Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại Thành phố Hồ Chí Minh tạo ra nhu cầu rất lớn về không gian cư trú và dịch vụ thương mại tích hợp. Việc xây dựng các tòa nhà cao tầng đòi hỏi các giải pháp thiết kế kết cấu bảo đảm độ an toàn chịu lực dưới tác động đồng thời của tải trọng đứng (tĩnh tải, hoạt tải) và tải trọng ngang (gió động, động đất), đồng thời tối ưu hóa chi phí vật liệu và công nghệ thi công nền móng.

Dự án Chung cư 219 Thạch Lam được thực hiện nhằm hoàn thiện đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm:

  1. Thiết kế tổng quan kiến trúc và bố trí công năng công trình chung cư cao tầng.
  2. Thiết kế kết cấu cấu kiện cục bộ: tính toán bản thang và dầm thang bộ từ tầng 2 lên tầng 3.
  3. Phân tích nội lực, tính toán cốt thép và kiểm tra trạng thái giới hạn (độ võng, vết nứt) của sàn tầng điển hình (tầng 3).
  4. Phân tích động lực học kết cấu công trình chịu tác động của tải trọng gió và động đất; kiểm tra ổn định tổng thể (chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng, chống lật, chống trượt).
  5. Phân tích không gian và thiết kế hệ kết cấu thân chịu lực (dầm, cột, vách lõi bê tông cốt thép).
  6. Tính toán và thiết kế hệ kết cấu phần ngầm, móng cọc ly tâm ứng suất trước và đài móng.
  7. Lập biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công ép cọc ly tâm ứng suất trước bằng máy ép robot.

Đối tượng nghiên cứu là khối công trình Chung cư 219 Thạch Lam với quy mô 01 tầng hầm, 18 tầng nổi và 01 tầng mái, tổng chiều cao công trình đạt 68,4 m (chưa kể tầng hầm), diện tích xây dựng mặt bằng là 1.474 m². Phạm vi không gian đặt tại khu đất số 219 Đường Thạch Lam, Quận Tân Phú, Thành phố Hồ Chí Minh; dữ liệu địa chất khảo sát đến độ sâu 50 m. Thời gian thực hiện đồ án từ ngày 19/01/2024 đến ngày 04/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu áp dụng hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam trong công tác tính toán tải trọng, phân tích kết cấu bê tông cốt thép và nền móng:

  • TCVN 5574:2018: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 2737:2023: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCXD 198:1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.
  • TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737.
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất.
  • TCVN 9362:2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình.
  • TCVN 10304:2014: Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa số phần tử hữu hạn (FEM) trong không gian 3 chiều và tính toán giải tích cục bộ:

  • Phân tích kết cấu không gian 3D: Sử dụng phần mềm ETABS 20 để lập mô hình toàn khối hệ khung – vách – lõi, phân tích dao động riêng, xác định lực động đất theo phương pháp phổ phản ứng và tính toán gió động với hệ số giật ($G_{fx}, G_{fy}$).
  • Phân tích bản sàn và móng: Sử dụng phần mềm SAFE 2016 để tính toán nội lực sàn tầng 3 và các đài móng (M1, M2, M3) dưới dạng bản trên nền đàn hồi kết hợp mô hình lò xo tương đương tại đầu cọc.
  • Phân tích cấu kiện phẳng: Sử dụng SAP2000 mô hình hóa dầm gãy khúc chịu tải trọng phân bố để tính toán cầu thang bộ.

Nguồn dữ liệu tính toán bao gồm: hồ sơ bản vẽ kiến trúc công trình, báo cáo khảo sát địa chất công trình (5 lớp đất chính và 1 phụ lớp đến độ sâu 50 m, mực nước ngầm ở độ sâu -1,7 m), catalogue thông số kỹ thuật cọc ly tâm ứng suất trước Phan Vũ và máy ép cọc robot Sunward ZYJ 1060b-III.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kết cấu và giải pháp kỹ thuật của công trình được triển khai chi tiết qua các giai đoạn tính toán và lựa chọn thông số vật liệu:

Hạng mục Thông số kỹ thuật lựa chọn
Bê tông Cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,15\text{ MPa}$, $E_b = 32,5 \times 10^3\text{ MPa}$, khối lượng thể tích $2,5\text{ T/m}^3$)
Thép dọc chịu lực ($\ge \Phi 10$) Nhóm CB400-V ($R_s = 350\text{ MPa}$, $R_{sc} = 350\text{ MPa}$, $R_{sw} = 280\text{ MPa}$, $E_s = 20 \times 10^4\text{ MPa}$)
Thép đai, bản thang, sàn ($< \Phi 10$) Nhóm CB240-T ($R_s = 210\text{ MPa}$, $R_{sc} = 210\text{ MPa}$, $R_{sw} = 170\text{ MPa}$, $E_s = 20 \times 10^4\text{ MPa}$)
Hệ kết cấu thân Hệ khung vách lõi bê tông cốt thép toàn khối, sàn sườn (dầm - bản)
Kích thước sơ bộ cấu kiện Dầm chính: $300 \times 700\text{ mm}$; Dầm phụ: $300 \times 600\text{ mm}$; Bản sàn: dày $120\text{ mm}$; Vách lõi thang: dày $300\text{ mm}$; Cột biên: $800 \times 800\text{ mm}$; Cột giữa: $900 \times 1100\text{ mm}$ (thay đổi tiết diện 3 tầng/lần)
Giải pháp móng Móng cọc ly tâm ứng suất trước Phan Vũ kết hợp móng bè/đài móng BTCT
Thiết bị thi công cọc Robot ép cọc tự hành Sunward ZYJ 1060b-III

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về kiến trúc công trình

Chương 1 trình bày quy mô hình học, bố trí mặt bằng, mặt đứng và các giải pháp hạ tầng kỹ thuật của Chung cư 219 Thạch Lam. Mặt bằng công trình dạng hình chữ nhật với diện tích 1.474 m², chiều cao 68,4 m tính từ cốt $\pm0,000$, tầng hầm đặt ở cao độ -2,70 m, sân thượng ở cao độ +64,70 m và đỉnh mái ở cao độ +68,40 m.

Chức năng các tầng được phân bổ cụ thể: tầng hầm dùng để xe và đặt hệ thống kỹ thuật; tầng trệt bố trí sảnh đón, khu thương mại dịch vụ; từ tầng 1 đến tầng 18 là các căn hộ chung cư; tầng sân thượng bố trí phòng kỹ thuật và bồn nước inox. Mặt ngoài công trình ốp đá granite mắt rồng tại tầng trệt, các tầng lầu ốp hợp kim nhôm kết hợp hệ kính phản quang 2 lớp dày 10,38 mm. Công trình được tích hợp hệ thống điều hòa trung tâm, trạm biến áp hạ thế 380/220 V có máy phát điện dự phòng, hệ thống thu lôi chống sét cấp 1 (kim thu sét $\Phi 18$ dài 3 m đặt trên mái nối với cọc tiếp địa sâu 12 m) và hệ thống thoát rác trục đứng đưa về tầng hầm.

Chương 2. Tổng quan về kết cấu công trình

Chương 2 xác lập các phương án kết cấu chịu lực, vật liệu và công thức sơ bộ kích thước cấu kiện. Tác giả lựa chọn hệ kết cấu khung vách lõi toàn khối, trong đó hệ khung chịu tải trọng đứng và vách/lõi thang máy chịu phần lớn tải trọng ngang. Hệ sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối được chọn với chiều dày sơ bộ xác định theo công thức:

$$h_s = \frac{D \cdot l_1}{m} = 120\text{ mm}$$

Kích thước dầm chính được chọn $300 \times 700\text{ mm}$ cho nhịp lớn nhất $L = 8,6\text{ m}$; dầm phụ chọn $300 \times 600\text{ mm}$. Tiết diện cột được sơ bộ dựa trên diện truyền tải và tải trọng đơn vị tương đương, phân chia thay đổi tiết diện theo chu kỳ 3 tầng một lần. Vách lõi cứng được chọn bề dày $300\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện $t \ge 200\text{ mm}$ và $t \ge h_{\text{tầng}}/20 = 3500/20 = 175\text{ mm}$.

Chương 3. Thiết kế cầu thang tầng 2 lên tầng 3

Chương 3 tính toán chi tiết cầu thang bộ 2 vế dạng bản đặt giữa trục 3–4 và trục C–D. Chiều cao tầng là 3.500 mm, gồm 25 bậc thang (vế 1 gồm 13 bậc, vế 2 gồm 12 bậc), chiều cao mỗi bậc $h_{\text{bậc}} = 140\text{ mm}$, bề rộng bậc $b = 300\text{ mm}$. Chiều dày bản thang xiên chọn $h_b = 130\text{ mm}$, dầm chiếu tới có tiết diện $250 \times 350\text{ mm}$.

