Tính toán hệ thống dàn ống giải nhiệt trong thi công bê tông khối lớn áp dụng với đài móng công trình Vietinbank Tower

Bài viết này giới thiệu về cách tính toán hệ thống ống giải nhiệt, ví dụ áp dụng cho một đài móng công trình được thi công trong điều kiện Việt Nam.

Tính tốn hệ thống dàn ống giải nhiệt thi cơng bê tơng khối lớn áp dụng với đài móng cơng trình Vietinbank Tower Calculation of the cooling pipe system in mass concrete construction applied to Vietinbank Tower Nguyễn Văn Đức, Trương Kỳ Khơi Tóm tắt Biện pháp giảm ứng suất nhiệt thi công kết cấu bê tông khối lớn có ý nghĩa quan trọng Một biện pháp thường áp dụng thi công kết cấu có khối tích lớn đài móng nhà siêu cao tầng sử dụng hệ thống dàn ống giải nhiệt cho khối bê tông Bài báo giới thiệu cách tính tốn hệ thống ống giải nhiệt, ví dụ áp dụng cho đài móng cơng trình thi cơng điều kiện Việt Nam Từ khóa: Cơng nghệ xây dựng, bê tơng khối lớn, hệ thống dàn ống giải nhiệt Abstract The method of reducing the thermal stress in construction of mass concrete is significantly important One of commonly used methods in construction of massive foundations of skyscrapers is the use of cooling pipe systems for concrete blocks This paper introduces how to calculate the cooling pipe system and give an example for a foundation constructed under Vietnamese conditions Key words: Construction technology, mass concrete, cooling pipe system Đặt vấn đề Hiện nay, quy mơ cơng trình ngày lớn hơn, cơng trình xây dựng nói chung dân dụng nói riêng thi cơng bê tơng khối lớn đài móng nhà siêu cao tầng phổ biến, đặc biệt thành phố lớn Hà Nội, TP Hồ Chí Minh,… Thực tế khảo sát, kết cấu bê tơng bê tơng cốt thép kích thước lớn thường bị nứt mạch, chí nứt sâu, nứt xuyên thời gian đầu bê tông đông cứng Nhiều vết nứt phát sau tháo dỡ cốp pha Các kết cấu thường thiết kế với bê tông cường độ cao, thi công điều kiện mùa hè nắng nóng Hà Nội mùa khơ TP Hồ Chí Minh Việc kiểm sốt hạn chế vết nứt ứng suất nhiệt phát sinh q trình đơng kết bê tơng phức tạp, đòi hỏi kỹ sư tham gia phải có kinh nghiệm, đưa giải pháp từ khâu thiết kế, lựa chọn vật liệu thi công Vì vậy, việc nghiên cứu tính tốn hệ thống dàn ống giải nhiệt cho khối đổ bê tông khối lớn cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Khái niệm bê tông khối lớn, điều kiện gây nứt điều kiện khí hậu Việt Nam a) Khái niệm Theo TCVN 9341:2012, Kết cấu bê tông bê tông cốt thép coi khối lớn có kích thước đủ để gây ứng suất kéo, phát sinh hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá xi măng, vượt giới hạn kéo bê tông, làm nứt bê tơng, cần phải có biện pháp để phịng ngừa vết nứt Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam kết cấu có cạnh nhỏ (a) chiều cao (h) lớn 2m xem khối lớn Đối với kết cấu có dạng ngàm kết cấu có hình khối phức tạp kích thước khối lớn người thiết kế xem xét định b) Điều kiện gây nứt bê tơng khối lớn điều kiện khí hậu Việt Nam Theo [5], điều kiện để gây nứt bê tông khối lớn là: ∆T ≥ 200C – Điều kiện cần; MT ≥ 500C/m – Điều kiện đủ; Trong đó: ∆T: Độ chênh nhiệt độ điểm khối bê tông, (0C); MT: Mô đun chênh nhiệt độ (Gradient nhiệt độ), độ chênh nhiệt độ điểm khối bê tơng cách 1m, (0C/m); Tính tốn hệ thống dàn ống giải nhiệt thi công bê tông khối lớn cơng trình Viettinbank Tower 3.1 Tiêu chuẩn áp dụng - CIRIA C660: Early- age thermal crack control in concrete; TS Nguyễn Văn Đức, ThS Trương Kỳ Khôi Khoa Xây dựng Email: nguyenduc.0680@gmail.com truongkhoi.dhkt@gmail.com Ngày nhận bài: 3/12/2018 Ngày sửa bài: 20/302019 Ngày duyệt đăng: 8/01/2020 - ACI 207.2R-07: Effect of Restraint, Volume Change, and Reinforcement on Cracking of Mass Concrete; - ACI 207.4R-05: Cooling and Insulating Systems for Mass Concrete; - Computer & Structures (Jin Keun Kim, Kook Han Ki, Joo Kyoung Yang), Thermal analysis of hydration heat in concrete structures with pipe –cooling system; 3.2 Các bước tính tốn, áp dụng cho đài móng cơng trình Vietinbank Tower Dự án Vietinbank Tower (Hà Nội) có hai khối móng lớn nằm tịa nhà Văn phịng tịa nhà Khách sạn Khối móng nằm tịa nhà Văn phịng cao 7m S¬ 37 - 2020 33 KHOA H“C & CôNG NGHê Hỡnh Mt ct i múng nh Văn phòng tòa nhà Khách sạn cao 5.5m Khối lượng bê tơng đài móng khu nhà Văn phịng khoảng gần 20.000 m3 Đổ bê tơng đài móng khối lớn nhà Văn phòng phương án chia thành nhiều đợt đổ theo phương ngang có sử dụng hệ thống ống giải nhiệt Đợt 1: 1150mm, Đợt 2: 3350mm, Đợt 3: 2500mm Dưới trình bày tính tốn kiểm sốt nhiệt độ cho bê tơng móng nhà Văn phịng cho khối đổ 3350mm 2500mm 3.2.1 Thông số dùng tính tốn kiểm tra dàn ống giải nhiệt cơng trình a Các đặc trưng vật liệu bê tơng • Khối lượng thể tích: γb = 2500 Kg/m3 • Hàm lượng xi măng bao gồm tro bay xỉ lị cao: 560 Kg/m3 • Nhiệt dung riêng bê tơng: KJ/Kg0C • Hệ số dẫn nhiệt bê tông: 2.52 W/m0C b Các đặc trưng khối đổ • Chiều dày khối đổ: Tính tốn cho trường hợp 3350mm 2500mm • Bề mặt nhiệt: 5.2W/m2K c Điều kiện mơi trường • Tốc độ gió: ≈4 m/s • Nhiệt độ bê tơng đầu vào: Tính tốn cho trường hợp 280C – 300C – 320C Việc tính tốn dự đốn nhiệt độ tăng chênh lệch nhiệt độ khối đổ dựa phương pháp đường đoạn nhiệt bê tông, đồng thời có xét đến ảnh hưởng thành phần khác phụ gia tro bay, xỉ lò cao, tốc độ gió, nhiệt độ mơi trường, nhiệt độ lúc đổ Chi tiết tính tốn thể CIRIA C660 – Phụ lục A2 [1] Tính tốn trường nhiệt khối đổ bê tông thực theo phương pháp số, chia khối đổ thành n phần dọc theo tiết diện, phần, tính tốn nhiệt độ phát triển theo thời gian dựa vào liệu đường đoạn nhiệt Sau đó, xác định nhiệt độ lớn tâm nhiệt độ hai bề mặt khối đổ, chênh lệch nhiệt độ tâm hai bề mặt chênh lệch nhiệt độ lớn Đồng thời, dựa vào nhiệt độ điểm dọc theo tiết diện, vẽ trường nhiệt độ ứng với thời điểm có Tmax trường nhiệt ứng với thời điểm có ∆Tmax Kết Biểu đồ nhiệt độ Tmax ∆Tmax Biểu đồ trường nhiệt độ dọc theo tiết diện khối đổ bê tơng móng có chiều cao 3.35m thể 3.2.3 Tính tốn nhiệt độ bên khối đổ có hệ thống ống giải nhiệt