دانلود ترجمه مقاله رویکرد چند مقیاسی برای تحلیل لرزه ای در سدهای بتنی

1. مقدمه 2. تاثیرات مقیاس – اندازه بر روی پارامترهای مکانیکی 3. مدل پایه رابط 3.1. مدل منطقه چسبندگی 3.2. مدل تماس 3.3. استفاده از مدل آسیب برای بارگذاری ‏های تکراری 4. الگوریتم‏ های اجزاء محدود 5. مثال عددی 6. نتیجه گیری

مقدمه: ارزیابی سالم بودن سازه‏ های سدهای وزنی بتنی در سالیان گذشته به‏ وسیله محققان مورد بررسی قرار گرفته است. اولین تحقیق در سال 1970 انجام شد که در آن محققان سعی کردند از روش‏ ها و نظریه ‏های مکانیک شکست برای بررسی سازه ‏های بتنی استفاده نمایند. تجزیه و تحلیل ‏های اولیه مبتنی بر مکانیک ‏های شکست الاستیـک خطی (LEFM) بودند. رشد ترک زمانی اتفاق می‏ افتد که ضریب شدت – تنش معادل فرایند بارگذاری سبک ترکیبی را تشریح می کند و سپس به مرحله شدت– تنش بحرانی می ‏رسد که در حقیقت خاصیت مصالحی است که ناهمواری بتن را تعریف می ‏نمایند. این روش هنگامی مناسب است که اندازه منطقه فرایند کوچک است و با اندازه سازه ‏ای مورد مقایسه قرار می ‏گیرد، شرطی که معمولا در سازه‏ های با مقیاس بزرگ مانند سد برآورده می ‏شود. اولین کاربرد سیستمی مکانیک‏ های شکست برای سد در پانزدهیمن کنگره بین ‏المللی سدهای بزرگ (ICOLD) بود که در لوزان در سال 1985 برگزار گردید (برای مثال، می‏ توانید به دستورالعمل ‏های لینس بوئر برای کاربرد LEFM در سدها مراجعه کنید). مسئله ترک خوردگی در سدهای بتنی از اهمیت بالایی برای سازه‏ های موجود و طراحی سازه ‏های جدید برخوردار است . بنابراین در شرایط بازسازی سد و واقع‏ گرایی نمی‏ توان پدیده ترک خوردگی را نادیده گرفت. دلیل این امر گردش جریان ‏های دمایی بین بخش‏ های مختلف داخلی و خارجی سد، انبساط حرارتی بتن زمانی که در معرض شرایط محیطی مختلف قرار می‏ گیرد و نشست فونداسیون است. نظریه‏ های LEFM در چندین تحقیق مورد استفاده قرار گرفت، برای مثال می ‏توان به آنالیز ترک خوردگی در سد فونتانا در کارولینای شمالی (ایالات متحده)، سد کوینا در هند و سد کوهل برین در اتریش اشاره کرد. اخیرا از روش LEFM برای تفسیر دلایل فروپاشی سد مالپاست در فرانسه استفاده شده است. تحقیقات آزمایشی در سال ‏های گذشته بر روی مدل ‏های مقیاس‏ بندی برای ارزیابی اعتبار پیش‏ بینی ‏های LEFM انجام شد. از طرف دیگر، آنالیزهای شکست لرزه ‏ای به ‏واسطه پیچیدگی بالایی که دارند به ندرت انجام شده‏ اند، ترک‏ هایی که در سدها به واسطه بارگذاری ‏های تکراری اتفاق می‏ افتند به مدل‏سازی خاصی نیاز دارند. زمانی که مدل‏ های مکانیک شکست غیر خطی (NLFM) مورد استفاده قرار می ‏گیرند، باید مسئله دینامیک غیر خطی را حل نمود، این مسئله به ‏واسطه تفاوت ‏های زیاد در مقیاس‏ های زمانی با چالش‏ های عمده‏ ای مواجه است. در این مقاله، پدیده انتشار ترک در رابط بین سدهای بتنی و فونداسیون سنگی مورد بررسی قرار می‏ گیرد. این منبع آسیب ‏دیدگی از نقطه نظر سازه‏ ای از اهمیت بالایی برخوردار است. در حقیقت علاوه بر رشد ترک ترکیبی در بتن، گسیختگی سد هم همراه با آن به علت انتشار ترک در امتداد رابط بتن– سنگ در فونداسیون سد اتفاق می‏ افتد. در این مورد ما با کمبود مدل ‏های پیش‏ بینی ‏کننده برای آنالیزهای لرزه ‏ای مواجه هستیم. تحقیقات اولیه انجام شده بر روی استفاده از مکانیک ‏های شکست غیر خطی کوپله شده با مکانیک ‏های آسیب دیدگی و مکانیک‏ های تماس در دینامیک در منبع [16] نشان داده شده است. در این مقاله همان‏طور که قبلا گفتیم، مسئله تاثیر اندازه– مقیاس بر روی استحکام کششی، انرژی شکست و انرژی تلف شده در فشار به صورت بحرانی مورد تجزیه و تحلیل قرار می‏ گیرد. سازه‏ های بزرگ مانند سد به تاثیرات مقیاس– اندازه حساس هستند، به همین علت از پارامترهای مناسب در مدل های NLFM برای شبیه‏ سازی انتشار ترک استفاده می ‏شود. از نقطه نظر عددی، روش‏ های تطبیقی مورد استفاده قرار می ‏گیرند، در این روش در هر کدام از مراحل شبیه ‏سازی بر طبق قوانین مقیاس‏ بندی، پارامترهای مصالح انتخاب خواهند شد. از قانون پایه رابط تعمیم یافته در منبع [17] برای مدل‏ سازی پدیده مسدودشدن ترک و باز شدن مجدد در رابط استفاده می ‏شود، اجرای روش اجزا محدود در کد FEAP نیز مورد بحث قرار خواهد گرفت. علاوه بر موارد فوق، از متغیر آسیب ‏دیدگی در فرمولاسیون منطقه چسبندگی برای پیش‏ بینی انتشار ترک تحت بارگذاری ‏های تکراری استفاده می ‏شود که شباهت زیادی به پدیده رشد ترک خستگی دارد. مطالعه موردی انجام شده توانایی ‏های روش پیشنهادی و حساسیت به پارامترهای قانون آسیب ‏دیدگی را نشان می ‏دهد.

