محسن محمدی ¹،هومن رنجبر ²،غلام عباس بارانی ³

1-دانشجوی کارشناسی ارشد سازه های هیدرولیکی،دانشگاه شهید باهنر کرمان

2-کارشناس ارشد سازه،دانشگاه شهید باهنر کرمان

3-استاد بخش مهندسی عمران ،دانشگاه شهید با هنر کرمان

 

چکیده

دراین تحقیق توپولوژی سازه فضاکاری به عنوان جانشین برای پشت بند بتنی شماره 12 سد لتیان توسط نرم افزار Formain  ساخته شده است. آنالیز و طراحی این توپولوژی توسط نرم افزار SAP2000 صورت گرفته است.در این برنامه بارگذاری بر اساس آیین نامه USBR  می باشد که شامل بارهای مرده ، فشار آب،فشار رسوب و فشار هیدرودینامیکی است.پس از آنالیز و طراحی سازه مشاهده شد که بیشینه جابجایی گر ه ها در روش طراحی تنش مجاز 7 سانتی متر و در روش مقاومت نهایی 12 سانتی متر است که بسیار کم می باشد.همچنین وزن پشت بند سازه فضاکاری در روش مقاومت نهایی 20 در صد سبکتر از روش طراحی تنش مجاز می باشد که هر دو آنها بسیار سبکتر از پشت بند بتنی است که می تواند دلیلی برای عملکرد پشت بند سازه فضاکاری در مقابل نیروهای زلزله باشد.

واژه های کلیدی :سد پشت بنددار،سازه های فضاکار ،سد لتیان ،پشت بند.

 

1.مقدمه

در طول تاریخ سازه های بزرگ عمرانی در جای جای دنیا ساخته شده است که از بین آنها سازه هایی همچون سدها بدلیل تامین آب

آشامیدنی،کشاورزی و امروزه برای تامین برق مورد توجه قرار داشته است.سدها شامل انواع مختلفی می باشند که معیارهای

تقسیم بندی آنها م تواند شامل مواردی چون نوع استفاده و بهره برداری ،طراحی هیدرولیکی ،مصالح بدنه،سختی ورفتار سازه ای

باشد.سدها براساس نوع مصالح بدنه به انواع سدهای خاکی، سدهای سنگی، سدهای بتنی، سدها با مصالح بنایی، سدهای

چوبی و فولادی و سدهای لاستیکی تقسیم بندی می شوند.سدهای بتنی بر اساس نوع طراحی و رفتار سازه ای خود به سدهای

بتنی وزنی، سدهای پشت بنددار، سدهای قوسی، سدهای بتنی غلتکی دسته بندی می شوند(1).

 

اگر بال های پایین دست سد وزنی را حذف کنند،سد پشت بنددار تشکیل می شود.این سدها که زیر مجموعه سدهای بتنی می

باشند،متشکلند از یک پوسته شیب دار که به تعدادی دیوار پشت بند که عمود بر محور سد قرارگرفته اند تکیه میکنند.هنگامی که

مخزن سد پر است،فشار آب وارد بر روی صفحه بالادست به دیواره های پشت بند و از آنجا به شالوده منتقل می شود.از مزایای

این نوع سد نسبت به انواع دیگر سدهای وزنی می توان حجم بتن ریزی کمتر، ناچیز بودن نیروهای بالابرنده وفشار یخ ،نیاز به

فونداسیون ضعیف تر وبازررسی مناسب تر اشاره نمود.این نوع سدها دارای معایبی چون  قالب بندی پیچیده و هزینه ی ساخت

بالا، احتیاج به مهارت کاری بیشتر، عدم اجرا در هوای خیلی سرد خرد شدن سطحی بتن واجرای طولانی تر نسبت به سدهای

وزنی هستند.

