Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Chung Cư Sky Park" được thực hiện bởi sinh viên Võ Trường Phi, ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Văn Thiên (năm 2024).

Bối cảnh công trình: Chung cư Sky Park tọa lạc tại mặt tiền Quốc lộ 1A, Bình Đường 2, phường An Bình, thành phố Dĩ An, tỉnh Bình Dương. Công trình được phân loại là công trình dân dụng cấp 2 theo thông tư có liên quan, với quy mô 20 tầng nổi, 2 tầng hầm và tổng chiều cao 67 m. Khu vực địa chất thuộc địa hình dạng C với giá trị SPT trung bình ở độ sâu 30 m đầu tiên nhỏ hơn 15 búa (đất nền loại D theo TCVN 9386:2012), đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về thiết kế móng và kháng chấn.

Nhiệm vụ thiết kế:

  1. Phân tích, lựa chọn giải pháp kiến trúc và hệ kết cấu phù hợp với quy mô công trình nhà ở cao tầng.
  2. Xác định tải trọng và tác động (tĩnh tải, hoạt tải, tải gió, tải động đất) theo tiêu chuẩn hiện hành.
  3. Thiết kế kết cấu các cấu kiện điển hình: sàn, cầu thang bộ, khung trục 3 (dầm, cột, vách).
  4. Thiết kế móng cọc khoan nhồi và kiểm tra ổn định tổng thể công trình.

Đối tượng và phạm vi: Đối tượng thiết kế là toàn bộ hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của tòa chung cư, từ phần ngầm (2 tầng hầm, chiều cao tầng 3,8 m) đến phần thân (tầng trệt, tầng 2 đến tầng 18, sân thượng). Phạm vi giới hạn theo không gian của một công trình cụ thể tại Bình Dương và thực hiện trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp năm học 2023–2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Tiêu chuẩn áp dụng

Toàn bộ quá trình tính toán thiết kế tuân theo hệ thống tiêu chuẩn quốc gia hiện hành:

Tiêu chuẩn Nội dung áp dụng
TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối
TCVN 2737:2023 Tải trọng và tác động – tiêu chuẩn thiết kế
TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu động đất
TCVN 10304:2014 Móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế
TCVN 9395:2012 Cọc khoan nhồi – thi công và nghiệm thu
TCXD 9362:2012 Thiết kế nền nhà và công trình
TCXDVN 198:1997 Nhà cao tầng – thiết kế BTCT toàn khối
TCXDVN 229:1995 Chỉ dẫn tính toán thành phần động của gió
TCVN 2622:1995 Phòng cháy, chữa cháy cho nhà và công trình

Phương pháp thiết kế và công cụ tính toán

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình không gian 3D toàn công trình được xây dựng trong phần mềm ETABS 2019 để phân tích nội lực hệ khung không gian, xác định chu kỳ dao động riêng và kiểm tra ổn định tổng thể.
  • Phần mềm SAFE: Sử dụng riêng để phân tích nội lực và tính toán cốt thép sàn điển hình theo phương pháp phần tử hữu hạn.
  • Phương pháp phổ phản ứng: Áp dụng để xác định tải trọng động đất do công trình có chu kỳ dao động riêng T₁ = 2,89 s (vượt ngưỡng 2 s của phương pháp tĩnh lực ngang tương đương), phổ phản ứng được khai báo tự động trong ETABS theo TCVN 9386:2012.
  • Công thức bán thực nghiệm: Dùng để sơ bộ tiết diện cột, dầm, vách, chiều dày sàn trước khi đưa vào mô hình kiểm tra.
  • Nguồn số liệu đầu vào: Bản vẽ kiến trúc do giảng viên hướng dẫn cung cấp, hồ sơ địa chất công trình tại Dĩ An–Bình Dương (có số liệu SPT), bảng tra tiêu chuẩn TCVN và phụ lục kỹ thuật.

Vật liệu sử dụng

Toàn bộ kết cấu sử dụng bê tông cốt thép. Các thông số vật liệu chính:

Vật liệu Ký hiệu Thông số chính
Bê tông kết cấu khung và cọc B35 Rb = 19,5 MPa; Rbt = 1,3 MPa; Eb = 34.500 MPa; γ = 25 kN/m³
Cốt thép gân Ø ≥ 10 CB400-V Rs = Rsc = 350 MPa; Rsw = 280 MPa; Es = 200.000 MPa
Cốt thép trơn Ø < 10 CB240-T Rs = Rsc = 210 MPa; Rsw = 170 MPa; Es = 200.000 MPa

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc tổng thể và hệ thống kỹ thuật

Chung cư Sky Park có tổng chiều cao +67,0 m. Phân khu chức năng theo chiều đứng gồm: 2 tầng hầm (chiều cao tầng 3,8 m, bố trí bãi đỗ xe, phòng kỹ thuật, máy bơm, máy phát điện 1.000 kVA); tầng trệt (sảnh thương mại, cửa hàng tiện lợi, phòng bảo vệ); tầng 2 đến tầng 18 (căn hộ ở, bao gồm các loại căn hộ A, B, C, D); sân thượng (đặt ống thông khói bếp). Hệ thống giao thông đứng gồm 4 thang máy và 2 cầu thang bộ. Hệ thống PCCC đáp ứng TCVN 2622:1995, mỗi tầng bố trí họng cứu hỏa và bình chữa cháy tại hành lang, cầu thang.

Giải pháp kết cấu

  • Phần thân: Hệ khung – vách – lõi BTCT toàn khối. Khung và lõi chịu tải đứng; vách chịu tải ngang và tăng khả năng chống xoắn. Sàn sườn toàn khối gồm hệ dầm và bản sàn.
  • Phần ngầm: Móng sâu cọc khoan nhồi.

Kích thước tiết diện sơ bộ (được kiểm tra lại qua mô hình):

Cấu kiện Kích thước chọn
Dầm chính 400 × 700 mm
Dầm phụ 300 × 600 mm
Dầm chiếu tới cầu thang 300 × 400 mm
Sàn điển hình (căn hộ) hs = 130 mm
Cột giữa (tầng thượng) 1.000 × 1.500 mm (A_chọn = 15.000 cm²)
Cột biên (tầng thượng) 800 × 1.100 mm (A_chọn = 8.800 cm²)
Vách thường tw = 250 mm
Vách góc biên chống xoắn tw = 300 mm
Tường bao che 200 mm; tường ngăn 100 mm

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Tổng quan kiến trúc công trình

Chương trình bày đặc điểm vị trí, quy mô và các giải pháp kiến trúc – kỹ thuật của công trình. Mặt bằng điển hình (tầng 2–18) được bố trí đối xứng với bốn loại căn hộ A, B, C, D, hành lang trung tâm dẫn đến lõi thang. Lưới cột chính theo phương ngang có bước 9.000 mm, tổng chiều rộng công trình 30 m (theo phương X) và 45 m (theo phương Y). Các hệ thống kỹ thuật được mô tả gồm: cấp/thoát nước (hồ nước ngầm, hồ nước mái, ống PVC), điện (trạm biến áp, máy phát dự phòng 1.000 kVA), thông tin liên lạc (camera, kiểm soát phương tiện), thông gió và chiếu sáng (đèn LED hành lang), xử lý rác (hố rác tập trung mỗi tầng).

Chương 2 – Tổng quan kết cấu công trình

Chương phân tích cơ sở lựa chọn giải pháp kết cấu. Đối với công trình 20 tầng, tổng chiều cao 67 m, hệ khung đơn thuần không đáp ứng yêu cầu chịu tải ngang (chỉ phù hợp đến 15 tầng với vùng động đất cấp 7), vì vậy tác giả lựa chọn hệ khung – vách – lõi. Hệ sàn sườn toàn khối được ưu tiên do thuận tiện thi công và công nghệ phổ biến tại Việt Nam, dù có nhược điểm về chiều cao tầng. Chương cũng tổng hợp đầy đủ thông số vật liệu (B35, CB400-V, CB240-T) và sơ bộ tiết diện tất cả cấu kiện theo công thức kinh nghiệm trước khi kiểm tra bằng mô hình.

Chương 3 – Tải trọng và tác động

Đây là chương phân tích tải trọng toàn diện nhất đồ án. Tĩnh tải sàn được lập chi tiết cho từng khu vực chức năng (sàn hầm, sàn tầng 1 khu thương mại, sàn căn hộ điển hình, sàn vệ sinh/logia, sàn sân thượng). Hoạt tải tra theo bảng 4, 5 TCVN 2737:2023. Tải gió được tính theo TCVN 2737:2023 công thức F16, xét hệ số giật Gf theo phương pháp kết cấu mềm (T₁ = 2,623 s > 1 s), địa hình dạng C (Z_g = 365 m). Tải động đất được xác định theo phương pháp phổ phản ứng (TCVN 9386:2012) với đất nền loại D (SPT < 15 búa/30 m), gia tốc nền tham chiếu agR = 0,0663 g, hệ số ứng xử q = 3,9. Tám trường hợp tải và các tổ hợp TTGH1, TTGH2 được khai báo đầy đủ trong ETABS.

Kiểm tra ổn định tổng thể cho kết quả:

  • Chuyển vị đỉnh do gió phương X: fx = 7,35 mm; phương Y: fy = 13,08 mm (giới hạn [f] = 141,1 mm) — đạt yêu cầu.
  • Gia tốc đỉnh do gió: kiểm tra theo TCXD 198:1997, giới hạn cho phép 150 mm/s² — đạt yêu cầu.
  • Chuyển vị tương đối giữa các tầng do gió: kiểm tra theo bảng G.5 TCVN 2737:2023 (h_s/500) — đạt yêu cầu.

Chương 4 – Thiết kế sàn điển hình

Sàn căn hộ điển hình (hs = 130 mm, bê tông B35, thép CB400-V) được phân tích nội lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm SAFE. Ô sàn điển hình có kích thước 8 m × 4,5 m, làm việc theo sơ đồ sàn 2 phương với dầm phụ trung gian. Nội dung tính toán gồm: xác định tải trọng phân bố (G, Q_L, Q_T), tính thép theo kết quả nội lực từ SAFE, kiểm tra khả năng chịu lực, kiểm tra chịu cắt, kiểm tra chọc thủng và kiểm tra trạng thái giới hạn II (độ võng, vết nứt).

Chương 5 – Thiết kế cầu thang bộ điển hình

Cầu thang bộ BTCT toàn khối được tính toán thủ công. Nội dung gồm sơ bộ kích thước bậc thang, chiều dày bản thang, tải trọng tác dụng lên bản thang, tính toán cốt thép bản thang và dầm chiếu tới (b × h = 300 × 400 mm). Nội lực trong dầm chiếu tới được xác định bằng phương pháp giải tích.

Chương 6 – Thiết kế khung trục 3

Chương trình bày thiết kế chi tiết ba loại cấu kiện chính trong khung phẳng trục 3:

  • Cột: Tính thép dọc theo nguyên tắc cột chịu nén lệch tâm, lấy nội lực từ ETABS, tính cốt đai và chiều dài nối thép.
  • Dầm: Tính thép dọc (vùng kéo, vùng nén), cốt đai chịu cắt và cốt treo tại vị trí dầm phụ giao nhau với dầm chính.
  • Vách: Thiết kế vách đơn, tính toán thép vách và cốt đai theo TCVN 5574:2018.

Toàn bộ nội lực tính toán được trích xuất từ mô hình ETABS 2019 với các tổ hợp bất lợi nhất.

Chương 7 – Thiết kế móng

Phương án móng sâu cọc khoan nhồi được lựa chọn dựa trên hồ sơ địa chất (SPT < 15 búa, đất nền loại D). Sức chịu tải cọc được xác định song song bằng bốn phương pháp: theo vật liệu, theo chỉ tiêu cơ lý, theo chỉ tiêu cường độ đất nền và theo chỉ tiêu SPT. Đồ án thiết kế hai loại móng (M1 và M2) với đầy đủ các bước: sơ bộ số lượng cọc, kiểm tra phản lực đầu cọc, kiểm tra ổn định nền dưới đáy khối móng quy ước (áp lực đứng tiêu chuẩn), kiểm tra độ lún và tính toán cốt thép đài cọc.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kiểm tra ổn định tổng thể:

Chỉ tiêu Kết quả tính Giới hạn Đánh giá
Chuyển vị đỉnh – gió X 7,35 mm 141,1 mm Đạt
Chuyển vị đỉnh – gió Y 13,08 mm 141,1 mm Đạt
Gia tốc đỉnh — 150 mm/s² Đạt
Chuyển vị tương đối tầng — hs/500 Đạt

Giải pháp kỹ thuật đề xuất:

  • Hệ kết cấu khung–vách–lõi BTCT toàn khối là giải pháp được lựa chọn và thực hiện xuyên suốt đồ án cho công trình 20 tầng, chiều cao 67 m tại vùng động đất yếu (agR = 0,0663 g).
  • Phương án móng cọc khoan nhồi phù hợp với điều kiện địa chất đất nền loại D tại khu vực Dĩ An–Bình Dương.
  • Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737:2023 (phiên bản cập nhật mới nhất tại thời điểm thực hiện đồ án), có xét hệ số giật Gf cho kết cấu mềm với chu kỳ T > 1 s.

Đóng góp: Đồ án tích hợp đồng thời tiêu chuẩn TCVN 2737:2023 (tải trọng gió mới) và TCVN 9386:2012 (thiết kế kháng chấn) vào một công trình cụ thể, thực hiện toàn bộ quy trình từ lựa chọn kết cấu đến thiết kế từng cấu kiện và móng, làm tài liệu tham chiếu ứng dụng tiêu chuẩn cho công trình nhà ở cao tầng điển hình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án đề cập rõ hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế của sinh viên trong quá trình thực hiện, do đó một số phần tính toán có thể chưa đạt mức độ tối ưu hoàn toàn.

Căn cứ phạm vi thực hiện, có thể nhận thấy một số điểm chưa được bao quát:

  • Đồ án chưa bao gồm tính toán thiết kế hệ sàn tầng hầm chịu áp lực đất và nước ngầm theo điều kiện địa chất cụ thể.
  • Phân tích phi tuyến hình học (P-Delta) hoặc phi tuyến vật liệu chưa được đề cập trong kiểm tra ổn định.
  • Tính toán tường vây tầng hầm và biện pháp hố đào không nằm trong phạm vi đồ án.
  • Việc so sánh kinh tế giữa phương án cọc khoan nhồi và các phương án móng khác chưa được thực hiện định lượng.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng đang thực hiện đồ án tốt nghiệp về nhà ở cao tầng, đặc biệt trong các phần lập tải trọng, sơ bộ tiết diện và kiểm tra ổn định tổng thể.
  • Sinh viên mới tiếp cận TCVN 2737:2023: Chương 3 trình bày quy trình áp dụng tiêu chuẩn tải trọng gió mới (phương pháp F16, xác định Gf cho kết cấu mềm) khá chi tiết và có thể dùng làm ví dụ minh họa.
  • Người học về thiết kế kháng chấn: Quy trình xác định tải động đất theo phương pháp phổ phản ứng, khai báo ETABS và lựa chọn hệ số ứng xử q trong Chương 3 là ví dụ thực hành theo TCVN 9386:2012.
  • Sinh viên tìm hiểu thiết kế móng cọc khoan nhồi: Chương 7 trình bày song song bốn phương pháp xác định sức chịu tải cọc và các bước kiểm tra khối móng quy ước, có giá trị tham khảo về quy trình.
  • Người quan tâm đến ứng dụng ETABS và SAFE: Đồ án mô tả quy trình mô hình hóa, khai báo tải trọng và trích xuất nội lực từ hai phần mềm này trong bối cảnh thiết kế thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn hệ khung–vách–lõi mà không dùng hệ khung thuần túy cho công trình 20 tầng này? Hệ khung thuần túy chỉ phù hợp cho công trình đến 15 tầng ở vùng động đất cấp 7; chung cư Sky Park có 20 tầng nổi và chiều cao 67 m, nên hệ khung đơn không đủ khả năng chịu tải ngang. Hệ khung–vách–lõi được chọn để khung và lõi chịu tải đứng, vách chịu tải ngang và tăng khả năng chống xoắn.

2. Phương pháp nào được dùng để tính tải trọng động đất và căn cứ lựa chọn? Đồ án áp dụng phương pháp phổ phản ứng theo TCVN 9386:2012 vì chu kỳ dao động riêng cơ bản T₁ = 2,89 s vượt ngưỡng 2 s quy định cho phương pháp tĩnh lực ngang tương đương; phổ phản ứng được khai báo tự động trong ETABS với đất nền loại D, agR = 0,0663 g và hệ số ứng xử q = 3,9.

3. Chuyển vị đỉnh công trình dưới tải gió đạt kết quả như thế nào so với giới hạn cho phép? Chuyển vị đỉnh do tải gió phương X là 7,35 mm và phương Y là 13,08 mm, đều nhỏ hơn nhiều so với giới hạn [f] = H/500 = 141,1 mm (tính với tổng chiều cao H = 70,55 m), đạt yêu cầu theo mục G2.3 TCVN 2737.

4. Sức chịu tải cọc khoan nhồi được xác định bằng những phương pháp nào? Đồ án xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi theo bốn phương pháp: theo vật liệu (bê tông B35, cốt thép CB400-V), theo chỉ tiêu cơ lý của đất, theo chỉ tiêu cường độ đất nền và theo chỉ tiêu SPT (giá trị SPT trung bình < 15 búa/30 m), sau đó xác định sức chịu tải thiết kế và kiểm tra với phản lực đầu cọc thực tế từ mô hình.

5. Cơ sở nào để lựa chọn bê tông B35 cho toàn bộ kết cấu, kể cả cọc khoan nhồi? Bê tông B35 được chọn theo TCVN 5574:2018 với cường độ chịu nén tính toán Rb = 19,5 MPa, cường độ chịu kéo Rbt = 1,3 MPa và mô đun đàn hồi Eb = 34.500 MPa. Cấp độ bền này đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu lực và biến dạng cho kết cấu nhà cao tầng có tải trọng lớn, đồng thời phù hợp với quy định về vật liệu có cường độ cao, trọng lượng nhỏ và khả năng chống cháy tốt theo tiêu chí vật liệu nhà cao tầng trong đồ án.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chung Cư Sky Park" trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kết cấu một công trình nhà ở cao tầng điển hình (20 tầng nổi, 2 tầng hầm, chiều cao 67 m) tại Bình Dương theo hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành, trong đó có TCVN 2737:2023 và TCVN 9386:2012. Các chương thiết kế bao quát đầy đủ từ phân tích tải trọng, kiểm tra ổn định tổng thể, thiết kế sàn, cầu thang, khung (dầm–cột–vách) đến thiết kế móng cọc khoan nhồi, với công cụ tính toán chính là ETABS 2019 và SAFE. Kết quả kiểm tra cho thấy công trình đạt các tiêu chí về chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh và chuyển vị tương đối tầng theo giới hạn quy định. Đồ án mang giá trị tham khảo thực tiễn cho sinh viên ngành xây dựng trong việc áp dụng tổng hợp các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu vào một công trình cụ thể.