Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp này thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, môn học Bê tông cốt thép 1, được thực hiện tại Viện Xây dựng – Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 12 năm 2024.
Đề bài: Thiết kế nhà văn phòng 5 tầng bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ, mái bằng (có sử dụng), tường bao và ngăn xây gạch dày 100 mm. Công trình tọa lạc tại Vùng III theo phân vùng áp lực gió (B < C), địa hình loại B.
Thông số công trình:
- Mặt bằng hình chữ nhật, kích thước 23,564 × 12,76 m
- Tổng 5 tầng và mái, tổng chiều cao 19,4 m
- Bộ số liệu đề bài: A = 0, B = 4, C = 8; thông số kích thước X1, X2, X3, Y1, Y2 với X1 = 4,28 m
Nhiệm vụ thiết kế:
- Xác định sơ bộ tiết diện sàn, dầm, cột cho toàn bộ công trình.
- Xác định và tổ hợp tải trọng: tĩnh tải, hoạt tải sàn, tải trọng gió theo cả hai phương X và Y.
- Kiểm tra các điều kiện ổn định (chuyển vị đỉnh, chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng).
- Thiết kế dầm và cột khung trục 3 (tính toán thép dọc, thép đai, chiều dài neo và nối thép).
- Lập bản vẽ kỹ thuật trên khổ giấy A1, tỉ lệ theo yêu cầu.
Đối tượng nghiên cứu: Hệ kết cấu khung bê tông cốt thép đổ tại chỗ của nhà văn phòng 5 tầng. Phạm vi tính toán tập trung vào khung trục 3, sàn tầng 2 và tầng 3.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Tiêu chuẩn và văn bản kỹ thuật áp dụng:
- TCVN 2737:2023 – Tải trọng và tác động (hoạt tải sàn, tải trọng gió)
- QCVN 02:2022/BXD – Quy chuẩn xây dựng
- TCVN 5574:2018 – Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (thiết kế cấu kiện, kiểm tra chuyển vị)
- Sách tham khảo: Tính toán tiết diện cột BTCT – GS.TS Nguyễn Đình Cống (phương pháp lệch tâm xiên gần đúng)
Vật liệu sử dụng:
- Bê tông B25: cường độ chịu nén tính toán R_b = 14,5 MPa
- Cốt thép CB240T (đường kính < 10 mm) và CB400V (đường kính ≥ 10 mm)
Phần mềm tính toán: Phần mềm phân tích kết cấu ETABS (mô hình khung không gian 3D) để xuất nội lực, biểu đồ bao moment M3-3, lực cắt V2-2, chuyển vị ngang; file Excel hỗ trợ tính toán thép cột lệch tâm xiên.
Phương pháp thiết kế:
- Xác định sơ bộ tiết diện theo công thức kinh nghiệm (tỉ lệ h/L cho dầm, công thức N = q·F·n cho cột)
- Phân tích kết cấu khung không gian trên ETABS, tổ hợp tải trọng theo các trường hợp DEAD, LIVE, WIND
- Kiểm tra chuyển vị theo bảng M.4 TCVN 5574:2018
- Tính toán cốt thép dầm theo bài toán tiết diện chữ nhật chịu uốn; cốt thép cột theo phương pháp gần đúng chuyển lệch tâm xiên thành lệch tâm phẳng
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Số liệu tính toán
Chương này trình bày bộ số liệu đầu vào được giao riêng cho sinh viên Nguyễn Trần Việt Đức (MSSV: 2151160048, lớp XC21), bao gồm bộ số A–B–C (0–4–8) và các thông số kích thước X1 = 4,28 m cùng các giá trị X2, X3, Y1, Y2. Đây là cơ sở để xác định toàn bộ thông số hình học của công trình.
Chương II: Tổng quan công trình
Chương trình bày đặc điểm kiến trúc và kết cấu tổng thể: nhà văn phòng 5 tầng, mái bằng, tường xây gạch dày 100 mm, mặt bằng 23,564 × 12,76 m, cao tổng cộng 19,4 m. Công trình thuộc Vùng III áp lực gió, địa hình B. Yêu cầu bản vẽ bao gồm mặt bằng, mặt cắt, mặt đứng kiến trúc (tỉ lệ 1/100 hoặc 1/150) và các bản vẽ kết cấu cột–dầm khung trục 3, bản vẽ thép sàn tầng 2 và 3 (tỉ lệ 1/25 hoặc 1/20).
Chương III: Xác định sơ bộ tiết diện
Chương này trình bày trình tự xác định kích thước ban đầu cho ba loại cấu kiện chính.
Sàn: Ô sàn làm việc lớn nhất có kích thước (X2 × Y1) = (5,704 × ...) m, thuộc loại sàn 2 phương. Chiều dày sơ bộ tính theo công thức D × L1/m = 114 mm, làm tròn lên hs = 120 mm; riêng sàn mái chọn hs = 100 mm.
Dầm: Dầm chính theo L1 và L2 đều chọn tiết diện b × h = 200 × 500 mm. Dầm hành lang BC (nhịp L = 2 m) chọn tiết diện b × h = 200 × 350 mm.
Cột khung trục 3 được xác định theo công thức N = q × F × n với q ≈ 1,2 T/m², n = 5 tầng:
| Vị trí | Diện truyền tải (m²) | N sơ bộ (kN) | Tiết diện chọn (mm) | A chọn (mm²) |
|---|---|---|---|---|
| Cột A | 4,034 | 15,04 × 5 × 12 | 350 × 400 | 140.000 |
| Cột B | 4,674 | 19,44 × 5 × 12 | 400 × 400 | 160.000 |
| Cột C | 4,57 | 14,2 × 5 × 12 | 300 × 300 | 90.000 |
| Cột D | 4,30 | 558 | 300 × 300 | 90.000 |
Từ tầng 4–5–mái, cột được giảm tiết diện xuống các kích thước nhỏ hơn (ví dụ cột 3A: 350 × 350 mm; một số cột: 250 × 300 mm).
Chương IV: Xác định tải trọng tác dụng
Tĩnh tải:
- Tải các lớp cấu tạo sàn điển hình (gạch men + vữa lót + vữa trát + trần treo): g_tc = 1,71 kN/m², g_tt = 2,043 kN/m²
- Tải sàn nhà vệ sinh và mái (có lớp chống thấm): g_tc = 1,81 kN/m², g_tt = 1,893 kN/m²
- Tải tường xây trên dầm (tường 100 mm, chiều cao tường 3.140 mm, chiều cao tầng 3.640 mm): g_tc = 5,652 kN/m, g_tt = 6,217 kN/m. Tải tường mái: g_tt = 1,98 kN/m
Hoạt tải sàn theo Điều 8.3 TCVN 2737:2023:
| Chức năng | q_tc (kN/m²) | HSVT | q_tt (kN/m²) |
|---|---|---|---|
| Phòng làm việc | 2,0 | 1,3 | 2,6 |
| Cầu thang | 3,0 | 1,3 | 3,9 |
| Hành lang | 3,0 | 1,3 | 3,9 |
| WC | 2,0 | 1,3 | 2,6 |
| Mái (không sử dụng) | 0,3 | 1,3 | 0,39 |
Tải trọng gió theo TCVN 2737:2023 và QCVN 02:2022/BXD: Vùng III, W₀ = 1,25 kN/m², áp lực gió 3s chu kỳ lặp 10 năm W₃ₛ,₁₀ = 0,852² × 1,25 = 1,065 kN/m². Hệ số hiệu ứng giật G_f = 0,85. Tính toán cho cả hai phương X và Y, hệ số khí động C_D và C_E tra bảng F.4 TCVN 2737:2023. Tải gió quy về lực tập trung tại các tầng, ví dụ theo phương X: tầng 5 W_kyD = 6,2 kN, W_kyE = 3,6 kN; theo phương Y: tầng 5 W_kyD = 6,37 kN, W_kyE = 4,15 kN.
Tổ hợp tải trọng: 8 trường hợp tải (3 DEAD, 1 LIVE, 4 WIND) được kết hợp thành các tổ hợp C1–C14 (tính bền) và S1–S3 (kiểm tra chuyển vị).
Kiểm tra chuyển vị công trình theo bảng M.4 TCVN 5574:2018, giới hạn f_u ≤ h/500:
| Tầng | Tổ hợp | Phương | Chuyển vị lớn nhất (mm) | Giới hạn (mm) | Kết luận |
|---|---|---|---|---|---|
| Tầng 5 | ES | X | 7,53 | 38,8 | Thỏa |
| Tầng 5 | ES | Y | 18,0 | 38,8 | Thỏa |
Chuyển vị ngang tương đối lớn nhất giữa các tầng: f_umax = 0,02, thỏa yêu cầu.
Chương V: Thiết kế khung trục 3
Thiết kế dầm:
Nội lực được lấy từ ETABS theo tổ hợp EC, dùng Moment 3-3 tính thép dọc và lực cắt V2-2 tính thép đai. Tiết diện tính toán là hình chữ nhật. Thông số tính toán thép dọc theo trình tự: h₀ = h − a, α_m = M/(γ_b·R_b·b·h₀²), ξ_m = 1 − √(1 − 2α_m), kiểm tra hàm lượng thép μ_min = 0,1% ≤ μ ≤ μ_max.
Đối với thép đai, lấy Q_max = 135,76 kN: khả năng chịu cắt lớn nhất Q_b,max = 392 kN > Q_max (thỏa). Lực cắt chịu bởi bê tông Q_b,1 = 47,25 kN < Q_max, cần bố trí cốt đai. Chọn đai ∅8 (CB240T), 2 nhánh, A_sw = 101 mm²; bước đai tại gối S_g = 80 mm, lực cắt chịu bởi cốt đai Q_sw,1 = 96,58 kN. Kiểm tra: Q_b,1 + Q_sw,1 = 143,83 kN > Q_max = 135,76 kN – đạt yêu cầu. Bước đai tại nhịp bố trí cấu tạo S = 200 mm.
Chiều dài neo và nối thép dầm (thép ∅18, CB400V):
| Đường kính | L_neo (mm) | L_nối lớp trên (mm) | L_nối lớp dưới (mm) |
|---|---|---|---|
| ∅20 | — | 600 | 800 |
| ∅18 | 600 | 550 | 750 |
| ∅16 | — | 500 | 650 |
Thiết kế cột:
Cột được tính theo trường hợp lệch tâm xiên (mô hình khung không gian ETABS), sử dụng phương pháp gần đúng của GS.TS Nguyễn Đình Cống, áp dụng với điều kiện 0,5 ≤ C_x/C_y ≤ 2. Quy trình: tính độ lệch tâm ngẫu nhiên e_ax, e_ay; xét uốn dọc (hệ số η theo mục 7.5 TCVN 5574:2018); xác định phương tính toán; phân loại trường hợp lệch tâm (rất bé ε ≤ 0,3; lệch tâm bé; lệch tâm lớn); tính diện tích cốt thép đối xứng.
Cốt đai cột bố trí theo cấu tạo: ∅6 (hoặc ∅8), vùng nối thép S = 100 mm, vùng còn lại S = 200 mm (theo điều kiện S ≤ 10∅_dọc,min và S ≤ 15∅_dọc,min).
Chiều dài đoạn nối thép cột (thép ∅20, CB400V, L_o,an = 667 mm):
| Đường kính | L_nối chịu kéo (mm) | L_nối chịu nén (mm) |
|---|---|---|
| ∅22 | 700 | 900 |
| ∅20 | 600 | 800 |
| ∅18 | 550 | 750 |
| ∅16 | 500 | 650 |
Thiết kế và triển khai
Mục này áp dụng do đồ án là thiết kế kỹ thuật công trình.
Mô hình kết cấu: Công trình được mô hình hóa dưới dạng khung không gian 3D trong ETABS. Các phần tử dầm và cột khai báo tiết diện theo kết quả sơ bộ ở Chương III. Sàn được mô hình hóa để truyền tải xuống hệ dầm theo đúng sơ đồ làm việc.
Khai báo tải trọng: 8 trường hợp tải được khai báo riêng biệt (Dead – bản thân, Dead – hoàn thiện, Dead – tường, Live – hoạt tải, Wind theo 4 chiều ±X, ±Y), sau đó tổ hợp thành các Load Combination phục vụ kiểm tra bền (C1–C14) và kiểm tra biến dạng (S1–S3).
Xuất kết quả: Biểu đồ bao moment M3-3 và bao lực cắt V2-2 của dầm khung trục 3 được xuất để tính thép dọc và thép đai. Nội lực cột (lực dọc P, M22, M33) được xuất cho tất cả các tổ hợp, tính toán trong file Excel theo phương pháp lệch tâm xiên gần đúng, lấy trường hợp nguy hiểm nhất để bố trí thép.
Bản vẽ kỹ thuật: Lập trên khổ giấy A1, gồm mặt đứng, mặt bằng, mặt cắt kiến trúc (1/100 hoặc 1/150); mặt bằng cột, mặt bằng dầm sàn; mặt bằng thép sàn; mặt cắt dọc và ngang dầm–cột khung trục 3 (1/25 hoặc 1/20).
Kết quả và đóng góp
Kết quả sơ bộ tiết diện:
- Sàn điển hình: h_s = 120 mm; sàn mái: h_s = 100 mm
- Dầm chính: 200 × 500 mm; dầm hành lang: 200 × 350 mm
- Cột tầng 1–3: dao động từ 300 × 300 mm (cột C, D) đến 400 × 400 mm (cột B); cột tầng 4–5–mái: giảm xuống còn 250 × 300 mm đến 350 × 350 mm
Kiểm tra ổn định: Chuyển vị đỉnh lớn nhất 18 mm (phương Y) < giới hạn 38,8 mm (h/500); chuyển vị tương đối giữa tầng f_umax = 0,02 – toàn bộ đạt yêu cầu TCVN 5574:2018.
Kết quả thiết kế dầm khung trục 3:
- Thép dọc được tính cho tất cả vị trí gối và nhịp theo tổ hợp EC; diện tích thép chọn đảm bảo μ_min = 0,1% ≤ μ ≤ μ_max
- Cốt đai tại gối ∅8a80 (2 nhánh), tại nhịp ∅8a200; khả năng chịu cắt kiểm tra đạt: Q_b,1 + Q_sw,1 = 143,83 kN > Q_max = 135,76 kN
- Chiều dài neo và nối thép được xác định cho từng đường kính (∅16, ∅18, ∅20)
Kết quả thiết kế cột khung trục 3: Thép cột được tính cho toàn bộ các tổ hợp nội lực U1–U14; bố trí thép đối xứng theo trường hợp nguy hiểm nhất, phân loại lệch tâm (rất bé/bé/lớn) tùy từng cột và tầng. Cốt đai bố trí theo cấu tạo ∅6a100 (vùng nối) và ∅6a200 (vùng còn lại).
Đóng góp: Đồ án tích hợp đầy đủ quy trình thiết kế từ sơ bộ tiết diện đến tính toán chi tiết theo bộ tiêu chuẩn TCVN hiện hành cập nhật nhất (TCVN 2737:2023 thay thế phiên bản 1995), phối hợp phần mềm ETABS và file Excel để xử lý bài toán lệch tâm xiên – một quy trình tương đối hoàn chỉnh ở cấp đồ án sinh viên.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Phạm vi đồ án chỉ tập trung vào khung trục 3, sàn tầng 2 và tầng 3, chưa thiết kế toàn bộ các khung và sàn còn lại của công trình. Tải trọng động đất chưa được xét đến (chỉ tính tải trọng gió theo TCVN 2737:2023). Phương pháp lệch tâm xiên gần đúng áp dụng cho cột có thể cho kết quả thiên về an toàn so với phương pháp chính xác hơn. Hướng mở rộng có thể bao gồm thiết kế móng, tường vách cứng, hoặc phân tích ứng xử phi tuyến vật liệu cho các đồ án ở bậc học cao hơn.
Giá trị tham khảo
Đồ án này phù hợp làm tài liệu tham khảo cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng dân dụng và công nghiệp đang học môn Bê tông cốt thép 1 hoặc chuẩn bị làm đồ án thiết kế nhà nhiều tầng bằng BTCT đổ tại chỗ
- Sinh viên mới làm quen với ETABS trong bài toán khung phẳng và khung không gian, đặc biệt phần khai báo tải trọng gió theo TCVN 2737:2023
Các phần đáng tham khảo nhất:
- Chương III: Quy trình xác định sơ bộ tiết diện sàn, dầm, cột theo công thức kinh nghiệm với ví dụ tính toán đầy đủ cho từng trục cột
- Chương IV: Cách lập bảng tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn, tải tường, và tính tải trọng gió theo TCVN 2737:2023 (phiên bản mới nhất)
- Chương V: Trình tự tính cốt đai dầm và bảng tổng hợp chiều dài neo/nối thép cho các đường kính khác nhau; quy trình tính cột lệch tâm xiên theo phương pháp gần đúng của GS.TS Nguyễn Đình Cống
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao chiều dày sàn điển hình chọn 120 mm trong khi tính toán ra 114 mm? Giá trị 114 mm được tính theo công thức D × L1/m = D × 5,704/m. Theo quy định làm tròn lên bội số 10 mm và điều kiện h_s ≥ 80 mm, chiều dày được làm tròn lên 120 mm. Riêng sàn mái chọn 100 mm vì tải trọng tác dụng lên mái (q_tc = 0,3 kN/m²) nhỏ hơn đáng kể so với sàn điển hình.
2. Căn cứ nào để xác định công trình thuộc Vùng III áp lực gió, và ảnh hưởng cụ thể như thế nào đến tính toán? Công trình thuộc Vùng III vì thông số B < C (B = 4 < C = 8) theo bộ số liệu đề bài. Điều này xác định áp lực gió cơ sở W₀ = 1,25 kN/m² (bảng 7 TCVN 2737:2023). Áp lực gió 3s tính toán W₃ₛ,₁₀ = 0,852² × 1,25 = 1,065 kN/m², là đầu vào để tính tải gió phân bố theo từng tầng.
3. Lực cắt Q_max = 135,76 kN ở dầm được lấy ở đâu và bước đai S = 80 mm được xác định như thế nào? Q_max lấy từ biểu đồ bao lực cắt V2-2 xuất từ ETABS (tổ hợp EC). Bước đai tại gối S = 80 mm được chọn từ điều kiện: S ≤ h/2 = 500/2 = 250 mm và S ≤ 300 mm; đồng thời phải đảm bảo Q_b,1 + Q_sw,1 ≥ Q_max. Với S = 80 mm, Q_sw,1 = (170 × 101/80) × 450 × 10⁻³ = 96,58 kN, tổng sức chịu cắt 143,83 kN > 135,76 kN.
4. Phương pháp lệch tâm xiên gần đúng áp dụng trong điều kiện nào và bước tính ra sao? Phương pháp áp dụng khi tỉ số 0,5 ≤ C_x/C_y ≤ 2 và cốt thép đặt đối xứng theo chu vi. Quy trình gồm: (1) tính độ lệch tâm ngẫu nhiên e_ax, e_ay; (2) xét uốn dọc, tính N_cr theo hai phương, hệ số η_x, η_y; (3) xác định phương tính toán dựa trên so sánh M_x1/C_x với M_y1/C_y; (4) tính moment tương đương M = M₁ + m₀·M₂·(h/b); (5) phân loại lệch tâm và tính diện tích thép A_s theo công thức tương ứng (mục 7.1, 7.5 TCVN 5574:2018).
5. Chuyển vị đỉnh công trình theo phương Y đạt 18 mm – giá trị này bằng bao nhiêu phần trăm giới hạn cho phép? Giới hạn chuyển vị cho phép [f] = h/500 = 19.400/500 = 38,8 mm. Chuyển vị lớn nhất theo phương Y là 18 mm, bằng 46,4% giới hạn cho phép, còn dư biên an toàn đáng kể. Chuyển vị theo phương X chỉ đạt 7,53 mm (19,4% giới hạn). Chuyển vị tương đối giữa các tầng f_umax = 0,02, thỏa yêu cầu kiểm tra theo ETABS.
Kết luận
Đồ án Bê tông cốt thép 1 của sinh viên Nguyễn Trần Việt Đức thực hiện đầy đủ quy trình thiết kế kết cấu nhà văn phòng 5 tầng bằng BTCT đổ tại chỗ, từ xác định sơ bộ tiết diện, lập và tổ hợp tải trọng, phân tích kết cấu bằng ETABS, kiểm tra điều kiện biến dạng, đến tính toán và bố trí cốt thép dầm – cột khung trục 3. Toàn bộ tính toán tuân thủ bộ tiêu chuẩn hiện hành TCVN 2737:2023 và TCVN 5574:2018, sử dụng vật liệu bê tông B25 kết hợp thép CB240T và CB400V. Kết quả kiểm tra cho thấy công trình thỏa mãn điều kiện chuyển vị đỉnh và chuyển vị tương đối giữa các tầng với biên an toàn hợp lý.