 

 

اگرچه اجزای سازه ای اصلی سدهای پشت بنددار در 2 جزء دال شیب دار در بالادست و پایه ها یا دیوارهای قائم که نگهدارنده

دال مذکور هستند، خلاصه میشود اما در حالات کلی اجزای مختلف این نوع سدها از دال یا پوسته ی شیب دار، پایه ها، پی،

قیدها با بست های جانبی و افقی، زیر سدی یا ماهیچه و پرده آب بند تشکیل شده است (2).انواع سدهای پشت بنددار عبارت

است از سد پشت بنددار با دال مسطح، سد پشت بنددار نوع کله گرد و کله الماسی، سد پشت بنددار چند قوسی، سد پشت

بنددار چند گنبدی، سد پشت بنددار ستونی، سد پشت بنددار خرپایی وسد پشت بنددار ترکیبی می باشند.در میان سدهای پشت

بنددار شناخته شده، اولین سد در اسپانیا در قرن 16 میلادی و با نام Elche  ساخته شد که دارای 23 متر ارتفاع بوده و از مصالح

سنگین با دهانه های قوسی (در حد فاصل پایه ها ) تشکیل شده است.

 

سدهای پشت بنددار نوع کله گرد و کله الماسی در حالت کلی "سدهای پشت بنددار کله سنگین " نامیده میشوند. در این نوع

سدهای قسمت بالادست پایه ها بصورت کله گرد  یا الماسی شکل و بسیار بزرگ و سنگین ساخته میشود به گونه ای که کله های

پایه های متوالی به یکدیگر مماس گشته ،خود تشکیل عضو نگهدارنده آب می دهند و لذا نیازی به یک پوسته جداگانه در

بالادست نمی باشد.سدهای مذکور گاهی از اوقات در مناطقی که دارای سنگ کف نسبتا ضعیف هستند به کار گرفته می شوند.

اولین سدی که به این صورت ساخته شد، Martin  در مکزیک است که در سال 1925 ساخته شد.همچنین سد منجیل با ارتفاع

101 متر و طول تاج 425 متر که در سال 1324 و سد لتیان با ارتفاع 87 متر که در سال 1346 به مرحله ی بهره برداری رسیده

اند، از جمله سدهای مشهور ساخته شده از این نوع در ایران هستند.

 

یکی از مهمترین سدهای پشت بنددار در کشور سد لتیان است که در شکل (1)مشاهده میشود.مطالعات بمنظوراحداث این سد در

سال 1338 آغاز و در سال و در سال 1342 عملیات احداث آن شروع گردید و در سال 1346 به بهره برداری رسید.این سد برروی

رودخانه جاجرود با سطح  حوزه ی آبریزی به مساحت 69800 کیلومتر مربع و با متوسط جریان آب سالانه به میزان 350 میلیون

متر مکعب در استان تهران و در فاصله 35 کیلومتری شمال شرقی تهران و 5 کیلومتری بخش جاجرود قرار دارد. شکل 1 این سد را

نشان میدهد که طول تاج آن 450 متر، عرض تاج 9 متر، ارتفاع از کف رودخانه 80 متر و از پی 107 متر می باشد(3). این سد

دارای 21 عدد پشت بند بتنی از نوع پیشانی حجیم می باشد که پیشانی آن از نوع کله الماسی است. فاصله بین پشت بندها با

ارتفاع کمتر از 84 متر، 15 متر و برای ارتفاع بیش از 84 متر ، 20 متر می باشد. از اهداف احداث سد لتیان می توان به تامین آب

شرب تهران به میزان 290 میلیون متر مکعب، تامین آب زراعی دشت ورامین به میزان 1560 میلیون متر مکعب و همچنین

 تولید انرژی برق -آب اشاره نمود.

 

 

 

 

 

1-1          سازه های فضاکار

سازه های فضاکار سازه هایی هستند که از اعضای اسکلتی مستقیم تشکیل شده اند که رفتار مناسبی در برابر نیروی زلزله از

خودنشان میدهند و به علت وزن کم و اجرای سریع به دلیل استفاده از اعضای تیپ پیش ساخته ، مورد توجه قرار گرفته

اند.اعضای این سازه ها از مقاطعی هستند که شعاع ژیراسیون آن ها در تمام جهات یکسان است و یا حداقل نسبت به محورها

ها تفاوتی با هم ندارند.لذا مقاطع مورد استفاده در این سازه ها معمولا لوله و قوطی می باشد.اتصالات اعضا در سدهای فضاکار

ممکن است اتصال مفصلی، صلب و یا ترکیبی از این دو باشد.درسیستمی که اتصالات آن مفصلی است نیروی اعضا عمدتا محوری

بوده و خمش بسیار ناچیزی ناشی از وزن عضو بوجود می آید.لیکن مقدار آن در حدی است که معمولا در طراحی اعضا می توان از

آن در مقابل نیروی محوری صرف نظر کرد. این سازه ها با توجه به شکل ظاهری و نحوه عملکردشان به صورت شبکه های دو لایه

، چلیک ها، سازه های گنبدی، سازه های تاشوو... دسته بندی می شوند(4).

 

اتصالات در این سازه ها انواع مختلفی دارد که عبارتند از سیستم اتصال گوی سان، سیستم مفصل کاسه ای ،سیستم مفصل ورقه

ای، سیستم مفصل شیاری.مهمترین و رایج ترین نوع این اتصالات، اتصال گوی سان می باشد.سیستم های گوی سان از عضو

سازه ای پیوند دهنده و قطعات اتصال دهنده(چفت و بست دار)تشکیل شده اند.در این نوع اتصال، اعضا به صورت لوله می

باشند و هندسه اتصال به گونه ایست که محور لوله ها از مرکز گوی میگذرد.اصولا وظیفه پیوندها در سازه های فضاکار نگهداری

اعضا و انتقال نیرو بین اعضا می باشد.وظیفه اعضا نیز حفظ موقعیت گره ها در فضا و مقاومت در مقابل نیروهای داخلی

است(5).

 

1-2معرفی سازه فضاکار

طراحی پشت بند سازه فضاکار برای پشت بند بتنی شماره 12 سد لتیان صورت گرفته است.عرض این پشت بند 15 متر و ارتفاع

آن 84 متر می باشد. با توجه به ابعاد این پشت بند، با استفاده ازبرنامه Formain، شش شبکه شامل سه شبکه مثلثی سه لایه و

سه شبکه مثلثی چهار لایه، همگی با اضلاع 5/92 متر و فواصل بین شبکه ای 2،3و4 متری مدل شده اند. هر ضلع مثلث سازه

فضاکار از 37 عضو 5/2 متری تشکیل شده است که با توجه به مساوی بودن طول همه اعضای شبکه اجرای آن بسیار ساده تر

خواهد بود.مقاطع سازه از نوع لوله فولادی با قطر و ضخامت های متفاوت می باشد.

 

2-2.بارهای وارده

بارهای وارده به پشت بند سازه فضاکار طبق بارگذاری فوق العاده USBR در نظر گرفته شده است(6).مطابق با این بارگذاری

پیشنهادی تاثیر بارمرده، نیروهای فشار آب،نیروهای رسوب،نیروی فشار هیدرودینامیک، بالابرنده، یخ و پایاب در نظر گرفته می

شود.با توجه به صرف نظر شدن از نیروهای بالابرنده و یخ در سدهای پشت بنددار و ارتفاع  اب به دلیل فونداسیون

مستحکم سد لتیان از تاثیر این نیروها در این تحقیق صرف نظر شده است.

 

مطابق شکل (2)ارتفاع آب 74 متر و ارتفاع رسوب 25 متر (حدود 3/H)در نظر گرفته شده است.عرض بارگیر پشتبند سازه فضاکار

مانند پشت بند بتنی شماره 12 سد لتیان 15 متر فرض شده است.111 گره در شبکه های 3 لایه(37 گره در 3 ردیف)و 148 گره

در شبکه های 4 لایه (37 گره در 4 ردیف9در معرض مستقیم نیروها قرار دارند.

 

 

3.آنالیز و طراحی

بارهای وارده به سد به شش نیروی جداگانه تقسیم شده است که شامل فشار افقی آب، وزن آب(بصورت عمودی)،نیروی افقی

رسوب، نیروی هیدرودینامیکی، وزن رسوب و وزن پوسته می باشد که در برنامه SAP2000  به گره های مربوطه وارد شد. نیروی

فشار آب متشکل از دو مولفه افقی و قائم می باشد.نیروی افقی آب همان نیروی هیدرواستاتیک و مولفه قائم این نیرو، که

مساوی وزن آب روی بالادست است، در مقایسه با سدهای وزنی به مراتب بیشتر است و یکی از نیروهای مهم در ایجاد پایداری

سد پشت بنددار می باشد.

 

توپولوژی های سازه فضاکاری که بعنوان جانشین برای پشت بند مورد مطالعه در نظر گرفته شده است توسط نرم افزار Formain

  ساخته شده است. این نرم افزار توسط پژوهشکده تحقیقاتی سازه فضاکار مستقر در دانشگاه ساری انگلستان نوشته شده است

که اساسا یک زبان برنامه نویسی برای ترسیم توپولوژی سازه های فضاکار و انتقال آن به نرم افزارهای آنالیز و طراحی می

باشد.این نرم افزارشامل دستورات ساده ایست که توانایی ترسیم اعضای سازه فضاکار را دارد(7).

 

در مقاله حاضر توپولوژی سازه فضاکار سه لایه و چهارلایه مورد نظر با این نرم افزار برنامه نویسی شده و برای عملیات آنالیز و

طراحی به نرم افزار SAP2000  منتقل شده است.بارگذاری سازه مذکور بر اساس بارگذاری فوق العاده USBR که شامل بارهای

مرده، فشار آب، فشار هیدرودینامیکی و فشار رسوب می باشد، در نظر گرفته شده است.بار مرده همان وزن پوسته ی روی سازه

فضاکار است که مقدار آن با توجه به نقشه اجرایی پشت بند بتنی محاسبه شده و روی گره ها پخش شده است.نیروهای ناشی از

فشار آب به دو مولفه افقی و عمودی تجزیه شده که ازروابط زیر محاسبه می شود.

 

که در روابط بالا F_Hw  و F_vw بترتیب نیروی افقی و عمودی وارده بر هر گره ناشی از فشار آب و H_w ارتفاع آب بالای گره و Y_w

  وزن مخصوص حجم آب می باشد.علاوه بر نیروی فشار آب به دلیل ایجاد رسوب در پای سد، گره های پایینی نیروهای ناشی از

این رسوب را تحمل می نمایند. که این نیروها به دو مولفه افقی و عمودی تجزیه شده که از روابط زیر قابل محاسبه است.

                                                                                      

                                                                                                                                                                                                                              

که در روابط بالا F_Hs و F_vs  بترتیب نیروی افقی و عمودی وارده بر هر گره ناشی از فشار رسوب و H_s  ارتفاع رسوب بالای گره  و

Y_s وزن مخصوص حجم رسوب می باشد، نیروی دیگری که بر گره های سازه های فضاکار وارد می شود نیروی هیدرو دینامیک

می باشد، که از رابطه زیر برای هر گره محاسبه می شود.

 

 

 

 

 

 

 

 که در رابطه ی بالا F_d نیروی هیدرو دینامیکی وارد بر هر گره و H_w  ارتفاع آب بالای گره است.پس از انجام آنالیز بر اساس

ترکیبات بارگذاری مقرر در آیین نامه اقدام به محاسبه  و طراحی اعضای سازه فضاکار شده است. آیین نامه های مورد نظر برای

طراحی سازه فضاکارAISC-ASD97 و AISC-LRFD99  می باشد که بترتیب روش طراحی تنش مجاز و مقاومت نهایی می

باشد.مقاطع مورد نظر برای طراحی ، مقطع لوله شکل انتخاب شده است. جدول(3) تعدادی مقاطع طراحی شده اعضای این سازه

فضاکار را نشان میدهد که اعضا سازه در 10 تیپ مختلف تقسیم بندی شده اند. مقاطع تعریف شده لوله هایی با قطر بین75-10

سانتی متر وضخامت بین 8-1سانتی متر تعریف شده است.

 

 

4. بحث و نتیجه گیری

شکل (3)نشان دهنده جابجایی گره های زیر پوسته سد بر اساس آیین نامه ی طراحی تنش مجاز ومقاومت نهایی در شبکه ی 3

لایه با فواصل 2 متر می باشد.بدلیل استفاده از مقاطع ضعیف تر در روش مقاومت نهایی مشاهده می شود جابجایی ها در این

روش نسبت به روش طراحی مجاز بیشتر می باشد.با توجه به نمودارهای رسم شده در شکل (3) مشاهده می شود که بیشترین

جابجایی مربوط به گر ه های بالایی سد است. ملاحظه می شود جابجایی بسیار کمی برای سازه ای با این ابعاد می باشد.جابجایی

زیاد در پشت بندها باعث ایجاد ترکهایی در پوسته شده ولازم است پشت بندها را تقویت نموده تا دریفت های کمتری حاصل

شود.ازین جهت سازه فضاکار عملکرد بسیار مناسبی در این مورد خواهد داشت.شکل 4 نمودار جابجایی گره های زیر پوسته سد بر

اساس آیین نامه ی طراحی تنش مجاز در شبکه ی 3 لایه با فواصل 2،3و4 متر رانشان می دهد. مشاهده می شود با بیشتر شدن

فاصله ی بین شبکه ها از جابجایی گره ها کاسته می شود ولی این مقدار محسوس نیست.شکل 5 نمودار وزن سازه فضاکار بر

اساس آیین نامه طراحی تنش مجاز و مقاومت نهایی را نشان می دهد.با توجه به استفاده از این روش طراحی در حدود 20

درصدکاهش می یابد.وزن پشت بند بتنی شماره 12 سد لتیان به طور تقریبی برابر 58000 تن می باشد.با مقایسه وزن پشت بند

بتنی و سازه فضاکاری، مشاهده می شود که وزن سازه فضاکار بسیار سبکتر می باشد.سدهایی که قرار است در نواحی زلزله خیز

ساخته شوند بایستی به گونه ای طراحی گردد تا بتوانند در مقابل نیروهای ناشی از شدیدترین زلزله محتمل   (MCE)¹  در طول

عمر مفیدشان مقاومت کنند.با توجه به این که نوسانات ایجاد شده در اثر زلزله در سد متناسب با وزن سد می باشد می توان به

عملکرد بهتر پشت بند سازه فضاکار نسبت به پشت بند بتنی به دلیل وزن بسیار سبکتر پی برد.

 

 

 

¹Maximum credible earthquake

 

 

 

 

 شش مدل موجود در این مقاله به دو روش تنش مجاز بر اساس آیین نامه   AISC-ASD97 و روش مقاومت نهایی بر اساس

آیین نامه AISC-LRFD99  طراحی شده اند.جدول 2 نمایش دهنده وزن های پشت بند سازه فضاکار طراحی شده شش مدل

مورد بحث در این مقاله می باشد.مشاهده می شود که سازه هایی که بر اساس روش مقاومت نهایی طرح شده اند سبکتر

هستند.در ستون انتهایی جدول درصد کاهش وزن سازه طراحی شده بر اساس روش مقاومت نهایی نسبت به روش تنش مجاز

مشاهده می شود.

 

 

در جدول بالا مشاهده می شود با افزایش تعداد لایه های شبکه سازه فضاکار ، وزن کل پشت بند افزایش یافته و با کاهش فاصله

بین لایه ها وزن پشت بند کاهش می یابد. لذا مناسب ترین طرح برای جایگزینی پشت بند بتنی می توان از مدل اول که با تعداد

و فاصله بین لایه های کمتر می باشد استفاده کرد.

 

5.تقدیر و تشکر

نویسندگان مقاله علاقه مندند تا مراتب سپاسگزاری خود را از انجمن پژوهشگران جوان دانشگاه شهید باهنر کرمان بدلیل حمایت

از این پژوهش ابراز دارند.