Computational of Temperature and Stresses for Mujib Dam

 

3 

Introduction 

 

Roller compacted concrete (RCC) dams have large quantities of concrete that 

release  large  quantities  of  heat,  being  generated  from  the  cement  hydration  process. 

The  heat  generated  due  to  cement  hydration  requires  careful  temperature  control 

during  placement  of  mass  concrete  for  several  days  after  placement.  Uncontrolled 

heat  generation  could  result  in  excessive  tensile  stresses  either  due  to  extreme 

temperature  gradients  within  the  mass  concrete  or  temperature  reductions  as  the 

concrete  approaches  its  annual  temperature  cycle.  Reduction  in  the  cement  content 

and/or  cement  replacement  with  pozzolan  or  fly  ash  have  reduced  significantly  the 

temperature  –  rise  potential  and  accordingly  controls  the  thermal  stresses  in  a 

monolithic structure. 

Several  techniques  are  reported  in  the  literature  for  designers  to  evaluate  the 

thermal  performance  of  concrete,  the  structural  configuration,  and  the  construction 

requirements. These techniques range from complex three dimensional finite element 

analysis  methods  to  simple  manual  computations.  Ayotte  et  al.  (1997)  presented 

details of an experimental and numerical study of thermal strains and induced stresses 

in  large  –  scale  mass  concrete.  Three  large  scale  monoliths  were  built  on  a  dam 

construction site in the James Bay Territory to monitor the thermal behavior of mass 

concrete subjected to heat of hydration development and subsequent freeze and thaw 

cycles.  The  monoliths  were  instrumented  with  thermocouples  and  mechanical  strain 

gages.  One  of  these  monoliths  was  modeled  using  the  computer  program  ADINA. 

Excellent  agreement  between  measured  and  computed  temperature  was  obtained. 

Tatro and Schrader (1992) provided specific guidelines for performing thermal study 

for RCC structures. 

The U.S. Army Crops of Engineers, Engineer Technical Letter (ETL) 1110-2-

542  (1997)  provides  guidelines  for  performing  thermal  studies  of  mass  concrete 

structures  (MCS)  and  provide  methodologies  for  the  first  two  levels  of  thermal 

studies.  Background  and  examples  for  several  levels  of  less  complex  analyses  were 

presented in this (ETL) letter. 

Ishikawa (1991) used ADINA to analyze thermal stresses for a concrete dam. 

As an example, temperature and stress distributions were simulated in a concrete dam. 

He demonstrated numerically that thermal cracks might be avoided to a certain degree 

by determining the optimum construction method. Truman et al. (1991) used the finite 

 

4 

element  program  ABAQUS  along  with  user  –  developed  subroutines  and  experi-

mentally derived material constants to analyze a pile–founded mass concrete lock and 

dam structure, with an incremental construction analysis including thermal load. Chen 

(2001)  developed  3–D  finite  element  relocating  mesh  method  for  simulating 

temperature and thermal stress distribution in a roller compacted concrete dam during 

the  construction  period.  Forbes  and  Williams  (1998)  discussed  the  thermal  stress 

modeling, using high sand RCC mixes and in-situ modification RCC for construction 

of the Candiangullong dam. They showed that the finite element program ANSYS can 

be conveniently  used to  examine the thermal  conditions  and stresses. Crichton  et  al. 

(1999) presented a thermal structural analysis using the ANSYS computer program to 

assess the  effect  of heat  of hydration in RCC structural  stresses.  The effect  of using 

simple linear elastic material properties on the calculated stresses was compared to a 

more complex time variant material modulus and creep analysis. They concluded that 

simple  models  overestimated  the  initial  stresses  and  underestimated  the  long  term 

tensile stresses. 

Nollet  et  al.  (1994)  described  the  general  aspect  of  design  of  the  Lac 

Robertson  dam,  its  thermal  characteristics,  and  the  methodology  and  results  of  the 

thermal  analysis.  The  analysis  was  performed  with  the  program  COSMOS/M  and 

consisted of a series of consecutive analyses using the previous temperature results as 

initial  conditions.  Malkawi,  et  al.  (2003)  determined  the  thermal  and  structural 

stresses and temperature control requirements for the 60 meter high Tannur RCC dam 

in  Jordan.  They  also  studied  temperature  distribution  with  time,  concrete  placement 

temperature limits, and joint spacing requirements to minimize cracking in the Tannur 

dam.  The  coupled  thermal–structural  analysis  was  carried  out  using  both  two  and 

three–  dimensional  finite  element  method  (FEM).  The  computer  program  ANSYS 

was  used  to  simulate  the  construction  process  of  a  roller  compacted  concrete  dam 

(RCC). The actual temperature distribution in the body of the dam also was measured 

by thermocouples and was compared with results obtained by ANSYS, and generally  

good agreement was obtained. Giesecke et al. (2002) presented some main features of 

the  ongoing  development  of  a  computationally  effective  method  to  analyze  and 

calculate  the  transient  temperature  field  and  thermal  stresses  in  large  RCC  dams. 

Numerical procedures based on the research results were developed and implemented 

in the program TESAR. With this program the construction process of an RCC Dam 

in China was simulated, and a series of parametric studies were conducted.  Aufleger 

 

5 

et  al.  (2002)  presented  and  discussed  the  temperature  distribution  measured  using 

fiber  optic  temperature  in  RCC  dams  in  an  international  research  project.  This 

technology was applied and examined for its reliability for practical operations using 

a  60m  high  concrete  dam  in  Turkey  constructed  since  1997.  Wiegrink.  (2002) 

installed a stress-meter instrument in the Mujib Dam body to evaluate the actual stress 

distribution in the dam due to heat of hydration. 

The  objective  of  this  paper  is  to  present  2D  and  3D  thermal  and  structural 

analyses of an RCC dam in Jordan, using the actual thermal properties, actual climatic 

conditions,  and  the  actual  placement  schedule  of  RCC  layers.  Linear  and  nonlinear 

stress strain behavior regarding its temporal variability is considered in the structural 

analysis.  The  numerically  computed  temperatures  are  compared  with  the  actual 

temperature of the RCC dam which is instrumented with fiber optic cables for DFOT 

and thermocouples. 

 

 

 Mujib RCC Dam 

 

The recently completed RCC Mujib Dam, was built to impound floodwater in 

order to augment supplies of water for industrial and agriculture needs. The dam was 

designed  as  a  central  RCC  gravity  dam  with  adjacent  earth  fill  dams  at  the  valley 

flanks, see Figure 1. The dam is approximately 60 m high and the total volume of the 

RCC  structure  is  about  720,000 m³.  The  dam  is  categorized  as  lean  RCC  dam  with 

w/c  ratio  of  about  1.61  (Malkawi,  2001).  RCC  mix  designation  follows  low 

cementitious  content  mix  with  85 kg/m³  Ordinary  Portland  Cement  (OPC)  and  no 

pozzolan. At the facings, CVC with 335 kg/m³ OPC is placed against the shutters with 

a  thickness  of  0.3 m.  Additionally,  a  PVC  membrane  is  fixed  below  elevation  150 

mASL. Bedding mortar between each RCC layer is spread at the upstream at one third 

of the dam width and to 2.0 m from the downstream face and a nominal contraction 

joint  spacing  of  60 m  is  applied  at  Mujib  Dam.  Only  below  the  gallery,  these  joints 

extend  completely  from  upstream  to  downstream;  above  they  reach  from  the  faces 

into the mass by one fourth of the dam  width. The crest  length  is  about  500 m  with 

embankment  sections  at  both  abutment;  the  upstream  face  of  dam  has  a  slope  of 

0.1(H):1(V) the stepped downstream face has a slope of 0.8(H): 1(V).  Figure 2 shows 

the  cross  section  for  Mujib  Dam,  showing  the  location  of  the  distributed  fiber  optic 

 

6 

temperature  measurement  (DFOT)  and  the  stress-meter  for  in-situ  stress 

measurement. About 4000 m of fiber cables were installed at the dam body. 

tải về 0.89 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: