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Statistical methods for dam behaviour analysis

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[Quelle: https://ethz.ch]

Talsperren können Langzeitprozessen wie Alkali-Aggregat-Reaktionen, Betonalterung und Taldeformationen ausgesetzt sein. Durch die Talsperrenüberwachung sollen solche sicherheitsrelevanten Prozesse möglichst frühzeitig erkannt werden. Für die Überwachung werden Verhaltensmodelle, welche gemessene Verhaltensindikatoren, z.B. die Verformung auf Kronenniveau, mit den einwirkenden Umweltbedingungen in Relation setzen, verwendet. Für die Überwachung der Deformation von Betonsperren sind der Wasserspiegel und die Betontemperatur die Haupteinflussgrössen. In der Regel werden statistische Verhaltensmodelle, welche die Grössen empirisch in Beziehung setzen, verwendet. Die Beziehung wird dabei durch Modellgleichungen beschrieben und für die Einwirkung des Wasserstands wird normalerweise ein Polynomansatz verwendet. Für die Temperatureffekte gibt es verschiedene Ansätze aus der Literatur. Jedoch sind die verschiedenen Temperaturvariablen, welche alle von der selben Umgebungstemperatur abhängen, oft korreliert. Daher tritt bei diesen Modellen üblicherweise Multikollinearität auf, was in instabilen Modellen resultiert. Das Ziel dieser Dissertation ist, die existierenden statistischen Verfahren, welche im Bereich der Verhaltensanalyse von Talsperren angewendet werden, zu evaluieren und weiter zu entwickeln. Die Arbeit ist in die folgenden Hauptteile gegliedert: (i) Wärmetransport, (ii) Evaluierung der bestehenden Ansätze, (iii) Entwicklung neuer Ansätze und (iv) Anwendung an Fallbeispielen. Die Wärmeleitung in Betontalsperren kann als eindimensionales Problem zwischen der Wasser- und der Luftseite betrachtet werden. Die Lösung der Wärmeleitungsgleichung kann im Frequenzbereich durchgeführt werden. Da die Thermometer mit einem bestimmten Abstand zur Oberfläche im Beton eingebaut sind, muss inverse Wärmeleitung angewendet werden, um die Temperaturinformation über die gesamte Mauer zu kennen. Da inverse Wärmeleitung ein schlecht konditioniertes Problem ist, sind Stabilisierungsverfahren notwendig. Neben der Anwendung von bestehenden Stabilisierungsverfahren wurde ein neuer Ansatz entwickelt. Dieser beruht auf der Limitierung der Amplifikation der hohen Frequenzen. Der Ansatz wird erfolgreich an verschiedenen Fallstudien angewendet. In einem nächsten Schritt werden die aus der Literatur bekannten statistischen Verfahren evaluiert. Die Analyse zeigt auf, dass der oft verwendete Soll-Ist-Vergleich zu nicht robusten Resultaten und demzufolge zu falschen Aussagen führen kann. Daher wird empfohlen, das Konzept des korrigierten Verhaltensindikators zu verwenden. Letzterer wird durch die Subtraktion der reversiblen Effekte (z.B. ausWasserstand und Temperatur) vom gemessenen Verhaltensindikator erhalten. Es kann gezeigt werden, dass dieser Ansatz sehr robust ist und die Resultate unabhängig von der Kalibrierungsperiode sind. Die Analyse der Ansätze zur Berücksichtigung der Temperatureffekte zeigt, dass die Modellgüte vor allem von den Messdaten und nicht von den eingesetzten Modellen abhängig ist. Alle untersuchten Modelle sind imstande, den Daten hinzugefügte, bekannte Verhaltensänderungen zu finden. Des Weiteren kann gezeigt werden, dass die Grössenordnung von Verhaltensänderungen, die mit einem Modell erkannt werden können, mit dem Standardfehler der Modelle korreliert. In einem letzten Schritt werden neue Ansätze aufgezeigt. Auf Stabstatik basierende Modelle können dazu verwendet werden, physikalisch basierte statistische Ansatzfunktionen zu erhalten. Dies führt zu hybriden Modellen. Für Gewichtsstaumauern wurde ein Modell mit Kragarm mit einer elastischen Einspannung entwickelt und für Bogenstaumauern ein Balkenrostmodell aufgesetzt. Die Modelle werden an verschiedenen Fallstudien angewendet. Da bei solchen Modellen wenige Variablen resultieren, die nicht korreliert sind, tritt keine Multikollinearität auf. Dies führ zu sehr robusten Modellen. Darüber hinaus wurde das Balkenmodell für Gewichtstaumauern dazu benutzt, um eine statistische Optimierung auf mehrere Zielfunktionen durchzuführen. Der Vorteil dabei ist, dass die Deformation auf verschiedenen Höhenlagen gleichzeitig an die Messdaten angepasst wird. Dazu wurde die sog. Markov Chain Monte Carlo Methode verwendet. Dies führt zu einfachen Modellen, welche für Ingenieure gut nachvollziehbare Resultate liefern. Durch die gleichzeitige Analyse des Verhaltens auf mehreren Höhenlagens kann ein abnormales Verhalten nicht nur gefunden, sondern auch lokalisiert werden. Da bei der Verwendung von korrigierten Verhaltensindikatoren von der Kalibrierungsperiode unabhängige, sehr robuste Resultate erhalten werden, wird empfohlen, alle verfügbaren Daten für die Kalibrierung zu verwenden. Dadurch können Extrapolationen vermieden werden. Dieser Konzeptwechsel kann als Paradigmenwechsel von einem statistischen Voraussageproblem hin zu einem statistischen Inferenzproblem gesehen werden.

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Bücher, Broschüren

Jörg-Martin Hohberg
Trennflächenformulierungen für die statische und dynamische Berechnung von Bogenstaumauern
Bericht - Institut für Baustatik und Konstruktion IBK, ETH Zürich, Band 163
1988, iii, 255 S., 38 SW-Abb. 297 mm, Softcover
Springer, Basel

 

 

Im Rahmen eines Forschungsprojekts an der ETH Zuerich ueber die Erdbebenbeanspruchung von Staumauern entstand der vorliegende Bericht zu Moeglichkeiten der nichtlinearen Berechnung von Bogenstaumauern mit der Methode der finiten Elemente. Eine Sichtung der Bemessungs- und Konstruktionsprinzipien erlaubt zusammen mit Beobachtungen an bestehenden Staumauern und Labormodellen, typische Schwaechezonen zu identifizieren, die einen massgebenden Einfluss auf das statische und dynamische Verhalten haben. Kritische Fragen zur Anwendung der Methode der finiten Elemente werden aufgenommen, Entwicklungstendenzen lokaler Versagensmodelle vorgestellt und mit bisherigen Ansaetzen nichtlinearer Bogenstaumauerberechnung verglichen. Das Konzept diskreter, raeumlicher Trennflaechen wird weiterverfolgt. Eine Loesungsform des allgemeinen Kontaktproblems, die Technik der Straffunktionen, fuehrt auf die Familie zwei- und dreidimensionaler Fugenelemente. Die unterschiedlichen Modellvorstellungen zur Kraftuebertragung in der Trennflaeche und ihre Umsetzung in variabel-elastische und elasto-plastische Kontaktgesetze werden diskutiert. Schliesslich wird versucht, die numerischen Loesungsverfahren im Hinblick auf Stabilitaet, Konvergenz und Pfadabhaengigkeit neu zu sichten und zusammenzustellen. (-y-); The present report explores the prospects of nonlinear analysis of arch dams with the finite element method. The principles of design and construction of arch dams as well as observations on prototypes and physical models suggest typical zones of weakness, which significantly affect the static and dynamic behaviour of a dam. The applicability of finite elements is investigated, reporting current trends in localized fracture modeling and comparing them with existing approaches to nonlinear arch dam analysis. The concept of discrete, three-dimensional joints is adopted for further study. A special variant of the general contact problem, the technique of penalty stiffness parameters, leads to the family of joint elements in two and three dimens

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Stojnic, Ivan; Pfister, Michael; Matos, Jorge; De Cesare, Giovanni; Schleiss, Anton
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Staudacher, Edwin; Zenz, Gerald
Standsicherheitsnachweise von Gewichtsstaumauern mit CADAM2D (kostenlos)
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