Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Tòa nhà thương mại TP Biên Hòa" được sinh viên Lê Hoàng Long (MSSV: 18149118), ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Khoa Xây dựng - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Thanh Tú vào tháng 7 năm 2022.

Lý do chọn đề tài xuất phát từ bối cảnh kinh tế khu vực Châu Á – Thái Bình Dương duy trì tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm từ 6–8%, kéo theo sự dịch chuyển đầu tư và tái thiết hạ tầng tại Việt Nam. Quá trình đô thị hóa đòi hỏi việc thay thế dần các công trình thấp tầng bằng công trình cao tầng nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng quỹ đất và kiến tạo không gian đô thị hiện đại. Thành phố Biên Hòa thuộc vùng kinh tế trọng điểm Đông Nam Bộ, giữ vị trí cửa ngõ giao thương giữa TP. Hồ Chí Minh với các tỉnh miền Trung, có hệ thống giao thông kết nối thông qua sông Đồng Nai và các trục đường huyết mạch. Do đó, việc đầu tư xây dựng một tòa nhà cao tầng tích hợp đa chức năng giữa trung tâm thương mại và không gian văn phòng cho thuê được xác định là nhu cầu thực tế cấp thiết.

Theo đề cương nhiệm vụ được giao, các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu và hoàn thiện phương án tổng quan kiến trúc công trình.
  2. Xác lập giải pháp tổng quan về kết cấu chịu lực nhà cao tầng.
  3. Tính toán các loại tải trọng và tác động lên công trình (tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió tĩnh, tải trọng gió động, tải trọng động đất) và thiết lập tổ hợp tải trọng.
  4. Tính toán và thiết kế bản sàn bê tông cốt thép tầng điển hình.
  5. Tính toán và thiết kế kết cấu cầu thang bộ.
  6. Mô hình hóa, phân tích nội lực và thiết kế kết cấu khung chịu lực (dầm, cột khung tầng điển hình).
  7. Tính toán và thiết kế hệ thống vách cứng, lõi thang máy.
  8. Tính toán và thiết kế nền móng sử dụng giải pháp cọc khoan nhồi (móng cột D4 và móng lõi thang).

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Công trình dân dụng cấp I dạng nhà cao tầng bê tông cốt thép toàn khối.
  • Phạm vi không gian: Khu đất quy hoạch tại Thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai với tổng diện tích khu đất khoảng 10.000 m², diện tích xây dựng công trình là 3.060 m² (mật độ xây dựng xấp xỉ 30,6%), phần diện tích còn lại bố trí cây xanh, sân bãi thể thao và hệ thống giao thông nội bộ.
  • Quy mô công trình: Tòa nhà gồm 17 tầng nổi và 1 tầng hầm. Cao độ đỉnh mái đạt +60,9 m so với cốt chuẩn $\pm0,000$; cao độ sàn tầng hầm đặt tại mức -3,300 m.
  • Khối lượng sản phẩm hoàn thành: 01 tập thuyết minh tính toán cùng 23 bản vẽ kỹ thuật khổ A3 (gồm 6 bản vẽ kiến trúc, 14 bản vẽ kết cấu khung - sàn - vách và 3 bản vẽ nền móng).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án tuân thủ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam kết hợp các chỉ dẫn kỹ thuật quốc tế trong phân tích phần tử hữu hạn:

  • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737:1995 (Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế); TCXD 229:1999 (Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995).
  • Tiêu chuẩn kháng chấn: TCVN 9386:2012 (Thiết kế công trình chịu động đất).
  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép: TCXD 198:1997 / TCVN 198:1997 (Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối); TCVN 5574:2018; tiêu chuẩn ACI 318-11 của Viện Bê tông Hoa Kỳ về nguyên lý phân chia dải trên cột (column strip) và dải giữa nhịp (middle strip) trong tính toán bản sàn.
  • Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc: TCVN 10304:2014 (Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế); công thức của Viện Kiến trúc Nhật Bản (AIJ 1988) để xác định sức chịu tải của cọc dựa trên chỉ số thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).

Toàn bộ quy trình tính toán kết cấu được xây dựng dựa trên nguyên tắc hai nhóm trạng thái giới hạn:

  • Trạng thái giới hạn 1 (về khả năng chịu lực): Đảm bảo các cấu kiện không bị phá hoại giòn, phá hoại dẻo, không mất ổn định tổng thể hoặc cục bộ, không bị phá hoại mỏi dưới tác dụng đồng thời của các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất.
  • Trạng thái giới hạn 2 (về điều kiện sử dụng bình thường): Khống chế biến dạng, độ võng của dầm sàn, chuyển vị ngang đỉnh công trình, chuyển vị lệch tầng và kiểm soát bề rộng khe nứt trong giới hạn cho phép.

Về phương pháp thực hiện: Tác giả phối hợp giữa phương pháp giải tích truyền thống (tính tay sơ bộ kích thước tiết diện, xác định tải trọng tĩnh và hoạt tải phân bố, tính tải trọng gió, lập bảng tính toán cốt thép) với phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên máy tính. Các phần mềm chuyên ngành được sử dụng gồm:

  • ETABS 2018: Mô hình hóa không gian 3D toàn bộ hệ kết cấu chịu lực (cột, dầm, vách, lõi), giải bài toán dao động riêng, phân tích nội lực dưới tác động của tải trọng đứng, gió động và phổ phản ứng động đất.
  • SAFE V12 / SAFE 2018: Phân tích nội lực cục bộ cho hệ bản sàn tầng điển hình theo dải strip và mô hình hóa hệ đài móng cọc.

Đặc tính vật liệu sử dụng trong mô hình tính toán:

Loại vật liệu Cấp độ bền / Nhóm thép Cường độ tiêu chuẩn / tính toán Mô đun đàn hồi ($E$) Bộ phận kết cấu áp dụng
Bê tông B30 $R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1{,}2\text{ MPa}$ $32{,}5 \times 10^3\text{ MPa}$ Bản sàn, dầm, cột, vách cứng, đài móng, cọc khoan nhồi
Vữa xi măng Mác B5C Tiêu chuẩn vữa xây - Trát tường gạch, láng nền sàn
Cốt thép dọc CB400V / Thép nhóm AII ($\Phi \ge 10\text{ mm}$) $R_s = R_{sc} = 280 - 350\text{ MPa}$ $2{,}0 \times 10^5\text{ MPa}$ Thép chịu lực chính trong dầm, cột, vách, móng, sàn
Cốt đai / cấu tạo Thép nhóm AI ($\Phi < 10\text{ mm}$) $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$, $R_{sw} = 175\text{ MPa}$ $2{,}1 \times 10^5\text{ MPa}$ Cốt đai dầm, cốt đai cột, cốt thép phân bố bản sàn

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật công trình

Giải pháp kết cấu chịu lực và sơ bộ tiết diện

Công trình áp dụng hệ kết cấu chịu lực hỗn hợp khung – vách bê tông cốt thép đổ toàn khối. Lõi thang máy đặt tại vị trí trung tâm vừa đóng vai trò trục giao thông đứng, vừa là thành phần chịu lực ngang chính cho tòa nhà. Hệ sàn sử dụng phương án sàn dầm bê tông cốt thép toàn khối, bước cột nhịp chính là 8,4 m và nhịp dầm tính toán lớn nhất là 9,5 m.

Quy cách tiết diện các cấu kiện được xác lập sơ bộ như sau:

  • Dầm chính: Nhịp $L = 9{,}5\text{ m}$, chiều cao chọn $h = L/15 \approx 633\text{ mm} \rightarrow$ chuẩn hóa chọn $h = 700\text{ mm}$; bề rộng chọn $b = 400\text{ mm}$ (tiết diện D70x40).
  • Dầm phụ: Nhịp $L = 9{,}5\text{ m}$, chiều cao chọn $h = L/20 = 475\text{ mm} \rightarrow$ chọn $h = 500\text{ mm}$; bề rộng chọn $b = 300\text{ mm}$ (tiết diện D50x30).
  • Bản sàn tầng điển hình: Ô bản sàn lớn nhất có kích thước $10\text{ m} \times 10{,}5\text{ m}$, tỷ số $L_2/L_1 = 10{,}5/10 = 1{,}05 < 2$ (bản kê 4 cạnh làm việc hai phương). Chiều dày tính toán sơ bộ theo công thức $h_s = (D/m) \cdot L_1$ với $m = 50 \rightarrow h_s = 10000/50 = 200\text{ mm}$; tác giả lựa chọn chiều dày cấu tạo sàn dầm là $h_s = 150\text{ mm}$.
  • Vách cứng và lõi buồng thang: Chiều dày thành vách $b_w$ khống chế theo điều kiện $b_w \ge \max(150\text{ mm}, H_t/20 = 3300/20 = 165\text{ mm})$. Tác giả lựa chọn chiều dày vách đồng nhất $b_w = 300\text{ mm}$.
  • Cột chịu lực: Tính toán diện truyền tải $F_s$ kết hợp hệ số xét đến mômen uốn ($k = 1{,}2$ cho cột giữa, $k = 1{,}5$ cho cột biên), tải trọng tương đương $q = 10\text{ kN/m}^2$, diện tích tiết diện sơ bộ $A_c = k \cdot N / R_b$. Các kích thước cột được hiệu chỉnh qua các tầng nhằm bảo đảm hàm lượng cốt thép và chu kỳ dao động công trình.

Xác định tải trọng và tổ hợp tác động

  1. Tải trọng thường xuyên (Tĩnh tải):
  • Sàn tầng điển hình (gạch ceramic, vữa lót, trần treo kỹ thuật): tĩnh tải hoàn thiện tính toán (chưa kể bản bê tông cốt thép) là $1,01\text{ kN/m}^2$.
  • Sàn khu vệ sinh: bố trí thêm lớp màng chống thấm, tĩnh tải hoàn thiện đạt $1,08\text{ kN/m}^2$.
  • Sàn tầng hầm: cấu tạo lớp phủ chống thấm và lớp bảo vệ, tĩnh tải đạt $1,835\text{ kN/m}^2$.
  • Sàn tầng mái: cấu tạo 2 lớp gạch lá nem, vữa lót và lớp chống thấm, tải trọng hoàn thiện đạt $1,84\text{ kN/m}^2$.
  • Tường xây: Tường dày 200 mm có tải trọng tiêu chuẩn $2,24\text{ kN/m}^2$ (kể đến diện tích cửa giảm còn $0,59\text{ kN/m}^2$); tường dày 100 mm có tải trọng tiêu chuẩn $1,70\text{ kN/m}^2$ (kể đến cửa giảm còn $0,23\text{ kN/m}^2$).

  1. Tải trọng tạm thời (Hoạt tải): Xác định theo TCVN 2737:1995: phòng thương mại $1,4\text{ kN/m}^2$; khu vệ sinh $1,95\text{ kN/m}^2$; phòng kỹ thuật $1,6\text{ kN/m}^2$; khu vực hầm đậu xe phân bố đều theo tiêu chuẩn.

  2. Tải trọng gió (TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999):

  • Vùng áp lực gió: Công trình đặt tại TP. Biên Hòa, thuộc vùng gió I-A, dạng địa hình B, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 65\text{ daN/m}^2 = 0{,}65\text{ kN/m}^2$, hệ số an toàn $\gamma = 1{,}2$.
  • Hệ số khí động: Mặt đón gió $c_d = +0{,}8$; mặt hút gió $c_h = -0{,}6$; tổng hệ số khí động $c = 1{,}4$.
  • Thành phần động của gió: Tác giả dùng ETABS khảo sát 12 mode dao động riêng. Giá trị giới hạn tần số dao động đối với công trình bê tông cốt thép vùng gió I-A là $f_L = 1{,}3\text{ Hz}$. Do có các tần số dao động nhỏ hơn $f_L$, tác giả chọn 5 mode dao động đại diện để tính toán thành phần xung và quán tính gồm: Mode 1 (chuyển vị chính theo phương X), Mode 2 (xoắn và phương Y), Mode 5 (phương X), Mode 6 (xoắn và phương Y), Mode 8 (xoắn). Tải trọng gió động tại từng tầng được xác định qua hệ số tương quan không gian $\nu$, hệ số áp lực động $\xi$, gia tốc dao động $y_{ji}$ và khối lượng tầng $M_j$. Tổng hợp lực gió động theo công thức căn bậc hai tổng bình phương ($W_P = \sqrt{\sum W_{Pi}^2}$).
  1. Tải trọng động đất (TCVN 9386:2012):
  • Vị trí địa lý: TP. Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai; đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gr} \cdot g = 0{,}0454 \cdot g$.
  • Hệ số tầm quan trọng công trình $\gamma_1 = 1{,}25 \rightarrow$ gia tốc nền thiết kế $a_g = \gamma_1 \cdot a_{gr} = 0{,}05675 \cdot g \approx 0{,}557\text{ m/s}^2$.
  • Địa chất công trình: Đất nền loại C; hệ số nền $S = 1{,}15$; giới hạn dưới chu kỳ $T_B = 0{,}20\text{s}$; giới hạn trên chu kỳ $T_C = 0{,}60\text{s}$; điểm chuyển vị không đổi $T_D = 2{,}0\text{s}$.
  • Hệ số ứng xử: Theo phương nằm ngang $q = 3{,}90$; theo phương đứng $q = 1{,}50$. Vì thành phần gia tốc thẳng đứng $a_{vg} \le 0{,}5\text{ m/s}^2$ nên bỏ qua tác động động đất theo phương đứng, chỉ tính phổ phản ứng đàn hồi theo hai phương ngang X và Y.
  1. Thiết lập tổ hợp tải trọng: Tác giả thiết lập 16 trường hợp tổ hợp nội lực bao gồm 13 tổ hợp cơ bản (cộng tác dụng giữa tĩnh tải, hoạt tải với gió X, gió Y, động đất DDX, DDY theo các hệ số $1{,}0$ và $0{,}9$ hoặc $0{,}3$) cùng 1 tổ hợp bao (Combbao) để tìm đường bao nội lực lớn nhất.

Nội dung chính theo từng chương

Kiến trúc công trình và giải pháp kỹ thuật tổng thể

Chương này trình bày mặt bằng tổng thể, mặt đứng và các giải pháp hạ tầng kỹ thuật. Công trình gồm 17 tầng nổi, 1 hầm kỹ thuật và gara:

  • Tầng hầm (cao 3,3 m): Bố trí trạm máy biến áp, 2 máy phát điện dự phòng, bể nước ngầm sinh hoạt và chữa cháy, diện tích còn lại làm gara đỗ xe với độ dốc sàn 0,1% về rãnh thu nước.
  • Tầng 1 (cao 4,5 m): Đại sảnh tiếp đón, trung tâm mua sắm siêu thị lớn ở phía trước, phía sau là khu sinh hoạt câu lạc bộ.
  • Tầng 2 và 3 (cao 4,5 m): Không gian kinh doanh thương mại tập trung, siêu thị và chuỗi cửa hàng tiện ích.
  • Tầng 4 (cao 3,3 m): Bố trí một phần diện tích làm văn phòng làm việc, phần còn lại phục vụ quầy bar giải khát.
  • Tầng 5 (cao 2,4 m): Tầng kỹ thuật trung gian bố trí cụm máy nén điều hòa không khí, đường ống cấp thoát nước và thông gió.
  • Tầng 6 đến 17 (cao 3,3 m): Mặt bằng văn phòng cho thuê điển hình, phân chia 5 phân khu chức năng đối xứng qua lõi thang gồm: Văn phòng loại 1 ($160\text{ m}^2$), Văn phòng loại 2 ($120\text{ m}^2$) và Văn phòng loại 3 ($100\text{ m}^2$).
  • Tầng tum mái (cao 5,0 m): Phòng kỹ thuật buồng máy thang máy và hệ thống bể nước mái cấp nước tự động.
  • Hệ thống kỹ thuật: 5 thang máy vận hành độc lập, 2 buồng thang bộ chính (chiều rộng vế 1,25 m và 1,05 m) cùng 2 cầu thang bộ thoát hiểm tại hai đầu hồi; hệ thống chữa cháy gồm họng nước vách tường, bình khí $CO_2$ và mạng lưới cảm biến báo khói tự động.

Tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình

Tác giả lập mô hình sàn trên phần mềm SAFE. Mặt bằng ô bản được chia thành các dải Strip theo tiêu chuẩn ACI 318-11:

  • Bề rộng dải trên cột (column strip) lấy bằng $\frac{1}{4} \min(L_1, L_2) = \frac{1}{4} \times 8{,}4 = 2{,}1\text{ m}$.
  • Bề rộng dải giữa nhịp (middle strip) được giới hạn bởi hai biên dải cột lân cận, tương ứng bề rộng $4{,}2\text{ m}$.
  • Sau khi SAFE tích phân mômen dải strip, giá trị được quy đổi về dải tính toán $b = 1{,}0\text{ m}$ để chọn thép. Bản sàn dày $h = 150\text{ mm}$, chiều dày lớp bê tông bảo vệ $a = 20\text{ mm}$ ($h_0 = 130\text{ mm}$). Bê tông B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$), thép CB400V ($R_s = 350\text{ MPa}$, $\xi_R = 0{,}533$). Tính toán diện tích cốt thép $A_s$ qua các hệ số $\alpha_m$, $\xi$ và khống chế hàm lượng thép tối thiểu $\mu_{min} = 0{,}05%$. Tiến hành kiểm tra độ võng đàn hồi và võng dài hạn của bản sàn dưới tải trọng tiêu chuẩn.

Tính toán và thiết kế cầu thang bộ

  • Phân tích cấu tạo hình học bản thang dạng hai vế có chiếu nghỉ và chiếu tới.
  • Tách vế thang thành sơ đồ dầm đơn giản bản nghiêng kê lên dầm chiếu nghỉ và dầm chiếu tới.
  • Xác định tĩnh tải bản bê tông, bậc gạch xây, vữa lót, tay vịn và hoạt tải sử dụng theo quy chuẩn.
  • Mô hình hóa nội lực vế thang bằng ETABS, xác định mômen uốn lớn nhất tại giữa nhịp bản nghiêng và gối ngàm để bố trí cốt thép chịu lực chính cùng cốt thép phân bố.

Thiết kế kết cấu khung chịu lực

  • Xây dựng mô hình 3D trên ETABS 2018; kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh công trình và chuyển vị lệch tầng dưới tác động của tải trọng gió và động đất, bảo đảm nằm trong ngưỡng cho phép $H/500$.
  • Thiết kế dầm khung điển hình: Lấy mômen uốn âm tại mép cột và mômen uốn dương tại giữa nhịp từ biểu đồ bao nội lực để tính toán cốt thép dọc. Tính toán khả năng chịu cắt của dầm để bố trí cốt đai dày tại vùng đầu dầm; tính toán cốt treo bổ sung tại vị trí giao nhau giữa dầm phụ và dầm chính; xác định chiều dài neo và nối cốt thép theo TCXD 198:1997.
  • Thiết kế cột khung điển hình: Xác định tổ hợp cặp nội lực nguy hiểm $(N, M_x, M_y)$ từ ETABS, tính toán cốt thép dọc cột theo bài toán cấu kiện chịu nén uốn lệch tâm xiên. Thiết kế hệ thống cốt đai dày ở chân và đầu cột để tăng cường khả năng nở hông và kháng chấn.

Tính toán và thiết kế vách cứng và lõi thang máy

  • Phân chia phần tử vách thành các cấu kiện Pier trong mô hình ETABS.
  • Tính toán đặc trưng hình học tiết diện lõi thang máy (diện tích, mômen quán tính theo 2 trục chính).
  • Quy đổi nội lực mômen uốn và lực cắt về hệ ngẫu lực và lực dọc phân bố trên từng mảng vách.
  • Tính toán cốt thép dọc chịu lực, cốt thép ngang chịu cắt và cốt thép giằng gia cường xung quanh các lỗ mở cửa thang máy theo chỉ dẫn của TCXD 198:1997.

Tính toán và thiết kế nền móng cọc khoan nhồi

  • Địa chất công trình: Dựa trên số liệu báo cáo khảo sát địa chất công trình tại các hố khoan khu vực xây dựng.
  • Giải pháp móng: Sử dụng móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$ ngàm vào tầng địa chất tốt.
  • Xác định sức chịu tải thiết kế của cọc khoan nhồi $D1000$ qua 4 phương pháp:
    1. Sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý đất nền.
    2. Sức chịu tải theo cường độ đất nền (Phụ lục G2 – TCVN 10304:2014).
    3. Sức chịu tải theo thí nghiệm SPT theo công thức của Viện Kiến trúc Nhật Bản (AIJ 1988).
    4. Sức chịu tải theo độ bền vật liệu bê tông B30 cốt thép (Mục 7.1 TCVN 10304:2014).
  • Thiết kế đài móng cụ thể:
    • Móng cột D4: Bố trí số lượng cọc, kiểm tra phản lực đầu cọc lớn nhất ($P_{max} \le 1{,}2 R_{ctk}$) và nhỏ nhất ($P_{min} > 0$), lập khối móng quy ước để kiểm tra áp lực tiêu chuẩn dưới đáy móng, tính lún khối móng quy ước, kiểm tra điều kiện chống chọc thủng đài cọc và tính toán cốt thép đài móng.
    • Móng cụm lõi thang máy: Tính toán đài bè cọc chịu tải trọng đứng và mômen lật rất lớn, kiểm tra độ lún và biến dạng không đều, bố trí lưới cốt thép chịu uốn hai phương cho đài móng.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Công trình hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật của một tòa nhà cao tầng với các chỉ tiêu định lượng cụ thể:

  • Thiết lập hoàn chỉnh ma trận 16 tổ hợp tải trọng có xét đến tác động đồng thời của tải trọng tĩnh, hoạt tải phân bố, áp lực gió động theo 5 mode dao động và tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 với đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gr} \cdot g = 0{,}0454 \cdot g$.
  • Chuẩn hóa hệ thống tiết diện chịu lực chính cho công trình: dầm chính $400 \times 700\text{ mm}$, dầm phụ $300 \times 500\text{ mm}$, sàn dày $150\text{ mm}$, chiều dày vách cứng lõi thang $300\text{ mm}$, bảo đảm hàm lượng cốt thép hợp lý và khống chế chuyển vị ngang đỉnh công trình trong giới hạn an toàn.
  • Đề xuất quy trình thiết kế sàn tầng điển hình trên phần mềm SAFE bằng phương pháp dải strip theo ACI 318-11, kiểm soát chính xác độ võng và phân bố cốt thép uốn.
  • Thiết kế thành công hệ kết cấu móng cọc khoan nhồi đường kính lớn $D1000$ cắm vào lớp đất chịu lực, hoàn thành việc kiểm tra lún và chọc thủng cho móng cột D4 và móng lõi thang máy.
  • Đóng góp thực tiễn: Đồ án là tài liệu hoàn chỉnh thể hiện sự kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết giải tích cơ bản với việc ứng dụng các phần mềm phần tử hữu hạn hiện đại (ETABS 2018, SAFE 2018), áp dụng đồng bộ các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam cập nhật vào một dự án thực tế có quy mô lớn tại Đồng Nai.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Hạn chế kỹ thuật: Tác giả ghi nhận trong quá trình thực hiện việc liên kết dữ liệu hai chiều và độ tương thích giữa các phiên bản phần mềm ETABS và SAFE còn gặp khó khăn, dẫn tới việc phải sử dụng các mô hình phân tích độc lập ở một số cấu kiện. Các phương pháp tính tay sơ bộ vẫn sử dụng giả thiết điều kiện biên lý tưởng (ngàm hoặc khớp cứng tuyệt đối) và làm việc trong miền đàn hồi tuyến tính, chưa phản ánh toàn diện tính chất phi tuyến vật liệu của bê tông cốt thép khi chịu tải trọng động đất lớn. Hồ sơ địa chất sử dụng ở dạng số liệu tham khảo, chưa có kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế tại hiện trường.
  • Phạm vi áp dụng: Hồ sơ tính toán và bản vẽ kỹ thuật phù hợp làm mẫu thiết kế cho các công trình văn phòng, trung tâm thương mại cao tầng (từ 15 đến 20 tầng) xây dựng tại khu vực Đông Nam Bộ (thuộc phân vùng gió I-A và cấp độ chấn động yếu đến trung bình).

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu hữu ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đang chuẩn bị làm đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Nhà cao tầng, Bê tông cốt thép 2 và Nền móng. Các phần nội dung có giá trị tham khảo nổi bật gồm:

  • Toàn bộ quy trình tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999 thông qua việc trích xuất chu kỳ, tần số và dạng dao động của 5 mode từ phần mềm ETABS.
  • Các bước lập phổ gia tốc phản ứng đàn hồi theo phương ngang và phương pháp gán tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 cho khu vực TP. Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai.
  • Kỹ thuật phân chia dải Strip theo tiêu chuẩn ACI 318-11 trên SAFE để phân tích mômen và bố trí cốt thép sàn dầm.
  • Phương pháp lập bảng tính so sánh sức chịu tải của cọc khoan nhồi $D1000$ theo 4 tiêu chí (chỉ tiêu cơ lý, cường độ đất nền theo Phụ lục G2 TCVN 10304:2014, chỉ số SPT theo AIJ 1988 và cường độ vật liệu).

Câu hỏi thường gặp

  1. Quy mô mặt bằng và các thông số tầng cao cơ bản của Tòa nhà thương mại TP Biên Hòa được xác định như thế nào? Công trình được xây dựng trên khu đất 10.000 m² với diện tích xây dựng 3.060 m², quy mô gồm 17 tầng nổi và 1 tầng hầm. Tổng chiều cao công trình tính từ cốt $\pm0,000$ đến đỉnh mái là 60,9 m; cao độ sàn hầm là -3,300 m. Tầng hầm cao 3,3 m; các tầng 1, 2, 3 cao 4,5 m phục vụ thương mại; tầng 4 cao 3,3 m làm văn phòng và bar; tầng 5 là tầng kỹ thuật cao 2,4 m; các tầng 6 đến 17 cao 3,3 m làm văn phòng cho thuê; tum thang mái cao 5,0 m.

  2. Cấp độ bền vật liệu bê tông và cốt thép được lựa chọn cho các cấu kiện chịu lực chính của công trình gồm những loại nào? Toàn bộ hệ kết cấu chịu lực chính (bản sàn, dầm, cột, vách, đài móng và cọc khoan nhồi) sử dụng bê tông cấp độ bền B30 có cường độ tính toán chịu nén $R_b = 17\text{ MPa}$, cường độ tính toán chịu kéo $R_{bt} = 1{,}2\text{ MPa}$ và mô đun đàn hồi $E_b = 32{,}5 \times 10^3\text{ MPa}$. Cốt thép sử dụng gồm thép nhóm AI ($\Phi < 10\text{ mm}$, $R_s = 225\text{ MPa}$) cho cốt đai và cốt phân bố; thép nhóm AII ($\Phi \ge 10\text{ mm}$, $R_s = 280\text{ MPa}$) và thép CB400V ($R_s = 350\text{ MPa}$, $\xi_R = 0{,}533$) làm cốt thép dọc chịu lực chính.

  3. Các thông số đầu vào để tính toán tải trọng gió và tải trọng động đất tác dụng lên công trình được thiết lập ra sao? Tải trọng gió tính cho vùng I-A tại Biên Hòa với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 65\text{ daN/m}^2$, dạng địa hình B, hệ số an toàn $\gamma = 1{,}2$, hệ số khí động mặt đón gió $c_d = 0{,}8$ và hút gió $c_h = 0{,}6$; thành phần gió động được tính toán cho 5 mode dao động (mode 1, 2, 5, 6, 8) được lọc ra từ 12 mode khảo sát trên ETABS. Tải trọng động đất tính theo TCVN 9386:2012 với đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gr} \cdot g = 0{,}0454 \cdot g$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1{,}25$, nền đất loại C ($S = 1{,}15$, $T_B = 0{,}20\text{s}$, $T_C = 0{,}60\text{s}$), hệ số ứng xử theo phương ngang $q = 3{,}90$; không cần xét động đất theo phương đứng do gia tốc đứng $a_{vg} \le 0{,}5\text{ m/s}^2$.

  4. Kích thước tiết diện các cấu kiện dầm, sàn và vách lõi thang được tác giả chuẩn hóa sơ bộ với kích thước bao nhiêu? Dầm chính khung chịu lực có tiết diện $b \times h = 400 \times 700\text{ mm}$; dầm phụ có tiết diện $300 \times 500\text{ mm}$; bản sàn tầng điển hình được chọn dày $h_s = 150\text{ mm}$ (sau khi tính toán sơ bộ ô bản lớn nhất $10\text{ m} \times 10{,}5\text{ m}$); thành vách cứng và lõi buồng thang máy được chọn đồng nhất với chiều dày $b_w = 300\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện lớn hơn $H_t/20 = 165\text{ mm}$).

  5. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi D1000 dùng cho hệ móng công trình được tính toán dựa trên các phương pháp nào? Sức chịu tải thiết kế của cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$ được tính toán và so sánh thông qua 4 phương pháp: (1) Sức chịu tải theo các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền hố khoan; (2) Sức chịu tải theo cường độ đất nền theo Phụ lục G2 của TCVN 10304:2014; (3) Sức chịu tải xác định từ kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT theo công thức của Viện Kiến trúc Nhật Bản (AIJ 1988); (4) Sức chịu tải theo độ bền vật liệu bê tông B30 và cốt thép của thân cọc theo TCVN 10304:2014.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Hoàng Long đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế kỹ thuật kết cấu cho công trình Tòa nhà thương mại TP Biên Hòa quy mô 17 tầng nổi và 1 tầng hầm. Tác giả đã vận dụng bài bản các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành để xác lập giải pháp kết cấu khung - vách bê tông cốt thép B30 toàn khối và móng cọc khoan nhồi D1000. Việc kết hợp tính toán giải tích với các công cụ phân tích phần tử hữu hạn ETABS và SAFE đã bảo đảm khả năng chịu lực, ổn định và chuyển vị cho toàn bộ công trình dưới tác động của tải trọng đứng, gió động và động đất.