تحلیل حرارت بدنه سد
تنش‌های 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 میشوند. حرارت ناشی از واکنش سیمان در سنیناولیه، زمانی که بتن هنوز حالت خمیری داشته و به تدریج سختی خود را به دست می‌آورد، در جسم بتن ایجاد میشود. این حرارت اضافی، منجر به افزایش دما و انبساط بتن در سنین اولیه و در نتیجه ایجاد تنش‌ه‌ی فشاری در بتن میشود.
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 گیرداری‌های ایجاد شده در مرزهای اتکایی و در درون جسم بتن، تنش‌های کششی غیریکنواختی در بخشهای مختلف بتن ایجاد میشود که می‌توانند منجر به وقوع ترك 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 لوله‌ها، و پیش بینی سیستم تغذیه و تخلیه شبکه لوله‌های پس سرمایش در نواحی مختلف بتن (که معمولاً از طریق شبکه گالری‌های 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 لیفت‌های بتن ریزی و تنظیم سرعت عملیات اجرایی لیفت‌های متوالی بتن برای کنترل گرادیان حرارتی است. بدیهی است در این شرایط، اهمیت و حساسیت تحلیل‌های حرارتی بسیار بیشتر بوده و این تحلیل‌ها کاملاً متاثر از طرح اختلاط، فرایند تولید، روش، و سرعت اجرای بتن غلتکی خواهد بود.
مکانیزم تركهای حرارتی
مکانیزم‌های ایجاد ترك در فرایند تبادل حرارتی بتن با محیط و سرد شدن بتن را به دو دسته می‌توان تقسیم نمود.
- مکانیزم ایجاد ترك در سطوح یا رویه‌های بتن (تركهای سطحی)
- مکانیزم ایجاد ترك در حجم بتن (تركهای حجمی).
مکانیزم گیرداری داخلی (تركهای سطحی)
در فرایند سرد شدن بتن، به دلیل تبادل حرارتی سریع رویه‌های بتن با محیط اطراف، دمای بتن مجاور رویه‌ها 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 تركهای کششی متعامد با راستاهای عمود بر رویه بتن در محدوده بتن خنک شده سطحی رخ می‌دهند. این مکانیزم، اصطلاحاً گیرداری داخلی بتن (Internal Restraint) نامیده میشود و تركهای ناشی آن، تركهای حرارتی سطحی نامیده میشوند. عمق نفوذ تركهای 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 (تركهای حجمی)
با آزاد شدن تدریجی حرارت اضافی و کاهش دمای بتن، جسم بتن به طور کلی تمایل به کاهش حجم و انقباض می‌یابد. 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 تنش‌های کششی حرارتی در مجاورت سطوح اتکایی بتن و توسعه این تنش‌ها تا بخشهای مرکزی بتن میشود. با افزایش این تنش‌های کششی، تركهای حرارتی در مجاورت سطوح اتکایی بتن ایجاد شده و با توجه به مکانیزم و توزیع تنش‌های کششی، پتانسیل گسترش و نفوذ این ترك‌ها تا عمق نسبتاً زیاد در بخشهای مرکزی بتن وجود خواهد داشت. با توجه به گستردگی و عمیق بودن این نوع ترك‌ها، به آن‌ها تركهای حرارتی حجمی اطلاق شده و مکانیزم ایجاد آن‌ها با عنوان مکانیزم گیرداری خارجی (External Restraint ) نامیده میشود.
داده‌های پایه مورد نیاز
دمای هوا
میزان و دامنه نوسانات دمای هوای ساختگاه سد یکی از اصلی‌ترین داده‌های 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 تركهای 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 تركهای ریز مویی در سطح بتن (با عمق نفوذ بسیار کم) میشود. این تركهای ریز مویی تاثیر محسوسی بر یکپارچگی بتن نداشته و به طور معمول در تحلیل‌های حرارتی بتن حجیم، از گرادیان‌های حرارتی گذرای ناشی از تغییرات روزانه دمای محیط صرف نظر میشود. بنابراین، بازه زمانی تحلیل‌های حرارتی حداقل یک سال و گام زمانی تغییرات دمایی محیط یک ماه در نظر گرفته میشود.
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 می‌یابد. بنابراین سرعت تبادل حرارتی و کاهش دما در محیط، می‌تواند تاثیر 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 بیشتر باشد، سرعت انتقال حرارت در محیط اطراف افزایش می‌یابد. سرعت تبادل حرارتی و کاهش دما در محیط اطراف بتن، با ضریبی به نام ضریب فیلم در تحلیل‌های حرارتی وارد میشود.
ویژگی‌های بتن
از مهم‌ترین و تاثیرگذارترین داده‌های مورد نیاز در تحلیل‌های حرارتی، ویژگی‌های 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 دانه‌ها، و طرح اختلاط بتن است. علاوه بر این، برای محاسبه کرنش‌ها و تنش‌های حرارتی ایجاد شده در بتن، خواص مکانیکی بتن غلتکی نیز جهت انجام تحلیل‌های حرارتی مورد نیاز است.
ارزیابی ریسک وقوع تركهای حرارتی
تحلیل‌های 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 تحلیل‌های حرارتی در یک دوره چند ساله ضروری شود. پس از انجام تحلیل‌های حرارتی، به منظور برآورد و ارزیابی ریسک وقوع تركهای حرارتی، با استخراج و ترسیم پوش دماهای حداکثر و همچنین پوش دماهای حداقل در نقاط مختلف سد، می‌توان پوش گرادیان حرارتی در نواحی مختلف بدنه سد را محاسبه و ترسیم نمود.
برای سهولت محاسبات، می‌توان 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 محدوده‌های بحرانی و مستعد شروع ترك 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 ترك حرارتی در آن وجود نخواهد داشت.
ارزیابی ریسک وقوع ترك در بدنه سد
برای ارزیابی ریسک وقوع تركهای 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 تركهای سطحی و حجمی، برای ارزیابی ریسک وقوع تركهای سطحی از ظرفیت کرنش کششی تحت اثر بارگذاری سریع، و برای ارزیابی ریسک وقوع تركهای 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 ترك خورده و عرض (یا بازشدگی) ترك یا ترك‌ها معادل کاهش طول ناشی از کرنش کششی اضافی در بتن خواهد بود. بنابراین، تعداد و فواصل ترك‌ها متناسب با شرایط سازه برای تحمل حداکثر بازشدگی در هر ترك خواهد بود.
طراحی فواصل درزهای انقباضی
یکی از راه‌های کنترل تركهای حرارتی حجمی در سازههای بتنی حجیم، پیش بینی و ایجاد تركهای کنترل شده در سازه (درزهای انقباضی) است. بهتر است درزهای انقباضی در محل‌ها‌یی که مستعد تمرکز تنش‌های کششی و شروع ترك خوردگی هستند، جانمایی شوند. همان گونه که ذکر شد تعداد و عرض تركهای حرارتی ایجاد شده در یک سازه بتنی حجیم تابع عوامل متعددی از جمله میزان سختی پی هستند. می‌توان گفت که در شرایط یکسان گرادیان حرارتی، تعداد تركهای ایجاد شده در سازه قرار گرفته بر روی پی نرم کمتر از تعداد تركهای سازه واقع بر پی سخت بوده و متقابلاً میزان بازشدگی ترك‌ها در سازه قرار گرفته بر روی پی نرم بزرگتر خواهد بود. معمولاً میزان بازشدگی تركهای حجمی در سازههای بتنی از ۲ تا ۵ میلیمتر متغیر است.
