بخشی از مقاله
چکیده
اهمیت نحوه توزیع حرارت در سدهای بتنی در جهت ارزیابی ایمنی به حدی است که در همه شرایط مطالعاتی و بارگذاری اعم از معمول، غیرمعمول و شدید اثر تغییرات حرارت بدنه سد دیده میشود. کنشهای حرارتی تاثیر قابل توجهی بر رفتار سد در زمان بهره برداری 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 اثر عوامل خارجی همچون تغییرات اقلیمی و آب و هوایی به عنوان کنش های محیطی مورد بررسی قرار می گیرد. این کنش ها با ایجاد تغییرات دمایی در بئنه سد باعث بوجود آمدن گرادیانهای حرارتی شده که اگر کنترل نشوند باعث افزایش احتمال ترک خوردگی در بدنه سدهای بتنی می شوند.
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 حرارت در بدنه سد دارند.
.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 قبل بنگرند از این رو با پیشرفت علم و دانش، مسائل جدید در زمینه طراحی و بهرهبرداری سدها مطرح میگردد که سبب افزایش نگرانی ها نسبت به حل این مسائل و ارتقاء ایمنی آنها شده است. از مسائلی که ایمنی سازههای بتنی حجیم نظیر سدها را به خطر می اندازد، بارگذاری های مختلفی نظیر نیروی هیدرواستاتیکی آب، نیروهای هیدرودینامیکی، وزن خود سازه، زلزله و بارهای ناشی از تغییرات دما در دوران ساخت و بهره برداری سدها می باشد.
یکی از مهمترین عواملی که چه در مرحله طراحی و چه در مرحله بهره برداری آنها مورد توجه است تغییرات دمای بدنه سد است. سدها به دلیل یکپارچگی و با توجه به عملکرد هندسی به صورت گیردار عمل می کنند بنابراین تغییرات دمای بتن سد از بالادست تا پایین دست سد موجب تغییرات در حجم سازه شده که منجر به به وجود آمدن تنشهای داخلی میشود و ممکن است پایداری سازه به خطر بیافتد. تنشهای کششی بوجود آمده مخصوصا در سطوح بیرونی سد معمولا از مقاومت کششی بتن سد بیشتر میشود که ترکهای مشاهده شده در سطوح خارجی سدها ناشی از همین مورد است و با عنوان ترکهای حرارتی معرفی میگردند.
معمولا مطالعات حرارتی سدهای بتنی شامل دو بخش کلی است که شامل مطالعات مرحله ساخت و مطالعات مرحله بهره برداری میباشد. در مرحله ساخت رایج ترین راه های کنترل دمای بتن عبارتند از پیش سرمایش، پسسرمایش، استفاده از سیمان پوزولانی، کاهش نسبت آب به سیمان، بتنریزی در احجام کوچکتر و همچنین بتن ریزی در زمانهای مناسب شبانه روز. اما در مطالعات مرحله بهره برداری که اساس کار تحقیق حاضر می باشد نحوه توزیع دمایی که سد در دوران بهره برداری خود تجربه می کند تعیین می شود. از عواملی که در چگونگی توزیع دما دردوره بهره برداری سد دخیل هستند می توان به خواص مصالح بتن و شرایط محیطی ساختگاه سد که خود شامل نوسانات دمای هوا، نوسانات دمای مخزن سد ، تابش خورشیدی و در بعضی 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 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 میشود.
که 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.
شدت جریان حرارت جابجایی از سطح میباشد که با استفاده از رابطه زیر قابل محاسبه است :
که دمای محیط اطراف و دمای سطح است وضریب انتقال حرارت جابجایی بین سطح و محیط اطراف میباشد.
آقای فرولی [5] پیشنهاد نمود که ضریب انتقال حرارتی جابجایی برای هوا با توجه به سرعت باد از رابطه زیر محاسبه گردد:
مقدار انرژی ساتع شده از سطح بتن می باشد که طبق رابطه زیر محاسبه میشود :
ضریب انتقال حرارت از طریق تشعشع بر حسب ⁄ است و به وضعیت پخش تشعشع سطح و ثابت استفان-بولتزمن بستگی دارد. دمای محیط اطراف و دمای سطح جسم میباشد.
مقدار انرژی جذب شده از تابش خورشید در سطح بتن میباشد و از رابطه - 8 - بدست میآید:
ضریب جذب و برای بتن برابر است و همچنین میزان کل انرژی تابشی عمود و رسیده به سطح است
.2 مواد و روشها
مطالعات حرارتی مرحله بهره برداری برای تعیین توزیع حرارتی که سد در طی عمر خود تجربه می کند انجام میشود، که به هندسه و خواص حرارتی بتن سد و پارامترهای محیطی ساختگاه سد مانند درجه حرارت هوا ، درجه حرارت مخزن، تابش خورشیدی و درجه حرارت پی وابسته است.
.1.2 درجه حرارت هوا
برآورد درجه حرارت هوا در یک سایت سد معمولا به دادههایی که در نزدیکترین ایستگاههای هواشناسی برداشت شده است، بستگی دارد. در صورتی که اطلاعات مورد نیاز از درجه حرارت هوا در ایستگاه هواشناسی ثبت نشده و یا در دسترس نباشد، میتوان از توابع سینوسی - 9 - دمای هوا و داده های مورد نیاز را محاسبه نمود که نصف دامنه دما است، ̅ دمای متوسط سالانه است، زمان بر حسب روز است، فاکتور تاخیر است و برابر شماره روزی از سال که دمای آن برابر دمای متوسط سالانه باشد ̅ ، یک دوره از تابع میباشد که در این رساله تعداد روزهای هر سال است و همچنین در معادلات زیر شماره روز در هر ماه است
.2.2 درجه حرارت مخزن
در صورتی که اطلاعات مورد نیاز در سایت سد در دسترس نباشد و یا نیاز به برآورد این اطلاعات باشد بهترین منبع برای کسب این اطلاعات، داده های آماری جمع آوری شده از مخازن مشابه است که این نوع از اطلاعات توسط اداره احیا و عمران ایالات متحده آمریکا جمع آوری و گزارش آن در شماره 34 مکملها و ضمیمه های مهندسی آورده شده است. همچنین آقای توماس در مطالعات خود از رابطه تجربی تحلیلی استفاده نمود که طبق آن دمای آب مخزن متأثر از دمای هوا و عمق بهره برداری مخزن می باشد. عمق بهره برداری به نحوه بهرهبرداری از مخزن بستگی دارد و معمولاً بین 30 تا 60 متر متغیر می باشد.
