Dynamic analysis of concrete gravity dam-reservoir systems is an important topic in the study of fluid-structure interaction problems. It is well-known that the rigorous approach for solving this problem relies heavily on employing a two-dimensional semi-infinite fluid element. The hyper-element is formulated in frequency domain and its application in this field has led to many especial purpose programs which were demanding from programming point of view. In this study, a technique is proposed for dynamic analysis of dam-reservoir systems in the context of pure finite element programming which is referred to as the wavenumber approach. In this technique, the wavenumber condition is imposed on the truncation boundary or the upstream face of the near-field water domain. The method is initially described. Subsequently, the response of an idealized triangular dam-reservoir system is obtained by this approach, and the results are compared against the exact response. Based on this investigation, it is concluded that this approach can be envisaged as a great substitute for the rigorous type of analysis.
Park, Ki-Hyung;Kim, Min-Sik;Joh, Sung-Ho;Lee, Chang-Woo;Youn, Ho-Joong;Kim, Kyong-Ha
Journal of Korean Society of Forest Science
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v.102
no.1
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pp.90-96
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2013
This study was conducted to investigate a stability trend within 6 above average and 4 blow average erosion control dams, which were selected by The Korean Association of Soil and Water Conservation and were built in 1990s in Gyeonggi and Gangwon Province. The study was aimed to measure rebound hardness of upstream face, flood way and downstream face from those dams selected by using 'Concrete Test Hammer'. The main purposes of the study are selection of compression strength prediction equation and scope of wavelength, which successfully demonstrate non-destructive test results for erosion control dams. There is an opportunity to increase disaster prevention ability when stability vulnerability of concrete erosion control dam is detected in a timely manner. Results of the compression strength investigation express that there is a consistency with visual inspection of stability that has been processed by The Korean Association of Soil and Water Conservation. We concluded that a prediction equation, which was developed by Architectural Institute of Japan (AIJ), shows highest suitability in Korean erosion control dams when stability investigation is performed. The detailed criteria for the test result are 'stable', 'detail inspection required' and 'poor' for over 300 $kgf/cm^2$, 250~300 $kgf/cm^2$ and below 250 $kgf/cm^2$ respectively. Standards for stability of Korean erosion control dam and a compression strength prediction equation (that corresponds to the standards of the stability) should be established on the basis of chronological data of erosion control dam compression strength. Systematical approach for stability inspection that carries out remodeling or repair when problem on erosion control structures are detected through visual inspection and simple stability test, is necessary for the future disaster prevention.
In the present work, a new global damage index is proposed for the seismic performance and failure analysis of concrete gravity dams. Unlike the existing indices of concrete structures, this index doesn't need scaling with an ultimate or an upper value. For this purpose, the Beni-Haroun dam in north-eastern Algeria, is considered as a case study, for which an average seismic capacity curve is first evaluated by performing several incremental dynamic analyses. The seismic performance point of the dam is then determined using the N2 method, considering multiple modes and taking into account the stiffness degradation. The seismic demand is obtained from the design spectrum of the Algerian seismic regulations. A series of recorded and artificial accelerograms are used as dynamic loads to evaluate the nonlinear responses of the dam. The nonlinear behaviour of the concrete mass is modelled by using continuum damage mechanics, where material damage is represented by a scalar field damage variable. This modelling, which is suitable for cyclic loading, uses only a single damage parameter to describe the stiffness degradation of the concrete. The hydrodynamic and the sediment pressures are included in the analyses. The obtained results show that the proposed damage index faithfully describes the successive brittle failures of the dam which increase with increasing applied ground accelerations. It is found that minor damage can occur for ground accelerations less than 0.3 g, and complete failure can be caused by accelerations greater than 0.45 g.
Generally, mass concrete structural behavior is governed by the strain components. However, relevant guidelines in dam engineering evaluate the structural behavior of concrete dams using stress-based criteria. In the present study, strain-based criteria are proposed for the first time in a professional manner and their applicability in seismic failure evaluation of an arch dam are investigated. Numerical model of the dam is provided using NSAD-DRI finite element code and the foundation is modeled to be massed using infinite elements at its far-end boundaries. The coupled dam-reservoir-foundation system is solved in Lagrangian-Eulerian domain using Newmark-${\beta}$ time integration method. Seismic performance of the dam is investigated using parameters such as the demand-capacity ratio, the cumulative inelastic duration and the extension of the overstressed/overstrained areas. Real crack profile of the dam based on the damage mechanics approach is compared with those obtained from stress-based and strain-based approaches. It is found that using stress-based criteria leads to conservative results for arch action while seismic safety evaluation using the proposed strain-based criteria leads to conservative cantilever action.
Altunisik, Ahmet Can;Kalkan, Ebru;Basaga, Hasan Basri
Advances in Computational Design
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v.3
no.1
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pp.87-112
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2018
In this study, it is aimed to present engineering software to estimate the structural response of concrete arch dam. Type-1 concrete arch dam constructed in the laboratory is selected as a reference model. Finite element analyses and experimental measurements are conducted to show the accuracy of initial model. Dynamic analyses are carried out by spectrum analysis under empty reservoir case considering soil-structure interaction and fixed foundation condition. The displacements, principal stresses and strains are presented as an analysis results at all nodal points on downstream and upstream faces of dam body. It is seen from the analyses that there is not any specific ratio between prototype and scaled models for each nodal point with different scale values. So, dynamic analyses results cannot be generalized with a single formula. To eliminate this complexity, the regression analysis, which is a statistical method to obtain the real model results according to the prototype model by using fitting curves, is used. The regression analysis results are validated by numerical solutions using ANSYS software and the error percentages are examined. It is seen that 10% error rates are not exceeded.
This paper presents seismic analysis of concrete gravity dams considering soil-structure-fluid interaction. Displacement based plane strain finite element formulation is considered for the dam and foundation domain whereas pressure based finite element formulation is considered for the reservoir domain. A direct coupling method has been adopted to obtain the interaction effects among the dam, foundation and reservoir domain to obtain the dynamic responses of the dam. An efficient absorbing boundary condition has been implemented at the truncation surfaces of the foundation and reservoir domains. A parametric study has been carried out considering each domain separately and collectively based on natural frequencies, crest displacement and stress at the neck level of the dam body. The combined frequency of the entire coupled system is very less than that of the each individual sub-system. The crest displacement and neck level stresses of the dam shows prominent enhancement when coupling effect is taken into consideration. These outcomes suggest that a complete coupled analysis is necessary to obtain the actual responses of the concrete gravity dam. The developed methodology can easily be implemented in finite element code for analyzing the coupled problem to obtain the desired responses of the individual subdomains.
Recently, the projects which are to increase the capacity of the flood control are being actively performed because of the abnormal climate changes throughout the country. In this study, the regression analysis was performed using both Kelvin model and the real settlement measured at the crest of the existing concrete face rockfill dam(CFRD) to estimate the long-term deformation behavior characteristics such as creep which occurs without additional load. In addition, the effects on changes in physical properties (E, G, K) of the dam construction materials by deformation characteristics of the dam were evaluated, and the reasonable stability analysis method of the dam was proposed to obtain the long-term stability considering the changes in physical properties induced by the long-term deformation behavior in case of heightening the existing dams.
A roller compacted concrete (RCC) dam should be analyzed under seismic ground motions for different conditions such as empty reservoir and full reservoir conditions. This study presents three-dimensional earthquake response and performance of a RCC dam considering materially non-linearity. For this purpose, Cine RCC dam constructed in Aydın, Turkey, is selected in applications. The three-dimensional finite element model of Cine RCC dam is obtained using ANSYS software. The Drucker-Prager material model is considered in the materially nonlinear time history analyses for concrete and foundation rock. Furthermore, hydrodynamic effect was investigated in linear and non-linear dynamic analyses. Researchers observe that how the tensile and compressive stresses change by hydrodynamic pressure effect. The hydrodynamic pressure of the reservoir water is modeled with the fluid finite elements based on the Lagrangian approach. In this study, dam body and foundation are modeled with welded contact. The displacements and principle stress components obtained from the linear and non-linear analyses with and without reservoir water are compared each other. Principle stresses during earthquake were obtained at the most critical point in the upstream face of dam body. Besides, the change of displacements and stresses by crest length were investigated. Moreover demand-capacity ratio criteria were also studied under linear dynamic and nonlinear analysis. Earthquake performance analyses were carried out for different cases and evaluated. According to linear and nonlinear analysis, hydrodynamic water effect is obvious in full reservoir situation. On the other hand, higher tensile stresses were observed in linear analyses and then non-linear analyses were performed and compared with each other.
Problems of under-sized dams (small dams with large basin area) could get worse under the global warming condition. This study evaluates the possible change of these problems with the Namgang Dam, an under-sized dam in Korea. For this purpose, first, this study simulates the dam inflow data using a rainfall-runoff model, which are then used as input for the reservoir operation. As a result, daily dam storage, dam release, and dam water supply are derived and compared for both past observed period (1973~2022) and future simulated period (2006~2099) based on the global warming scenarios. Summarizing the results are as follows. First, the inflow rate in the future is expected to be increased significantly. The maximum inflow could be twice of that observed in the past. As a result, it is also expected that the frequency of the water level reaching the high level is increasing. Also, the amount and frequency of dam release are to be increased in the future period. More seriously, this increase is expected to be concentrated on rather extreme cases with large dam release volume. Simply, the condition for flood protection in the downstream of the Namgang Dam is becoming worse and worse. Ironically, the severity of water shortage problem is also expected to become much worse. As the most extreme case, the frequency of no water supply was zero in the observed period, but in the future period, it becomes once every five years. Both the maximum consecutive shortage days and the total shortage volume are expected to become more than twice in the future period. To prevent or mitigate this coming problem of an under-sized dam, the only countermeasure at this moment seems to be its redevelopment. Simply a bigger dam with larger dam reservoir can handle this adverse effect more easily.
Park Mi-Yun;Na Ok-Pin;Hwang Young-Min;Kim Dae-Young;Cho Hyo-Nam
Proceedings of the KSR Conference
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2005.05a
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pp.574-580
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2005
Recently, the number of bridges and tunnels in railway is increasing due to the super high-speedy of train. Also, because of successively accidents of civil structures such as bridges and dams, the importance of maintenance become influential. The purpose of this study is to show the probabilistic life cycle cost analysis technique(PLCC) of the railroad bridge as pubic-infrastructures, and reasonably to indicate the economy in life cycle cost(LCC) through a case study. Rationally for life cycle cost analysis, the data gathered through many materials considered the uncertainty such as covariance. As a result, it is indicated that prestressed concrete bridge is pretty more cost-effective during life-cycle than preflex as well as steel box bridge. In future, if the construction of database and maintenance materials for railroad infrastructure is actualized, the life cycle cost analysis for railroad can be conducted easily and practically.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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