Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong tiến trình đô thị hóa và tăng trưởng kinh tế tại các trung tâm thương mại, khoa học - kỹ thuật như Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng các công trình công cộng, trung tâm thương mại và tòa nhà văn phòng làm việc hiện đại ngày càng gia tăng. Để đáp ứng cơ sở vật chất phục vụ công tác quản lý và khai thác kinh doanh hạ tầng công nghiệp, Công ty Cổ phần Sản xuất Kinh doanh Xuất Nhập Khẩu Tân Bình đã triển khai dự án đầu tư xây dựng công trình Nhà Văn phòng Khu Công nghiệp Tân Bình.
Mục tiêu chính của dự án là hình thành một tổ hợp công trình vừa đảm nhiệm vai trò văn phòng điều hành chính của toàn bộ Khu Công nghiệp Tân Bình, vừa cung cấp không gian diện tích văn phòng cho thuê thương mại. Nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng là thực hiện thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho công trình, trong đó khối lượng công việc được phân bổ theo tỷ trọng:
- Thiết kế kiến trúc tổng thể và các hệ thống kỹ thuật liên quan.
- Thiết kế kết cấu chịu lực công trình (chiếm 70% khối lượng đồ án).
- Thiết kế nền móng công trình (chiếm 30% khối lượng đồ án).
Đối tượng nghiên cứu và thiết kế là hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của khối nhà văn phòng cao tầng. Về phạm vi không gian, công trình được xây dựng tại Lô đất số 9, tuyến đường số 8 và số 11, nhóm CNII, Khu Công nghiệp Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh. Quy mô xây dựng bao gồm 1 tầng trệt và 9 tầng lầu (tổng cộng 10 sàn, lầu 9 là tầng mái bê tông cốt thép), với cao độ nền tầng trệt so với mặt đất tự nhiên là +0.60m, chiều cao tầng trệt là 4.0m, chiều cao mỗi tầng lầu điển hình là 3.5m và tổng chiều cao công trình đạt 35.5m.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án được thực hiện dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam tại thời điểm thiết kế, bao gồm:
- TCVN 2737 – 1995: "Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế", dùng để xác định các loại tĩnh tải, hoạt tải sử dụng trên các tầng sàn, hoạt tải cầu thang, bể nước và tải trọng gió tác dụng lên công trình.
- TCVN 5574 – 1991: "Kết cấu bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế", làm cơ sở lý thuyết tính toán cấu kiện chịu uốn, chịu nén, chịu cắt, kiểm tra hàm lượng cốt thép, tính toán bề rộng vết nứt và độ võng.
- Các quy chuẩn, tài liệu khảo sát địa chất công trình và tiêu chuẩn thiết kế nền móng cọc đài thấp, cọc khoan nhồi.
Về vật liệu xây dựng sử dụng trong tính toán:
- Bê tông: Bê tông đá 1x2, Mác 250 (M250) có cường độ chịu nén tính toán $R_n = 110\text{ kG/cm}^2$, mô đun đàn hồi $E = 2.65 \times 10^6\text{ T/m}^2$, hệ số Poisson $\nu = 0.2$.
- Cốt thép:
- Thép tròn trơn đường kính $\Phi < 10\text{ mm}$ thuộc nhóm AI có cường độ tính toán $R_a = 2300\text{ kG/cm}^2$.
- Thép có gân đường kính $\Phi \ge 10\text{ mm}$ thuộc nhóm AII có cường độ tính toán $R_a = 2800\text{ kG/cm}^2$.
- Cốt đai chịu cắt sử dụng thép nhóm AI/AII với cường độ tính toán $R_{ađ} = 1800\text{ kG/cm}^2$.
Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế:
- Phương pháp giải tích và tra bảng: Tính toán nội lực bản sàn 1 phương (bản dầm) và bản sàn 2 phương (bản kê bốn cạnh liên kết ngàm vào dầm theo sơ đồ 9) theo lý thuyết đàn hồi; xác định mô men uốn tại nhịp và gối tựa dựa vào tỷ số kích thước ô bản $l_2 / l_1$.
- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Ứng dụng các phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng SAP2000 và ETABS để thiết lập sơ đồ hình học, gán tải trọng, giải nội lực cho hệ kết cấu bản thang bộ, dầm thang, bể nước mái và hệ khung phẳng không gian trục E.
- Phương pháp tổ hợp tải trọng và kiểm tra trạng thái giới hạn: Lập bảng tổ hợp nội lực (tĩnh tải, hoạt tải cách nhịp/cách tầng, tải trọng gió đẩy và gió hút), tính toán diện tích cốt thép $F_a$, kiểm tra hàm lượng cốt thép hợp lý $\mu_{\min} \le \mu \le \mu_{\max}$, kiểm tra điều kiện chọc thủng đài móng và kiểm tra độ võng đàn hồi $f_{\max} \le [f]$.
- Nguồn dữ liệu: Số liệu hồ sơ kiến trúc công trình, số liệu khảo sát địa chất hiện trường tại KCN Tân Bình, số liệu khí hậu - gió Thành phố Hồ Chí Minh (thuộc vùng áp lực gió AII với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 83\text{ kG/m}^2$).
Thiết kế và triển khai
Hệ thống kiến trúc và kết cấu công trình được thiết kế đồng bộ với các giải pháp kỹ thuật cụ thể:
| Hạng mục thiết kế |
Giải pháp kiến trúc và kết cấu triển khai |
| Hệ chịu lực chính |
Khung bê tông cốt thép toàn khối không vách cứng, sàn sườn đổ toàn khối bê tông M250. |
| Giao thông đứng |
Bố trí 2 buồng thang bộ bê tông cốt thép dạng 2 vế và 2 thang máy cứu sinh/vận chuyển khách. |
| Bao che & hoàn thiện |
Tường bao che xây gạch dày 200mm kết hợp kính cường lực; tường ngăn phòng dày 100mm; trần thạch cao khung kim loại nổi; nền lát gạch ceramic 600x600mm. |
| Hệ thống cấp thoát nước |
Nguồn nước đấu nối mạng lưới đô thị đường số 8 và 11; bể nước mái dung tích lớn phục vụ sinh hoạt và cứu hỏa kết hợp hệ thống 4 máy bơm (2 máy sinh hoạt, 1 làm việc, 1 dự phòng); nước thải phân qua bể tự hoại trước khi xả vào hệ thống thoát nước thành phố. |
| PCCC & Chống sét |
Hệ thống chữa cháy vách tường, bình bọt khí CO2 tại các tầng; 01 kim thu sét với bán kính bảo vệ 50m có hệ thống nối đất tiếp địa. |
| Hạ tầng phụ trợ |
Nhà đặt máy phát điện dự phòng, nhà bảo vệ, sân bãi bê tông xoa nhám bề mặt, vỉa hè lát gạch có hố ga thu nước, bồn hoa cây xanh cách nhiệt. |
Nội dung chính theo từng chương
Kiến trúc
Chương Kiến trúc trình bày tổng quan vị trí xây dựng, quy mô công trình, phân bổ công năng chi tiết từng tầng và các giải pháp hạ tầng kỹ thuật:
- Tầng trệt và các lầu từ 1 đến 8 có mặt bằng bố trí gồm khu văn phòng làm việc, khu vệ sinh chung, sảnh thang máy và thang bộ. Tầng 9 là tầng mái đặt hồ nước cứu hỏa và sinh hoạt.
- Tổng hợp các bản vẽ kiến trúc: 01 bản vẽ mặt bằng trệt, 01 bản vẽ mặt bằng tầng điển hình, 01 bản vẽ mặt đứng trục A - L, và 01 bản vẽ mặt cắt A - A.
Phần I - Chương I: Sàn tầng điển hình
Tác giả lựa chọn giải pháp kết cấu sàn sườn toàn khối bê tông cốt thép cho các tầng từ lầu 1 đến lầu 9:
- Xác định sơ bộ chiều dày sàn $h_s = 100\text{ mm}$ dựa trên nhịp cạnh ngắn $l_1 = 5400\text{ mm}$ và hệ số tải trọng $D = 0.8$.
- Kích thước tiết diện dầm được chọn sơ bộ: Dầm nhịp 7.5m kích thước $300 \times 750\text{ mm}$, dầm nhịp 6.0m kích thước $300 \times 600\text{ mm}$, dầm phụ nhịp 7.5m kích thước $200 \times 450\text{ mm}$, dầm nhịp 2.5m kích thước $200 \times 300\text{ mm}$.
- Tải trọng tính toán trên $1\text{ m}^2$ sàn:
| Loại sàn |
Tĩnh tải tính toán $g^{tt}$ ($\text{kG/m}^2$) |
Hoạt tải tính toán $p^{tt}$ ($\text{kG/m}^2$) |
Tổng tải trọng $q^{tt}$ ($\text{kG/m}^2$) |
| Sàn văn phòng |
413.9 |
240.0 ($p_0 = 200, n = 1.2$) |
653.9 |
| Sàn ban công, lô gia |
413.9 |
240.0 ($p_0 = 200, n = 1.2$) |
653.9 |
| Sàn vệ sinh (có tường và chống thấm) |
729.9 |
240.0 |
969.9 |
| Sảnh, hành lang |
413.9 |
360.0 ($p_0 = 300, n = 1.2$) |
773.9 |
- Phân loại 18 ô sàn (từ S1 đến S18) thành ô bản làm việc 1 phương ($l_2/l_1 > 2$) và bản làm việc 2 phương ($l_2/l_1 \le 2$). Tính toán mô men gối, mô men nhịp và diện tích cốt thép.
- Kiểm tra độ võng cho ô bản nguy hiểm nhất S5 ($5.4\text{ m} \times 7.5\text{ m}$): Độ võng lớn nhất $f_{\max} = 0.5\text{ cm}$, nhỏ hơn độ võng cho phép $[f] = 2.5\text{ cm}$, kết cấu sàn đảm bảo điều kiện độ cứng.
Phần I - Chương II: Cầu thang bộ
Tính toán kết cấu cầu thang bộ dạng bản nghiêng đổ toàn khối 2 vế nối từ lầu 1 đến lầu 9:
- Kích thước hình học bậc thang $l_b \times h_b = 270 \times 159\text{ mm}$, góc nghiêng bản thang $\alpha = 30^\circ$.
- Chiều dày bản thang chọn sơ bộ $h_s = 130\text{ mm}$, dầm thang kích thước $200 \times 300\text{ mm}$.
- Tải trọng tính toán: Bản chiếu nghỉ có tổng tải $q_1 = 852\text{ kG/m}^2$; bản thang có tổng tải $q_2 = 1154\text{ kG/m}^2$ (gồm tĩnh tải quy đổi theo phương đứng $761\text{ kG/m}^2$, hoạt tải $360\text{ kG/m}^2$ và tải trọng lan can $33\text{ kG/m}^2$).
- Sử dụng phần mềm ETABS/SAP2000 phân tích nội lực bản thang xác định mô men nhịp nguy hiểm nhất $M_{\max} = 2237\text{ kGm}$, bố trí cốt thép chịu lực chính nhóm AII.
- Dầm chiếu nghỉ (DCN) chịu tổng tải phân bố toàn phần $q = 2850\text{ kG/m}$, mô men uốn nhịp $M_{nh} = 1724.8\text{ kGm}$, cốt đai $\Phi 6$ khoảng cách $u = 150\text{ mm}$ đảm bảo khả năng chịu lực cắt $Q_{\max} = 3135\text{ kG} < Q_{db} = 8040\text{ kG}$.
Phần I - Chương III: Hồ nước mái
Thiết kế hồ nước sinh hoạt và cứu hỏa đặt trên sàn tầng mái (lầu 9) với kích thước mặt bằng $7.5\text{ m} \times 7.5\text{ m}$:
- Bản nắp bể: Chiều dày chọn $h_b = 9\text{ cm}$; dầm nắp gồm dầm DN1 kích thước $250 \times 500\text{ mm}$ và DN2 kích thước $200 \times 400\text{ mm}$; tổng tải trọng $q^{tt} = 426.9\text{ kG/m}^2$; độ võng $f_{\max} = 0.1\text{ cm} < [f] = 2.5\text{ cm}$.
- Bản thành bể: Chiều dày chọn $h_b = 10\text{ cm}$; tính toán cho trường hợp nguy hiểm nhất khi bể đầy nước chịu đồng thời áp lực nước ($p_n = 1500\text{ kG/m}^2$) và áp lực gió hút ($W = 57.6\text{ kG/m}^2$, tính từ $W_0 = 83\text{ kG/m}^2$, hệ số địa hình $k = 0.89$, $c = -0.6$, hệ số vượt tải $n = 1.3$); mô men tại gối $M_{gối} = 231.6\text{ kGm}$, mô men tại nhịp $M_{nhịp} = 106.3\text{ kGm}$.
- Bản đáy bể và dầm đáy: Đáy bể chia thành 4 ô bản liên tục kích thước mỗi ô $3.7\text{ m} \times 3.75\text{ m}$; dầm đáy chính DD1 kích thước $300 \times 700\text{ mm}$ và dầm phụ đáy DD2 kích thước $250 \times 500\text{ mm}$.
Phần I - Chương IV: Dầm dọc
Chương IV thiết lập sơ đồ tính toán cho hệ thống dầm dọc liên tục theo các trục:
- Xác định tải trọng phân bố từ các ô sàn truyền vào dầm dọc các nhịp A-B, B-C, C-D, D-E, E-F, F-G, G-H, H-K, K-L.
- Phân tích nội lực uốn và lực cắt, lập tổ hợp tải trọng bất lợi nhất để tính toán diện tích cốt thép dọc chịu kéo, cốt thép chịu nén và cốt thép đai chống cắt.
Phần I - Chương V: Khung trục E
Khung trục E là khung ngang chịu lực điển hình của công trình:
- Chọn sơ bộ tiết diện dầm khung và cột khung theo từng tầng từ dưới lên trên.
- Thiết lập mặt bằng truyền tải và sơ đồ chất tải: Tĩnh tải bản thân sàn - dầm - tường, hoạt tải đứng (chất đầy, cách nhịp, cách tầng), tải trọng gió trái và gió phải tác dụng vào các nút khung.
- Thực hiện tổ hợp tải trọng nội lực (cơ bản 1, cơ bản 2 và đặc biệt), tính toán cốt thép cho dầm khung và cột khung chịu nén uốn xiên/lệch tâm phẳng.
Phần II - Chương VI: Móng
Chương VI xử lý thiết kế nền móng dựa trên điều kiện địa chất công trình tại KCN Tân Bình:
- Phương án 1 (Móng cọc ép đài thấp): Xác định tải trọng chân cột công trình truyền xuống móng M1 và M2; xác định sức chịu tải của cọc đơn; bố trí số lượng cọc trong đài; kiểm tra tải trọng phân bố lên từng cọc, kiểm tra sức chịu tải nền móng, kiểm tra lún công trình; tính toán chiều cao đài móng, kiểm tra chống chọc thủng đài cọc và bố trí cốt thép đài móng.
- Phương án 2 (Móng cọc khoan nhồi): Thiết kế móng cọc khoan nhồi chịu tải trọng lớn cho móng M1 và M2; xác định chiều sâu chôn đài, tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi, bố trí cọc, tính toán kiểm tra uốn thân cọc ở độ sâu $Z$ và bố trí cốt thép chịu uốn dọc thân cọc.
- So sánh và lựa chọn phương án: Đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật, khả năng chịu lực, điều kiện thi công thực tế tại KCN Tân Bình để lựa chọn phương án móng tối ưu nhất.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung kỹ thuật theo quy định của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp với các kết quả cụ thể:
- Hoàn thiện thiết kế cấu kiện kết cấu phần thân: Xác định chính xác kích thước và bố trí cốt thép cho hệ sàn sườn toàn khối 10 tầng ($h_s = 100\text{ mm}$), cầu thang bộ 2 vế ($h_s = 130\text{ mm}$, dầm thang $200 \times 300\text{ mm}$), hệ dầm sàn hồ nước mái ($h_b = 9\text{ cm}$, thành bể $h_b = 10\text{ cm}$, dầm đáy $300 \times 700\text{ mm}$).
- Kiểm tra an toàn trạng thái giới hạn: Các cấu kiện đều thỏa mãn điều kiện cường độ và điều kiện biến dạng nứt/võng tiêu chuẩn (như độ võng ô sàn S5 đạt $f_{\max} = 0.5\text{ cm} < 2.5\text{ cm}$; độ võng nắp bể nước đạt $f_{\max} = 0.1\text{ cm} < 2.5\text{ cm}$; khả năng chịu cắt của dầm thang đạt $Q_{db} = 8040\text{ kG} > Q_{\max} = 3135\text{ kG}$).
- Giải pháp nền móng: Đề xuất và tính toán chi tiết 2 phương án móng cọc đài thấp và cọc khoan nhồi cho các cụm móng M1, M2, đưa ra các chỉ tiêu kiểm tra lún và chọc thủng đài cọc đáp ứng yêu cầu chịu tải trọng của tòa nhà 10 tầng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Do phạm vi giới hạn của đồ án tốt nghiệp kỹ sư, phần tính toán kết cấu khung tập trung vào khung phẳng trục E điển hình và hệ dầm dọc đại diện; chưa mở rộng phân tích động lực học kết cấu dưới tác động của tải trọng động đất hoặc phân tích phi tuyến bậc cao.
- Hướng mở rộng: Trong các giai đoạn thiết kế thi công chi tiết tiếp theo, có thể mở rộng mô hình hóa không gian 3D toàn bộ công trình trong ETABS, xét thêm tương tác phi tuyến giữa đất nền móng và kết cấu bên trên, cũng như lập biện pháp tổ chức thi công và dự toán chi tiết cho toàn bộ tòa nhà.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên khảo dành cho:
- Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp thực hiện đồ án môn học Bê tông cốt thép, Đồ án Nền móng và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư công trình dân dụng cao tầng.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu tham khảo quy trình tính toán sàn sườn, cầu thang bộ 2 vế, bể nước bê tông cốt thép đặt trên mái và tính toán móng cọc đài thấp/cọc khoan nhồi theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN.
Câu hỏi thường gặp
1. Công trình Nhà Văn phòng KCN Tân Bình có quy mô chiều cao và số tầng như thế nào?
Công trình gồm 1 tầng trệt và 9 tầng lầu (tổng cộng 10 sàn, lầu 9 là mái bằng BTCT), chiều cao tầng trệt là 4.0m, các tầng lầu cao 3.5m, cao độ nền tầng trệt so với mặt đất tự nhiên là +0.60m, và tổng chiều cao công trình là 35.5m.
2. Chiều dày bản sàn tầng điển hình và giải pháp dầm được chọn có kích thước bao nhiêu?
Bản sàn tầng điển hình có chiều dày sơ bộ được chọn là $h_s = 100\text{ mm}$. Hệ dầm chịu lực gồm dầm chính nhịp 7.5m kích thước $300 \times 750\text{ mm}$, dầm nhịp 6.0m kích thước $300 \times 600\text{ mm}$, dầm phụ nhịp 7.5m kích thước $200 \times 450\text{ mm}$ và dầm nhịp 2.5m kích thước $200 \times 300\text{ mm}$.
3. Tải trọng gió tác dụng vào công trình được xác định theo vùng áp lực nào?
Công trình xây dựng tại TP. Hồ Chí Minh thuộc vùng áp lực gió AII với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 83\text{ kG/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1.3$, hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao $k = 0.89$ và hệ số khí động mặt khuất gió $c = -0.6$.
4. Kích thước và chiều dày các cấu kiện của hồ nước mái được thiết kế như thế nào?
Hồ nước mái có kích thước mặt bằng $7.5\text{ m} \times 7.5\text{ m}$, bản nắp bể dày $h_b = 9\text{ cm}$ (hệ dầm nắp $250 \times 500\text{ mm}$ và $200 \times 400\text{ mm}$), bản thành bể dày $h_b = 10\text{ cm}$, và bản đáy gồm 4 ô bản $3.7\text{ m} \times 3.75\text{ m}$ liên kết với dầm đáy DD1 ($300 \times 700\text{ mm}$) và DD2 ($250 \times 500\text{ mm}$).
5. Các phương án móng nào được đưa ra tính toán so sánh trong đồ án?
Đồ án tính toán thiết kế 2 phương án móng chính: Phương án 1 là móng cọc đài thấp (cọc ép) và Phương án 2 là móng cọc khoan nhồi, thực hiện tính toán sức chịu tải, kiểm tra lún, kiểm tra chọc thủng đài cọc và uốn thân cọc cho các đài móng M1 và M2.
Kết luận
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp của tác giả Huỳnh Tấn Khanh đã trình bày một quy trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và bài bản cho công trình Nhà Văn phòng Khu Công nghiệp Tân Bình với quy mô 10 tầng. Công trình sử dụng giải pháp kết cấu khung sàn bê tông cốt thép toàn khối M250 kết hợp hệ móng cọc sâu, tuân thủ chặt chẽ các quy chuẩn TCVN 2737-1995 và TCVN 5574-1991. Toàn bộ các cấu kiện chịu lực chính từ sàn, cầu thang, hồ nước mái, khung trục ngang đến đài móng đều được kiểm tra an toàn chịu lực và biến dạng, tạo nguồn tư liệu tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo kỹ sư xây dựng công trình dân dụng.
