Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình đô thị hóa và tăng trưởng kinh tế tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu về không gian sinh sống, làm việc và dịch vụ thương mại ngày càng gia tăng. Sự hạn chế về quỹ đất trung tâm cùng áp lực gia tăng dân số đã thúc đẩy việc phát triển các công trình nhà cao tầng và khu dân cư quy hoạch hoàn chỉnh tại các khu vực đô thị mở rộng. Xu hướng này đòi hỏi công tác thiết kế công trình dân dụng phải đáp ứng đồng thời các yêu cầu về tối ưu hóa không gian sử dụng, tiện nghi kiến trúc và độ an toàn chịu lực của hệ thống kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của các tải trọng phức tạp.

Đề tài đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng tập trung giải quyết bài toán thiết kế toàn diện cho công trình "Chung cư cao cấp Liberty" tại Thành phố Hồ Chí Minh. Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được chia thành ba mục tiêu kỹ thuật chính:

  1. Nhiệm vụ thiết kế kiến trúc: Thể hiện lại và chuẩn hóa hồ sơ kiến trúc công trình, giải quyết dây chuyền công năng kết hợp giữa trung tâm thương mại và khối căn hộ cao cấp, tối ưu hóa giao thông đứng - ngang và bố trí thông thoáng, chiếu sáng tự nhiên.
  2. Nhiệm vụ thiết kế kết cấu phần thân: Xác định giải pháp kết cấu chịu lực không gian (khung - vách bê tông cốt thép); tính toán, thiết kế sàn điển hình (lựa chọn phương án dầm bẹt vượt nhịp lớn), cầu thang bộ và hệ thống khung - vách chịu tải trọng thẳng đứng kết hợp tải trọng ngang (gió tĩnh, gió động và động đất).
  3. Nhiệm vụ thiết kế nền móng: Đánh giá điều kiện địa chất công trình từ tài liệu khảo sát hiện trường, lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng đất chịu lực tốt và tính toán kiểm tra sức chịu tải, nội lực đài móng.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Công trình chung cư cao cấp Liberty (công trình dân dụng cấp II, quy mô gồm 1 tầng hầm và 19 tầng nổi, tổng chiều cao 66,700 m tính từ cốt ±0.000 m).
  • Phạm vi không gian: Địa điểm xây dựng tại số 74 đường Tôn Dật Tiên, Quận 7, Thành phố Hồ Chí Minh; diện tích khu đất xây dựng là $48\text{ m} \times 28{,}5\text{ m} = 1.368\text{ m}^2$.
  • Phạm vi thời gian thực hiện: Từ tháng 12/2017 đến tháng 07/2018.
Thông số Giá trị thiết kế
Tên công trình Chung cư cao cấp Liberty
Địa điểm 74 Tôn Dật Tiên, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh
Cấp công trình Cấp II ($9 \le \text{số tầng} \le 19$)
Số tầng 1 tầng hầm + 19 tầng nổi
Chiều cao công trình 66,700 m (chưa kể tầng hầm)
Kích thước mặt bằng $48{,}0\text{ m} \times 28{,}5\text{ m}$ (Diện tích: $1.368\text{ m}^2$)
Chiều cao tầng hầm / điển hình 3,500 m (Chiều cao thông thủy $\ge 2{,}700\text{ m}$)
Chiều cao tầng trệt 4,200 m

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Hệ thống tính toán trong đồ án được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia hiện hành của Việt Nam trong lĩnh vực thiết kế kết cấu, tải trọng và địa kỹ thuật:

  • TCVN 5574:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn tải trọng và tác động (xác định tĩnh tải, hoạt tải sử dụng và thành phần tĩnh của tải trọng gió).
  • TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió cho nhà cao tầng có chiều cao $H > 40\text{ m}$.
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất (sử dụng phương pháp phân tích tĩnh lực ngang tương đương).
  • TCVN 10304:2014: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc.
  • QCVN 04-1:2015/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nhà ở và công trình công cộng.
  • TCVN 198:1997: Tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng - kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ mô hình hóa:

  • Phương pháp giải tích và thực nghiệm quy chuẩn: Sử dụng các công thức giải tích kinh điển của cơ học kết cấu kết hợp các bảng tra tiêu chuẩn để sơ bộ tiết diện dầm, cột, vách, bản sàn và xác định tải trọng phân bố.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM):
    • Mô hình hóa không gian 3D toàn bộ hệ kết cấu chịu lực bằng phần mềm ETABS 2016 để phân tích dao động riêng (modal analysis), xác định chu kỳ dao động, tính toán phân bố tải trọng gió động, tải trọng động đất và xuất nội lực tổ hợp phục vụ thiết kế khung - vách.
    • Sử dụng phần mềm SAFE 2016 để mô hình hóa, phân tích dải strip và tính toán cốt thép sàn dầm bẹt tầng điển hình cũng như kiểm tra nội lực đài móng cọc khoan nhồi.
    • Sử dụng phần mềm SAP2000 để giải bài toán kết cấu cầu thang bộ hai vế dạng bản chịu lực.

Nguồn dữ liệu đầu vào:

  • Hồ sơ bản vẽ thiết kế kiến trúc công trình.
  • Hồ sơ khảo sát địa chất công trình tại vị trí 74 Tôn Dật Tiên, Quận 7, TP.HCM gồm hình trụ hố khoan và bảng chỉ tiêu cơ lý của 5 lớp đất nền.
  • Số liệu khí tượng thủy văn, vùng áp lực gió (Vùng II-A, địa hình C) và dữ liệu gia tốc nền tham chiếu ($a_{gR0} = 0{,}0846$) của khu vực Quận 7, TP.HCM.

Nội dung chính theo từng phần và chương

Phần I: Phần kiến trúc và tổng quan công trình

Nội dung phần này trình bày đặc điểm khu đất, công năng các tầng và các thông số kỹ thuật đầu vào phục vụ thiết kế kết cấu:

  • Giải pháp kiến trúc và công năng: Tầng hầm ở cao trình $-3{,}000\text{ m}$ bố trí bãi đỗ xe ô tô với 4 ram dốc độc lập (độ dốc $i = 20{,}5%$). Tầng trệt cao 4,2 m làm trung tâm thương mại. Tầng 2 đến tầng 18 bố trí căn hộ cao cấp (12 căn hộ/tầng, diện tích từ $62\text{ m}^2$ đến $100\text{ m}^2$, hành lang rộng $\ge 2{,}2\text{ m}$). Tầng sân thượng phục vụ thể dục và kỹ thuật. Giao thông đứng gồm 2 buồng thang bộ thoát hiểm và 4 thang máy.
  • Vật liệu sử dụng: Bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}, R_{bt} = 1{,}2\text{ MPa}$); Cốt thép thanh gồm nhóm AI ($R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$ cho đường kính $\phi < 10\text{ mm}$), nhóm AII ($R_s = 280\text{ MPa}$ cho $\phi \ge 10\text{ mm}$) và nhóm AIII ($R_s = 365\text{ MPa}$ cho $\phi \ge 10\text{ mm}$).
  • Điều kiện địa tầng: Đất nền gồm 5 lớp chính:
    1. Lớp cát san lấp: Dày 1,3 m, từ mặt đất đến $-1{,}5\text{ m}$.
    2. Lớp 1 (Sét dẻo mềm): Dày 12,3 m, trạng thái dẻo mềm, $I_L = 0{,}72$, $c = 15{,}3\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 7^\circ 24'$.
    3. Lớp 2 (Sét pha dẻo mềm): Dày 9,5 m (từ $-15\text{ m}$ đến $-24{,}5\text{ m}$), $I_L = 0{,}52$, $c = 18{,}2\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 6^\circ 23'$.
    4. Lớp 3 (Sét dẻo cứng): Dày 7,4 m, $I_L = 0{,}40$, $c = 26{,}8\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 7^\circ 50'$.
    5. Lớp 4 (Cát pha dẻo): Dày 4,3 m, $c = 8{,}0\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 12^\circ 42'$.
    6. Lớp 5 (Cát hạt trung lẫn sạn chặt vừa): Chiều dày $> 40\text{ m}$, $E = 13.920\text{ kN/m}^2$, $N_{30} > 30$, là lớp chịu lực tốt dùng để cắm mũi cọc.
  • Tải trọng tính toán:
    • Tĩnh tải: Tải trọng bản thân kết cấu và các lớp hoàn thiện (sàn điển hình $1{,}32\text{ kN/m}^2$, sàn mái $1{,}68\text{ kN/m}^2$, tường xây 200 mm trên dầm $8{,}5\text{ kN/m}$, tường 100 mm trên sàn quy đổi $1{,}83\text{ kN/m}^2$).
    • Hoạt tải: Tra theo TCVN 2737:1995 (Căn hộ $1{,}5\text{ kN/m}^2$, ban công $4{,}0\text{ kN/m}^2$, cầu thang/hành lang $3{,}0\text{ kN/m}^2$, bãi xe hầm $5{,}0\text{ kN/m}^2$).
    • Tải trọng gió: Vùng II-A, $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$. Do $H = 66{,}7\text{ m} > 40\text{ m}$, tải trọng gió được tính gồm thành phần tĩnh và thành phần động (TCXD 229:1999) qua mô hình dao động ETABS (Mode 1 cho phương X, Mode 3 cho phương Y do tần số $f_1 < f_L = 1{,}3\text{ Hz}$).
    • Tải trọng động đất: Tính toán theo TCVN 9386:2012 bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương với gia tốc nền thiết kế $a_g = 0{,}0846\text{ m/s}^2$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1{,}0$, hệ số ứng xử $q = 3{,}9$. Lực cắt đáy thu được: $F_{bx} = 924{,}723\text{ kN}$, $F_{by} = 920{,}484\text{ kN}$.
Chỉ tiêu địa chất Lớp 1 (Sét dẻo mềm) Lớp 2 (Sét pha) Lớp 3 (Sét dẻo cứng) Lớp 4 (Cát pha) Lớp 5 (Cát trung lẫn sạn)
Chiều dày lớp $h$ (m) 12,30 9,50 7,40 4,30 $> 40{,}00$
Dung trọng tự nhiên $\gamma$ ($\text{kN/m}^3$) 17,20 18,10 19,30 19,80 20,40
Lực dính kết $c$ ($\text{kN/m}^2$) 15,30 18,20 26,80 8,00 -
Góc nội ma sát $\varphi$ (độ) $7^\circ 24'$ $6^\circ 23'$ $7^\circ 50'$ $12^\circ 42'$ $28^\circ 30'$
Mô đun biến dạng $E$ ($\text{kN/m}^2$) 7.240 6.230 7.500 12.420 13.920

Phần II: Phần kết cấu

Chương 1: Thiết kế phương án sàn

Tác giả tổng hợp, so sánh 5 phương án kết cấu sàn áp dụng cho khẩu độ lưới cột $10\text{ m} \times 10\text{ m}$: hệ sàn sườn, sàn không dầm, sàn không dầm ứng lực trước, sàn BubbleDeck/Uboot và sàn panel lắp ghép.

Phương án sàn Ưu điểm chính Nhược điểm chính Đánh giá lựa chọn
Sàn sườn truyền thống Tính toán đơn giản, thi công quen thuộc Dầm cao làm giảm chiều cao thông thủy Không tối ưu chiều cao
Sàn không dầm BTCT Chiều cao kết cấu nhỏ, thi công ván khuôn nhanh Độ cứng ngang kém, nguy cơ chọc thủng cao Tăng chiều dày bản
Sàn ứng lực trước Giảm độ võng và chiều dày bản sàn Kỹ thuật thi công phức tạp, thiết bị chuyên dụng Chi phí thiết bị cao
Sàn BubbleDeck / Uboot Giảm trọng lượng bản thân, vượt nhịp lớn Lý thuyết tính toán chưa phổ biến, khả năng chịu cắt giảm Chưa chọn cho đồ án
Sàn dầm bẹt (Được chọn) Đảm bảo độ cứng khung, chiều cao dầm $\le 600\text{ mm}$, đạt thông thủy $\ge 2{,}7\text{ m}$ Tiết diện dầm rộng đòi hỏi bố trí cốt đai cẩn thận Lựa chọn thiết kế
  • Sơ bộ kích thước cấu kiện:
    • Chiều dày bản sàn: Sơ bộ theo công thức $h_s = (1/50 \div 1/35) L \approx 133{,}3\text{ mm}$, tác giả chọn $h_s = 150\text{ mm}$.
    • Chiều dày vách, lõi thang máy: Chọn $t = 300\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện $t \ge 200\text{ mm}$ và tỷ lệ $F_{vl}/F_s \ge 0{,}015$).
    • Tiết diện dầm chính: Nhịp $L = 10\text{ m}$, dầm chữ nhật truyền thống có $h_d = 750\text{ mm}, b_d = 300\text{ mm}$. Để đảm bảo chiều cao thông thủy, tác giả quy đổi theo độ cứng uốn tương đương $J$: $$J = \frac{b h^3}{12} = \frac{300 \times 750^3}{12} = 1{,}05 \times 10^{10}\text{ mm}^4$$ Tiết diện dầm bẹt được chọn là $600 \times 600\text{ mm}$ có $J = \frac{600 \times 600^3}{12} = 1{,}08 \times 10^{10}\text{ mm}^4$ (độ cứng tương đương).
    • Dầm phụ: Kích thước chọn $300 \times 600\text{ mm}$.
    • Tiết diện cột: Tính toán theo diện truyền tải và lực nén đúng tâm sơ bộ $A_c \ge k N / R_b$ với hệ số tải ngang $k = 1{,}1 \div 1{,}5$. Tiết diện cột được phân nhóm giảm dần theo chiều cao (cột giữa tầng dưới chọn $800 \times 800\text{ mm}$ hoặc $700 \times 700\text{ mm}$, giảm dần lên các tầng trên).
  • Phân tích nội lực sàn: Thực hiện mô hình hóa trên phần mềm SAFE 2016 bằng cách chia các dải strip qua cột và strip giữa nhịp để trích xuất moment uốn và bố trí cốt thép chịu lực.

Các chương kết cấu tiếp theo (theo mục lục đồ án)

  • Thiết kế cầu thang bộ: Tính toán bản thang dạng 2 vế chịu tải trọng bản thân và hoạt tải phân bố, sử dụng phần mềm SAP2000 để xác định biểu đồ moment uốn, tính cốt thép dọc, kiểm tra võng và thiết kế dầm chiếu tới/chiếu nghỉ.
  • Thiết kế khung - vách không gian: Thiết lập mô hình tổng thể trên ETABS, gán tải trọng tĩnh, hoạt tải các tầng, tải trọng gió tĩnh - động và động đất; thiết kế cốt thép cột lệch tâm xiên, cốt thép dầm sàn điển hình và cốt thép vách cứng trục B chịu lực cắt - moment lớn.
  • Thiết kế móng công trình: Đánh giá điều kiện địa chất công trình, lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi tựa mũi cọc vào lớp cát hạt trung lẫn sạn (Lớp 5, độ sâu $> 35\text{ m}$), xác định nội lực chân cột từ tổ hợp nguy hiểm nhất trong ETABS, tính toán số lượng cọc, bố trí đài cọc và kiểm tra chọc thủng, tính thép đài bằng SAFE.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  1. Thiết lập giải pháp kết cấu dầm bẹt hợp lý: Đã chuyển đổi thành công hệ dầm chính từ tiết diện $300 \times 750\text{ mm}$ sang dầm bẹt $600 \times 600\text{ mm}$ với độ cứng uốn tương đương ($J = 1{,}08 \times 10^{10}\text{ mm}^4$), vừa đảm bảo khả năng chịu lực của lưới cột $10\text{ m} \times 10\text{ m}$ vừa duy trì chiều cao thông thủy phòng ở $\ge 2{,}7\text{ m}$ theo quy chuẩn QCVN 04-1:2015/BXD.
  2. Tính toán tải trọng ngang động lực học đầy đủ:
    • Xác định chính xác các dạng dao động riêng của công trình 19 tầng qua ETABS (Mode 1 chu kỳ $T_{1x} = 1{,}329\text{ s}$, Mode 3 chu kỳ $T_{1y} = 1{,}184\text{ s}$).
    • Phân tích và tổng hợp thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999 và tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 với lực cắt đáy $F_{bx} = 924{,}723\text{ kN}$ và $F_{by} = 920{,}484\text{ kN}$.
  3. Hoàn thiện giải pháp móng sâu: Khai thác lớp địa chất chịu lực tốt (Lớp 5 - Cát trung lẫn sạn có $N_{30} > 30$) để thiết kế móng cọc khoan nhồi, xử lý triệt để bài toán biến dạng và lún không đều qua các lớp bùn sét dẻo mềm bên trên.

Đóng góp của đồ án

  • Xây dựng một quy trình tính toán hoàn chỉnh từ sơ bộ tiết diện, phân tích mô hình phần tử hữu hạn 3D (ETABS, SAFE, SAP2000) đến xuất kết quả bố trí cốt thép cấu kiện cho công trình nhà cao tầng cấp II.
  • Cung cấp tập hồ sơ kỹ thuật gồm 01 tập thuyết minh - phụ lục tính toán chi tiết và 14 bản vẽ khổ A1 (04 bản vẽ kiến trúc và 10 bản vẽ kết cấu), thể hiện rõ ràng các giải pháp cấu tạo thép dầm, cột, vách, sàn dầm bẹt và móng cọc.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế trong phạm vi đồ án:
    • Phân tích kháng chấn chỉ dừng lại ở phương pháp tĩnh lực ngang tương đương tuyến tính đàn hồi, chưa thực hiện phân tích phổ phản ứng dao động chi tiết (Response Spectrum Analysis) hoặc phân tích phi tuyến tĩnh (Pushover Analysis).
    • Phương án sàn mới chỉ giải quyết theo mô hình dầm bẹt truyền thống; chưa mở rộng so sánh chi tiết về mặt kinh tế - kỹ thuật với phương án sàn ứng lực trước hoặc sàn rỗng (BubbleDeck/Uboot) do thiếu cơ sở định mức thi công thực tế tại thời điểm nghiên cứu.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Nghiên cứu mô hình hóa tương tác động lực học giữa đất nền - móng cọc và kết cấu phần trên (Soil-Structure Interaction - SSI).
    • Ứng dụng giải pháp thi công tầng hầm bằng phương pháp Semi-Topdown hoặc Top-down kết hợp tường vây barrette để tối ưu hóa tiến độ cho các công trình có điều kiện địa chất dẻo mềm tương tự.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Công trình Xây dựng / Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp: Làm tài liệu mẫu phục vụ học phần Đồ án Bê tông cốt thép, Đồ án Nhà cao tầng và quá trình thực hiện Đồ án Tốt nghiệp kỹ sư.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu mới ra trường: Tham khảo quy trình tính toán tải trọng gió động theo TCXD 229:1999, tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012, phương pháp quy đổi độ cứng dầm bẹt và cách thức trích xuất dải strip sàn trong phần mềm SAFE.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao công trình lựa chọn phương án dầm bẹt $600 \times 600\text{ mm}$ thay cho dầm chữ nhật truyền thống $300 \times 750\text{ mm}$?
Trả lời: Do bước cột lớn ($10\text{ m} \times 10\text{ m}$) và chiều cao tầng điển hình là $3{,}5\text{ m}$, nếu dùng dầm chữ nhật $h = 750\text{ mm}$ sẽ làm giảm chiều cao thông thủy xuống dưới $2{,}7\text{ m}$, vi phạm quy chuẩn QCVN 04-1:2015/BXD. Dầm bẹt $600 \times 600\text{ mm}$ có độ cứng uốn tương đương ($J = 1{,}08 \times 10^{10}\text{ mm}^4 > 1{,}05 \times 10^{10}\text{ mm}^4$) giúp đảm bảo khả năng chịu lực đồng thời giữ được chiều cao thông thủy $\ge 2{,}7\text{ m}$.

2. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để xác định và tổ hợp tải trọng gió động cho công trình Liberty?
Trả lời: Công trình có chiều cao $66{,}7\text{ m} > 40\text{ m}$ nên bắt buộc phải tính thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCXD 229:1999, kết hợp giá trị áp lực gió tiêu chuẩn vùng II-A theo TCVN 2737:1995 ($W_0 = 83\text{ daN/m}^2$).

3. Phương pháp nào được áp dụng để tính toán kháng chấn cho công trình và lực cắt đáy đạt giá trị bao nhiêu?
Trả lời: Tác giả áp dụng phương pháp "phân tích tĩnh lực ngang tương đương" theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 (do công trình đối xứng, đều đặn theo mặt bằng và mặt đứng, chu kỳ dao động $T_1 = 1{,}329\text{ s} < 2\text{ s}$). Lực cắt đáy tính toán được theo phương X là $F_{bx} = 924{,}723\text{ kN}$ và theo phương Y là $F_{by} = 920{,}484\text{ kN}$.

4. Lớp địa chất nào được lựa chọn làm tầng chịu lực cho hệ thống móng cọc của tòa nhà?
Trả lời: Móng cọc khoan nhồi được thiết kế tựa mũi cọc vào Lớp 5 (Cát hạt trung lẫn sạn trạng thái chặt vừa, nằm ở độ sâu lớn với chiều dày khảo sát $> 40\text{ m}$, mô đun biến dạng $E = 13.920\text{ kN/m}^2$, chỉ số $N_{30} > 30$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thanh Sơn đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật công trình Chung cư cao cấp Liberty quy mô 1 hầm và 19 tầng nổi tại Quận 7, TP.HCM. Tác giả đã vận dụng đúng đắn hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành, phối hợp các phần mềm chuyên dụng ETABS, SAFE và SAP2000 để giải quyết hiệu quả bài toán phân tích khung - vách chịu tải trọng tĩnh và động lực học. Giải pháp kết cấu dầm bẹt và móng cọc khoan nhồi được đề xuất hợp lý, đảm bảo an toàn chịu lực, độ võng và đáp ứng tốt công năng kiến trúc công trình.