رفتار لرزه‌ای سدهای بتنی
بررسی رفتار لرزه‌ای سدهای بتنی، به دلیل اهمیت ایمنی سد در هنگام زلزله، مورد توجه بسیاری از محققین بوده است. زیرا تخریب این سازه‌ها در اثر زلزله می‌تواند آثار سو اقتصادی و اجتماعی در پی داشته باشد. از میان سدهای زیادی که در طول تاریخ دچار شکست و خرابی شده فقط تعداد معدودی به دلیل وقوع زلزله بوده و هیچکدام از آنها نیز سد بتنی مهمی نبوده است. برای ارزیابی ایمنی و پایداری سدهای موجود، تعیین کفایت اصلاحات مورد نظر برای بهسازی و ارتقای سدهای قدیمی و برای ارزیابی طرح‌های پیشنهاد شده برای احداث سدهای جدید، ضروری است اثرات زلزله بر روی این سدها ارزیابی شود. پیش بینی رفتار سدهای بتنی در زمان وقوع زلزله یکی از پیچیده‌ترین و سخت‌ترین مسائل در دینامیک سازه است.
در زمان حرکات شدید زلزله، درزهای ساختمانی قائم ممکن است بلغزد یا باز شود. بتن ترک بخورد و آب مخزن در بعضی قسمت‌ها از سطح سراب سد جدا شده، منجر به خلا زایی (کاویتاسیون) شود. این پدیده‌ها خطی نبوده و شبیه سازی و توضیح صحیح علل آنها بی‌نهایت مشکل است. نیروهای زلزله صرفاً به عنوان نیروهای استاتیکی تلقی شده و بارهای ثقلی ترکیب می‌شوند.
بر اساس معیارهای طراحی سنتی، ضریب اطمینان بزرگی باید در مقابل واژگونی لغزش و ایجاد تنش بیش از حد در همه حالات بارگذاری در نظر گرفته شود. تنش‌های فشاری باید کمتر از حد مجاز باشد. تنش کششی معمولاً مجاز نیست و اگر هم مجاز باشد احتمال ترک خوردن بتن چندان جدی گرفته نمی‌شود. تنش عامل محدود کننده‌ای در طراحی سدهای بتنی وزنی نیست.
بر هم کنش سد و آب
بر هم کنش بین سد و آب مخزن از آنجا که ناشی می‌شود که فشارهای هیدرودینامیکی بر روی تغییر شکل‌های سد و تغییر شکل هم به نوبه خود بر روی فشار اثر می‌گذارد. این بر هم کنش در معادلات حرکت منجر به ایجاد اثرات هیدرودینامیکی وابسته به فرکانس می‌شود که بر پاسخ دینامیکی سد اثر می‌گذارد. این اثرات هیدرودینامیکی را می‌توان به نیروی افزوده که برای حرکات افقی و عمودی زمین متفاوت است. جرم افزوده و میرایی افزوده تفسیر کرد. جرم هیدرودینامیکی افزوده با فرض پر بودن مخزن و صلب بودن کف مخزن، پریود تشدید پایه را افزایش می‌دهد.
مشخص شده که برهم کنش سد و آب تاثیر اندکی بر روی فرکانس‌های تشدید بالاتر دارد ولی از دامنه نوسان بیشینه‌های تشدید بالاتر می‌کاهد زیرا اگر تراکم پذیری آب در نظر گرفته شود میرایی در فرکانس‌های تحریک بالاتر افزایش می‌یابد.
حرکت افقی زمین نیروی هیدرودینامیکی افزوده مربوط به حرکت قائم زمین که به طور جانبی بر روی سد عمل می‌کند، در تمام فرکانس‌های تحرکی در مقایسه با نیروی موثر (نیروی موثر زلزله) مربوط به جسم سد بزرگ است. مخصوصاً اگر کف مخزن غیر جاذب باشد نیروی افزوده برای حرکت قائم زمین در فرکانس‌های ارتعاش طبیعی آب مخزن نامحدود بوده و منجر به پیک‌های نامحدود در تابع پاسخ فرکانسی برای سد می‌شود.
فشار هیدرودینامیکی
سد در هنگام وقوع زلزله در قسمت ارتعاش اجباری سیستم قرار دارد و این ارتعاش باعث حرکات ارتعاشی نمای بالا دست نسبت به حالت استاتیکی می‌شود. این تغییر مکان نسبی سطح مشترک سد – مخزن در نهایت باعث ایجاد امواج فشاری شده که این سیستم مواج موقتی که در جرم مایع به وجود آمده باعث اتنشار امواج فشاری و عملکرد بازتابی محدوده صلب و آزاد شدن مخزن می‌شود. با توجه به واکنش لرزه‌ای سازه تنها بازتاب موج در نمای بالا دست مورد نظر است. نتایج اولیه‌ای که به واسطه تغییر شکل الاستیک سد به وجود آمده، انعکاس امواج فشاری هیدرودینامیکی است. فشار هیدرودینامیکی تولید شده را فقط با در نظر گرفتن تراکم پذیری آب می‌توان در تحلیل منظور کرد. معمولاً به عوامل زیر بستگی دارد.
- طول مخزن
- شکل سطح مقطع دره در محور سد
- درجه تراکم پذیری زمین‌های اطراف مخزن
- شیب نمای بالا دست سد
- جهت زمین لرزه با توجه به محور سد
- حرکات القایی افقی یا عمودی زمین پی سد
- شکل ارتعاشی سیستم زوج سد – مخزن
بخشی از این فشار هیدرودینامیکی را می‌توان به وسیله فرض غیر قابل تراکم بودن آب در تحلیل مدل نمود و به طور کلی به عوامل زیر بستگی دارد.
- عملکرد ترکیبی بین سد و مخزن
- عمق مخزن در بالا دست پنجه دست
- جهت القایی با توجه به محور سد
- شیب نمای بالادست
فشار هیدرودینامیکی کل بزرگتر از فشار هیدرواستاتیکی است. به طور طبیعی در حالت بارگذاری عرضی زلزله، نمای بالا دست نسبت به هر دو نوع فشار هیدرودینامیکی اضافه بار خارج از حد مجاز پیدا می‌کند که به عوامل ذکر شده در بالا بستگی دارد.
با توجه به این دو مولفه، نیروی هیدرودینامیکی ناشی از تراکم پذیری آب ممکن است بعد از یک پریود اصلی زلزله بزرگتر شود و از طرف دیگر سیلت ته نشین شده در انتهای مخزن باعث تغییر بازتاب ایده آل امواج الاستیک می‌شود. بنابراین برای تخمین زدن فشار هیدرودینامیکی آب غیر قابل تراکم فرض می‌شود و فشار ناشی از اثرات اینرسی جرم آب در نزدیک نمای سد بزرگ می‌شود. این دید ممکن است برای ساده نمودن روش تحلیل لرزه‌ای با استفاده از مفهوم سیستم مستقل شود.
تنش‌های زلزله در سد
معیار ماکزیمم تنش مجاز بتن یک تصور کیفی از سدهای تحت اثر زلزله را مشخص می‌کند. و این بدین خاطر است که سازه دارای ظرفیت میرایی بزرگتری نسبت به آنچه در تحلیل دینامیکی در نظر گرفته می‌شود، است (ترک‌های مویی، بازشدگی درز – ویسکوالاستوپلاستیک بتن).
این نگرش با رفتار موجود سدهای بتنی که تحت اثر زلزله واقعی پایدار مانده‌اند، صدق می‌کند یعنی اگر چه تنش به دست آمده خیلی بزرگتر از مقاومت کششی مجاز بوده است ولی با این حال به خوبی عمل کرده‌اند.
در هنگام زلزله، تنش‌ها در مقطع، چندین برابر مقاومت کششی شده و بنابراین ترک‌هایی در بدنه بتن به وجود می‌آید.
المان ترک و مکانیک شکست
یک ترک می‌تواند شامل چند المان ترک باشد. که به صورت مستقل از یکدیگر باز و بسته می‌شوند. از این المان‌ها می‌توان برای محاسبه میزان تنش انتقال یافته در سطوح ترک به علت قفل و بست بین دانه‌ها استفاده نمود. برای بارگذاری دوره‌ای رابطه مناسب ما بین تنش برشی و تغییر مکان برشی تعریف می‌شود. المان ذکر شده در میان المان‌های اصلی سازه و در محل ترک‌ها تعریف می‌شود.
مدل‌های گسترش ترک به دو دسته مکانیک شکست خطی و مکانیک غیر خطی تقسیم می‌شود. مهمترین مرحله برای استفاده از معیارهای ارائه شده تعیین مشخصات هندسی ترک است.
