Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam, sự gia tăng nhanh chóng của lực lượng lao động tại các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh tạo áp lực lớn lên quỹ đất và nhu cầu nhà ở. Việc phát triển các khu chung cư cao tầng dành cho tầng lớp cán bộ, công nhân viên chức có mức thu nhập trung bình và khá là một giải pháp cấp thiết nhằm giải quyết bài toán an sinh xã hội và tối ưu hóa diện tích đất đô thị.

Đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung vào việc thiết kế kiến trúc và tính toán kết cấu cho công trình Chung cư cao tầng Tân Tạo I (15 tầng). Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể theo các mục tiêu kỹ thuật sau:

  1. Thể hiện và hoàn thiện hồ sơ thiết kế kiến trúc công trình dựa trên dữ liệu quy hoạch tổng thể.
  2. Thiết lập mô hình không gian, phân tích tải trọng tĩnh và tải trọng động (gió động, động đất) để tính toán, bố trí cốt thép cho hệ thống kết cấu phần thân (dầm, cột, vách lõi chịu lực).
  3. Thiết kế chi tiết các cấu kiện phụ trợ và sàn tầng điển hình (sàn sườn toàn khối, cầu thang bộ).
  4. Xử lý số liệu địa chất, lựa chọn giải pháp móng và thiết kế chi tiết kết cấu móng cọc khoan nhồi dưới cột khung và dưới lõi thang máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu bê tông cốt thép toàn khối và nền móng cọc khoan nhồi của tòa nhà chung cư cao tầng.
  • Phạm vi không gian: Công trình được xây dựng trên khu đất dự án của Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Bình Chánh (BCCI) tại quận Bình Tân, Thành phố Hồ Chí Minh, với diện tích khu đất khoảng 3.800 m². Tòa nhà gồm 15 tầng nổi và 1 tầng hầm, tổng chiều cao công trình là 47,4 m.
  • Phạm vi thời gian thực hiện: Đồ án được giao thực hiện từ ngày 03/07/2017 và hoàn thành vào ngày 21/12/2017.
Thông số Chi tiết thiết kế
Tên công trình Chung cư cao tầng Tân Tạo I
Cấp công trình Cấp II (theo số tầng và chiều cao)
Địa điểm xây dựng Quận Bình Tân, TP. Hồ Chí Minh
Chủ đầu tư Công ty CP Đầu tư và Xây dựng Bình Chánh (BCCI)
Diện tích khu đất Khoảng 3.800 m²
Quy mô chiều cao 15 tầng nổi, 1 tầng hầm (tổng chiều cao 47,4 m)
Tầng hầm Ga-ra để xe diện tích đáp ứng 20 ô tô
Tầng 1 Khu dịch vụ 1.400 m² (ngân hàng, văn phòng, BQL)
Tầng 3 - 15 Căn hộ ở (1.200 m²/tầng; 8 căn/tầng gồm 4 căn loại A: 89 m² và 4 căn loại B: 90,5 m²)

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung tiêu chuẩn và cơ sở lý thuyết

Đồ án áp dụng hệ thống Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, đồng thời tham khảo các tiêu chuẩn quốc tế đối với các cấu kiện phức tạp chưa được quy định toàn diện trong nước:

  • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 (Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế), TCVN 229-1999 (Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió).
  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông: TCVN 5574-2012 (Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép), TCVN 198-1997 (Nhà cao tầng – Thiết kế bê tông cốt thép toàn khối), TCXDVN 356-2005 (Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép).
  • Tiêu chuẩn kháng chấn: TCVN 9386-2012 (Thiết kế công trình chịu động đất).
  • Tiêu chuẩn nền móng: TCVN 10304-2014 (Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế), TCVN 195-1997 (Nhà cao tầng – Thiết kế cọc khoan nhồi), TCVN 9362:2012 (Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình).
  • Tài liệu tham khảo nước ngoài: UBC 97, ACI 99, ACI 318-2002 phục vụ việc tính toán các cấu kiện vách cứng, lõi cứng.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM): Xây dựng mô hình không gian ngàm tại chân cột/móng để tính toán nội lực khung - vách - lõi dưới tác động của tổ hợp tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió và phổ phản ứng động đất.
  • Phương pháp trạng thái giới hạn:
    • Trạng thái giới hạn I (TTGH I): Tính toán cường độ và khả năng chịu lực của các tiết diện thẳng góc và tiết diện nghiêng đối với dầm, cột, vách, bản thang, đài móng.
    • Trạng thái giới hạn II (TTGH II): Kiểm tra độ võng sàn, chuyển vị ngang đỉnh công trình và kiểm tra độ lún móng cọc.
  • Phương pháp giải tích chuyên ngành: Sơ bộ kích thước cấu kiện theo tài liệu Tính toán tiết diện cột bê tông cốt thép của GS.TS Nguyễn Đình Cống và Sổ tay thực hành kết cấu công trình.
  • Công cụ phần mềm hỗ trợ: ETABS 9.7 (mô hình khung không gian 3D, dao động riêng, gió động, động đất), SAFE (nội lực và cốt thép sàn sườn, nền móng cọc khoan nhồi), SAP2000 (tính toán kết cấu bản thang bộ).

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm: hồ sơ bản vẽ thiết kế kiến trúc công trình, báo cáo khảo sát địa chất công trình và thủy văn khu đất xây dựng tại quận Bình Tân, TP. Hồ Chí Minh.

Nhóm vật liệu Chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị tính toán
Bê tông B25 Khối lượng riêng ($\gamma$) 25 kN/m³
Cường độ chịu nén tính toán ($R_b$) 14,5 MPa
Cường độ chịu kéo tính toán ($R_{bt}$) 1,0 MPa
Môđun đàn hồi ($E_b$) 30.000 MPa (300.000 daN/cm²)
Cốt thép AI Cường độ chịu nén tính toán ($R_{sc}$) 225 MPa
Cường độ chịu kéo tính toán ($R_s$) 225 MPa
Cường độ chịu kéo cốt đai ($R_{sw}$) 175 MPa
Môđun đàn hồi ($E_s$) 210.000 MPa

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này trình bày tổng quan về kiến trúc, các giải pháp kỹ thuật công trình và nguyên tắc cơ bản trong tính toán kết cấu bê tông cốt thép.

  • Đặc điểm kiến trúc và công năng: Tòa nhà cao 15 tầng gồm tầng hầm giữ xe; tầng 1 phục vụ giao dịch thương mại và hành chính; tầng 3 đến 15 là các căn hộ diện tích từ 89 m² đến 90,5 m². Hệ thống giao thông thẳng đứng bố trí cụm 4 buồng thang máy và thang bộ ở trung tâm, kết hợp 2 thang bộ thoát hiểm đối xứng đảm bảo an toàn phòng cháy chữa cháy.
  • Hệ thống hạ tầng kỹ thuật: Bố trí điện âm tường/sàn có trạm phát dự phòng; cấp nước từ mạng lưới đô thị kết hợp giếng khoan ngầm trữ tại bể ngầm và bơm lên mái; hệ thống thoát nước gom trục đứng; ống thoát rác thông tầng gom về tầng hầm; hệ thống thông gió và chiếu sáng tự nhiên qua hệ cửa mở.
  • Nguyên lý kết cấu và truyền lực: Tải trọng phân bố trên sàn truyền vào dầm dưới dạng tải tam giác và hình thang, dầm phụ truyền phản lực tập trung vào dầm chính, dầm chính truyền lực dọc và mômen vào cột và vách, toàn bộ tải trọng dồn xuống hệ đài cọc và cọc khoan nhồi truyền vào tầng đất tốt.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ HỆ KHUNG

Chương 2 chiếm dung lượng lớn nhất trong đồ án, tập trung vào tính toán kích thước hình học sơ bộ, tải trọng tác động và phân tích nội lực hệ thống chịu lực chính.

  • Sơ bộ kích thước cấu kiện:
    • Sàn: Chọn chiều dày $h_b = 120\text{ mm}$ theo điều kiện làm việc của ô bản kê hai phương lớn nhất ($S3: 4,2 \times 6,0\text{ m}$) và ô bản dầm ($S7: 2,6 \times 5,5\text{ m}$).
    • Dầm: Dầm chính nhịp 9,0 m có kích thước $300 \times 600\text{ mm}$; dầm phụ nhịp 4,2 m có kích thước $200 \times 400\text{ mm}$.
    • Cột: Thiết kế giảm dần theo chiều cao công trình thành 3 phân đoạn tầng (Tầng 1–5, Tầng 6–10, Tầng 11–15). Tiết diện thay đổi từ $650 \times 650\text{ mm}$ xuống $500 \times 500\text{ mm}$.
    • Vách lõi: Chiều dày bản vách chọn $t_w = 300\text{ mm}$ ($0,3\text{ m}$), thỏa mãn điều kiện $t_w \ge 150\text{ mm}$ và $t_w \ge H_t/20$ theo TCVN 198-1997.
Cấu kiện cột Phân đoạn Tầng 1 - 5 Phân đoạn Tầng 6 - 10 Phân đoạn Tầng 11 - 15
Cột C1, C2 $65 \times 65\text{ cm}$ $60 \times 60\text{ cm}$ $55 \times 55\text{ cm}$
Cột C3, C4 $60 \times 60\text{ cm}$ $55 \times 55\text{ cm}$ $50 \times 50\text{ cm}$
  • Xác định tải trọng đứng:
    • Tĩnh tải sàn: Cấu tạo sàn gồm lớp gạch ceramic lát nền, vữa lót dày 20 mm, bản BTCT dày 120 mm, vữa trát trần dày 15 mm và tải trọng hệ thống kỹ thuật ($0,33\text{ kN/m}^2$). Trọng lượng tường gạch xây dày 200 mm là $4,584\text{ kN/m}^2$, tường dày 100 mm là $2,604\text{ kN/m}^2$, vách kính khung nhôm là $0,15\text{ kN/m}^2$.
    • Hoạt tải sàn (TCVN 2737-1995): Phòng ngủ, phòng khách, phòng vệ sinh, bếp lấy $150\text{ daN/m}^2$ ($1,5\text{ kN/m}^2$); ban công, lô gia lấy $200\text{ daN/m}^2$; hành lang và cầu thang lấy $300\text{ daN/m}^2$. Tác giả không áp dụng hệ số giảm tải $\Psi_A$ nhằm tăng mức độ an toàn cho kết cấu.
  • Xác định tải trọng gió (Tĩnh và Động):
    • Địa điểm thuộc vùng gió II-A với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$ ($0,83\text{ kN/m}^2$, sau khi chiết giảm $12\text{ daN/m}^2$ do bão yếu), dạng địa hình C. Vì công trình cao $47,4\text{ m} > 40\text{ m}$, thành phần gió động bắt buộc phải tính toán.
    • Phân tích 12 dạng dao động trên ETABS: Tần số dao động riêng cơ bản phương Y là $f_1 = 0,75\text{ Hz} < f_L = 1,3\text{ Hz}$ (Mode 1); phương X là $f_3 = 0,94\text{ Hz} < f_L = 1,3\text{ Hz}$ (Mode 3). Kết cấu có độ mềm lớn nên phải tính thành phần gió động ứng với dạng dao động thứ nhất cho cả hai phương.
  • Xác định tải trọng động đất (TCVN 9386-2012):
    • Gia tốc nền tham chiếu $a_{gR}/g = 0,0747$. Nền đất xây dựng thuộc loại B ($S = 1,2$; $T_B = 0,15\text{ s}$; $T_C = 0,5\text{ s}$; $T_D = 2,0\text{ s}$). Gia tốc thiết kế $a_g = 0,0747g < 0,08g$.
    • Hệ kết cấu hỗn hợp tương đương khung, cấp dẻo trung bình (DCM), tỷ số $\alpha_u/\alpha_1 = 1,3$, hệ số ứng xử $q = 3,9$.
    • Khối lượng tham gia dao động động đất thiết lập theo tổ hợp: $100%\text{ Tĩnh tải} + 24%\text{ Hoạt tải}$ ($\psi_{E,i} = \varphi \cdot \psi_{2,i} = 0,8 \cdot 0,3 = 0,24$). Phổ phản ứng được đưa vào phần mềm ETABS dưới dạng Response Spectrum.
  • Tính toán và thiết kế dầm, cột, vách: Xác định tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất ($T = T_0 + \sum T_i$), tính diện tích cốt thép dọc, cốt đai, kiểm tra đoạn neo nối thép và tính cốt thép ngang chịu cắt cho vách.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CẦU THANG TẦNG ĐIỂN HÌNH

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết kết cấu cầu thang bộ 2 vế tầng điển hình:

  • Thu thập số liệu hình học, chiều cao bậc, bề rộng vế thang và tải trọng hoàn thiện mặt bậc.
  • Lập sơ đồ tính toán bản thang chịu uốn, xác định mômen và lực cắt bằng phần mềm SAP2000 kết hợp giải tích.
  • Tính cốt thép chịu lực bản thang, dầm chiếu nghỉ và dầm chiếu tới, kiểm tra điều kiện neo cốt thép vào dầm khung.

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN SÀN TẦNG ĐIỂN HÌNH

Chương 4 trình bày thiết kế chi tiết sàn tầng 7 (đại diện cho các tầng từ trệt đến tầng 15) theo giải pháp kết cấu sàn sườn toàn khối:

  • Sơ bộ chiều dày ô bản $h_b = 120\text{ mm}$.
  • Xác định tĩnh tải phân bố theo lớp hoàn thiện và hoạt tải sử dụng theo chức năng từng phòng.
  • Sử dụng phần mềm SAFE mô hình hóa toàn bộ mặt bằng sàn, chia các dải dầm ảo (Strip Layer A theo phương X, Strip Layer B theo phương Y) để xuất biểu đồ mômen uốn, từ đó tính toán và bố trí các lớp thép lớp trên (thép gối) và thép lớp dưới (thép nhịp).

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ CỌC KHOAN NHỒI

Chương cuối cùng giải quyết bài toán xử lý nền móng cho công trình cao tầng:

  • Đánh giá chỉ tiêu cơ lý các lớp địa chất khu vực dự án Bình Tân và điều kiện mực nước ngầm.
  • Lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép, cao trình đỉnh đài đặt ở cốt $-3,0\text{ m}$ (so với cốt mặt đất tự nhiên $-1,10\text{ m}$).
  • Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi đơn theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo cường độ vật liệu cọc.
  • Thiết kế chi tiết 2 hạng mục móng đại diện:
    • Móng M1 (chân cột F-4): Xác định số lượng cọc, bố trí mặt bằng cọc, kiểm tra phản lực đầu cọc dưới tác dụng của tải trọng đứng và mômen lệch tâm, kiểm tra ứng suất đáy khối móng quy ước, tính thép đài cọc.
    • Móng M6 (chân lõi thang máy): Phân tích tổ hợp tải trọng nguy hiểm tác dụng từ lõi, kiểm tra phản lực đầu cọc, kiểm tra ứng suất gây lún và tính toán độ lún của móng khối quy ước, thiết kế chiều cao đài và bố trí cốt thép đài móng móng lõi bằng phần mềm SAFE.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật

Đồ án hoàn thành trọn vẹn việc tính toán một công trình dân dụng cao tầng cấp II chịu đồng thời các tác động phức tạp của tải trọng trọng trường và tải trọng ngang:

  1. Thiết kế hình học và cấu kiện: Xác định kích thước tiết diện dầm chính ($300 \times 600\text{ mm}$), dầm phụ ($200 \times 400\text{ mm}$), chiều dày sàn ($120\text{ mm}$), vách lõi thang ($300\text{ mm}$) và các phân đoạn cột biến đổi ($65 \times 65\text{ cm}$ đến $50 \times 50\text{ cm}$).
  2. Xác lập tải trọng ngang: Phân tích dao động riêng và tính toán thành phần động của tải trọng gió theo vùng II-A (áp lực $0,83\text{ kN/m}^2$, dạng địa hình C); thiết lập phổ phản ứng đàn hồi và phổ thiết kế động đất theo TCVN 9386-2012 với hệ số ứng xử $q = 3,9$, gia tốc nền $a_g = 0,0747g$.
  3. Thiết kế móng cọc khoan nhồi: Tính toán hoàn chỉnh sức chịu tải cọc, kiểm tra lún và khả năng chịu lực của khối móng quy ước cho móng cọc đơn đài M1 và móng bè cọc lõi thang M6.
  4. Hồ sơ thiết kế: Hoàn thành 01 tập thuyết minh tính toán kèm 01 tập phụ lục xuất nội lực, cùng 13 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (03 bản vẽ kiến trúc và 10 bản vẽ kết cấu chi tiết).

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Ứng dụng quy trình thiết kế tích hợp giữa các công cụ phần mềm tính toán kết cấu hiện đại (ETABS 9.7, SAFE, SAP2000) với hệ thống quy chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành.
  • Cung cấp mô hình tính toán thực tế cho loại hình chung cư trung tầng và cao tầng (15 tầng) sử dụng giải pháp kết cấu khung – vách kết hợp móng cọc khoan nhồi, phù hợp với điều kiện địa chất khu vực ven Thành phố Hồ Chí Minh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong đồ án:
    • Do thời gian và khuôn khổ đồ án tốt nghiệp kỹ sư, tính toán sàn và móng chỉ tập trung vào tầng điển hình (Tầng 7) và các móng đại diện (Móng M1 cột F-4, Móng M6 lõi thang), sau đó bố trí tương tự cho các cấu kiện còn lại.
    • Quá trình tính toán tải trọng bỏ qua hệ số giảm tải hoạt tải $\Psi_A$ theo diện tích sàn (chấp nhận thiên về an toàn) thay vì tối ưu hóa tải trọng truyền xuống móng.
  • Hướng mở rộng:
    • Khảo sát chi tiết bài toán phi tuyến và tương tác động lực học giữa kết cấu bên trên với nền móng cọc trong môi trường đất yếu.
    • Tối ưu hóa kích thước tiết diện và hàm lượng cốt thép toàn bộ công trình để giảm chi phí đầu tư vật liệu.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu thực hành kỹ thuật phù hợp cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc các học phần thiết kế nhà cao tầng:

  • Phần tải trọng gió và động đất: Cung cấp phương pháp chi tiết về cách bóc tách chu kỳ dao động, tính thành phần gió động theo TCVN 229-1999 và xây dựng hàm phổ phản ứng động đất theo TCVN 9386-2012 để gán vào ETABS.
  • Phần nền móng: Cung cấp quy trình kiểm tra sức chịu tải đầu cọc, kiểm tra khối móng quy ước và tính toán đài móng lõi thang bằng phần mềm SAFE.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Chung cư Tân Tạo I có chiều cao bao nhiêu và tại sao phải tính thành phần gió động?
Công trình có 15 tầng nổi và 1 tầng hầm với tổng chiều cao là 47,4 m. Theo quy định tại TCVN 2737-1995, các công trình có chiều cao lớn hơn 40 m bắt buộc phải tính toán thêm thành phần động của tải trọng gió bên cạnh thành phần tĩnh.

2. Giá trị gia tốc nền tham chiếu và hệ số ứng xử dùng để tính động đất cho công trình là bao nhiêu?
Theo phụ lục phân vùng của TCVN 9386-2012, công trình tại TP. Hồ Chí Minh có tỷ số gia tốc nền tham chiếu $a_{gR}/g = 0,0747$. Hệ kết cấu được chọn là hệ hỗn hợp tương đương khung cấp dẻo trung bình (DCM) với tỷ số $\alpha_u/\alpha_1 = 1,3$, dẫn đến hệ số ứng xử tính toán theo phương ngang là $q = 3,9$.

3. Tác giả sử dụng các phần mềm nào để phục vụ tính toán kết cấu trong đồ án?
Đồ án sử dụng ba phần mềm chính: ETABS 9.7 (mô hình không gian kết cấu dầm, cột, vách và phân tích dao động, gió động, động đất), SAFE (tính toán nội lực, cốt thép sàn sườn tầng điển hình và đài móng cọc khoan nhồi), SAP2000 (tính toán kết cấu bản thang bộ).

4. Vì sao tác giả không sử dụng hệ số giảm tải hoạt tải $\Psi_A$ khi tính toán tải trọng sàn?
Mặc dù TCVN 2737-1995 cho phép giảm hoạt tải khi diện tích chịu tải $A > 9\text{ m²}$ hoặc $A > 36\text{ m²}$, tác giả đã chủ động không dùng hệ số giảm tải $\Psi_A$ nhằm tăng cường mức độ an toàn cho kết cấu chịu lực của công trình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chung cư cao tầng Tân Tạo I 15 tầng" của tác giả Nguyễn Tấn Quốc trình bày quy trình tính toán và thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một công trình bê tông cốt thép cao tầng cấp II. Đề tài đã giải quyết tuần tự và chặt chẽ từ khâu sơ bộ tiết diện, tính toán tải trọng gió động và động đất, phân tích nội lực bằng các phần mềm chuyên ngành, đến thiết kế chi tiết kết cấu phần thân và nền móng cọc khoan nhồi. Toàn bộ hồ sơ thuyết minh và bản vẽ thể hiện sự tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam, cung cấp tài liệu tham khảo thực hành kỹ thuật có giá trị cho sinh viên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp.