Probabilistic analyses of crack propagation in concrete dams : Part 1

• Several concrete buttress dams in northern Sweden have been found to be subjected to, more or less severe, cracks according to recent assessments and investigations. Theoretical analyses and field measurements have shown that most of these cracks have developed or propagated as a result of the seasonal temperature variations. Most dams in Sweden were built for more than 50 years ago and it is therefore important to also consider the influence of long-term effects and degradation to assess the dam. The ordinary sliding and overturning stability analyses may not be sufficient when the supporting structure is cracked, since the cracks may comprise the integrity and the homogeneity of the structure.This project is a continuation from previous projects presented by Björnström et al. (2006), Ansell et al. (2008) and Ansell et al. (2010). In these previous projects, Storfinnforsen hydropower dam located in northern part of Sweden was studied and the purpose of the projects was to explain the cause for cracking found in situ. In the present project, the previously developed numerical model was verified against measured variations in crest displacement and crack width due to temperature variations during one year. The results showed that the numerical model, which was used, could predict both variations in displacements and crack width with good accuracy compared to the measurements on the actual dam.The studies of this project which are presented in this report are focused on the crack propagation due to stochastic variations in material properties. This was performed with probabilistic analyses based on a local model of an inclined crack in the supporting buttress. Monte-Carlo simulations were performed where each element was randomly assigned a concrete strength according to an assumed material distribution. It was shown that weak material properties near the crack-tip will govern the propagation and the trajectory of the crack. The results also showed that the average crack propagation from the probabilistic analyses differed both regarding inclination and length compared to the deterministic analysis which was based on mean values. In addition to the local analyses, global analyses were also performed, where stochastic variations in material properties were assigned to the whole monolith. The analyses showed that using design values or characteristic values of the material strength may give a different failure mode compared to the case where mean values of the material properties are used. When considering nonlinear properties for verification analyses, it is important to base the material properties on as accurate material properties as possible. In addition, the extent of cracking in the buttress dam is largely governed by the induced cracking in the front-plate since these cracks have a tendency to propagate into the concrete buttress. The results also showed that if the dam have been subjected to degradation and thereby has reduced concrete strength, the thermal stresses could induce significant cracking in the monolith which could lead to new failure modes. Based on the calculated extent of cracking in the dam body, different failure modes should be assessed in order to determine the dam stability failure.

• På flera betonglamelldammar i norra Sverige har det observerats, mer eller mindre, omfattande grad av uppsprickning vid tillståndsbedömningar och inspektioner. Genomförda analyser och fältmätningar har påvisat att de flesta av dessa sprickor har initierats eller propagerat som ett resultat av årliga temperaturvariationer. De flesta Svenska dammarna byggdes för mer än 50 år sedan och det är därför även viktigt att beakta inverkan av långtidseffekter och nedbrytning av betongen vid en tillståndsbedömning av dammarna. De konventionella brottmoderna så som stjälpning och glidning är inte alltid tillräckliga, då sprickor i betongdammen kan leda till nya brottmoder och därmed påverka dess strukturella integritet och homogenitet.Föreliggande projekt är en fortsättning och vidareutveckling av arbetet inom föregående projekt som presenterats av Björnström et al (2006), Ansell et al (2008) och Ansell et al. (2010). I föregående studier analyserades Storfinnforsens betonglamelldam i norra Sverige med syfte att förklara de sprickor som observerats i fält. I föreliggande projekt, presenteras en verifiering av den tidigare utvecklade numeriska modellen mot fältmätningar avseende krönförskjutning och sprickbreddsvariation orsakade av variationer i temperatur­er under ett år. Resultaten visar att den numeriska modellen som använts ger en god överenstämmelse mot både uppmätta variationer i förskjutningar och sprickbredd.Denna rapport är huvudsakligen fokuserad mot sprickpropagering vid stokastiska variationer i betongens materialegenskaper. Dessa studier genomfördes med probabilistiska analyser baserade på en lokal beräknings­modell av en diagonal spricka i monolitens stödskiva. Monte-Carlo simuleringar har genom­förts där betongens materialegenskaper slumpats fram, baserat på en antagen fördelning, för varje element i beräknings­modellen.  De genomförda analyserna visar att svaga partier i närheten av sprickspetsen kommer att styra fortsatt sprickpropagering. Resultatet visade även att det uppstår en avvikelse avseende både spricklutning och sprickans längd, mellan en deterministisk analys baserad på medelvärden och den medeluppsprickning som erhålls från de probabilistiska analyserna. Utöver de lokala analyserna genomfördes även globala analyser på hela monoliten, där stokastiska variationer i betongens materialegenskaper beaktades homogent över hela strukturen. Resultatet från dessa analyser visade att t.ex. användande av dimensioneringsvärden eller karakteristiska värden på material­egenskaperna kan leda till andra brottmoder än vad som erhålls vid en analys baserad på medelvärden. Vid analyser som beaktar betongens icke-linjära beteende, så som uppsprickning och krossning, är det därmed viktigt att använda så realistiska materialegenskaper som möjligt. Analyserna visade även att uppsprickningen i hela monoliten till stor del styrs av den uppsprickning som sker i frontplattan, eftersom dessa sprickor tenderar att propagera in i stödskivan. Baserat på resultatet från dessa analyser, framgår det att om betongdammen har utsatts för nedbrytning och därmed försvagning av materialet, kan de årliga temperatur­variationerna leda till kraftig uppsprickning och nya potentiella brottmoder. För att bedöma dammsäkerheten bör både observerad och eventuell fortsatt möjlig uppsprickning, baserad på numeriska analyser, i dammen beaktas.

Ämnesord

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

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

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)