ویژگی‌های ترموفیزیکی توده خاک

چکیده: محاسبات نشان می‌دهد که درصد قابل‌توجهی از اتلاف حرارتی پی‌های منولیتی شامل اتلاف گرما از بتن در هنگام ساخت می‌باشد. بنابراین نادیده گرفتن اتلاف گرما به زمین (‏یعنی تنها با در نظر گرفتن قالب‌بندی و عایق حرارتی)‏منجر به انحرافات قابل‌توجهی بین پارامترهای تکنولوژیکی محاسبه‌شده و واقعی می‌شود. روش‌های موجود برای محاسبه ضریب انتقال حرارت فضاهای بسته در محاسبه این پارامتر برای توده‌های خاک مناسب نیستند. در حالی که در این محاسبه ضخامت محدود برای فضاهای بسته به کار می‌رود، ضخامت برای توده‌های خاک نامحدود است. برای ایجاد روشی برای محاسبه اتلاف حرارتی به زمین، معادله دیفرانسیل هدایت حرارتی را با استفاده از روش‌های تبدیل انتگرالی حل می‌کنیم. در نظریه کلاسیک انتقال حرارت، برای هر ماده با ضخامت محدود، ضریب انتقال حرارت در طول زمان ثابت است. با این حال، برای توده‌های خاک، این پارامتر بسته به دوره زمانی که در طول آن بتون حرارت خود را به خاک از دست می‌دهد، تغییر می‌کند. در همان زمان، ضریب انتقال حرارت با افزایش چگالی خاک افزایش می‌یابد که با افزایش سطح تماس بین ذرات در حجم واحد خاک توضیح داده می‌شود. بنابراین مساحت سطحی که شار گرما از طریق آن حرکت می‌کند نیز افزایش می‌یابد. در این مقاله نتایج محاسبه المان محدود در نرم‌افزار شبیه‌سازی ELCUT ارایه می‌شود که قابلیت اطمینان وابستگی‌های تحلیلی به‌دست‌آمده را تایید می‌کند. ​

مقدمه​​​​​​​​

هنگام محاسبه پارامترهای تکنولوژیکی سازه‌های پی عمل‌آوری، به ویژه سازه‌های بزرگ یا آن‌هایی که در دماهای منفی پخت می‌شوند، اغلب لازم است که اتلاف گرما از بتون به توده خاک و هوای اطراف تخمین زده شود [‏ ۴ - ۱ ]‏. محاسبه اتلاف گرما به هوا از طریق قالب‌بندی و عایق حرارتی هیچ مشکلی ایجاد نمی‌کند زیرا فرآیند توزیع گرما توسط تیوری کلاسیک انتقال گرما از یک محیط گرم‌تر به یک محیط کم‌تر گرم از طریق یک دیوار جدا کننده با یک ضخامت مشخص توصیف می‌شود [‏ ۱۰ - ۵ ]‏. علاوه بر این، کل محاسبات مربوط به ضریب انتقال حرارت محفظه بتنی است که تحت‌تاثیر خواص محفظه و محیط قرار می‌گیرد. ​

هنگام محاسبه اتلاف گرما در زمین، غیر ممکن است که ضخامت توده خاک را با توجه به اندازه تقریبا نامحدود آن مشخص کنیم. در نتیجه روش‌های استاندارد برای محاسبه ضریب انتقال حرارت خاک در اینجا مناسب نیستند. برای این منظور، طراحان اغلب از اتلاف گرما در توده خاک، با تمرکز بر قالب و عایق حرارتی چشم‌پوشی می‌کنند. در عین حال، ضریب انتقال حرارت کاهش‌یافته یک محفظه بتونی مورد استفاده در محاسبات نه تنها نسبت ضرایب انتقال حرارت در فضاهای مختلف طراحی یک‌سان، بلکه نسبت مساحت آن‌ها را نیز در نظر می‌گیرد. بنابراین نادیده گرفتن اتلاف گرما در توده خاک در محاسبات می‌تواند منجر به خطاهای قابل‌توجهی شود. ​

لازم به ذکر است که این خطاها نه تنها بر زمان برآورد شده عمل‌آوری بتن، بلکه بر خواص ساختاری آن نیز تاثیر می‌گذارد، زیرا اتلاف گرما از طریق یک محفظه بتونی نقش مهمی در تشکیل حالت تنش گرمایی آن ایفا می‌کند. پیش از این نشان داده شد [‏ ۱۵ ]‏ که ویژگی‌های گرمایی فضاهای بسته منجر به توزیع غیر یکنواخت دما در طول سطح مقطع یک سازه یکپارچه می‌شود، که می‌تواند باعث تنش‌های غیرقابل‌قبول دمایی در بتون و در نتیجه ترک شود. ​

در قواعد جمهوری بلاروس، رویکردی متفاوت برای ویژگی‌های ترموفیزیکی زیر لایه‌ها در حین حفظ سازه‌های بتونی در نظر گرفته شد. در اینجا، اصل محاسبه براساس معادله تعادل گرما است و دمای بتون بعد از این که مقداری از گرمای بتون را به آرماتورها، قطعات جاسازی‌شده، قالب‌بندی و پایه خاک از دست داد، تخمین زده می‌شود. ​

کتابی توسط نویسندگان فنلاندی [‏ ۱۷ ]‏ نشان می‌دهد که میانگین دمای بتون در فرآیند سخت شدن به ضریب نفوذپذیری گرمایی سطح در زمان محاسبه بستگی دارد (‏Wm2 C، که مربوط به ضریب انتقال حرارت محفظه در این مقاله در نظر گرفته شده‌است)‏. با این حال، روش‌هایی برای محاسبه این ضریب در این کتاب ارایه نشده است. در عین حال، نویسندگان نشان می‌دهند که این قالب‌بندی است که بر اتلاف گرما بدون ذکر پایه خاک تاثیر می‌گذارد. ​

استاندارد آمریکایی (‏۱۸) ‏جدول‌هایی را ارایه می‌دهد که حداقل دمای مجاز در فضای باز را در هنگام نصب دال‌های با ضخامت مختلف با یک محفظه عایق با مقاومت حرارتی مشخص نشان می‌دهد (‏m С/W، یعنی عکس مقدار در نظر گرفته‌شده در این مقاله برای ضریب انتقال حرارت حصار)‏. با این حال، در اینجا نیز اشاره شده‌است که تنها قالب‌بندی و عایق می‌تواند یک حصار باشد و پایه خاک را نادیده بگیرد. ​

مقاله‌ای توسط دانشمندان کانادایی [‏ ۱۹ ]‏ تغییرات دمایی را در نقاط مختلف توده خاک در معرض خنک‌کننده در نظر می‌گیرد. ضریب انتقال حرارت خاک در این مطالعه ظاهر می‌شود، اما مقادیر آن به صورت تحلیلی تعیین نمی‌شوند آن‌ها از نتایج آزمایش تعیین می‌شوند. علاوه بر این، مقادیر به صورت ثابت داده می‌شوند، اگر چه ضریب انتقال حرارت خاک در طول زمان به دلایل عینی تغییر می‌کند، همانطور که در زیر بحث خواهد شد. ​

اکثر مقالات منتشر شده در سال‌های اخیر در مورد خواص ترموفیزیکی توده‌های خاک تنها اطلاعاتی را در مورد دماهای اندازه‌گیری شده در ستون خاک تحت اثر منبع حرارتی خارجی ارایه می‌دهند. به این معنی که مقادیر دمای خاک خودشان به صورت تحلیلی تعیین نمی‌شوند بلکه فقط در طول آزمایش‌ها ثبت می‌شوند. این روش، تعیین موثر و دقیق تغییر دمای واقعی یک خاک خاص در طول زمان را ممکن می‌سازد. با این حال، در عین حال، مساله پیش‌بینی تغییرات دما در مرحله پروژه تحت شرایط خارجی که با شرایط تجربی متفاوت است، مورد بررسی قرار نمی‌گیرد. علاوه بر این، استفاده از چنین داده‌های تجربی به فرد اجازه نمی‌دهد که به سرعت به حل مشکلات مشابه با دیگر خاک‌ها روی آورد و خصوصیات ترموفیزیکی آن‌ها را تغییر دهد. ​

در تعدادی از کارها [‏ ۲۳، ۲۴ ]‏، علاوه بر داده‌های تجربی (‏یا به جای آن‌ها)‏، نویسندگان محاسبات کامپیوتری تغییرات در دمای خاک‌های خاص تحت شرایط داده‌شده تحت اثر یک منبع گرمایی خارجی ارایه می‌دهند. کاره‌ای علمی که در آن‌ها تنها محاسبات کامپیوتری ارایه شده‌اند به طور قابل‌توجهی نتایج دقیق کمتری دارند و به صورت تجربی تایید نمی‌شوند. استفاده از برنامه‌های کامپیوتری که براساس روش آلمان محدود برای حل مسایل ترموتکنیک عمل می‌کنند، انجام محاسبات مستقیم تلفات حرارتی بتون در خاک در محل‌های ساخت‌وساز را بدون توسعه اولیه طرح طراحی امکان پذیر نمی‌کند. علاوه بر این، میزان دقت محاسبات با درجه جزییات این طرح محاسبه تعیین می‌شود. ​

بنابراین هدف این مطالعه بدست آوردن یک وابستگی ریاضی نسبتا ساده براساس یک نتیجه‌گیری تحلیلی برای محاسبه ضریب انتقال حرارت جرم خاک است. ​

برای رسیدن به این هدف لازم است مسایل زیر را حل کنیم:

• حل معادله دیفرانسیل گرما برای شرایط مرزی داده‌شده
• تحلیل نتیجه این تصمیم
• محاسبه نمونه براساس وابستگی ریاضی به‌دست‌آمده و داده‌های به‌دست‌آمده و مقایسه آن با محاسبات در بسته نرم‌افزاری ELCUT

این متن ترجمه‌ای ‌خودکار از چکیده مقاله Thermophysical properties of the soil massif چاپ‌شده در مجله Magazine of Civil Engineering است.

برای مطالعه کامل این مقاله به همراه ترجمه‌ آنلاین و رایگان به این لینک مراجعه فرمایید.​