Numerisk analys av temperaturinducerade islaster på betongdammar

It is essential to understand the mechanics of ice load and how it affects concrete dams located in a cold climate, such as Sweden, where the temperature becomes sufficiently cold to freeze the surface of the reservoir. The purpose of this thesis is to study ice load distribution along concrete dams, and its response during the application of an ice load. Two types of concrete dams were analysed, an arch dam and a buttress dam. For these dams, the influence from different parameters on the ice load distribution along the dams is studied. In addition to this, a study on how the ice load affects dam stability had also been performed. Stability analyses based on the finite element method were performed using both linear and nonlinear formulation of the interaction behaviour between the base of the dam and the underlying rock. A parametric study of ice sheet expansion on different dam types and geometries were performed. The expansion of the ice sheet was assumed to either be caused by a constant temperature 15 ˚C uniformly distributed over the ice thickness, or by a temperature gradient from 15 ˚C at the top surface of the ice sheet and 0 ˚C at the bottom. The parametric study also includes an investigation about influence of the shape of the reservoir beaches, where it either had a perpendicular shape towards the surface of the dam, or it had an angle of 30˚ with the dam surface. In the linear stability analysis, the structure continued to deform with increasing of the resultant pressure until it reached nonlinearity. The dam deflection had a linear relation with the applied ice load force until it reached the point when structure behaviour was nonlinear. The structure failed due to sliding, overturning or combination of both sliding and overturning. A material failure can also occur if the nonlinear material behaviour is considered, however this was not considered in this study. The parametric study showed that the ice load distribution was less near the beaches, and the distribution of the load on the concrete dam was higher near the top surface of the ice sheet. It was also shown in the study that the distribution of the ice load along the dam was as a cosine function where it had the maximum value at the buttress and the minimum at monolith connections. The result also showed that the load distribution over the thickness of the ice sheet was the same along the dam, regardless of the shape of the beaches or the length of the ice sheet.Det är viktigt att förstå hur islasten beter sig och hur den påverkar betongdammar som är belägna i kallt klimat, som t.ex. Sverige, där temperaturen blir tillräckligt låg för att frysa ytvattnet i en flod. Syftet med detta examensarbete är att studera isbelastningsfördelningen längs en betongdamm och dess respons under en belastningen. Två olika typer av betongdammar har analyserats, vilka är valvdamm samt lamelldamm. För dessa, studerades det hur olika parametrar påverkar lastfördelningen från istrycket längsmed dessa dammar. Slutligen har det studerats hur islasten påverkar dammsäkerheten och risken för dammbrott. Inverkan från interaktionen mellan dammen och det underliggande berget som linjär eller olinjärt har studerats i stabilitetsanalyser baserade på finita elementmetoden. En parameterstudie har också genomförts för olika dammtyper och geometrier där islasten orsakades av en expansion av isytan. Denna expansion antogs vara orsakad av antingen av en jämn fördelad temperatur över istjockleken på 15 ˚C, eller en temperaturgradient över istjockleken med +15 ˚C på den övre ytan och 0 °C vid isens bottenyta. Den parametriska studien beaktar även inverkan från utformningen av stränderna, där den har definierats som antingen vinkelrät mot dammen eller med en lutande vinkel på 30 grader. I fallet med linjära stabilitetsanalyser kommer konstruktionen att fortsätta att deformeras som ett resultat av ökande resulterande tryckkraft. Dammens deformation har ett linjärt förhållande med den applicerade islasten till dess att den når en punkt då strukturens beteende övergå till olinjärt. Strukturens brottmod kan uppstå på grund av glidning, stjälpning eller i en kombination av både glidning och stjälpning. materialbrott kan uppstå om icke-lineariteterna beaktas. Dammen gick till brott på grund av glidning, vältning eller i kombinationen av dessa då. Materialbrott kan uppstå om icke-linjära materialmodeller inkluderas, men detta beaktades dock ej i denna studie. Den parametriska studien visar att isbelastningen är mindre nära stränderna och att belastningen på betongdammen är högre vid isens ovanyta. Studien visar att islastfördelningen längsmed dammen liknar en cosinusfunktion som når sitt maximum vid stödskivan och sitt minimum vid monolitanslutningen. Resultatet visar även att islastfördelningen genom islastens tjocklek har samma form längsmed dammen oavsett utformningen av stränder eller istäckets längd