a Xác định vùng ảnh hưởng hệ thống ống giải nhiệt Diện tích vùng ảnh hưởng ống giải nhiệt xét hình vng có diện tích Sh x Sv (m2) Quy thành đường trịn có diện tích tương đương với bán kính R: S S • Nhiệt độ mơi trường, dựa vào dự báo thời tiết khu vực S= h v ( m) 0 R S R = π ⇒ Hà Nội tháng 8: Nhiệt độ dao động từ 30 C -35 C, lấy ef h v ef π (3.1) trung bình 32.5 C b Tính toán ảnh hưởng hệ thống ống giải nhiệt đến d Hệ thống ống giải nhiệt nhiệt độ khối đổ Ống giải nhiệt dùng ống sắt có đường kính ngồi Dpipe Gọi ∆T (0C) lượng nhiệt độ giảm 1h có = 33.5mm, chiều dày 2mm, khoảng cách ống theo phương hệ thống ống giải nhiệt ngang đứng là: Sh = 1m Sv = 1m Tổng lượng nhiệt cần hấp thụ để giảm lượng nhiệt Nước chạy qua hệ thống ống giải nhiệt làm lạnh Chiller, lưu lượng bơm khoảng từ 4÷10 gal/min Trong ∆T ( C) 1h là: tính tốn, lấy giá trị trung bình gal/min = 2.19 m /h Khối (3.2) Q = ∆T * Cc * γ c ( kCal / m3 ) lượng thể tích nước ρw = 1000 (kg/m3), nhiệt dung Trong đó: riêng nước cw = 1(kCal/kg C) Nhiệt độ nước đầu vào Cc: nhiệt dung riêng bê tông (kCal/kg0C); 80C 3.2.2 Xác định nhiệt độ bên khối đổ khơng có hệ thống ống giải nhiệt 34 T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG c: lượng thể tích bê tơng (kg/m3) Tính trường hợp nguy hiểm ứng với đường Hình Đường đoạn nhiệt tăng theo thời gian Hình Nhiệt độ tâm, bề mặt chênh lệch nhiệt độ dự đốn Hình Trường nhiệt độ dọc theo tiết diện ống dài (trừ đoạn ống theo phương đứng vị trí có đến đường ống dẫn nhiệt): ρw: khối lượng thể tích nước (kg /m3); L = 92 – 2*6 = 80 (m) Với bán kính ảnh hưởng ống giải nhiệt Ref, tính thể tích bê tơng nằm vùng ảnh hưởng: = Vef L= * S ef L * π * ( R − R ef pipe ) (m ) (3.3) Nhiệt lượng cần giảm suốt chiều dài ống là: qsupply = Vef * Q Qw: lưu lượng nước chạy qua ống giải nhiệt 1h (lấy trung bình theo thiết kế) (m3/h); (kCal) (3.4) Theo [4], ảnh hưởng ống giải nhiệt đến việc làm lạnh bê tơng tính theo cơng thức sau: qsupply = qout − qin = Qw * ρ w * cw * (Tw,out − Tw,in ) (kCal) (3.5) Trong đó: qsupply: lượng nhiệt cần hấp thu suốt chiều dài ống (kCal); cw: nhiệt dung riêng nước (kCal/kg 0C); Tw,out: nhiệt độ nước đầu ống giải nhiệt (0C); Tw,in: nhiệt độ nước đầu vào ống giải nhiệt (0C); − Tw,in Tw,out = = qsupply Vef * Q = Qw * ρ w * cw Qw * ρ w * cw ) * ∆T * Cc * γ c L * π * ( Ref2 − R pipe Qw * ρ w * cw (3.6) Như vậy, nhiệt độ nước bơm đầu vào hệ thống ống gii Sơ 37 - 2020 35 KHOA HC & CôNG NGHª Hình Vùng ảnh hưởng hệ thống ống giải nhiệt khối đổ 3350mm Hình Vùng ảnh hưởng hệ thống ống giải nhiệt khối đổ 2500mm Hình Mơ hình tính tốn ảnh hưởng ống giải nhiệt nhiệt phải tính tốn trừ thêm lượng (Tw,out - Tw,in) để đảm bảo nhiệt độ nước đủ lạnh suốt toàn chiều dài ống Theo Định luật Fourier dẫn nhiệt, lượng nhiệt trao đổi hai bề mặt tiếp xúc 1h tính theo cơng thức: K = Q' d (T1 − T2 ) A (kCal) (3.7) Q' * d T1 − T2 = K*A 2 ( Ref − R pipe ) * ∆T * Cc * γ c *( Ref − 0.5 D pipe ) = K * D pipe Vậy để đảm bảo ống giải nhiệt làm việc hiệu quả, nhiệt độ nước đầu vào cần đạt: Tw,in = Ttb − (T1 − T2 ) − (Tw,out − Tw,in ) = 80 C Trong đó: d = Ref - Dpipe/2: khoảng cách từ vị trí xa vùng ảnh hưởng đến mặt ống giải nhiệt (m); ⇒ 80 C =Ttb − K: hệ số dẫn nhiệt bê tông (kCal/h.m.0C); A=π*Dpipe *l= π *Dpipe*1: diện tích mặt ngồi − ống giải nhiệt tính 1m dài, (m ); T1: nhiệt độ vị trí biên vùng ảnh hưởng ống giải nhiệt (0C); ⇒ ∆T = T2: nhiệt độ nước ống giải nhiệt (0C); (R − R pipe * Q = 1* π * ( R − R ef pipe ) * ∆T * Cc * γ c nhiệt lượng cần làm mát 1m dài ống Khi đó, nhiệt độ khối đổ giảm hệ thống ống giải nhiệt là: (3.9) ) * ∆T * Cc * γ c *( Ref − 0.5 D pipe ) K * D pipe L * π *( R − R ef pipe ) * ∆T * Cc * γ c Qw * ρ w * cw Ttb − 80 C  Ref − 0.5 D pipe  1m ef Q = V 36 ef ( Ref2 − R pipe ) * Cc * γ c *  Ta có: ' (0C) (3.8) K * D pipe −   Qw * ρ w * cw  L *π (3.10) Trong đó: Ttb (0C): nhiệt độ lớn bê tơng vị trí vùng ảnh hưởng thời điểm (h) kể từ sau đổ Như vậy, với nhiệt độ nước đầu vào 80C, thời điểm (h), bê tông đạt nhiệt độ Ttb ta tính nhiệt T„P CHŠ KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh Trng nhit độ khối đổ khơng có hệ thống ống giải nhiệt Hình Trường nhiệt độ khối đổ có khơng có hệ thống ống giải nhiệt Hình 10 Sự chênh lệch nhiệt độ có khơng có hệ thống giải nhiệt độ giảm ảnh hưởng hệ thống ống giải nhiệt (trong 1h) theo công thức Việc tính tốn thực ứng với vùng ảnh hưởng (tại mặt trên, mặt trung tâm khối đổ) để xác định lượng nhiệt giảm hệ thống ống giải nhiệt 3.2.4 Kết tính tốn - Tính tốn với khối đổ có chiều cao 3350mm 2500mm - Tính tốn với trường hợp nhiệt độ bê tơng đầu vào 280, 300, 320C a Kết tính tốn nhiệt độ với trường hợp khơng có hệ thống ống giải nhiệt Nhiệt độ cực đại bê tông: Tmax= 710C sau 39 Độ chênh lệch nhiệt độ cực đại: ∆Tmax= 150C sau 67 - Ở bảng kết trình bày nhiệt độ Tmax ∆Tmaxcho trường hợp khơng có ống giải nhiệt (để tham khảo) có ống giải nhiệt Bảng 3.1 Kết Tmax ∆Tmax ứng với khối đổ có chiều cao 3350 mm Nhiệt độ Chưa có ống giải Có ống giải nhiệt nhiệt bê tơng đầu vào Tmax ∆Tmax Tmax ∆Tmax (0C) (0C) (0C) (0C) (0C) Kết luận Nhiệt độ cực đại bê tông: Tmax= 930C sau 50 28 95 38 73 19 Đạt 30 96 39 74 19 Đạt b Kết tính tốn nhiệt độ với trường hợp có hệ thống ống giải nhiệt 32 98 40 75 23 Không đạt Độ chênh lệch nhiệt độ cực đại: ∆Tmax= 330C sau 70 (xem tiếp trang 44) S¬ 37 - 2020 37 ... Hỡnh Trường nhiệt độ khối đổ khơng có hệ thống ống giải nhiệt Hình Trường nhiệt độ khối đổ có khơng có hệ thống ống giải nhiệt Hình 10 Sự chênh lệch nhiệt độ có khơng có hệ thống giải nhiệt độ giảm... diện khối đổ bê tơng móng có chiều cao 3.35m thể 3.2.3 Tính tốn nhiệt độ bên khối đổ có hệ thống ống giải nhiệt a Xác định vùng ảnh hưởng hệ thống ống giải nhiệt Diện tích vùng ảnh hưởng ống giải. .. 8: Nhiệt độ dao động từ 30 C -35 C, lấy ef h v ef π (3.1) trung bình 32.5 C b Tính tốn ảnh hưởng hệ thống ống giải nhiệt đến d Hệ thống ống giải nhiệt nhiệt độ khối đổ Ống giải nhiệt dùng ống