Đồ Án Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM

• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
• Đề tài: Đồ Án Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
• Loại tài liệu: Đồ án
• Địa điểm: TP. HCM

• 1. CHƯƠNG Ⅰ: TÍNH TOÁN BẢN SÀN
• 1.1. Phân loại bản sàn tính toán
• 1.2. Chọn sơ bộ kích thước các bộ phận sàn
• 1.3. Sơ đồ tính và nhịp tính toán của bản sàn
• 1.4. Xác định tải trọng
• 1.5. Tổng tải tính toán
• 1.6. Xác định nội lực
• 1.7. Tính toán cốt thép
• 1.8. Bố trí thép
• 1.8.1. Thép chịu lực theo phương cạnh ngắn L1
• 1.8.2. Thép cấu tạo
• 1.8.3. Thép phân bố (theo phương cạnh dài L2)
• 2. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN DẦM PHỤ
• 2.1. Sơ đồ tính và nhịp tính toán dầm phụ
• 2.2. Xác định tải trọng
• 2.3. Vẽ biểu đồ bao moment và biểu đồ lực cắt
• 2.4. Tính toán cốt thép
• 2.4.1. Tính toán cốt thép chịu uốn
• 2.4.2. Tính toán cốt thép chịu cắt
• 2.5. Tính toán và vẽ biểu đồ bao vật liệu
• 2.6. Xác định đoạn kéo dài W
• 3. CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN DẦM CHÍNH
• 3.1. Sơ đồ tính
• 3.2. Xác định tải trọng
• 3.3. Xác định nội lực
• 3.3.1. Biểu đồ bao moment
• 3.3.2. Các trường hợp đặt tải
• 3.3.3. Xác định biểu đồ moment cho từng trường hợp tải
• 3.4. Biểu đồ bao lực cắt
• 3.5. Tính cốt thép
• 3.5.1. Tính toán cốt dọc
• 3.5.2. Cốt ngang
• 3.5.3. Cốt treo
• 3.6. Biểu đồ vật liệu
• 3.7. Xác định tiết diện cắt lý thuyết
• 3.8. Xác định đoạn kéo dài W

I. Tổng quan đồ án kết cấu bê tông cốt thép tại ĐH SPKT HCM

Đồ án kết cấu bê tông cốt thép là một học phần cốt lõi và mang tính tổng hợp cao trong chương trình đào tạo của khoa Xây dựng Đại học SPKT. Đây không chỉ là một bài tập lớn, mà còn là cơ hội để sinh viên áp dụng toàn bộ kiến thức lý thuyết đã học vào một công trình thực tế. Mục tiêu chính của đồ án là giúp sinh viên nắm vững quy trình tính toán kết cấu bê tông cốt thép từ A-Z, bao gồm việc lên phương án kết cấu, xác định tải trọng, phân tích nội lực, và thiết kế chi tiết cho các cấu kiện cơ bản như sàn, dầm, và cột. Quá trình này đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết cơ học kết cấu, kiến thức về vật liệu xây dựng và kỹ năng sử dụng các phần mềm chuyên dụng. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, các đồ án BTCT 1 và đồ án BTCT 2 được xây dựng với lộ trình rõ ràng, giúp sinh viên từng bước làm quen và chinh phục các bài toán kết cấu từ đơn giản đến phức tạp. Một đồ án tốt nghiệp ngành xây dựng HCMUTE hoàn chỉnh không chỉ bao gồm phần thuyết minh đồ án kết cấu chi tiết mà còn phải có bộ bản vẽ kết cấu nhà cao tầng chuyên nghiệp, thể hiện rõ ràng các giải pháp thiết kế. Quá trình thực hiện luôn có sự đồng hành của các giảng viên hướng dẫn đồ án SPKT, những người có kinh nghiệm thực tiễn và chuyên môn sâu, đảm bảo sinh viên đi đúng hướng và giải quyết các vấn đề kỹ thuật một cách chính xác. Các tiêu chuẩn thiết kế TCVN, đặc biệt là TCVN 5574:2018, là kim chỉ nam bắt buộc phải tuân thủ trong suốt quá trình tính toán và thể hiện bản vẽ.

1.1. Mục tiêu và yêu cầu cốt lõi của một đồ án kết cấu BTCT

Mục tiêu hàng đầu của đồ án kết cấu bê tông cốt thép là trang bị cho sinh viên khả năng thiết kế một hệ kết cấu công trình hoàn chỉnh, an toàn và kinh tế. Yêu cầu cốt lõi bao gồm ba phần chính: thuyết minh tính toán, bản vẽ kỹ thuật và khả năng bảo vệ trước hội đồng. Phần thuyết minh đồ án kết cấu phải trình bày logic, rõ ràng các bước từ việc chọn sơ bộ kích thước cấu kiện, xác định tải trọng, sử dụng phần mềm để phân tích nội lực, đến việc tính toán sàn, dầm, cột và thiết kế móng cọc. Các công thức, bảng tra và tiêu chuẩn áp dụng phải được trích dẫn đầy đủ. Phần bản vẽ kỹ thuật yêu cầu thể hiện chính xác và chi tiết cách bố trí cốt thép, kích thước hình học của cấu kiện, và các ghi chú cần thiết, tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về trình bày bản vẽ kỹ thuật. Cuối cùng, sinh viên phải có khả năng trình bày và trả lời các câu hỏi phản biện từ hội đồng trong buổi bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

1.2. Tầm quan trọng của tài liệu tham khảo và đồ án mẫu SPKT

Việc tiếp cận các tài liệu tham khảo đồ án BTCT chất lượng và các đồ án mẫu khoa xây dựng SPKT từ các khóa trước có vai trò vô cùng quan trọng. Những tài liệu này cung cấp một cái nhìn thực tế về cấu trúc của một đồ án hoàn chỉnh, cách trình bày thuyết minh và triển khai bản vẽ. Sinh viên có thể học hỏi từ cách giải quyết vấn đề, phương pháp tính toán, và cách lập luận của các anh chị đi trước. Tuy nhiên, việc tham khảo cần có chọn lọc và phải được xem như một nguồn tư liệu để học hỏi, không phải để sao chép. Mỗi công trình có đặc điểm kiến trúc và điều kiện tải trọng riêng, đòi hỏi người thiết kế phải tự mình thực hiện phân tích kết cấu bằng phần mềm và tính toán lại toàn bộ. Các file tính toán bằng Excel, file Etabs đồ án tốt nghiệp, hay file CAD mẫu là những công cụ hỗ trợ đắc lực, giúp tiết kiệm thời gian và giảm thiểu sai sót trong quá trình thực hiện.

II. Thách thức thường gặp khi làm đồ án bê tông cốt thép SPKT

Quá trình thực hiện đồ án kết cấu bê tông cốt thép tại Đại học SPKT đặt ra nhiều thách thức cho sinh viên. Thách thức lớn nhất là việc chuyển đổi từ kiến thức lý thuyết sang ứng dụng thực hành. Việc xác định chính xác các loại tải trọng tác dụng lên công trình, bao gồm tĩnh tải và hoạt tải theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN, là bước đầu tiên nhưng thường gây nhiều khó khăn. Một sai sót nhỏ trong giai đoạn này có thể dẫn đến kết quả phân tích nội lực sai lệch hoàn toàn. Thách thức thứ hai đến từ việc sử dụng thành thạo các phần mềm kỹ thuật. Việc mô hình hóa kết cấu trên file Etabs đồ án tốt nghiệp hay file SAP2000 kết cấu đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác trong việc gán tiết diện, vật liệu, và điều kiện biên. Những lỗi như quên gán tải trọng, khai báo sai liên kết, hoặc chia lưới phần tử không hợp lý là rất phổ biến. Hơn nữa, việc diễn giải kết quả nội lực từ phần mềm để tiến hành thiết kế cốt thép cho từng cấu kiện cũng là một kỹ năng quan trọng cần rèn luyện. Việc tính toán cốt thép chịu uốn và cốt thép chịu cắt đòi hỏi áp dụng đúng công thức và hiểu rõ bản chất làm việc của vật liệu. Cuối cùng, việc quản lý thời gian và khối lượng công việc khổng lồ, từ việc viết báo cáo đồ án tốt nghiệp đến hoàn thiện hàng chục bản vẽ, là một áp lực không nhỏ, đòi hỏi sinh viên phải có kế hoạch làm việc khoa học và hiệu quả.

2.1. Khó khăn trong việc áp dụng tiêu chuẩn thiết kế TCVN

Một trong những rào cản lớn nhất là việc đọc hiểu và áp dụng chính xác các tiêu chuẩn thiết kế TCVN, điển hình là TCVN 5574:2018 và TCVN 2737:1995. Các tiêu chuẩn này chứa đựng hệ thống công thức, hệ số và quy định phức tạp. Sinh viên thường gặp khó khăn trong việc xác định đúng hệ số vượt tải, chọn tổ hợp tải trọng bất lợi nhất để tính toán, hay các yêu cầu về cấu tạo và chiều dài neo nối cốt thép. Ví dụ, việc xác định tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 cho kết cấu nhà cao tầng đòi hỏi nhiều bước tính toán phức tạp liên quan đến dạng địa hình, áp lực gió cơ bản và hệ số khí động. Việc áp dụng sai hoặc bỏ sót các quy định trong tiêu chuẩn có thể dẫn đến thiết kế không đảm bảo an toàn hoặc không kinh tế, và đây là một trong những lỗi nghiêm trọng nhất khi bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

2.2. Sai lầm phổ biến khi phân tích kết cấu bằng phần mềm

Việc phân tích kết cấu bằng phần mềm như Etabs hay SAP2000 đã đơn giản hóa nhiều công đoạn tính toán, nhưng cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro sai sót. Lỗi phổ biến đầu tiên là mô hình hóa sai. Sinh viên có thể gán sai tiết diện dầm, cột, hoặc khai báo sai chiều dày sàn. Lỗi thứ hai là gán tải trọng không chính xác, ví dụ như nhầm lẫn giữa tải trọng phân bố đều trên diện tích (shell uniform) và tải trọng phân bố trên dầm (frame distributed). Một sai lầm khác là không kiểm tra điều kiện làm việc của mô hình, chẳng hạn như không kiểm tra phản lực tại chân cột để đối chiếu với tổng tải trọng đã gán. Hơn nữa, việc không hiểu rõ các tùy chọn phân tích của phần mềm, ví dụ như sự khác biệt giữa màng (membrane) và tấm (shell-thin) cho sàn, cũng có thể dẫn đến kết quả nội lực không chính xác, ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán cốt thép sau này.

III. Hướng dẫn tính toán kết cấu bê tông cốt thép từ A Z Phần 1

Quy trình hướng dẫn làm đồ án kết cấu bắt đầu với việc tính toán các cấu kiện cơ bản nhất. Dựa trên tài liệu đồ án của sinh viên Nguyễn Anh Duy (MSSV: 20149025) tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, bước đầu tiên là tính toán bản sàn. Quá trình này bao gồm việc phân loại sàn (sàn làm việc một phương hay hai phương), chọn sơ bộ chiều dày sàn và kích thước dầm phụ, dầm chính. Ví dụ, với ô sàn có tỷ số L2/L1 > 2, sàn được xem là bản loại dầm, tính toán theo phương cạnh ngắn. Sau đó, tiến hành xác định tĩnh tải (trọng lượng các lớp cấu tạo) và hoạt tải, áp dụng các hệ số vượt tải theo TCVN để ra tải trọng tính toán. Nội lực (moment và lực cắt) trong sàn được xác định theo sơ đồ khớp dẻo, thường tra bảng hoặc dùng công thức đơn giản. Từ nội lực, tiến hành tính toán cốt thép chịu lực theo phương cạnh ngắn, thép phân bố theo phương cạnh dài và thép cấu tạo. Việc kiểm tra hàm lượng cốt thép (μ%) là bắt buộc để đảm bảo điều kiện làm việc của cấu kiện. Tiếp theo là tính toán dầm phụ, một cấu kiện nhận tải trọng trực tiếp từ sàn. Sơ đồ tính của dầm phụ thường là dầm liên tục nhiều nhịp tựa lên dầm chính. Tải trọng tác dụng lên dầm phụ bao gồm tải trọng phân bố đều từ sàn truyền vào và trọng lượng bản thân của dầm. Tương tự sàn, việc vẽ biểu đồ bao moment và biểu đồ bao lực cắt là bước quan trọng để xác định các giá trị nội lực lớn nhất tại gối và nhịp, từ đó thiết kế cốt thép dọc chịu uốn và cốt đai chịu cắt.

3.1. Phương pháp tính toán bản sàn và chọn kích thước sơ bộ

Theo tài liệu tham khảo, việc tính toán bản sàn bắt đầu bằng việc phân loại ô bản. Với tỷ số cạnh L2/L1 > 2, sàn được tính như bản dầm làm việc một phương. Chiều dày sàn (hb) được chọn sơ bộ theo công thức kinh nghiệm, ví dụ hb = (1/30 ~ 1/35)L1, sau đó làm tròn. Tương tự, chiều cao dầm phụ (hdp) và dầm chính (hdc) cũng được chọn sơ bộ dựa trên nhịp, ví dụ hdp = (1/12 ~ 1/15)Ldp. Việc chọn đúng kích thước sơ bộ rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến trọng lượng bản thân kết cấu và độ cứng của hệ, từ đó ảnh hưởng đến kết quả tính toán nội lực. Sau khi có kích thước, tải trọng được xác định chi tiết, bao gồm trọng lượng các lớp hoàn thiện (gạch, vữa) và hoạt tải tiêu chuẩn nhân với hệ số vượt tải tương ứng.

3.2. Quy trình tính toán cốt thép cho dầm phụ chịu uốn cắt

Sau khi có biểu đồ bao nội lực, tính toán cốt thép cho dầm phụ được tiến hành. Với moment dương (gây căng thớ dưới), tiết diện tính toán thường là tiết diện chữ T. Với moment âm (gây căng thớ trên tại gối), tiết diện tính toán là chữ nhật (b x h). Việc tính toán cốt thép chịu uốn dựa trên các công thức cân bằng lực, kiểm tra điều kiện hạn chế αm ≤ αR để đảm bảo phá hoại dẻo. Đối với cốt thép chịu cắt, cần kiểm tra điều kiện chịu cắt của bê tông. Nếu lực cắt tính toán (Q) lớn hơn khả năng chịu cắt của bê tông (Qb), cần phải tính toán và bố trí cốt đai. Bước cốt đai (sw) được tính toán để chịu phần lực cắt còn lại, đồng thời phải thỏa mãn các yêu cầu về cấu tạo theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN. Việc vẽ biểu đồ bao vật liệu là bước cuối cùng để tối ưu hóa việc cắt, uốn và bố trí cốt thép.

IV. Bí quyết tính toán dầm chính và thiết kế móng công trình

Việc tính toán kết cấu bê tông cốt thép cho dầm chính là một bước phức tạp hơn. Dầm chính là cấu kiện chịu tải trọng tập trung từ dầm phụ truyền vào, tựa lên các cột. Sơ đồ tính toán cho dầm chính thường là sơ đồ đàn hồi, và việc xác định nội lực cần thông qua các phương pháp như phương pháp 3 moment hoặc sử dụng phần mềm phân tích. Quá trình này bao gồm việc xác định các trường hợp đặt tải bất lợi (tĩnh tải chất đầy, hoạt tải chất cách nhịp) để tìm ra biểu đồ bao moment và biểu đồ bao lực cắt. Từ biểu đồ bao, ta có các giá trị Mmax, Mmin, Qmax tại các tiết diện đặc trưng. Tương tự dầm phụ, việc tính toán cốt thép dọc và cốt đai cho dầm chính cũng dựa trên các giá trị nội lực này. Một điểm đặc biệt cần lưu ý trong đồ án kết cấu bê tông cốt thép là việc tính toán cốt treo tại vị trí dầm phụ gác lên dầm chính để chống lại lực tập trung. Sau khi hoàn thành thiết kế phần thân, bước tiếp theo là thiết kế móng cọc hoặc các loại móng khác. Quá trình này bắt đầu bằng việc xác định tải trọng tại chân cột từ kết quả phân tích của Etabs hoặc SAP2000. Dựa vào điều kiện địa chất công trình, kỹ sư sẽ lựa chọn phương án móng phù hợp. Việc tính toán sức chịu tải của cọc, xác định số lượng và bố trí cọc trong đài, kiểm tra điều kiện chọc thủng của đài móng là những nội dung quan trọng trong phần thiết kế nền móng.

4.1. Xác định nội lực và bố trí cốt thép cho dầm chính

Xác định nội lực dầm chính đòi hỏi phải xét nhiều trường hợp tổ hợp tải trọng. Phổ biến nhất là sử dụng phần mềm Etabs để mô hình hóa toàn bộ hệ kết cấu không gian. Phần mềm sẽ tự động tổ hợp và cho ra các biểu đồ bao nội lực. Dựa trên biểu đồ bao, cốt thép được tính toán cho các tiết diện giữa nhịp (chịu moment dương) và tiết diện tại gối (chịu moment âm). Do dầm chính thường có kích thước lớn và chịu lực nặng, cốt thép thường được bố trí thành nhiều lớp. Việc bố trí cốt thép phải đảm bảo khoảng hở theo quy định để bê tông có thể lấp đầy và cùng làm việc tốt với cốt thép. Cốt đai trong dầm chính cũng được tính toán tương tự dầm phụ nhưng thường có đường kính lớn hơn và được bố trí dày hơn ở các vùng gần gối tựa, nơi có lực cắt lớn.

4.2. Nguyên tắc cơ bản khi thiết kế móng cọc cho công trình

Việc thiết kế móng cọc là một phần không thể thiếu trong các đồ án kết cấu nhà cao tầng. Nguyên tắc cơ bản là móng phải đảm bảo truyền toàn bộ tải trọng công trình xuống nền đất một cách an toàn, không gây ra lún hoặc lún lệch vượt quá giới hạn cho phép. Quá trình thiết kế bao gồm các bước: xác định tải trọng chân cột (lực dọc, moment, lực cắt), chọn loại cọc và chiều dài cọc dựa trên báo cáo khảo sát địa chất, tính toán sức chịu tải vật liệu và sức chịu tải của cọc theo đất nền. Sau đó, xác định số lượng cọc cần thiết cho một đài móng và bố trí chúng hợp lý. Cuối cùng, tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của đài cọc theo điều kiện chịu uốn và chịu cắt (chọc thủng), rồi tính toán và bố trí cốt thép cho đài.

V. Hoàn thiện đồ án và kinh nghiệm bảo vệ tốt nghiệp điểm cao

Giai đoạn cuối cùng của đồ án kết cấu bê tông cốt thép là hoàn thiện sản phẩm và chuẩn bị cho buổi bảo vệ. Việc hoàn thiện bao gồm hai phần chính: thuyết minh đồ án kết cấu và bộ bản vẽ kỹ thuật. Thuyết minh cần được rà soát kỹ lưỡng về nội dung, lỗi chính tả và định dạng. Cần đảm bảo tất cả các bước tính toán đều được trình bày rõ ràng, các bảng biểu và hình ảnh minh họa phải đầy đủ và chính xác. Một báo cáo đồ án tốt nghiệp tốt cần có cấu trúc logic, dẫn dắt người đọc đi từ tổng quan đến chi tiết một cách mạch lạc. Đối với bộ bản vẽ, việc kiểm tra và thống nhất các ký hiệu, kích thước, và ghi chú giữa các bản vẽ là cực kỳ quan trọng. Các chi tiết neo, nối, và bố trí cốt thép phải được thể hiện đúng theo tiêu chuẩn. Để chuẩn bị cho buổi bảo vệ đồ án tốt nghiệp, sinh viên cần nắm vững toàn bộ nội dung đồ án của mình, từ triết lý thiết kế đến từng chi tiết tính toán. Cần chuẩn bị một bài trình bày súc tích, tập trung vào những điểm chính như phương án kết cấu, kết quả nội lực và các giải pháp thiết kế đặc biệt. Việc luyện tập trả lời các câu hỏi thường gặp từ hội đồng, ví dụ như 'Tại sao chọn phương án kết cấu này?' hay 'Giải thích cách mô hình hóa kết cấu trên Etabs', sẽ giúp sinh viên tự tin hơn. Sự tự tin, kiến thức vững chắc và thái độ cầu thị là chìa khóa để đạt được điểm cao.

5.1. Kỹ thuật trình bày bản vẽ kết cấu chuyên nghiệp trên AutoCAD

Một bộ bản vẽ kết cấu chuyên nghiệp là yếu tố quan trọng để gây ấn tượng với hội đồng. Kỹ thuật trình bày bao gồm việc quản lý layer một cách khoa học, sử dụng block cho các chi tiết lặp lại, và thiết lập các text style, dimension style thống nhất. Bố cục bản vẽ phải hợp lý, các hình vẽ (mặt bằng, mặt cắt, chi tiết) cần được sắp xếp gọn gàng trong khung tên tiêu chuẩn. Cần đặc biệt chú ý đến tỷ lệ bản vẽ để đảm bảo các chi tiết được thể hiện rõ ràng. Việc thể hiện các đường dim, ghi chú, và ký hiệu vật liệu phải tuân thủ TCVN. Một mẹo nhỏ là tạo một thư viện các chi tiết điển hình (chi tiết nối thép, chi tiết liên kết) để có thể tái sử dụng, giúp đảm bảo tính nhất quán và tiết kiệm thời gian.

5.2. Các câu hỏi thường gặp và chiến lược trả lời khi bảo vệ

Khi bảo vệ đồ án tốt nghiệp ngành xây dựng HCMUTE, hội đồng thường tập trung vào các câu hỏi kiểm tra kiến thức nền tảng và sự hiểu biết sâu sắc về đồ án. Các câu hỏi phổ biến bao gồm: 'Cơ sở nào để chọn chiều cao tiết diện dầm/cột?', 'Tổ hợp tải trọng nào là nguy hiểm nhất cho công trình?', 'Giải thích sự làm việc của cốt thép đai trong dầm', 'Nếu thay đổi cấp độ bền bê tông thì kết quả sẽ thay đổi thế nào?'. Chiến lược trả lời hiệu quả là đi thẳng vào vấn đề, trả lời ngắn gọn, chính xác và tự tin. Nếu không chắc chắn, hãy trình bày cách suy luận của mình hoặc xin phép được xem lại tài liệu. Việc chuẩn bị sẵn các slide trình bày rõ ràng, súc tích và luyện tập trước sẽ giúp buổi bảo vệ diễn ra suôn sẻ và thành công.