Three-Dimensional Nonlinear Seismic Analysis of Gravity Dams Using a Novel Macro Shear Key Element in Contraction Joints

«RÉSUMÉ: Les barrages-poids en béton sont des structures très importantes pour la production d’énergie hydroélectrique, l’irrigation, l’approvisionnement en eau, la prévention des inondations, entre autres fonctions. Cependant, de nombreux barrages ont été conçus à l’aide de codes sismiques désuets et nécessitent maintenant des réévaluations ou des remises en état de la sûreté. Les clés de cisaillement des joints de contraction ont été incluses dans plusieurs de ces barrages et peuvent fournir une résistance au cisaillement supplémentaire qui n’a peut-être pas été prise en compte lors de la conception. Typiquement, la capacité des clés de cisaillement est évaluée comme la somme du frottement et de la cohésion qui peut être mobilisée à travers un plan situé à la base des clés. Numériquement, les joints de contraction avec clés de cisaillement sont généralement modélisés à l’aide d’un critère de défaillance de Mohr-Coulomb. Cependant, on n’accorde pas beaucoup d’attention à l’adoucissement non linéaire des clés de cisaillement, à l’effet de la charge multiaxiale sur les clés de cisaillement, à la possibilité d’une ouverture initiale du joint, à l’effet d’échelle avec plusieurs clés le long du joint ou à l’effet de la pénétration de l’eau dans les joints de contraction lors d’une excitation sismique. Dans cette thèse, les lacunes des méthodes traditionnelles pour considérer les clés de cisaillement dans les joints de contraction de barrage-poids sont abordées en effectuant d’abord des analyses paramétriques non linéaires par éléments finis sur des modèles numériques détaillés de clés de cisaillement. Des enveloppes de défaillance pour l’interaction entre la pression de confinement, le cisaillement et le moment de flexion et pour l’interaction entre la pression de confinement, le cisaillement et la torsion à la clé de cisaillement sont obtenues. Ensuite, un nouvel élément de joint macroscopique pour les clés de cisaillement (Macro Shear Key Joint Element en anglais - MSKJE) est développé et implémenté dans le logiciel LS-Dyna. Cet élément est calibré sur les données obtenues à partir des analyses paramétriques. Le MSKJE reproduit avec précision la réponse charge-déplacement monotonique et cyclique des modèles numériques détaillés de clé de cisaillement tout en réduisant considérablement le coût de calcul. Cela permet de modéliser les clés de cisaillement dans les joints de contraction d’un modèle complet d’éléments finis de barrage sans rencontrer de problèmes de concentration de contraintes aux coins des clés de cisaillement ou un temps de calcul extrêmement élevé en raison de maillages très fins.»

Abstract

«ABSTRACT:Concrete gravity dams are very important structures for the production of hydroelectric energy, irrigation, water supply, and flood regulations, among other functions. However, many of today’s dams have been designed using outdated seismic codes and now require safety re-evaluations or rehabilitations. Contraction joint shear keys have been included in several of these dams and may provide additional shear resistance that may not have been considered in the design. Typically, the capacity of shear keys is evaluated as the sum of friction and cohesion that can be mobilized across a plane located at the base of the keys. Numerically, keyed contraction joints are usually modelled using Mohr-Coulomb failure criteria. However, not much consideration is given to the nonlinear softening of the shear keys, the effect of multi-axial loading on shear keys, the possibility of initial joint opening, the size effect of having multiple keys along the joint, or the effect of water penetration in the contraction joints during seismic excitation. In this dissertation, the shortcomings of the traditional methods for considering shear keys in gravity dam contraction joints are addressed by first performing nonlinear finite element parametric analyses on detailed numerical models of shear keys. Failure envelopes for the interaction between confinement pressure, shear and bending moment and for the interaction between confinement pressure, shear and torsion at the shear key scale are obtained. Then, a new Macro Shear Key Joint Element (MSKJE) is developed as a user define element in the computer program LS-Dyna and calibrated using the data obtained from the parametric analyses. The MSKJE accurately reproduces the monotonic and cyclic loading-displacement responses of the detailed shear key numerical models while significantly reducing the computational cost. This allows modelling the shear keys in the contraction joints of a complete dam finite element model without running into problems with stress concentration at the corners of the shear keys or extremely high computational time due to very fine meshes.»