Mô phỏng kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn sử dụng hệ thống ống làm mát bằng phương pháp phần tử hữu hạn

• Tác giả: Nguyễn Hữu Phú
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Văn Miền
• Trường học: Đại học Quốc gia Tp. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Mô Phỏng Kiểm Soát Nhiệt Độ Bê Tông Khối Lớn Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

I. Tổng quan về mô phỏng kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn

Mô phỏng kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành xây dựng. Bê tông khối lớn thường gặp phải vấn đề nứt do ứng suất nhiệt, đặc biệt trong các cấu kiện như dầm chuyển. Việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giúp dự đoán và kiểm soát nhiệt độ, từ đó giảm thiểu rủi ro nứt. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc sử dụng hệ thống ống làm mát để kiểm soát nhiệt độ bê tông trong các dự án xây dựng hiện đại.

1.1. Khái niệm về bê tông khối lớn và ứng suất nhiệt

Bê tông khối lớn là loại bê tông có khối lượng lớn, thường được sử dụng trong các công trình xây dựng quy mô lớn. Ứng suất nhiệt phát sinh từ quá trình hydrat hóa xi măng có thể gây ra nứt, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của công trình.

1.2. Tầm quan trọng của mô phỏng nhiệt độ bê tông

Mô phỏng nhiệt độ bê tông giúp dự đoán sự phát triển nhiệt độ trong khối bê tông, từ đó đưa ra các biện pháp kiểm soát hiệu quả. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu nứt mà còn đảm bảo tiến độ thi công.

II. Vấn đề và thách thức trong kiểm soát nhiệt độ bê tông

Kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Nhiệt độ chênh lệch giữa bề mặt và bên trong khối bê tông có thể dẫn đến nứt. Các yếu tố như gió, độ ẩm và nhiệt độ môi trường đều ảnh hưởng đến quá trình này. Do đó, cần có các giải pháp hiệu quả để kiểm soát nhiệt độ.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bê tông

Nhiệt độ môi trường, tốc độ gió và độ ẩm là những yếu tố chính ảnh hưởng đến nhiệt độ bê tông. Những yếu tố này có thể làm tăng hoặc giảm nhiệt độ trong khối bê tông, dẫn đến nguy cơ nứt.

2.2. Hệ thống ống làm mát và vai trò của nó

Hệ thống ống làm mát giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong khối bê tông. Việc sử dụng hệ thống này không chỉ giảm thiểu nứt mà còn cải thiện chất lượng bê tông trong quá trình thi công.

III. Phương pháp mô phỏng nhiệt độ bê tông bằng phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng nhiệt độ bê tông khối lớn. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết sự phân bố nhiệt độ trong khối bê tông, từ đó đưa ra các giải pháp kiểm soát hiệu quả. Sử dụng phần mềm ANSYS, các mô hình CFD có thể được xây dựng để dự đoán nhiệt độ và sự phân bố nhiệt trong khối bê tông.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp FEM chia nhỏ khối bê tông thành các phần tử nhỏ, từ đó tính toán nhiệt độ tại từng phần tử. Điều này giúp xác định chính xác sự phân bố nhiệt trong khối bê tông.

3.2. Ứng dụng phần mềm ANSYS trong mô phỏng

Phần mềm ANSYS được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong bê tông. Các mô hình CFD được xây dựng giúp dự đoán nhiệt độ và đánh giá hiệu quả của hệ thống ống làm mát.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng hệ thống ống làm mát giúp giảm thiểu nứt do ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn. Các số liệu thu thập từ thực tế cho thấy sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Điều này chứng tỏ tính khả thi của phương pháp mô phỏng trong việc kiểm soát nhiệt độ bê tông.

4.1. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phát triển nhiệt độ trong khối bê tông tương đồng với số liệu thực tế. Điều này chứng tỏ rằng mô phỏng có thể dự đoán chính xác nhiệt độ trong quá trình thi công.

4.2. Ứng dụng trong các dự án xây dựng

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các dự án xây dựng khác, đặc biệt là những công trình có cấu kiện bê tông khối lớn. Việc kiểm soát nhiệt độ sẽ giúp nâng cao chất lượng và độ bền của công trình.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Mô phỏng kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn là một giải pháp hiệu quả trong ngành xây dựng. Nghiên cứu này không chỉ giúp giảm thiểu nứt mà còn nâng cao chất lượng bê tông. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để cải thiện hiệu quả kiểm soát nhiệt độ.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng hệ thống ống làm mát kết hợp với mô phỏng FEM có thể kiểm soát nhiệt độ bê tông hiệu quả. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần nghiên cứu thêm về các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến trong việc kiểm soát nhiệt độ bê tông. Việc này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của các công trình xây dựng trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của đô thị hóa và xây dựng công trình cao tầng tại Việt Nam, các cấu kiện kết cấu bê tông khối lớn như dầm chuyển ngày càng được ứng dụng phổ biến nhằm đáp ứng yêu cầu kiến trúc phức tạp và tính ổn định lâu dài của công trình. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 305:2004, kết cấu bê tông được xem là khối lớn khi kích thước đủ lớn gây ra ứng suất kéo do nhiệt hydrat hóa xi măng vượt quá giới hạn chịu kéo của bê tông, dẫn đến nguy cơ nứt. Tại Việt Nam, cấu kiện có cạnh nhỏ nhất và chiều cao lớn hơn 2m được coi là bê tông khối lớn, cần có biện pháp phòng ngừa nứt ngay từ khâu thiết kế và thi công.

Vấn đề kiểm soát nhiệt độ trong bê tông khối lớn đặc biệt quan trọng đối với cấu kiện dầm chuyển, do vị trí thi công thường ở trên cao, chịu ảnh hưởng trực tiếp của điều kiện môi trường như gió, mưa, gây chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt và tâm khối bê tông. Ngoài ra, việc sử dụng bê tông mác cao (C40/50) với yêu cầu đạt cường độ sớm để đảm bảo tiến độ thi công cũng làm tăng nhiệt phát sinh trong quá trình thủy hóa xi măng, làm gia tăng nguy cơ nứt nhiệt. Năng lực cung cấp bê tông tại địa phương còn hạn chế về công nghệ và kiểm soát nhiệt độ ban đầu cũng là thách thức lớn.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào mô phỏng kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn sử dụng hệ thống ống làm mát (cooling pipe) cho cấu kiện dầm chuyển tại dự án Đà Nẵng Times Square, nhằm dự đoán nhiệt độ lớn nhất, phân bố trường nhiệt và chênh lệch nhiệt độ trong khối bê tông trong giai đoạn dưỡng hộ. Nghiên cứu so sánh kết quả mô phỏng bằng phần mềm ANSYS Fluent với số liệu đo thực tế tại công trình để đánh giá độ chính xác và đề xuất giải pháp tối ưu kiểm soát nhiệt độ, giảm thiểu nứt nhiệt trong bê tông khối lớn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cấu kiện dầm chuyển bê tông khối lớn tại dự án Đà Nẵng Times Square, Quận Sơn Trà, TP Đà Nẵng, với dữ liệu thu thập thực tế tháng 06/2019.

Ý nghĩa nghiên cứu không chỉ cung cấp cơ sở lý luận chính xác cho thiết kế và vận hành hệ thống làm mát bê tông khối lớn mà còn giúp giảm chi phí thử nghiệm thực tế, tối ưu hóa vị trí đặt sensor đo nhiệt độ và phương pháp vận hành hệ thống làm mát hiệu quả, đặc biệt cho các dự án xây dựng tại khu vực giáp biển có điều kiện khí hậu phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết truyền nhiệt: Phương trình vi phân truyền nhiệt ba chiều trong môi trường bất đẳng hướng được sử dụng làm cơ sở mô tả sự phân bố nhiệt độ trong khối bê tông. Định luật Fourier về dẫn nhiệt và các điều kiện biên (nhiệt độ bề mặt xác định, thông lượng nhiệt, đối lưu, tiếp xúc giữa các vật liệu) được áp dụng để mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong bê tông khối lớn.

• Mô hình phát sinh nhiệt thủy hóa xi măng: Quá trình thủy hóa xi măng gồm 5 giai đoạn chính, trong đó giai đoạn tăng tốc là giai đoạn phát sinh nhiệt mạnh nhất. Mô hình toán học xác định tốc độ sinh nhiệt dựa trên phương pháp tuổi trưởng thành tương đương kết hợp đường cong mũ mức độ thủy hóa, cho phép tính toán nhiệt lượng phát sinh theo thời gian và nhiệt độ bê tông.

• Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và CFD: Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng truyền nhiệt và dòng chảy trong hệ thống ống làm mát bê tông. CFD (Computational Fluid Dynamics) mô phỏng dòng chảy đối lưu và truyền nhiệt trong khối bê tông và hệ thống ống giải nhiệt, sử dụng phần mềm ANSYS Fluent. Mô hình rối k-ε được áp dụng để mô phỏng dòng chảy rối trong ống làm mát.

• Các khái niệm chuyên ngành chính: bê tông khối lớn, nhiệt hydrat hóa, hệ thống ống làm mát (cooling pipe), mô phỏng CFD, phần tử hữu hạn, trường nhiệt độ, chênh lệch nhiệt độ, sensor đo nhiệt độ, ứng suất nhiệt, nứt nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ dự án Đà Nẵng Times Square, bao gồm thiết kế cấp phối bê tông mác C40/50, bố trí hệ thống ống làm mát, dữ liệu đo nhiệt độ tại các vị trí sensor trong cấu kiện dầm chuyển bê tông khối lớn trong giai đoạn dưỡng hộ từ tháng 06/2019. Ngoài ra, các tài liệu nghiên cứu trước đây về truyền nhiệt, thủy hóa xi măng và mô phỏng phần tử hữu hạn cũng được tổng hợp.

• Phương pháp phân tích: Mô hình CFD được xây dựng trên phần mềm ANSYS Fluent, mô phỏng dòng chảy nước làm mát trong hệ thống ống và truyền nhiệt trong khối bê tông. Các điều kiện biên được thiết lập dựa trên dữ liệu thực tế về nhiệt độ môi trường, vận tốc dòng chảy, nhiệt độ nước đầu vào và các thông số vật liệu bê tông. Phân tích so sánh kết quả mô phỏng nhiệt độ tại các điểm khảo sát với số liệu đo thực nghiệm để đánh giá độ chính xác mô hình.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng tập trung trên cấu kiện dầm chuyển kích thước thực tế tại dự án, với 8 vị trí sensor đo nhiệt độ được lựa chọn dựa trên vị trí có nguy cơ chênh lệch nhiệt độ lớn. Cỡ mẫu mô phỏng đủ lớn để phản ánh chính xác trường nhiệt độ và dòng chảy trong khối bê tông.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu thực nghiệm tháng 06/2019, xây dựng mô hình và chạy mô phỏng trong khoảng 9 tháng từ tháng 09/2021 đến tháng 06/2022, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân bố nhiệt độ trong khối bê tông dầm chuyển: Mô phỏng cho thấy nhiệt độ lớn nhất xuất hiện tại tâm khối bê tông, đạt khoảng 65°C sau 24 giờ dưỡng hộ, giảm dần về các mặt ngoài do tác động của hệ thống ống làm mát và đối lưu môi trường. Nhiệt độ tại các điểm gần ống làm mát thấp hơn trung bình 5-8°C so với điểm xa ống.

2. So sánh nhiệt độ mô phỏng và thực tế: Kết quả mô phỏng nhiệt độ tại 8 vị trí sensor có sai số trung bình khoảng 3-5°C so với số liệu đo thực tế, tương đương sai số dưới 8%. Sai số lớn nhất xuất hiện tại các điểm gần bề mặt do ảnh hưởng của điều kiện môi trường không đồng nhất và các yếu tố thi công thực tế.

3. Ảnh hưởng của lưu lượng nước làm mát: Tăng lưu lượng nước làm mát từ 0.5 m³/h lên 1.0 m³/h giúp giảm nhiệt độ bê tông trung bình 4°C, đồng thời giảm chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt khối bê tông khoảng 15%. Điều này góp phần hạn chế nguy cơ nứt nhiệt do chênh lệch nhiệt độ lớn.

4. Hiệu quả hệ thống ống làm mát: Hệ thống ống làm mát với bố trí hợp lý và vận hành đúng cách giúp kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn hiệu quả, giảm nhiệt độ tối đa trong khối bê tông xuống dưới ngưỡng 70°C, hạn chế nứt nhiệt. Việc đặt sensor tại các vị trí có chênh lệch nhiệt độ lớn giúp theo dõi và điều chỉnh kịp thời.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sai số giữa mô phỏng và thực tế chủ yếu do điều kiện biên mô phỏng chưa hoàn toàn phản ánh chính xác biến động môi trường như gió, mưa, nhiệt độ không khí thay đổi theo thời gian, cũng như các yếu tố thi công như độ ẩm, vật liệu cách nhiệt không đồng đều. So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào móng bê tông khối lớn, nghiên cứu này mở rộng ứng dụng cho cấu kiện dầm chuyển trên cao, chịu ảnh hưởng môi trường phức tạp hơn.

Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn bằng hệ thống ống làm mát, đồng thời cung cấp dữ liệu thực nghiệm so sánh quý giá cho các dự án xây dựng tại Việt Nam. Việc mô phỏng CFD kết hợp phần tử hữu hạn giúp dự đoán chính xác trường nhiệt độ và hỗ trợ thiết kế, vận hành hệ thống làm mát hiệu quả, giảm thiểu rủi ro nứt nhiệt trong bê tông khối lớn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ theo thời gian tại các điểm sensor, bản đồ phân bố trường nhiệt trong khối bê tông và biểu đồ so sánh nhiệt độ mô phỏng với thực tế, giúp trực quan hóa hiệu quả kiểm soát nhiệt độ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thiết kế hệ thống ống làm mát: Thiết kế bố trí ống làm mát với khoảng cách và vị trí phù hợp để đảm bảo phân bố nhiệt đồng đều trong khối bê tông, giảm chênh lệch nhiệt độ tối đa dưới 20°C. Thực hiện trong giai đoạn thiết kế kết cấu, chủ đầu tư và nhà thầu thi công phối hợp thực hiện.

2. Kiểm soát lưu lượng và nhiệt độ nước làm mát: Vận hành hệ thống làm mát với lưu lượng nước tối thiểu 1.0 m³/h và nhiệt độ nước đầu vào dưới 20°C để đạt hiệu quả giải nhiệt tối ưu. Nhà thầu thi công và đơn vị vận hành cần giám sát liên tục trong suốt giai đoạn dưỡng hộ.

3. Lắp đặt sensor đo nhiệt độ tại các vị trí trọng yếu: Đặt sensor tại các điểm có nguy cơ chênh lệch nhiệt độ lớn theo mô hình mô phỏng để theo dõi và điều chỉnh kịp thời quá trình làm mát, giảm thiểu rủi ro nứt nhiệt. Chủ đầu tư và tư vấn giám sát chịu trách nhiệm triển khai.

4. Áp dụng mô phỏng CFD trong thiết kế và thi công: Sử dụng phần mềm mô phỏng CFD kết hợp phần tử hữu hạn để dự đoán trường nhiệt và tối ưu hóa biện pháp kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn trước khi thi công thực tế, giúp giảm chi phí thử nghiệm và tăng độ chính xác. Các đơn vị tư vấn thiết kế và nghiên cứu ứng dụng nên triển khai thường xuyên.

5. Đào tạo và nâng cao năng lực nhà cung cấp bê tông: Tăng cường đào tạo kỹ thuật thi công, kiểm soát nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, đảm bảo chất lượng vật liệu đầu vào phù hợp với yêu cầu kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn. Chủ đầu tư và nhà cung cấp bê tông phối hợp thực hiện trong vòng 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và tư vấn xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu mô phỏng thực tế giúp thiết kế hệ thống làm mát bê tông khối lớn hiệu quả, giảm thiểu rủi ro nứt nhiệt trong các công trình cao tầng phức tạp.

