Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của tải trọng nhiệt đến ứng xử của nhà cao tầng có kiến trúc phức tạp kích thước lớn

Theo TCVN 5574:2012 kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối – Tiêu chuẩn thiết kế, tại bảng 5 quy định đối với công trình BTCT có kết cấu bản đặc toàn khối hoặc bán lắp ghép thì kh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

-

TRẦN PHÁT ĐẠO

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG NHIỆT ĐẾN ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG CÓ KIẾN TRÚC PHỨC TẠP KÍCH THƯỚC LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 8.58.02.01

Long An, tháng 10 năm 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

-

TRẦN PHÁT ĐẠO

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG NHIỆT ĐẾN ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG CÓ KIẾN TRÚC PHỨC TẠP KÍCH THƯỚC LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 8.58.02.01

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hồng Ân

Long An, tháng 10 năm 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực; đồng thời chƣa đƣợc công bố trong các tạp chí khoa học và công trình nào khác

Các thông tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và đƣợc ghi chú rõ ràng./

Tác giả

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Phát Đạo

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả tình cảm của mình, tác giả là học viên cao học của Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp khóa 2018 – 2020 xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu

sắc đến TS.Nguyễn Hồng Ân người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá

trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

Để có kết quả này, tác giả đã nhận được nhiều sự hỗ trợ, giúp đỡ của quý Thầy,

Cô và đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ sự cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trường, các Thầy, Cô giáo ở Bộ môn Kỹ thuật xây dựng dân dụng, Khoa sau đại học, Phòng Đào tạo ĐH & Sau ĐH – Trường Đại học Kinh Tế – Công Nghiệp Long An đã đào tạo, chỉ bảo, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả trong thời gian học tập đã qua

Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn đơn vị công tác, gia đình và bạn bè cùng khóa học

đã chia sẽ khó khăn và giúp đỡ để bản thân hoàn thành Luận văn này

Tác giả

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Phát Đạo

TÓM TẮT

Đất nước ta hiện nay đang trong thời kỳ đổi mới, hội nhập quốc tế ngày càng sâu rộng, sự phát triển kinh tế trong những năm qua đã nâng cao mức sống của đại bộ phận người dân Việt Nam, các nhu cầu về ở nghỉ dưỡng, thư giản giải trí của người dân cũng dần phát triển và là một trong những ngành mang lại hiệu quả kinh tế rất to lớn Vì thế việc tìm kiếm sắp xếp và tổ chức các mô hình ở nghỉ dưỡng luôn là một nhiệm vụ quan trọng Bên cạnh đó, bê tông xi măng là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất hiện nay để xây dựng các công trình cao tầng như nhà chung cư, khu thương mại, văn phòng - nơi có nhiều nguy cơ cháy nổ cao, dẫn đến bê tông phải chịu tác động của nhiệt độ cao sinh ra từ các đám cháy hoặc từ nhiệt độ môi trường Bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao có những trạng thái ứng xử rất phức tạp, dẫn đến sự phá hủy các cấu kiện bê tông khi nhiệt độ tăng cao Do đó, đề tài phân tích ảnh hưởng của tải trọng nhiệt môi trường đến ứng xử của nhà cao tầng có kiến trúc phức tạp kích thước lớn nhằm tìm ra quy luật ứng xử chung và giải pháp xử lý kết cấu chịu ảnh hưởng bởi tải trọng do nhiệt độ gây ra đối với kết cấu có kiến trúc phức tạp kích thước lớn Kết quả phân tích cho thấy, khi kể đến sự thay đổi nhiệt độ môi trường ở thời điểm bất lợi nhất, ứng suất trong sàn cao hơn trung bình từ 2 đến 5 lần so với trường hợp không xét đến nhiệt độ Ứng suất do sự thay đổi nhiệt độ này có thể gây ra hiện tượng nứt bề mặt cho kết cấu sàn nếu trong quá trình thiết kế không được kiểm tra và bố trí cốt thép chống nứt theo yêu cầu Về mặt biến dạng, nhiệt độ làm tăng biến dạng của sàn trong mặt phẳng ngang làm tăng ứng suất trong bê tông sàn Khi nhiệt độ môi trường tăng giảm, ứng suất kéo trong bê tông sàn ở mặt trên, mặt dưới gia tăng đáng kể, có vị trí ứng suất kéo lên đến 7 MPa, vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông Vì vậy dẫn đến nứt bề mặt sàn Cần lưu ý và có giải pháp thiết kế để kháng nứt cho bê tông khi sàn bị biến dạng lớn do nhiệt độ môi trường

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1.SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2.LỢI ÍCH, Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 3

1.3.MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

1.3.1 Mục tiêu tổng quát 3

1.3.2 Mục tiêu cụ thể 3

1.4.ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 4

1.5.PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

1.6.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1.GIỚI THIỆU 6

2.2.ĐẶT VẤN ĐỀ 6

2.3.BIẾN DẠNG 7

2.3.1 Biến dạng do nhiệt độ 7

2.3.1.1 Biến dạng của hồ xi măng do nhiệt độ 7

2.3.1.2 Biến dạng của cốt liệu do nhiệt độ 7

2.3.1.3 Biến dạng của bê tông do nhiệt độ 9

2.3.2 Biến dạng nhiệt nhất thời 9

2.4.CƠ CHẾ PHÁ HỦY CẤU TRÚC BÊ TÔNG 10

2.4.1 Biến đổi hóa học 10

2.4.1.1 Phản ứng lý hóa 10

2.4.1.2.Ảnh hưởng tới độ dẫn nhiệt 11

2.4.2 Sự không tương đồng giữa biến dạng hồ xi măng và cốt liệu 11

2.5.BỐ TRÍ KHE CO GIÃN CHO CÔNG TRÌNH 13

2.5.1 Khe nhiệt 13

2.5.2 Khe lún 17

2.5.3 Cấu tạo 17

2.6.TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG BÊ TÔNG 19

2.6.1 Lý thuyết về quá trình truyền nhiệt và ứng suất do hiệu ứng nhiệt 20

2.6.1.1 Phương trình vi phân chủ đạo của quá trình truyền nhiệt 20

2.6.1.2 Các thông số tính toán nhiệt 20

a Nguồn nhiệt và tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông 21

b Nhiệt độ bê tông khi đổ (nhiệt độ ban đầu) 22

c Nhiệt độ môi trường 22

d Nhiệt độ tại các biên 22

2.6.1.3 Quan hệ giữa trường ứng suất và nhiệt độ 23

2.6.2 Quy trình phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong bê tông khối lớn 23

2.7.ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, THỦY VĂN KHU VỰC DỰ ÁN 24

2.7.1 Đặc điểm tự nhiên 25

2.7.2 Khí hậu, thủy văn 25

2.7.2.1 Khí hậu 25

2.7.2.2 Thủy văn 27

2.7.3 Cảnh quan thiên nhiên 27

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG ĐẾN PHẢN ỨNG CỦA CÔNG TRÌNH 28

3.1.GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH 28

3.2.GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KIẾN TRÚC 28

3.3.GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU 32

3.4.TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ 33

3.5.TỔ HỢP TẢI TRỌNG 36

3.6.PHẦN MỀM PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN 36

3.7.KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 37

3.7.1 Ứng suất trong sàn 37

NHẬN XÉT 52

3.7.2 Kết quả phân tích nội lực của hệ vách 53

ĐÁNH GIÁ 83

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 84

4.1.KẾT LUẬN 84

4.2.KIẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

88

12

Số hiệu

3.14 Biểu đồ ứng suất S22 – Top Face Tầng 8 (TT+HT+To) 39 3.15 Biểu đồ ứng suất S22 – Bottom Face Tầng 8 (TT+HT) 40 3.16 Biểu đồ ứng suất S22 – Bottom Face Tầng 8 (TT+HT+To) 40 3.17 Biểu đồ ứng suất Smax – Top Face Tầng 8 (TT+HT) 41 3.18 Biểu đồ ứng suất Smax – Top Face Tầng 8 (TT+HT+To) 41 3.19 Biểu đồ ứng suất Smax – Bottom Face Tầng 8 (TT+HT) 42 3.20 Biểu đồ ứng suất Smax – Bottom Face Tầng 8

3.21 Biểu đồ ứng suất Smin – Top Face Tầng 8 (TT+HT) 43 3.22 Biểu đồ ứng suất Smin – Top Face Tầng 8 (TT+HT+To) 43 3.23 Biểu đồ ứng suất Smin – Bottom Face Tầng 8 (TT+HT) 44 3.24 Biểu đồ ứng suất Smin – Bottom Face Tầng 8

3.37 Lực dọc Vách C4-3000x300-12 Tầng 9-13 59 3.38 Moment Vách C4-3000x300-12 Tầng 9-13 59 3.39 Lực dọc Vách B9-3000x300-2 Tầng 9-13 60

Số hiệu

3.40 Lực dọc Vách B9-3000x300-2 Tầng 9-13 60 3.41 Lực dọc Vách B9-2000x250-5 Tầng 9-13 61

3.45 Lực dọc Vách B9-2000x300-13 Tầng 9-13 63 3.46 Moment Vách B9-2000x300-13 Tầng 9-13 63 3.47 Lực dọc Vách B9-2000x300-18 Tầng 9-13 64 3.48 Moment Vách B9-2000x300-18 Tầng 9-13 64

Số hiệu

3.67 Lực dọc Vách B14-2000x250-9 Tầng 14-18 74 3.68 Moment Vách B14-2000x250-9 Tầng 14-18 74 3.69 Lực dọc Vách B14-2000x300-11 Tầng 14-18 75 3.70 Moment Vách B14-2000x300-11 Tầng 14-18 75 3.71 Lực dọc Vách B14-2500x250-1 Tầng 14-18 76 3.72 Moment Vách B14-2500x250-1 Tầng 14-18 76 3.73 Lực dọc Vách C14-2000x250-15 Tầng 14-18 77 3.74 Lực dọc Vách C14-2000x250-15 Tầng 14-18 77 3.75 Lực dọc Vách C14-2000x300-14 Tầng 14-18 78 3.76 Moment Vách C14-2000x300-14 Tầng 14-18 78 3.77 Lực dọc Vách A19-1500x250-14 Tầng 19-23 79 3.78 Moment Vách A19-1500x250-14 Tầng 19-23 79 3.79 Lực dọc Vách A19-2000x250-6 Tầng 19-23 80 3.80 Moment Vách A19-2000x250-6 Tầng 19-23 80 3.81 Lực dọc Vách A19-2000x250-7 Tầng 19-23 81 3.82 Moment Vách A19-2000x250-7 Tầng 19-23 81 3.83 Lực dọc Vách A19-2500x250-10 Tầng 19-23 82 3.84 Moment Vách A19-2500x250-10 Tầng 19-23 82

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

2.1 Thay đổi của hệ số giãn nở nhiệt của hồ xi măng theo thời

gian ở nhiệt độ môi trường với độ ẩm tương đối 8

2.2 Các phản ứng lý hóa chính trong bê tông dưới tác động của

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Sự cần thiết của đề tài

Đất nước ta hiện nay đang trong thời kỳ đổi mới, hội nhập quốc tế ngày càng sâu rộng, sự phát triển kinh tế trong những năm qua đã nâng cao mức sống của đại bộ phận người dân Việt Nam, các nhu cầu về ở nghỉ dưỡng, thư giản giải trí của người dân cũng dần phát triển và là một trong những ngành mang lại hiệu quả kinh tế rất to lớn Vì thế việc tìm kiếm sắp xếp và tổ chức các mô hình ở nghỉ dưỡng luôn là một nhiệm vụ quan trọng

Trong đó tỉnh Bình Thuận là một trong những tỉnh ven biển thuộc miền Nam Trung Bộ của nước ta, vì vậy các cơ quan quản lý sẽ nhắm đến các mục tiêu sau :

- Phát huy lợi thế đặc thù về ở nghỉ dưỡng, du lịch biển

- Phát triển ngành du lịch sinh thái tại địa phương

- Bảo vệ môi trường cảnh quan thiên nhiên (hệ sinh thái biển, )

- Định hướng phát triển du lịch bền vững theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống nhân dân nhằm giảm khoảng cách về đời sống, sinh họat của người dân giữa đô thị và các vùng nông thôn

- Đảm bảo yêu cầu phát triển kinh tế xã hội, bảo vệ môi trường sinh thái, đảm bảo an ninh quốc phòng, quản lý sử dụng đấi đai có hiệu quả…

- Xây dựng mới và phát triển hệ thống hạ tầng kỹ thuật như hệ thống đường giao thông, hệ thống cấp thoát nước, hệ thống xử lý nước thải, hệ thống cấp điện, hệ thống thông tin liên lạc, cải tạo môi trường cảnh quan… gắn kết giữa du lịch và phục

vụ du lịch trên địa bàn địa phương

- Cụ thể hóa chủ trương phát triển du lịch, kinh tế - xã hội và đầu tư xây dựng

cơ sở hạ tầng của Tỉnh

- Xác định khung kết cấu hạ tầng xã hội, hạ tầng kỹ thuật đảm bảo phát triển bền vững trên cơ sở quy hoạch chung, kế thừa chọn lọc quy hoạch huyện Hàm Thuận

Nam, quy hoạch chi tiết các khu chức năng được phê duyệt, các dự án đã điều chỉnh

và đang triển khai theo chủ trương của cấp thẩm quyền

- Làm cơ sở tổ chức lập quy hoạch chi tiết; đề xuất danh mục các chương trình đầu tư và dự án chiến lược; kiểm soát phát triển và quản lý đô thị; điều chỉnh quy hoạch huyện Hàm Thuận Nam đã được cấp thẩm quyền phê duyệt để phù hợp với quy hoạch của tỉnh Bình Thuận

- Quy hoạch xây dựng lại gắn với việc cải tạo nâng cấp các khu vực hiện có, khớp nối đồng bộ về hạ tầng kỹ thuật, kiến trúc nâng cao điều kiện môi trường sống, cảnh quan chung

- Bên cạnh phát triển không gian kiến trúc cảnh quan phục vụ cho nhu cầu du lịch sinh thái của lượng khách du lịch.Đồ án còn nắm bắt xu hướng phát triển chung của đô thị và mong muốn tạo ra khu dân cư đúng chuẩn phục vụ cho đời sống của người dân nơi đây

Từ những mục tiêu trên, khu căn hộ THANH LONG BAY được thiết kế có hình dáng uốn lượn và thay đổi chiều cao nhằm tạo ra điểm nhấn kiến trúc cho quần thể khu du lịch nghỉ dưỡng trong tương lai

Theo TCVN 5574:2012 kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối – Tiêu chuẩn thiết kế, tại bảng 5 quy định đối với công trình BTCT có kết cấu bản đặc toàn khối hoặc bán lắp ghép thì khoảng cách lớn nhất giữa các khe co giãn nhiệt cho phép không cần tính toán là 25m; đồng thời theo Tiêu chuẩn Eurocode 2, Mục 2.3.3 quy định khoảng cách dưới 30m thì sẽ được bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt và co ngót trong phân tích kết cấu, nếu trên 30m phải được tính toán, kiểm tra

Tuy nhiên công trình THANH LONG BAY được thiết kế xây dựng bằng BTCT toàn khối có chiều dài kết cấu trên 300m, lớn hơn gấp trên 10 lần quy định của Tiêu chuẩn Việt Nam và Châu Âu nhưng không thể cắt khe nhiệt

Do đó việc “Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của tải trọng nhiệt đến ứng xử của nhà cao tầng có kiến trúc phức tạp kích thước lớn” để tìm ra quy luật chung

cho giải pháp xử lý kết cấu chịu ảnh hưởng bởi tải trọng do nhiệt độ gây ra đối với kết

cấu nhà cao tầng có kiến trúc phức tạp kích thước lớn là cần thiết và phù hợp với điều kiện thực tế

1.2 , ý ng ĩa ủa đề

Đề tài sẽ giúp người thiết kế sử dụng phương pháp thích hợp để phân tích, ước lượng chính xác các ứng xử của kết cấu chịu lực chính nhà cao tầng có kiến trúc phức tạp kích thước lớn nằm ngoài phạm vi quy định của quy phạm thiết kế

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Thật vậy, sự phân bố lại ứng suất trong kết cấu theo thời gian do tác động bởi nhiệt độ môi trường làm biến dạng kết cấu …Tất cả đều là những ứng xử phổ biến, cần được phân tích trong kết cấu bê tông cốt thép Từ đó đánh giá sự phù hợp của giải pháp xử lý thích hợp cũng như áp dụng tính toán bài toán thực tế trong điều kiện kiến trúc được lựa chọn trong điều kiện khí hậu ở miền đông Việt Nam

Nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của tải trọng nhiệt do môi trường đến ứng

xử của kết cấu bê tông cốt thép có kích thước lớn

Nhằm đánh giá sự phù hợp của giải pháp xử lý thích hợp cũng như áp dụng tính toán bài toán thực tế đối với kiến trúc được lựa chọn trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam

1.3.2 Mục tiêu cụ thể

- Tìm hiểu các lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế liên quan về tác động của tải trọng nhiệt độ môi trường lên kết cấu chịu lực của công trình

- Phân tích ảnh hưởng của tải trọng nhiệt độ môi trường lên ứng suất, biến dạng của các kết cấu chịu lực chính của công trình như cột, vách, dầm chuyển và hệ sàn BTCT của công trình có kích thước lớn và kiến trúc phức tạp

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến ứng suất, nội lực và biến dạng của kết cấu công trình khi không thể cắt khe nhiệt trong các tổ hợp tải trọng thiết kế liên quan

- Đánh giá tính khả thi của phương án kiến trúc công trình có kích thước lớn trong giai đoạn thi công và giai đoạn đưa vào sử dụng của dự án dưới tác dụng của sự thay đổi nhiệt độ môi trường

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu tính toán ứng xử của kết cấu nhà cao tầng có kiến trúc phức tạp kích thước lớn của khu căn hộ Thanh Long Bay thuộc huyện Hàm Thuận Nam, tỉnh Bình Thuận do Công ty Cổ phần Trung Sơn Bắc làm chủ đầu tư bằng phương pháp phần tử hữu hạn dưới tác động của tải trọng nhiệt độ môi trường tại tỉnh Bình Thuận, Việt Nam

Đề tài có phân tích tính toán đối với hệ kết cấu chịu lực chính của tòa nhà có kiến trúc đặc biệt với chiều dài liên tục (không thể cắt khe nhiệt) trên 300m và chiều cao khoảng 100m

Đề tài sẽ mô phỏng, đánh giá tác động của sự thay đổi nhiệt độ môi trường đến ứng suất, biến dạng của các kết cấu chịu lực chính của công trình như cột, vách, dầm chuyển và hệ sàn BTCT của công trình có kích thước lớn và kiến trúc phức tạp

Phân tích tính toán đối với hệ kết cấu chịu lực chính của tòa nhà có kiến trúc đặc biệt với chiều dài liên tục (không thể cắt khe nhiệt) trên 300m và chiều cao khoảng 100m

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự phân bố ứng suất, biến dạng trong kết cấu chịu lực chính của nhà cao tầng có kiến trúc phức tạp kích thước lớn dưới tác dụng của tải trọng nhiệt

Dựa vào số liệu thủy văn, tải trọng, các cơ sở lý thuyết và các tài liệu tham khảo

có liên quan để tiến hành phân tích, đánh giá cụ thể cho trường hợp kết cấu công trình

bị tác động bởi tải trọng nhiệt

Sử dụng phần mềm Phần tử hữu hạn ETABS, SAFE… để mô phỏng cho kết cấu chịu lực chính của công trình như cột, vách, dầm chuyển và hệ sàn BTCT dưới tác động bởi tải trọng nhiệt

1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Tại Việt Nam hiện nay ngày càng nhiều nhà cao tầng được xây dựng bằng kết cấu bê tông cốt thép Đã có rất nhiều vụ cháy lớn xảy ra gây thiệt hại lớn về người và tài sản Các vụ cháy tương đối lớn như chung cư Carina ở TP Hồ Chí Minh, nhiệt độ của các đám cháy tạo ra là rất lớn, khoảng 600oC Nhiệt độ có thể cao hơn phụ thuộc vào vật liệu bị cháy Nếu có gỗ, nhiệt độ đo trong không khí có thể lên tới 1.027oC Các kết cấu bê tông như dầm, cột và sàn chịu tác động của các nhiệt độ cao này trong suốt thời gian đám cháy

Câu hỏi được đặt ra liệu sau khi đám cháy được dập tắt, các cấu kiện trên có đảm bảo điều kiện an toàn để sử dụng và nếu không đủ điều kiện sử dụng thì cần phải sửa chữa như thế nào Để trả lời được hai câu hỏi trên, cần hiểu rõ về trạng thái ứng xử cũng như cơ chế phá hủy của cấu kiện bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao Trên thế giới

đã có nhiều nghiên cứu về trạng thái ứng xử, cũng như quá trình phá hủy của bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao từ các đám cháy

Nghiên cứu tại Việt Nam về trạng thái ứng xử của bê tông dưới tác động của nhiệt độ khi đổ bê tông khối lớn cho việc xây dựng đập thủy điện hay hồ chứa trong ngành

thủy lợi, hay khối lớn phục vụ ngành giao thông vận tải Tuy nhiên, nhiệt độ lớn nhất

có thể sinh ra trong bê tông khối lớn vào khoảng 70oC, nhiệt độ này là rất nhỏ so với nhiệt độ của một đám cháy 1.027oC Do vậy, đề tài sẽ đưa ra những tổng quan nghiên cứu của các nghiên cứu trên thế giới về trạng thái ứng suất cũng như quá trình phá hủy của bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao Tổng quan này là bước đầu cơ bản cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn về kết cấu bê tông chịu lửa cũng như nhiệt độ cao trong xây dựng công trình tại Việt Nam

Các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu công trình chịu tải trọng nhiệt độ môi trường còn chưa được thực hiện nhiều trên thế giới và trong nước, và đó là mục tiêu nghiên cứu của đề tài này

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bài viết sẽ đưa ra tổng quan của các nghiên cứu trên thế giới về trạng thái ứng xử của bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao thông qua lý thuyết truyền nhiệt và truyền chất, biến dạng của bê tông và cơ chế phá hủy kết cấu bê tông, từ đó đưa ra những nghiên cứu ban đầu về bê tông chịu tác động của nhiệt độ cao sinh ra từ đám cháy nổ tại Việt Nam

2.2 Đặt vấn đề

Tại Việt Nam hiện nay ngày càng nhiều nhà cao tầng được xây dựng bằng kết cấu

bê tông cốt thép Đã có rất nhiều vụ cháy lớn xảy ra gây thiệt hại lớn về người và tài sản Các vụ cháy tương đối lớn như chung cư Carina ở TP Hồ Chí Minh, nhiệt độ của các đám cháy tạo ra là rất lớn, khoảng 600oC Nhiệt độ có thể cao hơn phụ thuộc vào vật liệu bị cháy Nếu có gỗ, nhiệt độ đo trong không khí có thể lên tới 1.027o

C Các kết cấu bê tông như dầm, cột và sàn chịu tác động của các nhiệt độ cao này trong suốt thời gian đám cháy

Câu hỏi được đặt ra liệu sau khi đám cháy được dập tắt, các cấu kiện trên có đảm bảo điều kiện an toàn để sử dụng và nếu không đủ điều kiện sử dụng thì cần phải sửa chữa như thế nào Để trả lời được hai câu hỏi trên, cần hiểu rõ về trạng thái ứng xử cũng như cơ chế phá hủy của cấu kiện bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về trạng thái ứng xử, cũng như quá trình phá hủy của

bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao từ các đám cháy

Nghiên cứu tại Việt Nam về trạng thái ứng xử của bê tông dưới tác động của nhiệt

độ khi đổ bê tông khối lớn cho việc xây dựng đập thủy điện hay hồ chứa trong ngành thủy lợi, hay khối lớn phục vụ ngành giao thông vận tải Tuy nhiên, nhiệt độ lớn nhất

có thể sinh ra trong bê tông khối lớn vào khoảng 70oC, nhiệt độ này là rất nhỏ so với nhiệt độ của một đám cháy 1.027oC Do vậy, đề tài sẽ đưa ra những tổng quan nghiên cứu của các nghiên cứu trên thế giới về trạng thái ứng suất cũng như quá trình phá hủy của bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao Tổng quan này là bước đầu cơ bản cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn về kết cấu bê tông chịu lửa cũng như nhiệt độ cao trong xây dựng công trình tại Việt Nam

2.3 Biến dạng

2.3.1 Biến dạng do nhiệt độ

Giống như hầu hết các vật liệu, bê tông trải qua biến dạng nhiệt khi chịu sự thay đổi nhiệt độ Biến dạng nhiệt của bê tông là sự tổng hợp của các biến dạng của ma trận xi măng của các khoáng thủy hóa và cốt liệu trong quá trình gia nhiệt Các vật liệu

composite tổng hợp, ví dụ như bê tông, phụ thuộc mạnh vào các thuộc tính của các thành phần này, đặc biệt là bản chất và số lượng các thành phần

2.3.1.1 Biến dạng của hồ xi măng do nhiệt độ

Hồ xi măng cứng bắt đầu giãn nở trong thời gian đầu từ nhiệt độ khoảng 150oC (độ giãn nở tối đa quan sát được là 0,2%) Sau đó, hồ xi măng chịu một sự co ngót lớn từ việc giảm sức căng mao dẫn của nước bị hấp phụ trong hồ xi măng trong quá trình gia nhiệt và xuất hiện áp suất mao dẫn do hồ xi măng bị mất nước Các thông số sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ số giãn nở của hồ xi măng:

- Nhiệt độ, thay đổi dấu của hệ số giãn nở nhiệt, phụ thuộc vào tốc độ gia nhiệt Khi tốc độ tăng nhiệt độ dưới 10oC/phút, nhiệt độ này vào khoảng 150 - 200oC Tăng tốc

độ làm nóng, nhiệt độ thay đổi cũng tăng Đối với hồ xi măng được làm nóng đến

35oC/phút, nhiệt độ thay đổi là khoảng 300oC

- Sử dụng một phần muội silic thay thế xi măng cũng làm tăng sự co ngót của hồ xi măng

- Hơn nữa, hệ số giãn nở bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ ẩm tương đối ban đầu của

hồ xi măng Tuổi của hồ xi măng cũng ảnh hưởng đến giá trị của hệ số giãn nở nhiệt của chúng Cả hai hiệu ứng đều được trình bày trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Thay đổi của hệ số giãn nở nhiệt của hồ xi măng theo thời gian ở nhiệt độ môi trường với độ ẩm tương đối [9]

Do đó, biến dạng quan sát được của hồ xi măng khi nhiệt độ tăng lên là kết quả của

sự giãn nở của cốt liệu (được kiểm soát bởi hệ số giãn nở nhiệt) và sự co lại của hồ xi măng do sấy khô liên tục

2.3.1.2 Biến dạng của cốt liệu do nhiệt độ

Sự giãn nở nhiệt của bê tông chủ yếu liên quan đến sự giãn nở của cốt liệu (chiếm khoảng 70% khối lượng bê tông) Do đó, có thể hạn chế sự biến dạng của bê tông ở nhiệt độ cao bằng cách thay đổi tính chất của cốt liệu, các hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu phụ thuộc vào hàm lượng nước trong đá, nếu các khoáng chất là tinh thể hoặc vô định hình Biến thiên của biến dạng nhiệt, trong đó “biến dạng nhiệt” và “biến dạng nhiệt dư” khác nhau tùy thuộc vào đá các loại đá khác nhau được mô tả như Hình 2.1

Hình 2.1 Biến thiên của biến dạng theo nhiệt độ của các loại đá cốt liệu khác nhau [3]

2.3.1.3 Biến dạng của bê tông do nhiệt độ

Hình 2.2 Biến dạng nhiệt của bê tông với các loại cốt liệu khác nhau [5] Phân tích các kết quả được trình bày trong Hình 2.2 cho thấy sự giãn nở nhiệt của

bê tông phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của cốt liệu Kết quả nghiên cứu của

Hager cũng cho thấy biến dạng nhiệt của bê tông gần như không phụ thuộc vào biến dạng của hồ xi măng Chúng ta có thể thấy rằng:

Các biến dạng nhiệt của bê tông không phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ

- Yếu tố quan trọng nhất của sự giãn nở nhiệt là bản chất của cốt liệu

- Ở nhiệt độ vượt quá 600 - 800oC, sự giãn nở nhiệt bị suy giảm và dừng lại

2.3.2 Biến dạng nhiệt nhất thời

Đây là một ứng xử đặc biệt của vật liệu bê tông Từ biến nhiệt nhất thời là tính chất của các bê tông tự biến dạng lớn khi các bê tông đồng thời chịu áp lực cơ học và tăng nhiệt độ

Các biến dạng nhiệt nhất thời được tạo ra lớn hơn nhiều so với các biến dạng có nguồn gốc đàn hồi và từ biến bản thân Trong khi ở nhiệt độ dưới 100oC, từ biến nhiệt nhất thời thường tiếp tục trong vài ngày, nó ở gần nhiệt độ tức thời Trong thực tế, nó

được coi là độc lập với thời gian và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Đây là lý do tại sao thuật ngữ từ biến nhiệt nhất thời không thích hợp vì từ biến là một khái niệm phụ thuộc vào thời gian và do đó sẽ được thay thế bằng khái niệm biến dạng nhiệt nhất thời

Hình 2.3 Biến dạng tổng đo được tại các mẫu bê tông bị nung nóng (dưới tải trọng

fc=0.45fc20) [6]

Trong chu trình làm nóng và làm lạnh dưới tác động của tải trọng, kết quả thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự giảm của biến dạng tổng không xuất hiện trong quá trình làm lạnh Ảnh hưởng thời gian gia nhiệt và gia tải được đưa ra được thể hiện trong Hình 2.3

2.4 Cơ chế phá hủy cấu trúc bê tông

2.4.1 Biến đổi hóa học

2.4.1.1 Phản ứng lý hóa

Tiếp xúc với nhiệt độ cao gây ra suy giảm hóa học dần dần trong bê tông Các phản ứng lý hóa chính trong bê tông trong quá trình gia nhiệt được tóm tắt trong Bảng 3.1 Những thay đổi hóa học vi cấu trúc của vật liệu sẽ dẫn đến sự biến đổi các tính chất nhiệt, thủy lực và cơ học của bê tông diễn ra các phản ứng hóa học này

Bảng 2.2 Các phản ứng lý hóa chính trong bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao [9]

2.4.1.2 Ảnh hưởng tới độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt của bê tông giảm khi nhiệt độ tăng do sự suy giảm của

vi cấu trúc Các vi nứt cản trở sự truyền nhiệt Hàm lượng nước, loại cốt liệu,

loại xi măng và công thức bê tông là những loại các tham số chính ảnh hưởng đến sự thay đổi của độ dẫn nhiệt Sự thay đổi độ dẫn nhiệt có thể đo được khi sự tăng nhẹ đầu tiên khoảng 15% trong khoảng từ 50 đến 90oC (liên quan đến sự tăng độ dẫn nhiệt của nước) trước khi giảm, vì bê tông bắt đầu mất nước do bốc hơi

2.4.2 Sự không tương đồng giữa biến dạng hồ xi măng và cốt liệu

Sự biến thiên của biến dạng hồ xi măng và cốt liệu bê tông do nhiệt độ gây ra đã được trình bày ở phần trên Trong phần này, sự biến thiên của hồ xi măng và cốt liệu được mô tả trong Hình 2.4 dưới đây Sự biến thiên hoàn toàn trái ngược được nhận thấy dễ dàng Trong quá trình nhiệt độ tăng cao, cốt liệu giãn nở liên tục theo chiều tăng của nhiệt độ, tuy nhiên hồ xi măng có giãn nở trong thời gian đầu, sau đó co ngót mạnh sau khi nhiệt độ tăng cao

Hình 2.4 Giãn nở và co ngót nhiệt của hồ xi măng và cốt liệu [8]

Hình 2.5 Cơ chế phá hủy bê tông do sự không tương đồng biến dạng tại giao diện

tiếp xúc của hồ xi măng/cốt liệu ở nhiệt độ cao

Hai sự biến thiên trái ngược này tạo ra sự không tương đồng biến dạng tại giao diện tiếp xúc của hồ xi măng và cốt liệu Do vậy, tại giao diện mặt tiếp xúc xuất hiện ứng suất kéo tại hồ xi măng và ứng suất nén tại mặt cốt liệu (Hình 2.5)

Đề tài đã đưa ra tổng quan tương đối chi tiết về trạng thái ứng suất cũng như sự phá hủy của bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao Các biến dạng của bê tông trong môi trường nhiệt độ cao đã được phân tích thông qua biến dạng nhiệt của hồ xi măng, của cốt liệu cũng như biến dạng nhiệt của bê tông khi đồng thời chịu tác động của tải trọng cơ học Bốn nguyên nhân chính gây phá hủy kết cấu bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao, trong đó hai nguyên nhân quan trọng nhất là gradient nhiệt và áp lực nước lỗ rỗng gây ra sự bong vỡ bề mặt các cấu kiện bê tông Sự biến dạng không tương đồng giữa vữa xi măng: ứng suất kéo và cốt liệu, ứng suất nén, do vậy tạo sự biến dạng trong bê tông Các phản ứng lý hóa chính trong bê tông cũng được mô tả khi nhiệt độ tăng cao Các phản ứng mất nước chuyển hóa các pha rắn thay đổi cơ bản các thành phần khoáng mang tính cơ học như C-S-H, portlandit, từ đó làm suy giảm cường độ gây phá hủy kết cấu bê tông

Để hiểu rõ hơn và phân tích rõ hơn ảnh hưởng của từng nguyên nhân gây phá hủy kết cấu bê tông cần phải thực hiện những nghiên cứu chuyên sâu hơn về mô phỏng mô hình cũng như thực hiện các mô hình vật lý Tổng quan này là bước đầu cơ bản cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn về kết cấu bê tông chịu lửa cũng như nhiệt độ cao tại Việt Nam

2.5 Bố trí khe co giãn cho công trình

Khe biến dạng (deformation gap, expansion joint, strain joint) là khoảng hở hẹp nhằm tách một công trình thành những phần riêng biệt để hạn chế ảnh hưởng do sự biến dạng của công trình gây ra nứt nẻ Khe biến dạng có 3 loại : khe nhiệt, khe lún

và khe kháng chấn

2.5.1 Khe nhiệt

Hay còn gọi là khe co giãn, được cấu tạo cho các công trình có chiều dài tương đối lớn, mục đích để khắc phục hiện tượng co giãn của kết cấu dưới tác động của nhiệt

độ môi trường Khe co giãn được sử dụng khi nhà có kích thước khá lớn (50 – 60m)

Hình 2.6 Cấu tạo khe nhiệt Trong xây dựng, khe nhiệt có vai trò quan trọng và rất cần thiết đối với các công trình xây dựng Như mọi người thường biết, bê tông, các cấu trúc của công trình xây dựng đều có thể bị giãn nở (khi gặp nhiệt độ nóng sẽ nở ra và khi gặp nhiệt độ lạnh sẽ co vào) Điều này sẽ gây ảnh hưởng đến các công trình xây dựng, gây ra tình trạng các vết nứt trên bề mặt của cấu trúc, gây ra các biến động hoặc các chấn động cho các công trình xây dựng từ bê tông… Nhờ có khe nhiệt tạo ra khoảng hở, giúp tường, sàn, mái…công trình có thể dãn nở tự do được, giúp các công trình bê tông này vẫn đủ khả năng chịu được với biên độ cố định khi nhiệt độ môi trường thay đổi Vì thế, người kỹ sư xây dựng công trình cần phải tính toán rõ ràng về độ giãn nở của khe nhiệt để lắp đặt sao cho hợp lý Một sự tính toán sai lệch về khe nhiệt sẽ dẫn đến ảnh hưởng khá lớn cho công trình xây dựng về thẩm mỹ, về độ đảm bảo an toàn…

* Cấu tạo của khe nhiệt và khi nào cần bố trí khe nhiệt?

Về mặt cấu tạo: Khe nhiệt chỉ cần cắt qua thân (không cắt qua hầm và móng ) công trình, phân công trình thành các phần từ trên của móng đến mái Tại vị trí móng, khe nhiệt được làm chung nhưng tại vị trí tường thì phải tách ra

Các công trình cần sử dụng khe nhiệt: Việc chia cắt công trình, nhất là các công trình nhà cao tầng cần phải được hạn chế bởi khi dao động dưới ảnh hưởng của

địa chấn dễ gây ra xô đẩy làm hư hỏng công trình Tuy nhiên, có những trường hợp cần phải tiến hành việc chia cắt, bố trí khe nhiệt

Đối với kích thước mặt bằng công trình quá lớn (vượt giá trị cho phép theo tiêu chuẩn) mà không có các biện pháp kết cấu và thi công đảm bảo tính an toàn cho công trình thì bắt buộc phải bố trí khe nhiệt Khe nhiệt thường có bề rộng bé hơn 50mm (thường là 20 -30 mm)

Hình 2.7 Cấu tạo mô hình khe nhiệt Đối với nhà cao tầng: bề rộng của khe nhiệt phụ thuộc vào hệ kết cấu chịu lực công trình và kết cấu tường ngoài của công trình (nếu tường ngoài lắp ghép thì khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn là 65m, nếu tường ngoài liền khối thì khoảng cách cho phép là 45m)

Hình 2.8 Xử lý sự cố khi không có khe nhiệt

* Bề rộng của khe nhiệt và cách xử lý khe nhiệt?

Bề rộng của khe nhiệt: bề rộng của khe nhiệt còn phụ thuộc vào vị trí của công trình

Nếu công trình có vị trí bình thường (không có tác dụng của động đất, lún, ) thì thông thường khe nhiệt có bề rộng nhỏ hơn 50mm

Hình 2.9 Khe nhiệt cho công trình cầu đường Nếu công trình ở vị trí chịu tác dụng của động đất thì bề rộng của khe nhiệt phải lớn hơn tổng chuyển vị ngang của hai đỉnh công trình dưới tác dụng của tải trọng

động đất Điều này tránh cho các phần của công trình không bị va đập vào nhau khi công trình rung lắc do sang chấn

Cách xử lý khe nhiệt: Sau khi các công trình được hoàn thiện, cần có các biện pháp thích hợp và an toàn để lấp khoảng hở của khe nhiệt (bởi khe nhiệt có khoảng hở lớn) Ngoài việc đảm bảo dãn nở tự do, khe nhiệt cần phải được chống thấm, chống dột đúng quy cách

2.5.2 Khe lún

Khe lún được cấu tạo trong công trình có sự chênh lệch lớn giữa các khối nhà, ví dụ như trong một công trình vừa có cả khối thấp tầng, vừa có cả khối cao tầng Khe lún còn được sử dụng khi công trình xây trên nền đất có sức chịu tải khác nhau

2.5.3 Cấu tạo

* Khe nhiệt và khe kháng chấn chỉ cần cắt qua thân (không cắt qua hầm và móng)

* Khe lún: cắt qua thân hầm và móng Khoảng cách khe lún quy phạm là > 24 (m)

Phân chia công trình bằng khe co giãn, khe chống động đất và khe lún khi thiết

kế nhà cao tầng cố gắng điều chỉnh hình dáng và kích thước mặt bằng bởi các giải pháp kết cấu và thi công để hạn chế việc chia cắt này sẽ dẫn đến sự bất lợi cho kết cấu công trình; thứ nhất: vì tải trọng công trình lớn nên tại hai bên khe lún cấu tạo móng gặp khó khăn; thứ hai: khi dao động dưới ảnh hưởng của địa chấn dễ gây ra xô đẩy làm hư hỏng công trình

Việc chia cắt công trình cần phải được hạn chế, song trong những trường hợp sau đây thì việc chia cắt cần được tiến hành

Đối với khe co giãn: khe co giãn cần phải bố trí khi kích thước mặt bằng công trình quá lớn (vượt giá trị cho phép theo tiêu chuẩn) mà không có các biện pháp kết cấu và thi công đảm bảo tính an toàn cho công trình Đối với nhà cao tầng khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn phụ thuộc vào hệ kết cấu chịu lực công trình và kết cấu tường ngoài của công trình Với hệ kết cấu khung vách BTCT toàn khối nếu tường ngoài lắp ghép thì khoản cách cho phép giữa hai khe co giãn là 65m, nếu tường ngoài liền khối thì khoảng cách cho phép là 45m Đối với khe lún: Khe lún của các bộ

phận công trình chênh lệch nhau có thể làm cho công trình bị hư hỏng Những trường hợp sau đây thì không nên bố trí khe lún:

