Seismic analysis of concrete gravity dams

Abstract

Sanayi devrimi sonrasında enerji, ülkelerin iç ve dış politikalarını belirleyen önemli parametrelerden biri haline gelmiştir. Gelecek nesillerin enerji ihtiyacını karşılamak ve çevreye verilen zararı en aza indirgeyebilmek için yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim ise giderek artmaktadır. Bu noktada, hidroelektrik enerji temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak önemli bir cazibe sunmaktadır. İnşa edilen birçok barajın yanında, mevcut baraj stoklarının kontrol edilmesi gerekliliği ise beton barajların sismik tasarım ve güvenliğine ilişkin çalışmaların önemini bir kez daha gözler önüne sermektedir. Bu çalışmada beton barajlar için kullanılan doğrusal ve doğrusal olmayan davranışları değerlendirilmiş, beton barajların tasarım ve performanslarının belirlenmesine yönelik basitleştirilmiş yöntemler geliştirilmiştir. İlk bölümde, beton barajların doğrusal davranışı irdelenmiştir. Bu amaçla seçilen beton baraj kesitlerinin dinamik analizleri yapılmıştır. Analizler, yapı-zemin-rezervuar etkilerinin doğru bir şekilde hesaplanabildiği frekans alanı ile rezervuar ve zeminin yaklaşık yöntemlerle hesaplanabildiği zaman alanı için ayrı ayrı yapılmıştır. Tasarımda önemli bir parametre olan topuktaki çekme gerilmeleri, frekans alanı çözümü yardımı ile farklı kesit, malzeme ve deprem durumları ile ilişkilendirilmiştir. Buna ek olarak, frekans ve zaman alanı çözümlerinin karşılaştırılması ile efektif sönüm oranları elde edilmiş, bu oranlar kullanılarak zaman tanım alanı analizlerine yönelik yeni bir sönüm oranı denklemi geliştirilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, beton barajların doğrusal olmayan davranışları irdelenmiştir. Literatürde betonun doğrusal olmayan davranışı ile yapı-zemin-rezervuar etkisinin dâhil edilebildiği kabul edilebilir yöntemler bulunmamaktadır. Bu amaçla beton barajların doğrusal olmayan çatlama davranışını baraj-rezervuar etkileşimini de dâhil ederek hesaplayabilen basitleştirilmiş statik analiz yöntemi geliştirilmiştir. Birinci mod davranışı ile uyumlu yatay yük (atalet ve hidrodinamik etkiler dâhil edilerek) profili ile yapılan itme analizi sonucunda kapasite eğrisi elde edilmektedir. Kırılgan yapıdaki beton barajın itme analizi mevcut yöntemlerle çözümü zor bir problemdir. Bu amaçla yapının kapasite eğrisi için Ardışık Lineer Analiz (ALA) yöntemi kullanılmıştır. Basitleştirilmiş statik analiz yöntemin doğrulanabilmesi için seçil kesitler ve deprem kayıtları ile doğrusal olmayan zaman tanım analizleri yapılmıştır. Her iki yöntem ile belirlenen hasar durumları karşılattırılmış önerilen yöntemin yeterliliği değerlendirilmiştir. Son olarak doğrusal olmayan zaman tanım alanı analizi sonuçları kullanılarak beton barajlar için performans seviyeleri belirlenmiş ve deterministik duyarlılık analizi yapılmıştır. Çalışma sonucunda elde edilen kırılganlık eğrileri ve performans seviyeleri, beton barajların tasarım ve değerlendirilmelerinde mühendislere yardımcı olacak önemli araçlar olacaklardır.

After the industrial revolution, energy has become one of the important issues determining the internal and external policies of the countries. Nowadays, to meet the energy needs of future generations and to reduce the damage to the environment, renewable energy sources are utilized. At this point, hydroelectric energy offers a clean and renewable energy source alternative. In addition to many built dams, the necessity of controlling existing dam stock punctuates the importance of studies on the seismic design and safety of concrete dams. In this study, the linear and nonlinear responses of concrete dams are evaluated and new simplified methods are proposed for the design and evaluation of the concrete dams. In the first part, linear response of concrete dams is examined. For this purpose, dynamic analyzes of a group of selected concrete dam sections were conducted. Analyses were carried out separately for the frequency domain where the dam-foundation-reservoir interactions can be accurately calculated and for the time domain where they can be calculated with approximate methods. By employing the results of the frequency domain solution, the tensile stresses in the heel, which is an important parameter in the design, were related to a number of engineering demand parameters. Additionally, effective damping ratios were obtained by comparing frequency and time domain solutions and a new damping ratio equation for time domain analysis was proposed. In the second part, nonlinear response of concrete dams is examined. The coupled solution of concrete nonlinearity and the dam-foundation-reservoir interaction is still a challenge for the current practices. For this purpose, a simplified static analysis method is proposed which can estimate the nonlinear damage of concrete dams including dam-reservoir interaction. In the method, the capacity curve was obtained by pushover analysis (including inertia and hydrodynamic effects) compatible with the first mode behavior. Such nonlinear problem can be a challenge to solve by the existing tools. For this purpose, the Sequential Linear Analysis (SLA) method was adopted to obtain the capacity curve. In order to verify the simplified static analysis method, nonlinear time domain analyzes were performed with selected sections and earthquake records. The damage was estimated by both techniques and compared to evaluate the performance of the simplified solution. Finally, the performance levels for concrete dams were estimated by using the results of nonlinear time domain analysis and deterministic sensitivity analysis. The resulting fragility curves and performance levels will be important tools to assist engineers in designing and evaluating concrete dams.