Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
- Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn: Quá trình đô thị hóa nhanh chóng và nhu cầu nâng cao chất lượng sống của cư dân đô thị đòi hỏi việc phát triển các công trình nhà ở cao tầng tiện nghi, hiện đại nhằm thay thế các khu dân cư cũ xuống cấp và tối ưu hóa quỹ đất. Đồ án tốt nghiệp thực hiện thiết kế công trình "Chung cư An Phú" nhằm giải quyết bài toán không gian ở chất lượng cao, đồng thời góp phần chỉnh trang cảnh quan đô thị tại khu vực phát triển năng động của Thành phố Hồ Chí Minh.
- Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu/thiết kế:
- Về kiến trúc: Thể hiện và hiệu chỉnh cao độ, không gian chức năng của công trình dựa trên hồ sơ kiến trúc ban đầu theo hướng dẫn của giảng viên.
- Về kết cấu:
- Lựa chọn giải pháp kết cấu phần thân và phần ngầm phù hợp với quy mô công trình.
- Mô hình hóa, phân tích nội lực và tính toán cốt thép cho sàn tầng điển hình theo phương án sàn sườn bê tông cốt thép (BTCT).
- Tính toán, thiết kế kết cấu cầu thang bộ điển hình (bản nghiêng, chiếu nghỉ, dầm thang).
- Xây dựng mô hình không gian tổng thể khung chịu lực gồm hệ dầm, cột, vách phẳng và lõi thang máy; tính toán và bố trí cốt thép chịu lực, cốt đai, cốt treo, neo nối.
- Phân tích địa chất, xác định sức chịu tải cọc, mô hình và thiết kế móng cọc khoan nhồi (đài móng M1, M2, M3).
- Sản phẩm bàn giao: 01 tập thuyết minh tính toán, 01 tập phụ lục và 17 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (gồm 6 bản vẽ kiến trúc và 11 bản vẽ kết cấu).
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Giải pháp kết cấu chịu lực bê tông cốt thép toàn khối của khối nhà cao tầng.
- Phạm vi không gian: Công trình Chung cư An Phú gồm 18 tầng nổi, 1 tầng thượng, 1 tầng mái và 2 tầng hầm; tọa lạc tại trung tâm Khu đô thị mới Thảo Điền, Quận 2 (nay thuộc Thành phố Thủ Đức), Thành phố Hồ Chí Minh.
- Phạm vi thời gian: Đồ án thực hiện từ ngày 11/01/2024 đến ngày 14/06/2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
- Khung tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật áp dụng:
- Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737:2023 (Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế), xác định tĩnh tải, hoạt tải sử dụng và tải trọng gió động áp dụng chu kỳ lặp và dạng địa hình C.
- Tiêu chuẩn kháng chấn: TCVN 9386:2012 (Thiết kế công trình chịu động đất), sử dụng phương pháp phổ phản ứng dao động đàn hồi.
- Tiêu chuẩn kết cấu bê tông cốt thép: TCXD 198:1997 (Nhà cao tầng – Thiết kế bê tông cốt thép toàn khối) dùng cho sơ bộ kích thước vách, lõi và cấu tạo; tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép hiện hành về trạng thái giới hạn I (khả năng chịu lực) và trạng thái giới hạn II (độ võng, nứt).
- Tiêu chuẩn nền móng: TCVN 10304:2014 (Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế), tính toán sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, chỉ tiêu cường độ đất nền (Phụ lục G2) và chỉ số SPT theo công thức của Viện Kiến trúc Nhật Bản (AIJ).
- Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế:
- Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM): Xây dựng mô hình không gian 3D tổng thể công trình trên phần mềm chuyên dụng ETABS để xác định chu kỳ dao động riêng, dạng dao động, ma trận khối lượng (
Mass Source), kiểm tra ổn định tổng thể (chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh, chuyển vị lệch tầng, hiệu ứng P-Delta, ổn định chống lật) và trích xuất nội lực dầm, cột, vách, lõi thang.
- Phương pháp dải bản tử (Strip-based FEM): Sử dụng phần mềm SAFE 16 để phân tích mô hình sàn tầng điển hình và đài móng, tính toán biểu đồ mô-men uốn theo các dải dầm ảo (
Design Strip), kiểm tra độ võng dài hạn của sàn theo TTGH II và tính toán thép đài cọc.
- Phương pháp giải tích: Áp dụng các công thức giải tích theo trạng thái giới hạn để tính toán tải trọng gió giật ($G_f$), kiểm tra điều kiện chọc thủng đài móng, áp lực đáy khối móng quy ước, tính cốt đai, cốt treo dầm phụ và chiều dài neo cốt thép.
- Nguồn dữ liệu đầu vào:
- Hồ sơ thiết kế kiến trúc công trình Chung cư An Phú (đã hiệu chỉnh kích thước theo yêu cầu học thuật).
- Báo cáo kết quả khảo sát địa chất công trình tại khu đất xây dựng Thảo Điền, Quận 2, TP.HCM (gồm hình trụ hố khoan, các chỉ tiêu cơ lý đất nền và số liệu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT).
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Hệ thống kết cấu công trình được lựa chọn và triển khai đồng bộ từ phần thân đến phần ngầm:
1. Quy cách vật liệu sử dụng
| STT |
Cấu kiện áp dụng |
Loại vật liệu |
Thông số cơ lý chính |
| 1 |
Bê tông dầm, sàn, cột, vách, vách lõi, cầu thang, đài móng, bể nước |
Bê tông B30 |
$R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1.2\text{ MPa}$, $E_b = 32500\text{ MPa}$ |
| 2 |
Cốt thép đai dầm, sàn, cột, vách, cầu thang |
Thép CB240-T |
$R_s = R_{sc} = 210\text{ MPa}$, $R_{sw} = 170\text{ MPa}$ |
| 3 |
Cốt thép dọc chịu lực cho dầm, cột, sàn, cọc khoan nhồi, vách và lõi thang |
Thép CB400-V |
$R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$, $R_{sw} = 280\text{ MPa}$ |
2. Kích thước hình học cấu kiện sơ bộ
- Bản sàn: Chiều dày ô sàn lớn nhất kích thước $10\text{m} \times 10\text{m}$ được chọn là $h_s = 170\text{ mm}$ (áp dụng cho Tầng 2 đến Tầng mái); sàn Tầng hầm và Tầng 1 chọn $h_s = 200\text{ mm}$.
- Hệ dầm: Dầm chính nhịp $L = 10\text{m}$ có tiết diện $300 \times 700\text{ mm}$; dầm phụ nhịp $l = 10\text{m}$ có tiết diện $250 \times 550\text{ mm}$.
- Hệ vách và lõi thang: Bố trí vách phẳng và lõi cứng bê tông cốt thép toàn khối với chiều dày đồng nhất $t = 300\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện $t \ge 150\text{ mm}$ và $t \ge H_{tầng}/20$).
- Hệ cột: Cột giữa chịu tải trọng lớn có tiết diện sơ bộ $800 \times 1000\text{ mm}$ ($F_{chọn} = 8000\text{ cm}^2$); cột biên có tiết diện sơ bộ $700 \times 900\text{ mm}$ ($F_{chọn} = 6300\text{ cm}^2$).
- Giải pháp phần ngầm: Do công trình quy mô 18 tầng nổi kèm 2 tầng hầm tạo ra lực nén đứng và mô-men lật lớn, giải pháp móng sâu sử dụng hệ cọc khoan nhồi liên kết đài móng BTCT toàn khối.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC CÔNG TRÌNH
- Phân tích bối cảnh phát triển đô thị và nhu cầu nhà ở tại khu vực Thảo Điền, Quận 2, TP.HCM.
- Đánh giá hiện trạng khu đất: địa hình bằng phẳng, tiếp giáp trục giao thông chính, mạng lưới cấp điện và cấp nước hoàn thiện, không có chướng ngại công trình ngầm cũ.
- Trình bày tổng mặt bằng, các mặt đứng chính, mặt cắt và bố trí công năng chi tiết cho từng cao độ: Mặt bằng Tầng hầm 1, Mặt bằng Tầng hầm 2 (bố trí bãi đỗ xe và khu kỹ thuật), Mặt bằng Tầng trệt (khu thương mại, sinh hoạt cộng đồng), Mặt bằng Tầng điển hình từ Tầng 2 đến Tầng 18 (căn hộ ở).
CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP KẾT CẤU
- So sánh ưu nhược điểm của các sơ đồ kết cấu chịu lực phương đứng (khung thuần túy, vách cứng – lõi cứng, hệ khung – giằng, hệ kết cấu đặc biệt) và phương ngang (sàn sườn, sàn không dầm, sàn ứng lực trước, sàn panel lắp ghép, sàn bóng BubbleDeck/U-Boot).
- Quyết định lựa chọn hệ kết cấu khung – vách/lõi BTCT kết hợp sàn sườn toàn khối cho phần thân và cọc khoan nhồi cho phần ngầm.
- Thiết lập các thông số vật liệu thiết kế (bê tông B30, thép CB240-T và CB400-V), quy định chiều dày lớp bê tông bảo vệ và khoảng cách thông thủy cốt thép.
- Thực hiện tính toán sơ bộ tiết diện toàn bộ cấu kiện: chiều dày sàn ($170 - 200\text{ mm}$), dầm chính ($300 \times 700\text{ mm}$), dầm phụ ($250 \times 550\text{ mm}$), vách lõi ($300\text{ mm}$), cột giữa ($800 \times 1000\text{ mm}$) và cột biên ($700 \times 900\text{ mm}$).
CHƯƠNG 3: TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG
- Xác định tĩnh tải hoàn thiện ($SDL$) cho sàn phòng ở, sàn khu vệ sinh, hành lang, ban công, mái theo TCVN 2737:2023.
- Tính toán tải trọng tường xây gạch nung truyền lên dầm tầng trệt, dầm sàn điển hình (tường T100, T200) và tường dầm biên sân thượng.
- Thiết lập giá trị hoạt tải phân bố ($LL$) cho từng phòng ban chức năng: phòng ở ($1.5\text{ kN/m}^2$, hệ số vượt tải $1.3 \rightarrow 1.95\text{ kN/m}^2$), nhà để xe/thương mại ($5.0\text{ kN/m}^2$, hệ số vượt tải $1.2 \rightarrow 6.0\text{ kN/m}^2$), khu vệ sinh ($1.4\text{ kN/m}^2$).
- Tính toán tải trọng gió theo TCVN 2737:2023: địa hình C, vùng gió II ($W_0 = 0.95\text{ kN/m}^2$), áp lực gió 3s chu kỳ lặp 10 năm ($W_{3s,10} = \gamma_T W_0 = 0.852 \times 0.95\text{ kN/m}^2$). Do chu kỳ dao động riêng thứ nhất $T_1 = 2.7681\text{ s} > 1.0\text{ s}$, tiến hành xác định hệ số phản ứng giật $G_f$ theo cả hai phương X và Y thông qua tính toán độ rối $I(Z_s)$, hệ số phản ứng cộng hưởng $R$ và tần số riêng $n_1$.
- Khai báo tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản ứng đàn hồi (TCVN 9386:2012) và thiết lập tổ hợp tải trọng theo Trạng thái giới hạn I (TTGH I) và Trạng thái giới hạn II (TTGH II).
- Thực hiện kiểm tra an toàn tổng thể: chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh công trình, chuyển vị lệch tầng, ảnh hưởng hiệu ứng P-Delta và hệ số ổn định chống lật.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SÀN TẦNG ĐIỂN HÌNH
- Lập sơ đồ tính toán sàn tầng điển hình sử dụng phần mềm SAFE 16.
- Gán tải trọng bản thân, tĩnh tải hoàn thiện và hoạt tải sử dụng theo từng dải ô sàn.
- Phân tích biểu đồ mô-men uốn theo các dải Strip phương X và phương Y.
- Kiểm tra trạng thái giới hạn II về độ võng dài hạn của bản sàn dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn.
- Bố trí cốt thép chịu mô-men dương (lớp dưới) và mô-men âm (lớp trên tại gối dầm).
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ CẦU THANG TẦNG ĐIỂN HÌNH
- Thu thập thông số hình học cầu thang bộ 2 vế dạng bản dầm.
- Xác định tĩnh tải các lớp cấu tạo bản nghiêng, bản chiếu nghỉ và hoạt tải sử dụng trên thang.
- Tách sơ đồ tính cho bản thang vế 1, vế 2 và dầm chiếu nghỉ/dầm chiếu tới.
- Vẽ biểu đồ nội lực mô-men uốn và lực cắt tác dụng; tính toán diện tích cốt thép dọc chịu kéo cho bản thang và cốt đai/cốt dọc cho dầm thang.
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ KHUNG ĐIỂN HÌNH
- Trích xuất nội lực từ mô hình không gian ETABS cho hệ khung dầm – cột – vách – lõi.
- Thiết kế dầm: Tính toán cốt thép dọc chịu uốn, cốt thép đai chịu cắt, kiểm tra khả năng chịu kéo của cốt treo tại vị trí dầm phụ kê lên dầm chính, tính toán chiều dài neo và nối cốt thép cho dầm tầng 2.
- Thiết kế cột: Tính toán cốt thép dọc chịu nén uốn lệch tâm xiên và cốt thép đai hạn chế biến dạng nở hông.
- Thiết kế vách phẳng: Áp dụng phương pháp vùng biên chịu mô-men để phân bổ cốt thép tập trung ở biên vách và cốt thép phân bố thân vách; tính toán cốt đai chống cắt cho vách PB1.
- Thiết kế lõi thang máy: Áp dụng phương pháp ứng suất đàn hồi, chia nhỏ các phần tử pier/spandrel để xác định nội lực tập trung, tính toán bố trí cốt thép dọc và cốt đai cho thành lõi.
CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CHO CÔNG TRÌNH
- Phân tích thống kê địa tầng hố khoan và kết quả thí nghiệm SPT tại hiện trường.
- Lựa chọn giải pháp cọc khoan nhồi BTCT đường kính lớn cắm vào tầng đất tốt.
- Tính toán sức chịu tải thiết kế của cọc đơn dựa trên: sức chịu tải vật liệu ($R_c$), sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và sức chịu tải theo chỉ tiêu SPT (công thức Nhật Bản).
- Thiết kế chi tiết các loại đài móng cọc đại diện (Móng M1, Móng M2, Móng M3 - đài lõi thang):
- Xác định kích thước mặt bằng đài móng, bố trí vị trí tim cọc và tính toán độ cứng cọc.
- Kiểm tra phản lực đầu cọc lớn nhất và nhỏ nhất ($R_{max}, R_{min}$) dưới các tổ hợp tải trọng chân cột.
- Kiểm tra áp lực tiêu chuẩn và điều kiện ổn định nền dưới đáy khối móng quy ước.
- Kiểm tra điều kiện bền chọc thủng đài móng do cột và do cọc gây ra.
- Tính toán diện tích cốt thép đài móng theo mô-men uốn lớn nhất từ phần mềm và giải tích.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả tính toán kỹ thuật chính:
- Đặc trưng dao động công trình: Chu kỳ dao động riêng thứ nhất xác định từ mô hình ETABS đạt $T_1 = 2.7681\text{ s}$, xác nhận công trình thuộc dạng kết cấu mềm chịu tác động đáng kể của thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:2023.
- Tính toán tải trọng gió động: Hệ số hiệu ứng giật $G_f$ được xác định riêng biệt theo hai phương chính (phương X đạt $G_f \approx 1.8 - 2.0$ phụ thuộc vào hệ số độ rối $I(Z_s)$ và phản ứng cộng hưởng $R$).
- Ổn định tổng thể: Toàn bộ các chỉ tiêu chuyển vị ngang đỉnh tháp, độ lệch tầng tương đối giữa các tầng kế cận, gia tốc đỉnh và an toàn chống lật đều nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng.
- Thiết kế cấu kiện: Xác lập hàm lượng cốt thép hợp lý cho dầm chính ($300 \times 700\text{ mm}$), dầm phụ ($250 \times 550\text{ mm}$), cột chịu lực kích thước lên tới $800 \times 1000\text{ mm}$, hệ vách/lõi dày $300\text{ mm}$ và hệ thống đài móng cọc khoan nhồi M1, M2, M3.
- Giải pháp và đề xuất của tác giả:
- Lựa chọn hệ kết cấu hỗn hợp khung – vách – lõi BTCT toàn khối làm việc đồng thời để triệt tiêu chuyển vị ngang lớn do tải trọng gió và động đất gây ra ở công trình 18 tầng.
- Tích hợp phương pháp vùng biên chịu mô-men trong tính toán vách phẳng và phương pháp ứng suất đàn hồi cho vách lõi nhằm đảm bảo vùng biên cấu kiện chịu được ứng suất tập trung cao.
- Kết hợp sử dụng phần mềm SAFE để kiểm soát chính xác độ võng dài hạn của bản sàn mỏng ($170\text{ mm}$) và phân bổ nội lực phức tạp trong đài móng cọc lõi thang máy.
- Đóng góp của đồ án:
- Ứng dụng đầy đủ quy trình tính toán tải trọng gió động mới theo Tiêu chuẩn TCVN 2737:2023 vào một công trình thực tế cao tầng tại khu vực TP.HCM.
- Xây dựng quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ kiến trúc, kết cấu phần thân đến nền móng, đảm bảo tính liên tục của sơ đồ truyền lực từ sàn $\rightarrow$ dầm $\rightarrow$ cột/vách/lõi $\rightarrow$ đài móng $\rightarrow$ cọc khoan nhồi $\rightarrow$ địa tầng đất nền.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Đồ án tập trung tính toán chi tiết cho các cấu kiện điển hình (sàn tầng điển hình, dầm tầng 2, cột, vách PB1, móng M1, M2, M3) mà chưa thể hiện bảng tính chi tiết cho toàn bộ các cấu kiện khác trong toàn tòa nhà.
- Số liệu địa chất và kiến trúc sử dụng các thông số giả định/hiệu chỉnh phục vụ mục đích đào tạo tốt nghiệp.
- Chưa đi sâu phân tích phi tuyến hình học và vật liệu dưới tác động của động đất mức độ cực đại (Push-over analysis).
- Hướng phát triển/mở rộng:
- Mở rộng nghiên cứu ứng xử tương tác động lực học giữa đất nền - móng - kết cấu phần thân (Soil-Structure Interaction - SSI).
- Nghiên cứu tối ưu hóa tiết diện cột và chiều dày vách thay đổi giảm dần theo chiều cao công trình để tiết kiệm vật liệu và giảm tải trọng bản thân tác dụng xuống nền móng.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng sử dụng:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp làm đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Bê tông cốt thép 2, Nhà cao tầng, Công trình ngầm và Nền móng.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu mới vào nghề cần tài liệu tham khảo về các bước tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn mới TCVN 2737:2023 và tính toán vách/lõi theo TCXD 198:1997.
- Nội dung có giá trị tham khảo cao:
- Bảng tra và công thức chi tiết xác định hệ số khí động $C_x, C_y$, hệ số giật $G_f$, độ rối $I(Z_s)$ trong tính toán gió động theo TCVN 2737:2023.
- Trình tự thiết kế vách phẳng theo phương pháp vùng biên chịu mô-men và thiết kế lõi thang máy bằng phương pháp ứng suất đàn hồi.
- Quy trình mô hình hóa, gán tải trọng và kiểm tra độ võng sàn bằng phần mềm SAFE 16.
Câu hỏi thường gặp
1. Công trình Chung cư An Phú có quy mô tầng và mặt bằng như thế nào?
Công trình gồm 18 tầng nổi (tầng 1 đến tầng 18), 1 tầng thượng, 1 tầng mái và 2 tầng hầm. Ô sàn lớn nhất trên mặt bằng có kích thước $10\text{m} \times 10\text{m}$. Chiều cao tính toán đón gió của công trình là khoảng $67.2\text{ m}$.
2. Vật liệu bê tông và cốt thép được lựa chọn cho công trình là loại nào?
Toàn bộ kết cấu dầm, sàn, cột, vách, lõi, đài móng sử dụng bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}, R_{bt} = 1.2\text{ MPa}, E_b = 32500\text{ MPa}$). Cốt thép chịu lực chính sử dụng loại CB400-V ($R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$), cốt thép đai và cốt cấu tạo sử dụng loại CB240-T ($R_s = R_{sc} = 210\text{ MPa}$).
3. Tại sao công trình phải tính toán hệ số phản ứng lực giật $G_f$ cho tải trọng gió?
Theo TCVN 2737:2023, đối với công trình có chu kỳ dao động riêng cơ bản thứ nhất $T_1 > 1.0\text{ s}$ (công trình này có $T_1 = 2.7681\text{ s}$ ở Mode 1), kết cấu được phân loại là kết cấu mềm và bắt buộc phải tính toán hệ số hiệu ứng giật $G_f$ thay vì lấy giá trị mặc định $0.85$.
4. Giải pháp nền móng được lựa chọn cho công trình là gì và căn cứ vào đâu?
Tác giả lựa chọn giải pháp móng sâu sử dụng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép. Lý do là công trình cao 18 tầng cùng 2 tầng hầm tạo ra tải trọng nén đứng rất lớn kết hợp mô-men lật do gió và động đất cao, khiến các phương án móng nông (móng đơn, móng băng, móng bè) không đảm bảo khả năng chịu lực và lún.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Chung cư An Phú" của sinh viên Ngô Nguyễn Khánh Duy đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kiến trúc và kết cấu cho công trình nhà ở cao tầng 18 tầng nổi và 2 tầng hầm tại TP.HCM. Tác giả đã áp dụng nghiêm ngặt hệ thống tiêu chuẩn thiết kế xây dựng mới, nổi bật là việc tính toán tải trọng gió động theo TCVN 2737:2023 và tính toán kháng chấn theo TCVN 9386:2012. Bằng việc phối hợp giữa các công cụ mô hình hóa phần tử hữu hạn ETABS, SAFE và phương pháp giải tích giải quyết từ kết cấu phần thân đến móng cọc khoan nhồi, đồ án mang lại giá trị thực tiễn và tính chuẩn mực học thuật cao cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng.
