۱/۷۵

۲

Case 8

۳/۷۵

از آنجا که پارامتر تعیین کننده برای ایجاد ترک خوردگی در پوشش، لنگر ترک خوردگی بتن می باشد، لذا با مقایسه مقادیر لنگر خمشی ایجاد شده در پوشش در اثر تــــورم خاک با مقدار لنگر ترک خوردگی بتـن می توان معیار مناسبی برای ارزیابی احتمال ترک خوردگی در رویه بتنی بدست آورد[۶] . در شکل (۳-۱۲) مقادیر لنگرهای خمشی ایجاد شده در پوشش در اثر تورم خاک در حالت های مختلف تحلیل که در جدول (۳-۴) ارائه شده، به صورت یکجا آورده شده است. در این نمودار محور قائم مقادیر لنگر ایجاد شده و محور افقی موقعیت هر نقطه از پوشش را نسبت به محور تقارن کانال () نشان می دهد. با مراجعه به شکل (۳-۱۳) به راحتی می توان مفهوم مقادیر را درک کرد.

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

شکل ( ۳-۱۲ ): نمودار لنگر خمشی رویه بتنی کانال در حالت(الف) [۶]
همانطور که از شکل (۳-۱۲) قابل استنباط می باشد، بیشترین مقدار تمرکز لنگر خمشی در تمامی حالات در گوشه پایین کانال یعنی در محل برخورد دیواره به کف کانال ایجاد شده است. بیشترین مقدار لنگری که بتن قبل از ترک خوردگی می تواند تحمل کند، مطابق آیین نامه ACI از رابطه (۳-۳)، قابل محاسبه می باشد، که در این رابطه I و h به ترتیب مقادیر ممان اینرسی و ارتفاع مقطع بوده و ، مقدار تنش ترک خودگی بتن بوده و از رابطه (۳-۴)، قابل محاسبه می باشد، که در آن مقاومت مشخصه بتن می باشد[۶].
با جاگذاری مقادیر متناسب با بتن رویه کانال مورد مطالعه در روابط فوق لنگر ترک خوردگی بتن برابر ۴/۰۸ کیلو نیوتن– متر بدست می آید. بنابراین این عدد به عنوان مرزی برای شروع ترک خوردگی می تواند محسوب گردد. از آنجا که درزهای تعبیه شده در طول دیواره بعنوان مفصل عمل می کنند، لذا مقادیر لنگر در این محل ها صفر بوده و بعنوان یک پارامتر اساسی در کنترل ترک خوردگی دیواره محسوب می شوند. با مراجعه به شکل (۳-۱۲)، مشاهده می شود که در حالت های ۴،۳،۲ و۵ مقادیر لنگر ایجاد شده در پوشش بیشتر از مقدار لنگر ترک خوردگی می باشد. بنابراین چنین می توان نتیجه گیری نمود که این نوع آرایش محل درزها برای پیش گیری از وقوع ترک خوردگی در پوشش مناسب نمی باشد. از آنجا که تمرکز تنش در گوشه پایین کانال بشدت بالاست، لذا اولین درز در دیواره باید حد الامکان نزدیک به این محل انتخاب شود تا جابجایی ها به این محل منتقل گردیده و آسیب دیدگی رویه به حداقل برسد. در حالتهای تحلیلی ۴،۳،۲و۵ اولین درز طولی در دیواره کانال به ترتیب در فاصله ۵/۰، ۱/۷۵، ۱ و ۰ متری از کف کانال لحاظ شده است ولی با توجه به مقادیر لنگر ایجاد شده در رویه این ترازها مناسب برای اجرای درز نمی باشد و نمی تواند مانع ایجاد ترک خوردگی گردند. مطابق نتایج حاصل در حالتهای تحلیل ۷،۱،۶ و ۸ در گوشه پایین کانال که بیشترین مرکز تمرکز تنش می باشد، مقادیر لنگر بدست آمده کمتر از لنگرترک خوردگی می باشد لذا موقعیت درز پایین در این حالتها مناسب انتخاب شده است با مراجعه به جدول (۳-۳) مشاهده می شود که تراز درز در این حالتها ۱/۷۵ متر یعنی ۲۵ سانتی متر بالاتر از کف کانال در نظر گرفته شده است، بنابراین این تراز به حد کافی نزدیک به کف بوده و نقش مؤثری در توزیع تنش ها ایـــفا می کند. با مراجعه به شکل (۳-۱۲)، موقعیت بحرانی دیگر در مقطع کانال در حوالی برابر با ۵/۲ متر قرار دارد که در این حوالی مقدار لنگر به بیشترین مقدار خود رسیده است. به نظر می رسد چون پوشش در قسمت فوقانی مانند یک تیر دو سر مفصل عمل می کند، لذا مقدار لنگر ماکزیمم در حوالی مرکز تیر ایجاد می گردد، بنابراین به حداکثر رسیدن مقدار لنگر در حوالی برابر با ۵/۲ متر می تواند ناشی از این پدیده باشد. به منظور کاهش بازوی لنگر باید درز اجرایی در موقعیت مناسب در ترازهای بالایی کانال تعبیه گردد به منظور بهینه کردن موقعیت درز در چند محل منظور شده و نتایج در نمودار شکل (۳-۱۲) نشان داده شده است. در حالتهای تحلیلی ۱،۲،۳،۴ تعداد یک رشته درز طولی، در قسمت پایین مقطع منظور شده، لذا، کنترل توزیع لنگر در تراز های فوقانی امکان پذیر نمی باشد ولی در سایر حالات یک رشته درز طولی نیز علاوه بر درز پایین کانال در قسمت بالایی مقطع کانال منظور شده است. با اضافه کردن این درز در واقع از طول المان تیر کاسته شده لذا مقادیر لنگر حاصل از نیروی اندرکنش خاک – پوشش کاهش می یابد. در نمودارهای لنگر رسم شده برای حالتهای تحلیلی ۵،۶،۷ و۸ تأثیر تعبیه این درز به وضوح قابل مشاهده می باشد با مقایسه نمودارهای لنگر در حالتهای مختلف مشاهده می شود که بهترین موقعیت درزها در حالت ۸ حاصل شده است. این نتیجه بیانگر این واقعیت است که موقعیت درزها باید حوالی محل تمرکز تنش حاصل از نیروی اندرکنشی خاک – پوشش انتخاب گردد.
ب: آب درون کانال ۱/۵ متر در نظر گرفته شد. (Water Level: 3m) و کلیه حالتهای تحلیلی مربوط به قسمت الف برای شرایط هیدرولیکی جدید تکرار شده است. در شکل (۳-۱۳)، شکل تغییر شکل یافته المانها و نمودار جابجایی قائم خاک بستر برای حالت تحلیلی ۶ در هر دو وضعیت قرارگیری تراز آب رسم شده است. بالا زدگی رویه بتنی در اثر رفتار اندرکنشی خاک متورم شونده و پوشش کاملاً مشخص می باشد، میـــزان این بالازدگی در حالت (ب) که تراز آب در کانال بالاست بیشتـــر می باشد.

شکل ( ۳-۱۳ ): تغییر شکل المان های خاک بستر [۶]
الف) W.L= 2/5 m ب) W.L= 3 m
همانطور که نتایج تحلیل ها نشان می دهد، مطابق شکل (۳-۱۴)، با افزایش تراز آب در کانال بر میــــــزان تورم خاک افزوده می شود. با مقایسه نقاط اوج منحنی نتیجه می شود که حدود ۲ سانتی متر اختلاف تورم در دو حالت وجود دارد. این مسأله تأثیر اختلاف هد آب درون کانال را در رفتار تورمی خاک نمایان می سازد. از آنجا که بیشترین نشت از دیواره کانال از محل درزها صورت می گیرد. لذا، در این موقعیت ها میزان تورم خاک به بیشترین مقدار می رسد. بدین ترتیب می توان نتیجه گرفت که تراز آب کانال نقش مهمی در میزان نیروی اندرکنشی خاک – پوشش ایفا می کند. مقادیر لنگرهای خمشی ایجاد شده در بتن رویه در اثر رفتار تورمی خاک در شرایطی که تراز آب در ۳ متری قرار دارد برای تمامی حالتهای شش گانه مشابه وضعیت (الف) در شکل (۳-۱۵) رسم شده است. با مقایسه این نمودار با نمودار شکل (۳-۱۲)، مشاهده می شود که مقادیر عددی تمامی لنگرها افزایش یافته ولی شکل عمومی نمودارها مشابه وضعیت قبلی می باشد. تمامی توضیحات ارائه شده برای وضعیت (الف) برای وضعیت اخیر نیز برقرار می باشد و در واقع محل تمرکز تنش ها در دو وضعیت آبگیری تغییری نکرده است. با مراجعه به نمودار (۳-۱۵) مشاهده می شود که در حالتی که تراز آب کانال در ۳ متری قرار دارد، آرایش درزها در وضعیت ۶ بهترین شرایط بوده و مقادیر لنگرها تنها در این حالت کمتر از مقادیر لنگر ترک خوردگی بتن بوده و پوشش آسیب نخواهد دید. با مقایسه دو وضعیت فوق از لحاظ تراز آبگیری کانال مشاهده می شود که، آرایش محل درزها بصورت حالت ۶ مناسبترین وضعیت بوده و با تعبیه درزها در این شرایط احتمال آسیب دیدگی کانالی با مشخصات کار اخیر به کمترین میزان خواهد رسید.

شکل( ۳-۱۴ ):جابجای قائم خاک بستر در حالت ۶ شکل (۳-۱۵): لنگر خمشی رویه بتنی در حالت ۳[۶] W.L:
پس از مدلسازی و بررسی های نتایج، این امر مشخص شد که تعبیه درز در کف کانال و شیب های کناری به خوبی لنگر خمشی را کاهش می دهد. این محققین سپس اقدام به بررسی تأثیر شیب در مقادیر نیروهای اندرکنشی ایجاد شده بین خاک متورم شونده بستر و پوشش پرداختند. مطابق نتایج بدست آمده از بخش قبلی مقطع کانال با مناسب ترین آرایش یعنی حالت ۶(Case6) برای مدلسازی استفاده شده است. بدین منظور شیب دیواره های کانال در سه حالت بصورت ۱/۲۵ افقی به ۱ قائم، ۱/۵ افقی به ۱ قائم و ۱/۷۵ افقی به ۱ قائم در نظر گرفته شده و تحلیل ها انجام گردیده اند. در این تحلیل تراز آب در شرایط بحرانی تر یعنی ۳ متر منظور شده است. تحلیل ها در دو حالت کلی انجام شده اند، در حالت اول تراز قرارگیری درزها مطابق حالت ۶ برای سه شیب دیواره ثابت فرض شده است که با مراجعه به جدول (۳-۴)، ملاحظه می شود این درزها در ترازهای ۱/۷۵ و ۳ متری می باشند. در حالت دوم تحلیل ها طول پانل میانی بین دو درز ثابت فرض شده و موقعیت درز فوقانی دیواره بر اساس شیب دیواره کانال در نظر گرفته شده است. واضح است هر اندازه شیب دیواره کانال کمتر باشد تراز قرارگیری درز فوقانی کاهش خواهد یافت.
الف: بررسی اثر شیب دیواره با ثابت نگه داشتن تراز درزها:
در این حالت تحلیلها ، مطابق توضیحات قبلی ارتفاع آب در کانال ۵/۱ متر فرض گردیده و تراز قرار گیری درزهای طولی منطبق بر آرایش حالت ۶ (Case6) و برای هر سه وضعیت شیب دیواره ثابت می باشد. با مراجعه به شکل (۳-۱۶)-الف مشاهده می شود که هر اندازه شیب خوابیده تر شده است بر میزان لنگر خمشی ناشی از نیروی اندرکشی خاک – پوشش افزوده شده است. دستیابی به این نتیجه بدین دلیل می تواند باشد که با ثابت ماندن تراز و با ملایمتر شدن شیب دیواره طول پانل بین دو درز افزایش می یابد و این پارامتر تاثیر بسزایی در میزان لنگر مخرب ایجاد شده در رویه بتنی می گذارد. لذا، نتیجه مهمی که می توان گرفت این است که هر اندازه شیب دیواره ملایمتر می شود باید فاصله قائم بین درزها را کاهش داد، در غیر این صورت با ثابت نگه داشتن آرایش درزها ترک خوردگی رویه بتنی بیشتر می شود.
ب: بررسی اثر شیب دیواره با ثابت نگه طول پانل بین درزها:
در این حالت طول پانل بین دو درز ثابت فرض شده و نتایج تحلیلها در شکل (۳-۱۵)-ب، نشان داده شده است. نمودار (۳-۱۶)-ب نشان می دهد که، در صورت ثابت ماندن طول پانل ، با تندتر شدن شیب دیواره بر میزان لنگر خمشی ناشی از نیروی اندرکشی بین خاک متورم شونده و پوشش در پانل بین دو درز افزوده می شود. این نتیجه با نتیجه بدست آمده از حالت اول در تضاد می باشد. بنابراین طول پانل نقش اساسی در مقدار نیروی های ایجاد شده دارد و در یک طول ثابت رویه بتنی، با افزوده شدن شیب دیواره بر میزان نیروهای وارد بر رویه بتنی افزوده می شود و اساساً آرایش درزها باید با لحاظ کردن شیب دیواره کانال انتخاب گردد. با مقایسه حالت اول و دوم تحلیل های این بخش مشاهده می شود که برای کاهش صدمات وارد بر پوشش، هر اندازه شیب کانال خوابیده تر باشد باید بر تعداد دسته درزها در مقطع کانال افزود و از طرفی با افزودن شیب دیواره بر میزان نیروی مخرب افزوده می شود. با در نظر گرفتن هر دو پارامتر تراز قرارگیری درزها و طول پانل میانی بین درزها نتیجه می شود که شیب ۵/۱ افق به ۱ قائم بعنوان بهینه ترین شیب برای مقطع یک کانال می تواند پاسخگوی همه این موارد بود و کمترین آسیب دیدگی به پوشش بتنی وارد گردد.

شکل ( ۳-۱۶ ): نمودار لنگر خمشی برای سه حالت شیب دیواره[۶]:
الف) با ثابت بودن تراز درزها ب) با ثابت بودن طول پنل بین دو درز
سرانجام به این نتیجه رسیدند که، رفتار تورمی خاک بستر، بستگی عمده ای به تراز آبگری کانال دارد. محل برخورد دیواره کف کانال، گوشه فوقانی دیواره کانال و همچنین نقطه تلاقی خط تراز آب با دیواره به عنوان محل های تمرکز نیروهای داخلی در مقطع کانال محسوب می شوند. تعبیه محل درز در سطح دیواره کانال باید حد الامکان در ترازی انجام گردد که نزدیک به محل تمرکز نیروها باشد. در یک طول ثابت رویه، هر اندازه شیب دیواره بیشتر، نیروهای وارد بر رویه بیشتر می شود و همچنین، در یک تراز ثابت قرارگیری درزها، هر چقدر شیب دیواره کمتر، نیروهای وارد بر دیواره بیشتر می شود. هر اندازه شیب دیواره کانال کاهش می یابد برای مقابله با صدمات باید تعداد دسته درزها طولی کانال افزود و شیب دیواره کانال به صورت ۵/۱ قائم به ۱ افق را به عنوان شیب بهینه در مقطع کانال می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
احمدی و همکاران (Ahmadi and etal’ ۲۰۰۹)، به بررسی برهمکنش میان خاک بستر و پوشش کانال تحت شرایط کاری مختـــلف با بهره گرفتن از مدلهای المان محدود پرداختند.[۷] آنها تحلیــــل ها را از طریق تعیین روابط تنش-کــرنش پوشش بتن- خاک انجام دادند. هدف اصلی، تحلیل حالت تنش ها و کرنش ها در پوشش کانال بتنی تحت شرایط کارکرد مختلف با هدف بهینه سازی محل اتصالات انقباضی- انبساطی می باشد. به منظور این هدف، اثرات ویژگیهای خاک بستر از قبیل مدول الاستیسیته و نسبت پواسون بر روی اندازه ممان های خمشی و تغییر شکلها مورد بررسی قرار گرفت و ثابت کردند که این نتایج برای تمامی خاک ها، معتبر می باشد. این محققین به منظور انجام محاسبات عددی، تحلیل المان محدود همراه با نرم افزار Ver.7.1.2 PLAXIS مورد استفاده قرار دادند. مدل موهر کلمب بعنوان مدل اساسی انتخاب شد و از المانهای مثلثی شش گره ای^[۱۰] برای تحلیل استفاده گردید. برای مدلسازی رفتار پنل های پوشش بتنی، یک تئوری الاستوپلاستیک فرض شد. داده های ورودی ضروری برای معادلات تنش-کرنش حاکم و خواص خاک، به ترتیــب از سیستم طبقه بنـدی United States Bureau Reclamation (USBR) و Deutsches Institut fur Normung (DIN) استخراج شدند. از آنجاییکه مدول الاستیسیته خاک دارای بیشتـــــرین محدودۀ تغییر (از ۲۰۰۰ تا حدود ۱۰۰۰۰۰ کیلو پاسکال) بوده و همچنین نسبت پواسون نقشی اساسی در معادلات تنش- کرنش دارد، بنابراین، مقادیر آنها در ابتدا به ترتیب برابر با ۲۰۰۰Kpa و ۲/۰ فرض شد. داده های ضروری برای تعریف خواص پوشش بتنی، شامل وزن واحد حجم، مدول الاستیسیته و نسبت پواسون می باشد که مقادیرِ مورد استفاده در تحلیل، در جدول (۳-۴) داده شده است. به منظور بررسی اثر شرایط کاری مختلف، سه حالت متفاوت، یعنی انتهای مرحله ساخت^[۱۱]، کانال با ظرفیت کامل، و کاهش سریع^[۱۲] سطح آب، در نظر گرفته شد.
جدول ( ۳-۴ ): خواص بتن پوشش [۷]

Unit weight

Modulus
of elastisity

Poisson ratio

Compressive strength

Tensile strength

۲۳-۲۵

۲۰۰۰-۳۰۰۰۰

۰/۲-۰/۲۵

۲۵-۳۰۰

۳۰-۴۰