Cracking in the concrete foundation for hydropower generators : Part II

• An extensive program for improvement of the hydropower plants in Sweden is currently on-going. The aims are to secure future production and to maintain and further develop an already high dam safety.During inspection, cracks were discovered in the concrete foundation, near the stator and rotor spider supports, at some hydropower stations in Sweden. The cracks were believed to be related to new patterns for generator operation, thereby changing the dynamic loading of the stator and rotor spider supports. Previously the generators ran continuously, while nowadays there are an increased number of stops and starts, sometimes even several times during one day. Increased dynamic forces due to runaways, and also other dynamic events such as emergency stops, may also contribute to increased stress levels and cracking of the foundation. Furthermore, although extreme loads such as short circuits of the generator seldom occurs, the influence on the dynamic forces acting on the supporting structure and concrete foundation may be strongly influenced during such events.The objective of this study is to understand the complex interaction between the power generating system (stator, rotor, turbine, etc.) and its supporting concrete structure. It is important from a dam safety perspective to determine the causes of existing structural cracks in the foundation. Furthermore, to be able to predict further crack propagation of the concrete foundation will help to determine future maintenance requirements.A three dimensional non-linear finite element model developed earlier was used to evaluate a methodology for analyses of the interaction between the generator and the concrete foundation. The influence of cracks in the concrete foundation was investigated by including the fracture pattern obtained in earlier FE analyses of time-dependent thermal and moisture gradients. These analyses showed that the drying shrinkage induced cracking inside the concrete foundation and especially close to the supports of the stator and the rotor spider. The obtained fracture pattern for the previous analysis was used as input for this study, with the concrete foundation’s changed structural properties and their influence on the interaction with the generator considered in the analyses. Furthermore, deadweight and operational load were also included in the analyses.The study show that FE models with a cracked concrete foundation can be used to analyse structural interaction betwee foundation and generator components during operation of a hydro power generator. The crack pattern can be determined by FE analyses, or by in-situ measurements of existing concrete cracks for a specific concrete foundation. The analyses show that further studies are needed regarding the combined effects from thermo-mechanical loads, drying shrinkage, creep and dynamical loads caused by the generator. The combined effects may further increase the stress levels for the concrete foundation, especially locally near perforations, and stator and rotor spider supports. These analyses should be performed with an increased numerical resolution for both the concrete foundation and the supporting structure for the generator, with an increased accuracy for the local stress variations near perforations of the foundation and also at the supports for the generator. This research area will be further investigated within a recently started research project at KTH, financed by the Swedish Hydropower Centre.

• Ett kontinuerligt arbete med utvärdering och uppgradering av vattenkraften pågår i Sverige. Syftet med projektet är att säkerställa bibehållen långvarig och säker drift av vattenkraftens konstruktioner ur ett byggnadstekniskt perspektiv.Vid inspektioner av svenska vattenkraftsstationer har, i vissa fall, sprickor observerats i de betongfundament som utgör generatorns upplag och i synnerhet kring stator- och rotorupplagen. En av de bidragande orsakerna till dessa sprickor tros vara dynamiska påkänningar som orsakas av ett nytt driftsmönster, samt även andra dynamiska påkänningar. Dessa dynamiska påkänningar kan utgöras av lastfrånslag/snabbstopp och ökade dynamiska laster vid övervarvning, samt även sällan förekommande påkänningar som t.ex. kortslutning av generatorn. Tidigare användes generatorerna kontinuerligt medan vattenkraften idag används för att balansera energitillförseln, vilket leder till många starter och stopp, ibland under ett och samma dygn. Syftet med föreliggande projekt är att förstå den komplicerade samverkan mellan generator (stator, rotor, turbin, etc.) och betongkonstruktionen som utgör generatorns upplag. Från ett dammsäkerhetsperspektiv är det viktigt att bestämma orsaken till de sprickor som observerats i fält, samt att kunna prediktera både sprickor i betongfundament och framtida underhållsbehov.En tredimensionell finita-elementmodell av ett generatorfundament har definierats i ett tidigare projekt och denna modell har använts för utvärdering av metodik för analyser av interaktionen mellan betongkonstruktionen och generatorn. Inverkan av sprickor i fundamentet har studerats baserat på beräknat sprickmönster erhållet vid tidigare genomförda FE-analyser. Dessa analyser visade att uttorkningskrympningen huvudsakligen orsakar uppsprickning på fundamentets insida och främst vid upplagen för stator- och rotorbalkar. Dessa analysresultat användes som indata för denna studie, varvid fundamentets ändrade egenstrukturella beteende och dess inverkan på fundamentets interaktion med generatorn har beaktats med hänsyn till effekter från egentyngder och driftsbelastningar.Resultatet från projektet visar att analyser av strukturinteraktion mellan en generator och ett betongfundament kan genomföras med hänsyn tagen till sprickornas geometri. Detta spricksystem kan vara bestämt med hjälp av FE-analyser, eller baserat på befintliga sprickor för ett specifikt betongfundament. Resultaten visar att fortsatta studier krävs avseende samverkan mellan de termomekaniska laster, inverkan av uttorknings-krypning och krympning för betongen under långtidsbelastning, samt dynamiska lasteffekter orsakade av generatorn. Detta då samverkan av de olika belastningarnas antagligen resulterar i ökade påfrestningar på betongfundamentet. Dessa analyser bör genomföras med ökad geometrisk upplösning avseende betong- och stödstrukturens uppbyggnad, detta för att möjliggöra analyser av lokala spänningsvariationer vid fundamentets perforationer och generatorns upplag. Den aktuella problemställningen kommer att beaktas inom ett doktorandprojekt vid KTH, med stöd av SVC Svenskt VattenkraftCentrum.

Subject headings

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Infrastrukturteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Infrastructure Engineering (hsv//eng)

Publication and Content Type

vet (subject category)

rap (subject category)