Mô phỏng kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn sử dụng hệ thống ống làm mát bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho cấu kiện dầm chuyển

Các nghiên cứu trước đây, bài toán mô phỏng dự đoán nhiệt độ thường tập trung cho cấu kiện bê tông móng khối lớn, các nghiên cứu về kiểm soát nứt do ứng suất nhiệt trong các dầm chuyển c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỮU PHÚ

MÔ PHỎNG KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ BÊ TÔNG KHỐI LỚN

SỬ DỤNG HỆ THỐNG ỐNG LÀM MÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO CẤU KIỆN DẦM CHUYỂN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2022

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn 1: PGS TS Trần Văn Miền

Cán bộ hướng dẫn 2: TS Nguyễn Thị Hải Yến

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Bùi Đức Vinh

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Văn Quang

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp HCM ngày 04 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Nguyễn Ninh Thụy – Chủ tịch Hội đồng

2 TS Bùi Phương Trinh – Thư ký

3 TS Bùi Đức Vinh – Phản biện 1

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Nguyễn Ninh Thụy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1993 Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng dân dụng và công nghiệp

I TÊN ĐỀ TÀI: “ Mô phỏng kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn sử dụng hệ thống ống làm mát bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho cấu kiện dầm chuyển”

“Simulation of temperature mass concrete control with cooling pipe system

by finite element method for transfer beam component”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu thuộc tính bê tông khối lớn Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt, mô hình CFD quá trình đối lưu dòng chảy, truyền nhiệt trong ống giải nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2 Sử dụng phần mềm ANSYS mô phỏng mẫu bê tông khối lớn cho cấu kiện dầm chuyển có bố trí hệ thống ống làm mát

3 Thu thập số liệu thực tế thi công đo nhiệt bê tông khối lớn dầm chuyển dự án

Đà Nẵng Times Square

4 Nhận xét và đánh giá kết quả mô phỏng với số liệu đo thực nghiệm

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/09/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/06/2022

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS Trần Văn Miền

TS Nguyễn Thị Hải Yến

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 06 năm 2022

PGS TS Trần Văn Miền TS Nguyễn Thị Hải Yến PGS TS Lương Văn Hải

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Lê Anh Tuấn

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp là bài luận cuối khóa trong chương trình đào tạo, nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể ứng với thực tế trong thi công xây dựng… Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Tôi xin ghi nhận và bày tỏ lòng biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã dành thời gian hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Đầu tiên, tôi xin cảm ơn đến thầy PGS.TS Trần Văn Miền Thầy đã hướng

dẫn tôi tận tình trong thời gian thực hiện đề tài, đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình thi công dầm chuyển bê tông khối lớn tại dự án Đà Nẵng Times Square Cảm

ơn cô TS Nguyễn Thị Hải Yến đã hướng dẫn, chia sẻ tận tình các kiến thức cũng

như các tài liệu nghiên cứu trọng tâm giúp tôi hoàn thành tốt đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và hỗ trợ tốt cho công việc hiện tại của tôi

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp tại cơ quan nơi tôi công tác đã truyền đạt kinh nghiệm thực tế và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Luận văn thạc sĩ hoàn thành với sự cố gắng và nỗ lực của bản thân rất nhiều, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm

để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn

TP HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2022

Nguyễn Hữu Phú

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Từ đầu thế kỷ XXI, công nghệ thi công xây dựng ngày càng phát triển mạnh

mẽ, kiến trúc mang tính biểu tượng cho các tòa nhà cao tầng với thiết kế đa dạng phong phú ngày càng được ưa chuộng Vì vậy, với những thiết kế kiến trúc mang tính biểu tượng như thế đòi hỏi các cấu kiện kết cấu ngày càng phức tạp: kích thước móng lớn, hệ dầm chuyển để thay đổi bước cột, hệ vách lõi cứng kích thước lớn… để đảm bảo sự làm việc ổn định và lâu dài cho công trình Hầu hết các cấu kiện đó đều gặp khó khăn trong vấn đề kiểm soát nứt khi thi công bê tông khối lớn do ứng suất nhiệt Các nghiên cứu trước đây, bài toán mô phỏng dự đoán nhiệt độ thường tập trung cho cấu kiện bê tông móng khối lớn, các nghiên cứu về kiểm soát nứt do ứng suất nhiệt trong các dầm chuyển còn hạn chế Vị trí kết cấu dầm chuyển thường nằm ở trên cao

bị ảnh hưởng lớn đến tác động của điều kiện môi trường: gió, mưa… Bên cạnh đó, việc thi công bê tông dầm chuyển khối lớn gặp rất nhiều vấn đề: cấp phối bê tông mác cao (C40/50), bê tông phải đạt sớm cường độ để đảm bảo tiến độ thi công, năng lực nhà cung cấp bê tông tại địa phương Các yếu tố trên tác động lớn việc phát triển nhiệt độ bê tông dầm chuyển khối lớn sau khi đổ Ngoài ra, các nghiên cứu trong nước còn hạn chế về việc so sánh giữa kết quả mô phỏng với kết quả đo nhiệt độ thực

tế của kết cấu bê tông khối lớn

Luận văn này tập trung mô phỏng phân tích CFD bài toán về dòng chảy, truyền nhiệt từ khối vật liệu bê tông dầm chuyển khối lớn với hệ thống ống giải nhiệt (cooling pipe) thông qua phần mềm mô phỏng Ansys Fluent, để dự đoán kết quả phát triển nhiệt độ lớn nhất, sự phân bố trường nhiệt, sự chênh lệch nhiệt độ tại các điểm khảo sát trong khối bê tông dầm chuyển ở giai đoạn dưỡng hộ sau khi kết thúc đổ bê tông Bằng việc so sánh kết quả mô phỏng CFD với số liệu thu thập tại các vị trí lắp đặt sensor thực tế ở công trình thi công bê tông khối lớn dầm chuyển sử dụng hệ thống

ống giải nhiệt (cooling pipe) tại dự án Đà Nẵng Times Square, Quận Sơn Trà, TP

Đà Nẵng vào tháng 06/2019 để đưa ra nhận xét một số vấn đề dẫn đến sai số giữa số liệu đo thực tế và kết quả mô phỏng

iv

ABSTRACT

With the development of economic and infrastructure, more and more high-rise buildings have been emerging with unique architecture design It required the special structural facts such as: large foundation, transfer beam for column layout change, large regrid core - wall … to ensure load capacity and service life of structure With large depth, it is difficult to control cracking generated from thermal stress in transfer beam In previous studies, the temperature prediction often focused on large block foundation concrete structures, there was few research mentioning for large mass transfer beam concrete The transfer beam structure is usually located at high altitude, which is greatly affected by the environmental conditions: wind, rain, etc In addition,

to ensure the contruction progress, it demands concrete gaining high strength at the early age which have great impact on the temperature development of large transfer beam concrete after pouring Moreover, domestic studies are limited in comparison between simulation results and actual temperature measurement results of large concrete structures

This thesis focuses on simulating and analyzing CFD on the fluidity and heat transfer from a large mass transfer beam concrete block with a cooling pipe system through Ansys Fluent simulation software; to predict the results of the maximum temperature, the distribution of the heat field, the temperature at the survey points in the beam concrete block transferred at the curing stage after the completion of concreting The simulation results were validated with the actual collected data from

the cooling pipe system at the Da Nang Times Square project, Son Tra District, Da

Nang City in June 2019 Base on that, some recommendations were drawn to reduce the error between actual measure and simulation data

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và phê duyệt của PGS.TS Trần Văn Miền và TS Nguyễn Thị Hải Yến Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài mình thực hiện

TP HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2022

Nguyễn Hữu Phú

vi

MỤC LỤC

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC CÁC BẢNG xv

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 3

1.6 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

1.1 Khái niệm về Bê tông khối lớn 4

1.1.1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam 4

1.1.2 Theo tiêu chuẩn nước ngoài 5

1.1.2.1 ACI 116R – Hướng dẫn thi công của hiệp hội bê tông Mỹ 5

1.1.2.2 JCI 2016 – hướng dẫn kiểm soát nứt trong bê tông khối lớn 5

1.2 Các thuộc tính về nhiệt của bê tông tuổi sớm 5

1.2.1 Nhiệt dung riêng 5

1.2.2 Độ khuếch tán nhiệt 6

1.2.3 Hệ số dẫn nhiệt 7

1.2.4 Mức độ thủy hóa 7

1.3 Các phương pháp thi công bê tông khối lớn đang sử dụng hiện nay 8

1.3.1 Hạn chế tốc độ phát nhiệt thủy hóa của xi măng trong bê tông 9

1.3.1.1 Hạn chế lượng dùng xi măng 9

1.3.1.2 Dùng xi măng tỏa nhiệt thấp: 10

1.3.1.3 Hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp bê tông 10

1.3.2 Hạn chế chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê tông 11

1.3.2.1 Phân chia khối đổ 11

1.3.2.2 Bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt độ khối đổ (ủ nhiệt) 11

1.3.2.3 Đưa nhiệt độ bên trong khối bê tông ra ngoài 12

1.3.2.4 Chọn thời điểm và thời gian đổ bê tông 13

1.4 Tình hình nghiên cứu 13

1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới 13

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19

2.1 Lý thuyết truyền nhiệt 19

2.1.1 Phương trình vi phân chủ đạo của quá trình truyền nhiệt 19

2.1.2 Điều kiện ban đầu 24

2.1.3 Điều kiện biên 25

2.1.3.1 Điều kiện biên thứ nhất: nhiệt độ bề mặt xác định 25

2.1.3.2 Điều kiện biên thứ hai: thông lượng nhiệt xác định qua bề mặt 25

2.1.3.3 Điều kiện biên thứ ba: đối lưu trên bề mặt 26

2.1.3.4 Điều kiện biên thứ tư: bề mặt tiếp xúc giữa hai khối vật rắn khác nhau 26

2.2 Mô hình phát sinh nhiệt trong quá trình thủy hóa của xi măng 28

2.2.1 Quá trình thủy hóa của xi măng 28

2.2.2 Tốc độ sinh nhiệt 30

2.2.3 Hàm độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt 31

2.3 Khái niệm về CFD 33

2.3.1 Tiền xử lý 33

2.3.2 Bộ giải 34

2.3.3 Hậu xử lý 34

2.4 Các định luật bảo toàn chất lỏng 35

2.4.1 Phương trình cơ bản của chất lỏng 35

2.4.2 Định luật bảo toàn khối lượng trong không gian 3 chiều 35

2.4.3 Phương trình động lượng cho không gian 3 chiều 36

viii

2.4.4 Phương trình năng lượng trong 3 chiều 37

2.4.5 Phương trình năng lượng trong miền rắn 37

2.4.6 Phương trình chuyển động 38

2.5 Phương pháp trung bình hóa phương trình Navier-Stokes trong nghĩa Reynolds 39

2.6 Mô hình rối 41

2.6.1 Mô hình rối là gì ? 41

2.6.2 Dòng chuyển từ chảy tầng đến chảy rối 42

2.6.3 Dòng rối 42

2.6.4 Dòng chảy ống 43

2.6.5 Kết luận 43

2.7 Đặc điểm dòng chảy rối đơn giản 43

2.7.1 Lớp biên dòng chảy tấm mỏng và dòng chảy ống 43

2.7.2 Lớp định luật Log và vùng rối gần với tường nhẵn 45

2.7.3 Kết luận 45

2.8 Tổng quan về các phương pháp tiếp cận 45

2.8.1 DNS: Direct Numerical Simulation 45

2.8.2 LES: Large Eddy Simulation 46

2.8.3 RANS: Reynolds Averaged Navier Stockes Simulation 46

2.9 Mô hình rối 2 phương trình 47

2.9.1 Phương trình 𝒌 − 𝜺 47

2.9.1.1 Mô hình Standard 𝑘 − 𝜀 48

2.9.1.2 Mô hình Realizable 𝑘 − 𝜀 48

2.9.2 Phương trình 𝒌 − 𝝎 48

2.9.2.1 Mô hình SST 𝑘 − 𝜔 49

2.10 Thuật toán Simple 49

2.11 Phương pháp thể tích hữu hạn 50

2.11.1 Phương trình vận chuyển chung 51

2.11.2 Rời rạc hóa điều kiện đối lưu 51

2.11.3 Rời rạc hóa điều kiện khuếch tán 52

2.11.4 Rời rạc hóa theo thời gian 52

2.12 Tiêu chuẩn hội tụ 52

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 54

3.1 Quy trình chung về ứng dụng CFD 54

3.2 Hình học và điều kiện biên của dự án 55

3.2.1 Giới thiệu dự án 55

3.2.2 Bố trí đường ống giải nhiệt của dự án 57

3.2.3 Lắp đặt và theo dõi nhiệt độ trong dầm chuyển BTCT 60

3.2.4 Tốc độ sinh nhiệt bên trong của bê tông 63

3.2.5 Mô hình tính toán 63

3.2.6 Điều kiện biên 64

3.3 Tạo Lưới 68

3.3.1 Giới thiệu chung 68

3.3.2 Một số loại lưới 69

3.3.3 Một số so sánh để đưa ra mục tiêu chọn lưới 72

3.3.4 Quy trình lưới 72

3.3.5 Lưới gần tường Y+ 73

3.3.5.1 Giới thiệu chung 73

3.3.5.2 Tính toán Y+, First Cell Height và Boudary Layer Thickness 73

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐO THỰC NGHIỆM 77

4.1 Lưới tính toán 77

4.2 Trường nhiệt độ phân bố trong khối bê tông dầm chuyển 78

4.3 Trường nhiệt độ của nước trong hệ thống ống giải nhiệt 83

4.4 Nhiệt độ tại các điểm khảo sát 85

4.5 Nhận xét và kết luận 91

4.5.1 Nhận xét kết quả và sai số trong mô phỏng và thực tế thi công giải nhiệt khối bê tông dầm chuyển 91

4.5.2 Kết luận 94

CHƯƠNG 5 ĐÓNG GÓP VÀ KIẾN NGHỊ 96

x

5.1 Các đóng góp của luận văn 96

5.2 Kiến nghị 97

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 108

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Mô tả nhiệt phát sinh trong mô hình bê tông khối lớn 4

Hình 1-2: Hình minh họa nứt bê tông khối lớn khi nhiệt độ chênh lệch > 20oC [48] 4 Hình 1-3: Một số loại phụ gia khoáng từ trái qua phải tro bay (C), metakaolin, silicafume, fly ash (F), xỉ, calcined shale [47] 9

Hình 1-4: Nhiệt lượng tỏa ra tương ứng với từng loại xi măng [8] 10

Hình 1-5: Sử dụng nước đá trộn bê tông 11

Hình 1-6: Hạ thấp nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông 11

Hình 1-7: Bọc vật liệu cách nhiệt cho khối đổ (ủ nhiệt) 12

Hình 1-8: Khối móng Landmark 81 được ủ nhiệt và che chắn bạt 12

Hình 1-9: Tản nhiệt bằng hệ thống ống làm mát bơm nước tuần hoàn 12

Hình 1-10: Hệ thống cooling pipes 13

Hình 1-11: Hệ thống van điều khiển 13

Hình 2-1: Khoảng cách và góc liên quan khi mô tả vị trí của một điểm trong các hệ tọa độ khác nhau 19

Hình 2-2: Vector truyền nhiệt luôn luôn pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt 21

Hình 2-3: Phần tử hình hộp chữ nhật tách từ khối bê tông khối lớn 22

Hình 2-4: Các biên truyền nhiệt trong kết cấu bê tông dầm chuyển khối lớn 28

Hình 2-5: Tốc độ chuyển hóa nhiệt trong quá trình thủy hóa xi măng poóc lăng [21] 30

Hình 2-6: Quá trình chung của phân tích CFD [32] 35

Hình 2-7: Phần tử chất lỏng cho định luật bảo toàn [33] 35

Hình 2-8: Khối lượng dòng vào và ra của phần tử chất lỏng [53] 36

Hình 2-9: Phân biệt các thành phần u u u, ,' [33] 41

xii

Hình 2-10: Phép đo vận tốc điển hình trong dòng chảy rối [53] 42

Hình 2-11: Cách tiếp cận cơ bản DNS 45

Hình 2-12: Cách tiếp cận cơ bản LES 46

Hình 2-13: Cách tiếp cận cơ bản RANS 46

Hình 2-14: Phạm vi ảnh hưởng của mô hình rối k − và k − gần tường [38] 49 

Hình 3-1: Quy trình chung ứng dụng CFD [40] 54

Hình 3-2: Vị trí dự án Đà Nẵng Times Square 55

Hình 3-3: Tổng thể giai đoạn thi công kết cấu – Times Square 56

Hình 3-4: Mặt bằng kết cấu dầm chuyển dự án Đà Nẵng Times Square 56

Hình 3-5: Biểu đồ thể hiện sự thoát nhiệt trong khối bê tông, quan hệ thời gian với hệ số khuếch tán nhiệt độ của bê tông [15] 57

Hình 3-6: Biểu đồ quan hệ thời gian và lưu lượng bơm nước làm mát [15] 58

Hình 3-7: Mặt bằng bố trí hệ thống ống giải nhiệt trong khối bê tông 59

Hình 3-8: Mặt cắt trích đoạn bố trí hệ thống ống giải nhiệt trong khối bê tông 59

Hình 3-9: Cốp pha, cốt thép dầm chuyển 60

Hình 3-10: Hệ thống ống làm mát 60

Hình 3-11: Mô tả vị trí của cách lắp đặt ống thép giải nhiệt trong dầm chuyển 60

Hình 3-12: Sensor đo nhiệt độ loại K 61

Hình 3-13: Thông số kỹ thuật sensor loại K 61

Hình 3-14: Máy đo nhiệt độ 12 kênh BTM – 4208SD 62

Hình 3-15: Thông số kỹ thuật máy đo nhiệt độ 12 kênh BTM – 4208SD 62

Hình 3-16: Mô hình ống giải nhiệt kết cấu dầm chuyển bằng ANSYS 64

Hình 3-17: Điều kiện biên các mặt đối lưu với môi trường bên ngoài 64

Hình 3-18: Quy trình tạo lưới trong CFD [42] 69

Hình 3-19: Một số loại lưới có cấu trúc [42] 70

Hình 3-20: Một số loại lưới theo khối [42] 71

Hình 3-21: Một số loại lưới không cấu trúc [42] 71

Hình 3-22: Quy trình tổng quát tạo lưới 72

Hình 3-23: Định nghĩa lớp biên miền tính toán [43] 74

Hình 3-24: Dòng chảy qua tấm phẳng 75

Hình 3-25: Định luật gần tường 75

Hình 4-1: Đánh giá chất lượng lưới trong mô hình lưới 77

Hình 4-2: Cấu trúc lưới kết cấu bê tông dầm chuyển và hệ thống ống Time Square 78

Hình 4-3: Mặt cắt dưỡng hộ bê tông dầm chuyển điển hình [45] 78

Hình 4-4: Dưỡng hộ bê tông dầm chuyển 78

Hình 4-5: Trường nhiệt thời điểm 12h sau đổ bê tông (tâm khối bê tông) 79

Hình 4-6: Trường nhiệt thời điểm 24h sau đổ bê tông (tâm khối bê tông) 79

Hình 4-7: Trường nhiệt thời điểm 36h sau đổ bê tông (tâm khối bê tông) 80

Hình 4-8: Trường nhiệt thời điểm 42h sau đổ bê tông (tâm khối bê tông) 81

Hình 4-9: Trường nhiệt thời điểm 60h sau đổ bê tông (tâm khối bê tông) 81

Hình 4-10: Trường nhiệt thời điểm 98h sau đổ bê tông (tâm khối bê tông) 82

Hình 4-11: Trường nhiệt độ nước phân bố trong đường ống giải nhiệt 83

Hình 4-12: Trường nhiệt tại các mặt cắt của hệ thống ống 84

Hình 4-13: Đo nhiệt độ nước đầu ra (nước hồi) của hệ thống ống giải nhiệt bê tông 84

Hình 4-14: Biểu đồ giá trị nhiệt độ ống nước hồi giữa mô phỏng và thực tế 85

Hình 4-15: Mặt bằng bố trí sensor đo nhiệt độ bê tông 85

Hình 4-16: Mặt cắt tại một vị trí sensor đo nhiệt độ bê tông 86

xiv

Hình 4-17: Ghi nhận kết quả đo nhiệt độ bê tông trong thời gian dưỡng hộ và vận hành hệ thống giải nhiệt cooling pipe 86 Hình 4-18: Điểm khảo sát giá trị nhiệt độ trong mô phỏng 87 Hình 4-19: Biểu đồ phát triển nhiệt thực tế và mô phỏng tại các điểm mặt – giữa – đáy của 8 vị trí gắn sensor 89 Hình 4-20: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ thực tế và mô phỏng số tại các điểm 91

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1: Quá trình thủy hóa điển hình của xi măng 30

Bảng 3-1: Bảng các thông số đường ống làm mát [45] 58

Bảng 3-2: Bảng thu thập nhiệt độ đo trong dầm chuyển bê tông khối lớn 63

Bảng 3-3: Cấp phối bê tông dầm chuyển C40/50 tại công trình [45] 64

Bảng 3-4: Các giá trị đầu vào phân tích nhiệt bê tông 65

Bảng 3-5: Bảng các thông số tính toán cho tăng nhiệt độ đoạn nhiệt 65

Bảng 3-6: Hệ số đối lưu nhiệt của một số loại ván khuôn [3] 65

Bảng 3-7: Định nghĩa vật liệu khai báo trong mô hình 66

Bảng 3-8: Dữ liệu đo nhiệt độ môi trường theo thời gian 67

Bảng 3-9: Bảng tính toán hệ số Reynolds 73

Bảng 3-10: Thông số bề dày lớp biên 𝜹 74

Bảng 3-11: Tính toán khoảng cách từ tường ∆𝒚𝟏 76

Mở đầu 1

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Với tốc độ đô thị hóa như hiện nay, công trình nhà cao tầng ngày càng mang nét kiến trúc độc đáo để tạo điểm nhấn, biểu tượng cho vùng miền Vì vậy với những thiết kế kiến trúc mang tính biểu tượng như thế đòi hỏi các cấu kiện kết cấu ngày càng phức tạp: kích thước móng lớn, hệ dầm chuyển để thay đổi bước cột, hệ vách lõi cứng lớn… để đảm bảo sự làm việc ổn định và lâu dài cho công trình Hầu hết các cấu kiện đó đều gặp khó khăn trong vấn đề nứt khi thi công bê tông khối lớn do ứng suất nhiệt

Nứt do nhiệt của bê tông khối lớn hình thành từ nhiệt hydrat hóa xi măng trong kết cấu bê tông cốt thép và bê tông ứng suất trước đã là vấn đề chủ yếu thường gặp trong nhiều năm qua, đặc biệt đối với dự án có kết cấu dầm, sàn chuyển thường nằm

ở vị trí trên cao, bề mặt tiếp xúc với trực tiếp với gió làm chênh lệch nhiệt độ quá giới hạn cho phép giữa bề mặt bên ngoài và bên trong tâm khối bê tông Trong khi đó, năng lực của các nhà cung cấp bê tông địa phương vẫn còn rất hạn chế về công nghệ thi công trộn bê tông, nguồn vật liệu đầu vào không đáp ứng đủ điều kiện về nhiệt độ khi thi công bê tông khối lớn Vì vậy, cần phải có giải pháp kiểm soát nhiệt độ từ bên ngoài như hệ thống ống làm mát khối bê tông để kiểm soát sự chênh lệch nhiệt độ

Từ nguyên nhân này, cần phân tích bài toán nhiệt thi công bê tông khối lớn cho cấu kiện dầm chuyển ở các dự án với dữ liệu nhiệt độ theo dõi thực tế đã thi công Từ

đó, mô phỏng bài toán nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn để có bộ thông số tiệm cận với kết quả đo thực tế

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu tổng thể của nghiên cứu này là xác định bộ thông số đầu vào tối ưu nhất về bài toán giải nhiệt bê tông khối lớn cho cấu kiện dầm chuyển tại các dự án có

vị trí giáp biển Để thực hiện được mục tiêu tổng thể trên, học viên sẽ chia ra các mục tiêu cụ thể để thực hiện trong đề tài gồm:

1 Phân tích bộ thông số đầu vào bài toán giải nhiệt bê tông khối lớn bằng

hệ cooling pipe bằng phương pháp phần từ hữu hạn (ANSYS) tại dự án nhà cao tầng có kết cấu dầm chuyển Đà Nẵng Times Square

2 Cung cấp cơ sở bài toán thiết kế và vận hành đường ống giải nhiệt trong quá trình thi công dưỡng hộ bê tông khối lớn Dự đoán nhiệt độ lớn nhất

và chênh lệch nhiệt độ lớn nhất tại các điểm trong khối bê tông hạn chế vết nứt vì nhiệt hydrat của bê tông

1.3 Nội dung nghiên cứu

1 Mở đầu

2 Chương 1: Tổng quan đề tài

3 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

4 Chương 3: Phương pháp nghiên cứu

5 Chương 4: Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm

6 Chương 4: Đóng góp và kiến nghị

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập các tài liệu nghiên cứu trước đây liên quan đến vấn đề mô phỏng nhiệt độ bê tông khối lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các yếu

tố ảnh hưởng đến nhiệt thủy hóa bê tông, biện pháp thi công đổ bê tông khối lớn, kiểm soát nhiệt độ và bảo ôn bê tông

- Thu thập các dữ liệu thực tế về công trình thi công kết cấu dầm chuyển

bê tông khối lớn, bao gồm: thiết kế cấp phối bê tông, biện pháp thi công

hệ chống dầm chuyển, thiết kế hệ thống ống làm mát để giải nhiệt bê tông, dữ liệu đo nhiệt và vận hành hệ thống ống làm mát từ lúc bắt đầu

đổ bê tông đến khi kết thúc bảo ôn, kết quả khảo sát nứt cấu kiện dầm chuyển sau khi tháo cốp pha

- Phân tích bài toán CFD mô phỏng dòng chảy đối lưu, truyền nhiệt trong

khối bê tông dầm chuyển bằng phần mềm ANSYS với bộ thông số đầu

vào từ các dữ liệu thực tế thi công tại dự án So sánh kết quả nhiệt độ từ

mô hình phân tích với dữ liệu theo dõi thực tế Đánh giá mức độ tin cậy

Mở đầu 3

của bài toán mô phỏng, tối ưu hóa cho việc lựa chọn giải pháp kiểm soát nhiệt độ trong bê tông khối lớn

1.5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung phân tích bộ thông số đầu vào của bài toán mô phỏng nhiệt độ

bê tông khối lớn cho cấu kiện dầm chuyển tại dự án Đà Nẵng Times Square, Quận

Sơn Trà, TP Đà Nẵng

Kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho bài toán thiết kế: cấp phối bê tông, hệ thống ống làm mát Lựa chọn chính xác vị trí cần thiết đặt sensor đo nhiệt độ bê tông, cách vận hành hiệu quả hệ thống ống làm mát trong giai đoạn dưỡng hộ

1.6 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

Đề tài “MÔ PHỎNG KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ BÊ TÔNG KHỐI LỚN SỬ DỤNG HỆ THỐNG ỐNG LÀM MÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO CẤU KIỆN DẦM CHUYỂN” giúp cho người thiết kế có thêm cơ sở lý

luận chính xác hơn trong việc xác định thông số đầu vào của mô hình tính toán sát với thực tế

Đề tài nghiên cứu còn có ý nghĩa thực tiễn về vấn đề tối ưu thực hiện mẫu thử

bê tông dầm chuyển trên phần mềm mô phỏng, giảm chi phí thực hiện đúc mẫu thực

tế trong biện pháp thi công

Đưa ra giải pháp tối ưu kiểm soát nhiệt độ bê tông dầm chuyển cho các dự án nằm ở vị trí giáp biển từ giai đoạn thiết kế cấp phối phù hợp với năng lực nhà cung cấp tại địa phương, lựa chọn các vị trí xảy ra chênh lệch nhiệt độ lớn để đặt sensor theo dõi nhiệt độ bê tông từ mô hình tính toán phù hợp, cách vận hành hệ giải nhiệt đạt hiệu quả tiết kiệm thời gian và nhân lực

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Khái niệm về Bê tông khối lớn

1.1.1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN 305:2004 [1]

Kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép được coi là khối lớn khi có kích thước đủ

để gây ra ứng suất kéo, phát sinh do hiệu ứng nhiệt hydrat hoá của xi măng, vượt quá giới hạn kéo của bê tông, làm nứt bê tông, và do đó cần phải có biện pháp để phòng ngừa vết nứt

Hình 1-1: Mô tả nhiệt phát sinh trong mô hình bê tông khối lớn

Hình 1-2: Hình minh họa nứt bê tông khối lớn khi nhiệt độ chênh lệch > 20 o C [48]

- Khi a và h đến 1m: Không cần cấu tạo cốt thép chống nứt bê tông

- Khi a và h đến 2m: Nên có cấu tạo cốt thép chống nứt bê tông

- Khi a và h trên 2m: Cần có thiết kế cốt thép chống nứt và biện pháp phòng ngừa vết nứt trong thi công

1.1.2 Theo tiêu chuẩn nước ngoài

1.1.2.1 ACI 116R – Hướng dẫn thi công của hiệp hội bê tông Mỹ

Bê tông khối lớn là "bất kỳ khối bê tông với kích thước đủ lớn đòi hỏi các biện pháp cần được thực hiện để chống lại các tác động nhiệt hydrat hóa của xi măng và

sự thay đổi thể tích nhằm giảm thiểu nứt " [2]

1.1.2.2 JCI 2016 – hướng dẫn kiểm soát nứt trong bê tông khối lớn

Các kết cấu bê tông khối lớn có thể được định nghĩa như các bức tường bê tông cốt thép có độ dày lớn hơn 50 cm được ngàm ở chân tường hoặc các panen bề mặt rộng có độ dày lớn hơn 80 cm [3]

Các kết cấu bê tông cốt thép như sau được gọi là bê tông khối lớn:

- Tường: bề dày ≥ 500 mm

- Móng: chiều cao móng ≥ 800 mm

1.2 Các thuộc tính về nhiệt của bê tông tuổi sớm

1.2.1 Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng của một chất lên 1 đơn vị nhiệt độ Các nghiên cứu chỉ ra rằng giá trị nhiệt dung riêng của bê tông giảm theo tiến trình thủy hóa của xi măng (De Schutter và Taewe [4]; Van Bruegel [5]) Thí nghiệm được tiến hành bởi De Schutter và Tearwe [4] cho thấy nhiệt dung riêng giảm khi mức độ thủy hóa tăng lên,

và quan hệ giữa chúng là mối quan hệ tuyến tính Sự giảm nhiệt dung riêng của bê

tơng theo tiến trình thủy hĩa nằm trong phạm vi từ 5% - 13%, được coi là khơng ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử nhiệt của bê tơng Thơng thường trong tính tốn về nhiệt thì người ta chỉ sử dụng giá trị nhiệt dung riêng của bê tơng đã đĩng rắn Bentz [6]

đã tiến hành thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của các mẫu hồ xi măng cĩ tỷ lệ N/X lần lượt 0.3 và 0.4 dưới điều kiện mẫu bọc kín và mẫu bão hịa hơi nước Các mẫu thí nghiệm trong điều kiện bọc kín cĩ giá trị nhiệt dung riêng giảm nhanh sau đĩ giữ nguyên theo mức độ thủy hĩa của xi măng Các mẫu thí nghiệm trong điều kiện bão hịa hơi nước cũng cĩ giá trị nhiệt dung riêng ban đầu giảm, sau đĩ lại tăng lên Sự tăng lên này được cho là bị ảnh hưởng bởi sức hút nước tự do trong quá trình duy trì điều kiện bão hơi nước của mẫu thí nghiệm

Nhiệt dung riêng của bê tơng cĩ thể được xác định theo luật hỗn hợp, trong đĩ nhiệt dung riêng của hỗn hợp là tổng trọng số khối lượng của các nhiệt dung riêng của các thành phần cấu thành như sau:

(bê tông) (hồ xi măng) (cốt liệu lớn) (cốt liệu nhỏ)

- M – khối lượng tổng cộng của hỗn hợp, (kg);

- M1, M2, M3 – khối lượng của hồ xi măng, cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ, (kg);

- Cp – nhiệt dung riêng (của từng thành phần), (J/kg – K);

1.2.2 Độ khuếch tán nhiệt

Độ khuếch tán nhiệt của một chất phản ảnh sự dễ dàng thay đổi nhiệt độ của chất đĩ Nếu bê tơng khối lớn cĩ độ khuếch tán nhiệt thấp thì sẽ tốt hơn bởi vì nĩ giúp bảo vệ chống lại sự biến động nhiệt độ lớn và đảm bảo sự truyền nhiệt từ từ ra mơi trường xung quanh Mối quan hệ giữa độ khuếch tán nhiệt với các tham số nhiệt khác được thể hiện bởi cơng thức sau:

( p )

Trong đĩ:

Tổng quan đề tài 7

- H – độ khuếch tán nhiệt, (m2/s)

- K – hệ số dẫn nhiệt (W/m – K)

- Cp – nhiệt dung riêng, (J/kg – K)

-  – khối lượng riêng, (kg/m3)

1.2.3 Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt (k) là một thuộc tính ảnh hưởng lớn đến sự truyền nhiệt trong

bê tông khối lớn Nó được định nghĩa là tỷ số giữa lưu lượng nhiệt và gardient nhiệt Một số nghiên cứu cho rằng hệ số dẫn nhiệt là hàm của nhiệt độ và độ ẩm Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hệ số dẫn nhiệt giảm khi mức độ thủy hóa tăng lên Nghiên cứu của De Schutter và Tarawe [4] cho thấy bê tông sau khi đóng rắn có hệ số dẫn nhiệt giảm đến 21% Hệ số dẫn nhiệt được coi là hàm của mức độ thủy hóa của xi măng theo quan hệ sau đây của Schindler [7]:

( ) u(1,33 0,33 )

Trong đó:

-  – mức độ thủy hóa;

- k( ) – hệ số dẫn nhiệt tại mức độ thủy hóa , (W/m-k);

- k u – hệ số dẫn nhiệt cuối cùng của bê tông, (W/m-k);

1.2.4 Mức độ thủy hóa

Mức độ thủy hóa được định nghĩa là tỷ lệ giữa tổng nhiệt lượng tỏa ra tính đến thời điểm t nào đó với tổng nhiệt lượng tỏa ra ở thời điểm cuối cùng của quá trình thủy hóa theo công thức dưới đây [4]

( ) ( )

u

H t t

Hu – tổng nhiệt lượng tỏa ra ở thời điểm cuối cùng của quá trình thủy hóa Như vậy, từ định nghĩa trên có thể nhận thấy được mức độ thủy hóa của xi măng nằm trong giá trị từ 0 (chưa xảy ra thủy hóa) đến 1 (thủy hóa hoàn toàn) Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng mức độ thủy hóa tại một thời điểm nào đó cũng ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa ở thời điểm đó, cụ thể là ảnh hưởng đến tốc độ phát sinh nhiệt tại thời điểm đó

Mức độ thủy hóa theo thời gian có thể được tính theo mô hình toán học như sau Schindler [7]:

 – mức độ thủy hóa tại thời điểm t;

t – thời gian từ khi bắt đầu thủy hóa, (giờ);

Các tham số thời gian và tham số độ dốc được xác định thông qua các thí nghiệm

đo nhiệt thủy hóa của xi măng

1.3 Các phương pháp thi công bê tông khối lớn đang sử dụng hiện nay

Đối với bê tông khối lớn, kiểm soát nhiệt là vấn đề quan trọng Có 2 nhóm phương pháp chính để kiểm soát nhiệt trong bê tông khối lớn: Hạn chế tốc độ phát triển nhiệt hydrat hóa của xi măng trong bê tông và hạn chế chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê tông

- Quy định cường độ yêu cầu phù hợp

- Quy định tỷ lệ N/X tối ưu

- Thiết kế cấp phối theo lý thuyết tỉ trọng tối đa

Sử dụng phụ gia:

- Phụ gia hóa học có hiệu quả trong việc làm giảm hàm lượng xi măng, do

đó giảm sự tăng nhiệt độ

- Tro bay làm giảm nhiệt cũng như tốc độ hydrat hóa, xỉ lò cao có hiệu quả giảm sự tăng tốc độ nhiệt hydrat hóa Cứ mỗi lượng tăng 10 kg xi măng PC/m3 sẽ làm tăng nhiệt độ đoạn nhiệt cuối lên 1oC Error! Reference source not found Trong trường hợp dùng xỉ lò cao và tro bay làm phụ

gia khoáng, hiệu quả giảm nhiệt độ bằng cách thay thế 10 kg xi măng PC/m3 bằng các loại phụ gia này là 0oC – 0,5oC

Hình 1-3: Một số loại phụ gia khoáng từ trái qua phải tro bay (C), metakaolin,

silicafume, fly ash (F), xỉ, calcined shale [47]

1.3.1.2 Dùng xi măng tỏa nhiệt thấp:

Dùng xi măng tỏa nhiệt thấp để giảm nhiệt hydrat hóa trong bê tông khối lớn Theo tiêu chuẩn ASTM C150 [8], có phân loại xi măng tỏa nhiệt thấp:

- Type II: Loại tỏa nhiệt trung bình (medium heat) có nhiệt hydrat hóa là

290 kJ/kg (70 cal/g) trong 7 ngày

- Type IV: Loại ít tỏa nhiệt (low heat) có nhiệt hydrat hóa là 250 kJ/kg (60 cal/g) trong 7 ngày

Với xi măng Poocland thông thường – Type I: có nhiệt hydrat hóa là 330 - 370 kJ/kg (80-90 cal/g) trong 7 ngày

Hình 1-4: Nhiệt lượng tỏa ra tương ứng với từng loại xi măng [8]

Theo tiêu chuẩn Nhật Bản JSCE 2007 [9] cũng chỉ dẫn loại xi măng dùng phổ biến cho bê tông khối lớn là loại xi măng tỏa nhiệt trung bình, xi măng tỏa nhiệt thấp

và xi măng hỗn hợp loại B (là loại xi măng đảm bảo được các yêu cầu về nhiệt độ)

1.3.1.3 Hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp bê tông

Hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp bê tông có ý nghĩa kiểm soát tốc độ phát sinh nhiệt hydrat hóa của xi măng trong bê tông; nhiệt độ bê tông, nhiệt độ môi trường càng cao

sẽ thúc đẩy quá trình hyrat hóa và phát sinh nhiệt

- Không sử dụng xi măng còn nóng trong các nhà máy (không dùng xi lô

xi măng mới bơm)

- Dùng nước mát để trộn

1.3.2 Hạn chế chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê tông

1.3.2.1 Phân chia khối đổ

Phân chia khối đổ để giảm kích thước khối đổ, giảm nhiệt tích tụ trong lòng khối đổ, giảm nhiệt độ lớn nhất trong tâm khối từ đó hạn chế được chênh lệch nhiệt

độ giữa các điểm trong khối bê tông

- Phân chia khối đổ theo phương chiều cao

- Phân chia khối đổ theo phương cạnh dài

1.3.2.2 Bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt độ khối đổ (ủ nhiệt)

Dưỡng hộ cách nhiệt, bằng cách này sự chênh lệch về mặt nhiệt độ trong mặt cắt của kết cấu sẽ giảm Tạo môi trường đoạn nhiệt (không bị ảnh hưởng nhiệt bởi môi trường bên ngoài) cho khối đổ

Dùng các lớp cách nhiệt bao quanh khối đổ: cốp pha gỗ, xốp XPS, nylon Che chắn bạt xung quanh khu vực thi công khối đổ, hạn chế tác động của gió, nhiệt độ, độ

ẩm đến khối đổ

Hình 1-7: Bọc vật liệu cách nhiệt cho khối đổ (ủ nhiệt)

Hình 1-8: Khối móng Landmark 81 được ủ nhiệt và che chắn bạt

1.3.2.3 Đưa nhiệt độ bên trong khối bê tông ra ngoài

Là phương pháp giảm nhiệt cưỡng bức (chủ động) dùng hệ thống ống làm mát (cooling pipes) để đưa nhiệt độ ra ngoài, có thể dùng nước làm mát, dung dịch làm mát hoặc khí làm mát,… bằng cách đó có thể kiểm soát được nhiệt độ của bê tông

Hình 1-9: Tản nhiệt bằng hệ thống ống làm mát bơm nước tuần hoàn

Tổng quan đề tài 13

Hình 1-10: Hệ thống cooling pipes Hình 1-11: Hệ thống van điều khiển

1.3.2.4 Chọn thời điểm và thời gian đổ bê tông

Lựa chọn mùa đổ, buổi đổ tránh thay đổi nhiều về thời tiết như: nhiệt độ, độ ẩm, mưa, gió, v.v…

Nên đổ bê tông ban đêm lúc nhiệt độ môi trường thấp và ổn định

Trong trường hợp phải đổ bê tông trong thời tiết khắc nghiệt thì cần có biện pháp thi công thích hợp

1.4 Tình hình nghiên cứu

Một số lượng lớn các nghiên cứu về ứng suất nhiệt đã được thực hiện để kiểm soát và giảm thiểu các vết nứt ở tuổi sớm trong bê tông khối lớn Nhiều phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM) cũng đã được sử dụng để xác định

sự phân bố nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn

1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới

M Ishikawa (1991) [10] đã thực hiện phân tích nhiệt cho đập bê tông kiểu trọng lực với chương trình phần tử hữu hạn bằng phần mềm ADIAN Tatro và Schrader (1992) [11] đã trình bày các yếu tố thích hợp ảnh hưởng đến nứt nhiệt và trình bày hướng dẫn từng bước để tính toán khoảng cách, chiều rộng và vị trí của vết nứt bằng cách sử dụng các phương pháp tính toán thủ công và máy tính để bàn Waleed A.M

và cộng sự (2004) [12] đã trình bày một kỹ thuật phân tích dựa trên phần tử hữu hạn

để đánh giá nhiệt độ bên trong thân đập RCC bằng phương pháp FE hai chiều dựa trên công thức Taylor - Galerkin

Noorzaei và cộng sự (2006) [13] đã phân tích nhiệt và cấu trúc của đập RCC bằng cách sử dụng mã phần tử hữu hạn hai chiều Kyle A Riding và cộng sự (2006) [14] so sánh các giá trị nhiệt độ được tính toán từ ba phương pháp dự đoán nhiệt độ

bê tông thường được sử dụng: phương pháp tính toán nhiệt độ đơn giản (PCA), phương pháp đồ họa của ACI 207.2R [15], phương pháp truyền nhiệt số (Phương pháp Schmidt) với nhiệt độ thực tế trong tám bộ phận của cầu bê tông được đo trong quá trình xây dựng Herbert Abeka và cộng sự (2015) [16] đã có đánh giá về việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đòi hỏi tính toán tương đối nhiều hơn và các phương pháp ước lượng khác đã được khuyến nghị sử dụng khá thực tế, phải cân bằng giữa hiệu quả và độ chính xác của phương pháp được sử dụng so với tính thực

tế của phương pháp đã chọn

Adek Tasri và Anita Susilawati (2019) [17] đã nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nước làm mát, không gian giữa các ống làm mát đến sự phân bố nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong bê tông dựa loại bê tông, tính chất nhiệt và kích thước của các cấu kiện sau làm mát Miguel Cervera và các cộng sự [18] đánh giá nguy cơ về nứt nhiệt trong các công trình đập bê tổng, mô hình 2D của đập RCC ứng dụng các khía cạnh mô phỏng cơ học để xác định trường ứng suất bên trong đập Abdallah I Husein Malkawi

và các công sự [19] phân tích cấu trúc nhiệt kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn Đánh giá các ứng suất nhiệt gây ra được tính toán cho đập RCC, kiểm soát sự xuất hiện vết nứt nhiệt Ronaldo Luna và Yong Wu [20] sử dụng phương pháp số kiểm soát trường nhiệt trong việc xây dựng đập RCC Xây dựng mô phỏng nghiên cứu làm sao nhiệt độ và ứng suất thay đổi trong quá trình xây dựng đập Soo Geun Kim [21] nghiên cứu khả năng nứt của bê tông ở nhiệt độ cao, gây ra bởi sự phát sinh nhiệt từ hydrat hóa xi măng Đưa ra giải pháp giảm vết nứt nhiệt và đảm bảo an toàn cấu trúc đập Phương pháp nghiên cứu sử dụng phần tử hữu hạn thực hiện phân tích bằng phần mềm Ansys Kirill Semenov và các đồng nghiệp [22] nghiên cứu khả năng chống nứt nhiệt trong các cấu trúc bê tông lớn và cốt thép trong giai đoạn xây dựng nghiên cứu xem xét ảnh hưởng nhiệt độ làm cứng bê tông đối với các điểm vật lý và biến dạng nhiệt của nó

Tổng quan đề tài 15

A.V Bushmanova và các đồng nghiệp [23] sử dụng các mô hình cấu trúc một chiều trong phân tích trạng thái căng thẳng trong các cấu trúc bê tông bê tông lớn và cốt thép trong thời gian xây dựng Bài viết trình bày kết quả tính toán cho trạng thái căng thẳng trong các tấm nền lớn với các tỷ lệ kích thước mặt phẳng khác nhau Đánh giá ứng suất nhiệt độ trên bề mặt, so sánh trường nhiệt 1D và 2D ứng suất nhiệt dọc theo trục Nghiên cứu chưa có tính tin cậy cao khi chỉ mới dừng lại ở bài toán phẳng 1D và 2D

M.Briffaut và các đồng nghiệp [24] nghiên cứu về vết nứt do co rút tự sinh và khô, ngoài ra các nghiên cứu vết nứt do co rút nhiệt bị hạn chế Vết nứt tuổi sớm do

sự co rút hạn chế nhiệt (ảnh hưởng của tốc độ nhiệt độ), ảnh hưởng của các khớp gia

cố và kết nối đã được nghiên cứu Sử dụng mô phỏng và thực nghiệm đưa ra các đánh giá về các tham số vật liệu F.Benboudjema và J.M.Torrenti [25] phát triển mô hình

dự đoán vết nứt cho các cấu trúc bê tông lớn Dự đoán định lượng các ứng suất gây

ra nếu các chủng tự sinh hoặc nhiệt bị hạn chế Các phần tử ba chiều với các đặc tính khuếch tán và phân tán đã được sử dụng để mô hình hóa nước tuần hoàn Ngoài ra

mô phỏng số được ứng dụng để dự đoán ứng chính xác về vết nứt bên trong bê tông Piyius Raj Singh và Durgesh C Rai [49] sử dụng chương trình phần tử hữu hạn

ba chiều (3D), ABAQUS để mô phỏng nhiệt thủy hóa trong bê tông có kể đến cốt thép bằng hệ thống làm mát cưỡng bức và xác minh kết quả bằng dữ liệu thực nghiệm Phân tích phần tử hữu hạn cũng chỉ ra sự hiện diện của ứng suất nhiệt cao trong bê tông gần đường ống làm mát, chủ yếu là do gradient nhiệt độ khắc nghiệt và chênh lệch nhiệt độ So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng trường nhiệt được thực hiện đến 100h sai lệch không hơn 5 độ C Nhiệt độ gần ống giải nhiệt thấp hơn nhiệt độ chung của bê tông Việc đổ bê tông hàng loạt giới hạn tại những cấu trúc nhỏ, cần phát triển mô hình lớn hơn

Chao Zhang và cộng sự [50] mô hình 3D đơn giản được mô phỏng phân tích nguyên khối của đập bê tông vòm cao Dagangshan trong thời kỳ xây dựng Điều kiện khí hậu thực tế, hệ thống ống làm mát, lịch làm mát và đặc tính nhiệt của vật liệu được xem xét trong phân tích Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng phương pháp được

đề xuất có thể mô phỏng hiệu quả trạng thái đường ống làm mát, sự gia tăng nhiệt độ

của nước dọc theo dòng chảy và sự thay đổi hướng của dòng chảy trong trường nhiệt của bê tông khối lớn Hơn nữa, nhiệt độ được xác định bằng mô phỏng số phù hợp tốt với các giá trị quan trắc Kết quả thu được gradient nhiệt độ gần đường ống khác nhau tại các giai đoạn thời gian và nhiệt độ thấp hơn nhiều so với các vị trí xung quanh Vì vậy, nhiệt độ thủy hóa càng nhiều thì nhiệt độ gradient trong bê tông càng lớn Kết quả mô phỏng và kết quả của những sensor có sự sai số không hơn 1 độ C Việc kiểm soát nhiệt độ thực tế phức tạp như: thời gian làm mát, nhiệt độ nước vào nước ra và nhiệt độ không khí Dẫn đến sai số và phức tạp khi mô phỏng nên con nhiều hạn chế

Yonghui Huang và cộng sự [51] đã thử nghiệm mô hình phân đoạn tỷ lệ 1: 5 của cầu vòm, trường nhiệt độ và lịch sử thời gian nhiệt độ đối với bê tông lõi của trụ lớn do nhiệt thủy hóa gây ra đã được đo Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng để mô phỏng trường nhiệt độ hydrat hóa Các dữ liệu lịch sử thời gian nhiệt độ được thử nghiệm cho thấy nhiệt độ của bê tông tăng nhanh nhưng giảm chậm Các đường bao nhiệt độ được tính toán và đường cong lịch sử thời gian nhiệt độ cũng phù hợp với các đường được thử nghiệm, xác minh độ chính xác của mô hình FE Cuối cùng, mô hình FE đã được xác minh đã được sử dụng để thực hiện phân tích tham số nhằm khám phá ảnh hưởng của các thông số nhiệt đến quá trình phát triển nhiệt và một phương pháp kiểm soát nhiệt hiệu quả bằng phương pháp làm mát đường ống bằng nước lạnh, đã được đề xuất Kết quả đánh giá được tốc độ phát sinh nhiệt của

bê tông tại các điểm gắn sensor, sai số rơi từ 3%-12% khi so sánh mô phỏng với thực nghiệm, hệ thống ống giã nhiệt phương pháp đạt hiệu quả để giảm nhiệt độ bê tông Hạn chế của nghiên cứu chỉ thể hiện được một phần nhỏ kết quả tại một vài thời điểm nhất định

Guo An và công sự [54] đã sử dụng phương pháp Simplified cho việc dự đoán nhiệt độ và xây dựng hệ thống giám sát theo thời gian thực, so sánh kết quả giữa đo đạt và dự đoán khá tốt khi đổ bê tông sau 3h và 12h Lưu lượng nước từ đường ống chính đến từng nhánh không giống nhau, chỉ thu được dữ liệu từ những đường ống chính Ngoài ra giải thuật dựa trên những dự liệu thực nghiệm nhưng bị gián đoạn và

có độ trễ nên dẫn đến kết quả chưa có độ chính xác cao

Tổng quan đề tài 17

Tuy nhiên, các mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn về nhiệt bê tông khối lớn

đã được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu thu được từ thực địa cho cấu kiện đập, các bộ phận của cầu, hoặc khối bê tông có kích thước nhỏ

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây, ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về hiệu ứng nhiệt trong bê tông khối lớn bằng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, dự đoán vết nứt do nhiệt hydrat hóa trong bê tông

Trần Văn Miền và cộng sự (2018) [52] trình bày phương pháp mô phỏng xác định nhiệt độ trong khối móng, tính toán chỉ số gây nứt và dự đoán bề rộng vết nứt lớn nhất có thể xuất hiện trong kết cấu móng BTCT khối lớn của dự án Landmark 81 Nhiệt độ của khối móng được mô phỏng dựa trên phương trình truyền nhiệt Chỉ số gây nứt Icr và bề rộng vết nứt được tính toán dựa theo chỉ dẫn của JCI Hồ Ngọc Khoa, Vũ Chí Công (2012) [26] dự đoán quy luật, mức độ phát triển của trường nhiệt

độ và ứng suất trong khối bê tông thời gian đầu đóng rắn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Lưu Văn Thực và cộng sự (2020) [27] đã trình bày nghiên cứu phân bố vùng

bề mặt có nguy cơ nứt do nhiệt trong bê tông khối lớn bằng mô phỏng số Nguyễn Trọng Chức và cộng sự (2020) [28] nghiên cứu mô hình dự đoán toán học về chế độ nhiệt trong cấu kiện bê tông khối lớn có sử dụng hệ thống ống làm lạnh Trần Văn Miền, Nguyễn Hữu Phú (2022) [29] đã mô phỏng hệ thống ống làm mát bê tông cho cấu kiện dầm chuyển với một đoạn dầm nhỏ kích thướcB H L  lần lượt là 2.97m; 2.3m; 6.5m có theo dõi sự phát triển nhiệt độ trong khối bê tông được làm mát bằng

hệ thống ống giải nhiệt thực tế ở dự án

Các nghiên cứu trước đây, bài toán mô phỏng dự đoán nhiệt độ thường tập trung cho cấu kiện bê tông móng khối lớn, các nghiên cứu về kiểm soát nứt do ứng suất nhiệt trong các dầm chuyển còn hạn chế Vị trí kết cấu dầm chuyển thường nằm ở trên cao bị ảnh hưởng lớn đến tác động của điều kiện môi trường: gió, mưa… Bên cạnh đó, việc thi công bê tông dầm chuyển khối lớn gặp rất nhiều vấn đề: cấp phối bê tông mác cao (C40/50), bê tông phải đạt sớm cường độ để đảm bảo tiến độ thi công, năng lực nhà cung cấp bê tông tại địa phương Các yếu tố trên tác động lớn việc phát triển nhiệt độ bê tông dầm chuyển khối lớn sau khi đổ Ngoài ra, các nghiên cứu trong

nước còn hạn chế về việc so sánh giữa kết quả mô phỏng với kết quả đo nhiệt độ thực

tế của kết cấu bê tông khối lớn

Luận văn này trình bày kết quả mô phỏng dự đoán sự phát triển nhiệt độ của cấu kiện dầm chuyển BTCT khối lớn được lắp đặt hệ thống ống giải nhiệt (cooling pipe) bằng phương pháp phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn với điều kiện biên gần đúng với thực tế thi công và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu nhiệt độ theo dõi thực tế trên cấu kiện thực đã thi công Từ đó, đưa ra nhận xét một số vấn đề dẫn đến sai số giữa số liệu đo thực tế và kết quả mô phỏng

Cơ sở lý thuyết 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết truyền nhiệt

2.1.1 Phương trình vi phân chủ đạo của quá trình truyền nhiệt

Truyền nhiệt được định nghĩa như là truyền năng lượng nhiệt từ phần tử nhiều năng lượng của một vật thể sang phần tử ít năng lượng hơn bên cạnh Đồng thời, truyền nhiệt có hướng cũng như là độ lớn, tốc độ truyền nhiệt theo một hướng xác định tỷ lệ với gradient nhiệt độ, là tốc độ thay đổi nhiệt độ với khoảng cách theo hướng nào đó Truyền nhiệt trong khối chất, trường hợp tổng quát, là không gian ba chiều và phụ thuộc vào thời gian, và nhiệt độ trong khối thay đổi theo vị trí cũng như thời gian đang xét, T =T x y z t( , , , ) Vị trí của một điểm được xác định như (x y z, , )

trong hệ tọa độ Descartes ba chiều, (r, , z) trong hệ tọa độ trụ và (r, , ) trong hệ tọa độ cầu, trong đó các khoảng cách x y z, , và r và các góc  và được trình bày trong Hình 2-1 Hệ tọa độ tốt nhất cho một khối vật thể hình học nhất định là hệ tọa

độ mô tả tốt nhất các bề mặt của khối đó Yunus A Cengel và Afshin J Ghajar (2015) [30]

Hình 2-1: Khoảng cách và góc liên quan khi mô tả vị trí của một điểm trong các hệ

tọa độ khác nhau

Vấn đề truyền nhiệt thường được phân thành một chiều, hai chiều và ba chiều, phụ thuộc vào độ lớn tương đối giữa tốc độ truyền nhiệt trong những hướng khác nhau và mức độ chính xác yêu cầu Trong trường hợp tổng quát, truyền nhiệt thông qua khối vật chất thường là ba chiều, nhiệt độ phân bố suốt vật thể tại một thời gian xác định cũng như tốc độ truyền nhiệt tại bất kỳ vị trí nào trong trường hợp tổng quát được miêu tả bởi bộ ba tọa độ như x y, và z trong hệ tọa độ Descartes Trường phân

bố nhiệt độ trong trường hợp đó một lần nữa được nhấn mạnh lại T x y z t( , , , ) trong

hệ tọa độ tương ứng đang xét

Tốc độ truyền nhiệt qua môi trường theo một hướng xác định thường tỷ lệ với

sự chênh lệch nhiệt độ trên môi trường và diện tích pháp tuyến với hướng truyền nhiệt, nhưng lại tỉ lệ nghịch với khoảng cách theo phương đó Điều này được thể hiện dưới dạng vi phân theo định luật truyền nhiệt Fourier đối với truyền nhiệt một chiều như sau:

A: diện tích bề mặt truyền nhiệt

k : là hệ số truyền nhiệt của vật liệu, thước đo cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu đó;

Nhiệt thường được truyền theo hướng giảm nhiệt độ, và do đó gradient nhiệt thường âm khi nhiệt truyền theo chiều dương của trục tọa độ Để thu được quan hệ tổng quát cho định luật Fourier về dẫn nhiệt, xét một khối vật chất có bề mặt đẳng nhiệt mà sự phân bố nhiệt độ là ba chiều như trên Hình 2-2

Cơ sở lý thuyết 21

Hình 2-2: Vector truyền nhiệt luôn luôn pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt

Vecto truyền nhiệt tại một điểm P trên bề mặt đó phải vuông góc với bề mặt,

và nó phải hướng theo chiều nhiệt độ giảm dần Nếu nlà pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt tại điểm P, tốc độ truyền nhiệt tại điểm đó cáo thể biểu thị bởi định luật Fourier như:

Q Q và Q z : là độ lớn của tốc độ truyền nhiệt theo các hướng x− −,y và z −

trong đó có thể được xác định từ định luật Fourier như sau:

y T

Hình 2-3: Phần tử hình hộp chữ nhật tách từ khối bê tơng khối lớn

Sự cân bằng năng lượng trên phần tử vi phân này trong một khoảng thời gian nhỏ dtcĩ thể diễn đạt như sau:

Tốc độ Tốc độ Tốc độ Tốc độ

truyền nhiệt nhiệt sinh ra thay đổi hàm