NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Trong quá trình đổ bê tông khối lớn, thường xảy ra hiện tượng nhiệt thủy hóa bê tông, nghĩa là khi bê tông ninh kết chuyển từ thể lõng sang thể rắn, do sự thủy hóa của xi măng, một lượng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

KIỀU QUỐC LAI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng, Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

KIỀU QUỐC LAI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: : 8.58.02.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS VÕ DUY HÙNG

Đà Nẵng, Năm 2018

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Kiều Quốc Lai

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 3

1.1 Tổng quan về Cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi 3

1.2 Nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn 6

1.2.1 Các yếu tố gây nứt bê tông khối lớn 7

1.2.2 Các giai đoạn nứt bê tông khối lớn 9

1.2.3 Biện pháp phòng chống nứt bê tông 10

1.2.4 Các lưu ý hạn chế nứt trong thi công bê tông khối lớn 14

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu 18

1.4 Những vấn đề cần giải quyết 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT THỦY HÓA 20

2.1 Thủy hóa trong xi măng 20

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt thủy hóa 23

2.2.1 Phân tích truyền nhiệt 23

2.2.2 Phân tích ứng suất nhiệt 25

2.3 Giới thiệu về phần mềm Midas 26

2.4 Cơ sở phân tích tác động của nhiệt thủy hóa bằng Midas civil 27

2.5 Cơ sở phân tích bằng phần tử hữu hạn 27

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT THỦY HÓA ĐẾN THI CÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI 33

3.1 Thông số thiết kế của tháp cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi 33

3.2 Phân tích các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến thi công tháp cầu Cửa Đại 35

3.2.1 Mô hình hóa trên Midas Civil 35

3.2.2 Phân tích kết quả 43

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)

NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA Học viên: Kiều Quốc Lai Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 8.58.02.25 Khóa:K34 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt -Thế giới đã nghiên cứu về tác động của nhiệt thủy hóa gây ra trong bê tông

khối lớn, trong các công trình giao thông, thủy lợi … Ở Việt Nam hiện nay, ngày càng nhiều công trình lớn được xây dựng, trong đó có những cây cầu bắt qua các con sông lớn với bước nhịp lớn, kéo theo phải thi công những trụ tháp cao với bệ móng trụ rất lớn Cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi là một trong các trường hợp đó Vì vậy, việc nghiên cứu các ứng xử của bê tông tháp cầu do nhiệt thủy hóa gây ra là đặc biệt quan trong Nghiên cứu này được đề xuất nhằm đưa ra các vấn đề có thể xảy ra trong quá trình thi công cầu Cửa Đại Từ các vấn đề này ta có thể đưa ra các giải pháp để hạn chế các vết nứt trong bê tông khối lớn Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được

và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa - Nhiệt thủy hóa, bê tông khối lớn, cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi, ứng

suất gây nứt

Abstract - The world has studied the effects of hydrothermal heat caused in large

mass concrete, in traffic, irrigation constructions Nowadays, in Vietnam, more and more large projects are being built, including bridges spanning large rivers with large steps, followed by the construction of towers with huge piers Cua Dai Bridge in Quang Ngai province is one of those cases Therefore, the study of the behavior of radiant bridge concrete caused by hydrothermal heat is particularly important This research is proposed to give possible problems during construction of Cua Dai Bridge From these issues we can offer solutions to limit cracks in large concrete blocks The author has summarized the results achieved and set out the direction for further development

Key words – Heat of hydration, mass concrete, Cua Dai Bridge - Quang Ngai

Province, crack stress

Số hiệu

1.2 Sự phát triển của nhiệt thuỷ hoá trong lòng bê tông khối lớn có thể

3.15 Quy trình phân tích trường nhiệt độ, ứng suất trong bê tông khối

3.17 Vị trí các nút trên mô hình dùng phân tích 43

3.19 Biểu đồ nhiệt độ tại nút N2727 (tại tâm bệ) 44 3.20 Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 10giờ 45

hình

3.31 Biểu đồ ứng suất tại nút N2727 (tại tâm bệ) 49 3.32 Biểu đồ ứng suất tại nút N4759 (nút bề mặt) 50 3.33 Biểu đồ ứng suất tại 2 nút N2745 và N4772 50

3.38 Trường ứng suất lúc nhiệt độ cao nhất (72 giờ) 52

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển công nghệ hiện đại trong thi công cầu trên thế giới nói chung, Việt Nam chúng ta cũng đang có những công trình cầu hiện đại, với quy mô lớn, khả năng vượt nhịp lớn Ví dụ như cầu Mỹ Thuận, cầu Cần Thơ, cầu Thị Nại, cầu Thuận Phước, cầu Bãi Cháy… ngoài các cầu treo dây văng, dây võng, ở nước ta cũng đã xây dựng các cây cầu với công nghệ EXTRADOSED, trong đó có cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi vừa được khởi công xây dựng vào đầu năm 2018, bắt qua sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi Để xây dựng được những cây cầu có quy mô lớn như vậy thì bên cạnh đó phải có hệ thống móng, trụ tháp với kích thước lớn Trong quá trình đổ bê tông khối lớn, thường xảy ra hiện tượng nhiệt thủy hóa bê tông, nghĩa là khi bê tông ninh kết chuyển từ thể lõng sang thể rắn, do sự thủy hóa của xi măng, một lượng nhiệt lớn sinh ra làm cho nhiệt độ bê tông tăng lên, sự chênh lệch nhiệt độ lớn so với bên ngoài, gây nên ứng suất nhiệt làm nứt nẻ bê tông, ảnh hưởng lớn đến chất lượng của công trình Qua đó, câu hỏi đặt ra nhu cầu bức thiết là làm thế nào để biết được quá trình phát sinh nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn, từ đó tránh xảy ra những hiện tượng nứt nẻ bê tông khi đổ bê tông Đồng thời, việc nghiên cứu nhiệt thủy hóa trong bê tông còn là cơ sở để đề xuất các biện pháp đối phó để nâng cao chất lượng công trình Do đó, việc nghiên cứu ứng xử của bê tông do nhiệt thủy hóa gây ra trong thi công tháp cầu, phân tích các đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị của bê tông trụ tháp cầu là có cơ sở và ý nghĩa thiết thực Đặc biệt, cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi là một cầu lớn gồm 5 tháp với khối lượng bê tông là rất lớn, đặc biệt là lượng bê tông cho bệ tháp Do đó, việc tiến hành các phân tích nghiên cứu ứng xử của bê tông tháp cầu Cửa Đại do nhiệt thủy hóa là hết sức cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

a Mục tiêu tổng quát

- Nghiên cứu quá trình nhiệt thủy hóa trong thi công trụ tháp cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi Đồng thời đưa ra và đánh giá các ứng xử về ứng suất, chuyển vị nứt so với ứng suất cho phép của bê tông tháp cầu

- Đề xuất biện pháp để giảm nhiệt độ bê tông trong trụ cầu sau khi đổ bê tông

- Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

b Mục tiêu cụ thể

- Phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị của bệ trụ tháp cầu

- Đề xuất quan hệ ứng suất tính toán so với ứng suất gây nứt (Crack ratio), các đồ thị

- Các biện pháp hạn chế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu: Nhiệt thủy hóa - tháp cầu Cửa Đại - Quảng Ngãi

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đánh giá các tác động của nhiệt thủy hóa trong quá trình đổ bê tông tháp cầu

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu có liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phục vụ đề tài

- Mô hình kết cấu tháp cầu bằng phần tử tấm và khối trong phần mềm Midas

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

- Xác định được sự ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến các ứng xử của Tháp cầu Cửa Đại - Quảng Ngãi

- Xác định thay đổi nhiệt độ và ứng suất trong quá trình đông cứng bê tông

- Đưa ra các khuyến cáo về tác động của nhiệt thủy hóa đến bê tông khối lớn trong thi công Tháp cầu Cửa Đại- Quảng Ngãi

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 Giới thiệu Tổng quan đề tài

Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán tác động của nhiệt thủy hóa

Chương 3 Phân tích các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến thi công tháp cầu Cửa

Đại, tỉnh Quảng Ngãi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về Cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi

Cầu Cửa Đại nằm trong quy hoạch tuyến đường ven biển Việt Nam đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 129/QĐ-TTg ngày 18/01/2010 Đây là công trình quan trọng kết nối giao thông của khu vực ven biển các tỉnh, thành phố trong khu vực Vùng kinh tế trọng điểm miền Trung; không chỉ góp phần khai thác có hiệu quả tài nguyên biển và vùng ven biển mà còn tăng cường củng cố quốc phòng, an ninh nhằm bảo vệ vững chắc chủ quyền biển đảo của đất nước;

Mặt khác, cầu Cửa Đại được đầu tư xây dựng sẽ góp phần quan trọng vào việc

mở rộng không gian đô thị, là điểm nhấn về kiến trúc bố trí không gian của thành phố Quảng Ngãi trong tương lai với mục tiêu xây dựng thành phố Quảng Ngãi mở rộng thành “thành phố hướng biển”;

Vì vậy, việc đầu tư xây dựng cầu Cửa Đại là hết sức cần thiết, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội khu vực ven biển tỉnh Quảng Ngãi, kết nối và phát triển vùng ven biển duyên hải miền Trung, phân luồng giao thông, giảm áp lực cho Quốc lộ 1, giữ vững quốc phòng, an ninh biển đảo; tạo điều kiện lưu thông thuận lợi, rút ngắn thời gian đi lại của nhân dân;

Dự án Đầu tư xây dựng công trình cầu Cửa Đại đã được UBND tỉnh Quảng Ngãi phê duyệt tại quyết định số 468/QĐ-UBND ngày 20/03/2017

Hiện nay, Cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi được khởi công xây dựng vào đầu năm

2018, bắt qua sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi Để xây dựng được những cây cầu có quy

mô lớn như vậy thì bên cạnh đó phải có hệ thống móng, trụ tháp với kích thước lớn

- Các thông số kỹ thuật của cầu:

Nguyên tắc thiết kế

Tuân thủ qui mô và tiêu chuẩn kỹ thuật trong bước Dự án đầu tư đã được phê duyệt Vị trí cầu phù hợp với quy hoạch đã được duyệt của tỉnh Quảng Ngãi

Công trình thiết kế với tuổi thọ 100 năm, có kết cấu thanh thoát phù hợp với quy

mô của tuyến đường và cảnh quan kiến trúc xung quanh

Đáp ứng được các yêu cầu quy hoạch phát triển tương lai của đô thị, thuỷ lợi, môi trường, dân sinh…

Ít ảnh hưởng đến dân sinh Đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho các công trình lân cận

Phát huy được khả năng và sử dụng các thiết bị thi công của các đơn vị trong nước, đồng thời áp dụng hợp lý các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong xây dựng công trình giao thông

Đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ kiến trúc công trình Có các chỉ tiêu kinh tế hợp lý Đảm bảo thoát lũ tính toán với tần suất 1%, không gây ngập cầu, đảm bảo an toàn không gây ngập các khu dân cư

Giải pháp thiết kế

Căn cứ quyết định phê duyệt dự án đầu tư, quy mô đầu tư xây dựng cầu được hoạch định như sau:

Bố trí chung toàn cầu:

Cầu gồm 37 nhịp bố trí từ phía đầu tuyến sang cuối tuyến theo sơ đồ như sau: (39+4x40) + (6x40) + (5x40+39) + (75+4x120+75) + (39+4x40) + (5x40) + (3x40+39)m Chiều dài toàn cầu Lc= 1876.8m

Đoạn đầu cầu (phía mố M0) dốc dọc i=3%, tiếp tuyến đường cong đứng R=6000m, tiếp theo tiếp dốc i=2% để tiếp tuyến với đường cong đứng giữa cầu R=5000m Trắc ngang cầu phía cuối tuyến được thiết kế đối xứng qua tim cầu về phía

mố M37 Dốc ngang cầu in=2% về 2 phía

Cầu dẫn Cầu chính

4 Dải an toàn hai bên phân cách giữa cầu 2x0,5=1,0 2x0,5=1,0

5 Dải an toàn hai bên lề bộ hành khác mức 2x0,5=1,0 2x0,5=1,0

Kết cấu phần trên

Toàn cầu gồm 01 liên dầm EXTRADOSED 6 nhịp và 31 nhịp dẫn giản đơn super T bằng BTCT DƯL

Mỗi bó cáp gồm 19 tao cáp song song

Hệ thống bó cáp dây văng và các phụ kiện kèm theo được nhập ngoại đồng bộ

Phần cầu dẫn:

Các nhịp dầm dẫn bằng BTCT DƯL giản đơn tiết diện Super T, L=38,0m, mặt cắt ngang gồm 9 phiến dầm chủ đặt cách nhau a=2,2m, chiều cao dầm h=1,75m Liên kết các phiến dầm bằng bản BTCT mặt cầu đổ tại chỗ dày tối thiểu 17,5cm

Tổng bề rộng mặt cầu B=20,0m, nhịp dầm tiếp giáp phần cầu chính được vuốt nối êm thuận với phần cầu chính B=22m

Các nhịp dầm được chia thành các chuỗi liên tục nhiệt bản mặt cầu để tạo êm thuận

Kết cấu phần dưới

Mố M0 dạng thân đặc bằng BTCT đổ tại chỗ, móng cọc khoan nhồi D=1,2m

Mố M37 tiếp giáp tường chắn hộp, dạng thân đặc bằng BTCT đổ tại chỗ, móng cọc khoan nhồi D=1,2m

Trụ cầu dẫn: Dạng thân hẹp bằng BTCT, xà mũ trụ được thiết kế DƯL, móng cọc khoan nhồi D=1,2m

Trụ cầu chính gồm 2 loại:

Trụ T18, T22: Dạng trụ đặt gối, đoạn dưới thân đặc bằng BTCT phía trên đỉnh thiết kế loe để đỡ gối cầu Phần cột tháp phía trên bằng BTCT được ngàm cứng với khối đỉnh trụ và được thiết kế cách điệu hình ngọn đuốc tạo mỹ quan với chiều cao 20m (tính từ đỉnh mặt cầu), móng cọc khoan nhồi D=1.5m

Trụ T19, T20, T21: Được thiết kế ngàm cứng với hệ dầm liên tục, kiểu dáng trụ giống như trụ T18, T22 Phần cột tháp phía trên bằng BTCT bố trí tại giữa mặt cắt

ngang cầu, được ngàm cứng với khối đỉnh trụ và được thiết kế cách điệu hình ngọn đuốc tạo mỹ quan với chiều cao 20m (tính từ đỉnh mặt cầu), móng cọc khoan nhồi D=1.5m

Kết cấu tường chắn sau đuôi mố

Sau đuôi mố sử dụng tường chắn hộp chiều dài L=~45m được chia làm 3 đốt mỗi đốt có chiều dài L=15m, tiếp theo dự kiến thiết kế tường chắn chữ L chắn đất hai bên vuốt nối hài hòa với khu vực đảo xoay

Kết cấu tường chắn bằng BTCT đổ tại chỗ, móng sử dụng cọc BTCT tiết diện (35x35)cm Chiều dài cọc dự kiến L=15m, chiều dài chính thức sẽ được quyết định tại hiện trường sau khi có kết quả đóng thử cọc

1.2 Nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn

Kết cấu bê tông khối lớn có thể tích tụ nhiệt thủy hóa xi măng đủ lớn để gây nên

sự thay đổi đáng kể thể tích bê tông trong quá trình đóng rắn Sự thay đổi thể tích không đều sẽ tạo ra ứng suất kéo trong khối bê tông và khi ứng suất này vượt quá giới hạn kéo thì bê tông sẽ bị nứt Sự thay đổi thể tích này phát sinh từ các yếu tố như: quá trình co khô do mất nước, co nở nhiệt của bê tông không đều do sự chênh lệch nhiệt độ

ΔT giữa các phần của khối bê tông Vì vậy, việc chống nứt nhiệt cho bê tông khối lớn chính là việc kiểm soát được sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong khối bê tông

Sự hình thành và phân bố trường nhiệt độ trong bê tông khối lớn về cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của bê tông cũng như các yếu tố bên ngoài liên quan đến môi trường và công nghệ thi công Các yếu tố nội tại của bê tông có thể kể đến: số lượng phần tử; loại phần tử (dạng tam giác, chữ nhật); thông số về nhiệt của vật liệu; loại và hàm lượng xi măng; các tính chất về nhiệt của nguyên vật liệu; nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung riêng của bê tông; tốc độ tỏa nhiệt; hình dạng, kích thước kết cấu; cấp phối bê tông Các yếu tố bên ngoài khối bê tông là các điều kiện biên như: các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió…); phương pháp bảo dưỡng bê tông; ràng buộc về nhiệt của khối bê tông với các mặt tiếp xúc (ván khuôn, nền đất); các giá trị về nhiệt tại mặt thoáng của khối bê tông; hệ số trao đổi nhiệt Trong thi công các công trình xây dựng giao thông hiện nay có nhiều kết cấu có khối tích rất lớn như bệ móng,trụ tháp, thân trụ, thân mố… Với những kết cấu này lượng nhiệt thủy hóa xi măng rất lớn, mặt khác sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong lòng khối bê tông khá phức tạp Tuy nhiên, việc xác định trường nhiệt độ, ứng suất của những kết cấu này là rất khó khăn, do số lượng phần tử, số biến và các thông số về điều kiện biên khá lớn Trong đề tài này giới thiệu kết quả phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong quá trình thủy hóa xi măng của kết cấu bê tông khối lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các giá trị tính toán về vật liệu, các điều kiện biên và mô hình được xác lập

theo các quy phạm hiện hành cũng như tham khảo thực nghiệm Kết quả tính toán được phân tích và so sánh với kết quả thực nghiệm Từ đó có thể kiểm tra lại các thông

số thiết kế (cấp phối bê tông, nhiệt độ bê tông khi đổ, phương pháp và thời gian bảo dưỡng…) để đưa ra các điều chỉnh hợp lý về vật liệu và giải pháp thi công nhằm kiểm soát nứt, đảm bảo chất lượng kết cấu bê tông khối lớn

1.2.1 Các yếu tố gây nứt bê tông khối lớn

1.2.1.1 Nứt do chênh lệch nhiệt độ

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 305:2004 thì có 2 điều kiện sau đây làm cho bê tông bị nứt do hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá xi măng trong bê tông:

Độ chênh nhiệt độ T > 200C - Điều kiện cần

Môdun độ chênh nhiệt độ M T ≥ 500C/m - Điều kiện đủ

Ý nghĩa của 2 điều kiện này như sau:

- Khi không có điều kiện cần: Bê tông không nứt

- Khi có điều kiện cần: Bê tông có thể nứt, có thể không

- Khi có cả điều kiện cần và điều kiện đủ: bê tông nhất định nứt

Vậy để không bị nứt thì ta cần loại trừ điều kiện cần, nghĩa là làm sao cho có

T < 200C

Điều kiện cần T > 200C được hiểu là chênh lệch nhiệt độ giữa các phần trong

bê tông và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông với không khí bên ngoài

Điều kiện đủ M T được mô tả bằng:

M T = tg  = ta− a tb = a T

Trong đó: a là khoảng cách giữa 2 điểm a và b có chênh lệch độ T

Đưa các giá trị T = 200C và =500C/m vào biểu thức ta có:

M T = 50 = 20a  a = 0,4m

Nghĩa là, trong giai đoạn nâng nhiệt, bê tông khối lớn chỉ chịu ứng suất kéo

do chênh lệch nhiệt độ giữa các phần của khối bê tông trong phạm vi 0,4m xung quanh mặt ngoài Ở phía trong nhiệt độ các phần của bê tông trong giai đoạn nâng nhiệt không chênh lệch lớn vì đã có lớp bê tông 0,4m này bao bọc giữ nhiệt rồi (vì

vậy đối với kết cấu khối lớn, người ta chỉ cần đặt cốt thép chống nứt cho xung quanh mặt ngoài bê tông trong phạm vi 0,4 - 0,5m ) Ngoài ra ứng suất kéo còn phát sinh do chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông với không khí bên ngoài Đối với các vết nứt thì yếu tố T nên quan niệm là chênh lệch giữa nhiệt độ bề mặt

bê tông với nhiệt độ không khí bên ngoài và nhiệt độ bề mặt bê tông với nhiệt độ của điểm cách mặt bê tông khoảng 0,4 - 0,5m

Trong giai đoạn nâng nhiệt, bê tông chỉ có nứt mặt Trong giai đoạn hạ nhiệt, có thể có nứt mặt và xuyên (nứt kết cấu)

1.2.1.2 Nứt do co khô

Biến dạng co c trên bề mặt bê tông khi nước trong bê tông bốc hơi một khi bị kìm giữ sẽ sinh ra ứng suất kéo trong khối bê tông Khi ứng suất này vượt quá giới hạn cường độ kéo của bê tông thì bê tông sẽ bị nứt Các vết nứt này thường xuất hiện trên

bề mặt bê tông bị bốc hơi Yếu tố co khô cần được quan tâm cho bê tông các đập khối lớn ở những vị trí bề mặt bị bóc lộ nhiều ngày Yếu tố này phụ thuộc vào điều kiện khí hậu địa phương (như bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, tốc độ gió, lượng mưa ) Vết nứt ở đây là vết nứt mặt

Theo kinh nghiệm thì quá trình co khô của bê tông trong điều kiện khí hậu nóng

ẩm Việt Nam thường kéo dài trong 5 - 6 tháng đầu đóng rắn của bê tông Sau đó co khô ổn định ở một giá trị tương đối và tiếp theo chỉ biến thiên co nở theo thời tiết, giống như nhịp thở hàng ngày của kết cấu, giá trị c tăng thêm không nhiều Giá trị co khô ổn định đo được thường là c = 0,1 – 0,4mm/m tuỳ theo loại bê tông và điều kiện khí hậu Giá trị co khô bị kìm giữ , theo nghiên cứu của tác giả, trong điều kiện khí hậu Việt Nam có thể gây nứt mặt bê tông như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ vết nứt đập bê tông

Loại hình kết cấu

Khoảng cách khe tối đa Khe giãn, Lmax Khe Co,

Imax

Kết cấu chịu bức xạ mặt trời trực tiếp

- Bê tông không cốt thép

- Bê tông không cốt thép

1.2.1.3 Nứt do thay đổi nhiệt độ môi trường

Nhiệt độ không khí nóng lạnh thay đổi theo chu kỳ ngày đêm và theo mùa đã làm cho lớp bề mặt bê tông co nở thường xuyên, phát sinh ứng suất kéo Yếu tố này thường tác dụng đối với các kết cấu có tuổi thiết kế mác bê tông sau 3, 6 tháng hoặc 1 năm, đặc biệt có qua thời kỳ mùa Đông, có chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm khá cao Vết nứt trong trường hợp này là nứt mặt

1.2.1.4 Nứt do mỏi

Bê tông chịu ứng suất kéo lặp nhiều chu kỳ theo sự thay đổi thường xuyên của thời tiết, lâu ngày bị mỏi, sức kháng nứt kém, dẫn đến bị nứt mặt

Như vậy để đánh giá nguyên nhân nứt bê tông khối lớn thì cần quan tâm đến tất

cả các yếu tố gây nứt nêu trên

1.2.2 Các giai đoạn nứt bê tông khối lớn

Các khối lớn bê tông, như các móng khối lớn, tường chắn đất, đập thuỷ điện , thường bị nứt khi chênh lệch nhiệt độ giữa các phần trong khối bê tông và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông với không khí bên ngoài vượt quá 200C Các vết nứt xuất hiện ở các giai đoạn như sau:

- Giai đoạn nâng nhiệt: bê tông phát mạnh (do thuỷ hoá xi măng) làm cho kết cấu

bê tông nóng lên: Giai đoạn này kéo dài trong khoảng trên dưới 10 ngày đầu sau khi

đổ bê tông, bao gồm quá trình nâng nhiệt và giữ nhiệt trước khi nguội Các vết nứt trong giai đoạn này thường là vết nứt mặt, sâu vào khoảng vài chục centimet, với các đập lớn có khi tới hàng mét, và không gây nguy hiểm về khả năng chịu lực của công trình

- Giai đoạn hạ nhiệt: bê tông kết cấu nguội dần, tiếp ngay sau giai đoạn nâng nhiệt Giai đoạn này có thể kéo dài nhiều ngày cho đến nhiều năm sau tuỳ theo khối tích kết cấu bê tông Kết cấu không lớn lắm thì nguội nhanh, kết cấu càng lớn thì nguội càng chậm Các đập lớn, có khối tích bê tông hàng triệu mét khối, quá trình nguội có thể phải tính tới hàng chục năm Các vết nứt trong giai đoạn này có thể có 2 loại: Nứt mặt và nứt kết cấu Trong đó nứt kết cấu là nứt có thể gây nguy hiểm cho công trình Các đập bê tông khối lớn hiện nay thường sử dụng bê tông đầm lăn với hàm lượng xi măng ít nhất để hạn chế nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong bê tông, nhưng việc xuất

hiện vết nứt trong bê tông vẫn thường khó tránh khỏi Khi có xuất hiện vết nứt thì cần kiểm tra kỹ để xác định đó là nứt mặt hay nứt kết cấu (nứt xuyên) Từ đó đề ra giải pháp sửa chữa

- Giai đoạn tiếp nước: là lúc cho nước vào hồ chứa, bề mặt bê tông đập tiếp xúc trực tiếp với nước lạnh, gây xung nhiệt, làm nứt bê tông Vết nứt ở đây là vết nứt mặt Thông thường ở giai đoạn tiếp nước bê tông rất dễ nứt mặt, do đó cần có giải pháp kỹ thuật để hạn chế vết nứt này Thí dụ: Tiếp nước vào những ngày nắng nóng thì cần tưới nước liên tục lên bề mặt thành đập để hạ thấp nhiệt độ bề mặt bê tông, hạn chế chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông và nhiệt độ nước dâng

1.2.3 Biện pháp phòng chống nứt bê tông

Đối với kết cấu bê tông khối lớn thì biện pháp phòng chống nứt thường bao gồm:

- Hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong bê tông

- Loại bỏ điều kiện cần T > 200C, nghĩa là luôn giữ cho T < 200C

- Hạn chế lượng co khô của bê tông do bị bốc hơi trong quá trình thi công

1.2.3.1 Biện pháp hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá xi măng trong bê tông

Để hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong bê tông ta cần làm những việc sau đây:

- Hạn chế lượng dùng xi măng trong bê tông: Cần phải tính toán thành phần bê tông sao cho có lượng dùng xi măng ít nhất Đối với các đập lớn, lượng xi măng thường không quá 100 kg/m Bê tông đập thuỷ điện Sơn La có hàm lượng xi măng không quá 60 kg/m là rất hiệu quả về mặt này

- Dùng xi măng ít toả nhiệt: Đặt hàng chế tạo xi măng đặc chủng này khi cần Đó

là loại xi măng có lượng nhiệt thuỷ hoá sau 7 ngày đêm không quá 60 cal/g

- Hạ nhiệt độ cốt liệu: Làm mát cốt liệu cát đá sỏi trước khi trộn bê tông như che nắng, tưới nước làm mát, nhúng vào nước lạnh

- Hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp bê tông: Như dùng nước đã làm lạnh để trộn bê tông, che nắng cho hỗn hợp bê tông trong quá trình vận chuyển tới nơi đổ Đối với các công trình khối lớn, nhiệt độ hỗn hợp bê tông nên khống chế dưới 250C Hỗn hợp bê tông đầm lăn thi công ở đập thuỷ điện Sơn La được duy trì ở nhiệt độ 23 – 240C trước khi

đổ là phù hợp

1.2.3.2 Biện pháp hạn chế độ chênh nhiệt độ T

Có thể tiến hành các giải pháp sau đây để hạn chế T:

- Bọc vật liệu cách nhiệt: Xung quanh và trên bề mặt khối đổ được bọc một lớp vật liệu cách nhiệt Lớp vật liệu này sẽ giữ nhiệt trong khối bê tông tương đối đồng đều, làm cho giá trị T luôn nhỏ hơn 200C Tuy nhiên giải pháp này chỉ dùng cho khối đổ có thể thi công xong trong 2 ngày đêm Vì sau 2 ngày đêm nhiệt thuỷ hoá của

xi măng phát rất mạnh, nhiệt độ bê tông đã khá cao, bê tông có thể bị nứt trước khi bọc vật liệu cách nhiệt

- Đưa nhiệt độ bê tông ra ngoài: Đặt một dàn ống nước trong lòng khối bê tông Trong quá trình bê tông toả nhiệt thì bơm nước qua hệ thống ống này để đưa nhiệt ra ngoài, giữ sao cho T luôn nhỏ hơn 200C Sau đó bơm vữa xi măng cát vào lấp đầy ống Biện pháp này thích hợp cho những công trình nằm gần nguồn nước như sông,

hồ, ao Biện pháp đơn giản là cắm vào khối đổ một số ống thép Φ15-20 rồi liên tục nhồi đá vào trong những ngày đầu đóng rắn của bê tông để lôi nước nóng trong lòng

bê tông tràn ra ngoài Khi tiến hành đưa nhiệt độ bê tông ra ngoài thì nhất thiết phải liên tục kiểm soát diễn biến nhiệt độ trong các phần của khối bê tông

- Chia nhỏ khối đổ: Kết cấu khối lớn được chia thành nhiều khối nhỏ để đổ bê tông, như vậy sẽ không còn là khối lớn nữa Ví dụ, một móng xi lô nhà máy xi măng được chia thành 11 múi đổ trong quá trình thi công

1.2.3.3 Biện pháp hạn chế co khô của bê tông

Co khô xảy ra khi bề mặt bê tông bị bóc lộ trong thời gian dài Dưới tác động của các yếu tố khí hậu nóng ẩm, nước trong bê tông bốc hơi làm cho bê tông bị co lại Khi quá trình co không được thực hiện hết do bị kìm giữ thì sẽ sinh ra ứng suất kéo trong lòng bê tông Khi ứng suất này vượt quá giới hạn cường độ kéo của bê tông thì bê tông

1.2.3.4 Biện pháp hạn chế bề mặt bê tông bị sốc nhiệt

Đó là trường hợp công trình bê tông được thi công trong thời gian mùa đông Chênh lệch nhiệt độ không khí giữa ngày và đêm rất lớn, gây cho bề mặt bê tông bị sốc nhiệt, sinh ứng suất kéo làm nứt mặt bê tông Khi chu kỳ thay đổi nhiệt diễn ra nhiều lần thì bê tông có thể bị mỏi, cũng càng dễ dẫn đến nứt mặt Vấn đề này thường được quan tâm đối với các công trình xây dựng ở vùng núi vào mùa đông, nơi có nhiệt

độ ban đêm rất thấp

Để hạn chế tình trạng này, người ta phủ vật liệu trên bề mặt bê tông và tưới nước Như vậy bề mặt bê tông sẽ không tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ môi trường xung quanh

1.2.3.5 Kiểm soát nhiệt độ bê tông trong thi công

Khi thực hiện các giải pháp chống nứt nêu trên thì nhất thiết phải đặt đầu đo để kiểm soát diễn biến nhiệt độ các phần trong bê tông Cần vẽ được đồ thị diễn biến nhiệt độ theo thời gian tại tâm, tại bề mặt, điểm sâu vào 40 - 50 cm, và tại một số điểm trong khối đổ từ tâm ra ngoài biên Trên cơ sở biểu đồ này sẽ tính được giá trị T và

MT nêu trên

1.2.3.6 Giải pháp cấu kiện bê tông khối lớn

Trong các cấu kiện bê tông khối lớn, nhiệt thủy hóa của xi măng tại tâm khối đổ

sẽ tăng đột biến Trong quá trình đóng rắn, nhiệt độ này có thể lên đến 85oC - 100oC đối với các khối đổ có chiều dày lớn nếu sử dụng xi măng thông thường Khi bê tông

đã đóng rắn thì nhiệt độ trong lòng khối đổ giảm dần, sự chênh lệch nhiệt độ trong lòng khối bê tông tạo ra ứng suất nội trong cấu kiện, gây ra các vết nứt nhiệt

Nhiệt độ tăng cao tại tâm khối đổ gây ra ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc khối bê tông:

• Nhiệt độ trên 70oC sẽ có khả năng xảy ra hiện tượng trì hoãn sự hình thành khoáng Ettringite (DEF- Delayed Ettingite Formation) trong khối bê tông, dẫn đến các vết nứt trong cấu kiện bê tông trong thời gian dài

• Nhiệt độ của khối bê tông cao (đặc biệt là cao hơn 70oC) sẽ làm giảm cường độ của bê tông ở 28 ngày

Để giảm thiểu các rủi ro này, các biện pháp đặc biệt sau cần được tiến hành:

• Giới hạn nhiệt độ chênh lệch tối đa T < 20oC hoặc giới hạn gradient nhiệt độ tối đa giữa 2 điểm trong khối đổ T/m < 50oC (TCVN 305:2004)

• Giới hạn nhiệt độ tối đa trong tâm khối đổ Tmax < 70oC

• Việc sử dụng các loại vật liệu bảo ôn bên trong ván khuôn giúp giữ nhiệt tại bề mặt khối đổ và làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ Nên giữ ván khuôn trong vài ngày cho đến khi T < 200C

• Tháo ván khuôn quá sớm sẽ làm cho bề mặt bê tông bị làm lạnh nhanh và bị nứt

• Phương pháp này cần được suy xét áp dụng khi bề dày khối đổ > 1.5m Đối với các cấu kiện bê tông đặc biệt, các yêu cầu này có thể được áp dụng đối với khối đổ có chiều dày > 1m, khi các vết nứt nhiệt có thể gây ra những hư hao lớn cho công trình (Ví dụ: kết cấu đường hầm, kho chứa gas…)

Xi măng cho kết cấu bê tông khối lớn:

Để kiểm soát sự phát triển nhiệt độ trong cấu kiện bê tông khối lớn, các loại xi măng đặc biệt với nhiệt thủy hóa thấp được sử dụng như:

• TCVN 7712:2013

• ASTM C1157 – LH (nhiệt thủy hóa thấp)

• BS-EN – loại ít tỏa nhiệt

Tiêu chuẩn Châu Âu EN sử dụng phương pháp thí nghiệm xác định nhiệt thủy hóa khác so với tiêu chuẩn ASTM - Phương pháp thí nghiệm xác định nhiệt thủy hóa theo EN không sẵn có tại các phòng thí nghiệm ở Việt Nam

Bê tông cho kết cấu khối lớn:

Để đạt được giới hạn nhiệt độ trong kết cấu bê tông khối lớn, một vài thông số đóng vai trò ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng, cần phải tiến hành xác định như:

• Nhiệt thủy hóa của xi măng

• Cường độ yêu cầu của bê tông, quyết định cấp phối sử dụng (bao gồm hàm lượng xi măng sử dụng)

Chiều dày của khối đổ Cấp phối bê tông có thể được tối ưu hóa như sau:

• Tối ưu hàm lượng xi măng bằng cách sử dụng thêm các loại phụ gia siêu hóa dẻo

• Sử dụng cốt liệu có kích thước lớn hơn

• Yêu cầu cường độ của bê tông ở tuổi 56 ngày thay vì 28 ngày

Hình 1.2 Sự phát triển của nhiệt thuỷ hoá trong lòng bê tông khối lớn có thể dẫn

đến nứt vì nhiệt

Nhiệt độ của bê tông tươi nên được hạ thấp nhất có thể Tại miền Trung Việt Nam, nhiệt độ cao nhất của bê tông tươi có thể kiểm soát ở 30 – 32oC bằng cách:

• Che chắn cốt liệu để giảm nhiệt độ của chúng

• Tưới ẩm cho cốt liệu thường xuyên

• Sử dụng hệ thống làm lạnh nước hoặc kết hợp với nước đá

Trước khi tiến hành thi công khối đổ bê tông, can tiến hành làm khối đổ thử với chiều dày bằng với khối đổ thực tế Để kiểm tra sự thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật, khối đổ thử này được bảo dưỡng cách nhiệt các mặt (tối thiểu là 5cm) sao cho tương tự với khối đổ thực tế

Sau khi thi công khối đổ, các biện pháp bảo dưỡng che chắn bằng các vật liệu cách nhiệt (tối thiểu 5cm) là rất cần thiết để giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm khối đổ Bảo dưỡng bằng cách tưới nước không được sử dụng vì sẽ làm mất nhiệt tại bề mặt khối đổ

Trong suốt quá trình đóng rắn, nhiệt độ của khối đổ bê tông phải được theo dõi mỗi giờ trong vòng ít nhất 3 ngày Để theo dõi nhiệt độ khối đổ có thể lắp đặt hệ thống đầu đo nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trong khối đổ

1.2.4 Các lưu ý hạn chế nứt trong thi công bê tông khối lớn

1.2.4.1 Trong thiết kế

Khi kết cấu có kích thước vượt quá giới hạn trên phải có giải pháp phòng ngừa nứt BT ngay từ trong khâu thiết kế:

- Khi a và h đến 1m: không cần cấu tạo cốt thép chống nứt BT;

- Khi a và h đến 2m: nên có cấu thạo cốt thép chống nứt BT;

- Khi a và h trên 2m: Cần có thiết kế cốt thép chống nứt

1.2.4.2 Trong thi công

Một số biện pháp kỹ thuật hạn chế tốc độ phát triển nhiệt thuỷ hóa của xi măng

và chênh lệch nhiệt độ ∆T trong thi công kết cấu BT khối lớn như sau:

a Biện pháp hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong BT

- Hạn chế lượng dùng xi măng: Hạn chế lượng dùng xi măng bằng cách thiết kế thành phần BT có độ sụt nhỏ nhất tới mức có thể, sử dụng phụ gia để giảm nước trộn

BT, sử dụng xi măng có mác thích hợp với mác bê tông theo hướng mác xi măng càng cao, lượng xi măng dùng càng ít, tăng hàm lượng cốt liệu lớn đến mức tối đa để giảm lượng hồ xi măng trong bê tông, dùng BT đầm lăn

- Làm mát để khống chế nhiệt độ: tiêu chuẩn quy định Nhiệt độ hỗn hợp BT trước khi đổ được làm mát khống chế không cao hơn 25oC Tuy nhiên, trong Tiêu chuẩn cho phép nhiệt độ hỗn hợp bê tông trước khi đổ cao hơn: Nhiệt độ hỗn hợp BT không nên vượt quá 35oC Nên giữ ở dưới 30oC Để đạt được nhiệt độ này, nhất là vào mùa hè nắng nóng, phải có biện pháp hạ nhiệt độ các vật liệu thành phần của BT và nước, và che đậy bảo vệ hỗn hợp BT trước khi đổ như:

+ Che nắng kho chứa cốt liệu khỏi tác động trực tiếp của bức xạ mặt trời;

+ Phun nước lên đá dăm, sỏi để giữ ướt bề mặt tạo cơ chế nước bay hơi làm hạ nhiệt độ vật liệu;

+ Làm lạnh cát bằng dòng nước lạnh chạy qua hộc chứa cát để hạ nhiệt độ cát trước khi trộn;

+ Nhúng đá dăm sỏi vào nước lạnh;

+ Phun nước lạnh lên cốt liệu chạy trên băng chuyền trước khi vào máy trộn; + Làm lạnh cát hoặc đá sỏi bằng cách tạo chân không.v.v

để tránh tác động trực tiếp của bức xạ mặt trời, làm nóng hỗn hợp BT trước khi đổ

- Giữ độ sụt ổn định: Dưới tác động của các yếu tố khí hậu nóng ẩm, nhất là ở những vùng và những mùa có khí hậu khô nóng, có gió Lào phải hạn chế tổn thất độ sụt bằng cách dùng phụ gia hoá dẻo chậm ninh kết Thời gian chờ bê tông không nên quá 1,5 giờ Nếu lâu hơn thì phải có biện pháp trộn lại nhưng không được quá 4 giờ

b Biện pháp hạn chế độ chênh lệch nhiệt độ khối BT

Độ chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các phần của khối BT là nguyên nhân chủ yếu gây nên hiệu ứng nhiệt làm nứt BT Các biện pháp kỹ thuật sau đây có thể làm giảm

độ chênh lệch nhiệt độ ∆T của khối BT trong những ngày đầu đóng cứng rắn:

- Đưa nhiệt trong khối BT ra ngoài: Đưa nhiệt trong khối BT ra ngoài bằng cách đặt một dàn ống thoát nhiệt bằng kim loại trong lòng khối đổ Sau đó bơm nước lạnh chảy qua dàn ống để đưa nhiệt trong khối đổ ra ngoài Để tính toán dàn ống thoát nhiệt

có thể tham khảo các chỉ dẫn kỹ thuật sau đây:

+ Dùng ống thép có đường kính 20-30mm, thành ống dày 1,5mm, kích thước dàn ống được xác định trên cơ sở kích thước khối BT cần thoát nhiệt

+ Dùng nước lạnh tự nhiên từ mạng cấp nước thành phố hoặc nước sông, hồ hoặc nước đã được làm lạnh trước để cấp cho dàn ống

+ Tốc độ bơm nước qua dàn cần đạt 15-17 l/phút

+ Thông thường nhiệt độ nước cấp có thể để ở nhiệt độ không khí tự nhiên Đối với những công trình cần dùng nước đã được làm lạnh trước khi nhiệt độ nước cấp vào dàn ống có thể để ở khoảng trên 3oC Khi cần nước lạnh hơn thì có thể dùng 70% nước

và 30% propylene glycol chất chống đóng băng, khi đó nhiệt độ nước cấp có thể thấp

- Chia nhỏ khối đổ để thi công: Đối với các khối BT có thể tích lớn, không thể thi công xong trong thời gian ngắn, có thể chia khối đổ thành các phần nhỏ để thi công Các phần của khối đổ được chia với kích thước sao cho nó có một cạnh hoặc chiều cao nhỏ hơn 2m Kích thước khối chia có thể lớn hơn nếu kết cấu BT đã bố trí cốt thép phòng chống nứt cho khối lớn

Kích thước chia mỗi đợt đổ BT có chiều cao không quá 1,5m Mỗi đợt đổ BT không kéo dài thời gian qua 2 ngày đêm

- Thi công các phần của khối đổ: Chỉ bắt đầu thi công phần chia của khối BT của các phần đổ trước có cạnh liền kề đạt tuổi không dưới 4 ngày đêm

1.2.4.3 Các lưu ý trong công tác bảo dưỡng

1.2.4.3.1 Bọc khối BT bằng vật liệu cách nhiệt

Bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt khối đổ để giữ cho nhiệt thuỷ hoá của xi măng không thoát ra ngoài, mà tích tụ trong khối BT và cân bằng nhiệt giữa vùng tâm với vùng xung quanh khối đổ Biện pháp này chỉ được áp dụng đối với các kết cấu BT

có khối tích cho phép đổ liên tục và thời gian không quá 2 ngày đêm Vật liệu tấm cách nhiệt được bọc áp sát mặt ngoài cốp pha thành trước lúc đổ BT Cần có biện pháp che chắn mặt ngoài để chống mưa làm ướt vật liệu cách nhiệt Có thể dùng các vật liệu cách nhiệt sau đây để bọc xung quanh thành khối đổ:

- Tấm xốp polystyrene hoặc polyurethane dày 4-5 cm, có khối lượng thể tích không dưới 20kg/m3

- Tấm bằng khoáng có chiều dày 7-10 cm

vật liệu này và chống mưa làm ướt chúng Đối với vật liệu tấm thì có tuỳ tình hình thời tiết có mưa hay không để giải quyết việc có cần che đậy phía trên hay không

Đối với các khối đổ có diện tích bề mặt lớn, hoàn thiện bề mặt BT đến đâu, tiến hành phủ vật liệu cách nhiệt ngay đến đấy Có thể dùng vật liệu cách nhiệt sau đây để phủ bề mặt BT:

- Hạt polystyrene xốp với chiều dày không dưới 10cm

- Trấu thóc với chiều dày không dưới 15cm

1.2.4.3.3 Dỡ vật liệu cách nhiệt và cốp pha thành

Vật liệu cách nhiệt được dỡ khi BT đã có không ít hơn 5 ngày tuổi Dỡ làm 2 bước: Đầu tiên dỡ bung các tấm vật liệu cách nhiệt ra nhưng chưa chuyển đi Đối với vật liệu rời thì tháo dỡ lớp nilon phía trên và xáo trộn lớp vật liệu rời Ngày hôm sau mới tháp dỡ vật liệu cách nhiệt chuyển ra khỏi khối BT cho cả thành và mặt BT

Sau đó cốp pha thành được tháo bung ra khỏi mặt thành BT Không dỡ vật liệu cách nhiệt và cốp pha vào lúc trời mưa

1.2.4.3.4 Chống xung nhiệt khi tháo dỡ cốp pha:

Để tránh tác động xung nhiệt cho lớp BT xung quanh phía ngoài khối đổ, việc tháo dỡ cốp pha cần đảm bảo những yêu cầu sau đây:

- Chỉ tháo dỡ cốp pha thành khi BT đã có tuổi không ít hơn 5 ngày đêm;

- Tháo cốp pha làm 2 bước: Đầu tiên tháo bung thành cốp pha nhưng vẫn để cốp pha tại chỗ Sau một ngày đếm chuyển cốp pha đi

1.2.4.4 Các lưu ý công tác kiểm tra

1.2.4.4.1 Kiểm tra trước khi đổ BT

Trước khi đổ BT cần thực hiện các nội dung kiểm tra sau đây:

- Tình trạng vật liệu xi măng trong BT;

- Biện pháp bảo vệ hỗn hợp BT che chắn nắng;

- Nhiệt độ hỗn hợp BT trước khi đổ;

- Tình trạng vật liệu cách nhiệt sẽ sử dụng;

- Biện pháp thi công chống nứt, chiều cao lớp đổ và đợt đổ;

- Tình trạng thiết bị thi công để đảm bảo thi công liên tục các lớp đổ và đợt đổ theo mức thời gian quy định;

- Tình trạng cốp pha;

- Tình trạng lắp đặt hệ dàn ống thoát nhiệt nếu có và vận hành thử chúng;

- Chế độ bảo dưỡng bằng tưới nước sao cho thoát nhiệt nhanh;

- Biện pháp xử lý dàn ống thoát ra nhiệt khi kết thúc thi công;

- Biện pháp thi công bọc vật liệu cách nhiệt;

- Chất lượng bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt khối đổ;

- Chất lượng lắp đặt hệ thống dàn ống thoát nhiệt nếu có và tình trang vận hành

1.2.4.4.2 Kiểm tra sau khi đổ bê tông

Sau khi đổ BT cần thực hiện các nội dung kiểm tra sau:

- Chất lượng thi công bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt khối đổ Đặc biệt các

gờ cạnh và góc;

- Trình trạng bảo dưỡng bằng tưới nước đảm bảo thoát nhiệt nhanh;

- Tình trạng dỡ cốp pha và vật liệu cách nhiệt không gây xung nhiệt;

- Có xuất hiện vết nứt hay không sau khi tháp cốp pha và sau một vài ngày tiếp theo;

- Chất lượng bê tông theo thiết kế;

- Chế độ vận hành hệ dàn ống thoát nhiệt nếu có;

- Diễn biến nhiệt độ, bê tông khối đổ;

- Chất lượng liền khối của khối đổ khi có chia nhỏ khối đổ

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu

Kết cấu bê tông khối lớn có thể tích tụ nhiệt thủy hóa xi măng đủ lớn để gây nên

sự thay đổi đáng kể thể tích bê tông trong quá trình đóng rắn Sự thay đổi thể tích không đều sẽ tạo ra ứng suất kéo trong khối bê tông và khi ứng suất này vượt quá giới hạn kéo thì bê tông sẽ bị nứt Sự thay đổi thể tích này phát sinh từ các yếu tố như: quá trình co khô do mất nước, co nở nhiệt của bê tông không đều do sự chênh lệch nhiệt độ

ΔT giữa các phần của khối bê tông Vì vậy, việc chống nứt nhiệt cho bê tông khối lớn chính là việc kiểm soát được sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong khối bê tông

Sự hình thành và phân bố trường nhiệt độ trong bê tông khối lớn về cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của bê tông cũng như các yếu tố bên ngoài liên quan đến môi trường và công nghệ thi công Các yếu tố nội tại của bê tông có thể kể đến: số lượng phần tử; loại phần tử (dạng tam giác, chữ nhật); thông số về nhiệt của vật liệu; loại và hàm lượng xi măng; các tính chất về nhiệt của nguyên vật liệu; nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung riêng của bê tông; tốc độ tỏa nhiệt; hình dạng, kích thước kết cấu; cấp phối bê tông Các yếu tố bên ngoài khối bê tông là các điều kiện biên như: các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió…); phương pháp bảo dưỡng bê tông; ràng buộc về nhiệt của khối bê tông với các mặt tiếp xúc (ván khuôn, nền đất); các giá trị về nhiệt tại mặt thoáng của khối bê tông; hệ số trao đổi nhiệt Trong thi công các công trình xây dựng giao thông hiện nay có nhiều kết cấu có khối tích rất lớn như bệ móng,trụ tháp, thân trụ, thân mố… Với những kết cấu này lượng nhiệt thủy hóa xi măng rất lớn, mặt khác sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong lòng khối bê tông khá phức tạp Tuy nhiên, việc xác định trường nhiệt độ, ứng suất của những kết cấu này là rất khó khăn, do số lượng phần tử, số biến và các thông số về điều kiện biên khá lớn

Trong đề tài này giới thiệu kết quả phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong quá trình thủy hóa xi măng của kết cấu bê tông khối lớn bằng phương pháp PTHH Các giá trị tính toán về vật liệu, các điều kiện biên và mô hình được xác lập theo các quy phạm hiện hành cũng như tham khảo thực nghiệm Kết quả tính toán được phân tích và so sánh với kết quả thực nghiệm Từ đó có thể kiểm tra lại các thông số thiết kế (cấp phối bê tông, nhiệt độ bê tông khi đổ, phương pháp và thời gian bảo dưỡng…) để đưa ra các điều chỉnh hợp lý về vật liệu và giải pháp thi công nhằm kiểm soát nứt, đảm bảo chất lượng kết cấu bê tông khối lớn

1.4 Những vấn đề cần giải quyết

- Đề tài tập trung giải quyết bài toán thủy nhiệt của cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi Cụ thể đề tài xây dựng mô hình tháp cầu bằng phần mềm Midas và sử dụng Midas civil dể phân tích thủy nhiệt Tập trung khảo sát sự thay đổi ứng suất, nhiệt độ,

tỉ số nứt, chuyển vị trong quá trình thi công tháp cầu

- Từ đó đưa ra các khuyến cáo về ảnh hưởng của nhiệt độ trong việc đổ bê tông khối lớn của Cầu Cửa Đại- Tỉnh Quảng Ngãi

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG CỦA

NHIỆT THỦY HÓA

2.1 Thủy hóa trong xi măng

Trong quá trình thủy hóa (phản ứng với nước) xi măng poóc lăng trộn với cát, sỏi

và nước tạo ra khối đá mà chúng ta gọi là bê tông

Trong luận văn này sẽ bàn luận về những gì sẽ xảy ra khi xi măng được trộn với nước

Clinker sản phẩm đầu ra của lò quay nung clinker Bột xi măng cũng khan nếu chúng ta bỏ qua một lượng nhỏ nước trong thạch cao được thêm vào ở công đoạn nghiền clinker

Phản ứng với nước được gọi là "thủy hóa" Điều này liên quan đến nhiều phản ứng khác nhau, thường xảy ra cùng một lúc Khi các phản ứng xảy ra, các sản phẩm của quá trình hydrat hóa dần kết nối từng hạt cát và các hạt sỏi và các thành phần khác của bê tông, tạo thành một khối chất rắn

Quá trình thủy hóa: các phản ứng ở trạng thái khan, clinker có bốn loại khoáng chính là: alite, belite, aluminate (C3A) và pha ferrite (C4AF) Ngoài ra còn có một lượng nhỏ sulfate (natri, kali và canxi sulfate) và thạch cao, được bổ sung khi nghiền clinker để tạo thành xi măng

Khi bổ sung nước, các phản ứng xảy ra chủ yếu là phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa là các phản ứng sinh ra nhiệt Chúng ta có thể có biểu thị về tốc độ mà các khoáng đang phản ứng bằng cách theo dõi tốc độ mà nhiệt giải phóng bằng cách sử dụng một thiết

bị được gọi là calometry nhiệt dẫn

- Phần đầu của khoảng thời gian ngủ đông, có thể lên đến nửa giai đoạn này, tương ứng với khi bê tông có thể đã được thi công Khi trong tiến trình giai đoạn ngủ

đông có thể ở giữa giai đoạn, hồ xi măng trở nên quá cứng để có thể thi công được Vào cuối thời kỳ ngủ đông (Dormant), khoáng alite và belite trong xi măng bắt đầu phản ứng, với sự hình thành calcium silicate hydrate và calcium hydroxide Điều này tương ứng với thời kỳ thủy hóa chính (Giai đoạn III), trong thời gian đó cường độ

bê tông tăng lên Các hạt riêng lẻ phản ứng từ bề mặt vào bên trong, và các hạt khan trở nên nhỏ hơn (C3A) cũng tiếp tục thủy hóa khi những tinh thể chưa phản ứng có thể tiếp cận với nước

Giai đoạn tỏa nhiệt lớn nhất thường xảy ra trong khoảng từ 10 đến 20 giờ sau khi trộn và sau đó giảm dần Trong một hỗn hợp có chứa xi măng poóc lăng, hầu hết cường độ đạt được đã xảy ra trong vòng một tháng Trường hợp xi măng PC đã được thay thế một phần bằng các phụ gia khác như tro bay, tăng trưởng cường độ có thể xảy

ra chậm hơn và tiếp tục trong vài tháng hoặc thậm chí một năm

Ferrite cũng bắt đầu phản ứng nhanh chóng khi nước được thêm vào, nhưng sau

đó chậm lại, có thể vì hình thành một lớp gel hydroxit sắt, phủ ferrit và đóng vai trò như một rào cản, ngăn ngừa phản ứng tiếp theo

- Canxi hydroxit: (hoặc Portlandite) - Ca(OH)2, thường được viết tắt là 'CH' CH được hình thành chủ yếu từ thủy hóa khoáng alite Alite có tỉ lệ Ca: Si là 3:1 và C-S-H

có tỉ lệ Ca/Si khoảng 2:1, do đó vôi có sẵn quá nhiều để tạo ra CH

- Pha AFm và AFt: đây là hai nhóm khoáng xuất hiện trong xi măng Một trong những pha AFm phổ biến nhất trong xi măng thủy hóa là monosulfate và đến nay pha AFt phổ biến nhất là ettringite Các định nghĩa chung của các pha này phần nào là kỹ thuật, nhưng ví dụ ettringite là một pha AFt bởi vì nó chứa ba phân tử (t-tri) anhydrite khi viết như C3A.3CaSO4.32H2O và monosulfate là một pha AFm bởi vì nó chứa một (m-mono) của anhydrite khi viết như C3A.CaSO4.12H2O

- Các pha AFt và AFm phổ biến nhất trong xi măng thủy hóa là: Ettringite: ettringite có mặt trong dạng tinh thể giống hình kim ở giai đoạn đầu của phản ứng hoặc đôi khi sự gia tăng khối lượng làm đầy các lỗ rỗng hoặc vết nứt trong

bê tông hoặc vữa lâu ngày Công thức hóa học cho ettringite là [Ca3Al (OH)6.12 H2O] 2.2 H2O] hoặc, các ký hiệu khác, C3A.3CaSO4.32 H2O

Monosulfate: monosulfate có khuynh hướng xảy ra trong các giai đoạn sau của thủy hóa, một hoặc hai ngày sau khi trộn Công thức hóa học cho monosulfate là C3A.CaSO4.12H2O Lưu ý rằng cả ettringite và monosulfate là hợp chất C3A, CaSO4 (anhydrite) và nước, với tỷ lệ khác nhau

Monocacbonat: Sự có mặt của đá vôi mịn, dù là xi măng hay là đá vôi kết hợp,

có thể sản xuất monocacbonate (C3A.CaCO3.11H2O) vì một số đá vôi phản ứng với dung dịch nước xi măng

Một số điểm quan trọng cần lưu ý về các pha AFm và AFt là:

- Chúng chứa rất nhiều nước, đặc biệt là AFt - chủ yếu là ettringite trong hệ xi măng

- AFm có tỉ lệ nhôm/canxi cao hơn so với AFt

- Nhôm có thể được thay thế một phần bằng sắt trong cả hai pha AFm và AFt

- Ion sulfate trong pha monosulfate AFm có thể được thay thế bằng các anion khác; thay thế một cho một nếu anion có điện tích 2- (ví dụ: cacbonat, CO22-) hoặc một cho hai nếu anion thay thế được điện tích 1- (ví dụ: hydroxyl, OH- hoặc clorua, Cl-)

- Sulfate trong ettringite có thể được thay thế bằng cacbonat hoặc, có thể một phần được thay thế bởi hai ion hydroxyl, mặc dù trên thực tế, không có trường hợp này được quan sát thấy

Trong bê tông được chế tạo từ xi măng chỉ chứa clinker và thạch cao, ettringite hình thành sớm sau khi xi măng và nước được trộn lẫn, nhưng dần dần nó được thay bằng monosulfate Điều này là do tỷ lệ nhôm sẵn có đối với sulfate tăng lên khi tiếp tục thủy hoá xi măng; khi lần tiếp xúc đầu tiên với nước, phần lớn sulfate có sẵn để hòa tan, nhưng phần lớn C3A chứa trong các hạt xi măng mà không có nước tiếp xúc ban đầu Tiếp tục hydrat hóa dần dần giải phóng alumina-Al2O3 và tỷ lệ ettringite giảm khi monosulfate tăng

Nếu có nhiều alumina hơn sulfate, tất cả sulfate sẽ là monosulfate, với alumina

bổ sung có mặt dưới dạng AFm hydroxyl được thế (hydroxy-AFm) Nếu có một lượng sulfate nhỏ, hỗn hợp xi măng sẽ chứa một hỗn hợp monosulfate và ettringite Với việc tăng sulfate sẵn có, sẽ có nhiều ettringite và ít monosulfate và ở mức độ cao hơn của sulfate sẽ có ettringite và thạch cao

Nếu có đá vôi mịn, ion cacbonat (CO32-) trở nên có sẵn khi một số đá vôi phản ứng Cacbonat thay sulfate hoặc hydroxyl trong AFm; tỷ lệ monosulfate hoặc hydroxy-AFm giảm do tỷ lệ monocacbonate tăng Sulfate di chuyển thường kết hợp

với monosulfate còn lại để tạo ettringite, nhưng nếu có hydroxy-AFm, sulfate sẽ thải

ra các ion hydroxyl (OH-) để tạo thành monosulfate hơn Mấu chốt ở đây là một mặt cân bằng giữa alumina có sẵn, mặt khác là cacbonate và sulfate

Hydrogarnet: hydrogarnet chủ yếu là kết quả của quá trình thủy hóa ferrite hoặc C3A Hydrogarnets có một dải các thành phần, trong đó C3AH6 là pha phổ biến nhất hình thành từ quá trình thủy hoá xi măng thông thường và sau đó chỉ với một lượng nhỏ Có thể tìm thấy nhiều loại hydrogarnet khác nhau trong các sản phẩm xi măng đã được chưng áp (autoclave)

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt thủy hóa

Phân tích thủy nhiệt bao gồm phân tích truyền nhiệt và phân tích ứng suất nhiệt Phân tích truyền nhiệt là quá trình tính toán sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian liên quan đến nguồn sinh nhiệt, sự đối lưu, sự dẫn nhiệt, v.v… xảy ra trong quá trình thủy hóa ximăng Phân tích ứng suất nhiệt cung cấp các tính toán ứng suất cho bê tông khối lớn theo từng giai đoạn thi công dựa trên các thay đổi về sự phân bố nhiệt độ theo thời gian có được từ phân tích truyền nhiệt Phân tích ứng suất nhiệt cũng xem xét đến sự thay đổi các tính chất vật liệu cũng như co ngót và từ biến theo thời gian và nhiệt độ Phân tích truyền nhiệt gồm hai phần chính là phân tích dẫn nhiệt và phân tích đối lưu nhiệt

2.2.1 Phân tích truyền nhiệt

Phân tích truyền nhiệt liên quan đến một số khái niệm sau:

- Dẫn nhiệt (conduction): là một dạng truyền nhiệt có quan hệ với sự trao đổi

năng lượng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp Tốc độ dẫn nhiệt tỷ lệ với diện tích vuông góc với phương dẫn, gradient nhiệt theo phương đó Theo định luật fourier:

Qx là lượng nhiệt được truyền, đơn vị là kcal/h.m.oC

k là hệ số dẫn nhiệt, đối với bêtông bão hòa, k=1,21-3,11

A là diện tích dẫn nhiệt, vuông góc phương dẫn nhiệt

T

x



 là gradient nhiệt

- Đối lưu (convection) cũng là một dạng dẫn nhiệt mà ở đó, nhiệt được trao đổi từ

bề mặt các khối rắn lên môi trường chất lỏng hay chất khí thông qua chuyển động của các phân tử chất lỏng hay khí Dòng chất lỏng/chất khí có thể là dòng tự nhiên hay

dòng nhân tạo Lượng nhiệt được truyền q do đối lưu trên một đơn vị diện tích khối rắn được tính toán như sau:

q= hc (T-T∞) (2.2) Với:

hc là hệ số truyền nhiệt giữa chất rắn và chất lỏng/chất khí hc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu tạo hình học của bề mặt, tính chất vật lý của chất lỏng/chất khí, nhiệt độ trung bình của bề mặt chất lỏng, v.v… khi tính toán các khối bê tông trong không khí, hc có thể được tính toán như sau: hc =5,2+3,5v (v là vận tốc gió; được tính bằng m/s);

T là nhiệt độ bề mặt chất rắn và T∞ là nhiệt độ môi trường chất lỏng/khí

- Nguồn nhiệt (Heat Source) thể hiện lượng nhiệt phát sinh trong quá trình thủy

hóa Nguồn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ phát sinh trong quá trình thủy hóa, nhiệt dung riêng, trọng lượng thể tích của bê tông, v.v…

Lượng nhiệt bê trong bê tông phát sinh do quá trình thủy hóa trong một đơn vị thời gian và đơn vị thể tích là:

/ 24

1

ae 24

at

(2.3) Phương trình tăng nhiệt độ đoạn nhiệt là T = K(1-e-at)

Ở đây:

T là nhiệt độ đoạn nhiệt (oC);

K là sự tăng nhiệt độ đoạn nhiệt lớn nhất (oC);

a là hệ số tốc độ phản ứng;

r là khối lượng thể tích của bê tông (kg/m3);

t là thời gian (ngày)

Sự làm nguội bằng ống tản nhiệt (pipe cooling) là biện pháp làm giảm nhiệt độ trong bê tông do quá trình thủy hóa bằng cách đưa các ống dẫn chất lỏng làm nguội vào trong bê tông Bản chất của việc làm nguội ở đây là sự đối lưu nhiệt giữa chất lỏng với thành ống và sau đó là bê tông Lượng nhiệt được trao đổi có thể được tính toán như sau:

Qconv = hpAs(Ts-Tm) (2.4) Với:

Hp là hệ số truyền nhiệt của chất lỏng;

As là diện tích của bề mặt của ống làm nguội;

Ts là nhiệt độ bề mặt ống;

Tm là nhiệt độ chất lỏng làm nguội

2.2.2 Phân tích ứng suất nhiệt

Ứng suất trong bê tông khối lớn tại mỗi giai đoạn thi công được tính toán với việc sử dụng các kết quả của phân tích truyền nhiệt, sự phân bố nhiệt độ nút, cũng như xét đến sự thay đổi các thuộc tính vật liệu theo thời gian và nhiệt độ, sự co ngót theo thời gian, từ biến phụ thuộc thời gian và ứng suất, v.v… Các tính toán này liên quan đến một số khái niệm như tuổi tương đương của bê tông tính theo nhiệt độ và thời gian

và nhiệt độ cộng dồn

Tốc độ thủy hóa ximăng tăng cùng với sự tăng nhiệt độ và sự tăng nhiệt độ lại ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bê tông cũng như sự phát triển các tính chất này theo thời gian Sự phụ thuộc này có thể được định lượng bằng cách sử dụng các phương pháp luận về tuổi của bê tông Tuổi của bê tông được điều chỉnh thành tuổi tương đương để xét đến ảnh hưởng của lịch sử tác động nhiệt độ (nhiệt độ cộng dồn) đến các tính chất cơ học của nó

- Tuổi tương đương của bê tông có thể được tính toán theo công thức của FIP MODEL CODE như sau:

teq là tuổi tương đương của bê tông;

i

t

 là khỏang thời gian từng giai đoạn phân tích (ngày);

T(t i) là nhiệt độ tại mỗi thời điểm phân tích;

T0 là nhiệt độ ban đầu, được lấy bằng 1oC;

n là số giai đoạn phân tích

- Nhiệt độ cộng dồn trong bê tông là đại lượng thể hiện lịch sử tác động của nhiệt

độ Giá trị này có thể được xác định theo công thức của Ohzagi như sau:

M là nhiệt độ cộng dồn trong bê tông đến giai đoạn phân tích thứ n;

 là khỏang thời gian từng giai đoạn phân tích (ngày);

T(t i) là nhiệt độ tại mỗi thời điểm phân tích;

- Cường độ chịu nén của bê tông tính theo tuổi tương đương và nhiệt độ cộng dồn, được tính theo công thức sau:

(2.8)

Với: f’c(t) là cường độ bê tông tại thời điểm tính toán;

f’c(28) là cường độ bê tông tại tuổi 28 ngày;

a, b là các hệ số phụ thuộc vào loại xi măng;

t là thời gian tính toán (ngày);

teq là tuổi tương đương của bê tông;

2.3 Giới thiệu về phần mềm Midas

MiDAS/Civil là một sản phẩm nổi tiếng được xây dựng vào năm 1989 phục vụ

mục đích tính toán kết cấu cầu với nhiều tính năng chuyên nghiệp của hãng MiDAS It Co.,Ltđ Hàn Quốc Phần mềm này hiện nay đang được áp dụng rất phổ biến ở các

nước châu Á như Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc, Malaysia, Việt nam Một số tính năng nổi bật của phần mềm như:

- Hỗ trợ trực tiếp việc mô hình hóa các dạng sơ đồ kết cấu riêng biệt: Cầu dây văng, cầu dây võng, cầu liên tục thi công theo công nghệ hẫng, đúc đẩy, đúc tại chỗ trên đà giáo, qua mô đun Bridge Wizard Với nhiều các mode kết cấu với nhiều mode mặt cắt, vật liệu và tải trọng

- Mô hình hóa và phân tích các giai đoạn thi công có xét đến sự thay đổi tính năng của vật liệu theo thời gian (co ngót, từ biến, chùng rão vật liệu)

- Hỗ trợ nhiều loại phần tử để mô phỏng các cấu kiện của cầu: phần tử thanh, tấm, vỏ, khối, cáp ứng suất trước, dây chỉ chịu kéo, phần tử liên kết, phần tử giảm chấn,

- Phân tích có xét đến yếu tố phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu: Xét hiệu ứng biến dạng lớn; hiệu ứng P-delta; vật liệu dị hướng

