1
Storfinnforsen och Ramsele lamelldammar Förstudie av ny klimatvägg och utredning av instrumenteringsbehov Foto: Jonas Andrén Storfinnforsen (SFF) Togs i drift 1954 81 monoliter Höjd ca 6 41 m (medel 24,4 m) Ramsele (RSE) Togs i drift 1958 49 monoliter Höjd ca 2 40,5 m (medel 30,5 m) 2
Inledning Flera typer av temperaturinducerade sprickor har observerats på monoliterna Klimatvägg installerades på 90-talet innesluter område mellan stödskivor och frontplattan. Tidigare forskningsprojekt visade att klimatväggens placering leder till ökad påkänning och uppsprickning i stödskivan (1 ) (2 ) (3 ) (4 ) (5 ) Förstudie avseende: Ny klimatvägg, tillåtet klimat i den isolerade zonen uppvärmning och effektbehov Instrumentering för dammövervakning Belysning Inspektionsplattformar Water level Upstream side F ro n t-p la te In s p e c tio n g a n g w a y B u ttress w a ll Downstream side In s u la tin g w a ll Kraftmatning 3
Ny klimatvägg Syfte med använda numeriska (FE) modeller Identifiera och bestämma relevanta designparametrar, t.ex. dimension och utformning, för en ny klimatvägg Tillåten temperaturrörelse och därmed tillåten temperaturdifferens under året. Beräkning av uppvärmning och effektbehov Påverkan på struktur och spricktillväxt Reducera risk för istillväxt och frostskador 4
Numeriska modeller Tre monoliter SFF M42 ca 40 m hög RSE M5 ca 30 m hög SFF M69 ca 20 m hög Många olika lastfall och kombinationer inklusive känslighetsanalyser Värmetrög konstruktion transienta temperaturanalyser Varje armeringsjärn som separata stänger Icke-linjära materialmodeller (betong och armering) 5
Temperaturvariationer Statistiskt underlag från SMHI gällande uppmätta temperaturer de senaste 50 åren. Konfidensintervall för högsta respektive lägsta dygnsmedeltemperatur för varje månad Övriga omgivande temperaturer antogs med högsta, medel samt lägsta temperatur för varje månad Vatten (ytvatten och djupvatten) Bergets temperatur (beräknad i vissa analyser) Uppvärmning i isolerade området under vintermånaderna Temperatur ( C) Temperatur ( C) 20 10 0-10 -20-30 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Dygnstemperatur Frösön, statistik 1961-2011 T max T 95% T medel T 5% T min 2 4 6 8 10 12 Månad Djupt vatten (variabelt mellan 0 C & 4 C) Djupt vatten (konstant +4 C) 2 4 6 8 10 12 Månad 6
Inverkan av ny klimatvägg Signifikant reducerade deformationer och påkänningar i monoliten vid ny klimatvägg monterad på stödskivans nedströmssida Jämförelse mot uppmätta förskjutningar och resultat från tidigare forskningsprojekt Vid befintlig klimatvägg, mer än fördubblas krönrörelsen mot ursprunglig design Vid ny klimatvägg reduceras krönförskjutningen till 10% av dagens värde Krönförskjutning Δ max min Mätningar (2007 2012) Tidigare elforskprojekt Uppdaterad modell 2013 Ursprunglig design - 7,7 9,2 (utan isolervägg) Befintlig isolervägg 20,0 20,8 22,3 Ny isolervägg - - 3,6 (utan uppvärmning) Ny isolervägg (med uppvärmning till +2 C) - - 2,2 7
Ny klimatvägg För fallet utan uppvärmning uppstår dock, sprickrisk vid anslutning mot berg samt kondensrisk (istappar) vid underkant farbana Vid uppvärmning (till + 2 ºC) under vintermånaderna reduceras påkänning vid berget samt kondensrisk under farbanan Beräkningarna visar även att spännklacken bör vara innesluten av isolerväggen för att reducera risk för lokal uppsprickning. Dragspänningar -utan uppvärmning Sprickor -utan uppvärmning Dragspänningar - med uppvärmning Ej isolerad spännklack (med uppvärmning) 8
Felmoder (brottmoder) Numeriska (FE) modeller används för att hitta, Felmoder och hur brottmoder utvecklas Stabilitet (stjälpning, glidning) Tvärsnittsbrott Viktiga mätpunkter och rimliga larmvärden. Beräkningar genomförs dels för normallaster men även för respons vid brott (duktilt vs sprött) Val av detektorer - syfte att detektera en pågående initiering av felmoder. Val av stödinstrumentering som mer övervakar långtidsförändringar och inte har ett realtidslarm. 9
Felmoder (brottmoder) Glidning och stjälpning beskrivs genom icke-linjära fjädrar. Fördefinierade diskreta sprickor i monoliten (elastisk osprucken betong) Icke-linjära materialmodeller (armering och spännarmering) Känslighetsanalyser så som, Dilatationsfogar mellan monoliter (låsta vs fria) Inverkan av reducerad armeringsarea (pga korrosion) 10
Respons vid belastning till brott Vid ökad belastning vidgas befintliga sprickor och leder till ökade påkänningar i osprucken betong och armering. Hög säkerhet mot brott för samtliga brottmoder Glidning Stjälpning Tvärsnittsbrott Lämpliga mätgivare och givarpositioner studerades samt när de kan ge indikation på onormalt beteende, ex: Spännkraft Töjning Sprickbredd Krönförskjutning Relativ förskjutning mellan två intilliggande monoliter berg och betong 11
Glidning Glidning är en av de viktigaste brottmoderna att övervaka krönförskjutning och/eller extensiometrar Sprickorna leder till inre stjälpningsmoder mellan sprickorna. 12
Tvärsnittsbrott Höga påkänningar i betongen och armering uppnås vid ökad belastning Duktil brottmod (styrs av armeringens bärförmåga) Lämpliga mätningar Krönförskjutning, förskjutning mellan två intilliggande monoliter Sprickbredd på utvalda sprickor 13
Mätsystem för hela dammen Identifiering av relevanta hot & felmoder Gruppering / klassificering av monoliter efter konsekvens vid brott t.ex.: 1. Monoliter högre än 30m / lägre men anslutning mot fyllningsdamm 2. Monoliter 30-20m 3. Monoliter <20m Gruppering / klassificering av monoliter efter mängd svagheter t.ex.: 1. Hög 2. Medelhög 3. Låg 14
Mätsystem för hela dammen Urval av monoliter som kräver hög, medel eller bas övervakningsnivå Hög Medel Svagheter Låg Val av detektorer och stödinstrumentering, t.ex. Detektorer - Glidbrott extensiometrar, inverterade pendlar, portryck - Stjälpbrott automatisk krönrörelsemätning, direkta pendlar, portryck - Tvärsnittsbrott sprickövervakning Stödinstrumentering - Nedbrytning betong, injekteringsskärm läckagemätning, portryck - Inverkan av klimatvägg temperatur, sprickövervakning Låg (H < 20 m) Konsekvens Medel (20 < H < 30 m) Hög (H > 30 m) alt. anslutn.mon. 15
Slutsatser Placering och utformning av klimatvägg har stor inverkan på monoliternas beteende. Vid lämplig utformning erhålls signifikant reducerade påkänningar och deformationer Stort stöd från numeriska modeller i projektet Helhetsbild och detaljrikedom Studera enskilda eller kombinerade effekter Numeriska modeller i kombination med programmeringsskript ger en signifikant reducering av tid och kostnad för analyseringsarbetet 16
Slutsatser forts. Koppling mellan instrumentering och simulering, leder till Mer kvalificerade bedömningar om hur/var man mäter relevanta beteenden. Ökad säkerhet, med Crest displacement rätt valda observerade parametrar detektorer (kopplade till potentiella felmoder) och eventuell stödinstrumentering verkligt förankrade larmgränser till detektorer Tolkning och utvärdering av mätdata Krönförskjutning - Monolith 43: 9,6 mm - FEA: 10,4 mm Crack width Sprickbreddsvariation - Monolit 42: 0,30 mm - Monolit 43: 0,24 mm - FEA: 0,26 mm 17
Tack för visad uppmärksamhet! Richard Malm, Tekn. Dr Sweco Vattenkraft och Dammar/ KTH Betongbyggnad richard.malm@sweco.se / richard.malm@byv.kth.se Foto: Christer Vredin (Sweco) 18