+ Công trình tựa trên nền cọc, nền đá hoặc trên các nền được gia cố đảm bảo độ lún của công trình là không đáng kể

+ Với việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiên độ chênh lún giữa các bộ phận nằm trong giới hạn cho phép Đối với khe phòng chống động đất : khe phòng chống động đất được bố trí tại các công trình được thiết kế chống động đất trong các trường hợp sau :

+ Kích thước mặt bằng vượt giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn

+ Nhà có tầng lệch tương đối lớn

+ Độ cứng và tải trọng của các bộ phận nhà chênh lệch nhau

Việc tạo khe co giãn, khe phòng chống động đất và khe lún cần tuân theo các nguyên tắc sau:

+ Các khe co giãn, khe phòng chống động đất và khe lún nên bố trí trùng nhau

+ Khe phòng chống động đất nên được bố trí suốt chiều cao của nhà, nếu trong trường hợp không cần có khe lún thì không nên cắt qua móng mà nên dùng giải pháp gia cố thêm móng tại vị trí khe phòng chống động đất

+ Khi công trình được thiết kế chống động đất thì các khe co giãn và khe lún phải tuân theo yêu cầu của khe phòng chống động đất

Độ rộng của khe lún và khe phòng chống động đất cần được xem xét căn cứ vào chuyển vị của đỉnh công trình do chuyển dịch móng sinh ra Chiều rộng tối thiểu của khe lún và khe phòng chống động đất được tính theo công thức:

δmin= V1 + V2 + 20mm

Trong đó: V1 và V2 là chuyển dịch ngang cực đại theo phương vuông góc với khe của hai bộ phận công trình hai bên khe, tại đỉnh của khối kề khe có chiều cao nhỏ hơn hai khối

Công trình nhà 100m dài thì biến dạng do giãn nở nhiệt cỡ 2,5cm (TCVN5574-2012):

(0.7*10-5)/oC^(-1) x (40oC-5oC) x 100 m = 2.45cm

2.6 Trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong bê tông

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 lên 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 dân dụng và công nghiệp hiện nay có nhiều kết cấu có khối tích rất lớn như dầm, sàn chuyển, đài móng nhà siêu cao tầng, móng máy… 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

2.6.1 Lý thuyết về quá trình truyền nhiệt và ứng suất do hiệu ứng nhiệt

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

Quá trình truyền nhiệt ba chiều trong môi trường bất đẳng hướng được mô tả bởi phương trình:

(2.1) trong đó: ρ: khối lượng thể tích của bê tông, [kg/m3

]; C: tỷ nhiệt của bê tông, [kcal/kg.0C]; T(x,y,z,t): nhiệt độ tại toạ độ (x,y,z) tại thời điểm t, [0C]; λx, λy, λz: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu theo các phương x,y,z; q: nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích, [kcal/m3]

Các điều kiện biên:

Tại biên nhiệt độ không đổi T = T0: T (x, y, z, t) = T0 với t > 0 (2.2) Tại biên truyền nhiệt:

2.6.1.2 Các thông số tính toán nhiệt

a Nguồn nhiệt và tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông

Xi măng pooclăng thông thường có chứa các thành phần khoáng clinke như

C3S, C2S, C3A, C4AF Khi tác dụng với nước, xảy ra phản ứng thủy hóa các khoáng clinke sinh ra nhiệt Tùy theo hàm lượng xi măng, thành phần của từng khoáng mà tốc

độ phản ứng và lượng nhiệt phát ra khác nhau Do bê tông là vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, nên lượng nhiệt thủy hóa của xi măng không kịp thoát ra ngoài và tích tụ trong lòng khối bê tông Mặt khác do tốc độ tỏa nhiệt tỷ lệ thuận với tỷ số diện tích bề mặt thoát nhiệt trên khối tích bê tông, nên đối với bê tông khối lớn tốc độ thoát nhiệt là chậm hơn rất nhiều so với các kết cấu bê tông thông thường Vì vậy có thể xem quá

trình trao đổi nhiệt trong khối bê tông khi diễn ra phản ứng thủy hóa của xi măng và đóng rắn của bê tông là quá trình đoạn nhiệt Lượng nhiệt thoát ra từ phản ứng thủy hóa xi măng chính là năng lượng của quá trình này, hay nói cách khác chính là nguồn nhiệt của quá trình truyền nhiệt trong bê tông Đại lượng q ở công thức (2.1) chính là nguồn nhiệt trên một đơn vị thể tích Tại cuộc hội thảo về phân tích kết cấu bê tông cốt thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn năm 1985 tại Tokyo - Nhật Bản, Tanabe

đã đưa ra công thức xác định nguồn nhiệt đơn vị q và quy luật của sự tăng nhiệt độ đoạn nhiệt trong bê tông (công thức 5 và 6) Đến năm 1986, công thức này đã được Hiệp hội kỹ sư xây dựng Mỹ - ASCE công nhận [9]

(2.5) trong đó: q: nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích, [kcal/m3]; ρ: khối lượng thể tích của bê tông, [kg/m3]; C: tỷ nhiệt của bê tông, [kcal/kg.0C]; t: thời gian, [ngày]; α: hệ

số thể hiện mức độ thủy hóa; K: nhiệt độ tối đa của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt, [0C]; Tad: nhiệt độ của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt ở tuổi t (ngày), [0C]

Như vậy, nếu có thể biết giá trị K và α thì có thể tính được nguồn nhiệt q và từ đó xác định được trường nhiệt độ trong khối bê tông Tuy nhiên, việc tính toán K và α rất phức tạp vì quá trình sinh nhiệt diễn ra trong thời gian dài và phụ thuộc vào nhiều yếu

tố Kết quả nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng K và α phụ thuộc trực tiếp vào hàm lượng xi măng, loại xi măng sử dụng và nhiệt độ vữa bê tông khi đổ Cùng một loại xi măng, khi hàm lượng xi măng và nhiệt độ vữa bê tông khi đổ tăng thì K và

α đều tăng Như vậy, muốn để nhiệt độ trong khối bê tông giảm thì phải giảm hàm lượng xi măng và nhiệt độ ban đầu của vữa bê tông Theo [7], nhiệt độ tại tâm khối bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm theo công thức (2.6):

(2.6)

trong đó: t: tuổi bê tông [ngày]; Q(t) ≡ Tad: nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông ở tuổi t (ngày), [0C]; Q∞: nhiệt độ tối đa của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt, [ 0C]; rAT, sAT - các thông số thể hiện tốc độ thay đổi nhiệt độ; t0,Q - tuổi bê tông bắt đầu nâng nhiệt, [ngày]

Các đại lượng Q∞; rAT; sAT; t0,Q trong công thức (2.6) được thiết lập là hàm số của nhiệt độ bê tông khi đổ và hàm lượng xi măng tùy theo loại xi măng sử dụng

b Nhiệt độ bê tông khi đổ (nhiệt độ ban đầu)

Theo [8, 9] nhiệt độ bê tông khi đổ được tính theo nhiệt độ và hàm lượng của các thành phần bê tông khi trộn, xác định theo công thức (2.7):

(2.7) trong đó: Tm: Nhiệt độ bê tông sau khi được trộn với các vật liệu đã làm mát (0C); Cs:

Tỷ nhiệt của xi măng và cốt liệu có tính đến nước (lấy Cs = 0,2); Wg , Tg - Khối lượng (kg/m3 ) và nhiệt độ ( 0C) của cốt liệu; Wc , Tc - Khối lượng (kg/m3 ) và nhiệt độ (0C) của xi măng; Wm, Tm - Khối lượng (kg/m3) và nhiệt độ (0C) của nước

Nhiệt độ thực tế có thể cao hơn giá trị tính toán theo công thức 8 do ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa xi măng, nhiệt ma sát khi trộn, hiện tượng nóng cơ học của máy trộn

c Nhiệt độ môi trường

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ tối đa và sự giảm nhiệt

độ của bê tông khi đổ Nhiệt độ môi trường trong tính toán được lấy là nhiệt độ trung bình ngày trong 3 năm tại công trường hoặc sử dụng số liệu quan trắc khí tượng tại khu vực thi công [7, 8]

d Nhiệt độ tại các biên

Tại biên không thay đổi nhiệt độ, nhiệt độ được lấy theo nhiệt độ trung bình cố định tại mặt tiếp xúc đó, ví dụ: nền đất trong trường hợp thi công đài móng, nhiệt độ được lấy là nhiệt độ trung bình năm Tại biên đối lưu, nhiệt độ phụ thuộc vào loại cốp

pha, thời gian tháo khuôn, vật liệu bảo dưỡng, phương pháp và thời gian bảo dưỡng [6]

2.6.1.3 Quan hệ giữa trường ứng suất và nhiệt độ

Theo [5], mối quan hệ giữa ứng suất nhiệt và nhiệt độ trong khối bê tông thể hiện trong công thức:

(2.8) trong đó: {σ}: véctơ ứng suất tại điểm khảo sát, [kG/m2 ]; [R]: ma trận cản biến dạng của bê tông; E: môđun đàn hồi của bê tông, [kG/m2 ]; {ΔT}: véc tơ gradient nhiệt độ; β: hệ số giãn nở nhiệt của bê tông Qua công thức (2.8) thấy rằng, khi chênh lệch nhiệt

độ ΔT càng lớn thì ứng suất nhiệt trong khối bê tông càng lớn và càng dễ xảy ra nứt nhiệt trong khối bê tông do ứng suất vượt quá giới hạn bền kéo của bê tông Vì vậy,

để chống nứt cho bê tông khối lớn cần kiểm soát chênh lệch nhiệt độ ΔT trong giới hạn cho phép

2.6.2 Quy trình phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong bê tông khối lớn

Việc phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong bê tông khối lớn được thực hiện bằng phương pháp PTHH Hiện nay có rất nhiều phần mềm phân tích kết cấu bằng phương pháp PTHH có khả năng phân tích nhiệt độ và ứng suất nhiệt như: ANSYS, ABAQUS, SAFE, ETABS… Trong nghiên cứu này, phần mềm SAFE, ETABS được

sử dụng để khảo sát mô hình tính toán Qui trình thực hiện gồm 6 bước, mô tả theo sơ

đồ khối ở hình 2

Hình 2.10 Quy trình phân tích trường nhiệt độ, ứng suất trong bê tông khối lớn bằng phương pháp PTHH

2.7 Điều kiện tự nhiên, thủy văn khu vực dự án

2.7.1 Đặc điểm tự nhiên

- Địa hình Bình Thuận chủ yếu là đồi núi thấp, đồng bằng ven biển nhỏ hẹp, địa hình hẹp ngang kéo theo hướng đông bắc - tây nam, phân hoá thành 4 dạng địa hình chính gồm đất cát và cồn cát ven biển chiếm 18,22%, đồng bằng phù sa chiếm 9,43%, vùng đồi gò chiếm 31,65% và vùng núi thấp chiếm 40,7% diện tích đất tự nhiên

- Nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, nhiều nắng, nhiều gió, không có mùa đông và khô hạn nhất cả nước Khí hậu nơi đây phân hóa thành 2 mùa

rõ rệt là mùa mưa và mùa khô Mùa mưa thường bắt đầu từ tháng 5 đến tháng

10, mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau Nhưng trên thực tế mùa mưa chỉ tập trung vào 3 tháng 8, 9 và tháng 10, vì vậy mùa khô thực tế thường kéo dài

- Bình Thuận có 10 loại đất với 20 tổ đất khác nhau, có kiểu rừng gỗ lá rộng, kiểu rừng rụng lá, kiểu rừng hỗn giao lá kim chiếm ưu thế, kiểu rừng hỗn giao và tre nứa thuần loại Bên cạnh đó, Bình Thuận có nhiều tích tụ khoáng sản đa dạng về chủng loại như vàng, wolfram, chì, kẽm, nước khoáng và các phi khoáng khác Trong đó, nước khoáng, sét, đá xây dựng có giá trị thương mại và công nghiệp

- Sông ngòi tại Bình Thuận đều ngắn, lượng nước không điều hòa, mùa mưa thì nước sông chảy mạnh, mùa nắng làm sông bị khô hạn Tỉnh có bốn sông lớn là sông

Lũy, sông Lòng Sông, sông Cái và Sông Cà Ty

Sông Lòng Sông phát nguyên từ dãy núi ranh giới hai tỉnh Ninh Thuận-Bình Thuận, chảy theo chiều Bắc-Nam dọc theo ranh giới hai quận Tuy Phong và Phan Lý Chàm Sông này dài khoảng 40 cây số (từ nguồn ra đến cửa biển)

Sông Lũy phát nguyên từ cao nguyên Tuyên Đức.Từ nguồn đến ranh giới quận Hòa

Đa, sông chảy theo hướng Bắc-Nam, dài 40 cây số; rồi rẽ ra đến biển, sông chảy theo hướng Tây-Đông và dài hơn 20 cây số, lòng sông hẹp, quanh co, vào mùa mưa thường gây lụt lội

Sông Cái phát nguồn từ cao nguyên Lâm Đồng chảy qua địa phận Thiện Giáo, rồi chảy theo hướng Bắc-Nam và dài khoảng 40 cây số

Sông Cà Ty phát nguồn từ cao nguyên phía Tây và chảy theo hướng Đông-Nam, dài