Su, çatlak ve kavitasyon etkileri altındaki beton ağırlık barajların lineer olmayan dinamik analizi

Abstract

ÖZET Bu tezde, sıvı-yapı etkileşim sistemlerinin deprem yükleri altındaki lineer ve lineer olmayan davranışları, deplasmana dayalı (Lagrange yöntemi) sonlu eleman formülasyonları ile incelenmektedir. Sıvı-yapı etkileşiminde malzeme ve geometrik bakımdan lineer olmayan analizler dikkate alınarak çözümler yapılmaktadır. Şiddetli depremlerde sıvı ortamda kavitasyon ve yapıda meydana gelen çatlaklar ve bu çatlakların açılıp kapanması, yapının malzeme yönünden lineer olmayan davranışı kabul edilerek formülasyonlar geliştirilmiştir. Elde edilen formülasyonlar Fortran-77 bilgisayar dilinde alt programlar halinde kodlanarak, yapıların lineer olmayan davranışını inceleyen genel amaçlı NONSAP bilgisayar programına adapte edilmiştir. NONSAP programına ayrıca deprem analizi ve rijit cismin modal analizini yapan altprogramlar eklenmiştir. Bu çalışmanın birinci bölümünde konunun öneminden, sıvı-yapı etkileşiminde lineer ve lineer olmayan davranışlar ile ilgili daha önce yapılan çalışmalardan ve çalışmanın kapsamından söz edilmektedir. İkinci bölümde, sıvı elemanın deplasmana dayalı formülasyonu (Lagrange formülasyonu) verilmektedir. İki boyutlu sıvı eleman test edildikten sonra beton ağırlık barajı, sıvı-yapı etkileşimi bakımından deprem hareketinin değişik sönüm oranlan için incelenmiştir. Üçüncü bölümde, sıvı-yapı etkileşim problemlerinin geometrik olarak lineer olmayan davranışı, hem sıvı ortamda hemde yapı ortamında dikkate alınarak çözümler yapılmaktadır. Ayrıca baraj betonunun malzeme bakımından lineer olmayan davranışı klasik yöntem kullanılarak analiz edilmektedir. Dördüncü bölümde, deprem hareketi sonucunda meydana gelen kavitasyon olayı, sıvının lineer olmayan davranışı olarak kabul edilmekte ve çözümler yapılmaktadır. Bu bölümde kavitasyondan sonra çarpma sonucu ortaya çıkan hayalı titreşimler ortadan kaldırılmıştır. Beşinci bölümde, kuvvetli yer hareketi sonucunda barajda meydana gelen çatlaklar için sabit doğrultulu yayılı çatlak modeli dikkate alınmakta ve analizler yapılmaktadır. Ayrıca çatlamış barajın modal analizi kaydırma yöntemi kullanılarak incelenmektedir. Altıncı bölümde, çalışma sonucu elde edilen sonuçlar değerlendirilirken yedinci bölümde, bu alanda yapılabilecek çalışmalar için öneriler verilmektedir. Anahtar Kelimeler: Lineer Analiz, Lineer Olmayan Analiz, Sıvı- Yapı Etkileşimi, Lagrange Formülasyonu, Zaman bağımlı (Update) Lagrange Formülasyonu, Toplam (Total)Lagrange Formülasyonu, Drucker-Prager Kırılma Hipotezi, Sonlu Eleman, İndirgenmiş İntegrasyon, Modal Analiz, Kaydırma Yöntemi, Newton-Raphson Yöntemi, Kavitasyon, Çatlak analizi, Sabit Doğrultulu Çatlak, Rijit Cisim Haraketi, Baraj-Rezervuar. vııı

SUMMARY In this study, the finite element analysis of linear and nonlinear fluid-structure interaction during ground motion based on displacement (Lagrange approach) is performed. During strong ground motion cavitation in fluid and cracking in structure is considered. Not only material and geometric nonlinearities of fluid and cracking (opening-closing- reopening) in structure but also earthquake analysis and shifting for rigid body motion are coded as subprograms in the Fortran-77. These subprograms are incorporated into a general purpose nonlinear structural analysis program NONSAP. In the first chapter, the importance of the matter, the previous work of the linear and nonlinear fluid-structure interaction and the scope of the work is explained. In the second chapter, formulation of fluid element based on displacement (Lagrange approach) is given. A two dimensional fluid tank is tested. Later on, the dynamic response of a concrete gravity dam with different damping ratios are studied. In the third chapter, material and geometric nonlinearities in the phenomenon of fluid- dam coupling are studied. The Update and Total Lagrange formulation of the interaction are given. Elastic-plastic behaviour of concrete is modelled as Druker-Prager criteria. The nonlinear response of a concrete gravity dam is performed. In the fourth chapter, in fluid domain during severe ground motion the cavitation is explained. When the direction of the ground motion is changed, the cavitation region collapses and an impact occurs. After impact the spurious oscillation is removed from the analysis. The effect of the cavitation on the response of a concrete gravity dam is explained for the purpose. In the fifth chapter, the opening-closing and reopening during the mechanism of cracking in element is explained during an earthquake. For this purpose, the theoretical background of the fixed smeared crack formulation is given. After cracking on concrete gravity dams rigid body motion is occurred. Shifting is used for modal analysis of post cracking. In the sixth and seventh chapter, the conclusions drawn from this work and the recommendations and suggestions are given in details. KeyWords: Linear Analyses, Nonlinear Analysis, Fluid-Structure Interaction, Lagrange Formulation, Update Lagrange Formulation, Total Lagrange Formulation, Druker-Prager Criteria, Finite Element, Reduced Integration, Modal Analysis, Shifting Method, Newton-Raphson Method, Cavitation, Crack, Fixed Smeared Crack, Rigid Body Motion, Dam-Reservoir Systems, Dynamic Analysis. DC