The shear strength of the concrete-rock interface is an important parameter in sliding stability analyses of concrete dams founded on rock and depends, in addition to the normal stress state, on the bonding conditions of the interface; concrete-rock interfaces can be either unbonded, partially bonded or fully bonded. In the Swedish guidelines for dam safety all dam-foundation contacts are treated as unbonded. This has the benefit of eliminating all uncertainties related to the cohesive strength of bonded contacts but it might also lead to unnecessary strengthening of dams. Other national guidelines deal with the uncertainties related to cohesion by applying higher safety factors, mainly determined based on previous experience, when both cohesion and friction are taken into account. The main objective of this project is to study if and how cohesion can be included when evaluating the shear strength of bonded or partially bonded interfaces. To accomplish this, uncertainties associated with cohesion are identified and their influence on the assessed stability is investigated. The results show that the influence on the assessed sliding stability is strongly dependent on the magnitude of the involved uncertainties that might vary significantly for different dams. It is thus questionable if one safety factor applicable for all dams can be established for use in deterministic analyses. Taking into account cohesion when reliability methods are used is somewhat less complicated because of the possibility of directly incorporating the uncertainties in the analysis. The main challenge in such cases is the quantification of the involved uncertainties due to lack of proper data and, in some cases, knowledge. In this thesis, a framework for quantification of parameter uncertainty is suggested and the model error due to brittle failure in combination with spatial variation in cohesion is analysed. Areas that require more research to further refine the analysis are also identified. / Skjuvhållfastheten i betong-berggränssnittet är en avgörande faktor vid glidstabilitetsutvärderingar av befintliga betongdammar grundlagda på berg och beror dels på normalspänningsfördelningen och dels på kontaktytans status med avseende på vidhäftning, vilken kan delas in i tre separata fall; då vidhäftning existerar och kohesion medräknas (intakt), då vidhäftning aldrig funnits eller förlorats (bruten), samt en kombination av föregående (delvis intakt). I RIDAS, de svenska riktlinjerna för dammsäkerhet, behandlas alla berg-betonggränssnitt som brutna. Detta förhållningssätt har fördelen att det utelämnar all osäkerhet förknippad med intakta kontaktytors kohesion men det kan också resultera i icke nödvändiga förstärkningar av dammar. I andra nationella riktlinjer för dammsäkerhet beaktas osäkerheterna förknippade med kohesion genom att högre säkerhetsfaktorer, i huvudsak bestämda baserat på erfarenhet, tillämpas då både kohesion och friktion används vid beräkning av kontaktytans skjuvhållfasthet. Det övergripande syftet med detta doktorandprojekt är att studera om och hur kohesion kan medräknas vid stabilitetsutvärderingar av befintliga betongdammar med helt eller delvis intakta betong-berggränssnitt. För att uppnå detta, identifieras osäkerheter förknippande med kohesionen och deras inverkan på den bedömda glidstabiliteten utvärderas. Resultaten från projektet visar att osäkerheternas inverkan på den uppskattade glidstabiliteten är starkt beroende av osäkerheternas storlek, vilken varierar för olika dammar. Det är således tveksamt om en säkerhetsfaktor giltig för alla dammar kan bestämmas för användning i deterministiska stabilitetsanalyser. När sannolikhetsbaserade metoder används kan osäkerheterna införlivas direkt i analysen. Kvantifieringen av osäkerheterna förknippade med ett specifikt fall utgör då den huvudsakliga utmaningen. I denna avhandling presenteras ett ramverk för att uppskatta de statistiska parametrarna hos de ingående variablerna. Dessutom studeras modellosäkerheten förknippad med intakta gränssnitts spröda brott i kombination med kohesionens rumsliga variation i detalj. Områden som fordrar ytterligare forskning i syfte att förbättra analysen identifieras också. / <p>QC 20160411</p>

I Sverige finns det idag ett stort antal dammar och nära hälften av Sveriges elproduktion kommer ifrån vattenkraft. Höga säkerhetskrav ställs på dammarna då konsekvenserna av ett dammbrott kan orsaka stor ekonomisk skada både i form av minskad produktion och som uppbyggnadskostnader. Dammbrott kan även utgöra risk för skador på människor och omkringliggande miljö samt byggnader. Det finns flera dimensioneringsmetoder för att uppfylla gällande säkerhetskrav på konstruktioner. De tillämpningsvägledningar som används vid stabilitetsanalys av betongdammar baseras på gamla deterministiska metoder med säkerhetsfaktorer. Det arbetas med att ta fram nya tillämpningsvägledningar baserat på sannolikhetsbaserade metoder. De sannolikhetsbaserade metoderna tar hänsyn till osäkerheterna i enskilda variabler, vilket förväntas ge effektivare konstruktioner. Stabilitetsanalys med sannolikhetsbaserade metoder i varje enskilt fall är förmodligen det bästa ur säkerhetssynpunkt, men det kan vara väldigt tidskrävande. Ett sett att underlätta stabilitetsberäkningarna, i vanligt förekommande konstruktioner, är användandet av partialkoefficienter. Partialkoefficienter är en semi-probabilistisk metod som kan kalibreras med hjälp av tillförlitlighetsanalysen och appliceras på systemets olika variabler och parametrar. På så vis beaktas osäkerheten i enskilda variabler och parametrar bättre än i deterministiska metoder med säkerhetsfaktorer. Målet med det här examensarbetet var att undersöka om stabilitetsanalys av betongdammar med partialkoefficienter kan vara ett alternativ till de metoder som redan finns. Rapporten kan delas in i tre delar. Den första delen av rapporten beskriver teorin bakom kalibrering av partialkoefficienter med hjälp av tillförlitlighetsteori, FORM. I den andra delen beskrivs metoder och tillämpningsvägledning för stabilitetsanalys av betongdammar med probabilistiska metoder. I den tredje delen används kunskaperna från de två första delarna för att beräkna tillförlitligheten på 15 utav Sveriges dammar. Beräkningarna används sedan för att kalibrera partialkoefficienter. En del kraftiga avgränsningar har gjorts i arbetet, bland annat har beräkningarna utförts för ett statiskt lastfall och bara fokuserat på stabilitetsvillkoret för glidning. Resultatet visar att det inte är rekommenderat att använda sig av partialkoefficienter vid stabilitetsanalys, åtminstone inte med den information och kunskap som idag finns tillgänglig. Osäkerheterna kring vissa modeller och variabler behöver minskas för att partialkoefficienter skall vara ett alternativ. Teorin kring partialkoefficienter kräver även en viss likhet i konstruktioner och konstruktionselement. De dammar som användes i denna studie kan ha varit för olika för att erhålla tillfredsställande resultat med avseende på likartade partialkoefficienter. / In Sweden today there are a large number of dams and nearly half of Sweden's electricity is produced from hydropower. The safety requirements on the dams are high due to the consequences that a dam failure can cause. There are several design methods to achieve the expected safety requirements. The design guidelines used in the stability analysis of concrete dams in Sweden is based on the deterministic methods with safety factors. However, a new proposition for design guidelines based on probabilistic methods is being developed. Compared to the deterministic approach the probabilistic method takes into account the uncertainties in individual variables, which are expected to provide more efficient structures. One problem with stability analysis using probabilistic methods is that it can be very time consuming. Another method which combines the simplicity of the deterministic approach with the effectiveness of the probabilistic method is the use of partial factors. The use of partial factors is a semi-probabilistic method that can be calibrated from the reliability analysis in the probabilistic method and applied to the individual variables and parameters in the system similar to the safety factor. The aim of this thesis was to investigate if stability analysis of concrete dams with partial factors can be an alternative to the methods already available. The report can be divided into three parts. The first part of the report describes the theory behind the calibration process of partial factors using the first order reliability method, FORM. The second part describes existing Swedish methods and application guidelines for stability analysis of concrete dams. The knowledge from the first two parts is then used in order to calculate the reliability of 15 of Sweden's dams. It should be observed that the work contains some limitations, for instance only the sliding stability is studied using one static load case. The results from the calculation of this load case are then used to calibrate the partial factors. The result shows that it is not recommended to use the partial factors for stability analysis of concrete dams, at least not with the information and knowledge available today in the field. The uncertainties surrounding certain models and variables need to be reduced in order for partial factors to be an option. The theory behind partial factors requires a certain degree of uniformness when it comes to the structure or elements used. The difference among the dams analyzed in this study may have impacted the results negatively.

Dams are designed and assessed based on traditional factor of safety methodology. Several drawbacks of this approach exist; for example varying failure probability for structures where the factor of safety is the same. This traditional factor of safety methodology imposes conservative assumptions in terms of both design and analysis. A probability-based analysis has been suggested to account for the omission of uncertainties and provide a less conservative analysis (Westberg &amp; Johansson, 2014). Through the stability analyses of three existing dam structures, a minimum level of reliability or maximum failure probability may be calculated with the ultimate goal of defining a target safety index (β-target) for buttress and gravity dams. These analyses shall in turn contribute to the formulation of a probability-based guideline for the design and assessment of Swedish concrete dams. This probability-based guideline shall be known as the ‘Probabilistic Model Code for Concrete Dams.’ The calculations carried out in this study adhere to the methodologies and specifications set out in the preliminary draft of the Probabilistic Model Code for Concrete Dams. These methodologies encompass analyses within two dominating failure modes for concrete dams; sliding stability and overturning stability. Various load combinations have been modelled for each dam structure to account for the probabilistic failure of each dam under commonly occurring circumstances. A parametric study has been carried out in order to provide insight into the contribution that existing rock bolts provide to the stability of each dam. Furthermore, a study has been carried out into the existence of a persistent rock joint or failure plane in the rock foundation and the effects its presence would have on the sliding stability of a dam. Finally a discussion had been carried out in order to provide suggestions into the formulation of a target safety index through the data envisaged by our analyses for the design and assessment of Swedish concrete dams.