کتاب تحلیل ‏حرارتی – ‏استاتیکی ‏سدهای ‏بتنی ‏دوقوسی ‏(مطالعه ‏موردی ‏سد ‏کارون ‏3)

فصـل اول 14
سدهاي قوسي 14
ساخت سدهاي بتني 14
رشد سريع در بكارگيري سدهاي بتني 18
تكامل سدها با بكارگيري سدهاي قوسي 21
مزاياي نسبي سدهاي قوسي نسبت به سدهاي وزني 24
فصـل دوم 27
پیشینه 27
كنترل پايداري هيدروليكي- حرارتي سد كارون 1 تحت كاهش ناگهاني سطح آب مخزن 27
اثر عوامل محيطي بر تحليل تنش‌هاي حرارتي سد قوسي كرج 27
كنترل ايمني حرارتي- استاتيكي سد دز تحت اثر كاهش ناگهاني سطح آب مخزن 28
مدل سازي حرارتي- سازه‌اي وكنترل دمايي سد وزني بتن غلطكي 28
اثر درزهاي انقباضي قائم بر روي پايداري حرارتي- استاتيكي سد قوسي كارون 1 29
مدل جابجايي براساس زمان، دما و هيدروستاتيك براي سدهاي بتني 29
ارزيابي حرارتي سد كارون 1 30
بررسي جابجايي‌هاي حرارتي فصلي سدهاي وزني موجود در مناطق شمالي 30
فصـل سوم 31
شناسايي سد كارون3 31
موقعيت و مشخصات رودخانه 31
سوابق 31
موقعيت طرح 33
اجزاء و اهداف طرح 33
توپوگرافي 34
هواشناسي 35
هيدرولوژي 35
كيفيت آب 36
رسوب گذاري در مخزن 37
برنامه‌ريزي منابع آب 37
زمين شناسي 37
لرزه خيزي 38
جاده‌‌هاي و پل‌هاي جايگزين 38
منابع قرضه 40
سيستم انحراف آب 40
فرازبند 40
نشيب بند 40
بدنه سد 43
عمليات حفاري و تزريق 53
سرريزهاي سد وتخليه كننده‌هاي جبراني 55
حوضچه استغراق و سد پايين دست 58
مجموعه نيروگاه 60
فصـل چهارم 63
جابجايي و كنترل حرارت 63
تأثيرات دما در سدهاي قوسي 64
قوانين هدايت حرارتي 67
قانون هدايت حرارتي رسانش 67
هدايت حرارت همرفتي 68
هدايت حرارت تابشي 68
کنترل درجه حرارت در سازه‌های بتنی حجیم 69
روشهای کنترل حرارت 71
پیش سرمایش 71
مقدار و نوع سیمان 72
موارد اجرایی 73
پس سرمایش 74
فصـل پنجم 79
اجرا و عملكرد درزهاي انقباض 79
بررسي ترك خوردگي سازه‌هاي بتن مسلح حجيم در اثر گراديان حرارتي و تغييرات حجمي 79
رفتار و عملكرد مهارهاي اطراف يك عضو حجيم بتني در حال اجرا 80
تغييرات حجمي در بتنهاي حجيم 81
بررسي خصوصيات موثر در ترك‌خوردگي بتن حجيم 84
محاسبه عرض تركها در سازه‌هاي بتن حجيم 86
انواع درزها در سازه‌هاي هيدروليكي بتني 87
درز انبساط 88
درز انقباض كامل 88
درز انقباض ناقص 88
درزهاي لولايي 88
درزهاي لغزش 89
درزهاي اجرايي 89
طراحي درزهاي متحرك 90
درز انبساط 90
درز انقباض كامل 90
درز انقباض ناقص 91
فاصله بين درزها 91
طراحي بدون ايجاد درز 91
طراحي با ايجاد درزهاي دور از هم 93
طراحي با ايجاد درزهاي نزديك 93
درزهاي ساختماني 96
فصـل ششم 99
روش‌هاي تحليل، مدلسازي و تخصيص داده‌هاي ابزار دقيق 99
مدلسازي بدنه و تعريف درزهاي انقباضي 100
ترسيم بلوكهاي قائم 100
اتصال بلوكها 111
شبكه‌بندي و معرفي بدنه سد به نرم‌افزار 116
تخصيص داده‌هاي ابزار دقيق 118
سطح آب 118
دماي آب، هوا و بتن 118
نيروهاي مؤثر در تحليل 121
فصـل هفتم 124
نتايج 124
جابجايي سد 124
تنش‌هاي وارده 126
فشار کلی وارد بر بدنه سد 129
جابجايي درزهاي انقباض و تاج سد 130
مقايسه نتايج جابجايي 145
منـابع و مآخـذ 146
منابع فارسی 146
منابع غیر فارسی 147

سدهاي قوسي
ساخت سدهاي بتني
سدهاي قوسي از تركيب مصالح بنايي و يا بتن ساخته مي‌شوند. عرض كف آنها كمتر از نصف ارتفاعشان بوده، بنابراين بايد به انحنايي كه در پلان آنها بوجود مي‌آيد، توجه كرد و با استفاده از آن قسمتي از بار آبي را به دامنه‌هاي دره انتقال داد. اين نوع سد توسط روميان اختراع شد، و در ايران در زمان مغولها مورد آزمايش قرار گرفت و در قرن نوزدهم در اسپانيا و كشورهاي آلپي به صورت پراكنده نمودار شد. در سال 1825، سد كنترل سيلاب پونتالو در ساوس تايرول (در آن زمان در اتريش) ارتفاعش از 8 متر به 25 متر افزايش يافت. احتمالاً اين سد اولين بار توسط فرانكويس زولا (1847-1795) ساخته شد. اودر نزديكي ونيس (در آن زمان در اتريش) به دنيا آمد و به عنوان نقشه بردار تعليم ديد و حدود سال 1820، كار ساختن يك راه آهن نزديك لنز در شمال شرقي اتريش را شروع كرد.
در سال 1837، پنج سال بعد از اينكه زولا به عنوان يك مهندس مشاور در مارسي در جنوب شرقي فرانسه مشغول به كار شد، زولا در يك رقابت براي طراحي شركت كرده بعد از يك جدال طولاني براي نظرياتش، سرانجام توانست كار روي اولين سد را در سال 1847، شروع كند. اما دو ماه بعد در گذشت.
سد زولا 43 متر ارتفاع داشت و با زاويه مركزي نسبتاً متعادلي برابر 77 درجه محكم ساخته تحلیل حرارتی¬- استاتیکی سدهای بتنی دوقوسی شده بود. گذشته از سازة بسيار خوب كه هنوز هم امروزه در بهترين شكل خود مي‌باشد، اين سد نخستين سد قوسي است كه بر پايه تجزيه و تحليل تنشها در آن طراحي شده است. زولا فرض كرد كه سد شامل تعدادي قوسها مستقل است كه هر يك در برابر كل فشار وارده به نسبت عمق قرار گيريشان در حجم ذخيره مخزن، مقاومت مي‌كنند. ميزان متوسط تنش در هر قوس، از فرمول استوانه‌اي (حاصلضرب فشار و شعاع تقسيم بر ضخامت قوس) محاسبه شد.
اين رابطة ساده قبل از اين به صورت تجربي توسط فيزيكدان فرانسوي، ادمه ماريوت (1620-1684) عرضه شده بود. اين فرمول در سال 1826 توسط نوي‌ير به صورت رسمي ارايه شد. او كسي بود كه اساس تئوري قوسهاي الاستيك تيموشنکو(1935) را بنا نهاد تئوري ذكر شده در سال 1854 توسط ژاكتوس.اي.سي.برس (1822-1883) به صورت فرمول ارائه شد. بر خلاف محاسبات ساده‌اي كه زولا به كاربرده بود، تنشها در سد او، حتي با بررسيهاي متكي بر روشي‌ نوين رضايت بخش بود، تنشهاي عمودي فشار تا Mpa 7/0 و افقي فشار تا Mpa 9/0 و افقي كشش تا Mpa 4/0 (بدون اثرات حرارتي) بودند.
با وجود اين مثال پيشگام، تقريباً 80 سال طول كشيد تا سه سد قوسي فرانسوي ديگري با ابعاد مشابه در رودخانه بروم در سنترال مسيف بنا شد. كتاب طراحي و ساخت سدها به عنوان نخستين كار استاندارد در سال 1888 توسط مهندس هيدروليك سوئيسي- آمريكايي ادوارد وگ‌من (1850-1935)، به طور كاملتر و شايسته‌تري به اين موضوع اهميت داده است. در مطالعه‌اي در سال 1879، جي. آلبرت پله‌ترو (1843-1900) به اين نتيجه رسيد كه براي به حداقل رساندن حجم يك سد قوسي، بايد شعاع آن را از تاج تا كف سد كاهش داد. اين يافته كه براساس «فرمول استوانه‌اي» استوار بود، همچنين، ضخامت قوس كمتري را براي يك تنش مجاز، بدست مي‌آورد پله ترائو (1879) .
تقريباً مقارن با سد زولا يك سد كوچك قوسي ديگر در سال 1856 در نزديك پاراماتا در شرق شهر سيدني در استراليا بنا گرديد. اين سد توسط ناخدا پرسي سيمپسون (1787-1877) بطور قابل ملاحظه‌اي باريك و ظريف طراحي شد. در سال 1898، با راهنمايي سيسل. دبليو. دارلي (1828-1842)، حدود 3 متر بتن به بالاي سازه بنايي آن افزوده شد. «دارلي» در سال 1867 از بريتانياي كبير مهاجرت كرده و سرمهندس بخش كارهاي عمومي نيو.ساوس. ويلز گرديد. به طور همزمان او ساخت يك سري كامل از سدهاي قوسي نازك را در كوههاي آبي در پشت شهر سيدني شروع كرد كه مخازن ذخيره آب كوچكي را در مناطق تازه سكونت يافته فراهم مي‌ساخت.
اين سازه‌هاي استراليايي، همگي رويه استوانه‌اي عمودي داشتند. آنها با 36 متر ارتفاع، تماماً از بتن ساخته شده بودند، اين بتن، شامل مقدار نامناسب 280 كيلوگرم بر متر مكعب سيمان بود، اما تنها به حدود يك چهارم مقاومتي دست يافت كه امروزه با چنين تركيب اختلاطي قابل دستيابي است. بهرحال، اين مقاومت براي ميزان تنش تا Mpa 6/2، كه بوسيلة «فرمول استوانه‌اي» براي قوسهاي مجزا، محاسبه شده بود، كفايت مي‌كرد.
زماني كه «دارلي» كار ساخت سدهاي قوسي‌اش را شروع كرد، توانست بر نمونه سدهاي موجود همچون سد پاراماتا و همچنين سد آبي استد با ارتفاع 20 متر كه در سال 1881 براي آبرساني به لنكستر در60 كيلومتري شمال غرب «منچستر» احداث شده بود، تأكيد كند. اين سازه محكم، انحناي زياد داشت (زاويه مركزي 120 درجه) و اولين سد قوسي بود كه به وسيله بتن كه در ماشين مخلوط شده بود، ساخته مي‌شد.
همچنين «دارلي» از طرح بسيار جسورانه سد بيگ‌بيرولي كه براي آبياري، در سال 1884 در كوهستان سن برناردينو در حدود 130 كيلومتري شرق لوس‌آنجلس در كاليفرنيا ساخته شد و حاصل طراحي مهندس و توسعه‌گر جوان فرانك. اي‌بروان (1856-1914) بود، اطلاع داشت. سد باريكي كه «براون» بنا كرد، انحناي متعادلي با زاوية مركزي 46 درجه داشت و به عنوان يك ركورد ثبت شد.
در جنوب شرقي سن ديگو در كاليفرنيا، سد اوتاي بالا در سالهاي 1898-1901 از مصالح ساختماني و بتن ساخته شد، كه هنوز هم در حال بهره‌برداري است، اما از سطح مخزن آن در سال 1985 كاسته شده است. با فاصله كمي در طرف شمال اين سد، سد آبياري با آب شيرين وجود داشت كه توسط «براون» در سال 1886 طراحي و بصورت يك سد بنايي قوسي باريك ساخته شده بود. سطح بالا دست اين سد عمودي نبود، بلكه به جاي آن شيبي به طرف پايين دست داشت، بنابراين به جاي شعاع‌انحنا در سطح بالادست همه محورهاي قوسها از تاج تاپي ثابت بودند. مدت كوتاهي پس از تكميل اين سد در سال 1888، اين سازه 30 متري به طرز موفقيت آميزي، تقريباً به مدت دو روز در برابر سرريز شدن يك سيلاب از روي آن مقاومت كرد و بدين ترتيب مقاومت حقيقي سدهاي قوسي مورد آزمايش قرار گرفت. اگر چه در 1910- 1911اين سد به يك سد وزني با ارتفاع كمي بيشتر تغيير شكل داد.

رشد سريع در بكارگيري سدهاي بتني
سد سوييت واتر براي ساخت بعضي ديگر از سدها ماند پس فايندر و بوفالوبيل نيز بصورت مدل به كار گرفته شد. اين سدها با ارتفاع‌هاي بي‌سابقه به ترتيب 65 و99 متر (حالا 110متر) از 1905 تا 1910 توسط ادارة عمران و آباداني ايالات متحده ساخته شدند. آنها اولين سدهاي قوسي بودند كه از مجموعه‌‌اي از قوسهاي منفرد، تشكيل نشدند. وابستگي قوسها به هم با در نظر گرفتن مقطع عمودي مياني سد، كه در آن سد بصورت استاتيكي در حالت طره‌اي به بستر ثابت مي‌گرديد، به حساب مي‌آمد.
روش جديد آناليز در سالهاي آخر دهه 1880 بوسيله هربرت ويشر لوتر واگونر (1874-1922) براي كنترل تنشها در سدهاي بيگ.بير.‌ولي و سوييت واتر ارائه شد. متأسفانه چگونگي اين روش دريك روزنامه محلي انتشار يافت و از توجه عموم بدور ماند. روش مزبور تنها زماني بيشتر شناخته شد كه در سال 1904 توسط سيلاس.اچ. وودوارد (1870- 1961) منتشر شد. او در طرح سد قوسي وزني چيزمن در 62 كيلومتري جنوب غرب دنور در كلرادو روش را دوباره بصورت فرمول ارائه داد.
پروفسور ويليامز كه طراح نخستين سد دو قوسي گنبدي شكل در نزديك ايتاكا در ايالت نيويورك بود، پيشنهاد مهندس فرانسوي پله‌ترو را كه طبق آن شعاع انحنا در يك سد قوسي از تاج به پي كم مي‌شد، درسال 1879 تكرار كرد.
قدم اصلي، توسط لارس. آر.جورگنسن (1876-1938) دانماركي كه مدارك مهندسي مكانيك و الكترونيك و (نه عمران!) را در آلمان گرفته بود، برداشته شد. او در سال 1910 به ايالات متحده آمريكا مهاجرت كرد و بعنوان مهندس هيدروالكتريك در كاليفرنيا مشغول بكار گرديد. وي شركت مشاور خود را در سال 1914 در سانفرانسيسكو تأسيس كرد.
در همان سال بعنوان اولين بنا، سد 51 متري با شعاع انحناي متغير با قوسهايي با زاويه مركزي تقريباً ثابت را در سالمون كريك در جنوب شرقي آلاسكا ، تكميل نمود. هر چند مقطع عمودي مياني او، همانند سد سوييت واتر بود، اما شكل سد سالمون كريك كاملاً از نظريه جديدي تبعيت مي‌كرد كه براي سدهاي قوسي با چند شعاع استاندارد گرديده بود. انحناي قسمت بالا دست كمك مي‌كرد تا بريدگيهاي زيرين قوسهاي نزديك به درزها كه انحناي زيادي داشتند، متعادل گردند. طرح جديد بعد از ساخت كامل سد از بتن با 280 كيلوگرم بر متر مكعب سيمان بصورتي منطقي در آمد.
نتايج فني طرح «جورگنسن» خيلي زود خود را نشان داد. اين طرح به سرعت در غرب ايالات متحده آمريكا و ديگر جاها محبوبيت يافت. تمايل به پيشرفت سريع در توسعه منابع برق آبي، انگيزه زيادي را ايجاد كرد. هر چند كه سد قوسي چند شعاعي هيچ وقت بصورت كامل جاي نوع استوانه‌اي آن را نگرفت اما سادگي خاص خود را در سازه‌هاي بزرگ و بلند به اثبات رسانيد. طراحان اسكانديناوي اداره عمران و آباداني آمريكا و همچنين مهندسين تا مدتها حتي در مورد سازه‌هاي بزرگ در استفاده از طرح استوانه‌اي پافشاري مي‌‌نمودند.
مدل جورگنس در سدهاي قوسي، چند سال پيش از اختراع آن، مجدداً وسيله هينريش.اي.گرونر (1873-1947)، در اروپا معرفي شد. در سال 1917 او مأموريت يافت تا سد برقابي مونت سالونس در 43 كيلومتري جنوب غربي برن در سوئيس را طراحي كند. وي بنايي با 55 متر ارتفاع، انحنايي زياد و نسبتاً محكم را در 1920 تكميل نمود. براي كنترل تنشهاي بزرگتر در كناره‌ها، ضخامت قوس‌ها از تاج به طرف كناره‌ها افزايش مي‌يافت.
به جاي حل تعداد زيادي از معادلات خطي كه پخش بار را به قوسها و پايه‌ها براي كاهش تغيير شكلشان، مربوط مي‌ساختند، در همان زمان استفاده از روش سعي و خطا براي پيدا كردن پخش بار مناسب، با سرعت بيشتري به جواب رسيد.
در حالي كه اندازه‌گيري انحرافات بارگذاري در سد وزني مصيبت بار بوزي كه در سال 1881 تكميل شده بود، آغاز مي‌شد، نخستين مرحله اندازه‌گيري سد قوسي بارن.جك. كريك با 12 متر ارتفاع واقع در جنوب شرقي استراليا در سال 1908-1909 انجام شد. با نصب داربست بر سطح پايين دست اين اندازه‌گيري‌ها انجام گرفت. در سد «سالمون كريك» از روشهاي مساحي كه در مورد سد وزني «بوزي» انجام گرفته بود نيز استفاده شد. اين روشها در سد مونت سالونز و بناهاي بعدي تكميل گرديد. «مونت سالونز» اولين سد قوسي بود كه به تجهيزات دائمي دماسنج‌هاي مقاوم كه بوسيله سيم با ايستگاههاي اندازه‌گيري در ارتباط بودند، مجهز گرديد (1992).
در سد قوسي وزني اسپي تالام كه به ارتفاع 114 متر در 80 كيلومتري جنوب شرقي برن سوئيس در سال 19321 تكميل شد، اولين چاهك شاقولي در استوانه‌هاي عمودي نصب گرديدند. اين مقدمات اجازه داد تا اندازه‌گيري تغيير شكلها افقي به سادگي در رقوم مختلف انجام گيرد.