بخشی از مقاله
خلاصه
اهمیت نحوه توزیع حرارت در سدهای بت نی در جهت ارزیابی ایمنی به حـدی اسـت کـه در همـه شـرایط مطالعـاتی و بارگـذاری اعـم از معمـول، غیر معمول و شدید اثر تغییرات حرارت بدنه سد دیده میشود. کنشهای حرارتی تاثیر قابل توجهی بر رفتار سد در زمان بهرهبرداری دارد و با توجه به اینکه این کنش ها به طور دائمی و سیکلیک هستند اثر مهمی روی عمر مفید سازه خواهند داشت. در بخشی از این مطالعات اثـر عوامـل خـارجی همچون تغییرات اقلیمی و آب و هوایی به عنوان کنشهای محیطی مورد بررسی قرار میگیرد. این کنشها با ایجاد تغییرات دمایی در بئنه سد باعث بوجود آمدن گرادیان های حرارتی شده که اگر کنترل نشوند باعث افزایش احتمال ترک خوردگی در بدنه سدهای بتنی میشوند. در تحقیق حاضر سد وزنی بتن غلتکی جگین و در شرایط آب و هوایی شمال منطقه جاسک در زمان بهرهبرداری و با فرض در تراز نرمال بودن آب مخزن با استفاده از مدل دو بعدی المان محدود توسط نرم افزار انسیس مورد تحلیل حرارتی قرار گرفت، در این تحقیق اثر تغییرات آب و هوایی در بدنه سد بررسی گردید و مشخص شد که عوامل خارجی مانند دمای آب مخزن ، تابش خورشید، تغییرات دمایی محیط اثر قابل توجهی در نحوه توزیع حـرارت در بدنه سد دارند.
کلمات کلیدی: سد بتن غلتکی، المان محدود ، توزیع حرارت
1. مقدمه
با توجه به رشد روز افزون استفاده از سد به عنوان عضوی مهم در پیشبرد اهداف اقتصادی کشور، محققین را بر آن داشت تا به سد به دید دقیقتری از قبـل بنگرند از این رو با پیشرفت علم و دانش، مسائل جدید در زمینه طراحی و بهرهبرداری سدها مطرح میگردد که سبب افزایش نگرانیها نسبت به حل ایـن مسائل و ارتقاء ایمنی آنها شده است. از مسائلی که ایمنی سازههای بتنی حجیم نظیر سـدها را بـه خطـر مـیانـدازد، بارگـذاریهـای مختلفـی نظیـر نیـروی هیدرواستاتیکی آب، نیروهای هیدرودینامیکی، وزن خود سازه، زلزله و بارهای ناشی از تغییرات دما در دوران ساخت و بهرهبرداری سدها میباشد. یکـی از مهمترین عواملی که چه در مرحله طراحی و چه در مرحله بهرهبرداری آنها مورد توجه است تغییرات دمای بدنه سد است. سدها به دلیـل یکپـارچگی و با توجه به عملکرد هندسی به صورت گیردار عمل میکنند بنابراین تغییرات دمای بتن سد از بالادست تا پاییندست سد موجـب تغییـرات در حجـم سـازه شده که منجر به به وجود آمدن تنش های داخلی می شود و ممکن است پایداری سازه به خطر بیافتد. تنشهای کششی بوجود آمده مخصوصـا در سـطوح بیرونی سد معمولا از مقاومت کششی بتن سد بیشتر میشود که ترکهای مشاهده شده در سطوح خارجی سـدها ناشـی از همـین مـورد اسـت و بـا عنـوان ترکهای حرارتی معرفی میگردند.
معمولا مطالعات حرارتی سدهای بتنی شامل دو بخش کلی است که شامل مطالعات مرحله ساخت و مطالعات مرحله بهرهبرداری میباشد. در مرحله ساخت رایجترین راههای کنترل دمای بتن عبارتند از پیشسرمایش، پسسرمایش، استفاده از سیمان پوزولانی، کاهش نسبت آب به سیمان، بتنریزی در احجام کوچکتر و همچنین بتنریزی در زمانهای مناسب شبانهروز. اما در مطالعات مرحله بهره برداری که اساس کار تحقیق حاضر میباشد نحوه توزیع دمایی که سد در دوران بهره برداری خود تجربه میکند تعیین میشود. از عواملی که در چگونگی توزیع دما دردوره بهرهبرداری سد دخیل هستند میتوان به خواص مصالح بتن و شرایط محیطی ساختگاه سد که خود شامل نوسانات دمای هوا، نوسانات دمای مخزن سد ، تابش خورشیدی و در بعضی
1 کارشناس ارشد سازه هیدرولیکی، دانشگاه آزاد اسلامی، گروه عمران، رودهن، ایران، imanafzal@gmail.com
2 استادیار دانشگاه آزاد اسلامی واحد رودهن، گروه عمران، رودهن، ایران، aminnejad@riau.ac.ir
1
موارد دمای فونداسیون میشود،اشاره نمود. در تحقیق حاضر سد وزنی بتن غلتکی جگین تحت شرایط آب و هوایی گرم و خشک در حین بهرهبرداری با هدف مشخص نمودن اثر تغییرات آب و هوایی در توزیع حرارتی بدنه سد، با استفاده از روش المان محدود مورد تحلیل حرارتی قرار گرفته است.
2. انتقال حرارت
انتقال حرارت عبارت است از انتقال انرژی حرارتی از یک جسم گرمتر به یک جسم سردتر و تا زمانیکه اختلاف دما بین دو ماده وجود داشته باشد انتقال انرژی حرارتی ادامه پیدا خواهد کرد لذا انتقال حرارت وابسته به زمان است و معادله حاکم بر انتقال حرارت برای یک جسم ایزوتروپیک به صورت زیـر تعریف میشود:
(1)
(2)
که شدت شار حرارت هدایتی در راستای محور و ، جرم حجمی ماده، گرمای ویژه، میانگین دما، زمان، ضریب هدایت حرارتی نام دارد، و میزان تولید گرما داخل ماده می باشند. در تحلیل های حرارتی مسائل مهندسی، درک مکانیسـم فیزیکـی حالـتهـای انتقـال حـرارت بـرای تعیین مقدار انرژی منتقل شده در واحد زمان از اهمیت خاصی برخوردار است. انتقال حرارت هدایتی، انتقال حرارت همرفتـی و انتقـال حـرارت تشعشـعی سه حالت کلی انتقال حرارت میباشند.
به عنوان شرط اولیه، دمای اولیه بتن جهت شروع محاسبات در نظر گرقته میشود که با توجه به تجارب مهندسی و شـرایط سـاختگاه سـد ایـن دمـا تعیـین می شود که معمولا دمایی کمتر و نزدیک به دمای سالانه میباشد. لذا این دما به عنوان اطلاعات اولیه ورودی بـه برنامـه در نظـر گرفتـه مـیشـود. شـرایط مرزی به صورت دمای ثابت و شار وارده در دو مرز در نظر گرفته میشود
