Influence of Foundation Modelling on the Seismic Response of a Concrete Dam

It is of great importance to ensure the structural safety of dams during earthquakes since a failure may cause catastrophic consequences. Conventional computation of the structural response of dams is based on a simplified approach where the foundation is considered as massless. However, recent developments have produced several new analysis methods that consider the foundation mass, modelled with absorbing boundaries and free-field forces. These newer methods are intended to simulate the seismic structural response more accurately, optimize the design and minimise future unnecessary reparations. The aim of the thesis was to investigate the influence of foundation modelling in seismic time history analyses. This was done by comparing the established massless foundation approach to two approaches with foundation mass and free-field forces included; the analytical approach presented by Song et al. (2018) and the direct FE approach by Løkke (2018). Both the efficiency of the seismic wave propagation simulation and the structural response of the dam were of interest, and points on the dam and foundation were studied to accurately compare these modelling approaches. The time history analyses showed that the massless approach corresponded perfectly with the ideal theoretical velocity at the foundation surface when studying only the foundation block, as expected. The analytical and direct FE however, differed slightly from the theoretical value but still gave an accurate representation. Both methods using free-field forces obtained equivalent and realistic structural responses when studying the dam-reservoir-foundation model. The massless method however,strongly overestimated the dam response and was therefore found to not capture the actual behavior of the dam accurately, despite modifications such as increased material damping in the concrete. Additionally, another aim was to analyse the influence of modelling in 2D versus 3D for determining the dynamic characteristics of the dam such as natural frequencies and eigenmodes of the dam. These frequency analyses were made using models with and without foundation mass considered and was compared to experimental data.The massless 3D model was found to be the most effective modelling approach for deriving the dynamic characteristics of the dam since the use of a 3D model was necessary in order to study the behaviour of the whole dam and post-processing was simpler when using the massless model.Det är nödvändigt att säkerställa dammars säkerhet mot jordbävningar i design-processen eftersom ett dammbrott kan få katastrofala konsekvenser. Traditionellt används förenklade beräkningar där dammens strukturella respons beräknas med en berggrund där bergets massa är försummad. Den senaste tiden har flera nya analysmetoder tagits fram, som tar hänsyn till bergets massa och är modellerade med absorberande randvillkor och free-field forces. De nyare metoderna förväntas modellera de seismiska krafterna mer exakt för att optimera designen och minimera onödiga reparationer. Syftet med projektet var att undersöka inverkan från olika metoders sätt att beakta berggrunden vid seismiska analyser. Det utfördes genom att jämföra den etablerade masslösa metoden med två metoder som beaktar bergmassan och free-fieldforces; den analytiska metoden av Song et al. (2018) och Direct FE-metoden av Løkke (2018). Både effektiviteten i den seismiska vågutbredningssimuleringen och dammens strukturella respons var av intresse. Modelleringsmetoderna jämfördes genom att studera punkter på både dammen och berget. När enbart berggrunden studerades med den masslösa metoden så erhölls, som förväntat, god överenstämmelse med den ideala teoretiska hastigheten på bergsytan. De analytiska och Direct FE metoderna skiljde sig marginellt från det teoretiska värdet men gav fortfarande en korrekt hastighet på bergsytan. Vid analys av modeller med dam och reservoar inkluderade, gav metoderna som använde free-field forces ekvivalenta och realistiska strukturella responser. Den masslösa metoden däremot, överskattade kraftigt dammens respons och ansågs därför inte modelleradet verkliga beteendet hos dammen på ett korrekt sätt, trots modifieringar med ökad materialdämpning i betongen. Ett annat syfte var att analysera påverkan av modellering i 2D kontra 3D för att bestämma dammens dynamiska egenskaper, som egenfrekvenser och egenmoder. Dessa frekvensanalyser gjordes med hjälp av modeller som både beaktade och försummade bergets massa, och jämfördes med experimentella data. Den masslösa 3D-modellen visade sig vara den mest effektiva modelleringsmetoden för att erhållade dynamiska egenskaperna hos dammen. Det eftersom en 3D-modell var nödvändig för att studera hela dammens beteende och hantering av utdata var förenklad vid användning av den masslösa modellen