Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án Kỹ thuật thi công 1 (Đồ án KTTC1), dưới sự hướng dẫn của giảng viên Cao Thế Trực, thuộc ngành Kỹ thuật Xây dựng (chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp). Đề tài tập trung vào việc thiết kế biện pháp kỹ thuật thi công và tổ chức thi công phần thân kết cấu bê tông cốt thép toàn khối cho một công trình nhà nhiều tầng trong điều kiện khí hậu mùa đông.

Bối cảnh thực tế của đồ án được xây dựng dựa trên các thông số hình học và quy mô công trình xác định:

  • Công trình gồm 5 tầng với tổng chiều cao $H = 19,2\text{ m}$ (chiều cao tầng 1: $H_1 = 3,9\text{ m}$; chiều cao các tầng điển hình 2, 3, 4: $H_t = 3,9\text{ m}$; chiều cao tầng mái: $H_m = 3,6\text{ m}$).
  • Mặt bằng công trình có dạng hình chữ nhật gồm 12 bước cột, bước cột $B = 4\text{ m}$, tương ứng tổng chiều dài công trình $L_{ct} = 48\text{ m}$.
  • Mặt bằng gồm 4 nhịp (2 nhịp biên $L_1 = 6\text{ m}$, 2 nhịp giữa $L_2 = 7\text{ m}$), tương ứng tổng chiều rộng công trình $B_{ct} = 26\text{ m}$.
  • Hệ kết cấu móng bê tông cốt thép dạng hình chữ nhật 2 bậc, chiều cao bậc móng $t = 40\text{ cm}$, chiều sâu chôn móng là $3t = 120\text{ cm}$. Kích thước móng trục A và E là $2,2 \times 1,6\text{ m}$; móng trục B và D là $2,6 \times 1,6\text{ m}$; móng trục C là $2,4 \times 1,6\text{ m}$.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế của đồ án bao gồm 4 nội dung cụ thể:

  1. Xác lập kích thước tiết diện các cấu kiện khung chịu lực (cột, dầm chính, dầm phụ, bản sàn) và thực hiện bóc tách, thống kê khối lượng các công tác xây lắp chính (bê tông, cốt thép, ván khuôn, nhân công).
  2. Tính toán thiết kế chi tiết hệ thống ván khuôn gỗ và hệ giáo chống chịu lực cho các cấu kiện sàn, dầm chính nhịp biên (D1b), dầm chính nhịp giữa (D1g) và dầm phụ (D2).
  3. Lựa chọn thiết bị cơ giới phục vụ vận chuyển và đổ bê tông lên cao (cần trục tháp), xác định các thông số kỹ thuật yêu cầu và tính toán năng suất ca máy.
  4. Lập giải pháp tổ chức thi công: phân chia phân đợt, phân đoạn thi công và thống kê khối lượng công tác bê tông cho từng phân đoạn theo dây chuyền công nghệ.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của công trình dân dụng 5 tầng. Phạm vi không gian giới hạn trong phạm vi mặt bằng xây dựng $48 \times 26\text{ m}$ và chiều cao $19,2\text{ m}$; phạm vi thời gian thi công được ấn định trong điều kiện thời tiết mùa đông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng, lý thuyết cơ học kết cấu, sức bền vật liệu và công nghệ thi công bê tông cốt thép toàn khối:

  • Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4453:1995 về "Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối - Quy phạm thi công và nghiệm thu" để xác định độ võng giới hạn của ván khuôn $[f] = L/400$ đối với kết cấu có bề mặt lộ ra ngoài.
  • Khung lý thuyết tính toán kết cấu ván khuôn: Mô hình hóa các bộ phận ván đáy, ván thành và xà gồ đỡ dưới dạng dầm liên tục siêu tĩnh chịu tải trọng phân bố đều. Kiểm tra kết cấu theo hai trạng thái giới hạn:
    • Trạng thái giới hạn cường độ (điều kiện bền): Ứng suất uốn lớn nhất $\sigma = \frac{M}{W} \le [\sigma]_g$, với mômen uốn quy ước $M = \frac{q^{tt} \cdot l^2}{10}$.
    • Trạng thái giới hạn biến dạng (điều kiện độ võng): Độ võng lớn nhất $f = \frac{1}{128} \cdot \frac{q^{tc} \cdot l^4}{E \cdot I} \le [f]$.
    • Điều kiện ổn định của cột chống chịu nén đúng tâm hai đầu khớp: Kiểm tra ứng suất nén kết hợp hệ số uốn dọc $\phi$ phụ thuộc vào độ mảnh $\lambda = \frac{l_0}{r}$.

Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu và tải trọng tính toán được xác lập trong văn bản gồm:

  • Gỗ làm ván khuôn: Ứng suất cho phép $[\sigma]_g = 100\text{ kG/cm}^2 = 100 \times 10^4\text{ kG/m}^2$; môđun đàn hồi $E = 1,1 \times 10^5\text{ kG/cm}^2 = 1,1 \times 10^9\text{ kG/m}^2$; trọng lượng riêng $\gamma_g = 650\text{ kg/m}^3$.
  • Bê tông và cốt thép: Trọng lượng riêng bê tông $\gamma_{bt} = 2500\text{ kg/m}^3$; trọng lượng riêng thép $\gamma_{ct} = 7850\text{ kg/m}^3$; hàm lượng cốt thép giả định $\mu = 1,5%$.
  • Tải trọng thi công và hệ số vượt tải: Tĩnh tải kết cấu ($n = 1,2$), tĩnh tải ván khuôn ($n = 1,1$), hoạt tải người và phương tiện vận chuyển $p_1^{tc} = 250\text{ kG/m}^2$ ($n = 1,3$), hoạt tải đầm rung $p_2^{tc} = 200\text{ kG/m}^2$ ($n = 1,3$), áp lực đổ bê tông bằng cần trục tháp $p_3^{tc} = 600\text{ kG/m}^2$ ($n = 1,3$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được thực hiện qua các bước:

  • Phương pháp giải tích hình học và đại số để bóc tách khối lượng vật tư và khối lượng lao động theo định mức dự toán xây dựng.
  • Phương pháp cơ học kết cấu để tính toán nội lực, khoảng cách gối tựa xà gồ, khoảng cách cột chống và khoảng cách nẹp thành dầm.
  • Phương pháp tối ưu hóa thông số kỹ thuật máy xây dựng nhằm xác định tọa độ lắp đặt, chiều cao nâng, sức nâng và tầm với của cần trục tháp.
  • Phương pháp tổ chức thi công theo dây chuyền chuyên môn hóa, phân chia mặt bằng thành các phân khu cân bằng khối lượng.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Giới thiệu công trình và xác định khối lượng xây lắp

Nội dung phần này xác định quy cách hình học của các cấu kiện và tổng hợp toàn bộ khối lượng vật tư, lao động cho 5 tầng công trình.

1. Kích thước tiết diện các cấu kiện

  • Cột: Tổng cộng có 65 cột/tầng (26 cột C1 và 39 cột C2). Quy luật thay đổi tiết diện: cứ cách 2 tầng từ trên xuống thì cạnh dài tiết diện cột tăng thêm $5\text{ cm}$.
    • Tầng 4 và 5: Cột C1 kích thước $25 \times 30\text{ cm}$; Cột C2 kích thước $25 \times 35\text{ cm}$.
    • Tầng 2 và 3: Cột C1 kích thước $25 \times 35\text{ cm}$; Cột C2 kích thước $25 \times 40\text{ cm}$.
    • Tầng 1: Cột C1 kích thước $25 \times 40\text{ cm}$; Cột C2 kích thước $25 \times 45\text{ cm}$.
  • Dầm: Dầm chính nhịp biên D1b ($250 \times 600\text{ mm}$), dầm chính nhịp giữa D1g ($250 \times 700\text{ mm}$), dầm phụ D2 và D3 ($220 \times 350\text{ mm}$), dầm mái Dm ($250 \times 600\text{ mm}$).
  • Bản sàn: Chiều dày sàn tầng điển hình $s = 16\text{ cm}$; chiều dày bản sàn mái $m = 15\text{ cm}$.
Tầng Thể tích bê tông cột ($\text{m}^3$) Thể tích bê tông dầm ($\text{m}^3$) Thể tích bê tông sàn ($\text{m}^3$) Tổng thể tích bê tông tầng ($\text{m}^3$) Tổng khối lượng thép tầng (tấn) Tổng diện tích ván khuôn tầng ($\text{m}^2$)
Tầng 1 21,97 81,42 174,72 278,11 32,75 2207,72
Tầng 2, 3 (mỗi tầng) 19,37 81,42 174,72 275,51 32,44 2191,82
Tầng 4 16,77 81,42 174,72 272,91 32,13 2166,25
Tầng mái 15,47 81,42 163,68 260,57 30,68 2144,93

Phần II: Tính toán thiết kế ván khuôn cho các cấu kiện

Chương này trình bày chi tiết việc tính toán tải trọng, kiểm tra điều kiện bền, điều kiện độ võng và độ ổn định của hệ thống ván khuôn gỗ (ván xẻ dày $30\text{ mm}$):

1. Tính toán thiết kế ván khuôn sàn

  • Tải trọng trên dải bản rộng $1\text{ m}$: Tải trọng tiêu chuẩn $q_s^{tc} = 1288,34\text{ kG/m}$; tải trọng tính toán $q_s^{tt} = 1629,058\text{ kG/m}$.
  • Khoảng cách giữa các xà gồ đỡ ván đáy sàn: Ô nhịp biên chọn $l_{xg} = 0,85\text{ m}$; ô nhịp giữa chọn $l_{xg} = 0,75\text{ m}$. Chiều dài xà gồ gia công $L_{xg} = 3,65\text{ m}$.
  • Hệ xà gồ và cột chống xà gồ: Tiết diện xà gồ chọn $8 \times 12\text{ cm}$, tải trọng tính toán truyền lên xà gồ $q_{xg}^{tt} = 1391,56\text{ kG/m}$. Bố trí 5 cột chống xà gồ trên một thanh với khoảng cách $l_{ccs} = 0,85\text{ m}$.
  • Kiểm tra ổn định cột chống xà gồ: Tiết diện gỗ $12 \times 12\text{ cm}$, chiều dài tính toán $H_{cc} = 3,49\text{ m}$, lực nén dọc trục $N = 1182,83\text{ kG}$, kết cấu thỏa mãn điều kiện ổn định.

2. Tính toán ván khuôn dầm chính nhịp biên D1b ($25 \times 60\text{ cm}$)

  • Ván đáy dầm: Tiết diện ván $250 \times 30\text{ mm}$, tải trọng tiêu chuẩn $q_d^{tc} = 614,7\text{ kG/m}$, tải trọng tính toán $q_d^{tt} = 755,43\text{ kG/m}$. Bố trí 10 cột chống tiết diện $10 \times 10\text{ cm}$ với khoảng cách $l_{ccd} = 0,6\text{ m}$. Chiều dài tính toán cột chống $H_{cc} = 3,17\text{ m}$, lực dọc $N = 453,26\text{ kG}$.
  • Ván thành dầm: Chịu áp lực ngang từ vữa bê tông tươi và đổ bê tông, tải trọng tiêu chuẩn $q_t^{tc} = 1164\text{ kG/m}$, tải trọng tính toán $q_t^{tt} = 1423,2\text{ kG/m}$. Bố trí nẹp đứng thành dầm với khoảng cách $l_{nẹp} = 0,65\text{ m}$.

3. Tính toán ván khuôn dầm chính nhịp giữa D1g ($25 \times 70\text{ cm}$)

  • Ván đáy dầm: Tiết diện ván $250 \times 30\text{ mm}$, tải trọng tiêu chuẩn $q_d^{tc} = 684,05\text{ kG/m}$, tải trọng tính toán $q_d^{tt} = 838,26\text{ kG/m}$. Bố trí 12 cột chống tiết diện $10 \times 10\text{ cm}$ (gồm 9 khoảng cách $0,55\text{ m}$ và 2 khoảng cách $0,6\text{ m}$). Chiều dài tính toán cột chống $H_{cc} = 3,07\text{ m}$, lực dọc $N = 502,956\text{ kG}$, độ mảnh $\lambda = 106,23$, hệ số uốn dọc $\phi = 0,275$, ứng suất nén đạt yêu cầu.
  • Ván thành dầm: Tải trọng ngang tiêu chuẩn $q_t^{tc} = 1549\text{ kG/m}$, tải trọng tính toán $q_t^{tt} = 1891,2\text{ kG/m}$. Khoảng cách nẹp đứng thành dầm chọn $l_{nẹp} = 0,65\text{ m}$.

4. Tính toán ván khuôn dầm phụ D2 ($22 \times 35\text{ cm}$)

  • Ván đáy dầm: Tiết diện ván $220 \times 30\text{ mm}$, tải trọng tiêu chuẩn $q_{dp}^{tc} = 389,27\text{ kG/m}$, tải trọng tính toán $q_{dp}^{tt} = 483,46\text{ kG/m}$. Bố trí 6 cột chống tiết diện $10 \times 10\text{ cm}$ với khoảng cách $l_{ccd} = 0,7\text{ m}$. Chiều dài cột chống $H_{cc} = 3,42\text{ m}$, lực dọc $N = 338,422\text{ kG}$.
  • Ván thành dầm: Tải trọng ngang tiêu chuẩn $q_t^{tc} = 989\text{ kG/m}$, tải trọng tính toán $q_t^{tt} = 1198,2\text{ kG/m}$. Khoảng cách nẹp đứng thành dầm chọn $l_{nẹp} = 0,65\text{ m}$.

Phần III: Biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công công trình

Nội dung phần này tính toán chọn máy móc thi công và thiết lập dây chuyền tổ chức thi công trên mặt bằng.

1. Lựa chọn cần trục tháp

Tác giả lựa chọn cần trục tháp mã hiệu MC120 loại chôn chân cố định dựa trên các thông số tính toán kỹ thuật:

  • Chiều cao nâng yêu cầu: $H_{yc} = H_{ct} + H_{at} + H_{ck} + H_t = 19,2 + 1,5 + 1,5 + 1,5 = 23,7\text{ m} < H_{max} = 44\text{ m}$.
  • Sức nâng yêu cầu tại vị trí cẩu thùng bê tông dung tích $V = 0,9\text{ m}^3$: $Q_{yc} = 0,95 \times 0,9 \times 2500 + 220 = 2357,5\text{ kG} < Q_{min} = 2900\text{ kG}$.
  • Tầm với yêu cầu: $R_{yc} = \sqrt{(B_{nhà} + S)^2 + L_{nhà}^2 / 4} = \sqrt{(26 + 3)^2 + 48^2 / 4} = 37,6\text{ m} < R_{max} = 40\text{ m}$.
  • Chu kỳ và năng suất: Tổng thời gian các thao tác đơn lẻ $\sum t_i = 328,76\text{ s}$; chu kỳ làm việc tính toán $T_{ck} = 263\text{ s}$ (với hệ số kết hợp động tác $E = 0,8$). Năng suất vận chuyển bê tông đạt $N_{ca} = 197,5\text{ tấn/ca}$.

2. Phân chia phân đợt và phân đoạn thi công

  • Phân đợt thi công: Chia kết cấu mỗi tầng làm 2 đợt:
    • Đợt 1: Thi công cột, tường, vách, thang bộ.
    • Đợt 2: Thi công dầm, sàn.
  • Phân đoạn thi công: Mặt bằng tầng 1 (tầng có khối lượng lớn nhất với $278,11\text{ m}^3$ bê tông) được chia thành 5 phân khu (phân đoạn) nhằm phù hợp với năng suất ca của cần trục tháp ($70%$ năng suất vận chuyển). Mạch ngừng thi công được bố trí ở vị trí nội lực nhỏ, nằm trong khoảng $\frac{1}{3}$ đến $\frac{2}{3}$ nhịp dầm phụ khi đổ bê tông theo hướng song song với dầm chính.
Phân đoạn (Phân khu) Cấu kiện bê tông chính Khối lượng bê tông dầm, sàn ($\text{m}^3$) Khối lượng bê tông cột ($\text{m}^3$) Tổng khối lượng bê tông ($\text{m}^3$) Tổng số công lao động (công)
Phân đoạn 1 & 5 (mỗi phân đoạn) D1b, D1g, D2, D3, Sàn biên, Sàn giữa, C1, C2 53,25 5,07 58,32 50,92
Phân đoạn 2 & 4 (mỗi phân đoạn) D1b, D1g, D2, D3, Sàn biên, Sàn giữa, C1, C2 48,99 3,38 52,37 44,97
Phân đoạn 3 D1b, D1g, D2, D3, Sàn biên, Sàn giữa, C1, C2 59,06 5,07 64,13 55,66

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán kỹ thuật thi công cho công trình bê tông cốt thép 5 tầng với các kết quả cụ thể:

  1. Xác lập thông số hình học và hệ thống kết cấu khuôn đúc: Đưa ra các kích thước cấu kiện cụ thể (dầm D1b $25 \times 60\text{ cm}$, D1g $25 \times 70\text{ cm}$, D2 $22 \times 35\text{ cm}$, sàn $16\text{ cm}$); xác định khoảng cách bố trí xà gồ ($0,75 - 0,85\text{ m}$), khoảng cách cột chống dầm ($0,55 - 0,70\text{ m}$) và khoảng cách nẹp thành ($0,65\text{ m}$).
  2. Kiểm chứng an toàn chịu lực: Tất cả các bộ phận ván khuôn gỗ, xà gồ và cột chống đều được kiểm tra thỏa mãn điều kiện cường độ chịu uốn theo $[\sigma]g = 100\text{ kG/cm}^2$, điều kiện độ võng theo TCVN 4453:1995 và điều kiện ổn định thanh chịu nén đúng tâm tầng 1 ($H{cc}$ từ $3,07\text{ m}$ đến $3,49\text{ m}$).
  3. Giải pháp cơ giới hóa và tổ chức mặt bằng: Lựa chọn thành công cần trục tháp MC120 (sức nâng $2,9\text{ tấn}$, bán kính $40\text{ m}$, chiều cao tự đứng $44\text{ m}$), đáp ứng đầy đủ yêu cầu cẩu lắp với năng suất $197,5\text{ tấn/ca}$. Thiết lập phương án tổ chức thi công 2 phân đợt, 5 phân khu nhịp nhàng với chênh lệch khối lượng giữa các phân đoạn không vượt quá $20%$.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Hạn chế về giải pháp công nghệ: Đồ án chỉ tập trung tính toán hệ ván khuôn truyền thống bằng gỗ xẻ và cột chống gỗ; chưa nghiên cứu so sánh kinh tế - kỹ thuật với các hệ cốp pha hiện đại như cốp pha định hình thép, cốp pha nhôm hay giáo chống tổ hợp kim loại.
  • Phạm vi kỹ thuật: Hồ sơ tập trung chủ yếu vào công tác thi công bê tông toàn khối phần thân; các công tác thi công móng, đất, hoàn thiện và các biện pháp bảo dưỡng bê tông đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ thấp mùa đông chưa được trình bày chi tiết trong phần văn bản này.
  • Hướng mở rộng: Bổ sung phương án bơm bê tông kết hợp cần phân phối để dự phòng cho cần trục tháp; ứng dụng phần mềm tiến độ chuyên dụng và mô hình thông tin công trình (BIM) nhằm trực quan hóa dây chuyền lắp ghép ván khuôn và đổ bê tông trên công trường.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ thuật Công trình Xây dựng và Quản lý Xây dựng khi thực hiện đồ án môn học Kỹ thuật thi công 1, Đồ án Tổ chức thi công hoặc Đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Kỹ sư công trường và cán bộ kỹ thuật thi công cần tra cứu quy trình tính toán kiểm tra chịu lực ván khuôn dầm, sàn, cột chống và phương pháp xác định thông số cẩu lắp của cần trục tháp phục vụ lập biện pháp thi công thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy luật biến đổi kích thước tiết diện cột qua các tầng của công trình được quy định như thế nào?
Tiết diện cột của công trình gồm hai loại C1 (26 cột) và C2 (39 cột). Theo đề bài, kích thước cột tầng 4 và 5 là nhỏ nhất (C1: $25 \times 30\text{ cm}$, C2: $25 \times 35\text{ cm}$). Cứ cách hai tầng từ trên xuống dưới, cạnh dài tiết diện cột lại tăng thêm $5\text{ cm}$, dẫn đến tầng 2 và 3 có kích thước C1 là $25 \times 35\text{ cm}$, C2 là $25 \times 40\text{ cm}$; tầng 1 có kích thước C1 là $25 \times 40\text{ cm}$, C2 là $25 \times 45\text{ cm}$.

2. Khoảng cách và tiết diện các bộ phận đỡ ván khuôn sàn tầng điển hình được chọn là bao nhiêu?
Ván khuôn sàn dày $30\text{ mm}$ được đỡ bởi hệ xà gồ gỗ tiết diện $8 \times 12\text{ cm}$ với khoảng cách bố trí là $0,85\text{ m}$ (đối với ô nhịp biên) và $0,75\text{ m}$ (đối với ô nhịp giữa). Hệ xà gồ dài $3,65\text{ m}$ được đỡ bởi 5 cột chống gỗ tiết diện $12 \times 12\text{ cm}$ với khoảng cách giữa các cột chống là $0,85\text{ m}$.

3. Dựa trên những thông số kỹ thuật nào mà tác giả lựa chọn cần trục tháp MC120?
Cần trục tháp MC120 được chọn vì đáp ứng vượt các yêu cầu tính toán của công trình: Chiều cao nâng tối đa tự đứng đạt $44\text{ m}$ (yêu cầu $23,7\text{ m}$); Sức nâng nhỏ nhất ở đầu cần đạt $2900\text{ kG}$ (yêu cầu nâng thùng vữa $0,9\text{ m}^3$ là $2357,5\text{ kG}$); Bán kính tay cần đạt $40\text{ m}$ (tầm với yêu cầu bao quát toàn bộ mặt bằng công trình là $37,6\text{ m}$).

4. Mặt bằng tầng 1 được chia làm mấy phân đoạn thi công và nguyên tắc bố trí mạch ngừng bê tông là gì?
Mặt bằng tầng 1 được chia thành 5 phân đoạn (phân khu) thi công dựa trên tổng khối lượng bê tông tầng 1 là $278,11\text{ m}^3$ và năng suất ca máy cẩu. Mạch ngừng thi công dầm sàn được đặt tại vị trí có nội lực nhỏ, cụ thể là trong khoảng từ $\frac{1}{3}$ đến $\frac{2}{3}$ nhịp dầm phụ khi đổ bê tông theo hướng song song với trục dầm chính.

Kết luận

Đồ án Kỹ thuật thi công 1 của tác giả đã hoàn thành việc thiết lập giải pháp kỹ thuật thi công toàn diện cho công trình nhà 5 tầng bê tông cốt thép toàn khối. Các nội dung từ bóc tách khối lượng, tính toán kiểm tra hệ ván khuôn gỗ theo các trạng thái giới hạn, đến lựa chọn cần trục tháp MC120 đều được thực hiện đầy đủ với số liệu rõ ràng. Đồ án cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp tính toán và tổ chức thi công xây dựng theo dây chuyền chuyên môn hóa.