VẬT LÝ KIẾN TRÚC THIẾT KẾ NỀN NHÀ CHỐNG NỒM

BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG NỒM Hiện tượng nồm thường xảy ra trong điều kiện đặc thù của khí hậu miền Bắc, thường vào cuối đông đầu Xuân (từ tháng 2 đến tháng 4 hàng năm). Hiện tượng nồm xảy ra khi: Điều kiện hình thành nồm Hiện tượng nồm chỉ xảy ta khi thoả mãn đồng thời 4 điều kiện sau: Có thời gian lạnh đủ dài trước khi có hiện tượng nồm xảy ra. Vì mọi vật đều có tính ổn định nhiệt càng lớn, nhiệt độ của bề mặt VL sẽ biến đổi chậm hơn nhiệt độ không khí xung quanh

Chơng 8 Thiết kế nền nhà chống nồm 8.1 Khái niệm

1 Bản chất hiện tợng của nồm

Hiện tợng nồm thờng xảy ra trong điều kiện đặc thù của khí hậu miền Bắc, thờng vào cuối đông đầu xuân (từ tháng 2 đến tháng 4 hàng năm) Hiện tợng nồm xảy ra khi:

τbm ≤ ts

2 Điều kiện hình thành nồm

Hiện tợng nồm chỉ xảy ra khi thoả mãn đồng thời 4 điều kiện sau:

1) Có thời gian lạnh đủ dài trớc khi có hiện tợng "nồm" xảy ra Vì mọi vật

đều có tính ổn định nhiệt (sức ì về nhiệt đợc đặc trng bằng đại lợng chỉ số quan tính nhiệu D hoặc độ ổn định nhiệt bề mặt Y) càng lớn, nhiệt độ của bề mặt VL

sẽ biến đổi chậm hơn nhiệt độ kk xung quanh, thì sẽ có hiện tợng τbm ≤ ts

2) Có sự thay đổi đột ngọt từ lạnh chuyển sang nóng ẩm, và độ ẩm của môi trờng không khí cao (ϕ ≥ 85%)

3) Có sự trao đổi không khí giữa trong và ngoài nhà (mở cửa) Đây là nguồn cung cấp hơi ẩm cho quá trình ngng tụ hơi nớc trên bề mặt nền nhà

4) Quá trình ngng tụ hơi nớc từ không khí trên bề mặt kết cấu nhanh hơn quá trình bốc hơi nớc từ bề mặt kết cấu và thẩm thấu nớc vào trong kết cấu

Thực nghiệm cho thấy, nếu thoả mãn cả 4 điều kiện trên thì chỉ cần nhiệt

độ không khí ngoài nhà lớn hơn nhiệt độ không khí trong nhà khoảng 0,7 - 1,50C

là có thể xảy ra hiện tợng nồm rồi Nhng nếu nhiệt độ không khí ngoài nhà chỉ tăng từ từ, mà không tăng đột ngột, thì cho dù sự chênh lệch nhiệt độ giữa trong

và ngoài có thẻ cao hơn vẫn không xảy ra hiện tợng nồm

8.2 phơng pháp tính toán khả năng chống nồm của nền nhà có nhiều lớp

8.2.1 Một số chỉ tiêu thiết kế sàn chống nồm

1 Chỉ tiêu hiệu quả chống nồm của sàn:

Khả năng chống nồm của sàn đợc xác định theo biểu thức thực nghiệm sau:

∆t = 0,735 InY - 1,383 (8.1)

Nền có khẳn năng chống nồm tốt là loại nền đợc cấu tạo sao cho

∆t=τbm ≤ ts

2 Chỉ tiêu sàn chống nồm tốt:

∆t > + 0,05

λtd ≤ 0,35

Trong đó:

∆t=τbm - ts - Chênh lệch nhiệt độ bề mặt nền nhà và nhiệt độ điểm sơng của không khí

Y - hệ số ổn định nhiệt bề mặt của kết cấu tính bằng Kcal/m2 h0C Đợc tính nh sau;

- Chỉ số quán tính nhiệt của kết cấu nhiều lớp đợc xác định nh sau:

D = ΣRiSi (8.3)

- Hệ số ổn định nhiệt bề mặt của các lớp kết cấu "dày" và "mỏng" đợc tính

nh sau:

1 Lớp kết cấu dày Di ≥ 1:

Yi = Si

2 Lớp kết cấu mỏng Di < 1:

- Nếu cộng thêm lớp tiếp theo, kết cấu trở thành dày (Di + Di ≥ 1) thì:

Yi = …………

λtd - Hệ số dẫn nhiệt tơng đơng của nền nhà có cấu tạo của nhiều lớp, kcal/m2h.h.0C

Khi có hiện tợng nồm, nhiệt truyền từ bề mặt sàn xuống theo thứ tự các lớp (1, 2 i, i+1 m) theo hình 8.1 … … …

Thông thờng, khi thiết kế dàn chống nồm, phải chọn vật liệu sao cho chỉ cần 2 - 3 lớp vật liệu là đã đảm bảo ΣDi ≥ 1

8.2.2 Thiết kế sàn chống nồm

1- Nguyên tắc cơ bản chống nồm cho sàn:

- Hạ thấp nhiệt độ không khí (tơng đơng với việc hạ thấp nhiệt độ điểm

s-ơng xuống thấp hơn nhiệt độ bề mặt KC)

- Giảm độ ẩm trong không khí

- Nâng nhiệt độ bề mặt KC cao hơn nhiệt độ điểm sơng

- Chọn Y, λtd = min

Chơng V

Trạng thái ẩm ớt và độ bền lâu của kết cấu bao che và tính toán truyền ẩm qua kết cấu bao che

5.1 Khái niệm

- t, ϕ, v có ảnh hởng rất lớn đến cảm giác nóng lạnh của con ngời, đến bảo quản hàng hoá, thiết bị và chế độ bền lâu của kết cấu công trình

- t, ϕ trong môi trờng càng cao tốc độ ô xy hoá của vật liệu càng nhanh Nếu bề mặt các kết cấu của các nhà máy hoá chất bị ẩm ớt sẽ dẫn đến sự

ăn mòn kim loại (vì trên bề mặt kết cấu thờng có bụi hoá chất bám vào, các chất này có tính kiềm hoặc axit) Ví dụ:

ϕ ≤ 65% tác dụng ăn mòn hoá học rất yếu

ϕ = 70 - 90% tác dụng ăn mòn hoá học mạnh hơn

ϕ ≥ 95% tác dụng ăn mòn hoá học rất mạnh

- Độ ẩm lớn làm cho môi trờng có tính dẫn điện, nhất là khi trong không khí có chứa nhiều CO2, clorua hay muối sunphát…

- Không khí ẩm  bề mặt kết cấu sinh ra nấm mốc, rêu, vi sinh vật, vật liệu kết cấu sẽ bị phá huỷ

- Các vật liệu gỗ, giấy khi bị ẩm … ớt sẽ biến dạng không đều  nứt nẻ

và bị phá huỷ

Đặc biệt xứ lạnh, khi đóng băng nớc sẽ có thể tích lớn hơn ở ≈ 40oC  kết cấu bị phá huỷ rất nguy hiểm

Tóm lại : độ bền lâu của các kết cấu bao che công trình phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và trạng thái ẩm ớt của nó

5.2 Trạng thái ẩm ớt của kết cấu bao che.

5.2.1 Nguyên nhân gây ẩm :

Xét về mặt thấm nớc, có thể phân kết cấu thành 2 loại:

- Vật liệu thấm nớc (thấm ẩm): gỗ, gạch, ngói, bê tông…

- Vật liệu không thấm nớc: đá, kim loại, chất dẻo…

Kết cấu bao che thờng đợc làm từ cả hai loại này, nên thờng trong kết cấu bao che bao giờ cũng chứa một lợng nớc hoặc hơi nớc nhất định

Những nguyên nhân gây ra trạng thái ẩm ớt của kết cấu:

- Lợng nớc có sẵn trong vật liệu

- Lợng nớc giữ lại trong quá trình thi công

- Lợng nớc đợc hút từ nền đất lên do hiện tợng mao dẫn

- ẩm thời thiết

- Nớc ma thấm vào kết cấu, ma hắt

- Hiện tợng đọng sơng

- Do quá trình sử dụng nhà (ma hắt)…

5.2.2 Sự liên kết giữa ẩm và vật liệu xây dựng

Dựa vào liên kết giữa nớc và vật liệu, viện sĩ R.A Robinder đã chia thành

ba dạng ẩm sau đây:

- ẩm liên kết là dạng hoá hợp: là lợng nớc cần thiết cho các phản ứng hoá học để tạo thành vật liệu mới

+ Ví dụ: xi măng ninh kết

+ Để đá vôi tôi thành vôi nớc

- ẩm liên kết theo dạng hoá lý: là các màng hấp phụ trên bề mặt các lỗ và trong các ống nhỏ ly ty trong vật liệu, chứa không khí ẩm

Tác dụng: Nâng cao tính vững chắc của vật liệu (ví dụ đối với vật liệu bê tông trong giai đoạn đầu sử dụng)

- ẩm liên kết theo dạng cơ lý: ẩm ngng tụ - ẩm này đợc giữ trong các lỗ rỗng và các mao quản trong vật liệu thấm nớc Đây là dạg ẩm trong vật liệu xây dựng mà chúng ta cần nghiên cứu và xử lý Lợng ẩm này có thể chuyển dịch trong vật liệu do chênh lệch áp lực và bốc hơi từ bề mặt vật liệu trong quá trình khô tự nhiên

Năng lợng liên kết của loại nớc này đợc xác định theo công thức:

Công thức:………

R- hằng số chất khí R = 0,06236 (mmHg.cm3.độ.gam phân tử)

E- áp suất hơi nớc bão hoà của nớc tự do trên bề mặt vật liệu (mmHg)

e - áp suất hơi nớc thực tế trên bề mặt vật liệu (mmHg)

ϕ = - Độ ẩm tơng đối của không khí (5)

T: nhiệt độ tuyệt đối của vật liệu (0K)

5.3 Sự truyền ẩm trong vật liệu xây dựng theo thuyết khuếch tán ẩm

Vật liệu thấm nớc (thấm ẩm) để trong môi trờng tự nhiên bao giờ cũng chứa một lợng ẩm nhất định

Gọi W là dung ẩm của vật liệu, tính theo công thức:

………

Hoặc bằng lợng tơng đối

………

Pm - Trọng lợng của vật liệu để khô trong môi trờng tự nhiên

Pk - Trọng lợng của vật liệu khô tuyệt đối (t ≥ 105 oC)

Chúng ta chỉ xác định: Khi ẩm trong vật liệu ở trạng thái nớc ngng tụ trong các lỗ hổng và mao quản thì sự dịch chuyển ẩm chủ yếu là do lực mao dẫn

và chênh lệch áp suất nớc giữa các điểm, còn khi nhả ẩm thì do sự bốc hơi nớc

bề mặt quyết định Trong trờng hợp này có thể coi chênh lệch dung ẩm W (g/kg)

là thế ẩm

Lợng ẩm chuyển dịch trong vật liệu đợc xác định theo định luật Furie

…………

Quá trình khuếch tán ẩm xuyên qua vật liệu chủ yếu do sự chênh lệch nhiệt độ (t) và áp suất (e) ở 2 phía kết cấu gây ra

Quá trình khuếch tán ẩm trong kết cấu thờng xảy ra rất chậm chạp và chỉ xảy ra khi giữa các điểm của vật liệu có sự chênh lệch áp suất hơi nớc (e)

Lợng ẩm G khuếch tán đi qua bề mặt trong kết cấu đợc xác định trong công thức sau:

G = βt (et - emt) g/m2.h

Trong dó:

et: áp suất hơi nớc của không khí trong nhà

emt: áp suất hơi nớc trên bề mặt kết cấu

βt: Hệ số trao đổi ẩm trên bề mặt trong kết cấu g/m2.h.mm.Hg

ẩm trở trên mặt trong kết cấu đợc định nghĩa

………

Trong đó:

E: áp suất hơi nớc bão hoà

e: áp suất hơi nớc của vật liệu đang xét

αβ =

αđ - Hệ số trao đổi nhiệt bằng đối lu

C - Tỷ nhiệt của không khí = 0,24

γ - Trọng lợng đơn vị thể tích của không khí γ< 1 kg/m3kk

Từ công thức (5.7) ứn với τ1 = 250C (điều kiện tiêu chuẩn) tính đợc ẩm trở trên bề mặt của kết cấu ẩm trở mặt trong và ẩm trở mặt ngoài kết cấu đợc xác

định nh sau:

Bảng 5.1 Bảng tính ẩm trở trên bề mặt trong kết cấu

Đặc tính ẩm của phòng Độ ẩm không khí ở

gần kết cấu (%)

Rat, (mmHg,

m2.h/g) Tờng phía hành lang trống, không

có nắng chiếu vào, không có ma

hắt

Rất khô, có lợng nhiệt thừa lớn 25 0,98

Khi bề mặt kết cấu luôn luôn có

n-ớc ngng đọng (đọng sơng bề mặt)

- Xác định Ran:

+ Khi tốc độ gió ngoài nhà nhỏ (vn ≤ 1 m/s):Ran = 0,25

+ Khi tốc độ gió ngoài nhà trung bình (vn = 2-3 m/s):Ran = 0,12

+ Khi tốc độ gió ngoài nhà lớn (vn = 4-5 m/s):Ran = 0,06

- Lợng ẩm khuếch tán đi qua toàn bộ KC

- Lợng ẩm khuếch tán đi qua KC thứ i (từ mựt này -> mặt kia)

-Trong các công thức trên:

Rao = Ra1 + Ra2 + + R… ai + Ran = Rat + d1/à1 + + d… i/ài + Ran

Rao - Tổng ẩm trở cảu KCBC

Ra1 R… ai - ẩm trở của các lớp KCBC

áp suất hơi nớc ở bề mặt trong VL thứ i:

………

eo, en: áp suất hơi nớc không khí trong và ngoài nhà

ei, ei-1: áp suất ỏ bề mặt trớc và sau lớp vật liệu thứ i

5.4 Xác định vùng nớc ngng tụ (đọng nớc) trong nội bộ kết cấu

Khái niệm: Khi áp suất riêng của hơi nớc trong kết cấu (ei) vợt quá áp suất hơi nớc bão hoà E tơng ứng với nhiệt độ phân bố trong kết cấu thì hơi nớc ngng

tụ thành nớc nằm trong kết cấu Đây là một hiện tợng xấu, làm giảm độ bền vững và hạ thấp khả năng cách nhiệt của kết cấu

Phơng pháp thuận tiện nhất để xét khi ẩm xuyên qua kết cấu có thể gây ra ngng tụ nớc hay không là phơng pháp biểu đồ của F.V.Uskov

Phơng pháp biểu đồ của F.V.Uskov

- Vẽ đờng phân bố áp suất hơi nớc (e) và nhiệt độ (t) biến thiên trong nội

bộ kết cấu

- Dựa vào đờng cong biến thiên t0  đờng cong biến thiên E (áp suất hơi nớc bão hoà) trong kết cấu (phụ lục 4) hoặc biểu đồ I-d

- Nếu đờn cong e nằm phía trên hoặc có cắt nhau với đờng E thì nội bộ kết cấu sẽ có hiện tợng ngng tụ hơi nớc

- Nếu đờng cong e nằm dới đờng cong E thì không có ngng tụ nớc trong nội bộ kết cấu

Kết cấu 1 lớp : Đờng phân bố "e" là một đờng thẳng (từ tn,tt -> đờng E)

- Giao điểm của đờng thăng "e" với mặt ngoài và mặt trong kết cấu ta đợc tiêu điểm trái (A0 và tiêu điểm phải (B) của biểu đồ Vì độ ẩm biến thiên liên tục nên:

- Từ A và B vẽ 2 đờng tiếp tuyến với đờng cong E Giao điểm của 2 đờng tiếp tuyến với E là A' và B' Từ đấy ta xác định đợc giới hạn phạm vi ngng tụ n-ớc

- Đoạn đờng hợp bởi hai đoạn tiếp tuyến và đoạn đờng cong giữa A' và B' (do E tạo nên) chính là đờng biểu diễn áp lực hơi nớc thực tế trong nội bộ kết cấu

Trờng hợp kết cấu nhiều lớp:

- Để tìm tiêu điểm, phải làm đờng e trở hành đờng thẳng Chuyển mặt cắt

từ tỷ lệ chiều dày các lớp sang tỷ lệ ẩm trở các lớp (d ->Rai)

- Nếu đờng e thấp hơn đờng E -> không có hiện tợng ngng đọng nớc

- Nếu đờng e cắt hoặc cao hơn đờng E -> có hiện tợng ngng đọng nớc Bài tập 5.2 Cho kết cấu tờng gồm 3 lớp nh bài tập 5.1 Phơng án a - sắp xếp các lớp từ trong ra ngoài nh bài tập 5.1 Phơng án B - sắp xếp các lớp đổi

ng-ợc lại (lớp bê tông cốt thép để trong cùng, phía ngoài của tờng là lớp vữa trát)

Điều kiện khí hậu ở trong và ngoài đối với hai phơng án là nh nhau

Hãy so sánh giữa hai phơng án a và b về trạng thái nhiệt ẩm, xem phơng

án nào tốt hơn

Giải

5.5 tác động xâm thực của môi trờng lên kết cấu bao che

Trong môi trờng đặc biệt là trong nền công nghiệp phát triển , có nhiều hơi nớc, kiềm và muối thờng gây ra hiện tợng kết cấu bao che bị xâm thực

Trong bất kỳ một môi trờng xâm thực nào sự phá hoại vật liệu xây dựng phụ thuộc vào tốc độ của hai quá trình sau:

1 Tốc độ xuyên thấu của các chất xâm thực vào bề mặt kết cấu

2 Tốc độ bị phá hoại của vật liệu khi bị chất xâm thực tác động

Hai quá trình trên xảy ra dễ dàng ở độ ẩm cao và to cao Đặc biệt hiện nay trong môi trờng có nhiều khí SO2, và NO2… dẫn đến ma axit và vùng gần biển, trong không khí gần biển có mang theo muối nên các chất xâm thực rất nguy hiểm

Tác động phá hoại của môi trờng xâm lợc rất mạnh và nhiều khi gây tác hại lớn, nghiêm trọng cho công trình xây dựng Vì vậy khi thiết kế và xây dựng

phải thấy hết nguyên nhân gây ra những tác động phá hoại để tìm ra các biện pháp cấu tạo thích hợp

5.6 Độ bền lâu của kết cấu ngăn che

1 Độ bên lâu của kết cấu ngăn che

Độ bền lâu của công trình là độ dài thời gian (tuổi thọ) của công trình Nghĩa là theo độ dài thời gian, dới tác dụng của môi trờng xung quanh nh dao động nhiệt độ, độ ẩm, ma nắng và môi tr… ờng xâm thực v.v mà công… trình vẫn giữ đợc độ vững chắc về các đặc tính cơ lý của chúng, không phải sửa chữa hoặc thay thế bằng các cấu kiện mới

Thông thờng độ bền lâu của kết cấu bao che bị h hại nhanh là vì các hệ vết rạn nứt do ứng suất vợt quá độ bền lâu của kết cấu Các ứng suất đó thờng do tr-ờng nhiệt và trtr-ờng ẩm phân bố không đều trong kết cấu gây ra, đặc điểm đối với các kết cấu có kích thớc lớn, lại chịu ma nắng thờng xuyên

Đại lợng dùng đánh giá mức độ h hại của kết cấu:

………

Trong đó:

σ: ứng suất của vật liệu ứng với gradient t hoặc ϕ

∆ - gradient t hoặc ϕ theo chiều dày của kết cấu

α - hệ số dãn nở nhiệt của kết cấu

L - Kích thớc đặc trng của kết cấu

E- Mô dun đàn hồi của kết cấu (kg/cm)

n - Số lần chu kỳ tác dụng/ năm (của t và ϕ)

H - Phụ thuộc vào tính chất vật liệu, đợc xác định bằng thực nghiệm

Ví dụ: Nghiên cứu mức độ h hại của giấy dầu đặt trên mái nhà

- ở Châu Âu từ 10 - 15 năm

- ở Việt Nam cỡ 2 - 4 năm

2 Các biện pháp nâng cao độ bền của nhà

Độ bền của nhà phụ thuộc vào:

- Chất lợng vật liệu

- Giải pháp kết cấu

- Tính chất của các lớp bảo vệ mặt ngoài kết cấu

- Các biện pháp hạn chế tác động của các nhân tố khí hậu đến công trình.