مقاله تحلیلی: تاثیر ضرایب گرمایی برف در نوسازی سازه ها

ضریب گرمایی، Ct، در  ASCE 7-16 به گونه ای تعریف شده که تغییرات مورد انتظار بار برف روی بام که به دلیل جریان حرارتی در سقف رخ می دهد،  لحاظ شده است. همانگونه که انتظار می رود در سازه هایی که عایق ضعیفی دارند و انرژی گرمایی زیاد موجب ذوب برف روی بام می شود، ضریب Ct پایین است (به طور مثال برای گلخانه ها Ct=0.85) در حالی که برای سازه هایی با عایق بندی خوب، ضریب Ct  بالا است (به طور مثال برای سردخانه ها Ct=1.30). برای سازه های معمول تر، ضریب Ct طبق جدول 7.3-2 از ASCE 7-16، به ترتیب برای بام های سرد و سازه های بدون گرمایش 1.1 و 1.2 است. در رابطه با جدول 7.3-2، بام های سرد بام هایی هستند که در آنها یک کانال هوا بین سطح زیرین لایه عایق و سطح فوقانی بام وجود دارد.. در نهایت برای دیگر سازه های دارای گرمایش (یعنی تمام سازه ها به جز سازه هایی که قبلا گفته شد) Ct=1.0 است.

ضرایب گرمایی مبتنی بر مشاهدات و قضاوت مهندسی هستند. در رابطه با مشاهدات دو پایگاه داده برای اندازه گیری همزمان بار برف بام و بار برف زمین وجود دارد. اولین پایگاه داده نتیجه پروژه یگان مهندسی ارتش ایالات متحده در اوایل دهه 1980 و دومین پایگاه داده حاصل یک برنامه جامع تر از سوی دانشگاه کشاورزی نروژ است. متاسفانه مورد دوم تنها مربوط به سازه های بدون گرمایش است و بنابراین اطلاعات مقایسه ای مفیدی در مورد ضریب گرمایی ارایه نمی کند. در پروژه اول سازه ها به دو دسته بدون گرمایش و دارای گرمایش تقسیم شده اند. میانگین نسبت بار برف سقف به بار برف زمین برای سازه های دارای گرمایش 0.54 و برای سازه های بدون گرمایش 0.67 بود. بنابراین از انجا که 0.67/0.54 = 1.24 است، مشاهدات پروژه اول با ضریب گرمایی 1.2 برای سازه های بدون گرمایش و 1.0 برای سازه های دارای گرمایش، تناقضی ندارد.  مقدار Ct=1.3 تعیین شده در ASCE 7 برای سردخانه ها نتیجه مشاهده انجمن مهندسان سازه واشنگتن (SEAW) در مورد فروریختن سازه ای به دلیل بار برف در شمال غربی اقیانوس آرام در زمستان ۱۹۹۸-۱۹۹۷ بود. بارهای برف روی سردخانه ها در غیاب لغزش و تغییرمکان جانبی، بزرگتر از بار برف متناظر روی زمین بود. با توجه به این که بارش برف روی زمین و سقف در این منطقه یکسان بوده ، ذوب بیشتر برف روی زمین به ذوب برف روی بام سردخانه ها به گرم بودن زمین نسبت داده شده است.

به نظر می رسد ضرایب گرمایی ASCE 7 با اندازه گیری های محدود موجود مطابقت دارد. تا همین اواخر این ضرایب اظهارات و شکایات زیادی را به دنبال نداشته اند با این حال سازمان های مربوطه توصیه به افزایش عایق بندی سقف ها در بازسازی های خاص می کنند.  هدف بهبود بهره وری انرژی در ساختمان است. با این حال الزامی کردن افزایش عایق بندی بام سوالاتی در مورد افزایش بار برف بام متناظر با آن ایجاد می کند. یک ساختمان که به درستی در دسته سازه های دارای گرمایش با ضریب Ct=1.0 دسته بندی شده ممکن است به دلیل افزایش عایق بام، در دسته سازه های بدون گرمایش با Ct=1.2 قرار بگیرد.

شکل ۱. مدل سقف کلیسای در نظر گرفته شده توسط اُ.رورکه و همکارانش

مطمئنا نمی توان از پایگاه های داده موجود که سطح عایق بندی بام (یعنی مقدار R یا U، که بعدا در این مقاله تعریف می شوند) را در نظر نمی گیرند در مورد چالش افزایش عایق بندی و افزایش بار برف استفاده کرد. هر چند برای دسته ای از ساختمان ها، می توان از براوردهای تحلیلی اندازه سد یخی لبه بام برای بررسی تاثیر افزایش عایق بندی بام بر ضریب گرمایی Ct استفاده کرد. O’Rourke و همکارانش (2010) (که در ادامه این مقاله به آن به عنوان مقاله OGT ارجاع داده می شود) یک سازه با سقف شیروانی ( مطابق شکل 1) را بدون وجود مسیر عبور هوا در عایق و سقف  یعنی بین هوای داخلی گرم زیرین و لایه برف روی بام در نظر گرفتند. در چنین حالتی ساختمان با بام گرم و Ct=1.0 در نظر گرفته می شود. برای یک ساختمان دارای اتاق زیرشیروانی، در صورتی که زیرشیروانی بدون دریچه باشد و هیچ عبور هوایی بین لایه عایق و لایه بام همانند شکل 2 وجود نداشته باشد، باز هم از دسته بندی بام گرم با Ct=1.0 استفاده می شود. از نظر جریان هوای داخلی به خارجی در سقف، در صورتی که دمای هوای گرم داخلی (شکل 1) همانند دمای هوای زیرشیروانی گرم باشد، سقف شیروانی شکل 1 مانند زیرشیروانی گرم شکل 2 رفتار می کند. در اینجا برای ساده سازی هر دو بام شکل 1 و 2 را سازه های «زیرشیروانی بدون دریچه گرم» می نامیم.

شکل ۲. حالت زیرشیروانی گرم بدون دریچه

توجه داشته باشید که اگر سازه سقف شیروانی شکل 1 مسیر عبوری بین لایه های عایق و لایه سقف داشت، در دسته بام های سرد با Ct=1.1 قرار می گرفت. همچنین اگر سازه شکل 2 هم یک زیرشیروانی دارای دریچه با لایه عایق داشت، بام سرد با Ct=1.1 در نظر گرفته می شد. در این حالت هم از این پس به هر دو سازه برای ساده سازی سازه های «زیرشیروانی سرد دارای دریچه» گفته خواهد شد.

محاسبه جریان گرما در سازه های زیرشیروانی بدون دریچه گرم برای ذوب برف روی بام ساده  است. تمام انرژی حرارتی که به سمت بالا جریان دارد از طریق لایه عایق و سپس لایه برف روی سقف عبور می کند.  بنابراین برای سازه زیرشیروانی سرد دارای دریچه، بخشی از انرژی گرمایی از طریق دریچه ها (خروجی های هوا) به بیرون منتقل می شود در حالی که بقیه آن به لایه برف منتقل می شود. ذوب برف روی بام در ساختمان های زیرشیروانی سرد دارای دریچه به دلیل بخشی از انرژی گرمایی اتفاق می افتد که از طریق لایه برف روی بام جریان پیدا می کند. با توجه به این که مقاله OGT تنها زیرشیروانی گرم را در نظر گرفته است، مقدار Ct برای بام بازسازی شده پیشنهادی در اینجا تنها برای ساختمان های زیرشیروانی بدون دریچه شکل های 1 و 2 که در دسته Ct=1.0 قرار می گیرند، قابل کاربرد است.

ضرایب گرمایی پیشنهادی

هدف مقاله OGT برآورد اندازه فیزیکی سد یخی لبه بام برای وضع مقررات آگاهانه برای راهکارهای حفاظت در برابر برف و یخ بود. سدهای یخی لبه بام زمانی شکل می گیرند که دمای بیرون کمتر از دمای انجماد و دمای سطح زیرین لایه برف 32 درجه فارنهایت باشد. در این شرایط جریانی از  آب ذوب شده در زیر لایه برف روی بام شکل می گیرد و مقداری از آن به سمت پایین شیب و لبه بام جاری می شود. این آب دوباره یخ می زند و سد یخی را شکل می دهد. در چنین حالتی می توان از اندازه سد یخی برای محاسبه مقدار برف حذف شده به دلیل اثرات گرمایی بام استفاده کرد.

توجه داشته باشید که این کاهش به دلیل جریان انرژی گرمایی از داخل زیرشیروانی بدون دریچه گرم به بیرون رخ می دهد. این اتفاق به اثرات تابش خورشید یا دمای بیرونی بالاتر از دمای انجماد ارتباطی ندارد. لازم به ذکر است که تابش خورشید و دمای بیرونی بالاتر از دمای انجماد هم باعث کاهش بار برف زمین و هم باعث کاهش بار برف روی بام ساختمان های بدون گرمایش می شوند.

 جدول ۱. کاهش برف روی بام (psf) به دلیل اثرات گرمایی

جدول 8 در مقاله OGT، محدوده افقی میانگین وقوع 20 ساله سد یخی لبه بام را به صورت تابعی از دمای داخل Ti، مقدار R سقف Rroof (مقیاسی از مقاومت در برابر انتقال حرارت)، مقدار U سقف (مقیاسی از انتقال حرارت = 1/R)، شیب سقف و بار برف روی زمین 50 ساله Pg ارایه می کند. مقادیر ذکر شده در جدول برای سقفی با فاصله لبه تا تاج افقی 80 فوت هستند. تبدیل مقادیر محدوده افقی به کاهش بار برف روی بام به دلیل سد یخی در لبه بام ساده است. این مقادبر در جدول 1 ارایه شده اند.

توجه داشته باشید که خیس شدن سطوح داخلی به دلیل سدهای یخی لبه بام یک مشکل عملکردی در نظر گرفته شده است. در نتیجه یک مقدار MRI بیست ساله برای محدوده افقی راهکارهای حفاظت در مقابل یخ و برف مناسب به نظر می رسد. با این حال برای بارهای برف (مشکل مقاومتی)، مقدار MRI پنجاه ساله مطلوب است. این عدم تطابق دوره های بازگشت با محاسبه Ct برای بار زمین و سقف 20 ساله و فرض این که Ct معمولا مشابه حالت 50 ساله بارهای زمین و بام خواهد بود برطرف می شود.

همانگونه که انتظار می رود، کاهش های گرما در جدول 1 برای دمای داخلی 75 درجه فارنهایت بزرگتر از دمای داخلی 65 درجه فارنهایت است. به صورت مشابه کاهش بار برف برای مقدار R برابر با 20 نسبت به مقدار کاهش بار برای مقدار R برابر با 50 بیشتر است.

این کاهش برای مناطقی با Pg ₅₀=10 psf برای هر دو دمای داخلی 65 درجه فارنهایت و 75 درجه فارنهایت و Rroof بین 20 تا 50، صفر است. برای چنین محل هایی، مقاومت گرمایی لایه برف روی بام تقریبا کم است و مقاومت گرمایی لایه عایق بسیار زیاد خواهد بود. در نتیجه ذوب (دمای 32 درجه فارنهایت) در لایه عایق رخ می دهد. هیچ آبی هم به دلیل ذوب در لایه برف روی بام ایجاد نشده و سد یخی لبه بام هم ایجاد نخواهد شد.

همانگونه که گفته شد، کاهش گرما در جدول 1 برای یک زمستان با دوره بازگشت (MRI) بیست ساله هستند. باید آن ها را با بار برف سقف MRI بیست ساله مقایسه کرد که نیازمند بار برف زمین MRI بیست ساله است. ASCE 7-16 (به خصوص جدول C7.2-3) ضرایبی برای تبدیل بارهای برف زمین MRI پنجاه ساله به دوره های بازگشت دیگر ارایه می کند. با درونیابی از ضرایب موجود در جدول داریم:

بار برف بام بیست ساله برای ساختمان بدون گرمایش (Ct=1.2) به صورت زیر خواهد بود:

در حالی که بار برف بام بیست ساله برای ساختمان دارای گرمایش با Ct که باید تعیین شود با معادله زیر به دست می آید:

تفاوت بین این دو مقدار تنها کاهش های گرمایی جدول 1 است:

بنابراین ضریب گرمایی برای ساختمان زیرشیروانی گرم بدون دریچه بر اساس MRI بیست ساله برابر است با:

همانگونه که گفته شد، فرض می شود که ضریب گرمایی برای برف زمین MRI بیست ساله و بار برف روی بام MRI بیست ساله (داده شده در معادله 5) به حالت مورد نظر بارهای بام و زمین MRI پنجاه ساله هم اعمال می شود.

مقدار Ct معادله 5 برای تمام سلول های جدول 1 یعنی Ce=Cs=Is=1.0، کاربرد دارد. از مقادیر دمای داخلی 65 درجه فارنهایت و 65 درجه فارنهایت میانگین گرفته شد. ضرایب گرمایی محاسبه شده حاصل در جدول 2 ارایه شده اند.

جدول ۲. ضریب گرمایی ASCE 7 پیشنهادی، Ct، برای سازه زیرشیروانی بدون دریچه گرم به صورت تابعی از بار برف زمین MRI پنجاه ساله 

برای مناطق برف زمین در نظر گرفته شده از 10 تا 50 پوند بر فوت مربع، مقدار Rroof=50 عایق بندی کافی برای عمل کردن به عنوان سازه بدون گرمایش را فراهم می کند. همچنین برای محل هایی با Pg ₅₀=10 psf مقدار R برابر با 20 یا بالاتر، عایق بندی بام کافی برای رفتار مشابه سازه های بدون گرمایش با Ct=1.2 را تامین می کند. در مقابل برای یک محل با Pg ₅₀=50 psf مقدار Rroof=20 مانند سازه های دارای گرمایش با Ct=1.0 عمل می کند.

نتیجه گیری

در گذر زمان، بهره وری انرژی در ساختمان ها افزایش پیدا کرده است. به خصوص این که بام هایی که به خوبی عایق بندی شده اند در ساختمان های دارای گرمایش ممکن است در حال حاضر مانند یک ساختمان بدون گرمایش عمل کنند

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.