- Phân tích được nhiều mode cần thiết trong kỹ thuật kết cấu như phân tích tĩnh, phân tích động, phân tích tuyến tính, phân tích phi biến mode lớn, phân tích thủy nhiệt

- Khả năng phân tích tải trọng di động mạnh: hỗ trợ các loại hoạt tải tiêu chuẩn theo các quy trình thiết kế cầu tiên tiến AASHTO-LRFD-02 (Mỹ),v.v…

- Khả năng tính toán thiết kế theo nhiều tiêu chuẩn tiên tiến

- Khả năng tính toán lực điều chỉnh trong các dây cáp của cầu treo theo lý thuyết

tối ưu qua lệnh Unknow factor

- Có khả năng phân tích kết cấu với số lượng phần tử và nút với số lượng lớn

- Cung cấp gần như nhiều mode phần tử để mô hình hóa và phân tích nhiều bài toán kết cấu

- Tốc độ tính toán của MiDAS/Civil nhanh

- MIDAS/Civil có các giao diện đồ họa rất tiện dụng và trực quan

Với sự phổ biến của phần mềm MIDAS/Civil, việc cài đặt dễ dàng và nguồn tài liệu hướng dẫn sử dụng dễ tìm kiếm, cùng với sự quen thuộc với phân mềm trong quá trình học tập và làm việc, tác giả quyết định chọn chương trình MIDAS/Civil 2011 để phục vụ tính toán cho luận văn này

2.4 Cơ sở phân tích tác động của nhiệt thủy hóa bằng Midas civil

Mô hình hóa và phân tích thủy nhiệt với Midas civil

Trình tự của việc mô hình hóa và phân tích thủy nhiệt cho các kết cấu bê tông khối lớn được thực hiện như sau:

- Xây dựng mô hình kết cấu phản ánh cấu trúc hình học, vật liệu, tải trọng, quá trình thi công

- Xác định sự biến thiên các đặc trưng cơ học của vật liệu như co ngót, từ biến và cường độ theo thời gian

- Xác định các đặc trưng nhiệt của vật liệu và kết cấu, như:

+ Nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt của bê tông

+ Bề mặt tiếp xúc của các khối bê tông với môi trường hay với các bộ phận kết cấu khác trong quá trình thi công

+ Nhiệt độ môi trường

+ Hàm mô tả nguồn nhiệt

- Xây dựng hàm hệ số đối lưu

- Mô tả hệ thống làm nguội (nếu có)

- Phân tích và xử lý kết quả

2.5 Cơ sở phân tích bằng phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn có từ rất sớm, xuất hiện từ năm 1940 và phát triển mạnh vào những năm 60 của thế kỉ này Được lập trình trên máy tính nên cho kết quả

có tính chính xác cao, phương pháp phân tử hữu hạn được sử dung rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật công trình, cơ khí, truyền nhiệt, thấm, trường điện thế, điện từ,

cơ chất lỏng

Với phương pháp này phần tử liên tục sẽ được xem là tập hợp các phần tử hữu hạn và kết nối nối với nhau tại một số vị trí (nút) Các nút thường nằm ở vị trí biên các phần tử liền kề nhau Sự biến thiên thực sự của biến trường (ứng suất, chuyển vị, nhiệt

độ, áp suất…) bên trong vật thể (môi trường liên tục) chưa biết trước, nên biến thiên của biến trường bên trong một phần tử hữu hạn được giả thiết xấp xỉ với một hàm đơn giản Hàm xấp xỉ (hay hàm nội suy) được xác định theo biến trường tại các nút Khi phương trình của biến trường được viết cho toàn bộ miền tính toán, các ẩn số mới sẽ là giá trị tại các nút của biến trường Bằng cách giải hệ phương trình này ta xác định

được giá trị của biến trường tại các nút và từ hàm nội suy đã giả thuyết ta xác đinh được sự biến thiên của biến trường trong miền tính toán

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử) Các phần tử này được liên kết với nhau tại các điểm nút chung Trong phạm vi của mỗi phần tử nghiệm được chọn là một hàm

số nào đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân bằng của phần tử Tập tất cả các phần tử có chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các phần tử Kết quả dẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác định trên mỗi một phần tử

Nói như vậy, để tính toán một kết cấu với cấu tạo bất kỳ thì ta chia kết cấu thành một số hữu hạn các phần tử riêng lẻ và nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút riêng lẻ

Sự biến dạng tổng thể của kết cấu thông qua biến dạng của lưới nút hay tập hợp các chuyển vị của từng nút riêng biệt Tính liên tục của các cấu kiện và sự liên kết giữa các cấu kiện với nhau thể hiện qua sự liên kết giữa các phần tử thông qua các nút Liên kết giữa kết cấu và nền được thể hiện bởi điều kiện biên của các nút hay độ tự do của các nút Các tác động đều thông qua và quy đổi về các nút Việc chia lưới phần tử và nút , mô tả liên kết, các điều kiện biên cần tương thích với kết cấu thực tế Nếu đảm bảo được điều này thì mô hình PTHH sẽ làm việc giống hoặc gần giống kết cấu thực

tế Việc tính toán mô hình PTHH là trước hết phân tích trạng thái làm việc tổng thể của kết cấu từ đó theo điều kiện liên kết tìm được trạng thái làm việc của từng PTHH Trạng thái làm việc của từng phần tử phụ thuộc vào quan hệ ứng suất – biến dạng

và cũng là quan hệ giữa nội lực và chuyển vị nút của phần tử Quan hệ đó biểu hiện ở

độ cứng của phần tử Do vậy từ điều kiện cân bằng giữa các nút ta thiết lập được phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các chuyển vị nút với các lực tác dụng tại nút Trong hệ phương trình biểu diễn quan hệ sẽ có những thành phần đã biết như lực nút hay chuyển vị nút , từ đó tìm ra những thành phần còn lại chưa biết

Vấn đề quan trọng trong việc giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là xây dựng ma trận độ cứng cho phần tử Từ đó lắp ghép các phương trình phần tử dựa vào các điều kiện liên tục, điều kiện biên để tạo phương trình cho hệ và giải các hệ phương trình này [12] Các bước tiến hành chung của phương pháp phần tử hữu hạn như sau:

Bước 1: Rời rạc hóa kết cấu: miền tính toán được chia nhỏ thành E miền con

hoặc phần tử các miền con liên kết với nhau tại điểm nút nhằm mục đích xây dựng lưới phần tử hữu hạn, xây dựng hệ tọa độ địa phương và toàn cục, xây dựng số nút và

số phần tử, và xác định tính chất hình học cho bài toán

Bước 2: Chọn một hàm nội suy hay một mô hình chuyển vị thích hợp

Mô hình nên đơn giản (thường có mode đa thức) nhưng phải thỏa mãn một số yêu cầu về hội tụ

Mô hình chuyển vị bên trong phần tử được giả thiết là:

Trong đó [N] là ma trận hàm hình dạng, là vecto chuyển vị nút của phần tử (e) Xây dựng ma trận độ cứng và vecto tải của từng phần tử bằng cách

sử dụng nguyên lý thế năng cực tiểu Phiến hàm thế năng của toàn bộ vật thể (chỉ

xét lực thể tích và lực mặt) có thể được viết như sau:

(2.12)

(2.15) Trong các phương trình (2.11) và (2.15) chỉ xét lực cắt và lực thể tích Nhưng tổng quát còn có một số ngoại lực tập trung tác dụng vào các nút khác nhau Nếu là vectơ lực nút (tác dụng theo phương vectơ chuyển vị nút của toàn bộ kết cấu) tổng thế năng của kết cấu có thể được viết như sau:

) trong biểu thức của được mở rộng bằng cách thêm các giá trị zero

tại các nơi cần thiết Nói cách khác dấu tổng trong phương trình (2.10) muốn nói việc mở rộng các ma trận phần tử thành kích thước của toàn bộ công trình và cộng các giá trị xếp chồng nhau Như vậy phương trình (2.9) và (2.10) cho ta:

(2.17) Phương trình (2.11) biểu diễn thế năng của toàn bộ kết cấu theo chuyển vị nút Trạng thái cân bằng của kết cấu có thể được xác định bằng cách giải các điều kiện cần thiết sau (để cực tiểu thế năng):

là ma trận độ cứng của toàn bộ cấu kiện

là vectơ chuyển vị nút của toàn bộ cấu kiện

là vectơ tải tập trung

Bước 3: Tập hợp các phương trình phần tử để được hệ phương trình cần bằng

tổng thể cho hệ:

Xây dựng điều kiện liên tục giữa các biên phần tử với các biến cơ sở (quan hệ giữa bậc tự do địa phương và bậc tự do toàn cục, thiết lập quan hệ kết nối giữa các phần tử) bằng quan hệ giữa nút địa phương với nút toàn cục

Xây dựng điều kiện cân bằng

Lắp ghép các phương trình phần tử dựa vào các bước trên, kết quả là hệ thống phương trình : Trong đó ma trận độ cứng của toàn hệ là

là vectơ lực nút tổng cộng

Bước 4: Dựa vào bài toán các điều kiện biên:

Xác định bậc tự do toàn cục của biến sơ cấp

Xác định bậc tự do toàn cục của biến thứ cấp

Giải tìm giá trị của ẩn số chuyển vị nút sau khi đã kết hợp điều kiện biên để được

hệ phương trình có mode:

Đối với bài toán tuyến tính, hệ phương trình có thể giải một cách dễ dàng

Bước 5: Tính toán ứng suất và biến mode của phần tử

Giải hệ phương trình đã lắp ghép, phân tích và đánh giá kết quả:

Tính các đại lượng dẫn xuất

Tính sai số và tốc độ hội tụ bài toán

So sánh với lời giải giải tích nếu có