Tải trọng Nhiệt độ | Thiết kế xây dựng không làm khe co giãn

Cũng là vật thể vật lý, kết cấu chịu lực của nhà chịu tác động co giãn do nhiệt độ thay đổi. Người thiết kế cần đảm bảo an toàn trong các trường hợp có thể hư hại do nhiệt độ: nhà quá dài, vùng khí hậu biến thiên nhiệt độ khắc nghiệt. Cũng như tránh lãng phí tiền của 💵 khi cứ tăng bêtông, cốt thép vô tội vạ, tính đúng tính đủ thôi. Sau đây gợi ý 1 cách thực hành thuận tiện về lĩnh vực thiết kế xây dựng này

===============================

Tình huống Thực tế hay gặp là không thể bố trí Khe co giãn trên mặt bằng do:

- Kiến trúc sư thiết kế yêu cầu: Thẩm mỹ, công năng - bất tiện trong sử dụng

- Chống thấm phức tạp, vật liệu chèn khe không đảm bảo tuổi thọ dài lâu làm tăng chi phí bảo trì. Đặc biệt các khu vực tầng hầm cần diện tích lớn

- Khi nhà cao tầng có mặt bằng dài, nếu bố trí khe co giãn thì sẽ tách thành các khối nhà khác nhau, để các khối không va đập vào nhau khi chuyển vị ngang do gió, động đất cần chiều rộng khe quá lớn. Dẫn tới bất khả thi về kiến trúc

1. Tại sao phải làm khe co giãn?

Khi nhà quá dài, tư vấn thiết kế thường bố trí khe co giãn để giảm bớt chiều dài biến dạng nhiệt mỗi phần, tránh làm phát sinh nội lực quá lớn do biến dạng nhiệt gây hư hỏng (nứt, phá hoại,…). Khe có chiều rộng nhất định cho việc biến dạng nhiệt của mỗi phần.

Kinh nghiệm thiết kế kết cấu bêtông cốt thép thường toàn khối, nếu bố trí khe co giãn với khoảng cách không quá 50m, nội lực phát sinh do biến dạng nhiệt độ các khối kết cấu là không đáng kể để phải tăng cốt thép. Theo PCA gợi ý, khoảng các này là 60m với sàn bêtông cốt thép thường và 150m với sàn ứng suất trước (theo PTI). Có thể tham khảo bảng 1.2 ACI report số 224.3 về khoảng cách khe co giãn

Nếu không muốn bố trí khe co giãn, cần đảm bảo kết cấu chịu được các nội lực do nhiệt độ gây ra.

2. Tải trọng nhiệt độ được hiểu như thế nào?

Ảnh 1

Vật thể tự do khi nhiệt độ tăng có xu hướng giãn nở ra và khi nhiệt độ giảm thì co lại. Kết cấu nhà không phải vật thể tự do, luôn bị ngăn cản việc co giãn này. Ví dụ dầm sàn bị cột, móng… ngăn cản.

Tải trọng nhiệt độ là sự thay đổi nhiệt độ, là tác nhân gây ra nội lực và biến dạng trong kết cấu chịu lực. Bao gồm:

+ Biến thiên nhiệt độ hàng ngày (ngắn hạn):

Nhiệt độ môi trường biến đổi hàng ngày tác dụng lên các kết cấu không che phủ (sàn mái, sàn hở…) gây ra chênh nhiệt độ theo chiều dày sàn. Tác động này là ngắn hạn và mang tính lặp lại. Sự chênh nhiệt độ theo chiều dày tuỳ thuộc vào mức độ tiếp xúc với môi trường và chiều dày kết cấu, có thể lớn hơn 10oC.

+ Biến thiên nhiệt độ theo năm (dài hạn):

Thực tế công trình trải qua một quá trình thi công xây dựng dài, sau đó kết cấu làm việc tại thời điểm tính bằng năm khi đi vào hoạt động. Do đó kết cấu làm việc dài hạn, đồng đều trên suốt chiều dày sàn, dưới biến thiên nhiệt độ và giảm dần theo từ biến của bêtông. Đây là điểm kỹ sư thiết kế cần nắm.

 

3. Tác động của tải trọng Nhiệt độ

Nội lực và biến dạng do thay đổi nhiệt độ được cộng thêm vào tác động của các tải trọng khác như tĩnh tải (trọng lượng bản thân…), hoạt tải (người sử dụng, đồ đạc…), ứng suất trước… khi kết cấu bị ngăn cản biến dạng tự do.

Khi nhiệt độ tăng vào ban ngày, do bị cản lại xu hướng giãn nở nên trong kết cấu phát sinh nội lực nén. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm về đêm, xuất hiện nội lực kéo. Với kết cấu bêtông cốt thép, nhiệt độ biến thiên giảm là trường hợp bất lợi hơn, do bêtông chịu kéo kém. Cần đảm bảo kết cấu có thể chịu được nội lực kéo phát sinh do thay đổi nhiệt độ này, ví dụ bố trí tăng cốt thép hoặc tăng kích thước bêtông.

🗻Ảnh 2 là sơ đồ thiết kế kết cấu khung nhà nhiều tầng, tầng dưới cùng bị ngăn cản bởi móng, sẽ gây ra nội lực do thay đổi nhiệt độ. Nội lực này giảm rất nhanh khi lên các tầng bên trên. Ngay tầng bên trên đó, nội lực đã về gần như bẳng 0. Thông thường các sơ đồ tính toán kết cấu là sơ đồ đàn hồi, nhưng trong thực tế, tại các vị trí chân cột vách liên kết với móng xuất hiện các vết nứt rất nhỏ. Các vết nứt này sẽ giải phóng ứng suất do nhiệt độ, do đó kết cấu bêtông hiếm khi xuất hiện nội lực lớn như trong sơ đồ tính Đàn hồi. 🔍Đây là điểm cần lưu ý khi tính toán thiết kế xây dựng.

Ảnh 2

 

4. Thực hành tính toán

Sơ đồ tính toán thiết kế công trình thường dùng phần mềm máy tính (ETABS, SAP…) nên sẽ dùng chức năng tải trọng nhiệt độ của các phần mềm này. 🔍Các thông số cần lưu ý:

+ Hệ số giãn nở vì nhiệt a

TCVN 5574:2018 nêu rõ giá trị  a = 1,0 × 10-5 °С-1 với bêtông thông thường. Cốt thép có thể dùng chung giá trị do xấp xỉ bằng nhau.

+ Biến thiên nhiệt độ ΔT (giá trị âm khi nhiệt độ giảm)

+ Tổ hợp tải trọng nhiệt độ, theo TCVN 2737:1995, là tải trọng tạm thời dài hạn.

Lưu ý đặc biệt giá trị ΔT khi đưa vào sơ đồ tính toán, cần đảm bảo:

+ Giải trình được với cơ quan nhà nước, tốt nhất là tuân thủ Quy chuẩn, Tiêu chuẩn Việt Nam. QCVN 02:2009 “Số liệu tự nhiên trong xây dựng” có đủ số liệu theo địa danh hành chính cấp Huyện.

+ Thiết kế kết cấu cần mô hình đúng sự làm việc thực tế khi chịu tải trọng biến thiên nhiệt độ. Tránh tình trạng sơ đồ tải trọng thành “sốc nhiệt”, làm phát sinh những nội lực rất lớn trong kết cấu không đúng thực tế. Kết cấu bêtông cốt thép trong thực tế có thể giải phóng nội lực do tải trọng nhiệt độ thông qua việc hình thành các vết nứt rất nhỏ không đáng kể, thông qua các nút khung, qua các cốt thép cấu tạo.

🔲Chọn giá trị biến thiên nhiệt độ ΔT

Theo QCVN 02:2009, có 2 loại biên độ nhiệt độ trung bình và lớn nhất, nhỏ nhất được thống kê thành số liệu theo tháng, năm cho các vùng địa lý.

Thực tế cơ chế truyền nhiệt từ khí hậu, qua tường bao che, truyền lên không khí trong nhà và truyền vào kết cấu chịu lực. Nhiệt độ trong kết cấu sẽ tăng hoặc giảm một cách từ từ. Như vậy quá trình này không diễn ra đột ngột mà từ từ lâu dài, do đó dùng giá trị nhiệt độ không khí cao nhất và thấp nhất trung bình năm. Trong QCVN 02:2009 số liệu cho ở bảng 2.3 và 2.4.

Kết cấu bêtông đã phát sinh nhiệt do thuỷ hoá trong quá trình bêtông đóng rắn từ lúc đổ. Do đó đã có một nhiệt độ ban đầu. Kỹ sư thiết kế cần hiểu ΔT không phải là biến thiên nhiệt độ của không khí, mà là sự thay đổi nhiệt độ so với nhiệt độ ban đầu thời điểm kết cấu bắt đầu làm việc, chịu tải (khi tháo ván khuôn) To.

Lại là vấn đề khi xác định To kiểu gì:

- Không có số liệu về nhiệt độ tại thời điểm đổ bêtông, là thời điểm tương lai so với lúc thiết kế

- Hầu như không tiến hành đo nhiệt độ trong quá trình bêtông đóng rắn (ninh kết)

Không có số liệu thì phải trông chờ vào Tiêu chuẩn, mà TCVN không có quy định giá trị To. Do đó cần hiểu nguyên lý thay đôi nhiệt độ khi bêtông đóng rắn.

Ảnh 3

Khi xi măng trộn với nước, nhiệt được sinh ra từ phản ứng hóa học tỏa nhiệt giữa nước với xi măng và được gọi là nhiệt thuỷ hoá. Sự phát triển nhiệt độ và phân bố nhiệt trong bêtông tùy thuộc vào cấp phối bêtông, hình dạng và kích thước khối đổ, loại ván khuôn, điều kiện môi trường. Sự phát triển nhiệt độ do quá trình thuỷ hoá có thể gây ra hư hại cho bêtông do nứt nhiệt. Nứt nhiệt trong bêtông sinh ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ trong khối bêtông vượt quá giới hạn, sự chênh lệch nhiệt độ này gây ra ứng suất nhiệt và có thể dẫn đến nứt kết cấu. Theo TCXDVN 305:2004, giới hạn độ chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm trong khối bêtông là 20oC và giữa 2 điểm bất kỳ cách nhau 1m là 50oC/m, bêtông khối lớn sẽ bị phá hoại do nhiệt.

Quá trình thay đổi nhiệt độ của bêtông được biểu diễn như ở 🗻Ảnh 3. Ngay sau khi đổ, bêtông có nhiệt độ là Tp là nhiệt độ của hỗn hợp bêtông. Thực tế nhiệt lượng có thể thất thoát qua các mặt của khối hoặc lớp đổ. Nhiệt độ lớn nhất đạt được là Tp+Tr (Tr là gia tăng nhiệt độ do thuỷ hoá của xi măng) sau đó giảm dần đến giá trị nhiệt độ gần ổn định Tf.

(1). Giai đoạn đầu: kể từ lúc đổ bêtông đến gần như kết thúc quá trình nhiệt thủy hóa xi măng. Giai đoạn này nhiệt độ khối đổ và môđun đàn hồi phát triển nhanh theo thời gian;

(2). Giai đoạn giữa: kể từ cuối giai đoạn đầu đến thời điểm nhiệt độ của khối bêtông đạt giá trị ổn định Tf.

(3). Giai đoạn sau: sau khi bêtông hoàn toàn nguội bằng nhiệt độ môi trường, ứng suất nhiệt chủ yếu là do sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh.

Cách chính xác để thu được số liệu phân bố nhiệt độ trong khối đổ có thể dùng cảm biến nhiệt để giám sát nhiệt độ ngoài hiện trường hoặc dùng các mô hình toán để mô phỏng hoặc kết hợp giữa hai phương pháp này. Hiện nay, có một số phần mềm dùng để mô phỏng sự phân bố nhiệt do nhiệt thuỷ hoá của xi măng như: ANSYS..

Như vậy, tại thời điểm làm việc ban đầu của kết cấu (Ví dụ 28 ngày khi tháo ván khuôn sàn), nhiệt độ To trong bêtông bằng với nhiệt độ không khí. Có thể dùng nhiệt độ không khí trung bình năm theo QCVN 02:2009 cho công tác thiết kế xây dựng, nếu không có số liệu về thời gian thi công.

 

5. Mô hình tải trọng nhiệt độ lên kết cấu

Sơ đồ tính toán thiết kế kết cấu nhà thông thường là hệ khung và dầm sàn, không mô hình hệ bao che. Do đó:

- Gán tải trọng nhiệt độ thay đổi lên tất cả các phần tử dầm sàn.

- Kinh nghiệm cho thấy tải trọng nhiệt độ gán lên sàn cho nội lực bất lợi nhất cho cột, vách của nhà. Với tầng dưới cùng, tải trọng nhiệt độ lên cột vách gây ra nội lực lớn do liên kết ngàm chân cột.

Lưu ý không dùng Rigid Diaphragm cho sàn vì nó làm giảm tác động của tải trọng nhiệt độ so với thực tế.

- Tổ hợp tải trọng có tải trọng nhiệt độ:

Tải trọng động đất là tải trọng đặc biệt, nên không có mặt tải trọng nhiệt độ trong các tổ hợp tải trọng động đất.

- Nếu muốn giảm độ cứng kết cấu bêtông cốt thép do sự xuất hiện của vết nứt:

Dùng hệ số giảm độ cứng cho các cấu kiện: Ví dụ 0.35 cho dầm, 0.7 cho cột vách (0.35 nếu cột vách bị nứt), m11=m22=m12=f11=f22=f12=0.25 cho sàn.

(xem thêm cách xác định hệ số giảm độ cứng theo TCVN trong Chủ đề tiếp theo)

 

💎Ví dụ 1:

Công trình đã đưa vào sử dụng ở Hà Nội. Nhà ngắn (<50m) về mặt cảm tính không cần bố trí khe co giãn.

Các thông số nhiệt độ tư vấn thiết kế lấy theo QCVN 02:2009:

- Nhiệt độ không khí trung bình năm: 23,6oC; chính là To

- Nhiệt độ không khí thấp nhất trung bình năm: T1 = 21,2oC

Tải trọng nhiệt độ gán lên các cấu kiện cột dầm sàn theo độ chênh nhiệt độ ΔT = T1-To = -2,4oC; nhiệt độ giảm gây nội lực kéo trong sàn là trường hợp nguy hiểm hơn.

Kiểm chứng tính toán khi có tải trọng nhiệt độ, cốt thép không tăng lên đáng kể. Trả lời bằng con số cho nhận định cảm tính từ đầu: không cần tính toán nhiệt độ khi thiết kế kết cấu nhà ngắn.

Ảnh 4

Cốt thép sàn – Không có tải nhiệt độ

Ảnh 4a

Cốt thép sàn – Có tải nhiệt độ

 

💎Ví dụ 2:

Thiết kế xây dựng công trình bãi đỗ xe hở 10 tầng mặt bằng dài hơn 200m không bố trí khe co giãn. Tư vấn thiết kế chọn Kết cấu sàn bêtông cốt thép dự ứng lực, nhịp lớn nhất 8,4mx10,6m. Địa điểm xây dựng Hà Nội.

Do không có tường bao che nên tất cả các sàn đều chịu tác dụng thay đổi nhiệt độ theo thời tiết. Các thông số nhiệt độ như Ví dụ 1.

Cáp sàn tính toán theo tải trọng đứng. Cốt thép thường thiết kế theo 2 trường hợp: có và không xét đến tải trọng nhiệt độ.

Các tầng từ 3 đến mái, không có chênh lệch đáng kể về cốt thép tính toán khi có và không có tải trọng nhiệt độ.

Ảnh 5

Cốt thép sàn – Không có tải nhiệt độ

Ảnh 5a

Cốt thép sàn – Có tải nhiệt độ

Chênh lệch xuất hiện ở tầng dưới cùng (tầng 2).

Ảnh 6

Cốt thép sàn – Không có tải nhiệt độ

Ảnh 6a

Cốt thép sàn – Có tải nhiệt độ

Cốt thép thường tăng khoảng 10% so với trường hợp kỹ sư thiết kế không xét đến nhiệt độ.

=======================================

🎁Tóm lại:

- Có thể bỏ Khe co giãn để thoả mãn các yêu cầu về thẩm mỹ, kinh tế. Phải tính toán tải trọng Nhiệt độ lên Kết cấu công trình.

- Cách tính toán trên vừa đơn giản, tận dụng phần mềm sẵn có, vừa đủ cơ sở giải trình cơ quan Nhà nước vì tuân thủ đúng Quy chuẩn.

- Nhà dài khi thiết kế xây dựng không làm khe co giãn, cần tăng cốt thép, lưu ý hạn chế nứt dài hạn.

🎉File đính kèm ví dụ