Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế công trình

Đề án tốt nghiệp ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp (DD&CN) của sinh viên Nguyễn Vỹ Thành (Lớp XD2001D, MSSV: 1612104001), Khoa Xây dựng, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng, thực hiện năm 2023 dưới sự hướng dẫn của ThS. Ngô Đức Dũng (phần Kiến trúc và Kết cấu) và ThS. Trần Anh Tuân (phần Thi công). Đề án tập trung vào việc lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một công trình công cộng phục vụ giáo dục: Trường THCS Hà Giang – Nhà học 5 tầng.

1. Bối cảnh và vị trí xây dựng

Công trình được xây dựng tại khu vực trung tâm Thành phố Hà Giang, tỉnh Hà Giang. Đây là khu đất có mạng lưới giao thông hoàn thiện, hệ thống cấp thoát nước và cấp điện đồng bộ, thuận lợi cho việc tổ chức mặt bằng và vận chuyển vật liệu trong quá trình thi công xây dựng.

  • Ranh giới tiếp giáp:
    • Phía Đông: Giáp tuyến đường giao thông chính của đô thị.
    • Các phía còn lại (Tây, Nam, Bắc): Giáp khu dân cư hiện hữu; khoảng cách an toàn từ ranh giới mặt bằng công trình đến nhà dân lân cận được bố trí tối thiểu 5 m về mỗi phía.

2. Quy mô và cấp công trình

  • Cấp công trình: Cấp III (số tầng dưới 8 tầng).
  • Quy mô tầng cao: 5 tầng nổi + 1 tầng áp mái, không bố trí tầng hầm.
  • Chiều cao công trình: 21,1 m (tính từ cốt mặt đất tự nhiên đến đỉnh mái); cốt hoàn thiện tầng 1 cao hơn cốt mặt đất tự nhiên là +0,75 m.
  • Chiều cao từng tầng: Tầng 1 đến tầng 4 cao 3,6 m; tầng áp mái cao 3,0 m (chiều cao tính toán cột đỉnh mái là 3,82 m).
  • Kích thước mặt bằng: Chiều dài tổng thể công trình là 45 m; nhịp khung chịu lực chính theo phương ngang gồm nhịp phòng học 7,2 m và nhịp hành lang 2,6 m.

3. Phân chia khối lượng nhiệm vụ

Khối lượng nghiên cứu và thực hiện trong đề án được phân bổ theo tỷ trọng các phần chuyên môn:

  • Phần I - Kiến trúc (chiếm 10% khối lượng): Tìm hiểu thiết kế kiến trúc, phân khu công năng, giải pháp chiếu sáng, thông gió, giao thông và lập các bản vẽ kiến trúc (Mặt bằng các tầng KT-01, Mặt đứng công trình KT-02).
  • Phần II - Kết cấu (chiếm 45% khối lượng): Lựa chọn phương án kết cấu chịu lực toàn khối; tính toán và bố trí cốt thép sàn tầng 3 (Bản vẽ KC-01); lập mô hình, tính toán tải trọng, giải nội lực và thiết kế cốt thép khung trục 5 (Bản vẽ KC-02); thiết kế hệ móng khung trục 5 (Bản vẽ KC-03).
  • Phần III - Thi công: Lập biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công công trình.

Cơ sở pháp lý, tiêu chuẩn thiết kế và phương pháp tính toán

Hồ sơ tính toán kết cấu và thiết kế kỹ thuật của công trình được triển khai dựa trên hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng hiện hành cùng các công cụ mô hình hóa số:

1. Tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật áp dụng

  • TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng và tác động (xác định tĩnh tải sàn, tải trọng tường xây, hoạt tải sử dụng theo phòng chức năng và tải trọng gió).
  • TCVN 5574:2018: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (xác định cường độ tính toán của vật liệu, tính toán cấu kiện chịu uốn, cấu kiện chịu nén lệch tâm theo trạng thái giới hạn).
  • TCVN 2622:1978 (TCVN 2622-78): Phòng cháy chữa cháy cho nhà và công trình – Yêu cầu thiết kế.

2. Thông số chỉ tiêu cơ lý của vật liệu

  • Bê tông: Sử dụng cấp độ bền B20 cho toàn bộ kết cấu dầm, cột, sàn:
    • Cường độ chịu nén tính toán dọc trục: $R_b = 11,5\text{ MPa} = 115\text{ daN/cm}^2 = 11,5 \times 10^3\text{ kN/m}^2$.
    • Cường độ chịu kéo tính toán dọc trục: $R_{bt} = 0,9\text{ MPa} = 9\text{ daN/cm}^2 = 0,9 \times 10^3\text{ kN/m}^2$.
    • Mô đun đàn hồi: $E_b = 27 \times 10^3\text{ MPa} = 27 \times 10^4\text{ daN/cm}^2 = 27 \times 10^6\text{ kN/m}^2$.
  • Cốt thép:
    • Thép có đường kính $d < 10\text{ mm}$ (cốt đai, thép sàn): Sử dụng nhóm CB240T với cường độ chịu kéo dọc trục $R_s = 225\text{ MPa} = 2250\text{ daN/cm}^2$, cường độ chịu cắt $R_{sw} = 175\text{ MPa}$, cường độ chịu nén $R_{sc} = 225\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 21 \times 10^5\text{ daN/cm}^2$. Hệ số giới hạn chiều cao vùng nén $\xi_R = 0,645$, $\alpha_R = 0,437$.
    • Thép có đường kính $d \ge 10\text{ mm}$ (cốt dọc chịu lực cho dầm, cột): Sử dụng nhóm CB300 - CB400 với $R_s = 280\text{ MPa} = 2800\text{ daN/cm}^2$, $R_{sw} = 225\text{ MPa}$, $R_{sc} = 280\text{ MPa}$, $E_s = 21 \times 10^5\text{ daN/cm}^2$. Hệ số giới hạn vùng nén $\xi_R = 0,623$, $\alpha_R = 0,429$.

3. Phương pháp phân tích và phần mềm ứng dụng

  • Phần mềm SAP2000 V16: Mô hình hóa hệ kết cấu khung phẳng trục 5 chịu các trường hợp tải trọng tĩnh tải, hoạt tải đặt lệch tầng lệch nhịp, tải trọng gió trái và gió phải; thực hiện tổ hợp nội lực tự động để trích xuất các cặp nội lực nguy hiểm ($M_{\max}$, $M_{\min}$, $N_{\text{tương ứng}}$, $Q_{\text{tương ứng}}$).
  • Phương pháp tính bản sàn: Sử dụng sơ đồ dẻo (bản liên tục có xét đến sự phân phối lại nội lực) cho các ô sàn phòng học và sơ đồ đàn hồi (tra bảng tra $\alpha_1, \alpha_2$ cho bản kê 4 cạnh) đối với sàn hành lang, cầu thang, khu vệ sinh.
  • Phương pháp truyền tải: Quy đổi tải trọng diện tích từ các ô sàn làm việc 2 phương ($l_2/l_1 \le 2$) thành tải trọng phân bố dạng hình thang và hình tam giác tác dụng lên các dầm đỡ khung ngang.

Nội dung chi tiết theo từng phần và chương

Phần I: Thiết kế Kiến trúc công trình

Phần Kiến trúc trình bày tổng thể các giải pháp tổ chức không gian, quy hoạch mặt bằng công năng, cấu tạo chi tiết các lớp vật liệu và hệ thống kỹ thuật hạ tầng tòa nhà:

                  +-------------------------------+
                  |  TẦNG ÁP MÁI: MÁI DỐC + BỒN   |
                  +-------------------------------+
                  |  TẦNG 3, 4, 5: PHÒNG HỌC      |
                  +-------------------------------+
                  |  TẦNG 2: PHÒNG CHỨC NĂNG      |
                  +-------------------------------+
                  |  TẦNG 1: THÍ NGHIỆM, THỰC HÀNH|
                  +-------------------------------+
  • Tổ chức mặt bằng công năng:
    • Tầng 1: Bố trí phòng thí nghiệm Vật lý, phòng thí nghiệm Hóa học, 01 phòng thực hành tổng hợp, 03 phòng chuẩn bị chuyên môn, 02 buồng thang bộ ở hai đầu hồi và 01 khu vệ sinh chung.
    • Tầng 2: Bố trí kho thiết bị, phòng đọc thư viện, phòng truyền thống, phòng thực hành tin học, 01 phòng chuẩn bị, 02 thang bộ hai đầu hồi và 01 khu vệ sinh.
    • Tầng 3, 4 và 5: Mỗi tầng bố trí đồng bộ 04 phòng học tiêu chuẩn (diện tích mỗi phòng $50,4\text{ m}^2$, không gian phòng học chuyên môn $44,2\text{ m}^2$), 01 phòng nghỉ dành cho giáo viên, 02 thang bộ thoát hiểm và 01 khu vệ sinh.
    • Tầng áp mái: Xây tường thu hồi gạch rỗng đỡ hệ mái dốc lợp tôn tạo hình khối kiến trúc, đồng thời làm nơi bố trí bồn chứa nước sinh hoạt và PCCC.
  • Giải pháp giao thông và chiếu sáng:
    • Giao thông ngang: Hệ thống hành lang thông suốt chạy dọc các phòng với chiều rộng thông thủy $2,0\text{ m} - 2,2\text{ m}$, đảm bảo lưu thông và thoát nạn an toàn.
    • Giao thông đứng: Thiết kế 02 cụm thang bộ rộng rãi tại hai đầu hồi nhà, đóng vai trò hạt nhân giao thông và lối thoát hiểm chính khi xảy ra sự cố.
    • Chiếu sáng và thông gió: Tận dụng tối đa 4 mặt thoáng của công trình. Hệ thống cửa sổ và cửa đi mặt chính sử dụng khung nhôm kính trắng dày 8 mm và cửa đi gỗ công nghiệp sơn PU.
  • Cấu tạo các lớp sàn kiến trúc:
    • Sàn tầng 1: Lát gạch ceramic sáng màu $400 \times 400\text{ mm} \to$ Lớp vữa lót xi măng mác 100 dày $20\text{ mm} \to$ Bê tông gạch vỡ vữa xi măng mác 50 dày $100\text{ mm} \to$ Lớp cát đen tưới nước đầm chặt $\to$ Nền đất tự nhiên.
    • Sàn tầng điển hình (Tầng 2 - 5): Lát gạch ceramic $400 \times 400\text{ mm} \to$ Lớp vữa lót xi măng mác 75 dày $20\text{ mm} \to$ Bản sàn bê tông cốt thép đổ tại chỗ dày $100\text{ mm} \to$ Lớp vữa trát trần mác 75 dày $15\text{ mm} \to$ Sơn nước màu trắng.
    • Sàn mái: Lớp tôn liên doanh màu xanh lam dày $0,47\text{ mm} \to$ Xà gồ thép $\to$ Bản sàn bê tông cốt thép đổ tại chỗ ngâm chống thấm $\to$ Vữa trát trần mác 50 dày $20\text{ mm} \to$ Sơn trắng.
  • Hệ thống kỹ thuật hạ tầng:
    • Cấp điện: Nguồn điện chính từ lưới trung hạ thế Thành phố Hà Giang kết hợp máy phát điện dự phòng tại tầng kỹ thuật đảm bảo cấp điện liên tục 24/24; đường dây đi ngầm trong hộp gen kỹ thuật.
    • Cấp thoát nước: Nguồn cấp từ mạng lưới đô thị bơm vào bể nước mái rồi phân phối trọng lực xuống các tầng; hệ thống thoát nước mưa và nước thải sinh hoạt dẫn qua hộp gen kỹ thuật xuống bể lắng lọc trước khi đấu nối cống thoát chung của tỉnh.
    • Phòng cháy chữa cháy: Trang bị hệ thống báo cháy tự động, bình chữa cháy xách tay bố trí dọc hành lang các tầng theo TCVN 2622-78.

Phần II: Thiết kế Kết cấu công trình

Chương I – Tổng quan về kết cấu công trình

  1. Lựa chọn phương án kết cấu: Sử dụng hệ kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực toàn khối kết hợp sàn sườn toàn khối có bản kê 4 cạnh. Hệ kết cấu này phù hợp cho công trình giáo dục dưới 8 tầng, phát huy khả năng sử dụng vật liệu địa phương (cát, đá, xi măng), độ bền môi trường cao và tạo không gian sử dụng thông thoáng.
  2. Sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện:
    • Cột chịu lực: Tính toán sơ bộ theo diện truyền tải $A_{\text{yc}} = \frac{k \cdot N}{R_b}$ (với $N = S \cdot q \cdot n$, $q = 1\text{ T/m}^2$, $k = 1,0 - 1,5$).
      • Cột trục B và C: Tầng 1 đến tầng 3 chọn tiết diện $b \times h = 22 \times 40\text{ cm}$; Tầng 4 và 5 giảm xuống $22 \times 30\text{ cm}$.
      • Cột trục A: Kích thước $b \times h = 22 \times 22\text{ cm}$ xuyên suốt từ tầng 1 đến tầng 5.
    • Hệ dầm:
      • Dầm chính khung ngang (nhịp phòng học $l = 7,2\text{ m}$): Chiều cao dầm $h_d = (\frac{1}{8} \div \frac{1}{12})l = 60 \div 90\text{ cm}$, chọn $h = 65\text{ cm}$, bề rộng $b = 22\text{ cm} \to$ Tiết diện $22 \times 65\text{ cm}$ (ký hiệu D1).
      • Dầm hành lang (nhịp $l = 2,6\text{ m}$): $h_d = (\frac{1}{8} \div \frac{1}{12})l = 21,7 \div 32,5\text{ cm}$, chọn $h = 30\text{ cm}$, $b = 22\text{ cm} \to$ Tiết diện $22 \times 30\text{ cm}$ (ký hiệu D2).
      • Dầm phụ theo phương dọc (nhịp $l = 3,6\text{ m}$): $h_d = (\frac{1}{12} \div \frac{1}{20})l = 18 \div 30\text{ cm}$, chọn $h = 30\text{ cm}$, $b = 22\text{ cm} \to$ Tiết diện $22 \times 30\text{ cm}$ (ký hiệu D3).
      • Dầm khu vệ sinh (D4) và dầm cầu thang (D5): Chọn kích thước $22 \times 30\text{ cm}$.
      • Dầm công xôn (nhịp $l = 1,2\text{ m}$): Chọn kích thước $11 \times 11\text{ cm}$.
    • Bản sàn: Chiều dày bản sàn chọn $h_s = 10\text{ cm}$ ($100\text{ mm}$), thỏa mãn công thức kinh nghiệm $h_b = \frac{D}{m} L_1 \ge h_{\min} = 5\text{ cm}$.
    • Tường bao che: Tường bao 220 mm xây gạch rỗng mác 75, trát vữa 2 mặt dày $2 \times 1,5\text{ cm}$.

Chương II – Thiết kế bản sàn tầng 3

Bản sàn tầng 3 được phân chia thành các ô bản theo tỷ số cạnh $l_2 / l_1$:

Ký hiệu ô bản Kích thước mặt bằng ($l_1 \times l_2$) Tỷ số $l_2/l_1$ Loại bản Sơ đồ tính toán nội lực
S1 (Phòng học) $3,6\text{ m} \times 7,2\text{ m}$ $2,00$ Bản kê 4 cạnh Sơ đồ khớp dẻo (bản liên tục)
S2 (Hành lang) $2,6\text{ m} \times 3,6\text{ m}$ $1,38$ Bản kê 4 cạnh Sơ đồ đàn hồi ($\alpha_1 = 0,0125; \alpha_2 = 0,0284$)
S3 (Phòng chức năng) $3,6\text{ m} \times 4,5\text{ m}$ $1,35$ Bản kê 4 cạnh Sơ đồ đàn hồi ($\alpha_1 = 0,0284$)
S4 (Ô phụ trợ) $1,6\text{ m} \times 3,0\text{ m}$ $1,89$ Bản kê 4 cạnh Sơ đồ đàn hồi ($\alpha_1 = 0,0112$)

  • Tính toán chi tiết ô sàn S1 ($3,6\text{ m} \times 7,2\text{ m}$):

    • Tải trọng sàn: Tĩnh tải tính toán $g_{tt} = 3,545\text{ kN/m}^2$; Hoạt tải tính toán $p_{tt} = 2,4\text{ kN/m}^2 \to$ Tổng tải trọng toàn phần $q_b = 5,945\text{ kN/m}^2$.
    • Nhịp tính toán: Nhịp ngắn $l_a = 3,6 - 0,22 = 3,38\text{ m}$; Nhịp dài $l_b = 7,2 - 0,22 = 6,98\text{ m}$.
    • Nội lực tính toán: $M_{a1} = M_{a2} = \frac{q \cdot l_a^2}{16} = 4,24\text{ kNm}$; $M_{b1} = M_{b2} = \frac{q \cdot l_b^2}{16} = 18,1\text{ kNm}$ (sử dụng $M_B = 16\text{ kNm}$ trong tính toán cốt thép).
    • Bố trí cốt thép: Cốt thép chịu lực phương cạnh ngắn tính được $A_s = 21\text{ mm}^2/m \to$ Bố trí cấu tạo $\phi 6\text{a}200$ ($A_{sc} = 141\text{ mm}^2/m$); Phương cạnh dài tính được $A_s = 99,3\text{ mm}^2/m \to$ Bố trí $\phi 6\text{a}200$ ($A_{sc} = 141\text{ mm}^2/m$).

  • Kết quả tính toán cốt thép các ô sàn S2, S3, S4 (dày 10 cm, $a = 2\text{ cm}$, $h_0 = 8\text{ cm}$):

Ô sàn Vị trí tiết diện Mô men $M$ ($\text{daN}\cdot\text{m}$) $A_s$ tính toán ($\text{mm}^2/\text{m}$) Thép lựa chọn Khoảng cách $a$ ($\text{mm}$) $A_{sc}$ bố trí ($\text{mm}^2/\text{m}$)
S2 Giữa nhịp $M_1$ $1,02$ $53$ $\phi 6$ $160$ $177$
Giữa nhịp $M_2$ $0,61$ $122$ $\phi 6$ $160$ $177$
Gối tựa $M_I$ $2,35$ $122$ $\phi 6$ $160$ $177$
Gối tựa $M_{II}$ $1,40$ $82$ $\phi 6$ $160$ $177$
S3 Giữa nhịp $M_1$ $1,98$ $112$ $\phi 6$ $160$ $177$
Giữa nhịp $M_2$ $1,20$ $62$ $\phi 6$ $160$ $177$
Gối tựa $M_I$ $4,53$ $249$ $\phi 6$ $110$ $257$
Gối tựa $M_{II}$ $2,71$ $163$ $\phi 6$ $160$ $177$
S4 Giữa nhịp $M_1$ $0,80$ $40$ $\phi 6$ $160$ $177$
Giữa nhịp $M_2$ $0,20$ $8$ $\phi 6$ $160$ $177$
Gối tựa $M_I$ $1,73$ $94$ $\phi 6$ $160$ $177$
Gối tựa $M_{II}$ $0,47$ $24$ $\phi 6$ $160$ $177$

Chương III – Tính toán khung trục 5 và xác định tải trọng

  1. Sơ đồ hình học khung trục 5:
    • Nhịp tính toán của dầm phòng học $l_{BC} = 7,2 + 0,11 + 0,11 - 0,4/2 - 0,4/2 = 7,02\text{ m}$.
    • Nhịp tính toán của dầm hành lang $l_{AB} = 2,6 - 0,11 + 0,4/2 = 2,69\text{ m}$.
    • Chiều cao cột: Tầng 2, 3, 4 cao $3,6\text{ m}$; Tầng 5 cao $3,82\text{ m}$; Tầng 1 (tính từ mặt đài móng đến trục dầm sàn tầng 2) cao $h_1 = 3,6 + 0,75 + 0,5 - 0,22/2 = 4,74\text{ m}$.
  2. Xác định các trường hợp tải trọng đứng:
    • Tĩnh tải sàn tầng điển hình: Lớp lát ceramic và sàn BTCT dày 100 mm cho tổng tải trọng tiêu chuẩn $g_{tc} = 336\text{ daN/m}^2$, tính toán $g_{tt} = 384\text{ daN/m}^2$.
    • Tĩnh tải tường xây: Tường 220 mm có $g_{tt} = 441\text{ daN/m}^2$; Tường 110 mm có $g_{tt} = 260\text{ daN/m}^2$.
    • Tĩnh tải tác dụng lên dầm khung ngang trục 5 (Tầng điển hình):
      • Tải phân bố dầm nhịp BC: Do sàn truyền dạng hình thang quy đổi $g_{ht} = 1142\text{ daN/m}$ cộng với tải trọng tường 220 mm trên dầm $g_t = 1235\text{ daN/m} \to$ Tổng phân bố đều $q_{BC} = 2470\text{ daN/m}$.
      • Tải phân bố dầm nhịp BA: Do sàn truyền dạng tam giác quy đổi $g_{tg} = 475\text{ daN/m}$.
      • Tải trọng tập trung truyền vào cột qua dầm dọc: Nút cột C nhận $G_C = 5625\text{ daN}$; Nút cột B nhận $G_B = 6717\text{ daN}$; Nút cột A nhận $G_A = 1000\text{ daN}$.
    • Hoạt tải sử dụng:
      • Phòng học: $p_{tc} = 200\text{ daN/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1,2 \to p_{tt} = 240\text{ daN/m}^2$.
      • Hành lang: $p_{tc} = 300\text{ daN/m}^2$, hệ số $n = 1,2 \to p_{tt} = 360\text{ daN/m}^2$.
      • Mái và áp mái: $p_{tc} = 75\text{ daN/m}^2$, hệ số $n = 1,3 \to p_{tt} = 97,5\text{ daN/m}^2$.
    • Các trường hợp chất hoạt tải:
      • Hoạt tải 1: Chất tải lên toàn bộ nhịp phòng học BC ($p_{ht} = 760\text{ daN/m}$, tải tập trung nút $P_B = P_C = 777\text{ daN}$).
      • Hoạt tải 2: Chất tải lên toàn bộ nhịp hành lang BA ($p_{tg} = 585\text{ daN/m}$, tải tập trung nút $P_E = 910,8\text{ daN}$).
  3. Xác định tải trọng ngang (Tải trọng gió):
    • Do chiều cao công trình $H = 20,6\text{ m} < 40\text{ m}$, công trình chỉ cần tính toán thành phần gió tĩnh theo TCVN 2737:1995.
    • Công trình tại TP. Hà Giang thuộc Vùng áp lực gió IA có $W_0 = 55\text{ daN/m}^2$.
    • Dạng địa hình C (vùng nội thành có nhiều vật cản), hệ số vượt tải $n = 1,2$. Hệ số khí động mặt đón gió đẩy $C_d = +0,8$, mặt hút gió $C_h = -0,6$.
    • Tải trọng gió tĩnh phân bố quy đổi tác dụng lên mức sàn tầng 1 là $q_d = 146\text{ daN/m}$, $q_h = 109\text{ daN/m}$; Tải trọng gió tập trung tại các nút mái gồm lực đẩy $S_d = -80\text{ daN}$ và lực hút $S_h = 563\text{ daN}$.

Chương IV – Thiết kế các cấu kiện khung trục 5

Từ kết quả giải nội lực bằng phần mềm SAP2000 V16 và tổ hợp nội lực nguy hiểm, tác giả tiến hành tính toán cốt thép cho các tiết diện dầm chính:

  • Tính cốt thép dọc cho dầm tầng 2, nhịp BC (Phần tử dầm D2, $b \times h = 22 \times 65\text{ cm}$, $h_0 = 61\text{ cm}$):

    • Tại gối đỡ B và C (Chịu mô men âm): Lấy giá trị mô men nguy hiểm lớn nhất $M = -161,2\text{ kNm}$.
      • Hệ số tính toán: $\alpha_m = \frac{M}{R_b \cdot b \cdot h_0^2} = \frac{161,2}{11,5 \times 10^3 \times 0,22 \times 0,61^2} = 0,20 < \alpha_R = 0,429$.
      • Diện tích cốt thép yêu cầu: $A_s = 11,6\text{ cm}^2$.
    • Tại giữa nhịp BC (Chịu mô men dương): Mô men nguy hiểm $M_{BC} = +122,0\text{ kNm}$.
      • Bề rộng cánh chữ T đưa vào tính toán: $b'_f = b + 2S_c = 22 + 1,13 = 23,13\text{ cm}$ (với $S_c = \frac{1}{6} l = 1,13\text{ m}$).
      • Vị trí trục trung hòa: Khả năng chịu lực cánh $M_f > M_{BC} \to$ Trục trung hòa đi qua cánh.
      • Diện tích cốt thép yêu cầu tính được: $A_s = 7,8\text{ cm}^2$.

  • Tính cốt thép dọc cho dầm tầng 2, nhịp hành lang AB (Phần tử dầm D1, $b \times h = 22 \times 30\text{ cm}$, $h_0 = 26\text{ cm}$):

    • Tại gối đỡ A và B (Mô men âm): Giá trị mô men tính toán $M = -35,2\text{ kNm} \to A_s = 5,4\text{ cm}^2$.
    • Tại giữa nhịp AB (Mô men dương): Giá trị mô men tính toán $M = +13,94\text{ kNm}$; bề rộng cánh tính toán $b'_f = 22 + 2 \times 44 = 110\text{ cm} \to A_s = 1,93\text{ cm}^2$.

  • Tính toán dầm các tầng trên: Mô men tính toán tại các dầm hành lang tầng trên (phần tử D3, D5, D7, D9) có độ lớn nhỏ (mô men gối từ $17,05\text{ kNm}$ đến $21,23\text{ kNm}$; mô men nhịp từ $1,81\text{ kNm}$ đến $5,84\text{ kNm}$), tác giả thống nhất sử dụng giải pháp bố trí cốt thép tương tự dầm D1 để đảm bảo tính định hình và thuận tiện thi công.

Kết quả thiết kế và bảng số liệu kỹ thuật tổng hợp

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi được tác giả xác định trong đồ án tốt nghiệp:

Hạng mục thiết kế Thông số kỹ thuật xác định Cơ sở / Ghi chú
Loại công trình Trường THCS (Nhà học 5 tầng + 1 áp mái) Cấp công trình: Cấp III
Địa điểm xây dựng Trung tâm Thành phố Hà Giang Vùng gió IA ($W_0 = 55\text{ daN/m}^2$, dạng địa hình C)
Kích thước cơ bản $L = 45\text{ m}$, $B = 9,8\text{ m}$, $H = 21,1\text{ m}$ Cốt hoàn thiện tầng 1: $+0,75\text{ m}$
Hệ kết cấu chịu lực Khung BTCT toàn khối, sàn sườn kê 4 cạnh Mô hình phân tích khung phẳng trên SAP2000 V16
Cấp độ bền bê tông Bê tông B20 ($R_b = 11,5\text{ MPa}, R_{bt} = 0,9\text{ MPa}$) Áp dụng cho toàn bộ dầm, cột, sàn
Chủng loại cốt thép Thép CB240T ($d < 10\text{ mm}$), CB300-CB400 ($d \ge 10\text{ mm}$) $R_s = 225\text{ MPa}$ và $R_s = 280\text{ MPa}$
Kích thước cột chính $22 \times 40\text{ cm}$ (Tầng 1-3), $22 \times 30\text{ cm}$ (Tầng 4-5) Cột biên trục A: $22 \times 22\text{ cm}$
Kích thước dầm chính $22 \times 65\text{ cm}$ (Nhịp phòng học $7,2\text{ m}$) Dầm hành lang và dầm phụ: $22 \times 30\text{ cm}$
Chiều dày bản sàn $h_s = 100\text{ mm}$ ($10\text{ cm}$) Thép bản sàn chủ yếu dùng $\phi 6\text{a}110 - \phi 6\text{a}200$
Tải trọng dầm phòng học Tĩnh tải $2470\text{ daN/m}$, Hoạt tải $760\text{ daN/m}$ Tĩnh tải tập trung nút gối: $5625 - 6717\text{ daN}$
Tiêu chuẩn tính toán TCVN 2737:1995, TCVN 5574:2018, TCVN 2622:1978 Đáp ứng trạng thái giới hạn về cường độ

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Phạm vi tính toán khung phẳng: Đề án tập trung tính toán chi tiết cho khung ngang trục 5 điển hình của công trình. Việc giải bài toán trên mô hình khung phẳng 2D giúp làm rõ quy trình truyền lực và phương pháp tính thủ công kết hợp phần mềm, nhưng chưa mô tả đầy đủ hiệu ứng xoắn không gian của toàn bộ tổng thể tòa nhà.
  • Giới hạn về tính toán tải trọng gió: Do công trình có chiều cao $21,1\text{ m}$ (dưới $40\text{ m}$), theo quy định của TCVN 2737:1995, tác giả chỉ tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió mà không xét đến thành phần động của gió và tác động động đất.
  • Phạm vi dữ liệu địa phương: Các thông số tải trọng gió ($W_0 = 55\text{ daN/m}^2$, vùng IA) và cấu tạo kiến trúc được thiết kế đặc thù cho điều kiện tự nhiên, khí hậu của Thành phố Hà Giang, không áp dụng trực tiếp cho các vùng có áp lực gió cao hơn (như vùng ven biển bão loại II, III, IV).

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp:

  1. Quy trình phân bố công năng trường học: Cung cấp phương án tổ chức mặt bằng nhà học 5 tầng kết hợp phòng bộ môn, phòng thí nghiệm, phòng truyền thống và các giải pháp giao thông hành lang, cầu thang thoát hiểm đúng tiêu chuẩn công trình giáo dục.
  2. Quy trình tính toán sàn bê tông cốt thép: Trình bày phương pháp tính toán bản sàn kê 4 cạnh theo cả sơ đồ đàn hồi và sơ đồ khớp dẻo, kèm theo việc thiết lập bảng tra nội lực và tính diện tích cốt thép chi tiết.
  3. Quy trình thiết lập mô hình và tổ hợp tải trọng: Cung cấp trình tự quy đổi tải trọng phân bố hình thang, hình tam giác từ sàn vào dầm khung, phương pháp lập sơ đồ tính khung trên phần mềm SAP2000 V16 và thiết kế tiết diện bê tông cốt thép theo TCVN 5574:2018.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô diện tích và giải pháp mặt bằng các phòng học của công trình được thiết kế như thế nào?

Mỗi tầng học điển hình (tầng 3, 4, 5) được bố trí 04 phòng học với diện tích mỗi phòng là $50,4\text{ m}^2$ (không gian phòng chuyên môn khoảng $44,2\text{ m}^2$). Các phòng được liên kết thông qua hành lang chung rộng $2,0\text{ m} - 2,2\text{ m}$ và hệ thống 02 cầu thang bộ đặt tại hai đầu hồi nhà để bảo đảm thoát hiểm.

2. Vật liệu bê tông và cốt thép sử dụng trong đồ án có các thông số cường độ tính toán nào?

  • Bê tông cấp độ bền B20: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 11,5\text{ MPa}$ ($115\text{ daN/cm}^2$), cường độ chịu kéo $R_{bt} = 0,9\text{ MPa}$ ($9\text{ daN/cm}^2$), mô đun đàn hồi $E_b = 27 \times 10^3\text{ MPa}$.
  • Cốt thép: Nhóm CB240T ($d < 10\text{ mm}$) có $R_s = 225\text{ MPa}$; Nhóm CB300 - CB400 ($d \ge 10\text{ mm}$) có $R_s = 280\text{ MPa}$ ($2800\text{ daN/cm}^2$).

3. Phương pháp xác định nội lực cho bản sàn tầng 3 được thực hiện theo nguyên lý nào?

Các ô sàn phòng học lớn (ô S1, kích thước $3,6\text{ m} \times 7,2\text{ m}$) được tính toán theo sơ đồ khớp dẻo của bản liên tục. Các ô sàn hành lang, khu vệ sinh, ô phụ trợ (ô S2, S3, S4 có tỷ số cạnh $l_2/l_1 < 2$) được tính toán theo sơ đồ đàn hồi của bản kê 4 cạnh dựa trên bảng tra hệ số $\alpha_1, \alpha_2$.

4. Tải trọng gió tác dụng lên công trình được tính toán dựa trên các căn cứ nào?

Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737:1995 với phân vùng áp lực gió IA tại Thành phố Hà Giang ($W_0 = 55\text{ daN/m}^2$), dạng địa hình C (nhiều công trình và cây cối che chắn), hệ số vượt tải $n = 1,2$, hệ số khí động mặt đón gió $C_d = +0,8$ và mặt hút gió $C_h = -0,6$. Do công trình cao $21,1\text{ m} < 40\text{ m}$, đồ án chỉ tính toán thành phần gió tĩnh.

5. Kích thước tiết diện và cốt thép dầm chính tầng 2 khung trục 5 được tính toán ra sao?

Dầm chính nhịp phòng học BC có tiết diện $b \times h = 22 \times 65\text{ cm}$ ($h_0 = 61\text{ cm}$). Tại gối B và C, mô men âm tính toán lớn nhất $M = -161,2\text{ kNm}$, diện tích cốt thép yêu cầu $A_s = 11,6\text{ cm}^2$. Tại giữa nhịp BC, mô men dương tính toán $M = +122,0\text{ kNm}$, tính theo tiết diện chữ T với bề rộng cánh $b'_f = 23,13\text{ cm}$, diện tích cốt thép yêu cầu $A_s = 7,8\text{ cm}^2$.

Kết luận

Đề án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Vỹ Thành đã hoàn thành việc thiết kế kỹ thuật cho công trình Trường THCS Hà Giang quy mô 5 tầng nổi và 1 tầng áp mái. Hồ sơ đề án đã giải quyết đồng bộ từ việc tổ chức công năng kiến trúc trường học, cấu tạo vật liệu đến việc tính toán chi tiết kết cấu sàn tầng 3 và khung phẳng trục 5 chịu tải trọng đứng và tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 và TCVN 2737:1995. Kết quả tính toán cung cấp đầy đủ các thông số kích thước cấu kiện, nội lực nguy hiểm và quy cách bố trí cốt thép, phục vụ cho quá trình triển khai bản vẽ kỹ thuật thi công công trình.