Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư Ocean Building" được thực hiện nhằm hoàn thiện toàn bộ quy trình thiết kế một công trình nhà nhiều tầng thực tế, tích hợp các mảng kiến thức về kiến trúc, kết cấu bê tông cốt thép và nền móng công trình xây dựng. Bối cảnh thực tiễn của đề tài gắn liền với nhu cầu xây dựng các khu chung cư cao tầng tại đô thị, đòi hỏi giải pháp kết cấu chịu lực an toàn dưới tác động đồng thời của tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang (gió tĩnh, gió động và động đất).

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được phân chia thành các nội dung cụ thể theo văn bản giao đề tài:

  1. Số liệu ban đầu: Hồ sơ bản vẽ thiết kế kiến trúc (đã hiệu chỉnh kích thước theo hướng dẫn của giảng viên) và hồ sơ khảo sát địa chất công trình tại địa điểm xây dựng.
  2. Nội dung các phần lý thuyết và tính toán:
    • Phần Kiến trúc: Thể hiện lại hệ thống bản vẽ kiến trúc công trình.
    • Phần Kết cấu: Tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình; tính toán và thiết kế cầu thang bộ; xây dựng mô hình không gian, tính toán nội lực và thiết kế cốt thép cho khung trục 2 và khung trục C.
    • Phần Nền móng: Tổng hợp và xử lý số liệu địa chất hố khoan; thiết kế một phương án móng khả thi (móng cọc khoan nhồi) chịu lực cho công trình.
  3. Thuyết minh và bản vẽ kỹ thuật: Hoàn thành 01 tập thuyết minh tính toán, 01 tập phụ lục nội lực và 21 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (bao gồm 04 bản vẽ kiến trúc, 15 bản vẽ kết cấu và 02 bản vẽ nền móng).

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu công trình Chung cư Ocean Building. Phạm vi không gian đặt tại Quận Thanh Xuân, Thành phố Hà Nội. Quy mô công trình gồm 1 tầng hầm, 15 tầng điển hình và 1 tầng mái; tổng chiều cao từ mặt đất tự nhiên đến đỉnh mái là 54,25 m; kích thước mặt bằng điển hình là 38,0 m × 24,5 m. Phạm vi thời gian thực hiện đồ án từ ngày 02/03/2018 đến ngày 02/07/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Quy trình tính toán và thiết kế kết cấu công trình dựa trên hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam, bao gồm:

  • TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn tải trọng và tác động.
  • TCVN 5574:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCXD 229:1999 (TCVN 229-1999): Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió dưới tác động của gió bão.
  • Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn và các tiêu chuẩn nền móng liên quan.

Giải pháp kết cấu chịu lực của công trình là hệ khung – vách lõi bê tông cốt thép toàn khối kết hợp hệ sàn dầm. Móng công trình sử dụng giải pháp móng sâu là cọc khoan nhồi.

Vật liệu sử dụng trong tính toán:

  • Bê tông: Cấp độ bền B25, có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14,5\text{ MPa}$, cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 27.000\text{ MPa}$.
  • Cốt thép:
    • Cốt thép loại AI (đường kính $\varnothing \le 10\text{ mm}$): Cường độ tính toán chịu kéo và nén $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$, cường độ tính toán cốt ngang $R_{sw} = 175\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 210.000\text{ MPa}$.
    • Cốt thép loại AIII (đường kính $\varnothing > 10\text{ mm}$): Cường độ tính toán chịu kéo và nén $R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 200.000\text{ MPa}$.
Nhóm vật liệu Cấp độ bền / Loại Cường độ nén $R_b$ / $R_{sc}$ (MPa) Cường độ kéo $R_{bt}$ / $R_s$ (MPa) Mô đun đàn hồi $E$ (MPa) Phạm vi áp dụng
Bê tông B25 14,5 1,05 27.000 Cột, dầm, sàn, vách, móng
Thép thanh AI 225 225 210.000 Cốt thép đai, $\varnothing \le 10\text{ mm}$
Thép thanh AIII 365 365 200.000 Cốt thép dọc chịu lực, $\varnothing > 10\text{ mm}$

Phương pháp nghiên cứu và công cụ hỗ trợ:

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình hóa không gian 3D toàn bộ hệ khung vách chịu lực bằng phần mềm ETABS v16 để phân tích dao động, xác định chu kỳ, dạng dao động và trích xuất nội lực dưới tác động của tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió (tĩnh và động) và động đất.
  • Mô hình hóa phần tử tấm vỏ bằng SAFE v16 để phân tích nội lực bản sàn tầng điển hình, kiểm tra võng phi tuyến (kể đến nứt, từ biến và co ngót dài hạn), đồng thời tính toán đài móng và phản lực đầu cọc.
  • Phần mềm SAP2000 v19 phân tích nội lực hệ thanh cho cầu thang bộ hai vế.
  • Phần mềm Microsoft Excel lập bảng tính toán kiểm tra tiết diện, bố trí diện tích cốt thép dầm, cột, vách, kiểm tra xuyên thủng và lún đài cọc.

Nguồn dữ liệu đầu vào gồm bản vẽ kiến trúc các tầng, mặt bằng phân chia căn hộ, chi tiết cầu thang và số liệu các hố khoan khảo sát địa chất tại hiện trường xây dựng ở Quận Thanh Xuân, Hà Nội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày quy mô công trình Ocean Building với chiều cao tổng thể 54,25 m, gồm 15 tầng điển hình, 1 tầng hầm và 1 tầng mái. Tác giả tổng hợp các loại tải trọng tác động lên công trình gồm tĩnh tải (trọng lượng bản thân kết cấu, lớp hoàn thiện, tường ngăn, vách kính, hệ thống kỹ thuật) và hoạt tải phân bố đều trên sàn theo công năng sử dụng:

  • Phòng ngủ, phòng ăn, phòng khách, bếp căn hộ: $1,5\text{ kN/m}^2$.
  • Ban công, lô gia: $2,0\text{ kN/m}^2$.
  • Sảnh, phòng giải lao, cầu thang, hành lang: $3,0\text{ kN/m}^2$.
  • Kho, gara ô tô: $5,0\text{ kN/m}^2$.
  • Phòng động cơ máy: $7,0\text{ kN/m}^2$.
  • Phòng áp mái: $0,7\text{ kN/m}^2$.

Tải trọng ngang bao gồm tải trọng gió và động đất. Do công trình có chiều cao lớn hơn 40 m ($54,25\text{ m}$), tải trọng gió được tính toán bao gồm thành phần tĩnh và thành phần động với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$ (vùng gió II, địa hình C).

Chương 2: Sơ bộ kích thước tiết diện

Chương này xác định kích thước các cấu kiện chịu lực chính dựa trên nhịp, diện tích truyền tải và điều kiện cường độ:

  • Chiều dày bản sàn: Sơ bộ chọn $h_s = 150\text{ mm}$ cho sàn tầng điển hình.
  • Tiết diện dầm: Nhịp dầm chính tính toán $L = 8,5\text{ m}$, chiều cao sơ bộ $h = L/15 \approx 600\text{ mm}$, chọn dầm chính kích thước $300 \times 600\text{ mm}$. Dầm phụ chọn kích thước $250 \times 500\text{ mm}$ và $200 \times 400\text{ mm}$.
  • Tiết diện cột: Xác định diện tích tiết diện $A_c \ge k \cdot N / R_b$, trong đó hệ số $k = 1,2$ cho cột giữa và $k = 1,3 - 1,4$ cho cột biên, cột góc; tải trọng dồn từ các tầng sàn tính toán sơ bộ kích thước tiết diện từ tầng dưới lên tầng sân thượng.
  • Chiều dày vách cứng: Chọn chiều dày vách bê tông cốt thép $t_w = 300\text{ mm}$ ($0,3\text{ m}$) cho toàn bộ hệ lõi cứng.

Chương 3: Tính toán - Thiết kế sàn

Chương 3 mô hình sàn tầng điển hình trên mặt bằng lưới cột $38,0\text{ m} \times 24,5\text{ m}$ bằng phần mềm SAFE v16. Tĩnh tải sàn gồm lớp bê tông dày 150 mm ($3,75\text{ kN/m}^2$), hoàn thiện gạch Ceramic, vữa lót và hệ thống kỹ thuật trần. Tác giả phân chia sàn thành các dải strip theo hai phương X và Y với bề rộng $L/4$ và $L/2$ để lấy giá trị mômen uốn.

Quy trình kiểm tra độ võng sàn được thực hiện qua hai bước:

  • Võng tức thời (ngắn hạn): Giá trị võng lớn nhất xuất ra từ SAFE đạt $6,13\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng cho phép $[f] = 25\text{ mm}$ theo TCVN 5574:2012 cho nhịp sàn từ 5 m đến 10 m.
  • Võng dài hạn: Thiết lập bài toán phi tuyến nứt và từ biến thông qua ba trường hợp tải trọng: $f_1$ (ngắn hạn toàn bộ tải trọng - Nonlinear Cracked), $f_2$ (ngắn hạn tải trọng dài hạn - Nonlinear Cracked), $f_3$ (dài hạn của tải trọng dài hạn - Nonlinear Long term cracked với hệ số từ biến Creep Coefficient bằng 1,7 và biến dạng co ngót Shrinkage Strain bằng 0,0004). Độ võng toàn phần tính theo công thức $f = f_1 - f_2 + f_3$ qua tổ hợp DOVONG cho giá trị lớn nhất $15,95\text{ mm} < [f] = 25\text{ mm}$, kết luận bản sàn thỏa mãn điều kiện độ võng. Cốt thép sàn được tính toán và bố trí từ ô S1 đến ô S15, kiểm tra hàm lượng thép $\mu_{min} = 0,1%$ đến $\mu_{max}$.

Chương 4: Thiết kế cầu thang tầng điển hình

Cầu thang bộ hai vế tại tầng điển hình có chiều cao tầng $H = 3300\text{ mm}$, gồm 22 bậc ($h_{bậc} = 150\text{ mm}$, $b_{bậc} = 270\text{ mm}$), góc nghiêng thang $\alpha \approx 29^\circ$. Bề rộng vế thang $a = 1500\text{ mm}$, chiều dài bản thang $L_2 = 2700\text{ mm}$, chiều rộng bản chiếu nghỉ $L_1 = 1200\text{ mm}$, khoảng hở giữa hai vế $d = 400\text{ mm}$. Bản thang chọn dày $h_s = 150\text{ mm}$.

Sơ đồ tính toán vế thang được lựa chọn là sơ đồ hai đầu khớp chịu uốn nhằm thiên về an toàn cho nhịp và bố trí bổ sung cốt thép cấu tạo tại gối để chống nứt bề mặt khi chịu tải bất lợi hoặc thoát hiểm hỏa hoạn. Mô hình phân tích nội lực thực hiện trên SAP2000. Dầm chiếu nghỉ D1 có kích thước $200 \times 400\text{ mm}$ (nhịp $l_0 = 3,4\text{ m}$), chịu tải trọng bản thân dầm, tải trọng tường xây, tải từ bản chiếu nghỉ và phản lực gối tựa vế thang ($R = 30,79\text{ kN/m}$). Tác giả tính toán cốt thép dọc và bố trí cốt đai $\varnothing 8$ hai nhánh, khoảng cách đai $s = 200\text{ mm}$ ở đoạn $1/4$ nhịp và giữa dầm.

Chương 5: Tính toán – Thiết kế hệ khung

Chương 5 phân tích kết cấu không gian 3D của công trình bằng phần mềm ETABS 2016:

  • Tĩnh tải và hoạt tải sàn căn hộ, hành lang, khu vệ sinh, lô gia, tầng mái và tầng trệt được gán đầy đủ; tải trọng tường gạch ống 100 mm và 200 mm phân bố trên dầm; vách kính lấy $1,0\text{ kN/m}^2$.
  • Tải trọng gió: Vùng áp lực gió II tại Hà Nội có $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, hệ số độ tin cậy $\gamma = 1,2$, địa hình dạng C. Do tính chất đối xứng của mặt bằng, gió tĩnh được gán vào tâm hình học của từng tầng theo phương X và Y.
  • Thành phần động của tải trọng gió: Xác định theo tiêu chuẩn TCXD 229:1999 qua sơ đồ động lực hệ thanh công xôn tập trung khối lượng tại các tầng. Xác định tần số, chu kỳ và dạng dao động của công trình (dạng dao động thứ 1 theo phương Y ứng với Mode 1; dạng dao động thứ 1 theo phương X ứng với Mode 3).
  • Tổ hợp tải trọng và kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình thỏa mãn giới hạn cho phép. Trích xuất nội lực để tính toán cốt thép dầm tầng điển hình, cốt thép cột chịu nén lệch tâm xiên trên khung trục 2 và khung trục C, kiểm tra khả năng chịu lực của vách lõi thang máy.

Chương 6: Tính toán – Thiết kế móng

Chương 6 trình bày phương án móng sâu cọc khoan nhồi trên cơ sở số liệu địa chất hố khoan:

  • Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo cường độ vật liệu và theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền để xác định sức chịu tải thiết kế cho phép.
  • Thiết kế đài móng F1 và móng F2: Xác định sơ bộ số lượng cọc, bố trí mạng lưới cọc trong đài, kiểm tra phản lực đầu cọc bằng SAFE, kiểm tra sức chịu tải của nhóm cọc, kiểm tra điều kiện ổn định và tính lún khối móng quy ước dưới đáy cọc, kiểm tra xuyên thủng đài móng và tính toán bố trí cốt thép đài móng theo hai phương.
  • Thiết kế móng lõi thang (MLT): Xác định nội lực chân vách lõi từ mô hình ETABS, bố trí nhóm cọc khoan nhồi dưới lõi, kiểm tra phản lực cọc, kiểm tra lún và tính cốt thép đài móng lõi thang.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Xác lập kích thước tiết diện hợp lý cho hệ kết cấu khung - vách bê tông cốt thép của công trình cao 54,25 m: Sàn dày 150 mm, vách lõi dày 300 mm, dầm chính $300 \times 600\text{ mm}$, dầm phụ $250 \times 500\text{ mm}$ và $200 \times 400\text{ mm}$.
  • Kiểm soát biến dạng kết cấu sàn: Kết quả phân tích phi tuyến nứt và từ biến dài hạn trên SAFE v16 xác nhận độ võng lớn nhất của sàn tầng điển hình là $15,95\text{ mm}$, đảm bảo điều kiện làm việc bình thường so với giới hạn $[f] = 25\text{ mm}$.
  • Tách bạch và tính toán chi tiết thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999 kết hợp tải trọng động đất, kiểm tra chuyển vị đỉnh khung không gian công trình trong giới hạn an toàn.
  • Đề xuất giải pháp nền móng cọc khoan nhồi khả thi, kiểm toán hoàn chỉnh các điều kiện chịu lực, lún, xuyên thủng và nội lực uốn cho đài móng F1, đài móng F2 và đài móng cụm vách lõi thang máy (MLT).

Đóng góp kỹ thuật của đồ án thể hiện ở việc áp dụng đồng bộ quy trình thiết kế công trình cao tầng bằng công cụ số (ETABS, SAFE, SAP2000, Excel), thể hiện trọn vẹn 21 bản vẽ kỹ thuật A1 đúng quy cách xây dựng, cung cấp hồ sơ hoàn chỉnh từ kiến trúc, khung vách kết cấu đến kết cấu móng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi tính toán chi tiết cấu kiện mới tập trung vào khung trục 2, khung trục C và sàn tầng điển hình; chưa triển khai chi tiết cho toàn bộ các trục khung biên và các tầng có công năng đặc thù (tầng hầm, tầng chuyển).
  • Phương án móng cọc khoan nhồi được chọn và tính toán thiết kế trực tiếp, chưa thực hiện so sánh kinh tế - kỹ thuật đa phương án với móng cọc ép, cọc barrette hoặc móng bè cọc.
  • Việc tính toán động đất mới dừng ở mức xác định hệ số ứng xử $q$ và phương pháp phổ phản ứng cơ bản, chưa phân tích lịch sử thời gian phi tuyến (Time-history analysis).

Hướng mở rộng:

  • Thực hiện phân tích phi tuyến nâng cao kết cấu khung - vách dưới tác động của động đất mức độ cực đại.
  • Lập bài toán tối ưu hóa hàm lượng cốt thép và kích thước tiết diện cột thay đổi theo chiều cao công trình nhằm giảm trọng lượng bản thân và giá thành xây dựng.
  • Nghiên cứu mô hình tương tác đất - kết cấu (Soil - Structure Interaction) cho hệ móng cọc khoan nhồi và lõi cứng dưới tầng hầm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng đang làm đồ án môn học Kết cấu bê tông cốt thép, Đồ án Nền móng và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu tham khảo quy trình mô hình hóa sàn nứt và tính võng dài hạn trên phần mềm SAFE v16, cũng như quy trình tính toán thành phần gió động theo TCXD 229:1999 cho công trình có chiều cao trên 40 m.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao:

  1. Quy trình khai báo tổ hợp tải trọng kiểm tra võng dài hạn ($f = f_1 - f_2 + f_3$) kể đến hệ số từ biến và biến dạng co ngót trong SAFE.
  2. Bảng tính toán tải trọng gió tĩnh và gió động gán vào các tầng của công trình theo dạng dao động từ ETABS.
  3. Trình tự kiểm toán móng cọc khoan nhồi: Kiểm tra ổn định khối móng quy ước, kiểm tra lún và kiểm tra xuyên thủng đài móng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Ocean Building có quy mô và chiều cao bao nhiêu? Tại sao đồ án phải tính toán thành phần động của tải trọng gió?
Công trình gồm 1 tầng hầm, 15 tầng điển hình và 1 tầng mái, tổng chiều cao tính từ mặt đất tự nhiên là 54,25 m. Theo quy chuẩn TCVN 2737:1995 và chỉ dẫn TCXD 229:1999, các công trình xây dựng dân dụng có chiều cao lớn hơn 40 m bắt buộc phải tính toán cả thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió.

2. Độ võng sàn tầng điển hình được kiểm tra như thế nào và có thỏa mãn tiêu chuẩn không?
Độ võng được kiểm tra bằng SAFE v16 qua hai trạng thái: độ võng tức thời lớn nhất là $6,13\text{ mm}$ và độ võng dài hạn (xét nứt, từ biến với hệ số 1,7 và co ngót) qua tổ hợp DOVONG là $15,95\text{ mm}$. Cả hai giá trị đều nhỏ hơn độ võng giới hạn cho phép $[f] = 25\text{ mm}$ theo TCVN 5574:2012 đối với nhịp sàn từ 5 m đến 10 m, do đó sàn thỏa mãn điều kiện độ võng.

3. Tại sao tác giả chọn sơ đồ hai đầu khớp khi thiết kế bản thang bộ?
Trong thực tế thi công nhà nhiều tầng, bản thang thường được thi công sau hệ dầm cột nên độ ngàm cứng khó đảm bảo tuyệt đối; liên kết thực tế nằm giữa khớp và ngàm. Nếu giả định sơ đồ ngàm sẽ dẫn đến thiếu thép bụng gây phá hoại kết cấu. Việc lựa chọn sơ đồ hai đầu khớp giúp tính toán mômen nhịp thiên về an toàn, đồng thời tác giả bố trí thêm thép cấu tạo tại gối để chống nứt bề mặt và đảm bảo an toàn thoát hiểm khi xảy ra sự cố.

4. Giải pháp nền móng được lựa chọn trong đồ án là gì và gồm những bước kiểm toán nào?
Tác giả lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi. Các bước kiểm toán gồm: Xác định sức chịu tải của cọc theo vật liệu và cơ lý đất nền, xác định số lượng cọc, kiểm tra phản lực đầu cọc bằng phần mềm SAFE, kiểm tra sức chịu tải nhóm cọc, kiểm tra ổn định đất nền và độ lún dưới đáy khối móng quy ước, kiểm tra chống xuyên thủng đài móng và tính toán cốt thép đài móng.

5. Vật liệu bê tông và cốt thép chính được sử dụng cho công trình có các chỉ tiêu cơ lý nào?
Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$, $E_b = 27.000\text{ MPa}$); cốt thép AI cho đường kính $\le 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$, $E_s = 210.000\text{ MPa}$); cốt thép AIII cho đường kính $> 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$, $E_s = 200.000\text{ MPa}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư Ocean Building" của sinh viên Nguyễn Hải đã giải quyết trọn vẹn và nhất quán các nhiệm vụ thiết kế từ kiến trúc, kết cấu thân khung - vách đến kết cấu móng cọc khoan nhồi cho công trình cao 54,25 m tại Hà Nội. Tác giả đã vận dụng chính xác các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành kết hợp thành công các phần mềm chuyên ngành ETABS, SAFE và SAP2000 để phân tích tải trọng động, biến dạng võng phi tuyến và nội lực cấu kiện. Toàn bộ hồ sơ tính toán và 21 bản vẽ kỹ thuật A1 đi kèm phản ánh đầy đủ năng lực thiết kế thực tế của một kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng.