Σεισμική απόκριση και αποτίμηση οριακής αντοχής χωμάτινων φραγμάτων

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). Αρχικά, στο Κεφάλαιο 2 διεξάγονται παραμετρικές στατικές αναλύσεις προκειμένουνα 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 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 μηχανικήςσυμπεριφοράς 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 «διατμητική δοκού» στα χωμάτινα φράγματα του Μόρνου και Long Valley (Καλιφόρνια, Η.Π.Α.). Επιπλέον, οι παραμετρικές ανάλυσεις 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. Στη συνέχεια, 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 αναπτύσονται 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 ροής ύδατος στο εσωτερικό της. Μελετάται η εντατική κατάσταση που αναπτύσσσεται 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 επάρκειας της στοάς επισκέψεως του φράγματος του Μόρνου.