The purpose of this thesis is to evaluate the contribution of grouted rock bolts on the stability of concrete dams. The load capacity of the grouted rock bolts are assessed considering eventual deteriorating processes. An additional objective was to compare the resulting load capacity with the prevailing regulations in RIDAS (the power companies’ guidelines on dam safety) and possibly suggest new guideline values. The literature study consists of two parts; concrete dams and grouted rock bolts. In the first part concrete dams are discussed and especially the inherent forces and aspects when controlling their stability. The second part treats grouted rock bolts and the theoretical focus is on their function and possible failure modes as well as on the degrading processes (primarily corrosion) that are affecting the rock bolts.  Subsequently, the theory was applied on the Swedish concrete buttress dam Storfinnforsen, which is the largest concrete dam in Sweden. The dam was selected for this study mainly because its shape is archetypical for buttress dams. In addition, a digitalized model of the dam was obtainable from previous research projects.  A numerical analysis with the finite element analysis software ABAQUS was performed in order to evaluate the stability of the dam and to support the analytical analysis. The load capacity of the grouted rock bolts was analytically evaluated with consideration to eventual degradation. Assuming a corrosion rate of 60 μm/year, the grouted rock bolts in Storfinnforsen could after 100 years be trusted with a load capacity of approximately 180 MPa. That load capacity is due to shear failure, which constitutes the most plausible failure mode for rock bolts in buttress dams. The value 180 MPa is to be seen in contrast to the current limitation of 140 MPa that is defined in RIDAS (2011). The conclusion of this thesis is accordingly, that the maximum allowed load capacity that can be assigned the grouted rock bolts in the stability calculations of concrete dams can be increased from todays 140 MPa. This conclusion is substantiated by the analytical analyses with the numerical calculations as support.

No description available.

Concrete buttress dams are the most common type of concrete dams for hydropower production in Sweden. Cracks have been observed in some of the them. However, only limited research has been made concerning the influence of these cracks on the structural dam safety. In conventional analytical stability calculations, a concrete dam is assumed to be a rigid body when its safety is verified. However, when cracks have been identified in a dam structure, the stability may be influenced and hence the information of cracks may need to be included in the stability calculations. The main aim of this project is to study how existing cracks and further propagation of these cracks, influence the structural dam safety. Another important topic was to study suitable methods to analyse a concrete dam to failure. In addition, a case study is performed in order to capture the real failure mode of a concrete buttress dam. The case study that has been studied is based on a previous project presented by Malm and Ansell (2011), where existing cracks were identified in a 40m high monolith, as a result from seasonal temperature variations. Two similar models are analysed where one model is defined with an irregular rock-concrete interface, and the other with a horizontal interface. Analyses have been performed on both an uncracked concrete dam but also for the case where information regarding existing cracks, from the previous project, have been included in order to evaluate the influence of cracks on the dam safety. The finite element method has been used as the main analysis tool, through the use of the commercially available software package Abaqus. The finite element models included nonlinear material behaviour and a loading approach for successively increasing forces called overloading, when performing progressive failure analyses. The results show that existing cracks and propagation of these resulted, in this case, in an increased structural safety of the studied dam. Furthermore, an internal failure mode is captured. The irregular rock-concrete interface has a favourable effect on a sliding failure and an unfavourable effect on an overturning failure, compared to the case with the horizontal interface. Based on the results, the structural safety and the failure mode of concrete buttress dams are influenced by existing cracks. Although an increased safety is obtained in this study, the results do not necessarily apply for other monoliths of similar type. It is thus important that existing cracks are considered in stability analyses of concrete buttress dams. / Lamelldammar är den vanligaste typen av betongdammar för vattenkraft produktion i Sverige. I vissa av dessa har sprickbildning observerats. Begränsad forskning har gjorts på hur dessa sprickor påverkar dammens säkerhet. I de vedertagna analytiska stabilitetsberäkningarna antas att betongdammar agerar som en stel kropp när man verifierar dess säkerhet. Befintliga sprickor i en damm kropp kan dock påverka dess stabilitet och kan därför behöva beaktas i stabilitetsberäkningarna. Huvudsyftet med detta projekt är att studera hur befintliga sprickor och dess propageringen påverkar dammsäkerheten. Ett annat viktigt syfte är att studera lämpliga metoder för att analysera en betongdamm till brott. Dessutom, genomförs en fallstudie i syfte att analysera ett verkligt brottförlopp av en lamelldamm. Fallstudien som utförs i detta projekt, baseras på ett tidigare projekt utfört av Malm and Ansell (2011), där befintliga sprickor identifierades i en monolit på 40m som ett resultat av temperaturvariationer. Två modeller med snarlik geometri har analyserats, där den ena är definierad med en med oregelbunden kontaktyta mellan berg och betong och den andra med en horisontell kontaktyta. Analyserna har utförts på dels en osprucken damm men även där information om befintliga sprickor från det tidigare projektet beaktas, i syfte att jämföra inverkan av sprickor på dammsäkerheten. Finita element metoden har använts som verktyg vid dessa analyser, genom det kommersiellt använda programmet Abaqus. De finita element modellerna inkluderar icke-linjära material egenskaper hos betong och armering samt baseras på en metod för successiv belastning, som kallas 'overloading', vid analys av brottförloppet. Resultatet visar att befintliga sprickor och propageringen av dessa i detta fall kan leda till ökad säkerhet hos den studerade dammen jämfört mot fallet utan beaktande av sprickbildning. Utöver detta fångas även ett inre brottmod. Den oregelbundna kontaktytan mellan betongen och berget har en gynnsam effekt vid ett glidbrott men en ogynnsam inverkan vid ett stjälpningsbrott, i jämförelse med fallet med en horisontell kontaktyta. Baserat på dessa resultat så påverkas dammens säkerhet och brottetförloppet hos lamelldammen utav befintliga sprickor. Även om en ökad säkerhet fås i denna studie är det inte säkert att detta stämmer för andra monoliter av samma slag. Dock är det viktigt att hänsyn tas till befintliga sprickor i stabilitets analyser av lamelldammar.

