Динамичка анализа на конструкцијата на водозафатната кула на ХС Лисиче

Transcription

1 Македонски комитет за големи брани Втор конгрес за брани, 7-9 мај, Охрид Динамичка анализа на конструкцијата на водозафатната кула на ХС Лисиче Сергеј ЧУРИЛОВ, дипл. град. инж. асист. м-р, Градежен факултет-скопје Елена ДУМОВА-ЈОВАНОСКА, дипл. град. инж. Вон. проф. д-р, Градежен факултет-скопје Станислав МИЛОВАНОВИЌ, дипл. град. инж. Проф. м-р, Градежен факултет-скопје Резиме Во системот за зафаќање и транспорт на вода, водната кула е најатрактивен објект од конструктивна гледна точка. Во рамките на проектната документација за конструкцијата на водната кула докажана е статичката и сеизмичката стабилност по спектралната теорија на два математички модела, конзолен и просторен со дискретизација на елементите со конечни елементи. Во трудот, ќе бидат презентирани методологијата за анализа и резултатите од одговорот на конструкцијата од влијание на три реални земјотреси. Историјата на одговорот од влијание на реални земјотреси има за цел да ја покаже чувствителноста на конструкцијата на различни типови на земјотреси и да ги дефинира најповредливите елементи од конструкцијата. Abstract In the system for collecting and transport of water, the water tower is the most attractive structure from structural point of view. In the framework of the project documentation for the structure of the water tower, its static and seismic stability is proven by the spectral theory on two calculation models, cantilever and 3D model with discretization with finite elements. This paper describes the methodology for analysis and the results obtained from the behaviour of the water tower structure under influence of three real earthquakes. The history of the behaviour from the effects of the real earthquakes has a purpose to demonstrate the vulnerability of the structure from different earthquake types and to define the most vulnerable structural elements where extensive damage might occur. Клучни зборови: водна кула, динамичка анализа, земјотреси, time-history

2 1. ВОВЕД Во рамките на хидројазелот на хидросистемот Лисиче крај Велес изведена е таканаречена водозафатна кула, која служи за едновремено зафаќање на вода за пиење и вода за наводнување. За зафаќање на квалитетна вода за пиење и наводнување предвидени се две вертикални комори, една за топла вода (за наводнување) и една за студена вода (за пиење). Овие две комори меѓусебно се независни и се полнат со вода преку соодветни отвори. За топлата вода предвиден е континуиран отвор од котата до котата на нормален успор. За студената вода предвидени се 4 независни отвори на котите ; ; 400 и со димензии 1.0x1.5 m. Регулацијата на котите на зафаќање на топлата вода се врши со данбалкени, а на студената вода со таблести затворачи. Целокупната хидромеханичка опрема е со потекло од Шпанија. Димензиите на водозафатната кула во основа се прикажани на Сликата 1. Конструкцијата на кулата се состои од армирано бетонски ѕидови во двата ортогонални правци, т.е. во едниот правец се проектирани 3 ѕидови со димензии 9.90x0.80 m, а во другиот правец проектирани се 4 ѕидови со димензии 2 x 6.40x0.80 m и 2 x 12.0x(0.80 и 0.50) m. Слика 1: Напречен пресек на кулата во основа Димензиите на ѕидовите (дебелината) е определена од условот да не дојде до испливување на објектот кога двете комори се празни, а кулата е опкружена со вода од хидросистемот. Градежната височина на кулата изнесува m, а истата е поврзана со пристапен мост на кота Кулата е фундирана на карпеста темелна основа со масивен армирано-бетонски темел. На сликата 2 се прикажани два подолжни пресеци на кулата.

3 Слика 2: Подолжни пресеци на кулата по височина

4 2. СТАТИЧКА И ДИНАМИЧКА - СПЕКТРАЛНА АНАЛИЗА Статичката и спектралната анализа на конструкцијата на водозафатната кула е извршена со програмот Robot Millennium [1] кој претставува дел од пакетот Robot Office. Конструкцијата на водозафатната кула е моделирана со плочести панели со соодветна дебелина, кои ги претставуваат ѕидовите и плочите кои ја формираат кулата. Отворите во ѕидовите исто така се моделирани, односно предвидена е нивната местоположба во секој ѕид. Во горниот дел на кулата моделирана е само долната плоча од машинската куќичка, а влијанието на куќичката врз кулата е земено како рамномерно распределен товар со интензитет од 20 kn/m 2. На сликата 3 е претставен математичкиот модел на конструкцијата на водозафатната кула, како и дел од долниот дел од конструкцијата [2]. Слика 3. Пресметковен модел на конструкцијата со мрежата конечни елементи Анализата на конструкцијата е извршена за два случаи на товарење на кулата, и тоа: водозафатна кула при празна акумулација водозафатна кула при полна акумулација, односно при експлоатација.

5 2.1 Водозафатна кула при празна акумулација Анализата на конструкцијата при празна акумулација, подразбира вклештување на кулата на нивото на горната ивица на темелот, односно на кота и нанесување на соодветните товари кои би делувале во оваа фаза. Во анализата е усвоена марка на бетонот МБ30 и ребреста арматура RA400/ Предвидени се следниве товари на конструкцијата: сопствена тежина ветер во правец X ветер во правец X товар од машинската куќичка сеизмички влијанија Сопствената тежина на конструкцијата се зема автоматски во програмот, а влијанието од ветерот е земено според прописите. Товарот од машинската куќичка е нанесен како рамномерно распределен со интензитет 20 kn/m 2. Сеизмичките влијанија, односно сеизмичките сили на конструкцијата се зададени преку спектарот на забрзување согласно прописите за инженерски објекти. Анализирани се и три комбинации од предвидените натоварувања, и тоа: сопствена тежина + ветер сопствена тежина + ветер + сезмика во X правец сопствена тежина + ветер + сезмика во Y правец Во анализата на конструкцијата со тонови форми пресметани се вкупно 9 тонови форми, а периодата на највисокиот тон во правец Y изнесува sek, периодата на вториот тон (правец X) изнесува sek, а периодата на третиот тон, односно торзијата, изнесува sek. 1,4 1,2 Проектен спектар, I категорија почва, 5% Забрзување (m/s2) 1 0,8 0,6 0,4 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Периода (s) Слика 4. Проектен спектар за анализа по спектралната теорија Максималните поместувања на конструкцијата од сеизмичките сили се на самиот врв и изнесуваат cm, во правец X и Y, и во правец Z. Вкупната сеизмичка сила во секој правец пооделно автоматски е пресметана според спектарот на забрзувањата и изнесува: kn во правец X, kn во правец Y и kn во правец Z. Овие сили се распределени во секој јазол од конструкцијата според масата која припаѓа на тој јазол.

6 2.2 Водозафатна кула при полна акумулација (во експлоатација) Анализата на конструкцијата при полна акумулација, подразбира вклештување на кулата на кота и нанесување на соодветните товари кои би делувале во оваа фаза. Во анализата е усвоена марка на бетонот МБ30, а за бетонските делови кои се потопени со вода усвоен е материјал со волуменска тежина од 15+8 kn/m 3, каде што 15 kn/m 3 е волуменската тежина на бетон потопен во вода, а 8 kn/m 3 е придодадена тежина на водата заробена во коморите. Предвидени се следниве товари на конструкцијата: сопствена тежина товар од машинската куќичка хидростатички притисок на вода при полна една комора хидродинамички притисок сеизмички влијанија Хидродинамичкиот притисок на конструкцијата е нанесен како рамномерно распределен товар со различен интензитет по височината на кулата, нанесен во три сегменти. Сеизмичките влијанија, односно сеизмичките сили на конструкцијата се зададени преку спектарот на забрзување согласно прописите за инженерски објекти, даден на сликата 4. Анализирани се и 3 комбинации од предвидените натоварувања, и тоа: сопствена тежина + хидростатички притисок на вода во една комора сопствена тежина + хидродинамички притисок + сезмика во X правец сопствена тежина + хидродинамички притисок + сезмика во Y правец Во анализата на конструкцијата со тонови форми пресметани се вкупно 9 тонови форми, а периодата на највисокиот тон во правец Y изнесува sek, периодата на вториот тон (правец X) изнесува sek, а периодата на третиот тон, односно торзијата, изнесува sek. Максималните поместувања на конструкцијата се на самиот врв и изнесуваат 1.18 cm, во правец X, 1.25 во правец Y и 1.54 во правец Z. Вкупната сеизмичка сила во секој правец пооделно е автоматски пресметана според спектарот на забрзувањата и изнесува: kn во правец X, kn во правец Y и kn во правец Z. Овие сили се распределени со секој јазол од конструкцијата според масата која припаѓа на тој јазол. 3. ДИНАМИЧКА АНАЛИЗА АНАЛИЗА ОД ВРЕМЕНСКА ИСТОРИЈА Со оглед на геометријата на конструкцијата и распределбата на масите по височина на кулата, динамичката анализа е спроведена на истиот просторен модел, без земање предвид на околната карпеста средина и водата, односно анализата со реални земјотреси е спроведена на водозафатната кула при празна акумулација. Динамичката анализа е спроведена со помош на Time History анализа, базирана на линеарно-еластичната теорија, со користење на 3 скалирани временски истории за забележани поместувања на почвата (акцелерограми) за записите на земјотресите Битола (1994), Петровац (1979) и El Centro (1940) (северно-јужна компонента). Според мапата за сеизмички хазард на Европската сеизмолошка комисија, очекувано максимално забрзување на тлото за повратен период од 475 години изнесува ~ 0.25g.

7 На сликите 5, 6, и 7 се дадени историите на забрзувањата за трите разгледувани земјотреси, како и нивните спектри на забрзувања за коефициенти на пригушување од 5% и 10%. 0,30 0,25 0,20 0,15 Битола (0.23g) Битола 5% Битола 10% 0,10 0,05 0,00-0,05-0,10-0,15-0,20 Sa (g) % 10% -0, Слика 5. Нескалиран запис на земјотресот Битола (1994), PGA=0.23g и спектар на забрзување за два коефициента на пригушување 5% и 10% 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20-0,30 Петровац (0.25g) Sa (g) % 10% Петровац 5% Петровац 10% Слика 6. Скалиран запис на земјотресот Петровац (1979), PGA=0.25g и спектар на забрзување за два коефициента на пригушување 5% и 10% 0,30 0,20 El Centro (0.25g) El Centro 5% El Centro 10% 0,10 0,00-0,10-0,20 Sa (g) % 10% -0, Слика 7. Скалиран запис на земјотресот El Centro (1940), PGA=0.25g и спектар на забрзување за два коефициента на пригушување 5% и 10% Записот на земјотресот Битола од 1994 година е локален земјотрес што се случил на блиско растојание од местоположбата на водната кула и е карактеристичен по тоа што претставува земјотрес од ударен тип со релативно кратко траење на максималните забрзувања, односно тип на земјотрес што може да се очекува да се случи на локацијата на ХС Лисиче. Земјотресот што се случил во Црна Гора, во местото Петровец во 1979 година е земен во анализата како тип на земјотрес

8 карактеристичен за Балканскиот полуостров и се одликува со релативно долго траење на земјотресната побуда и долг период на траење на максималните забрзувања на тлото. Земјотресот El Centro од 1940 година е земен во анализата како компаративен, бидејќи тешко може да се очекува потрес од таков тип во разгледуваниот регион. Се одликува со релативно долго траење на забрзувањата на почвата и често повторување на максималните забрзувања на тлото. Историјата на одговорот на конструкцијата е пресметана со нумеричка интеграција на равенките на движење со користење на методот на декомпозиција на тоновите форми со соодветните коефициенти на пригушување за сите 9 тонови форми. Во анализата е разгледувана само хоризонталната компонента на споменатите земјотреси во правецот X. Со анализата добиени се следниве карактеристични вредности: - Фреквенции и периоди на осцилирање за првите 4 тона на осцилации: f 1 = Hz f 2 = Hz f 3 = Hz f 4 = Hz T 1 = sec T 2 = sec T 3 = sec T 4 = sec - Максимални хоризонтални поместувања на врвот на конструкцијата за пригушување од 5% (јазел 10150): Битола (0.23g) u x = cm, t = 4.44 sec Петровац (0.25g) u x = cm, t = 7.79 sec El Centro (0.25g) u x = cm, t = 2.24 sec - Максимални хоризонтални поместувања на врвот на конструкцијата за пригушување од 10% (јазел 10150): Битола (0.23g) u x = cm, t = 4.44 sec Петровац (0.25g) u x = cm, t = 7.96 sec El Centro (0.25g) u x = cm, t = 2.22 sec На сликите 8, 9 и 10 претставени се максималните поместувања на врвот на водната кула од историите на забрзувања за трите разгледувани земјотреси. Поместување (cm) % 10% Битола 5% Битола 10% Слика 8. Хоризонтално поместување на јазелот од земјотресот Битола за два коефициента на пригушување 5% и 10%

9 % 10% Петровац 5% Петровац 10% Поместување (cm) Слика 9. Хоризонтално поместување на јазелот од земјотресот Петровац за два коефициента на пригушување 5% и 10% % 10% El Centro 5% El Centro 10% Поместување (cm) Слика 10. Хоризонтално поместување на јазелот од земјотресот El Centro за два коефициента на пригушување 5% и 10% Како што се очекува, коефициентот на пригушување има влијание во добиените поместувања, односно забележано е намалување на поместувањата за коефициентот на пригушување од 10%, и тоа за земјотресот Битола 11.2%, за земјотресот Петровац 24.1% и за земјотресот El Centro 15.1%. На сликите 11, 12 и 13 се прикажани разликите во забрзувањата забележани во подножјето (јазел 165 во линија со крилата) и врвот на кулата (јазел 10150) за трите разгледувани земјотреси.

10 - Максимални забрзувања во подножјето и на врвот на конструкцијата за пригушување од 5%: Подножје Врв Битола (0.23g) А x = 83g, t = 4.26 sec А x = 0.595g, t = 4.44 sec Петровац (0.25g) А x = 59g, t = 6.73 sec А x = 1.359g, t = 8.02 sec El Centro (0.25g) А x = 99g, t = 2.64 sec А x = 0.962g, t = 2.24 sec - Максимални забрзувања во подножјето и на врвот на конструкцијата за пригушување од 10%: Подножје Врв Битола (0.23g) А x = 70g, t = 4.14 sec А x = 0.531g, t = 4.44 sec Петровац (0.25g) А x = 41g, t = 6.73 sec А x = 1.019g, t = 8.00 sec El Centro (0.25g) А x = 63g, t = 2.64 sec А x = 0.869g, t = 2.22 sec Битола 5%, јазел Битола 5%, јазел Битола 10%, јазел Битола 10%, јазел Слика 11. Забрзување на подножјето и врвот на кулата од Битола за пригушување 5% и 10% Петровац 5%, јазел Петровац 5%, јазел Петровац 10%, јазел Петровац 10%, јазел Слика 12. Забрзување на подножјето и врвот на кулата од Петровац за пригушување 5% и 10% El Centro 5%, јазел El Centro 5%, јазел El Centro 10%, јазел El Centro 10%, јазел Слика 13. Забрзување на подножјето и врвот на кулата од El Centro за пригушување 5% и 10%

11 Од добиените резултати може да се заклучи дека пресметаните забрзувања од земјотресот Битола дадени на сликата 11, покажуваат дека максималното забрзување од 83g во подножјето се амплифицирало до 0.595g на врвот на кулата за пригушување од 5%, додека за пригушување од 10% максималното забрзување од 70g во подножјето се амплифицирало до 0.531g на врвот на кулата. Забрзувањата на врвот претставуваат релативни забрзувања на кулата во однос на тлото, односно вклештувањето. Зголемувањето на пресметаното забрзување во однос на влезното е 259% за пригушување 5% и 231% за пригушување 10%. Пресметаните забрзувања од земјотресот Петровац дадени на сликата 12, покажуваат дека максималното забрзување од 59g во подножјето се амплифицирало до 1.359g на врвот на кулата за пригушување од 5%, додека за пригушување од 10% максималното забрзување од 41g во подножјето се амплифицирало до 1.019g на врвот на кулата. Зголемувањето на пресметаното забрзување во однос на влезното е 543% за пригушување 5% и 408% за пригушување 10%. Пресметаните забрзувања од земјотресот El Centro дадени на сликата 13, покажуваат дека максималното забрзување од 99g во подножјето се амплифицирало до 0.962g на врвот на кулата за пригушување од 5%, додека за пригушување од 10% максималното забрзување од 63g во подножјето се амплифицирало до 0.869g на врвот на кулата. Зголемувањето на пресметаното забрзување во однос на влезното е 385% за пригушување 5% и 348% за пригушување 10%. Овие резултати се сумирани во табелата 1. Табела 1. Разлики во влезното и пресметаното забрзување на врвот на кулата Земјотрес Пригушување 5% Пригушување 10% PGA Разлика (g) Ax Разлика Ax Разлика (%) (g) (%) (g) (%) Битола Петровац El Centro На сликите 14, 15 и 16 е прикажан одговорот на конструкцијата изразен преку напрегањата на смолкнување за трите разгледувани земјотреси во временските интервали каде што се јавуваат најголемите поместувања на врвот на кулата, за коефициент на пригушување од 10%. Слика 14. Напрегања на смолкнување и деформирана состојба од Битола за време t = 4.44 sec

12 Слика 15. Напрегања на смолкнување и деформирана состојба од Петровац за време t = 7.96 sec Слика 16. Напрегања на смолкнување и деформирана состојба од El Centro за време t = 2.22 sec 4. ЗАКЛУЧОК Од извршената динамичка анализа на конструкцијата на водозафатната кула на ХС Лисиче, недвосмислено е докажана чувствителноста на конструкцијата на различни типови земјотреси. Според резултатите од одговорот на конструкцијата на земјотресите Битола, Петровац и El Centro, може да се заклучи дека најнеповолни влијанија на кулата се предизвикани од земјотресот Петровац, бидејќи сопствените осцилации на конструкцијата на кулата се блиски до максималните вредности во спектарот на забрзување. Нивото на тангенцијалните напрегања во критичните хоризонтални пресеци на кулата е такво што не се очекуваат оштетувања на конструкцијата за анализираните три типа реални земјотреси. Максималното поместување на врвот на кулата за земјотресот Битола е H/1600, од Петровац е H/600, а од El Centro H/960, што е прифатливо за армирано-бетонската конструкција. ЛИТЕРАТУРА 1. ROBOT Millennium 20.1 User s Manual, 2007; 2. Миловановиќ С., Коцев Г., Кнежевиќ М., Чурилов С.: Статичка и динамичка анализа на водозафатна кула на ХС Лисиче, Зборник на трудови на 11-тиот Меѓународен Симпозиум на ДГКМ, СТ-12, Скопје 2005