استاد راهنما : دکتر بهرام نوائی‌نیا
 

استاد مشاور: دکتر لیلا کلانی ساروکلائی
 

(زمستان92)
 

چکیده
سدها به دلیل کاربرد زیاد و تأثیرگذاری وسیع جز بناهای بسیار مهم تلقی می­شوند. با پیشرفت علوم مهندسی در تحلیل سازه سد، سعی بر ساخت سدهایی با ابعاد بهینه، اقتصادی و ایمن شده است. بدلیل قدمت بعضی سدهای ساخته شده از یک ­طرف و بالارفتن استانداردهای ایمنی، داشتن برنامه‌های مختلف و وسیع نوسازی و مقاوم‌سازی از طرف دیگر لزوم ارزیابی ایمنی این سازه­ها را ضروری می­نماید. تکنیک پس‌تنیدگی یکی از راهکارهای مقاوم‌سازی در سدها می‌باشد که در این‌صورت لزوم تعیین فاصله بهینه بین کابل‌های پس‌تنیده اجتناب‌ناپذیر می‌باشد. در این تحقیق پاسخ سیستم سد-پی-مخزن در حالت پس‌تنیده و بدون پس‌تنیدگی با مدل‌سازی به روش اجزای محدود براساس فرمول‌بندی لاگرانژی-لاگرانژی سیستم سد-پی-مخزن و نیز مدل‌سازی کابل، تحت اثر زلزله مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور از نرم افزار Ansys جهت تحلیل دینامیکی سیستم مورد بررسی با فرض رفتار خطی مصالح استفاده شده است. نتایج بدست آمده از انجام تحلیل دینامیکی حاکی از آن است که پاسخ‌ها در حالت پس‌تنیده از حال بدون ‌پس‌تنیده کمتر است. نتایج همچنین نشان می‌دهد که فاصله بهینه کابل‌ها رابطه مستقیم با شیب پایین‌دست سد دارد.
کلمات کلیدی: سد بتنی وزنی، اندرکنش سد-مخزن، مخزن، کابل، روش لاگرانژی، بهینه کردن، پس‌تنیده کردن
 
 
 
فهرست مطالب
عنوان                                                                                                           صفحه
فصل اول – مقدمه و کلیات تحقیق 1
1-1- مقدمه. 2
1-2- بیان مسأله. 2
1-3- اهداف تحقیق. 4
1-4- تعریف. 5
1-5- فرضیات تحقیق. 6
1-6- نوآوری‌های تحقیق. 6
1-7- ساختار پایان‌نامه. 6
 
فصل دوم – ادبیات و پیشینه تحقیق. 8
2-1- مقدمه. 9
2-2- روش های تحلیلی. 9
2-2- 1-تحلیل مدل سد-مخزن بدون در نظر گرفتن اثر اندر کنش  10
2-2- 1-1-بررسی روش وسترگارد. 12
2-2-2- حل چوپرا. 13
2-2-3- اثر اندرکنش سد و مخزن. 14
2-3-روش‌های عددی. 14
2-3-1- روش اویلری-لاگرانژی. 15
2-3-2- روش لاگرانژی- لاگرانژی. 15
2-3-3- ارزیابی روش‌های اویلری و لاگرانژی در مدل‌سازی مخزن  16
2-4- توسعه و کاربرد پیش تنیدگی. 18
2-4-1- اصول پیش‌تنیدگی. 19
2-4-1- 1-روش پیش کشیدگی. 20
2-4-1-2- روش پس کشیدگی. 20
2-4-2- توسعه روش پس کشیدگی. 20
2-4-2-1- سیستم چسبنده. 21
2-4-2-2- سیستم غیر چسبیده. 22
2-5- پس تنیدگی در سدها. 23
2-5-1- مقدمه. 23
2-5-2- مواد پس تنیدگی. 24
2-5-3- فواصل کابل‌ها. 25
2-5-4- صرفه‌جویی در حجم بتن. 26
2-5-5- تعیین مقدار نیروی پس تنیدگی در کابل‌ها. 26
2-5-6- پس تنیدگی در سدهای بتنی وزنی. 29
2-5-7- بررسی پس تنیدگی در سدهای بتنی وزنی توسط محققین  36
 
فصل سوم – روش تحقیق. 40
3-1- مقدمه. 41
3-2- روش‌های عددی برای تحلیل دینامیکی. 42
3-2- 1- ارزیابی روش‌های تحلیل دینامیکی. 43
3-2-2- مدل‌سازی زلزله جهت انجام تحلیل دینامیکی در نرم‌افزار Ansys 44
3-2-2- 1-روش نیومارک. 45
3-3-مدل‌سازی سیستم سازه و سیال به روش اجزای محدود مبتنی بر نرم‌افزار Ansys 47
3-3-1- مقدمه. 47
3-3-2- مدل‌سازی محیط مخزن به روش اجزای محدود. 48
3-3-2-1- المان‌های سیال متکی بر تغییر مکان. 49
3-3- 2-2-Fluid80. 50
3-3-3- مدل‌سازی سازه سد به روش اجزای محدود. 52
3-3-3-1- المان Solid65. 52
3-3-3-2- رفتار المان Solid65 در حالت کلی. 54
3-3-3-3- رفتار خطی بتن. 55
3-3- 4- مدل‌سازی کابل‌ها با المان Link10. 55
3-3-5- مدل‌سازی صفحه سر کابل با المان Shell181. 56
3-3-6- مدل‌سازی اندرکنش مخزن و سازه به روش اجزای محدود  57
3-3-6-1– مدل سازی اندرکنش مخزن و سیال به روش لاگرانژی  58
3-3-7- مدل‌سازی اندرکنش سد و کابل‌های پس تنیدگی. 58
3-4- مدل‌سازی اثر نیروی پس تنیدگی در Ansys 58
3-5- تعیین سطح مقطع کابل. 59
 
فصل چهارم – تحلیل عددی و ارائه نتایج. 61
4-1- مقدمه. 62
4-2- شتاب نگاشت‌ها. 62
4-3- کنترل صحت مدل‌سازی. 64
4-3-1- روش مدل‌سازی 65
4-3-2- تغییر مکان هیدروستاتیک در مخزن. 65
4-3-3- فشار هیدروستاتیک در مخزن. 67
4-3-4- بررسی تأثیر عرض کف در تحلیل استاتیکی. 67
4-3-4-1- سیستم سد-پی. 68
4-3-4-2- سیستم سد-پی-مخزن-کابل. 69
4-3-5- ارتعاش سد هارمونیک. 70
4-3-6- آنالیز سد Pine Flat 71
4-3-6-1- مشخصات هندسی و فرضیات در نظر گرفته شده برای سد Pine Flat 72
4-3-6- 2- آنالیز مودال و تعیین ضرایب میرایی سیستم سد-پی-مخزن  72
4-3-6-3- آنالیز دینامیکی سد Pine Flat 73
4-4- نتایج تحلیل دینامیکی مدل سد پس‌تنیده تحت اثر زلزله  75
4-4-1- اثر پس‌تنیدگی بر تغییر مکان افقی تاج سد به روش اعمال نیروی ترکیبی 75
4-4-2- اثر پس‌تنیدگی بر تغییر مکان افقی تاج سد به روش اعمال دما  81
4-4-3- اثر میزان حجم مخزن بر تغییر مکان افقی تاج سد. 88
4-4- 4- بررسی تاثیر پس‌تنیدگی بر تنش کششی و تغییر مکان در سد  90
4-5- فاصله مناسب کابل‌ها در سد پس‌تنیده. 97
4-5- 1-روش استفاه از چند کابل در تعیین فاصله مناسب. 97
4-5-2- روش استفاده از یک کابل در تعیین فاصله مناسب.  102
 
فصل پنجم – نتیجه گیری. 110
5- 1- مقدمه. 111
5-2- نتایج 111
5-3- پیشنهادات. 113
 
منابع:. 114

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
عنوان                                                                                                          صفحه
جدول 4-1- مشخصات مصالح سد بتنی وزنی پس‌تنیده در تحلیل خطی  64
جدول 4-2- پریود و فرکانس ارتعاش آزاد سیستم سد-پی-مخزن  73
جدول 4-3- میزان نیروی پس‌تنیدگی وارد شده به کابل و صفحه (MN)  75
جدول 4-4- پاسخ افقی تاج سد تحت شیب‌های پایین‌دست مختلف در زلزله Taft 80
جدول 4-5- پاسخ افقی تاج سد تحت شیب‌های پایین‌دست مختلف در زلزله Elcentro 80
جدول 4-6- پاسخ افقی تاج سد تحت شیب‌های پایین‌دست مختلف در زلزله Taft 86
جدول 4-7- پاسخ افقی تاج سد تحت شیب‌های پایین‌دست مختلف در زلزله Elcentro. 86
جدول 4-8- نتایج تغییر مکان افقی تاج سد پس‌تنیده به روش ترکیبی(cm)  87
جدول 4-9- نتایج تغییر مکان افقی تاج سد پس‌تنیده به روش اعمال دما(cm). 87
جدول 4-10- پاسخ افقی تاج سد تحت ارتفاع‌های مختلف مخزن در زلزله Taft 89
جدول 4-11-پاسخ افقی تاج سد تحت ارتفاع‌های مختلف مخزن در زلزله Elcentro 89
جدول 4-12- میزان نیروی پس‌تنیدگی وارد شده به کابل و صفحه  90
جدول 4-13- حداکثر تنش کششی (kPa) تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 95
جدول 4-14- حداکثر تغییر مکان افقی تاج سد (cm) تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 95
جدول 4-15- حداکثر تنش کششی (kPa) تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro 96
جدول4-16- حداکثر تغییر مکان افقی تاج سد (cm) تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 96
جدول 4-17- حداکثر تنش کششی در شیب‌های پایین دست 55/0 و 6/0 تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 103
جدول 4-18- حداکثر تنش کششی در شیب‌های پایین دست 65/0 و 7/0 تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 104
جدول 4-19- حداکثر تنش کششی در شیب‌های پایین دست 55/0 و 6/0 تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 105
جدول 4-20- حداکثر تنش کششی در شیب‌های پایین دست 65/0 و 7/0 تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro . 106
جدول 4-21- درصد کاهش تنش کششی و تغییر مکان افقی در شیب‌های پایین دست مختلف تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 107
جدول 4-22- درصد کاهش تنش کششی و تغییر مکان افقی در شیب‌های پایین دست مختلف تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 108
 
 
 
فهرست اشکال
عنوان                                                                                                           صفحه
شکل 1-1- مدل سد-پی-مخزن-کابل سد بتنی وزنی پس‌تنیده. 5
شکل 2-1- مدل سد و مخزن مورد استفاده وسترگارد. 11
شکل 2-2- تغییرات فشار سهموی وسترگارد. 12
شکل 2-3- کابل‌های پس‌تنیدگی. 25
شکل 2-4- سد بتنی وزنی پس‌تنیده. 27
شکل 2-5- سدهای مقاوم‌سازی شده. 31
شکل 2-6- سدهای مورد مطالعه. 33
شکل 2-7- رشته‌های کابل مورد استفاده در سد منجیل جهت پس‌تنیده کردن. 33
شکل 2-8- نصب کابل‌های پس‌تنیده بر روی سد Ink. 35
شکل 2-9- مقطع سد بهسازی شده Ink. 36
شکل 3-1- رابطه فشار و کرنش حجمی در آب. 49
شکل 3-2- مشخصات هندسی المان Fluid80. 51
شکل 3-3- المان بتن Solid 65. 52
شکل 3-4- هندسه ترک و تنش‌ها. 53
شکل 3-5- المان Link10. 56
شکل 3-6- المان Shell181. 57
شکل 3-7- نمودار تنش-کرنش فولاد پر مقاومت. 60
شکل 4-1- به ترتیب شتاب نگاشت مؤلفه افقی زلزله Taft ؛ شتاب نگاشت مؤلفه قائم زلزله Taft ؛ شتاب نگاشت مؤلفه افقی زلزله Elcentro ؛ شتاب نگاشت مؤلفه قائم زلزله Elcentro. 63
شکل 4-2- مدل اجزای محدود سیستم سد-پی-مخزن. 66
شکل 4-3- مقایسه نتایج تغییر مکان تئوری و نرم‌افزار Ansys سیال مخزن در سیستم سد-پی-مخزن. 66
شکل 4-4- مقایسه فشار هیدرودینامیکی مخزن و Ansys سیال مخزن در سیستم سد-پی-مخزن. 67
شکل 4-5- مقایسه تنش قائم کف سد در حالت تئوری و نرم‌افزار Ansys در سیستم سد-پی با عرض کف 50 متر. 68
شکل 4-6- مقایسه تنش قائم کف سد در حالت تئوری و نرم‌افزار Ansys در سیستم سد-پی با عرض کف 70 متر. 69
شکل 4-7- مقایسه تنش قائم در کف سد در حالت تئوری و نرم‌افزار Ansys در سیستم سد-پی-مخزن-کابل با عرض کف سد 50 متر. 69
شکل4-8- مقایسه تنش قائم در کف سد در حالت تئوری و نرم‌افزار Ansys در سیستم سد-پی-مخزن-کابل با عرض کف سد 70 متر. 70
شکل4-9- پاسخ فشار در المان پاشنه سد صلب تحت مؤلفه افقی شتاب هارمونیک. 71
شکل4-10- مقطع هندسی مدل سد Pine Flat 72
شکل4-11- مدل اجزای محدود سیستم سد-پی-مخزن Pine Flat 74
شکل4-12- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat با در نظر گرفتن پی انعطاف‌پذیر تحت شتاب نگاشت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 74
شکل4-13- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 78/0 m= . 76
شکل 4-14- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 7/0 m=. 77
شکل 4-15- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 65/0 m=. 78
شکل4-16- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 6/0 m=. 79
شکل4-17- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 65/0 m=. 82
شکل4-18- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 7/0 m=. 83
شکل4-19- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 65/0 m=. 84
شکل4-20- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 6/0 m=. 85
شکل4-21- مقایسه میانگین تغییر مکان افقی تاج سد در شیب‌های پایین‌دست مختلف به دو روش ترکیبی و اعمال دما. 88
شکل 4-22- به ترتیب تنش قاتم در پاشنه سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft و تغییر مکان افقی تاج سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft در 7/0m=. 91
شکل 4-23- به ترتیب تنش قاتم در پاشنه سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft و تغییر مکان افقی تاج سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft در 65/0m=. 92
شکل 4-24- به ترتیب تنش قاتم در پاشنه سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft و تغییر مکان افقی تاج سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft در 6/0m=. 93
شکل 4-25- به ترتیب تنش قاتم در پاشنه سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft و تغییر مکان افقی تاج سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft در 55/0m=. 94
شکل 4-26- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 7/0 m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله  Taft 98
شکل 4-27- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 65/0m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 98
شکل 4-28- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 6/0 m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله  Taft 99
شکل 4-29- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 55/0 m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 99
شکل 4-30- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 7/0 m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 100
شکل 4-31- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 65/0m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 100
شکل 4-32- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 6/0m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 101
شکل 4-33- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 55/0m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 101
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل اول–مقدمه و کلیات تحقیق