Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp Chung cư Thủ Thiêm Garden được thực hiện trong bối cảnh nhu cầu nhà ở tại Thành phố Hồ Chí Minh tăng cao do dân số phát triển nhanh trong khi quỹ đất nội thành hạn chế và giá đất liên tục leo thang. Áp lực đô thị hóa đặt ra yêu cầu phát triển các chung cư cao tầng tại các quận vùng ven, đặc biệt tại khu Đông thành phố — nơi hạ tầng giao thông được cải thiện đáng kể nhờ hầm Thủ Thiêm và các tuyến cao tốc.

Đồ án xác định ba nhiệm vụ thiết kế kết cấu chính:

  1. Tính toán thiết kế sàn tầng điển hình, cầu thang, khung dầm-cột-vách lõi thang
  2. Tính toán thiết kế móng cọc cho công trình
  3. Kiểm tra khả năng chịu lực cột-vách bằng phần mềm PROKON và tính toán thiết kế cốp pha

Đối tượng nghiên cứu là toàn bộ hệ thống kết cấu của công trình chung cư Thủ Thiêm Garden, tọa lạc tại đường Phước Long B, Quận 9, Tp.HCM. Phạm vi không gian bao gồm toàn bộ kết cấu từ móng đến mái: 1 tầng hầm, 16 tầng nổi, 1 sân thượng và mái, tổng chiều cao 62,8 m. Phạm vi thời gian thực hiện từ ngày 15/01/2024 đến ngày 14/06/2024, sử dụng hồ sơ kiến trúc và hồ sơ địa chất công trình làm tài liệu đầu vào.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng:

Tiêu chuẩn Nội dung áp dụng
TCVN 5574-2018 Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
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 4453:1995 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối
TCVN 198-1997 Nhà cao tầng — thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối
QCVN 02-2022-BXD Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng
TCXD 16-1986 Chiếu sáng nhân tạo trong công trình

Vật liệu sử dụng:

  • Bê tông B30 (Rb = 17 MPa, Eb = 32,5×10³ MPa): kết cấu chính — móng, cột, dầm, sàn, lõi-vách
  • Bê tông B15 (Rb = 8,5 MPa): bê tông lót
  • Thép CB240-T (Rs = Rsc = 210 MPa): cốt thép trơn Ø < 10 mm
  • Thép CB400-V (Rs = Rsc = 350 MPa): cốt thép có gân Ø ≥ 10 mm

Phương pháp thiết kế và phân tích:

  • Phân tích nội lực kết cấu bằng phần mềm ETABS (mô hình không gian 3D)
  • Thiết kế và kiểm tra sàn bằng phần mềm SAFE (mô hình phần tử hữu hạn)
  • Kiểm tra khả năng chịu lực cột-vách bằng biểu đồ tương tác (interaction diagram) thông qua phần mềm PROKON
  • Tính toán tải trọng gió theo phương pháp hệ số phản ứng giật Gf (TCVN 2737-2023)
  • Tính toán tải trọng động đất theo phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động (TCVN 9386-2012); không áp dụng phương pháp lực ngang tương đương vì chu kỳ dao động T = 2,217 s vượt giới hạn cho phép
  • Kiểm tra ổn định tổng thể: chuyển vị đỉnh, lệch tầng, hiệu ứng P-Delta, gia tốc đỉnh, kiểm tra lật

Nguồn dữ liệu: Hồ sơ kiến trúc công trình, hồ sơ địa chất công trình (kết quả thí nghiệm SPT và chỉ tiêu cơ lý của đất nền), số liệu khí tượng theo QCVN 02-2022-BXD (vùng áp lực gió II, W₀ = 0,95 kN/m², địa hình loại C).


Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan kiến trúc công trình

Chương này giới thiệu đặc điểm tổng thể của công trình. Công trình được phân cấp là cấp II theo Thông tư số 10/2013/TT-BXD (5.000 m² ≤ Ssàn ≤ 10.000 m² hoặc 9 tầng ≤ ntầng ≤ 19 tầng), gồm 1 tầng hầm, 16 tầng nổi, sân thượng và mái, chiều cao 62,8 m. Diện tích sàn điển hình (tầng 3–16) đạt 625 m², tầng hầm 581 m².

Công năng được phân bổ theo chiều đứng: tầng hầm bố trí kho và phòng kỹ thuật; tầng 1–2 là dịch vụ công cộng và văn phòng cho thuê; tầng 3–16 gồm các căn hộ cho thuê (7 căn/tầng, diện tích từ 45 m² đến 92,6 m²); sân thượng kết hợp căn hộ và không gian sinh hoạt ngoài trời. Mặt bằng hình chữ nhật, bố trí giếng trời lấy sáng tự nhiên, hành lang ≥ 2 m, tầng hầm có 2 rampa dốc i = 20% tách biệt chiều lên-xuống. Các hệ thống kỹ thuật bao gồm: điện 3 pha có máy phát dự phòng đặt tầng hầm, cấp-thoát nước đi ngầm, thông gió điều hòa trung tâm, phòng cháy chữa cháy (bình CO2-MFZ4 4 kg, 4 bình/tầng), chống sét, camera an ninh và kiểm soát xe vào ra.

Chương 2: Lựa chọn giải pháp kết cấu

Chương xác định và lý giải các giải pháp kết cấu được chọn. Hệ kết cấu chịu lực chính là hệ khung-vách-lõi: khung chịu tải trọng đứng, vách và lõi thang máy vừa chịu tải trọng đứng vừa chịu tải trọng ngang và tăng độ cứng tổng thể. Hệ sàn được chọn là sàn sườn toàn khối do phân bố hoạt tải và tường đồng đều, chiều cao tầng điển hình 3,4 m. Móng được chọn là móng cọc khoan nhồi (móng sâu), phù hợp với điều kiện địa chất khu vực và quy mô tải trọng lớn.

Sơ bộ kích thước tiết diện được xác định theo lý thuyết: chiều dày sàn hs = 200 mm (tầng điển hình), 200 mm (tầng 1–2), 250 mm (tầng hầm); dầm chính 300×600 mm, dầm phụ 200×500 mm; vách lõi thang dày t = 300 mm. Tiết diện cột thay đổi theo tầng, ví dụ cột giữa (2-B) từ 500×500 mm (sân thượng) đến 800×800 mm (tầng 13); cột biên (1-C) từ 300×300 mm đến 700×700 mm; cột góc (1-F) từ 300×300 mm đến 600×600 mm.

Chương 3: Tải trọng và tác động (Chương 4 trong văn bản — Thiết kế cầu thang; Chương 3 bao gồm toàn bộ tải trọng)

Chương lập đầy đủ bảng tải trọng cho các loại sàn khác nhau. Tĩnh tải được phân tích chi tiết theo từng lớp cấu tạo: sàn điển hình gồm bê tông B30 dày 200 mm, gạch Ceramic 10 mm, vữa trát trần 15 mm và thiết bị kỹ thuật. Hoạt tải lấy theo TCVN 2737:2023: phòng ngủ/bếp/khách đạt 1,5 kN/m² (hệ số tin cậy n, Ptt = 1,95 kN/m²); ban công-logia 2 kN/m²; sảnh-hành lang-cầu thang bộ 3 kN/m².

Tải gió: Công trình thuộc vùng áp lực gió II (W₀ = 0,95 kN/m²), địa hình loại C (Zg = 365,76 m, α = 7), hệ số khí động tổng Ce,x = 1,35 (theo phương X) và Ce,y = 1,38 (theo phương Y). Chu kỳ dao động cơ bản T₁ = 2,853 s, hệ số giảm chấn ξ = 0,02 cho kết cấu bê tông cốt thép. Hệ số phản ứng giật Gf được tính theo công thức TCVN 2737:2023.

Tải động đất: Loại đất nền D (N_SPT trung bình < 15), gia tốc nền tham chiếu agR = 0,0747g (Quận 9, TP.HCM), gia tốc nền thiết kế ag = 0,0747g × γ₁ = 0,08g; hệ số tầm quan trọng γ₁ = 1 (công trình cấp II). Hệ số ứng xử q = 3,9 (khung nhiều nhịp, cấp dẻo trung bình). Phân tích phổ phản ứng dao động xét 6 mode, trong đó mode 1 (T = 2,853 s, dao động chủ yếu theo UX), mode 2 (T = 2,217 s, dao động chủ yếu theo UY). Tổ hợp tải theo TTGH I và TTGH II được lập đầy đủ.

Kiểm tra ổn định: Chuyển vị đỉnh theo phương X và Y; lệch tầng; hiệu ứng P-Delta theo cả hai phương; gia tốc đỉnh; kiểm tra lật.

Chương 4 (Thiết kế cầu thang tầng điển hình)

Cầu thang được tính theo sơ đồ bản kê hai phương. Tải trọng tác dụng bao gồm tĩnh tải các lớp cấu tạo bản chiếu nghỉ và bản thang nghiêng, hoạt tải theo TCVN 2737:2023 (hành lang-cầu thang bộ: 3 kN/m²). Nội lực bản thang được xác định qua biểu đồ moment và lực cắt, từ đó tính toán cốt thép bản thang theo trạng thái giới hạn I và kiểm tra theo TTGH II (chống nứt, chiều rộng vết nứt, độ võng). Dầm chiếu tới được tính toán độc lập: tải trọng tập trung từ bản thang truyền vào, sơ đồ tính dạng dầm đơn giản, tính cốt thép dọc và cốt đai.

Chương 5: Thiết kế sàn tầng điển hình

Mô hình sàn tầng 3 được xây dựng trong SAFE dưới dạng phần tử tấm (shell). Tải trọng phân bố đồng đều và tải tường được gán trực tiếp lên mô hình. Kết quả nội lực (moment M11, M22) được xuất theo các dải Strip A và Strip B. Độ võng dài hạn của sàn được kiểm tra. Cốt thép sàn được tính toán theo phương X và phương Y tại các vị trí ô sàn đặc trưng, kết quả được tổng hợp thành bảng.

Chương 6: Thiết kế dầm, cột và vách lõi

Dầm điển hình (dầm B22 tầng 3) được tính theo TCVN 5574-2018: xuất nội lực từ ETABS, tính cốt thép dọc, cốt đai, xác định chiều dài neo cơ sở và chiều dài neo tính toán. Kết quả được tổng hợp thành bảng cốt thép dọc và bảng cốt đai cho toàn bộ dầm tầng 3.

Cột khung trục 2 được tính theo lý thuyết nén lệch tâm xiên: xác định phương làm việc chính, tính cốt thép dọc, kiểm tra khả năng chịu lực bằng biểu đồ tương tác 2D và 3D trong PROKON cho ba vị trí đại diện: cột C8 (trục 2-A), C13 (trục 2-B), C12 (trục 2-E) tầng 1.

Vách lõi thang V1 và V2 được chia thành các phần tử nhỏ, xác định trọng tâm tiết diện, tính toán cốt thép và kiểm tra biểu đồ tương tác với tổ hợp nguy hiểm nhất bằng PROKON.

Chương 7: Tính toán thiết kế móng công trình

Địa chất công trình được phân chia thành các đơn nguyên với kết quả thí nghiệm SPT. Loại đất nền D theo TCVN 9386-2012. Sức chịu tải của cọc được xác định theo bốn phương pháp: theo vật liệu; theo chỉ tiêu cơ lý; theo chỉ tiêu cường độ; theo chỉ tiêu SPT. Sức chịu tải thiết kế được chọn tương ứng với số lượng cọc trong đài.

Thiết kế được thực hiện cho ba loại móng: M1 (trục 2-A), M2 (trục 1-C) và móng lõi thang. Độ cứng lò xo của cọc được xác định theo TCVN 10304:2014 và gán vào mô hình SAFE để kiểm tra phản lực đầu cọc. Kiểm tra ổn định đất nền dưới đáy khối móng quy ước, kiểm tra độ lún và kiểm tra điều kiện xuyên thủng được thực hiện đầy đủ cho cả ba loại móng. Cốt thép đài móng được tính theo phương X và Y từ biểu đồ moment dải strip.

Thiết kế cốp pha

Hệ cốp pha sử dụng ván ép phủ phim SOMMA, thép hộp Hòa Phát 50×50×1,2 mm làm sườn, ty giằng cốp pha với đai ốc cánh chuồn. Tải trọng tính toán theo TCVN 4453:1995, bao gồm tải thẳng đứng và tải ngang khi đổ bê tông, tải gió. Tính toán được thực hiện lần lượt cho cốp pha móng, cốp pha cột (700×700 mm), cốp pha đáy dầm, cốp pha thành dầm và cốp pha sàn, mỗi hạng mục kiểm tra ván khuôn, sườn đứng, sườn ngang, thanh chống và ty giằng về độ bền và độ võng cho phép.


Thiết kế và triển khai

Do đồ án thuộc loại thiết kế kỹ thuật công trình xây dựng, mục này trình bày kiến trúc tính toán và phần mềm được sử dụng thay vì kiến trúc phần mềm theo nghĩa CNTT.

Mô hình phân tích kết cấu (ETABS): Toàn bộ công trình được mô hình hóa dưới dạng không gian 3D trong ETABS. Cột và dầm được mô hình bằng phần tử thanh (frame element); sàn và vách được mô hình bằng phần tử tấm (shell element). Mass Source được khai báo theo tổ hợp 1·TT + 0,2·HT theo TCVN 9386-2012. Phân tích động học xét 8 mode dao động, lọc lấy các mode có khối lượng hữu hiệu > 5% hoặc tổng đạt ≥ 90%.

Mô hình thiết kế sàn và móng (SAFE): Sàn tầng điển hình và đài móng cọc được mô hình hóa riêng trong SAFE. Lò xo cọc được gán đại diện cho từng cọc, phản lực đầu cọc được kiểm tra so sánh với sức chịu tải thiết kế.

Kiểm tra cột-vách (PROKON): Biểu đồ tương tác 2D và 3D được lập trong PROKON để kiểm tra từng cấu kiện với tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất xuất từ ETABS.

Kiểm tra: Kiểm tra ổn định tổng thể qua chuyển vị đỉnh (hai phương), lệch tầng, hiệu ứng P-Delta, gia tốc đỉnh, điều kiện lật. Kiểm tra chi tiết từng cấu kiện: độ võng sàn dài hạn, khả năng chống nứt bản thang, xuyên thủng đài móng, ổn định đất nền và độ lún của ba loại móng.


Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ thiết kế theo yêu cầu đề tài:

  • Hệ kết cấu: Xác định giải pháp khung-vách-lõi với cọc khoan nhồi, phù hợp với quy mô công trình 17 tầng nổi, chiều cao 62,8 m và điều kiện địa chất Quận 9
  • Tải trọng: Lập đầy đủ bảng tải cho 5 loại sàn khác nhau; xác định tải gió theo TCVN 2737:2023 với Gf tính chi tiết; phân tích động đất theo phương pháp phổ phản ứng dao động (6 mode), loại đất nền D, ag = 0,08g, q = 3,9
  • Cầu thang: Tính toán và kiểm tra bản thang, bản chiếu nghỉ và dầm chiếu tới theo cả TTGH I và TTGH II (bao gồm kiểm tra nứt và độ võng)
  • Sàn tầng điển hình: Xuất kết quả moment từ SAFE, kiểm tra độ võng dài hạn, bố trí thép theo phương X và Y
  • Dầm, cột, vách: Tính đầy đủ cốt thép dọc và cốt đai cho dầm tầng 3; kiểm tra 3 cột (C8, C13, C12) tầng 1 bằng biểu đồ tương tác PROKON; tính và kiểm tra 2 vách lõi (V1, V2) bằng phương pháp phần tử, có kiểm tra bằng biểu đồ tương tác 3D
  • Móng: Xác định sức chịu tải cọc theo 4 phương pháp; thiết kế 3 loại móng (M1, M2, móng lõi thang); kiểm tra xuyên thủng, ổn định đất nền và độ lún
  • Cốp pha: Tính toán hệ cốp pha hoàn chỉnh cho móng, cột, dầm và sàn theo TCVN 4453:1995

Đồ án cung cấp bộ thuyết minh tính toán hoàn chỉnh, có thể sử dụng làm tài liệu thi công tham chiếu. So với các đồ án cùng quy mô, đồ án bổ sung bước kiểm tra cột-vách bằng PROKON (được ghi nhận là nội dung nâng cao) và áp dụng đồng thời tiêu chuẩn tải trọng TCVN 2737:2023 (phiên bản mới nhất tại thời điểm thực hiện) thay cho phiên bản cũ.


Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Đồ án tập trung vào giai đoạn thiết kế kết cấu, chưa bao gồm thiết kế thi công chi tiết (biện pháp thi công cọc khoan nhồi, tổ chức mặt bằng thi công) và chưa thực hiện phân tích kinh tế-kỹ thuật so sánh các phương án kết cấu thay thế. Phương pháp phân tích phi tuyến (pushover hoặc phân tích theo thời gian) cho tải động đất không được áp dụng do mức gia tốc nền thiết kế ag = 0,08g thuộc ngưỡng động đất yếu.

Hướng mở rộng có thể bao gồm: phân tích ứng xử động phi tuyến khi ag vượt ngưỡng 0,1g; tối ưu hóa tiết diện cọc và đài móng bằng phương pháp số; mô phỏng quá trình thi công (construction sequencing) trong ETABS để đánh giá lún lệch tầng.


Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng và Kỹ thuật Xây dựng đang thực hiện đồ án tốt nghiệp với quy mô công trình nhà ở cao tầng (10–20 tầng), đặc biệt là cách áp dụng đồng thời TCVN 2737:2023, TCVN 5574-2018, TCVN 9386-2012 và TCVN 10304:2014
  • Sinh viên chưa quen với quy trình tích hợp phần mềm (ETABS → SAFE → PROKON) trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng: có thể tham khảo cách khai báo Mass Source, gán lò xo cọc, xuất nội lực và kiểm tra biểu đồ tương tác
  • Người làm đề tài về tải trọng gió theo TCVN 2737:2023: phần tính Gf (hệ số phản ứng giật), hệ số khí động Ce và tải gió từng tầng được trình bày chi tiết, có thể dùng làm mẫu tính toán
  • Người làm đề tài về thiết kế cốp pha: bộ tính toán cốp pha đầy đủ (móng, cột, dầm, sàn) theo TCVN 4453:1995 có thể tham khảo về trình tự và tiêu chí kiểm tra

Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (quy trình tính tải gió và động đất), Chương 6 (kiểm tra cột-vách bằng PROKON), và Chương 7 (thiết kế móng cọc khoan nhồi theo đa phương pháp xác định sức chịu tải).


Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đồ án chọn phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động thay vì phương pháp lực ngang tương đương để tính tải động đất? Chu kỳ dao động cơ bản của công trình T₁ = 2,217 s vượt quá giới hạn áp dụng của phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo TCVN 9386:2012 (điều kiện T₁ < 4·Tc = 4 × 0,8 = 3,2 s thỏa, nhưng đồng thời kết cấu cần đáp ứng tiêu chí đều đặn theo mặt đứng). Tác giả chọn phương pháp phổ phản ứng dao động do phù hợp hơn và áp dụng được cho mọi loại nhà, đồng thời phân tích 6 mode dao động (xét mode 1, 2, 4, 6) để đảm bảo tổng khối lượng hữu hiệu đạt yêu cầu.

2. Sức chịu tải thiết kế của cọc được xác định như thế nào khi có nhiều kết quả từ các phương pháp khác nhau? Tác giả xác định sức chịu tải theo bốn phương pháp (theo vật liệu, theo chỉ tiêu cơ lý, theo chỉ tiêu cường độ, theo thí nghiệm SPT). Sức chịu tải cho phép được chọn là giá trị nhỏ nhất trong các phương pháp tính theo đất nền. Sức chịu tải thiết kế sau đó được hiệu chỉnh tương ứng với số lượng cọc trong đài để phản ánh hiệu ứng nhóm cọc theo TCVN 10304:2014.

3. Chiều dày vách lõi thang 300 mm được xác định dựa trên tiêu chí nào? Chiều dày vách được sơ bộ theo hai điều kiện đồng thời: (i) t ≥ 200 mm theo điều 3.1 TCVN 198:1997; (ii) t ≥ ht/20 = 3.400/20 = 170 mm; và (iii) điều kiện về tỷ lệ diện tích vách chịu lực trên diện tích sàn (ΣF_VCL/FS ≥ 0,015). Kết hợp các điều kiện, tác giả chọn t = 300 mm.

4. Cột C8 (trục 2-A) tầng 1 được kiểm tra theo trình tự nào trong PROKON? Từ ETABS, tác giả xuất tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất cho cột C8, xác định phương làm việc chính, nhập các thông số tiết diện và nội lực vào PROKON. Kết quả được biểu diễn qua biểu đồ tương tác 2D (M-N) và biểu đồ tương tác 3D (Mx-My-N), điểm nội lực tính toán phải nằm trong vùng an toàn của biểu đồ để cột được coi là đủ khả năng chịu lực.

5. Hệ cốp pha được tính cho những loại kết cấu nào và tiêu chí kiểm tra là gì? Cốp pha được tính toán cho bốn loại kết cấu: móng, cột (700×700 mm), dầm (cả đáy và thành) và sàn. Mỗi loại kiểm tra: (i) ván khuôn về uốn và độ võng; (ii) sườn đứng và sườn ngang về uốn và độ võng; (iii) thanh chống hoặc ty giằng về ổn định nén. Tải trọng tính theo TCVN 4453:1995, bao gồm áp lực bê tông tươi mới đổ, tải chấn động khi đổ bê tông và tải gió.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp Chung cư Thủ Thiêm Garden thực hiện thiết kế kết cấu hoàn chỉnh cho công trình nhà ở cao tầng 17 tầng nổi, chiều cao 62,8 m tại Quận 9, Tp.HCM, theo hệ kết cấu khung-vách-lõi với móng cọc khoan nhồi. Nội dung bao phủ toàn bộ chu trình từ xác định tải trọng (tĩnh tải, gió, động đất) qua phân tích nội lực bằng ETABS, SAFE đến thiết kế và kiểm tra từng cấu kiện (sàn, cầu thang, dầm, cột, vách, móng và cốp pha) theo hệ tiêu chuẩn TCVN hiện hành. Điểm đặc trưng của đồ án là tích hợp ba phần mềm (ETABS-SAFE-PROKON) trong một quy trình tính toán thống nhất và áp dụng đồng bộ các tiêu chuẩn tải trọng phiên bản mới nhất (TCVN 2737:2023, TCVN 9386:2012). Đồ án là tài liệu tham chiếu thực hành cho sinh viên ngành kết cấu xây dựng muốn nắm quy trình tính toán nhà cao tầng theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.