Tải trọng tác dụng lên bản thang xiên bao gồm tĩnh tải bản thân các lớp cấu tạo ($g^{tt} = 5,5\text{ kN/m}^2$) và hoạt tải tính toán ($p^{tt} = 3 \times 1,2 = 3,6\text{ kN/m}^2$). Bản thang được mô hình hóa dưới dạng dải bản phẳng $1\text{ m}$ chịu uốn 1 phương trên SAP2000. Nội lực uốn lớn nhất tại bản xiên đạt $M = 9,93\text{ kNm}$, lực cắt lớn nhất $Q = 20\text{ kN}$. Kết quả kiểm tra cho thấy bê tông đủ khả năng chịu cắt ($Q_{b,BT} = 0,31\text{ kN}$). Bản thang được bố trí thép dọc $\Phi 10$, dầm chiếu tới chịu mô men $M = 84,42\text{ kNm}$ được bố trí thép dọc $\Phi 20$ và cốt đai $\Phi 8a200$.

Chương 4. Tính toán và cấu tạo sàn tầng điển hình

Chương 4 tập trung mô hình hóa và thiết kế sàn tầng 3 dày 120 mm trên phần mềm SAFE 2016. Sơ đồ tính gắn kết nối cứng giữa bản sàn với hệ dầm chính, dầm phụ và cột đỡ tầng trên/tầng dưới. Các lớp hoàn thiện sàn khu ở và hành lang có tĩnh tải tính toán $1,75\text{ kN/m}^2$, tĩnh tải tường xây 100 mm và 200 mm được gán trực tiếp lên sàn và dầm.

Hoạt tải sàn được gán theo tiêu chuẩn TCVN 2737:2023 với các trường hợp chất tải: hoạt tải chất đầy (HT1), hoạt tải chất ô cờ (HT2, HT3) và các trường hợp hoạt tải liền nhịp (HT4 đến HT10). Các tổ hợp tải trọng COMB1 đến COMB10 cùng tổ hợp bao (BAO) được thiết lập để xác định trường mô men uốn $M_{11}, M_{22}$. Tác giả thực hiện chia dải strip theo hai phương X, Y để xuất nội lực tính toán diện tích cốt thép, đồng thời thiết lập các tổ hợp phi tuyến kiểm tra độ võng tức thời, độ võng dài hạn ($f_1, f_2, f_3$) và độ mở rộng vết nứt ngắn hạn, dài hạn ($Arc1, Arc2$).

Chương 5. Tính toán động lực lên công trình

Chương 5 phân tích phản ứng động lực học của công trình dưới tác động của tải trọng gió và động đất. Tải trọng gió được tính toán theo TCVN 2737:2023 và TCXD 229:1999, bao gồm thành phần tĩnh và thành phần động thông qua hệ số giật $G_{fx}$ và $G_{fy}$. Tải trọng động đất được xác định theo TCVN 9386:2012 dựa trên phổ phản ứng gia tốc thiết kế theo phương ngang.

Mô hình không gian trên ETABS 20 cho phép trích xuất các kết quả kiểm tra sự làm việc tổng thể của tòa nhà:

  • Chuyển vị đỉnh công trình theo phương X và phương Y dưới tác động của gió và động đất.
  • Chuyển vị lệch tầng giữa các tầng liền kề nhằm đảm bảo giới hạn biến dạng cho kết cấu bao che và khung chịu lực.
  • Khả năng chống trượt và chống lật của toàn bộ khối công trình tại mặt tiếp xúc móng.

Chương 7. Thiết kế khung công trình

Chương 7 triển khai tính toán cốt thép cho các cấu kiện khung không gian được xuất nội lực từ mô hình ETABS 20. Nội dung thiết kế bao gồm:

  • Tính toán dầm: Thiết kế dầm khung trục ED và trục DC; kiểm tra khả năng chịu mô men uốn, lực cắt và hàm lượng cốt thép ($\mu%$). Gia cường cốt treo đai tại vị trí dầm phụ gác lên dầm chính.
  • Tính toán cột: Thiết kế cột biên C1, cột giữa C10 và C11 chịu nén uốn lệch tâm xiên; tính toán cốt thép dọc và bố trí cốt đai gia cường tại vùng nối và chân cột.
  • Thiết kế vách lõi: Phân chia vách lõi thang máy P1, vách P2, vách P3 thành các phần tử pier/spandrel để tính toán lực dọc, mô men trong mặt phẳng và lực cắt tầng, từ đó bố trí thép lưới và thép gia cường mép vách.

Chương 8. Thiết kế móng

Chương 8 phân tích điều kiện địa chất công trình gồm 5 lớp đất và chọn giải pháp móng cọc ly tâm ứng suất trước Phan Vũ. Sức chịu tải của cọc đơn được xác định và đối chứng qua 3 phương pháp: theo chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất, theo cường độ đất nền và theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).

Các nhóm đài móng M1, M2, M3 được mô hình hóa trong SAFE dưới dạng bản dày gắn lò xo đại diện cho độ cứng của cọc. Tác giả kiểm tra phản lực đầu cọc so với sức chịu tải cho phép, xác định kích thước khối móng quy ước để tính toán độ lún công trình và chia dải strip để tính toán cốt thép đài móng theo hai phương.

Chương 9. Biện pháp thi công cọc ép

Chương 9 lập quy trình biện pháp kỹ thuật thi công hạ cọc ly tâm ứng suất trước bằng máy ép robot Sunward ZYJ 1060b-III. Trình tự thi công được chi tiết hóa từ công tác trắc đạc định vị, chuẩn bị mặt bằng và cọc thương phẩm, tiến hành ép đoạn cọc dẫn đầu tiên, hàn nối và ép các đoạn cọc thứ 2 và thứ 3 đến cao độ thiết kế đạt lực ép quy định ($P_{min} \le P_{ép} \le P_{max}$). Chương này cũng đề ra quy trình kiểm soát các sự cố uốn nghiêng cọc, nứt đầu cọc và các biện pháp an toàn lao động trong suốt quá trình vận hành thiết bị ép cọc.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật công trình nhà cao tầng với các kết quả định lượng cụ thể:

  1. Xác lập hệ kết cấu chịu lực tối ưu: Hệ khung vách lõi bê tông cấp độ bền B30 kết hợp thép CB400-V và CB240-T đáp ứng đầy đủ các điều kiện về độ bền, độ cứng và ổn định không gian cho tòa nhà cao 68,4 m.
  2. Thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chuẩn hóa: Xác định chính xác diện tích cốt thép cho bản sàn tầng điển hình 120 mm (kiểm tra thỏa mãn nứt và võng), cầu thang 2 vế 25 bậc, dầm khung (ED, DC), cột nén lệch tâm xiên (C1, C10, C11) và các vách lõi chịu lực (P1, P2, P3).
  3. Giải pháp nền móng và thi công đồng bộ: Lựa chọn cọc ly tâm ứng suất trước Phan Vũ kết hợp đài móng M1, M2, M3; tính toán độ lún theo khối móng quy ước và xây dựng quy trình thi công ép cọc bằng robot Sunward ZYJ 1060b-III đảm bảo tiến độ và giảm thiểu chấn động đến môi trường xung quanh.
  4. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế mới: Vận dụng đồng bộ tiêu chuẩn tải trọng TCVN 2737:2023 (tính toán gió động theo hệ số giật) kết hợp tiêu chuẩn thiết kế bê tông TCVN 5574:2018 và tiêu chuẩn động đất TCVN 9386:2012.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi tính toán chi tiết của đồ án tập trung vào các cấu kiện đại diện (sàn tầng 3, thang tầng 2-3, một số khung và cột điển hình C1, C10, C11, móng M1-M3); giả thiết tải trọng phân bố sàn $q$ khi sơ bộ tiết diện cột mang tính chất gần đúng; mô hình móng cọc chưa xét đến bài toán tương tác phi tuyến phức tạp giữa đất – cọc – kết cấu (SSI) trong miền thời gian.
  • Hướng phát triển tiếp theo: Mở rộng tự động hóa tính toán thiết kế cho toàn bộ các cấu kiện còn lại của công trình; nghiên cứu mô phỏng động đất theo phương pháp phân tích phi tuyến lịch sử thời gian (Nonlinear Time-History Analysis); đánh giá so sánh hiệu quả kinh tế – kỹ thuật giữa phương án sàn dầm truyền thống và sàn phẳng bê tông ứng suất trước căng sau đối với công trình có khẩu độ nhịp $8,6\text{ m}$.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu dành cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp: Làm tài liệu mẫu cho đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng công trình cao tầng, tham khảo phương pháp lập thuyết minh, bố cục bản vẽ và quy trình tính toán cấu kiện từ kiến trúc, thân nhà đến nền móng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu: Tham khảo quy trình áp dụng tiêu chuẩn tải trọng TCVN 2737:2023 (phân tích thành phần động của gió qua hệ số giật $G_f$) và TCVN 5574:2018 trong việc lập mô hình số trên ETABS 20 và SAFE 2016.
  • Kỹ sư giám sát và quản lý thi công: Tham khảo quy trình công nghệ ép cọc ly tâm ứng suất trước bằng robot tự hành và các biện pháp xử lý sự cố ép cọc tại hiện trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Chung cư 219 Thạch Lam có quy mô hình học và phân chia công năng như thế nào?
Công trình có diện tích xây dựng mặt bằng 1.474 m², chiều cao 68,4 m tính từ cốt $\pm0,000$, gồm 01 tầng hầm (cao độ -2,70 m dùng để xe và đặt phòng kỹ thuật), tầng trệt (sảnh đón, trung tâm thương mại dịch vụ), 18 tầng căn hộ chung cư (từ tầng 1 đến tầng 18, chiều cao tầng điển hình 3,5 m) và 01 tầng sân thượng/mái đặt bồn nước inox cùng phòng kỹ thuật.

2. Hệ kết cấu chịu lực chính của công trình được lựa chọn dựa trên nguyên lý nào?
Công trình sử dụng hệ kết cấu khung vách lõi bê tông cốt thép toàn khối kết hợp sàn sườn (dầm – bản). Hệ khung cột dầm chịu tải trọng thẳng đứng, trong khi hệ thống vách và lõi thang máy chịu tải trọng ngang (gió, động đất) và tăng độ cứng chống xoắn cho toàn bộ tòa nhà.

3. Vật liệu bê tông và cốt thép được quy định với các thông số tính toán nào?
Đồ án sử dụng bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,15\text{ MPa}$, $E_b = 32,5 \times 10^3\text{ MPa}$); cốt thép dọc chịu lực có đường kính $\ge \Phi 10$ dùng loại CB400-V ($R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$); cốt thép đai, thép bản sàn và thang có đường kính $< \Phi 10$ dùng loại CB240-T ($R_s = R_{sc} = 210\text{ MPa}$).

4. Giải pháp nền móng và thiết bị hạ cọc được lựa chọn trong đồ án là gì?
Đồ án lựa chọn giải pháp móng cọc ly tâm ứng suất trước của nhà sản xuất Phan Vũ kết hợp hệ đài móng bê tông cốt thép (M1, M2, M3). Thiết bị thi công hạ cọc được lựa chọn là máy robot ép cọc tự hành Sunward ZYJ 1060b-III.

5. Sàn tầng điển hình (tầng 3) được kiểm tra theo những trạng thái giới hạn nào trên SAFE 2016?
Sàn tầng 3 dày 120 mm được phân tích nội lực qua 10 trường hợp hoạt tải (chất đầy, ô cờ, liền nhịp) và tổ hợp bao; cốt thép được tính theo dải strip theo 2 phương X và Y; đồng thời được kiểm tra trạng thái giới hạn II gồm kiểm tra độ võng tức thời, độ võng dài hạn ($f_1, f_2, f_3$) và kiểm tra bề rộng khe nứt ngắn hạn, dài hạn ($Arc1, Arc2$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Dự án Chung cư 219 Thạch Lam" của sinh viên Thạch Chí Hiếu là một công trình thiết kế kỹ thuật xây dựng hoàn chỉnh và chuẩn mực cho loại hình nhà cao tầng bê tông cốt thép. Đề tài đã giải quyết đồng bộ từ việc tổ chức không gian kiến trúc, lựa chọn vật liệu B30 và thép CB400-V, phân tích động lực học kết cấu khung vách lõi trên ETABS, đến thiết kế chi tiết sàn tầng, cầu thang, móng cọc ly tâm ứng suất trước trên SAFE và lập biện pháp thi công ép cọc bằng robot. Công trình tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng mới nhất (TCVN 5574:2018, TCVN 2737:2023, TCVN 9386:2012), mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cao cho công tác đào tạo kỹ sư và thiết kế kết cấu công trình dân dụng.