بخشی از مقاله
چکیده
بهطورکلی بر سدها دو نوع بار حرارتی اعمال می شود نوع اول ناشی از هیدراسیون سیمان میباشد که عمدتاً مربوط به زمان اجرای سد است و نوعدوم بارهای ناشی از پارامترهای محیطی است که عمدتاً در زمان بهره برداری به سد اعمال می شوند. پارامترهای محیطی به صورت های مختلفی بر توزیع دما در بدنه سدها تأثیر میگذارند که این توزیع به علت گیرداری و نامعینی سازه سدها نقش بسزایی در بوجود آوردن تنش های حرارتی از خود نشان میدهند. از جمله پارامترهای محیطی میتوان به تغییرات آب و هوایی و تابش خورشیدی اشاره نمود.
در تحقیق حاضر سد وزنی بتن غلتکی جگین و در شرایط آب و هوایی شمال منطقه جاسک در زمان بهره برداری 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 شیب سطوح در میزان جذب انرژی تابش خورشید که از پارامترهای اثر گذار در توزیع حرارتی میباشد مورد بررسی قرار گرفت. مقایسه نتایج نشان داد که شیب سطوح اثر بسیار زیادی در جذب انرژی تابشی خورشید از خود ایفا میکند به طوری که اختلاف دمایی سطوح مورد بررسی با توجه به شیب مورد نظر به 10 درجه سانتیگراد رسید.
.1 مقدمه
سدها همواره در دوران ساخت و بهره برداری تحت اثر بارهای حرارتی قرار دارند که با توجه به این مهم، تحقیقات گسترده ای در زمینه تحلیل حرارتی سدهای بتنی صورت گرفته است. بیشترین سهم تحقیقات صورت گرفته مربوط به توزیع دمای ناشی از حرارت هیدراتاسیون سیمان با توجه به فرآیند ساخت و عمدتاً در زمان ساخت سد می باشد. با توجه به طول عمر سدها، تحلیل حرارتی در زمان بهره برداری نیز از اهمیت خاصی برخوردار است به طوری که تغییرات دمای بدنه سد با توجه به ایجاد تغییر در حجم سازه به دلیل گیرداری و نامعینی سازه باعث به وجود آمدن تنش های حرارتی میشود، این تنشها می تواند باعث ایجاد ترک های سطحی و در صورت ترکیب شدن با بارهای خارجی نظیر بار هیدرواستاتیکی باعث بازشدگی بیشتر ترک ها و نفوذ آب و در نتیجه به خطر افتادن پایداری سد گردند که نشان از اهمیت توزیع درجه حرارت و وجود گرادیانهای حرارتی در بدنه سد دارد.
درون و استوکی نخستین بار یک فرمول ساده با استفاده از روش های تحلیلی برای تحلیل حرارتی ارائه نمودند. لوییسآگولو و همکاران برای ارزیابی توزیع دمای هر کدام از گره ها از یک مدل عددی یک بعدی بر اساس روش تفاضل پیشرو استفاده نمودند و توانستند نشان دهند که میانگین دمای سالیانه هر مقطع از سد به میانگین دمای سالیانه هوا و مخزن و نیز میزان تابش کل در محل سد بستگی دارد.
فرخ شیبانی با استفاده از یک مدل المان محدود سه بعدی به تحلیل حرارتی یک سد بتنی قوسی پرداخت. ایشان نشان داد که آب پشت سد اثر بیشتری را نسبت به هوا در نحوه توزیع دما در بدنه سد دارد و برای در نظر گرفتن اثر تابش خورشیدی در سدهای قوسی نیاز به تحلیل سه بعدی میباشد و همچنین بارهای حرارتی را به عنوان مهمترین دلیل ترک خوردن سد مورد مطالعه معرفی کرد.
با توجه به گسترش ساخت سدهای بتن غلتکی در کشور، در تحقیق حاضر سد وزنی بتن غلتکی جگین تحت شرایط آب و هوایی گرم و خشک در حین بهره برداری با هدف مشخص نمودن اهمیت اثر تابش خورشیدی در توزیع حرارتی با توجه به شیب بدنه سد، با استفاده از روش المان محدود مورد تحلیل حرارتی قرار گرفته است.
.2 انتقال حرارت و شرایط مرزی
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 زیر تعریف میشود:
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 میباشند. در تحلیلهای حرارتی مسائل مهندسی، درک مکانیسم فیزیکی حالت های انتقال حرارت برای تعیین مقدار انرژی منتقل شده در واحد زمان از اهمیت خاصی برخوردار است. انتقال حرارت هدایتی، انتقال حرارت همرفتی و انتقال حرارت تشعشعی 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 شرایط ساختگاه سد این دما تعیین میشود که معمولا دمایی کمتر و نزدیک به دمای سالانه میباشد. لذا این دما به عنوان اطلاعات اولیه ورودی به برنامه در نظر گرفته میشود. شرایط مرزی به صورت دمای ثابت و شار وارده در دو مرز در نظر گرفته میشودکه درجه حرارت به عنوان یک مقدار مشخص در زمان معین میباشد که با استفاده از دادههای ثبت شده در محل و یا روابط تجربی- تحلیلی بدست میآید.
مقدار انرژی جذب شده از تابش خورشید در سطح بتن میباشد و از رابطه - 8 - بدست میآید:
ضریب جذب می باشد که در بسیاری از مطالعات انجام شده برای بتن عدد منظور شده است و همچنین میزان کل انرژی تابشی رسیده به سطح است، میانگین ماهانه کل تابش روی سطح شیبدار را می توان برابر مجموع مؤلفه های تابش مستقیم، تابش پراکنده - غیرمستقیم - و مؤلفه بازتابش از سطوح اطراف دانست که با توجه به آن رابطه - 9 - ارائه شده است که زاویه بین سطح مورد نظر و افق می باشد و زاویه بین خط تابش خورشید با بردار عمود بر صفحه افقی میباشد، و زاویه بین خط تابش خورشید با بردار عمود بر صفحه شیبدار میباشد. که از رابطه - 10 - و - 11 - بدست میآیند
عرض جغرافیایی است و زاویه ساعتی خورشید در هنگام غروب است و زاویه میل است و از رابطه - 12 - پیروی میکند:
در بررسی های انجام شده توسط محققین مشخص شد مقدار کل تابش رسیده به سطح از مقدار اولیه آن آزمون شده است لذا از رابطه شماره - 13 - تابش رسیده به سطح محاسبه میشود .
در رابطه بالا میانگین ماهیانه ساعات آفتابی است، طول روز در هر ماه می باشد و و ضرایب محلی می باشند که تاثیر بسزایی در مقدار تابش ورودی دارند، در این تحقیق به صورت میانگین به ترتیب 0,44 و 0,28 در نظر گرفته شده است. میزان تابش ماهیانه رسیده در بالای جو می باشد که واحد آن ⁄ است که از رابطه - 15 - محاسبه می شود، شماره روز از سال میباشد.که ثابت تابش خورشیدی برابر 1353 ⁄ در نظر گرفته میشود و سپس با محاسبه پارامترهای و میتوان را با استفاده از رابطه زیر بدست آورد.
