بتنهای حجیم
خواص بتنهای حجیم که در طراحی سازههای بتن حجیم مورد استفاده قرار میگیرد، عبارتند از وزن مخصوص، مقاومتهای فشاری، کششی و برشی، مدول الاستیسیته، ضریب پواسون، خزش، ضرایب انبساط حرارتی، هدایت حرارتی، گرمای ویژه و انتشار. طراح میتواند در مرحلۀ شناخت و ابتدای مطالعات از مقادیری که در منابع معتبر آورده شدهاند استفاده نماید. در طرح نهایی ضرایب و خواص مورد نیاز باید تا حد امکان از انجام آزمایشهای آزمایشگاهی و بررسیهای محلی استخراج شود.
خواص مقاومتی بتنهای حجیم
مقاومت بتن با سن، نوع سیمان، جنس سنگدانهها و دیگر اجزای نسبتهای اختلاط، کیفیت اجرا، عمل آوری و شرایط محیطی تغییر میکند. عامل اصلی مؤثر در مقاومت بتن نسبت آب به سیمان است. ویژگیهای مقاومتی بتن باید پاسخگوی بارگذاری اولیه، نیازهای اجرایی و شرایط بهره برداری باشد. در نظر گرفتن مقاومتهای فشاری بتن در زمان بهره برداری امکان استفاده از مزایایی مانند بهرهگیری از سیمانهای آمیخته، کاهش سیمان مصرفی و به تبع آن کاهش دمای داخلی و کنترل ترک خوردگی بتن را میسر میسازد. مقاومت مورد نیاز بتن در سنین مختلف باید در مقاطع خواسته شده به دقت کنترل شود.
مقاومت فشاری
مقاومت فشاری از آزمایش استاندارد فشاری بدون منظور نمودن اثرات خزش با روش آزمایش مقاومت فشاری نمونههای بتنی(دت ۶۰۲ )، روش نمونهگیری مخلوط بتن تازه (دت ۵۰۲ ) و روش ساختن و عملآوری نمونههای آزمایش در محل (دت ۵۰۴ ) تعیین میشود.
از آنجا که در اکثر سازههای بتنی حجیم در سنین اولیه، بتن تحت تاثیر بخش عمده بارهای شرایط بهره برداری قرار نمیگیرد لذا برای استفاده بهینه از خواص مقاومتی بتن، مقاومت طراحی میتواند معادل مقاومت ۹۰ روزه یا بیشتر در نظر گرفته شود. حداکثر تنش مجاز فشاری بتن در حالت بارگذاری عادی معادل ۰/۳۳ مقاومت گسیختگی بتن در نظر گرفته میشود.
مقاومت برشی
مقاومت برشی در امتداد درزهای اجرایی یا در سطح تماس با پی سنگی با توجه به رابطه خطی مندرج در نشریه شماره ۳۴۴ تعیین میشود.
آزمایش برش مستقیم روش معمول برای دستیابی به دادههای چسبندگی و زاویه اصطکاک با استفاده از بارهای نرمال مختلف است. در صورتی که دسترسی به نتایج آزمایشها ممکن نباشد، میتوان در طراحی اولیه ضریب اصطکاک داخلی را معادل یک و چسبندگی بتن را معادل ده درصد مقاومت فشاری بتن در نظر گرفت.
مقاومت کششی
آزمایش تعیین مقاومت کششی دو نیم کردن به روش دت ۶۰۶ یا تعیین مدول گسیختگی به روش دت ۶۰۷ به منظور تعیین مقاومت کششی بتن سخت شده بکار میرود. آزمایش مدول گسیختگی نتایجی سازگار با رفتار الاستیک خطی فرض شده در طراحی به دست میدهد. نتایج آزمایش کشش دو نیم کردن نیز میتواند مورد استفاده قرار گیرد. هر چند طراح باید بداند که نتایجاین آزمایش رفتار غیرخطی نمونه را نشان میدهد. درصورتی که نتایج آزمایشهای مربوط در دسترس نباشند میتوان مقاومت کششی را حدود ۴ تا ۱۰ درصد مقاومت فشاری فرض نمود.
خواص الاستیک
رابطۀ تنش – کرنش برای بتن تحت اثر بار افزایشی پیوسته یک خط منحنی است. هر چند برای اهداف عملی در طراحی مدول الاستیسیته برای محدودههای تنشی که بتن حجیم معمولاً تحت تأثیر آن قرار میگیرد ثابت در نظر گرفته میشود. به طور معمول با افزایش مقاومت فشاری بتن، مدول الاستیسیته نیز افزایش مییابد ولی مقدار افزایش مدول الاستیسیته مستقیماً متناسب با افزایش مقاومت نیست و به هر حال مقدار مدول الاستیسیته به جنس سنگدانه بستگی دارد. برای بتن حجیم ۲۸ روزه مقدار مدول الاستیسیته در محدوده ۱۹ تا ۳۸ گیگاپاسکال و برای بتن یکساله در محدوده ۲۶ تا ۴۷ گیگاپاسکال تغییر مینماید. ضریب پوآسون نیز مشابه مدول الاستیسیته تحت تأثیر نوع سنگدانه، نوع سیمان و نسبت وزنی این دو قرار میگیرد و در محدودۀ ۰/۱۱ تا ۰/۲۷ متغیر است.
تغییرشکل سازه بتنهای حجیم تحت اثر بار ثابت به دو بخش تقسیم میشود. بخش اول، تغییر شکل نسبی الاستیک که بلافاصله بعد از بارگذاری اندازه گیری شده و مدول الاستیسیته آنی را نتیجه میدهد. بخش دیگر تغییرشکل درازمدت بوده که بصورت تغییرشکل غیرالاستیک یا خزشی بیان میشود.
خواص دینامیکی بتنهای حجیم
خواص بتنهای حجیم که در تحلیل دینامیکی خطی با فرض رفتار الاستیک مورد استفاده قرار میگیرد شامل وزن مخصوص ،مدول الاستیسیته و ضریب پواسون است. بتن آزمایش شده باید به منظور نشان دادن خواص نهایی آن دارای سن کافی باشد، لذا نمونههای یک ساله ترجیح داده میشوند. خواصی از بتن که به منظور ارزیابی نتایج تحلیل دینامیکی لازم است شامل مقاومتهای فشاری و کششی آن است. آزمایش فشاری استاندارد حتی بدون لحاظ نمودن سرعت بارگذاری قابل قبول بوده چرا که معمولاً تنشهای فشاری تحلیل دینامیکی را کنترل نمینماید. هر چند در هنگام اعمال بار با سرعت زیاد، نظیر زلزله، مقاومت فشاری بتن تا حدود ۲۵ درصد افزایش مییابد. برای تعیین مقاومت کششی از آزمایش کشش دو نیم کردن یا مدول گسیختگی استفاده میشود و مقاومت کششی استاتیکی تعیین شده از آزمایش کشش دو نیم کردن به میزان ۳۳ درصد افزایش داده میشود تا با آزمایش مدول گسیختگی استاندارد قابل مقایسه باشد.
تغییر حجم
تغییرات حجمی بتن در اثر تغییر در رطوبت، درجه حرارت، واکنشهای شیمیایی و تنشهای ناشی از بارگذاری رخ میدهد و ممکناست باعث ایجاد ترک در بتن شوند. با توجه به اینکه ترکها یک عامل تضعیف کننده مقاومت بتن در مقابل نیروهای خارجی هستند و سبب کاهش دوام بتن میگردند، شناخت عوامل مؤثر در تر ک خوردگی در کاهش مشکلات احتمالی مفید است. میزان آب بتن و نوع و مقدار سنگدانه از مهمترین عواملی هستند که بر روی جمع شدگی ناشی از خشک شدن تأثیر میگذارند. و محدودۀ تغییرات انقباض خشک برای بتن با آب کم و کیفیت مطلوب مصالح در حدود ۰/۰۲ درصد و برای بتنی با آب زیاد و کیفیت نامناسب سنگدانه در حدود ۰/۱ درصد است.
تغییرات حجم که به صورت خود به خود در بتن به وجود میآید ناشی از واکنشهای شیمیایی است. این تغییر حجم وابسته به میزان آب مصرفی در بتن بوده و مقدار آن در بتنهای حاوی پوزولان بیشتر از بتنهای بدون پوزولان است.
خواص حرارتی
انجام مطالعات حرارتی برای سازههای بتنی حجیم الزامی است تا آثار تنش ایجادشده با تغییرات دما در بتن تعیین و تمهیدات لازم به منظور جلوگیری از ترک خوردگیهای حرارتی صورت پذیرد.
شاخص ترین پارامترهای حرارتی بتن عبارتند از:
- ضریب انبساط حرارتی
- گرمای ویژه
- ضریب هدایت حرارتی
- ضریب انتشار حرارتی
نفوذپذیری
بطور کلی قابلیت نفوذپذیری بتن در برابر آب ناچیز است. نفوذپذیری با افزایش نسبت آب به سیمان زیاد شده و از این رو نسبت کم آب به سیمان همراه با تراکم و عمل آوری مناسب، عوامل مهم برای تولید بتن نفوذ ناپذیر هستند. استفاده از مواد حباب ساز و افزودنیهای شیمیایی که کارآیی بتن را افزایش میدهند درکاهش نفوذپذیری موثر هستند. استفاده از پوزولانها نظیر دوده سیلیسی و متاکائولین نیز سبب کاهش نفوذپذیری بتن میشوند.
بارگذاری حرارتی
از مسایل اصلی مرتبط با سازههای بتن حجیم کنترل ترک خوردگی ناشی از تغییرات حرارتی هستند. تغییر شکلها و تنشهای حرارتی در بتن حجیم تحت تاثیر دو عامل حرارت آبگیری (هیدراتاسیون) و چرخههای تناوبی حرارت محیط قرار دارند.
در بارگذاری حرارتی سدها بارهای حرارتی حاصل از تغییر دمای فصلی محیط یا اختلاف دمای بالادست و پایین دست سد مهم است. در حالت اول با استفاده از اطلاعات محلی ثبت شده (روزانه، هفتگی و ماهانه) در سالهای مختلف و با توجه به شرایط زمان ساخت (که خود ممکن است چند سال طول بکشد) اختلاف بین حداکثر و حداقل دمای ثبت شده با معدل دمای متوسط ماهانه تعیین و تغییر شکلها و تنشهای مربوط محاسبه میشود. در حالت دوم، در روزهای سرد سال درجه حرارت پایین دست سد کمتر از درجه حرارت بالادست آن (در صورت وجود آب) و در روزهای گرم برعکس بوده و این تغییر دما از بالا دست به پایین دست تغییر شکلهای ناهمگون و گاه پیچشی را موجب میشود.
انواع سازههای بتنی حجیم
سازههای بتنی حجیم به سه دسته تقسیم میشوند.
- سازههای ثقلی مانند سدهای وزنی (شامل سدهای بتن غلتکی)
- سازههای پوستهای ضخیم مانند سدهای قوسی
- سازههای بتن آرمه ضخیم مانند ایستگاههای پمپاژ بزرگ، نیروگاهها و پایههای حجیم پلها
انواع تحلیلهای حرارتی سازههای بتنهای حجیم
انجام تحلیل حرارتی به عنوان یک حالت بارگذاری و در ترکیب با سایر حالات، برای سازههایی که احتمال بروز ترک خوردگی حرارتی در آنها میرود، الزامی است. بررسیهای حرارتی برای سازههای بتنی حجیم باید متناسب با ابعاد، عملکرد و افزایش پیچیدگی سازه در یکی از سطوح زیر انجام شوند.
برای تحلیلهای حرارتی باید دانستههای اولیه محیطی (دمای متوسط ماهانه، میانگین دمای سالیانه و ….)، هندسه سازه،مشخصههای رفتاری بتن مورد استفاده و شرایط اجرایی پروژه به نحوی مدلسازی شوند که بتوان تغییر شکلهای ناشی از تغییراتدما در طول بهره برداری از سازه مورد نظر را با ظرفیت تغییر شکل پذیری بتن مورد استفاده مقایسه نمود.
کنترل ترک خوردگی حرارتی بتنهای حجیم
بتن حجیم با بتن سازهای معمولی تفاوت دارد زیرا بصورت مقاطع ضخیم اجرا میشود و حرارت آبگیری در آن به کندی مستهلک میشود و انقباض حرارتی میتواند تنشهای کششی همراه با خطر تر ک خوردگی ایجاد نماید. ظرفیت کرنش کششی بتن یا کرنشی که در آن ترک خوردگی اتفاق میافتد وابسته به زمان بوده و در بتن جوان بیشترین مقدار را داراست. یکی از عوامل موثر در کنترل ترک خوردگی کنترل دمای بتن است. کنترل دمای بتن میتواند حین ساخت، اجرا یا هر دو اعمال شود.