Introduction: Structural integrity assessment of concrete gravity dams has long been investigated. The first attempts to apply the theories and the methods of fracture mechanics to concrete structures are dated back to the 1970s [1]. Pioneering analyses were mostly based on linear elastic fracture mechanics (LEFM). Crack growth takes place when an equivalent stress-intensity factor, accounting for Mixed-Mode loading, reaches the critical stress-intensity factor, which is a material property that defines the toughness of concrete. This approach is suitable when the size of the process zone is small as compared to the structural size, a condition usually satisfied in large scale structures like dams. The first systematic application of fracture mechanics to dams was proposed in the 15th International Congress on Urge Dams, ICOLD, held in Lausanne in 1985 (see, for instance, the guidelines proposed by Linsbauer [2] for the application of LEFM to dams). The problem of cracking in concrete dams was perceived as a problem of paramount importance, both for the existing structures, and for the design of the new ones. Hence, it was ascertained that the phenomenon of cracking cannot be totally avoided during the realization stage and in the service conditions [3]. The main reasons are the temperature excursions between the internal and the external sides of the dam, dilatation of concrete when exposed to environmental conditions, as well as foundation settlements. LEFM theories were then applied to several case studies, including the analysis of cracking in the Fontana dam in North Carolina (USA) [4,5], in the Koyna dam in India 16-81, and in the Kohlbrein dam in Austria 19-11]. Recently, LEFM has also been applied to the interpretation of the reasons for collapse of the Malpasset dam in France [12]. Experimental tests on scaled down models have been per-formed in the past [13] to assess the reliability of LEFM predictions. On the other hand, seismic fracture analyses are quite scarce due to their high complexity [6,7,14]. Cracks encountered in dams require special modeling when subjected to crack closure, as it happens during repeated loadings [7]. When nonlinear fracture mechanics (NLFM) models are used [14,15], a nonlinear dynamic problem has to be solved [14], which is nowadays challenging due to the large differences in the characteristic time scales of the problem. In the present paper, the phenomenon of crack propagation at the interface between the concrete dam and the rock foundation is investigated. This source of damage is particularly important from the structural integrity point of view. In fact, besides Mixed-Mode crack growth in concrete, dam failure is often the result of crack propagation along the rock—concrete interface at the dam foundation. In this case, there is a lack of predictive models in the literature, especially for seismic analyses. A preliminary study on the possibility to use nonlinear fracture mechanics coupled with damage mechanics and contact mechanics in dynamics has been outlined in 1161. In the present work, the problem of size-scale effects on the tensile strength, fracture energy and dissipated energy in compression is critically analyzed. It is found that huge structures like dams are very sensible to size-scale effects and suitable parameters have to be used in the NLFM models for the simulation of crack propagation. From the numerical point of view, an adaptive approach is used, where the material parameters are selected at each step of the simulation according to the given scaling laws. Then, the generalized interface constitutive law proposed in [17] is used to model the phenomenon of crack closing and reopening at the interface and its finite element implementation in the code FEAP is discussed. In particular, following 1161, a damage variable is introduced in the cohesive zone formulation in order to predict crack propagation under repeated loadings, in close similarity with the phenomenon of fatigue crack growth. Finally, a case study is re-ported in the paper showing the capabilities of the proposed approach and the sensitivity to the parameters of the damage law.

بخشی از ترجمه مقاله (صفحه 16 فایل ورد ترجمه)