Thermal cracking of a concrete arch dam due to seasonal temperature variations

Concrete dams located in northern regions are exposed to large seasonal temperature variations. These seasonal temperature variations have resulted in cracking in thin concrete dams. Continuous monitoring and evaluation of existing dams are important to increase the knowledge about massive concrete structures and to ensure dam safety. The aim of this degree project is to increase the knowledge about how cracking occurs in concrete dams and how it affects the dam safety. This was achieved by simulating the development of cracks in a concrete arch dam exposed to seasonal temperature variations using finite element analysis (FEA). The accuracy of the model was evaluated by comparing the results with measurements from a Swedish concrete arch dam. Finally, effect of cracks and temperature on the dam safety was investigated. FEA was used to predict the crack pattern and displacements in the arch dam. The analyses were performed both with linear elastic and nonlinear material behavior. Two models were analyzed, in one model the dam was considered to be a homogeneous arch, the other model included contraction joints. The cracking was simulated using temperature envelopes from the location of the Swedish arch dam. To evaluate the displacements in the arch, further analyses were carried out, where the cracked arch dam was exposed to the actual temperature variations at the location. The results were compared to the crack pattern and measurements of displacements of the Swedish arch dam. To investigate the effects from the cracking on the safety of the dam, a progressive failure analyses performed. The results show that the downstream face of the arch cracked under hydrostatic pressure. The cracks propagated further during winter when the temperature load was applied. The resulting crack pattern corresponded well with the survey of the cracks from the Swedish arch dam. The FE-models with nonlinear material developed a horizontal plastic hinge due to excessive cracking in a region halfway down from the crest. The plastic hinge affected the shape of the deflected arch. The magnitude of the displacements and the shape of the deflected arch was captured with the nonlinear models. A safety factor of 3 for internal structural failure in the arch was found in the failure analyses. The safety factor of the arch only decreased slightly due to the cracking. During a cold winter, the safety factor decreased to 2.5.Betongdammar belägna i nordliga klimat blir utsatta för stora säsongsburna temperaturvariationer. Dessa temperaturvariationer har orsakat sprickbildning i tunna betongdammar. Kontinuerlig övervakning och utvärdering av befintliga dammar är viktigt för att öka kunskapen om massiva betongkonstruktioner och för att säkerställa dammsäkerheten. Syftet med det här examensarbetet är att öka kunskapen om hur sprickor uppstår i valvdammar samt hur de påverkar anläggningens säkerhet. Målet är att med finit elementanalys (FEA) analysera uppsprickningen av betongen i en valvdamm som påverkas av säsongsburna temperaturvariationer. Tillförlitligheten i modellen utvärderas genom att jämföra med mätningar från en svensk valvdamm av liknande dimensioner. Slutligen utvärderas hur dammens säkerhet påverkas av sprickbildningen. FE-analys användes för att förutsäga sprickmönstret och förskjutningarna i valvdammen. Analyserna utfördes både med linjärelastiskt och icke-linjärt materialbeteende. Två modeller användes i analysen, i ena modellen betraktades dammen som homogen och i den andra inkluderades gjutfogar. Sprickmönstret simulerades med temperaturcykler baserade på extremtemperaturer tagna intill den svenska valvdammen. För att utvärdera förskjutningarna i dammen gjordes vidare analyser där den spruckna dammen utsattes för temperaturvariationer uppmätta från samma plasts. Resultaten från analysen jämfördes med mätningar av förskjutningar och kartering av sprickor från den svenska valvdammen. För att undersöka hur säkerheten påverkades av sprickbildningen utfördes progressiv brottanalys. Resultaten visar att dammen spricker på nedströmssidan när den utsätts för vattentryck. Sprickorna fortplantas under vintern när temperaturlasten appliceras. Sprickmönstret stämmer överens med kartering av den verkliga dammen. FE-modellerna med icke-linjärt materialbeteende utvecklade en plastisk led längs horisontella sprickor halvvägs ner från krönet. Den plastiska leden påverkade dammens utböjda form. Förskjutningarna och dammens utböjda form i de ickelinjära modellerna stämmer väl överens med de uppmätta förskjutningarna. Vid brottanalysen var säkerhetsfaktorn mot materialbrott i dammen 3. Säkerhetsfaktorn minskade något till följd av sprickorna. Under en kall vinter sjönk säkerhetsfaktorn till 2,5