2. Nhà thầu thi công và quản lý dự án: Áp dụng các giải pháp kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn, vận hành hệ thống ống làm mát đúng quy trình, lựa chọn thời điểm đổ bê tông phù hợp để đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công.

3. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển vật liệu xây dựng: Tham khảo mô hình mô phỏng CFD kết hợp phần tử hữu hạn để phát triển các loại bê tông có tính năng kiểm soát nhiệt tốt hơn, tối ưu cấp phối và phụ gia giảm nhiệt hydrat hóa.

4. Cơ quan quản lý và đào tạo kỹ thuật xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy, cập nhật kiến thức mới về kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn, nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần kiểm soát nhiệt độ trong bê tông khối lớn?
   Nhiệt độ phát sinh do thủy hóa xi măng trong bê tông khối lớn có thể lên đến 70°C, gây chênh lệch nhiệt độ lớn giữa tâm và bề mặt, dẫn đến ứng suất nhiệt và nứt bê tông. Kiểm soát nhiệt độ giúp giảm nguy cơ nứt, đảm bảo độ bền và tuổi thọ công trình.

2. Hệ thống ống làm mát hoạt động như thế nào?
   Hệ thống ống làm mát sử dụng nước lạnh tuần hoàn trong các ống đặt bên trong khối bê tông để hấp thụ và đưa nhiệt ra ngoài, giảm nhiệt độ bê tông trong giai đoạn dưỡng hộ, hạn chế chênh lệch nhiệt độ và ứng suất nhiệt.

3. Phương pháp mô phỏng CFD có ưu điểm gì?
   CFD cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy và truyền nhiệt trong hệ thống làm mát và khối bê tông, dự đoán chính xác trường nhiệt độ, hỗ trợ thiết kế và vận hành hệ thống làm mát hiệu quả, giảm chi phí thử nghiệm thực tế.

4. Sai số giữa mô phỏng và thực tế do đâu?
   Sai số chủ yếu do điều kiện môi trường thực tế biến động, các yếu tố thi công không đồng nhất, vật liệu cách nhiệt không hoàn hảo và giới hạn mô hình hóa trong mô phỏng CFD. Tuy nhiên, sai số dưới 8% được coi là chấp nhận được.

5. Làm thế nào để lựa chọn vị trí đặt sensor đo nhiệt độ?
   Vị trí đặt sensor nên tập trung tại các điểm có nguy cơ chênh lệch nhiệt độ lớn, gần tâm khối bê tông và các vùng xa ống làm mát, dựa trên kết quả mô phỏng trường nhiệt độ để theo dõi và điều chỉnh quá trình làm mát kịp thời.

Kết luận

• Luận văn đã mô phỏng thành công quá trình kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn cấu kiện dầm chuyển sử dụng hệ thống ống làm mát bằng phương pháp phần tử hữu hạn và CFD, với sai số mô phỏng so với thực tế dưới 8%.
• Phân bố nhiệt độ trong khối bê tông được dự đoán chính xác, giúp xác định vị trí đặt sensor và vận hành hệ thống làm mát hiệu quả.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho thiết kế, thi công và kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn tại các dự án xây dựng cao tầng, đặc biệt khu vực giáp biển.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu về thiết kế hệ thống ống làm mát, vận hành lưu lượng nước và lựa chọn vị trí sensor nhằm giảm thiểu nứt nhiệt và nâng cao chất lượng công trình.
• Khuyến nghị áp dụng mô phỏng CFD trong thiết kế và thi công bê tông khối lớn, đồng thời nâng cao năng lực nhà cung cấp bê tông để đáp ứng yêu cầu kiểm soát nhiệt độ.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình mô phỏng CFD cho các dự án thực tế khác, mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện môi trường và vật liệu mới, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên vận hành hệ thống làm mát hiệu quả.

Call to action: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý dự án nên tích hợp mô phỏng CFD vào quy trình kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn để nâng cao chất lượng và độ bền công trình.