Thermal cracking of a concrete arch dam : a benchmark problem

Many of the present dams were constructed decades ago. Due to the importance and meanings that dam structures have for a region or country, methods to predict their safety level have been developed. In this thesis, finite element models are employed to predict deformation and cracking areas of a concrete arch dam under seasonal thermal variations besides the self-weight and the hydrostatic load. Shell elements have been introduced for discretizing the dam body seeking for computational savings. Results are validated by comparison with the output obtained from solid elements. Both linear and nonlinear material properties are included in the analysis. Results show that, under extreme thermal variation, cracking areas are located mainly at the bottom of the upstream surface, with small cracks elsewhere. The estimated maximum displacement is 5 centimeters assuming linear material behavior, 6.5 centimeters in the nonlinear case. Reinforcement doesn't help much in preventing dam cracking and deformation at initial state, but has a significant effect in extreme loading condition.

Molte delle dighe esistenti in Europa e nel mondo sono state costruite decenni di anni fa. L'importanza e il significato che tali strutture rivestono per la regione e la nazione ove sono ubicate hanno promosso lo sviluppo di metodi atti a predire il loro livello di sicurezza. In questa tesi, si affronta lo studio della risposta di una diga ad arco in calcestruzzo armato sottoposta a variazioni termiche stagionali oltre che all’effetto del peso proprio e della spinta idraulica. La deformazione nel manufatto e le possibili zone di fessurazione sono individuate mediante la modellazione ad elementi finiti. L’onere computazionale viene contenuto utilizzando elementi di guscio per descrivere il corpo diga ed elementi solidi per la roccia di fondazione. I risultati sono validati sulla base di quelli ottenuti da un modello con soli elementi solidi. L'analisi è stata condotta in ambito lineare e non lineare per le proprietà del materiale. I risultati mostrano che le zone di fessurazione indotte da una variazione termica intensa sono situate principalmente sul fondo della superficie a monte, con piccole estensioni altrove. Lo spostamento massimo è stato stimato pari a 5 centimetri nel caso di materiale lineare, di 6.5 centimetri nel caso non lineare. Il rinforzo non aiuta in maniera significativa a contenere la deformazione e a prevenire la fessurazione che si sviluppa nella diga allo stadio iniziale, ma produce un effetto benefico in condizioni di sollecitazioni estreme.