Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển kinh tế – xã hội và hiện đại hóa cơ sở hạ tầng, nhu cầu xây dựng các công trình công cộng, đặc biệt là hệ thống trường học đáp ứng quy chuẩn giáo dục mới ngày càng gia tăng. Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp của sinh viên Hoàng Văn Đức (Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng) thực hiện năm 2023 tập trung vào việc thiết kế kỹ thuật toàn diện cho công trình "Trường THPT Bắc Đông Quan – Tỉnh Thái Bình".

Mục tiêu chính của đề tài là ứng dụng kiến thức chuyên ngành kỹ thuật công trình để xây dựng hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh từ kiến trúc, kết cấu chịu lực đến các hệ thống hạ tầng kỹ thuật phụ trợ. Nhiệm vụ của đồ án được phân định cụ thể theo các tỷ trọng khối lượng:

  1. Phần Kiến trúc (10% khối lượng): Hoàn thiện và chỉnh sửa hồ sơ bản vẽ mặt đứng, mặt bằng, mặt cắt công trình; thiết lập giải pháp giao thông, chiếu sáng, thông gió và hệ thống mạng lưới kỹ thuật cơ điện (MEP), phòng cháy chữa cháy, chống sét.
  2. Phần Kết cấu (45% khối lượng): Phân tích và lựa chọn hệ kết cấu chịu lực chính; tính toán thiết kế bản sàn tầng điển hình (tầng 3); tính toán thiết kế hệ khung phẳng chịu lực chính (khung trục 6); tính toán và thiết kế móng khung trục 6.
  3. Phần Thi công (theo nhiệm vụ đồ án): Lập biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng công trình: Khối nhà học và làm việc cao 6 tầng thuộc Trường THPT Bắc Đông Quan. Công trình có mặt bằng hình chữ nhật với kích thước $(10,6 \times 63,25)\text{ m}$, tổng chiều cao từ cốt $\pm 0.000$ đến đỉnh mái là $25\text{ m}$, chiều cao mỗi tầng điển hình đạt $3,8\text{ m}$.
  • Phạm vi không gian: Tỉnh Thái Bình.
  • Thời gian thực hiện và hoàn thành: Năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Việc tính toán tải trọng, nội lực và bố trí cốt thép trong đồ án được thực hiện nghiêm ngặt dựa trên các quy chuẩn và tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam:

  • TCVN 2737-1995: Tiêu chuẩn về Tải trọng và tác động. Do công trình có chiều cao $25\text{ m}$ (nhỏ hơn $40\text{ m}$), theo quy chuẩn không bắt buộc phải tính toán thành phần động của tải trọng gió và tác động động đất.
  • TCVN 5574-2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.

Đặc trưng vật liệu sử dụng

Toàn bộ hệ kết cấu của công trình được quy định sử dụng đồng nhất các loại vật liệu xây dựng với các chỉ tiêu cơ lý sau:

Loại vật liệu Cấp độ bền / Nhóm thép Cường độ chịu nén tính toán $R_b$ / $R_{sc}$ (MPa) Cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt}$ / $R_s$ (MPa) Mô đun đàn hồi $E_b$ / $E_s$ (MPa)
Bê tông Cấp độ bền B20 $R_b = 11,5$ $R_{bt} = 0,9$ $E_b = 2,7 \times 10^4$
Cốt thép tròn trơn ($d < 10\text{ mm}$) Nhóm CB240-T (hoặc AI) $R_{sc} = 210$ $R_s = 210$ ($R_{sw} = 175$) $E_s = 21 \times 10^4$
Cốt thép có gờ ($d \ge 10\text{ mm}$) Nhóm CB300-V (hoặc AII) $R_{sc} = 260$ $R_s = 260$ ($R_{sw} = 225$) $E_s = 21 \times 10^4$

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kết cấu

  • Phương pháp mô hình hóa và phân tích nội lực: Sử dụng phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 (phiên bản SAP2000 v14) để mô hình hóa sơ đồ khung phẳng, xác định mômen uốn ($M$), lực cắt ($Q$) và lực dọc ($N$) tại các tiết diện nguy hiểm dưới tác động của các tổ hợp tải trọng.
  • Phương pháp tính toán sàn bê tông cốt thép:
    • Ô sàn phòng học ($S_1$) và phòng làm việc Ban giám hiệu ($S_4$) được tính toán theo sơ đồ khớp dẻo nhằm tận dụng tối đa khả năng chịu lực của vật liệu.
    • Ô sàn hành lang ($S_2$), sảnh cầu thang ($S_3$) và khu vệ sinh ($S_5$) được tính toán theo sơ đồ đàn hồi có xét đến tính liên tục của các dải bản kê 4 cạnh ($l_2 / l_1 < 2$).
  • Phương pháp dồn tải trọng: Tải trọng từ các ô bản sàn truyền vào dầm khung được phân chia theo diện truyền tải hình tam giác hoặc hình thang, sau đó quy đổi về tải trọng phân bố đều tương đương ($q_{td}$) hoặc lực tập trung tác dụng tại các nút khung.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Kiến trúc công trình (10% khối lượng)

Nội dung phần kiến trúc giải quyết việc tổ chức không gian công năng, hình khối công trình và hệ thống kỹ thuật phục vụ vận hành:

  • Giải pháp mặt bằng: Công trình quy mô 6 tầng nổi có mặt bằng điển hình đồng nhất, phân chia hợp lý các phòng học, phòng chức năng ban giám hiệu, khu vệ sinh và sảnh hành lang. Hệ thống giao thông trục đứng bố trí thang bộ tại vị trí trung tâm, đáp ứng yêu cầu thoát hiểm theo tiêu chuẩn.
  • Giải pháp mặt đứng và chiếu sáng: Sử dụng ngôn ngữ kiến trúc hiện đại với các đường nét phẳng kết hợp mảng kính lớn. Chiếu sáng tự nhiên được tối ưu hóa qua các ô cửa sổ, kết hợp hệ thống chiếu sáng nhân tạo bằng đèn tường, đèn ốp trần tại lớp học, hành lang và cầu thang.
  • Hệ thống hạ tầng kỹ thuật (MEP) và an toàn:
    • Hệ thống thông gió & điều hòa: Bố trí hệ thống điều hòa trung tâm đặt tại tầng mái kết hợp hệ thống ống dẫn gió phân phối theo từng khu vực; giếng thang bộ đóng vai trò thoát nhiệt và thông gió tự nhiên theo phương đứng.
    • Hệ thống cấp nước: Nước sạch lấy từ mạng lưới đô thị qua đồng hồ tổng, dẫn về bể ngầm và dùng máy bơm tại tầng hầm tăng áp phân phối lên các tầng.
    • Hệ thống thoát nước & rác thải: Toàn bộ nước mưa và nước thải sinh hoạt được thu gom qua sê nô mái, xử lý sơ bộ qua trạm xử lý trước khi xả ra hệ thống thoát nước chung; rác thải tập kết tại tầng 1 để vận chuyển định kỳ.
    • Hệ thống phòng cháy chữa cháy (PCCC) & chống sét: Trang bị hệ thống báo cháy tự động, họng cứu hỏa, đầu phun sprinkler và bình bột chữa cháy tại từng tầng. Trạm bơm PCCC đặt độc lập trên mái. Hệ thống chống sét sử dụng kim thu sét mạ kẽm $\varnothing 60\text{ mm}$ dài $2\text{ m}$ lắp trên đỉnh mái, kết nối hệ dây dẫn đồng dẫn dòng sét xuống cọc tiếp địa chôn sâu.

Phần 2: Kết cấu công trình (45% khối lượng)

Chương 1: Lựa chọn giải pháp kết cấu và sơ bộ kích thước cấu kiện

Trong chương này, tác giả tiến hành so sánh các hệ kết cấu chịu lực chính (thuần khung, vách lõi, khung – giằng) và các phương án kết cấu sàn (sàn sườn toàn khối, sàn ô cờ, sàn không dầm/sàn nấm). Kết luận lựa chọn:

  • Hệ kết cấu chịu lực chính: Hệ khung bê tông cốt thép toàn khối, phù hợp với công trình 6 tầng có mặt bằng đối xứng và chiều cao dưới $40\text{ m}$.
  • Phương án sàn: Sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối (bản sàn tựa lên dầm, dầm tựa lên cột) nhằm tối ưu chi phí, giảm tĩnh tải và đơn giản hóa quy trình thi công.
  • Xác định sơ bộ kích thước cấu kiện:
    • Chiều dày bản sàn: Tính theo công thức $h_b = (D/m) \cdot L_1$. Với ô sàn lớn nhất kích thước $4,5 \times 3,9\text{ m}$, tỷ số $l_2/l_1 = 1,15 < 2$ (bản kê 4 cạnh), chọn $m = 43 \div 45$, $D = 1,1$, sơ bộ chiều dày sàn cho toàn bộ công trình là $h_b = 10\text{ cm} = 100\text{ mm}$.
    • Tiết diện dầm: Dầm dọc và dầm phụ chọn kích thước $(220 \times 300)\text{ mm}$; dầm bo mái chọn kích thước $(110 \times 300)\text{ mm}$; dầm biên có chiều cao $h = 350\text{ mm}$.
    • Tiết diện cột: Cột trục A chịu diện tải nhỏ chọn tiết diện cố định $(220 \times 220)\text{ mm}$ từ tầng 1 đến tầng 6. Cột trục B và C chịu diện tải lớn chọn $(300 \times 550)\text{ mm}$ cho các tầng 1, 2, 3 và giảm xuống $(300 \times 450)\text{ mm}$ cho các tầng 4, 5, 6.

Chương 2: Thiết kế sàn tầng 3

Chương 2 thực hiện tính toán chi tiết tải trọng, nội lực và lựa chọn cốt thép cho các ô sàn tầng 3:

  • Xác định tải trọng đơn vị tác dụng lên các ô sàn:
Ký hiệu Tên công năng ô sàn Kích thước ô bản $l_1 \times l_2$ (m) Tĩnh tải tính toán $g^{tt}$ ($\text{kN/m}^2$) Hoạt tải tính toán $p^{tt}$ ($\text{kN/m}^2$) Tổng tải trọng tính toán $q_b$ ($\text{kN/m}^2$)
S1 Phòng học $3,90 \times 4,50$ 3,545 2,400 5,945
S2 Hành lang $2,80 \times 4,50$ 4,007 3,600 7,607
S3 Cầu thang bộ $2,40 \times 4,50$ 4,007 3,600 7,607
S4 Phòng Ban giám hiệu $3,90 \times 4,50$ 3,545 2,400 5,945
S5 Khu vệ sinh (WC) $2,80 \times 3,90$ 4,557 2,400 6,957
SM1 Sê nô mái $1,11 \times 4,50$ 4,040 0,975 5,015
SM2 Mái không sử dụng $3,90 \times 4,50$ 3,560 0,975 4,535
  • Kết quả tính toán và bố trí cốt thép sàn tầng 3:
    • Ô sàn S1 và S4: Phương cạnh ngắn sử dụng cốt thép $\varnothing 8\text{a}190$ ($A_s = 265\text{ mm}^2$); phương cạnh dài sử dụng thép $\varnothing 8\text{a}110$ ($A_s = 457\text{ mm}^2$).
    • Ô sàn S2 (Hành lang): Phương cạnh ngắn bố trí cốt thép $\varnothing 8\text{a}190$ ($A_s = 265\text{ mm}^2$).
    • Ô sàn S5 (Vệ sinh): Cả hai phương cạnh ngắn và cạnh dài đều bố trí cốt thép $\varnothing 8\text{a}190$ ($A_s = 265\text{ mm}^2$).
    • Cốt thép mũ chịu mômen âm tại gối: Sử dụng thép $\varnothing 6\text{a}150\text{ mm}$, chiều dài đoạn vươn cốt mũ lấy từ $0,5\text{ m}$ đến $1,2\text{ m}$ tùy theo tỷ lệ $L_0/4$ hoặc $L_0/6$.

Chương 3: Tính khung trục 6

Chương 3 thiết lập mô hình tính toán hình học và xác định hệ tải trọng tác dụng lên khung phẳng trục 6:

  • Sơ đồ hình học khung: Khung ngang gồm 2 nhịp dầm chính: nhịp $l_{BC} = 7,6\text{ m}$ và nhịp hành lang $l_{AB} = 2,9\text{ m}$. Chiều cao cột tầng 1 là $4,6\text{ m}$ (chiều sâu chôn móng $0,5\text{ m}$, khoảng cách từ cốt $\pm 0.000$ đến mặt đất tự nhiên là $0,45\text{ m}$); chiều cao cột các tầng 2 đến tầng 6 đồng nhất là $3,8\text{ m}$.
  • Tải trọng tác dụng lên khung:
    • Tải trọng tường xây: Tường gạch $220\text{ mm}$ có tải trọng tính toán $5,54\text{ kN/m}^2$; tường gạch $110\text{ mm}$ có tải trọng tính toán $2,42\text{ kN/m}^2$.
    • Tĩnh tải tập trung nút tầng điển hình (tầng 2, 3, 4, 5, 6): Lực tập trung quy về các nút khung lần lượt là $G_1 = 93,83\text{ kN}$ (nút cột C), $G_2 = 53,10\text{ kN}$ (dầm phụ), $G_3 = 113,67\text{ kN}$ (nút cột B), $G_4 = 39,73\text{ kN}$ (nút cột A).
    • Tĩnh tải tầng mái: Tải phân bố đều $g_4 = 13,13\text{ kN/m}$, $g_5 = 7,30\text{ kN/m}$; các lực tập trung tại các nút đỉnh mái gồm $G_5 = 16,90\text{ kN}$, $G_6 = 45,98\text{ kN}$, $G_7 = 48,85\text{ kN}$, $G_8 = 44,16\text{ kN}$, $G_9 = 38,66\text{ kN}$.
    • Hoạt tải tác dụng: Xác định các trường hợp hoạt tải phân bố tam giác, hình thang từ sàn truyền vào dầm và lực tập trung hoạt tải dồn về các nút khung ($P_{1I} = 15,8\text{ kN}$, $P_{2I} = 31,6\text{ kN}$, $P_{3I} = 19,9\text{ kN}$) để thực hiện tổ hợp nội lực trên phần mềm SAP2000.

Kết quả và đóng góp

Tổng hợp thông số kỹ thuật cốt lõi của đồ án

Dưới đây là bảng tổng hợp các kích thước hình học và phương án bố trí kết cấu do tác giả xác lập trong đồ án:

Cấu kiện Vị trí / Ký hiệu Kích thước tiết diện ($b \times h$) hoặc chiều dày Quy cách cốt thép chịu lực
Bản sàn Toàn bộ các tầng $h_b = 100\text{ mm}$ $\varnothing 8\text{a}190$, $\varnothing 8\text{a}110$; Cốt mũ $\varnothing 6\text{a}150$
Dầm dọc & Dầm phụ Tầng 1 đến tầng 6 $220 \times 300\text{ mm}$ Bê tông B20, thép CB300-V
Dầm bo mái Tầng mái $110 \times 300\text{ mm}$ Bê tông B20, thép CB240-T / CB300-V
Cột trục A Từ tầng 1 đến tầng 6 $220 \times 220\text{ mm}$ Bê tông B20, thép dọc chịu lực
Cột trục B & C Tầng 1, tầng 2, tầng 3 $300 \times 550\text{ mm}$ Bê tông B20, thép dọc chịu lực
Cột trục B & C Tầng 4, tầng 5, tầng 6 $300 \times 450\text{ mm}$ Bê tông B20, thép dọc chịu lực

