Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Cracking in the concrete foundation for hydropower generators: Analyses of non-linear drying diffusion, thermal effects and mechanical loads
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Concrete Structures.ORCID iD: 0000-0003-3586-8988
Lund University, Building Materials.
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Concrete Structures.ORCID iD: 0000-0002-8000-6781
Vattenfall R&D.
Show others and affiliations
2013 (English)Report (Other academic)
Abstract [en]

An extensive program for improvement of the hydropower plants in Sweden is currently on-going. The aims are to secure future production and to maintain and further develop an already high dam safety.

During inspection, cracks were discovered in the concrete foundation, near the stator and rotor spider supports, at some hydropower stations in Sweden. The cracks were believed to be related to the function of the stator supports and to new patterns of generator operation. In earlier times, the generators ran continuously, while nowadays there are many stops and starts, sometimes even several times during one day. The objective of this study is to understand the complex interaction between the power generating system (stator, rotor, turbine, etc.) and the supporting concrete structure. It is important from a dam safety perspective to determine the causes of the structural cracks that have been found in-situ.

A three dimensional non-linear finite element model has been developed in order to analyse formation and propagation of the cracks. Several different load effects have been studied in this project in addition to the mechanical loads during operation. The new pattern of generator operation with several starts and stops lead for instance to variations in temperature which have been studied. Besides this, the uneven drying shrinkage of concrete has also been studied in this project. Thereby, the structural behaviour of a concrete foundation for the power generating system has been analysed taking into account the transient thermal and moisture gradients in combination with dead loads and some of the operational loads imposed to the foundation.

The analyses shows that reinforced concrete structure that constitute a support to the generator is subjected to cracking due to the loads considered in this study, where the cracks near the supports are caused by a combination of mechanical loads, long-term drying shrinkage and temperature variations. The analyses showed that even after 20 years, the moisture content in the centre of the thicker part in the concrete foundation still had a high relative humidity. At the same time the concrete close to the free surfaces and the slender parts of the concrete foundation had reached the same relative humidity as the environment. Thereby, a large difference in drying shrinkage is obtained between different parts of the concrete foundation and thereby large forces due to restrain. The analyses showed that the drying shrinkage induced cracking inside the concrete foundation and especially close to the supports of the stator and the rotor spider which coincides with location of the cracks found in-situ.

The results show that the cracks found in-situ can be simulated and explained with advanced numerical methods. The results also indicate that the dynamic effect from the loads caused by the power generating system have to be studied further, since a reduced structural stiffness due to cracking may result in larger loads imposed on the structure from the magnetic eccentricity and turbine imperfections or alternatively lead to a fatigue failure of for instance the reinforcement.

Abstract [sv]

Ett relativt omfattande program avseende utvärdering och uppgradering av vattenkraften pågår i Sverige. Syftet med projektet är att säkerställa bibehållen långvarig och säker drift av vattenkraftens konstruktioner.

Vid inspektioner av svenska vattenkraftsstationer har, i vissa fall, sprickor observerat i de betongfundament som utgör generatorns upplag upptäckts kring stator- och rotorupplagen. Sprickorna tros vara orsakade av stator­fötternas funktion samt den temperaturvariation som orsakas av nytt driftsmönster. Tidigare gick generatorerna kontinuerligt medan idag används vattenkraften för att balansera energitillförseln, vilket leder till många starter och stopp, ibland under ett och samma dygn. Syftet med föreliggande projekt är att förstå den komplicerade samverkan mellan generator (stator, rotor, turbin, etc.) och betongkonstruktionen som utgör generatorns upplag. Från ett dammsäkerhetsperspektiv är det viktigt att bestämma orsaken till de sprickor som observerats i fält.

För att studera sprickinitiering och sprickpropagering har en tre dimensionell icke-linjär modell utvecklats med finita elementmetoden. I analyserna har flera olika typer av belastningar studerats utöver de mekaniska lasterna som orsakas av egentyngder och vid drift. Det nya driftmönstret med flera starter och stopp leder bland annat till att fundamentet utsätts för variation i temperaturer, och inverkan av detta har studerats i projektet. Utöver detta har även inverkan av ojämn uttorkningskrympning beaktats. Fundamentets strukturella beteende har därmed analyserats med beaktande av effekter som transienta temperatur- och fuktgradienter i kombination med egentyngder och driftsbelastningar.

Analyserna visar att den armerade betongstrukturen som utgör generatorns upplag utsätts för uppsprickning på grund av de studerade belastningarna. Vid en kombination av mekaniska laster, ut­torknings­krympning och temperatur­variation uppstår sprickor kring stator- och rotorupplagen. Analyserna visar även att det finns en stor variation i fukt i betong­fundamentet efter en så pass lång tid som 20 år, där centrum på det massiva betongtvärsnittet har en hög relativ luftfuktighet. Vid samma tidpunkt har däremot de slanka delarna av betongtvärsnittet och fundamentets fria ytor en relativ luftfuktighet som motsvarar omgivningens. Denna variation leder till att tvångsspänningar uppstår i fundamentet. Analyserna visade att ut­torknings­krympningen orsakar huvudsakligen uppsprickning på fundamentets insida och främst vid upplagen för stator- och rotorbalkar, vilket överens­stämmer med de sprickor som observerats i fält.

Resultatet från projektet visar att de sprickor som har observerats i fält kan simuleras och förklaras med hjälp av avancerade numeriska analysmetoder. Resultaten indikerar även att fortsatta studier krävs avseende den dynamiska effekten från lasterna som orsakas av generatorn, då uppsprickningen leder till en reduktion av dess styvhet vilket kan medföra att fundamentet utsätts för större belastning på grund av krafterna som orsakas av magnetisk obalans och turbinimperfektioner, där vibrationerna kan leda till utmattning. 

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Elforsk , 2013. , 65 p.
Series
Elforsk report, 13:63
National Category
Infrastructure Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-129551OAI: oai:DiVA.org:kth-129551DiVA: diva2:652897
Note

QC 20140319

Available from: 2013-10-02 Created: 2013-10-02 Last updated: 2014-03-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Rapport

Authority records BETA

Gasch, Tobias

Search in DiVA

By author/editor
Malm, RichardGasch, Tobias
By organisation
Concrete Structures
Infrastructure Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 218 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf