Computational mechanics of tainter gates; trunnion friction study

Abstract

Tainter gates are a type of floodgate with a radial geometry that is used in dams and canal locks to control the water flow from navigation structures. Throughout the years, these structures have presented operational difficulties and structural problems, frequently attributed to the effect of trunnion friction. In 1995, tainter gate #3 on Folsom Dam, California, failed catastrophically releasing approximately 40,000 cu ft/sec, which caused several flooding problems in the region. The forensic studies described the trunnion friction as the main cause of the failure. This gate was designed in the 1960s, when moment induced by the friction in the trunnion was not considered in the design of the gate; this was a common engineering practice at the time. In 2008, Dr. Gopalarathnam, from the University of Missouri-Columbia and Dr. Riveros, from the U.S. Army Engineer Research and Development Center performed a series of experimental tests in a tainter gate located in the Carlyle Lake Dam, IL. The purpose was to measure the strains in the elements while the gate was lifted and lowered and study the effect of moment induced friction in the structure. For this study a 3-D numerical model of the Carlyle Lake Dam tainter gate was created and validated with the experimental data obtained from the tests performed in 2008 using Finite Element Analysis. A series of parametrical analyses were performed including the increment in friction coefficient in the trunnion bearing and a study of unsymmetrical cable pressure. The analytical results obtained from the 3-D numerical model concluded that the strain magnitudes are directly proportional to the friction coefficient in the trunnion and that the moment induced by the friction in the trunnion only affects the structure when it is under operation.

Las compuertas radiales “tainter” se utilizan en represas y canales para controlar el flujo de agua. A través de los años estas estructuras han presentados dificultades operacionales, frecuentemente atribuidas al efecto de fricción en el área del “trunnion”. En 1995, la compuerta #3 de la Represa Folsom localizada en California fallo inesperadamente descargando aproximadamente 40,000 cu ft/sec, lo cual produjo severos problemas de inundaciones en la región. Los estudios forensicos atribuyeron el origen de la falla al incremento en fricción en el área del “trunnion”. Esta compuerta fue diseñada en los 1960s donde el momento inducido por la fricción en el “trunnion” no era tomado en consideración para el diseño de la compuerta; esto era una práctica común para ese tiempo. En el 2008, Dr. Gopalarathnam, de la University of Missouri-Columbia y Dr. Riveros, del U.S. Army Engineer Research and Development Center realizaron una serie de experimentos en una compuerta “tainter” localizada en la represa Carlyle, en Illinois. El propósito de estos experimentos fue medir las deformaciones en los elementos mientras la compuerta estaba en operación para estudiar los efectos en la compuerta del momento inducido por la fricción en el área del “trunnion”. Para este estudio se creó un modelo numérico 3-D de la compuerta de de la represa Carlyle y fue calibrado con los datos experimentales obtenidos en las pruebas realizadas en el 2008 utilizando un análisis de elementos finitos. Una serie de análisis paramétricos fueron realizados incluyendo el aumento de coeficiente de fricción en el “trunnion” y un estudio de no simetría en la presión de los cables. Los resultados obtenidos del modelo numérico 3-D reflejan que la magnitud de las deformaciones es directamente proporcional al coeficiente de fricción en el “trunnion” y el momento inducido por la fricción en esa área solo afecta a los elementos en la compuerta cuando está en operación.