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  1. Xây dựng quy trình dồn tải và tính toán kết cấu rõ ràng cho một công trình giáo dục quy mô 6 tầng, tuân thủ chặt chẽ tiêu chuẩn tải trọng TCVN 2737-1995 và tiêu chuẩn bê tông cốt thép TCVN 5574-2012.
  2. Kết hợp linh hoạt hai mô hình tính toán bản sàn: sơ đồ khớp dẻo cho phòng học diện tích lớn nhằm tiết kiệm vật liệu và sơ đồ đàn hồi cho khu vực hành lang, vệ sinh nhằm hạn chế nứt võng trong quá trình khai thác.
  3. Ứng dụng thành công phần mềm chuyên dụng SAP2000 v14 trong việc phân tích ứng xử tĩnh học của hệ khung phẳng bê tông cốt thép nhiều tầng dưới tác động đồng thời của tĩnh tải bản thân và các trường hợp hoạt tải sử dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong phạm vi đồ án:
    • Mô hình tính toán tập trung vào hệ khung phẳng 2D (khung trục 6) đại diện, chưa khảo sát toàn diện sự làm việc không gian tổng thể 3D của toàn bộ khối nhà.
    • Theo giới hạn quy chuẩn đối với công trình dưới $40\text{ m}$, đồ án chưa xét đến thành phần động của tải trọng gió và tải trọng động đất.
  • Hướng phát triển và hoàn thiện:
    • Xây dựng mô hình không gian 3D hoàn chỉnh trên ETABS hoặc SAP2000 để kiểm tra hiệu ứng xoắn tổng thể của công trình và tương tác giữa các khung ngang, khung dọc.
    • Bổ sung phân tích chi tiết phương án móng cọc bê tông cốt thép hoặc móng nông dựa trên các chỉ tiêu cơ lý đầy đủ từ báo cáo khảo sát địa chất thực tế tại hiện trường Thái Bình.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp: Cung cấp tài liệu mẫu về cấu trúc trình bày, phương pháp xác định tải trọng đơn vị các lớp cấu tạo sàn, phương pháp dồn tải hình thang/tam giác về khung và quy trình tính toán cốt thép sàn theo hai phương.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Tham khảo giải pháp bố trí sơ bộ kích thước tiết diện dầm cột, bảng thông số tải trọng quy chuẩn của các phòng chức năng trường học và cách thức thiết lập sơ đồ tính khung phẳng trong công trình dân dụng nhiều tầng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Trường THPT Bắc Đông Quan có quy mô và kích thước hình học như thế nào?

Công trình gồm 6 tầng nổi, có mặt bằng hình chữ nhật với kích thước $(10,6 \times 63,25)\text{ m}$. Chiều cao mỗi tầng là $3,8\text{ m}$, tổng chiều cao từ cốt $\pm 0.000$ đến đỉnh mái đạt $25\text{ m}$.

2. Đồ án lựa chọn hệ kết cấu chịu lực và giải pháp sàn nào?

Tác giả lựa chọn hệ kết cấu khung bê tông cốt thép toàn khối làm hệ chịu lực chính và giải pháp sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối dày $10\text{ cm}$ tựa lên hệ dầm và cột.

3. Kích thước tiết diện các cột khung trục 6 được bố trí như thế nào?

Cột trục A giữ nguyên tiết diện $(220 \times 220)\text{ mm}$ từ tầng 1 đến tầng 6. Cột trục B và C có tiết diện $(300 \times 550)\text{ mm}$ tại các tầng 1, 2, 3 và giảm xuống $(300 \times 450)\text{ mm}$ tại các tầng 4, 5, 6. Chiều cao cột tầng 1 là $4,6\text{ m}$, các tầng còn lại là $3,8\text{ m}$.

4. Các tiêu chuẩn kỹ thuật và phần mềm nào được sử dụng trong đồ án?

Đồ án sử dụng tiêu chuẩn tải trọng TCVN 2737-1995, tiêu chuẩn kết cấu bê tông cốt thép TCVN 5574-2012 và phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 v14.

5. Tải trọng tính toán của ô sàn phòng học ($S_1$) và ô sàn vệ sinh ($S_5$) là bao nhiêu?

  • Ô sàn phòng học ($S_1$): Tĩnh tải $g^{tt} = 3,545\text{ kN/m}^2$, hoạt tải $p^{tt} = 2,400\text{ kN/m}^2$, tổng tải trọng $q_b = 5,945\text{ kN/m}^2$.
  • Ô sàn vệ sinh ($S_5$): Tĩnh tải $g^{tt} = 4,557\text{ kN/m}^2$, hoạt tải $p^{tt} = 2,400\text{ kN/m}^2$, tổng tải trọng $q_b = 6,957\text{ kN/m}^2$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Trường THPT Bắc Đông Quan – Thái Bình" của sinh viên Hoàng Văn Đức trình bày đầy đủ các bước tính toán và thiết kế kỹ thuật cho một công trình trường học 6 tầng bằng bê tông cốt thép toàn khối. Bằng việc kết hợp các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành (TCVN 2737-1995, TCVN 5574-2012) cùng phần mềm phân tích SAP2000 v14, đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán từ kiến trúc, kết cấu sàn tầng 3 đến khung phẳng chịu lực trục 6. Đây là tài liệu mang tính chuẩn mực và hệ thống, có giá trị tham khảo cao đối với sinh viên chuyên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp.