36
Mô hình phân tích
Sau khi nghiên cứu các bệ trụ cầu lớn tại nhiều địa điểm như cầu Cửa Hội (Nghệ An), cầu Dã Viên (Huế), cầu Rồng (Đà Nẵng) và cầu Cửa Đại (Quảng Ngãi), bệ trụ cầu Rồng (Đà Nẵng) đã được chọn làm mô hình tính toán Bệ trụ này có kích thước 44m x 34m x 5m, được đặt trên hệ thống 30 cọc khoan nhồi với đường kính mỗi cọc là 2,0m, tổng khối lượng bê tông bệ lên tới hơn 7.480m³.
Hình 3.1 Mặt chính trụ cầu
Hình 3.2 Mặt bên trụ cầu
Hình 3.3 Mặt bằng bệ móng trụ cầu
Do tính chất đối xứng của vật liệu và điều kiện biên ở các mặt bên của bệ trụ cầu, việc giảm khối lượng tính toán có thể thực hiện thông qua phân tích mô hình bệ trụ cầu Dưới đây là các thông tin cơ bản về vật liệu trong kết cấu.
Bộ phận kết cấu Đặc trưng cơ lý
Nhiệt dung riêng (kcal.g/kg 0 C)
Hệ số đối lưu nhiệt
Nhiệt độ lúc đổ bê tông ( 0 C)
Cường độ bê tông 28 ngày (kgf/m 2 )
Môđun đàn hồi của bê tông 28 ngày (kgf/m 2 )
Hệ số giãn nở nhiệt
Phân tích các ứng xử của bê tông khối lớn do nhiệt thủy hóa gây ra
2.1 Mô hình hóa trên Midas Civil:
Hình 3.5 Khai báo vật liệu
- Xác định hệ thống đơn vị: Hệ thống đơn vị được sử dụng là cho lực là
N, cho chiều dài là mm, cho nhiệt là Kcal, nhiệt độ là o C.
- Khai báo vật liệu: Vật liệu bệ trụ cầu là bê tông Mac 30Mpa.
- Thiết lập môi trường làm việc.
Để phân tích thủy nhiệt, việc xây dựng lưới phần tử là rất quan trọng, yêu cầu sử dụng phần tử khối (Solid element) để đảm bảo có đủ thông tin về thể tích Do kết cấu có tính đối xứng hai trục, chỉ cần thiết lập mô hình cho một phần của kết cấu Các nút trên trục đối xứng được liên kết một cách thích hợp để phản ánh chính xác trạng thái ứng suất - biến dạng của kết cấu Quy trình xây dựng lưới phần tử sẽ được thực hiện theo các bước cụ thể.
- Gán vật liệu tương ứng cho phần tử:
- Dự kiến quá trình thi công: thi công đổ bê tông bệ 01 đợt.
- Định nghĩa các nhóm kết cấu: tương ứng với quá trình thi công nên ta có
Các nhóm điều kiện biên được xác định dựa trên sự thay đổi kết cấu và trạng thái truyền nhiệt trong quá trình thi công Cụ thể, kết cấu tiếp xúc với nền đất, như bê tông bịt đáy, sẽ có nhiệt độ cố định ở mặt dưới, thường được chọn là 25 độ C, trong khi đó, mặt trên của kết cấu tiếp xúc với ván khuôn thép và không khí.
Gán điều kiện biên kết cấu là quá trình thiết lập các ràng buộc cho các nút tiếp xúc với đất nền và các nút trên các trục đối xứng Các nút tiếp xúc với đất sẽ bị hạn chế chuyển vị theo phương thẳng đứng, trong khi cho phép chuyển vị tự do theo hai phương còn lại Đối với các nút nằm trên mặt đối xứng song song với trục X, chúng sẽ không có chuyển vị theo phương Y; tương tự, các nút trên mặt đối xứng song song với trục Y sẽ không có chuyển vị theo phương X.
X các điều kiện biên sẽ được gán cho nhóm tương ứng với giai đoạn thi công đã được mô tả ở trên.
Hàm nhiệt độ môi trường được định nghĩa là nhiệt độ bên ngoài kết cấu, ảnh hưởng đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài, từ đó tác động đến độ lớn và tốc độ truyền nhiệt Trong phân tích thủy nhiệt, có thể áp dụng nhiều hàm nhiệt độ môi trường khác nhau tùy thuộc vào vị trí cụ thể Thêm vào đó, hàm nhiệt độ môi trường có thể được gán giá trị hằng số hoặc giá trị biến đổi theo thời gian dựa trên các quy luật khác nhau.
Hình 3.7 Hàm nhiệt độ môi trường
Hàm hệ số đối lưu là một chỉ số quan trọng thể hiện hệ số đối lưu trong các điều kiện tiếp xúc khác nhau Cụ thể, có hai loại hàm hệ số đối lưu: một dành cho ván khuôn thép và một cho không khí.
Để tiến hành phân tích thủy nhiệt, việc xác định các phần tử nằm trên biên tiếp xúc là rất quan trọng, cùng với các hàm hệ số đối lưu và hàm nhiệt độ bên ngoài tương ứng Mô hình phân tích có thể bao gồm nhiều miền biên tiếp xúc với các điều kiện biên khác nhau.
Xác định miền có nhiệt độ cố định là một ràng buộc quan trọng trong phân tích thủy nhiệt, nơi nhiệt độ không thay đổi trong suốt quá trình thi công, chẳng hạn như khu vực tiếp xúc với nền đất.
Hình 3.8 Hệ số đối lưu ván khuôn thép
Hình 3.9 Hệ số đối lưu không khí
- Xác định hàm nguồn nhiệt: hàm nguồn nhiệt mô tả quá trình sinh nhiệt do thủy hóa trong các khối bê tông.
- Gán hàm nguồn nhiệt cho các phần tử: Các hàm nguồn nhiệt đã được định nghĩa cần được gán cho các bộ phận kết cấu tương ứng.
- Mô hình hóa quá trình thi công: Như ở trình bày ở trên, việc thi công kết cấu bệ trụ được thi công một lần.
Hình 3.11 Giai đoạn thi công - Bệ trụ
Quy trình thực hiện gồm 7 bước, mô tả theo sơ đồ khối ở hình bên dưới.
4 Gán các thông số nhiệt độ
- Tạo mô hình kết cấu
- Chia nhỏ kết cấu thành các phần tử
- Gán các thuộc tính về vật liệu
- Gán các thời điểm tính toán (tuổi bê tông)
- Gán thông số nhiệt độ tại các biên
- Gán hàm sự tăng nhiệt độ đoạn nhiệt cho các phần tử bên trong kết cấu
- Gán hàm ứng suất thay đổi theo nhiệt độ cho các phần tử bên trong kết cấu
- Nhiệt dung riêng, trọng lượng riêng và nhiệt độ của chất lỏng làm lạnh
- Tốc độ dòng chảy, thời gian bơm nước, đường kính ống làm lạnh.
- Hệ số đối lưu nhiệt của ống làm lạnh.
- Trường phân bố nhiệt độ, ứng suất trong kết cấu
- Biểu đồ sự thay đổi nhiệt độ tại các điểm
- Chênh lệch nhiệt độ tại các điểm
- Trường phân bố chỉ số nứt do nhiệt trong kết cấu.
Mô hình khối bê tông dùng phân tích có hình dáng và kích thước như sau:
Hình 3.13 Mô hình khối móng dùng để phân tích
Hình 3.14 Vị trí các nút trên mô hình dùng phân tích 2.2 Phân tích kết quả:
Nhiệt độ trong các khối bê tông là kết quả của phân tích thủy nhiệt, cho thấy sự tăng nhiệt độ trong giai đoạn đầu do quá trình thủy hóa, sau đó giảm dần theo thời gian Nhiệt độ cao nhất đạt 71,14 o C tại thời điểm 80 giờ sau khi đổ bê tông, tại các nút N1265 và N1394 ở trung tâm bệ Vùng nhiệt độ cao tập trung ở giữa bệ và giảm dần khi ra xa.
Biểu đồ phân bố nhiệt độ trong bê tông cho thấy ở giai đoạn đầu, nhiệt độ phân bố đều do vữa bê tông còn lỏng, thuận lợi cho việc đối lưu và truyền nhiệt Tuy nhiên, khi bê tông bắt đầu đóng rắn, nhiệt lượng từ phản ứng thủy hóa xi măng bị tích tụ, làm tăng nhiệt độ xung quanh tâm khối bê tông, trong khi thể tích vùng này co lại.
Theo phân tích từ biểu đồ nhiệt độ tại 10 nút, nhiệt độ cao nhất tập trung ở tâm khối bê tông (N1261, N1394 và N1265) với diễn biến nhiệt độ tương tự và giảm dần Ở nút N2093, nằm tại mặt thoáng, nhiệt độ tăng nhanh trong 20 giờ đầu sau khi đổ bê tông, sau đó bắt đầu giảm dần về mức nhiệt môi trường.
Hình 3.15 Biểu đồ nhiệt độ tại 10 nút
Tại các biên, đặc biệt là biên tự do của khối bê tông, nhiệt độ có tăng nhưng không đáng kể và nhanh chóng trở về nhiệt độ môi trường Tuy nhiên, chênh lệch nhiệt độ giữa điểm trên biên tự do và tâm khối là rất lớn Sau 80 giờ, nhiệt độ tại tâm khối đạt 71,14 °C, trong khi nhiệt độ tại mặt thoát nhiệt tự do chỉ là 33,0 °C, dẫn đến chênh lệch nhiệt độ ΔT lên tới 38,14 °C.
Hình 3.16 Biểu đồ nhiệt độ tại nút N1394 (tại tâm bệ)
Một số biểu đồ trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông
Hình 3.17 Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 10 giờ
Hình 3.18 Trường nhiệt độ lúc 30 giờ
Hình 3.19 Trường nhiệt độ lúc 50 giờ
Hình 3.20 Trường nhiệt độ lúc 80 giờ
Hình 3.21 Trường nhiệt độ lúc 120 giờ
Ứng suất (Stress) trong các phần tử khối do thủy nhiệt có giá trị tương tự như trong các bài toán khác Để xem kết quả ứng suất mong muốn, người dùng cần lựa chọn giai đoạn thi công, thời gian (bước thi công) và phương ứng suất phù hợp.
Kết quả phân tích cho thấy, trong giai đoạn đầu sau khi đổ bê tông, ứng suất chủ yếu là ứng suất nén, trong khi ứng suất kéo chỉ xuất hiện ở bề mặt và các góc cạnh ván khuôn Nguyên nhân là do trong giai đoạn này, bê tông đang gia tăng nhiệt độ, dẫn đến việc phần bên trong nở ra và tạo ra ứng suất nén Đồng thời, bề mặt và góc ván khuôn bị giảm nhiệt độ nhanh chóng do tiếp xúc với môi trường bên ngoài, gây co lại, nhưng bị kìm giữ bởi các lớp bê tông bên trong có nhiệt độ cao hơn, từ đó phát sinh ứng suất kéo Khi ứng suất kéo vượt quá giới hạn cho phép, bê tông sẽ bị nứt.
Sự thay đổi ứng suất tại tâm khối bê tông và cường độ chịu kéo của bê tông được thể hiện rõ qua biểu đồ Trong giai đoạn đầu khi nhiệt độ tăng (60 - 80 giờ đầu đóng rắn), ứng suất nén tại tâm khối bê tông tăng dần Tuy nhiên, sau 90 - 100 giờ, khi nhiệt độ hạ, ứng suất nén bắt đầu giảm do sự xuất hiện của ứng suất kéo Ứng suất kéo này tăng theo mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và biên khối bê tông, và nếu vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông tại thời điểm đó, sẽ dẫn đến hiện tượng nứt.
Dựa trên kết quả phân tích, có thể dự đoán quy luật phát triển và giá trị của nhiệt độ cũng như ứng suất trong bê tông Điều này giúp đưa ra phương án thi công kết cấu bê tông hợp lý và áp dụng các biện pháp xử lý kịp thời trong quá trình bảo dưỡng, nhằm phòng chống nứt và đảm bảo chất lượng cho bê tông khối lớn.