Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Chung cư Azure Sky Tower" do sinh viên Nguyễn Lê Khang (Khoa Đào tạo Chất lượng cao / Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tổng. Công trình được nghiên cứu và thiết kế trong bối cảnh phát triển đô thị tại Thành phố Hồ Chí Minh, đáp ứng nhu cầu nhà ở kết hợp thương mại dịch vụ hiện đại.

  • Vị trí và quy mô xây dựng: Dự án tọa lạc tại mặt tiền đường Phạm Thế Hiển, Quận 8, TP. Hồ Chí Minh. Chiều cao tổng thể công trình là 61,60 m tính từ mặt đất tự nhiên (chiều cao hình học kết cấu 61,10 m). Quy mô gồm 2 tầng hầm và 18 tầng nổi.
  • Phân cấp công trình: Công trình dân dụng cấp I (theo Bảng 2, Phụ lục II, QCVN 03:2022/BXD) và cấp công trình II theo mức độ quan trọng khi tính toán kháng chấn.
  • Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế (theo phân công của GVHD):
    1. Thể hiện hồ sơ bản vẽ kiến trúc công trình.
    2. Mô hình, phân tích, tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình (phương án sàn dầm).
    3. Mô hình, phân tích, tính toán và thiết kế cầu thang bộ điển hình.
    4. Mô hình không gian 3D, phân tích nội lực, tính toán cốt thép hệ khung gồm dầm, vách đơn và vách lõi thang máy (theo chỉ định).
    5. Mô hình, phân tích, tính toán và thiết kế hệ móng cọc khoan nhồi và đài móng.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ hệ thống kết cấu chịu lực bê tông cốt thép toàn khối của công trình Chung cư Azure Sky Tower, dựa trên hồ sơ kiến trúc và hồ sơ khảo sát địa chất được cung cấp tại địa điểm xây dựng Quận 8, TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn áp dụng

Quá trình tính toán, phân tích kết cấu và tải trọng của đồ án tuân thủ hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành tại Việt Nam:

STT Ký hiệu tiêu chuẩn / quy chuẩn Tên văn bản
1 QCVN 02:2022/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng
2 QCVN 03:2022/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phân cấp công trình phục vụ thiết kế xây dựng
3 QCVN 06:2021/BXD & QCVN 06-2010/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia an toàn cháy cho nhà và công trình
4 TCVN 2737:2023 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế
5 TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế
6 TCVN 10304:2014 Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế
7 TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu động đất
8 TCVN 9362:2012 Thiết kế nền nhà và công trình
9 TCVN 9395:2012 Cọc khoan nhồi – Thi công và nghiệm thu
10 TCVN 9351:2012 Đất xây dựng - Phương pháp thí nghiệm hiện trường - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

Quan điểm và giả thuyết tính toán kết cấu

  • Sàn được giả thiết là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng bản sàn; liên kết giữa sàn vào cột, dầm, vách là liên kết ngàm cùng cao trình.
  • Bỏ qua biến dạng uốn ngoài mặt phẳng sàn lên các phần tử liên kết. Mọi thành phần chịu lực trên cùng một tầng có chuyển vị ngang như nhau.
  • Chân cột, chân vách và lõi cứng thang máy được ngàm chặt tại đỉnh đài móng.
  • Tải trọng ngang tác dụng lên công trình quy về lực tập trung đặt tại tâm cứng của từng tầng, sau đó phân phối vào hệ thống vách, lõi và khung dầm truyền xuống móng.

Phương pháp phân tích và công cụ tính toán

  • Phương pháp tính toán: Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô hình hóa kết cấu không gian 3D, giải bài toán truyền tải và phân tích động học, kết hợp phương pháp giải tích để kiểm tra chi tiết các cấu kiện riêng lẻ.
  • Công cụ phần mềm:
    • ETABS Nonlinear (phiên bản 9.1): Phân tích dao động, tính toán tải trọng gió động, phổ phản ứng động đất và xác định nội lực hệ khung không gian, dầm, vách đơn, lõi thang.
    • SAFE (phiên bản 12.0 Post Tensioning): Mô hình dải strip tính toán ứng suất, nội lực, độ võng dài hạn của sàn và mô hình đài móng cọc làm việc cùng hệ lò xo nền.
    • AutoCAD 2022: Triển khai hồ sơ bản vẽ kỹ thuật thi công.

Chỉ tiêu vật liệu sử dụng

  • Bê tông: Cấp độ bền B30 ($R_b = 17{,}0$ MPa, $R_{bt} = 1{,}15$ MPa, mô đun đàn hồi $E_b = 32{,}5 \times 10^3$ MPa) sử dụng cho cọc, đài móng, dầm, sàn, cột, vách và lõi thang; sử dụng xi măng PCB40/450, tỷ lệ Nước/Xi măng tối đa 0,40, cấp chống thấm W12.
  • Cốt thép:
    • Thép CB300-T ($R_s = R_{sc} = 260$ MPa, $R_{sw} = 210$ MPa, $E_s = 200000$ MPa) dùng cho cốt đai dầm, vách, cột ($\varnothing \le 10$ mm).
    • Thép CB500-V ($R_s = 435$ MPa, $R_{sc} = 400$ MPa, $E_s = 200000$ MPa) dùng cho cốt thép dọc chịu lực chính của dầm, vách, lõi, cọc và đài móng ($\varnothing > 10$ mm).
  • Lớp bê tông bảo vệ tối thiểu: Cọc và đài móng: 40 mm; Vách và lõi thang: 30 mm; Dầm và sàn: 25 mm; Cầu thang bộ: 20 mm.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN KIẾN TRÚC CÔNG TRÌNH

Chương này trình bày tổng quan về giải pháp kiến trúc, công năng mặt bằng và hệ thống kỹ thuật công trình:

  • Công năng mặt đứng: Tầng hầm B1 và B2 bố trí bãi đỗ xe và các bể kỹ thuật; Tầng 1 - 2 phục vụ khu thương mại, siêu thị, sảnh đón, văn phòng quản lý và một số căn hộ 2 tầng; Tầng 3 - 17 bố trí các căn hộ ở điển hình; Tầng 18 là tầng kỹ thuật và tum thang.
  • Hệ thống giao thông: Giao thông ngang sử dụng hành lang dạng chữ L thông thoáng; giao thông đứng phân bổ qua 2 cụm lõi thang máy (mỗi cụm gồm 2 buồng thang khách, 1 buồng thang kỹ thuật/chữa cháy) cùng hệ thống thang bộ thoát hiểm cách ly khói.
  • Hệ thống kỹ thuật hạ tầng: Tích hợp đồng bộ hệ thống cấp điện (lưới điện thành phố kết hợp máy phát điện dự phòng), hệ thống cấp thoát nước sinh hoạt và nước mưa tách riêng, hệ thống thông gió tự nhiên kết hợp cơ khí, hệ thống báo cháy - chữa cháy tự động dọc hành lang và hệ thống chống sét trực tiếp trên mái.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ THIẾT KẾ

Chương 2 luận chứng việc lựa chọn phương án kết cấu tối ưu dựa trên việc so sánh ưu nhược điểm các giải pháp kỹ thuật:

  • Phương án kết cấu chịu tải đứng: So sánh giữa sàn dầm, sàn phẳng và sàn ô cờ. Lựa chọn phương án hệ sàn dầm toàn khối vì phù hợp với nhịp sàn lớn nhất 8,50 m, mật độ tường xây ngăn phòng lớn, chiều cao tầng điển hình 3,25 m, thi công thuận tiện và cơ sở lý thuyết ổn định.
  • Phương án kết cấu chịu tải ngang: So sánh giữa hệ khung thuần túy, hệ vách - lõi và hệ khung giằng. Lựa chọn hệ kết cấu vách - lõi bê tông cốt thép nhằm tăng độ cứng kháng uốn và kháng xoắn cho công trình cao 18 tầng.
  • Phương án nền móng: Địa chất bề mặt là bùn sét yếu, tải trọng chân công trình lớn, do đó chọn móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng chịu lực sâu thay cho phương án cọc ép ly tâm (bị giới hạn tải trọng và chiều sâu ép).
  • Kích thước sơ bộ cấu kiện:
    • Vách phẳng: dày $b_w = 300$ mm; Vách lõi thang: dày $b_w = 250$ mm.
    • Sàn tầng điển hình: $h_s = 200$ mm; Sàn tầng hầm: $h_s = 300$ mm; Sàn ban công, lô gia, vệ sinh, sân thượng: $h_s = 170$ mm; Bản thang bộ: $h_s = 150$ mm.
    • Kích thước dầm chính điển hình: $b_d \times h_d = 300 \times 600$ mm.

CHƯƠNG 3. TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG

Chương 3 tổng hợp và xác định toàn bộ các loại tải trọng tác dụng lên công trình theo tiêu chuẩn mới TCVN 2737:2023 và TCVN 9386:2012:

  • Tĩnh tải hoàn thiện sàn ($g_{ht}$): Sàn sinh hoạt phòng ngủ/khách: 1,420 $\text{kN/m}^2$; Sàn vệ sinh, lô gia: 1,637 $\text{kN/m}^2$; Sàn sân thượng, mái: 1,337 $\text{kN/m}^2$.
  • Tải trọng tường xây: Tường dày 100 mm trên dầm có tải tiêu chuẩn 2,862 kN/m chiều cao; tường 200 mm trên dầm có tải 4,022 kN/m chiều cao. Tường xây trực tiếp trên sàn được quy đổi thành tải phân bố đều ($q^{tt}{wall} = 1{,}2 \times q^{tc}{wall}$).
  • Hoạt tải sử dụng ($p^{tc}$): Phòng ngủ, khách, vệ sinh: 1,95 $\text{kN/m}^2$; Ban công, lô gia, phòng kỹ thuật: 2,60 $\text{kN/m}^2$; Văn phòng: 2,90 $\text{kN/m}^2$; Khu sinh hoạt cộng đồng: 4,20 $\text{kN/m}^2$; Thương mại: 5,50 $\text{kN/m}^2$; Bãi đỗ xe ô tô con ($< 3$ tấn): 3,00 $\text{kN/m}^2$.
  • Tải trọng gió (TCVN 2737:2023): Địa điểm Quận 8 (Vùng gió II, Dạng địa hình C, $W_0 = 0{,}98$ kPa ứng với chu kỳ lặp 10 năm và vận tốc cơ bản $V_{3s,50} = 44$ m/s). Do chu kỳ dao động riêng thứ nhất $T_1 = 1{,}506$ s $> 1{,}0$ s nên tải trọng gió được tính kèm hệ số giật động học $G_f$ phân bố theo cao độ tầng cho cả hai phương X và Y.
  • Tải trọng động đất (TCVN 9386:2012): Gia tốc nền tham chiếu $a_{gR} = 0{,}0745g$ ($a_g = 0{,}78 \text{ m/s}^2$, Cấp động đất VII thang MSK-64, hệ số tầm quan trọng $\gamma_I = 1{,}00$, nền đất loại C có $S = 1{,}15$, $T_B = 0{,}2$ s, $T_C = 0{,}6$ s, $T_D = 2{,}0$ s, hệ số ứng xử $q = 1{,}6$). Sử dụng phương pháp phổ phản ứng dao động (Response Spectrum Analysis) để xác định lực cắt đáy và tải trọng động đất tác dụng lên các tầng.
  • Hệ thống tổ hợp tải trọng: Thiết lập đầy đủ 17 tổ hợp kiểm tra TTGH II (TH1 - TH17, tổ hợp bao THBAO), 17 tổ hợp thiết kế cường độ TTGH I (TH18 - TH34, tổ hợp bao THBAO) và các tổ hợp riêng biệt cho sàn (CV1, CV2, CV3, THEPSAN), cầu thang (THEPCT, CVCT), móng (THMONG).

CHƯƠNG 4. KIỂM TRA TRẠNG THÁI GIỚI HẠN II

Chương này tiến hành kiểm định độ an toàn tổng thể của kết cấu tòa nhà trong điều kiện khai thác bình thường:

  • Kiểm tra ổn định chống lật: Tỷ số mô men chống lật trên mô men gây lật thỏa mãn điều kiện ổn định $M_{CL} / M_L \ge 1{,}5$ theo cả hai phương X và Y dưới tác động bất lợi nhất của gió và động đất.
  • Kiểm tra chuyển vị ngang tại đỉnh: Chuyển vị đỉnh lớn nhất dưới tổ hợp gió tiêu chuẩn (TH10) là $f_{max} = 12{,}4$ mm, nhỏ hơn rất nhiều so với chuyển vị giới hạn cho phép $[f_u] = H/500 = 61100 / 500 = 122{,}2$ mm.
  • Kiểm tra gia tốc đỉnh: Gia tốc đỉnh tính toán của công trình ở Mode 1 dao động theo phương X ($T_1 = 1{,}904$ s) và phương Y ($T_1 = 1{,}506$ s) đều nhỏ hơn ngưỡng tiện nghi sinh lý cho phép $[a] = 150 \text{ mm/s}^2$ theo quy định của TCXD 198:1997.
  • Kiểm tra chuyển vị lệch tầng (Drift): Dưới tác động của động đất (các tổ hợp TH14 đến TH17), giá trị chuyển vị tương đối giữa các tầng biến thiên từ 0,0007 đến 0,0078, thỏa mãn điều kiện giới hạn $[Drift] = 0{,}0078125$ từ tầng 1 đến tầng mái.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CÁC CHƯƠNG THIẾT KẾ KẾT CẤU CỤ THỂ                     |
+------------------------------------+------------------------------------+
| Chương 5: Cầu thang bộ             | Chương 6: Sàn tầng điển hình       |
| - Mô hình bản chịu uốn/cắt         | - Mô hình SAFE, dải strip X & Y    |
| - Tính toán thép bản thang, chiếu  | - Tính thép gối, nhịp              |
|   nghỉ, cốn thang                  | - Kiểm tra độ võng dài hạn có nứt  |
+------------------------------------+------------------------------------+
| Chương 7: Hệ khung, vách & lõi     | Chương 8: Hệ móng cọc khoan nhồi   |
| - Thiết kế dầm điển hình (DY2-1)   | - Sức chịu tải cọc (vật liệu, SPT) |
| - Tính thép đai, neo nối cốt thép  | - Mô hình đài móng trên lò xo cọc  |
| - Tính thép vách V33, lõi VTM1     | - Kiểm tra chọc thủng, nén, trượt  |
+------------------------------------+------------------------------------+

CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ CẤU THANG BỘ

  • Phân tích sơ đồ kết cấu bản chịu lực dạng dầm hai đầu ngàm/tựa, chịu tải trọng bản thân, lớp hoàn thiện và hoạt tải sử dụng.
  • Xác định nội lực mô men uốn và lực cắt trên bản thang và bản chiếu nghỉ; bố trí cốt thép chịu uốn và kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông không cần cốt đai phân bố.

CHƯƠNG 6. THIẾT KẾ SÀN TẦNG ĐIỂN HÌNH

  • Xây dựng mô hình sàn trên phần mềm SAFE, phân chia hệ thống dải phân tích strip theo phương X và phương Y.
  • Xuất biểu đồ mô men uốn tại gối và giữa nhịp để tính diện tích cốt thép yêu cầu.
  • Thực hiện kiểm tra biến dạng: Tính toán độ cong tại tiết diện gối và nhịp có xét đến sự hình thành vết nứt, kiểm soát độ võng dài hạn của bản sàn dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng dài hạn nhằm đảm bảo tiêu chuẩn biến dạng cho phép.

CHƯƠNG 7. THIẾT KẾ KHUNG

  • Thiết kế dầm tầng điển hình (Dầm DY2-1): Trích xuất tổ hợp nội lực bao từ ETABS, tính toán diện tích cốt thép dọc chịu uốn tại tiết diện gối và nhịp; tính toán cốt đai chịu cắt; quy định cụ thể chiều dài đoạn neo và đoạn nối cốt thép theo TCVN 5574:2018.
  • Thiết kế vách đơn và lõi thang máy:
    • Thiết kế vách đơn V33 tại Tầng 1: Xác định cặp nội lực $(N, M, V)$, tính toán cốt thép phân bố thân vách và cốt thép tập trung đầu vách.
    • Thiết kế vách lõi thang máy VTM1: Chia lõi thành các phần tử vách phẳng chịu nén uốn đồng thời, tính cốt thép chịu lực cho phần tử thứ 2 tại tầng hầm và tầng 2.

CHƯƠNG 8. THIẾT KẾ MÓNG

  • Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi: Tính toán sức chịu tải tiêu chuẩn và thiết kế theo cường độ vật liệu cọc bê tông B30 cốt thép CB500-V, theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo chỉ tiêu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).
  • Mô phỏng đài móng: Xác định độ cứng lò xo cọc từ mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của các lớp địa chất; mô hình đài móng làm việc cùng cọc trên SAFE.
  • Thiết kế móng lõi thang (MLT1) và móng vách (M4): Kiểm tra phản lực đầu cọc cực đại ($P_{max} \le 1{,}2 R_{tc}$) và cực tiểu ($P_{min} > 0$), kiểm tra ổn định nền đất dưới đáy khối móng quy ước, tính toán độ lún móng, kiểm tra khả năng chống xuyên thủng và chống cắt của đài móng, tính toán cốt thép đài móng.

Thiết kế và triển khai kết cấu kỹ thuật

Quy trình thiết kế kỹ thuật của công trình được triển khai qua các bước phân tích mô hình số và kiểm tra tương tác:

[Gán tải trọng: Tĩnh tải, Hoạt tải, Gió động (TCVN 2737), Động đất phổ (TCVN 9386)]
  • Mô hình kết cấu không gian: Tòa nhà được rời rạc hóa trong ETABS với hệ cột, dầm là phần tử thanh (Frame elements), hệ vách, lõi và sàn là phần tử tấm vỏ (Shell elements). Khai báo khối lượng tham gia dao động (Mass Source) tính toán động lực học theo tiêu chuẩn: $\text{Mass Source} = \text{Tĩnh tải} + 0{,}3 \times \text{Hoạt tải ngắn hạn} + 0{,}8 \times \text{Hoạt tải dài hạn}$.
  • Phân tích phản lực chân móng: Toàn bộ nội lực chân vách và lõi thang từ ETABS được chuyển sang mô hình móng trên phần mềm SAFE, liên kết giữa cọc và nền đất được rời rạc hóa bằng hệ lò xo đàn hồi với độ cứng tính toán chi tiết theo từng lớp đất địa chất.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kết cấu chính

  1. Động lực học và TTGH II:
    • Chu kỳ dao động riêng cơ bản: $T_1 = 1{,}879$ s (Mode 1 - phương X), $T_2 = 1{,}506$ s (Mode 2 - phương Y).
    • Chuyển vị đỉnh công trình theo phương X lớn nhất đạt 12,4 mm, nhỏ hơn giới hạn cho phép 122,2 mm.
    • Gia tốc đỉnh dưới tác động của gió và chuyển vị lệch tầng Drift dưới tác động của động đất tại tất cả 18 tầng nổi đều nằm trong giới hạn an toàn quy định.
  2. Hệ kết cấu chịu lực:
    • Hoàn thành thiết kế cốt thép dọc và cốt đai cho dầm điển hình DY2-1 đảm bảo các điều kiện chịu uốn, cắt và quy định neo nối thép.
    • Xác định lượng cốt thép gia cường phù hợp cho vách đơn V33 và cụm vách lõi thang máy VTM1/WT1 từ tầng hầm đến các tầng thân.
    • Bản sàn tầng điển hình $h_s = 200$ mm đáp ứng đầy đủ yêu cầu chịu lực uốn gối/nhịp và độ võng dài hạn có xét nứt.
  3. Giải pháp móng cọc khoan nhồi:
    • Đưa ra sơ đồ bố trí cọc tối ưu cho đài móng lõi thang MLT1 và đài móng vách M4.
    • Các kiểm tra chống xuyên thủng, kiểm tra ứng suất cắt và phản lực đầu cọc đều thỏa mãn điều kiện làm việc của nền móng công trình cấp I.

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Áp dụng đầy đủ và chính xác tiêu chuẩn tải trọng mới TCVN 2737:2023 trong tính toán thành phần động lực học của gió (phương pháp hệ số giật $G_f$) kết hợp tiêu chuẩn kháng chấn TCVN 9386: