تحلیل حرارت بدنه سد بتنی

تنش های حرارتی در سدهای بتنی (بتن حجیم) در اثر فرایند انتقال و تبادل حرارتی بتن با محیط اطراف برای آزادسازی حرارت ناشی از واکنش هیدراتاسیون سیمان در بتن، ایجاد می شوند. حرارت ناشی از واکنش سیمان در سنیناولیه، زمانی که بتن هنوز حالت خمیری داشته و به تدریج سختی خود را به دست می آورد، در جسم بتن ایجاد می شود. این حرارت اضافی، منجر به افزایش دما و انبساط بتن در سنین اولیه و در نتیجه ایجاد تنش ه ی فشاری در بتن می شود.

با افزایش دمای جسم بتن در اثر تولید حرارت اضافی، گرادیان حرارتی بین جسم بتن و محیط اطراف ایجاد شده و فرایند تبادل حرارتی بتن با محیط برای آزادسازی حرارت اضافی و دستیابی به یک تعادل حرارتی آغاز می‌شود. در این فرایند، به دلیل روند ناهمسان و غیریکنواخت کاهش دما، سخت شدن نسبی بتن، و گیرداری های ایجاد شده در مرزهای اتکایی و در درون جسم بتن، تنش های کششی غیریکنواختی در بخش ها ی مختلف بتن ایجاد می شود که می توانند منجر به وقوع ترک در بتن شوند.

در سدهای بتنی وزنی متعارف، برای کنترل فرایند سرمایش بتن حجیم، از سیستم پس سرمایش بتن استفاده می‌شود. طراحی سیستم پس سرمایش بتن مستلزم اجرای یک شبکه لوله در حجم بتن، تامین آب خنک برای تزریق در این شبکه لوله ها، و پیش بینی سیستم تغذیه و تخلیه شبکه لوله های پس سرمایش در نواحی مختلف بتن (که معمولاً از طریق شبکه گالری های داخل بدنه سد انجام می‌شود) است. از آنجا که اجرای سیستم پس سرمایش و انجام این عملیات نسبتاً زمان بر و پرهزینه است، استفاده از این سیستم در سدهای وزنی بتن غلتکی موجب ایجاد اخلال جدی در فرایند اجرای بتن شده و مغایر با فلسفه و مبانی این سدها خواهد بود.

به همین جهت رویکرد کنترل فرایند سرمایش بتن حجیم در سدهای وزنی بتن غلتکی مبتنی بر کاهش میزان سیمان تا حد ممکن، جایگزینی سیمان با پوزولان، کاهش ارتفاع لیفت های بتن ریزی و تنظیم سرعت عملیات اجرایی لیفت های متوالی بتن برای کنترل گرادیان حرارتی است. بدیهی است در این شرایط، اهمیت و حساسیت تحلیل های حرارتی بسیار بیشتر بوده و این تحلیل ها کاملاً متاثر از طرح اختلاط، فرایند تولید، روش، و سرعت اجرای بتن غلتکی خواهد بود.

مکانیزم ترک های حرارتی

مکانیزم های ایجاد ترک در فرایند تبادل حرارتی بتن با محیط و سرد شدن بتن را به دو دسته می توان تقسیم نمود.

• مکانیزم ایجاد ترک در سطوح یا رویه های بتن (ترک های سطحی)
• مکانیزم ایجاد ترک در حجم بتن (ترک های حجمی).

در فرایند سرد شدن بتن، به دلیل تبادل حرارتی سریع رویه های بتن با محیط اطراف، دمای بتن مجاور رویه ها به سرعت کاهش یافته و بتن در این نواحی تمایل به انقباض دارد در حالی که بخش داخلی بتن هنوز گرم و منبسط یافته است. در این شرایط، یک شبکه ترک های کششی متعامد با راستاهای عمود بر رویه بتن در محدوده بتن خنک شده سطحی رخ می دهند. این مکانیزم، اصطلاحاً گیرداری داخلی بتن (Internal Restraint) نامیده می شود و ترک های ناشی آن، ترک های حرارتی سطحی نامیده می شوند. عمق نفوذ ترک های حرارتی سطحی در جسم بتن، با توجه به کاهش شتاب تبادل حرارتی بتن با فاصله گرفتن از سطوح رویه، نسبتاً محدود است.

مکانیزم گیرداری خارجی (ترک های حجمی)

با آزاد شدن تدریجی حرارت اضافی و کاهش دمای بتن، جسم بتن به طور کلی تمایل به کاهش حجم و انقباض می یابد. در این فرایند، به دلیل گیرداری بتن در مرزهای اتکایی آن، امکان جمع شدن بتن (و لغزش در سطح اتکای بتن) کاملاً محدود بوده و این شرایط منجر به ایجاد تنش های کششی حرارتی در مجاورت سطوح اتکایی بتن و توسعه این تنش ها تا بخش های مرکزی بتن می‌شود.

با افزایش این تنش های کششی، ترک های حرارتی در مجاورت سطوح اتکایی بتن ایجاد شده و با توجه به مکانیزم و توزیع تنش های کششی، پتانسیل گسترش و نفوذ این ترک ها تا عمق نسبتاً زیاد در بخش های مرکزی بتن وجود خواهد داشت. با توجه به گستردگی و عمیق بودن این نوع ترک ها، به آن ها ترک ها ی حرارتی حجمی اطلاق شده و مکانیزم ایجاد آن ها با عنوان مکانیزم گیرداری خارجی (External Restraint) نامیده می شود.

دمای هوا

میزان و دامنه نوسانات دمای هوای ساختگاه سد یکی از اصلی ترین داده های مورد نیاز جهت انجام مطالعات حر ارتی است. دمای هوای ساختگاه در واقع شاخص تعیین دمای پایدار بلند مدت جسم بتن بوده و کنترل کننده کیفیت فرایند تبادل حرارتی بتن با محیط اطراف (هم در سنین اولیه بتن و هم در دوره بهره برداری) خواهد بود. بنابراین، برای کاهش و کنترل ترک های حرارتی، میزان پیش سرمایش بتن و دمای پخش بتن تازه بر مبنای دامنه نوسانات دمای هوای محیط باید تعیین و انتخاب شود.

با توجه به نرخ نفوذ بسیار کم حرارت محیطی به جسم بتن، دامنه نوسانات روزانه دمای محیط (هوا) منجر به یک سری ترک های ریز مویی در سطح بتن (با عمق نفوذ بسیار کم) می‌شود. این ترک های ریز مویی تأثیر محسوسی بر یکپارچگی بتن نداشته و به طور معمول در تحلیل های حرارتی بتن حجیم، از گرادیان های حرارتی گذرای ناشی از تغییرات روزانه دمای محیط صرف نظر می‌شود. بنابراین، بازه زمانی تحلیل های حرارتی حداقل یک سال و گام زمانی تغییرات دمایی محیط یک ماه در نظر گرفته می شود.

سرعت باد

در فرایند تبادل حرارتی جسم بتن با محیط اطراف (هوا)، دمای هوا افزایش یافته و گرادیان حرارتی موثر بین بتن و محیط، و متناسباً نرخ تبادل حرارتی بتن با محیط اطراف آن، کاهش می یابد. بنابراین سرعت تبادل حرارتی و کاهش دما در محیط، می تواند تأثیر محسوسی بر نرخ تبادل حرارتی بتن با محیط اطراف خود داشته باشد. یکی از عوامل موثر در سرعت تبادل حرارتی بتن با محیط اطراف، سرعت باد در محل اجرای بتن حجیم است. هر چه سرعت باد بیش تر باشد، سرعت انتقال حرارت در محیط اطراف افزایش می یابد. سرعت تبادل حرارتی و کاهش دما در محیط اطراف بتن، با ضریبی به نام ضریب فیلم در تحلیل های حرارتی وارد می‌شود.

ویژگی های بتن

از مهم ترین و تأثیرگذارترین داده های مورد نیاز در تحلیل های حرارتی، ویژگی های حرارتی بتن غلتکی شامل نرخ و میزان تولید حرارت در فرایند هیدراتاسیون، ظرفیت حرارتی ویژه، نرخ تبادل حرارتی، و …، است که خود تابع نوع مواد سیمانی، نوع سنگ دانه ها، و طرح اختلاط بتن است. علاوه بر این، برای محاسبه کرنش ها و تنش های حرارتی ایجاد شده در بتن، خواص مکانیکی بتن غلتکی نیز جهت انجام تحلیل های حرارتی مورد نیاز است.

ارزیابی ریسک وقوع ترک های حرارتی

تحلیل های حرارتی تا پایدار شدن نوسانات حرارتی در نقاط مختلف بدنه سد (متناسب با نوسانات حرارتی محیط) باید ادامه یابند. برای این منظور، بسته به ابعاد بدنه سد و شرایط محیطی ساختگاه سد، معمولاً انجام تحلیل های حرارتی در یک دوره چند ساله ضروری شود. پس از انجام تحلیل های حرارتی، به منظور برآورد و ارزیابی ریسک وقوع ترک های حرارتی، با استخراج و ترسیم پوش دماهای حداکثر و همچنین پوش دماهای حداقل در نقاط مختلف سد، می توان پوش گرادیان حرارتی در نواحی مختلف بدنه سد را محاسبه و ترسیم نمود.

برای سهولت محاسبات، می توان پوش گرادیان حرارتی را صرفاً در یک سری نقاط شاخص در نواحی مختلف بدنه سد، که بر مبنای قضاوت کارشناسی و ماهیت تغییرات دما در بدنه سد در محدوده های بحرانی و مستعد شروع ترک خوردگی انتخاب می‌شوند، محاسبه و تعیین نمود. باید توجه داشت که اگر کاهش حجم بتن در شرایط آزاد و بدون گیرداری رخ دهد، هیچ کرنش (یا تنش) کششی در بتن ایجاد نشده و در نتیجه پتانسیل ترک حرارتی در آن وجود نخواهد داشت.

ارزیابی ریسک وقوع ترک در بدنه سد

برای ارزیابی ریسک وقوع ترک های حجمی یا سطحی در بتن، کرنش کششی محاسبه شده در هر حالت باید با ظرفیت کرنش کششی بتن مقایسه شود. با توجه به ماهیت و زمان وقوع ترک های سطحی و حجمی، برای ارزیابی ریسک وقوع ترک های سطحی از ظرفیت کرنش کششی تحت اثر بارگذاری سریع، و برای ارزیابی ریسک وقوع ترک های حجمی از ظرفیت کرنش کششی بتن تحت اثر بارگذاری آهسته باید استفاده نمود.

اگر کرنش کششی از ظرفیت کرنش کششی بتن کمتر باشد، هیچ ترکی در بتن به وجود نخواهد آمد ولی اگر کرنش کششی از ظرفیت کرنش کششی بتن بیشتر باشد، بتن ترک خورده و عرض (یا بازشدگی) ترک یا ترک ها معادل کاهش طول ناشی از کرنش کششی اضافی در بتن خواهد بود. بنابراین، تعداد و فواصل ترک ها متناسب با شرایط سازه برای تحمل حداکثر بازشدگی در هر ترک خواهد بود.

طراحی فواصل درزهای انقباضی

یکی از راه های کنترل ترک های حرارتی حجمی در سازه های بتنی حجیم، پیش بینی و ایجاد ترک های کنترل شده در سازه (درزهای انقباضی) است. بهتر است درزهای انقباضی در محل ها یی که مستعد تمرکز تنش های کششی و شروع ترک خوردگی هستند، جانمایی شوند. همان گونه که ذکر شد تعداد و عرض ترک های حرارتی ایجاد شده در یک سازه بتنی حجیم تابع عوامل متعددی از جمله میزان سختی پی هستند. می توان گفت که در شرایط یکسان گرادیان حرارتی، تعداد ترک های ایجاد شده در سازه قرار گرفته بر روی پی نرم کمتر از تعداد ترک های سازه واقع بر پی سخت بوده و متقابلاً میزان بازشدگی ترک ها در سازه قرار گرفته بر روی پی نرم بزرگ تر خواهد بود. معمولاً میزان بازشدگی ترک های حجمی در سازه های بتنی از 2 تا 5 میلیمتر متغیر است.