Concrete buttress dams are relatively light structures and less demandingon foundations; because of that, they may have problems with upliftforces and horizontal joints in the area of the dam´s foundation maypresent a failure mode through sliding. The Storfinnforsen dam, thelargest concrete dam in Sweden, had its foundation studied recently andthe discovery of sub-horizontal joints in the bedrock led to the necessityof having the safety of the dam foundation to sliding assessed.The safety is dependent on the pore pressure, which can vary throughtime. The implementation of an alarm system to monitor and assess thevalues of the pore pressure is necessary to improve the dam´s operation.In this thesis, a new system on how to define alarm limits for measuredpore pressures is suggested.The proposed alarm system will monitor the pore pressure of the joint,calculate the safety factor against sliding, compare it to the alarm limits ofthe system (adopted from RIDAS) and present countermeasures to theproblem.The analysis and implementation of the alarm system on monolith 42 ofStorfinnforsen showed that it does not comply with the Swedishguidelines with respect to sliding stability, but the measured porepressures are low enough to allow the creation of an alarm system thatwill monitor the pore pressure continuously. Furthermore, thecharacteristics of the local geology exclude any quick development of porepressure allowing countermeasures to be applied.However, further research on the definition of alarm limits for this kindof problem is needed. / Lamelldammar av betong är relativt lätta konstruktioner med mindrepåkänningar på grunden jämfört med konventionellagravitationsdammar. Till följd av detta är de också känsliga för upptryck.I kombination med förekomsten av sub-horisontella sprickplan iberggrunden kan detta utgöra en risk för glidning. Vid Storfinnforsensbetongdamm, vilken är Sveriges största lamelldamm, har undersökningarav berggrunden genomförts. I samband med dessa undersökningaridentifierades sub-horisontella sprickplan i berggrunden ochmonoliternas glidstabilitet har därför analyserats med avseende påglidning. Dränage har även borrats och portrycksmätare installerats föratt övervaka portrycket i berggrunden.Portrycket, och därmed dammens säkerhet mot glidning, kan emellertidvariera över tid. Det är därför nödvändigt att utveckla och implementeraett alarmsystem för att övervaka portrycket och säkerställa dammenssäkerhet. I följande examensarbete har ett nytt system utvecklats för attdefiniera alarmgränser för uppmätta portryck. I det föreslagnaalarmsystemet övervakas portrycket över sprickplanen, säkerhetsfaktornmot glidning beräknas och jämförs mot gränser baserade på acceptablasäkerhetsfaktorer från RIDAS. Om uppmätta portryck överstigeralarmgränserna implementeras fördefinierade åtgärder.I detta arbete implementerades alarmsystemet på monolit 42 iStorfinnforsens lamelldamm. Resultaten från en inledandestabilitetsanalys visade att säkerhetsfaktorn mot glidning inte uppfyllerställda krav enligt RIDAS riktlinjer. De uppmätta portrycken äremellertid tillräckligt låga för att möjliggöra användningen av ettalarmsystem som övervakar portrycken kontinuerligt och därmedsäkerställer att säkerheten mot glidning uppfylls. Om portrycken skulleöverstigas ges förslag på möjliga åtgärder som kan genomföras för attsänka portrycken. Vidare indikerar de lokala geologiska förhållandena attVsnabba höjningar av portrycken till följd av exempelvis urspolning avfyllnadsmaterial från sprickplan är osannolika, vilket möjliggörimplementering av de fördefinierade åtgärderna om portrycket skullestiga. Vidare forskning rekommenderas emellertid på hur snabbtportrycken kan stiga till följd av olika scenarier såsom nedbrytning avinjekteringsridåer.

Es erfolgt eine Knochenstrukturanalyse der proximalen Tibia unter Berücksichtigung verschiedenster radiologischer, biomechanischer und histomorphometrischer Aspekte. Die regionen-, alters- und geschlechtsspezifischen Aspekte dieser Problemregion werden herausgearbeitet. Der eindeutige Nachweis einer regionen-abhängigen Verteilung der Knochendichte und der biomechanischen Eigenschaften in der proximalen Tibia ist eines der Hauptergebnisse der vorliegenden Studie. In der proximalen Tibia besteht eine signifikante Abnahme der Knochendichte von proximal nach distal. Im zentralen Bereich der proximalen Tibia besteht in allen Sektionen im Vergleich zu den anterior/posterior und medial/lateral liegenden Gebieten die niedrigste Knochendichte. In der vorliegenden Studie wurde die proximale Tibia in 3 Etagen (von proximal nach distal) unterteilt. Beim Vergleich der auf diesen Etagen aufgebrachten ROIs (region of interest,jeweils 5 in den beiden proximalen Etagen und 4 im distalen Abschnitt) zeigte sich in den beiden proximalen Etagen lateral (Ebene I anterolateral/ Ebene II posterolateral) die höchste Knochendichte. Im Gegensatz dazu zeigte sich in der distalen Etage anteromedial die höchste Knochendichte. Weiterhin wurden die 3 gängigen Stabilisierungsverfahren für diese Region einer umfangreichen biomechanischen Testung unterzogen. Es zeigte sich, dass der Ilizarov Fixateur bei den verschiedensten Lastfällen meist das instabilste Implantat war. Trotz der biomechanischen Defizite konnten die in der klinischen Studie mit Composite Fixateur versorgten Frakturen trotz erheblichem Weichteilschaden und instabiler Fraktursituation zur Ausheilung gebracht werden. Das LIS-System erwies sich gegenüber der konventionellen Abstützplatte hinsichtlich der biomechanischen Steifigkeit sowohl in der statischen als auch in der zyklischen Testung als gleichwertiges oder sogar biomechanisch günstigeres Implantat. Diese positiven klinischen wie biomechanischen Erfahrungen führen auch zur Förderung der Entwicklung anderer winkelstabiler Fixateur interne-Systeme in den verschiedensten Problemregionen (Pilon tibiale, proximaler und distaler Humerus, distaler Radius). Als wesentliche neue Therapieansätze für das operative Vorgehen in der Problemregion der proximalen Tibia lassen sich die folgenden Gesichtspunkte herausarbeiten: 1) Knochendichteadaptierte Implantat- und Schraubenpositionierung bei der konventionellen Osteosynthese, 2) Knochendichteadaptierte Pin- und Olivendrahtpositionierung bei externen Fixationsverfahren (Ilizarovringfixateur, Fixateur externe) im Bereich der proximalen Tibia, 3) Implantatverbesserungen (LISS-Schraubenkonfiguration und -positionierung, Plattendesign, Umstellungsplatte, Verriegelungsbolzen bei Marknägeln wie UTN, PTN), 4) Prothesenverbesserung (knochendichteadaptiertes Zapfendesign mit 3 Zapfen für die tibiale Komponente). / In this study an analysis of the bone structure of the proximal tibia was performed with special attention paid to the different radiological, biomechanical and histomorphometrical aspects. Region-, age- and gender-specific attributes of the localised bone were also examined. Evidence of a region related variation of bone density and biomechanical behaviour is one of the main results of this study. In the proximal tibia, a significant reduction in the bone density exists from proximal to distal. In comparison to the anterior/posterior or medial/lateral areas, the lowest bone mineral densities were found in the central region. In this study the proximal tibia was divided into 3 different levels (from proximal to distal). When comparing the different regions of interest (ROIs) 5 each in the two proximal levels and 4 in the most distal level), the lateral regions (level 1 anterolateral/ level 2 posterolateral) presented the highest bone mineral density. In contrast, the highest bone density in the distal- level was detected in the anteromedial region. Furthermore, complex biomechanical testing of- 3 common fixation techniques for fracture situations of the proximal tibia was performed. It was shown that the Ilizarov fixator was the most unstable implant in several load tests. Despite this biomechanical deficit fractures treated by composite- fixators in different clinical trails healed uneventfully, even with severe soft tissue damage or an unstable fracture situation. In comparison to the conventional buttress plate, the LIS-System was an equal or superior implant, both in static and cyclic stiffness testing. These clinical and biomechanical experiences lead to the development of other angle stable internal fixator systems for different problematic regions (tibial plafond, proximal and distal humerus, distal radius). The following new therapeutic aspects were developed for the surgical treatment of the proximal tibia: 1) Bone mineral density adapted implant-and screw placement in conventional plating. 2) Bone density adapted pin- and olive wire placement during external fixation (ilizarov ring fixator, external fixator) techniques of the proximal tibia. 3) Improvement of implant design (LISS screw configuration and- placement, plate design, locking bolt configuration in nails). 4) Improvement of prosthetic design (bone density adapted design of the tibial components)