Effect of boundary conditions and connection modelling in a nonlinear finite element analysis of a concrete dam

Abstract

Målet med denne masteroppgaven er å vurdere viktigheten av realistisk modellering av randbetingelser og kontakt i en ikkelineær elementanalyse av en damkonstruksjon i betong. Dette er utført ved å etablere fire elementmodeller av dammen, der modellene har en økende overensstemmelse med virkeligheten. Bare modellering av randbetingelser og kontakt varierer. Dens påvirkning på forskyvning, rissmønster og spenningsfelt kan dermed vurderes. Det blir også presentert en metode for å kontrollere forskyvningsresultat fra en FE-modell av en hvelvdam. Denne verifiseringsmetoden er en hybrid av bue- og plateteori.

Forskyvningen til demningen økte med rundt 17 % fra den mest forenklede til den mest realistiske modellen. Den største økningen i forskyvning var forårsaket av detalj modellering av kontakten mellom dam og fjell. Her ble den globale responsen merkbart påvirket ved å unngå all modellert heft. Resultatene viser at lokalt rissmønster og spenningsfelt nær kontaktflater vil avhenge av hvordan interaksjonen her er modellert. Globale effekter blir derimot noe dempet ved bruk av en ikkelineær materialmodell. Dette skyldes omfordeling av krefter.

Den mest realistiske modellen inkluderer omliggende fjell og en kontaktflate mellom dam og fjell bestående av interface-element som simulerer ingen glidning ved kontakt, i tillegg til en linje-fastholdning. Det konkluderes med at modellering av randbetingelser og kontakt er viktig i ikkelineær elementanalyse av damkonstruksjoner. En anbefalt prosedyre er å liste opp kriterier for realistisk modellering basert på den faktisk utførelsen av demningen. Videre bør resultatene fra elementmodellen kontrolleres opp mot disse kriteriene.

The objective for this thesis is to assess the importance of realistic modelling of boundary conditions and connections when performing a nonlinear finite element analysis (NLFEA) of a specific concrete dam. This is done by making four FE-models of the dam, where the models have an increasing compliance with the physical problem. Only the modelling of boundary conditions and connections is varied, and the effect on displacement, crack, and stress response are then studied. The thesis also provides a method of verifying the displacement results from the FE-model of an arch dam. The verification model is based on a hybrid solution of arch and plate theory.

The displacement response of the dam is increased by approximately 17 % from the most simplified to the most realistic model. The largest increase in displacement response is caused by modelling details in the connection between the dam and the bedrock. Here, the global response was notably affected when avoiding all modelled cohesion. The results show that the local crack pattern and the stress field near connections will be affected by how these are modelled. However, the global effect of boundary conditions and connections is damped due to the redistribution of forces allowed when using a nonlinear material model.

The most realistic model includes bedrock and a connection between dam and bedrock consisting of interface elements simulating no-slip-contact, in addition to a translation line constraint. It is concluded that realistic modelling of boundary conditions and connections is of importance when analyzing dam structures using NLFEA. A recommended procedure is that the most important properties of the physical problem should be listed as criteria for realistic modelling. Further, the results from the FE-model should be checked for compliance with these criteria.