure at each time step. The results obtained reach significant conclusions regarding the dynamic response of earth dams including dam-reservoir interaction. Due to the fact that the equivalent linear dynamic method converges to substantial values of shear strain, Chapter 5 introduces a new method of limit state analysis at the element level in terms of effective normal stresses for an earth dam subjected to earthquake excitation. The method utilizes Houlsby's yielding criterion (1986) which incorporates well the mechanical behavior of both cohesive and granular materials and is implemented on the the Mornos dam where the soil strength parameters are defined experimentally (E.Y.D.A.P. A.E., 2011). Thus, the critical sliding slope curves attributed to significant inelastic shear strains are determined, while subsequent accumulated deformations are calculated along the slip surface respectively. Chapter 6 examines the capacity behavior of the grout tunnel of the Mornos dam due to observed substantial water flow within it. The stress state of the critical cross section (z=52m) of the tunnel is comprehensively studied considering the dam with saturated upstream shell due to full reservoir subjected to gravity and seismic loads. Accordingly, the results obtained from the static and dynamic analyses are used to assess the capacity of the grout tunnel. While at the end of every chapter (Chapters 2 to 6) detailed comments and conclusions are presented, Chapter 7 outlines the most important conclusions and the main contribution of this doctoral thesis.
Appears in Collections:Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Katsanou(civ).pdf6.5 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.