Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh tại các thành phố lớn của Việt Nam, quỹ đất trung tâm ngày càng thu hẹp trong khi nhu cầu nhà ở của người dân không ngừng tăng cao. Đồ án xác định rằng xu hướng xây dựng nhà cao tầng tại các khu vực ven đô là giải pháp tất yếu nhằm tiết kiệm đất đô thị, tập trung hạ tầng và đáp ứng nhu cầu an cư của một bộ phận lớn dân cư có thu nhập trung bình và khá. Dự án Khu căn hộ BCCI tại phường Tân Tạo A, Quận Bình Tân, TP Hồ Chí Minh được chọn làm đối tượng thiết kế toàn diện, từ kiến trúc đến kết cấu và biện pháp thi công.

Nhiệm vụ đồ án gồm các nội dung chính được xác định ngay từ đầu:

  1. Hiệu chỉnh và hoàn thiện bản vẽ kiến trúc theo định hướng của giảng viên hướng dẫn.
  2. Mô hình hóa, phân tích và thiết kế kết cấu sàn tầng điển hình (sàn dầm bẹt).
  3. Thiết kế kết cấu cầu thang bộ.
  4. Phân tích và thiết kế kết cấu khung không gian bao gồm vách, lõi cứng, dầm và cột.
  5. Thiết kế kết cấu bể nước mái.
  6. Khảo sát địa chất, đánh giá đất nền và thiết kế móng cọc khoan nhồi.
  7. Lập biện pháp thi công đổ bê tông bằng bơm tĩnh với cần phân phối.

Đối tượng nghiên cứu là toàn bộ công trình Khu căn hộ BCCI — một tòa nhà 20 tầng, diện tích xây dựng 29 m², tổng diện tích sàn 38 m², gồm 136 căn hộ thuộc hai loại (2 phòng ngủ 90 m² và 3 phòng ngủ từ 100 m²). Phạm vi thiết kế bao trùm toàn bộ các cấu kiện chịu lực, từ sàn, cột, dầm, vách lõi cứng đến móng cọc, không giới hạn ở một cấu kiện riêng lẻ. Thời gian thực hiện đồ án từ ngày 08/01/2024 đến 19/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng

Đồ án sử dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam hiện hành, bao gồm:

Tiêu chuẩn Nội dung áp dụng
TCVN 2737-1995 / 2737-2023 Tải trọng và tác động — Tiêu chuẩn thiết kế
TCXD 9362:2012 Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình
TCVN 9395:2012 Cọc khoan nhồi — Thi công và nghiệm thu
TCVN 4453:1995 Kết cấu bê tông và bê tông toàn khối
TCVN 5592:1991 Bảo dưỡng bê tông
QPXD 45-78 Hệ số biến động địa chất
ACI-318 Chọn chiều dày sàn không dầm
Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu tải trọng động đất Phân tích phổ phản ứng

Vật liệu sử dụng

  • Bê tông B30 (cọc, móng, cột, dầm, sàn): cường độ chịu nén tính toán Rb = 17×10³ kN/m², cường độ chịu kéo Rbt = 1,5×10³ kN/m², mô-đun đàn hồi Eb = 32.500×10³ kN/m².
  • Thép CB240-T (∅ ≤ 10): Rs = Rsc = 210×10³ kN/m², Rsw = 175×10³ kN/m².
  • Thép CB400-V (∅ > 10): Rs = Rsc = 350×10³ kN/m², Rsw = 280×10³ kN/m².

Phương pháp phân tích kết cấu

Đồ án áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn xuyên suốt để xác định nội lực cho toàn bộ hệ kết cấu. Cụ thể:

  • Phân tích sàn và móng bè bằng phần mềm SAFE 2016 (dải strip rộng 1 m theo hai phương X và Y).
  • Phân tích khung không gian 3D, dao động riêng và tải trọng động đất bằng phần mềm ETABS 19.
  • Phân tích cầu thang bộ bằng phần mềm SAP2000.
  • Xử lý nội lực và trình bày thuyết minh bằng Microsoft Office 365.
  • Thể hiện bản vẽ bằng AutoCAD 2021 (16 bản A1 gồm 4 bản kiến trúc và 12 bản kết cấu).

Nguồn dữ liệu đầu vào

Đồ án sử dụng bản vẽ kiến trúc và kết quả khảo sát địa chất của công trình thực tế làm dữ liệu đầu vào (architectural drawings và soil investigation drawings). Số liệu tải trọng gió được tra theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam; số liệu địa chất được xử lý thống kê theo QPXD 45-78.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan công trình và cơ sở thiết kế

Chương này giới thiệu toàn bộ thông tin nền của dự án. Công trình tọa lạc tại Lộ Tẻ, Phường Tân Tạo A, Quận Bình Tân, TP Hồ Chí Minh — khu vực liền kề KCN Tân Tạo và KCN Pou Yen, kết nối thuận lợi với Quốc lộ 1A, đường Bà Hom, Tỉnh lộ 10 và đường Kinh Dương Vương. Cấu trúc công trình gồm 1 tầng hầm để xe, tầng trệt thương mại, 1 tầng kỹ thuật, tầng 1 đến tầng 17 là căn hộ ở và sân thượng đặt hồ nước mái. Công trình có 4 thang máy và 3 thang bộ (2 ở hai bên, 1 ở giữa). Chương này trình bày chi tiết các tiêu chuẩn tính toán viện dẫn, thông số vật liệu, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cho từng loại cấu kiện và danh sách phần mềm sử dụng.

Chương 2: Thiết kế sàn tầng điển hình

Sàn tầng điển hình được chọn là sàn dầm bẹt (flat slab with band beam), với lý do kỹ thuật và kinh tế rõ ràng: mỗi tầng giảm được 200 mm chiều cao kết cấu so với sàn có sườn, với 20 tầng thì tổng tiết kiệm tương đương chiều cao của 1 tầng. Chiều dày sàn chọn theo ACI-318 là 250 mm. Tiết diện dầm bẹt biên chọn 400×600 mm, dầm biên góc 350×600 mm, dầm khung cầu thang 200×400 mm.

Tải trọng sàn được tra theo TCVN 2737-2023. Hoạt tải thiết kế: phòng ngủ và phòng khách 1,95 kN/m², nhà vệ sinh 1,6 kN/m², sảnh hành lang 1,3 kN/m². Tải tường 100 mm được quy đổi thành 1,26 kN/m dài; tường 200 mm là 3,48 kN/m dài.

Nội lực được xác định qua mô hình SAFE 2016 (sàn xuất từ ETABS). Kết quả kiểm tra trạng thái giới hạn II cho thấy ô bản số 4 (nhịp 9 m) chưa xuất hiện khe nứt (M_crc > M_n). Tại các vị trí dầm bẹt EF-4, F-4 và D5-Lõi đã xuất hiện nứt, bề rộng khe nứt được kiểm tra và so sánh giữa tính toán theo TCVN và kết quả từ SAFE.

Chương 3: Thiết kế cầu thang bộ

Cầu thang bộ dạng 2 vế, mỗi vế 10 bậc. Kích thước bậc thang: chiều cao h = 157 mm, chiều rộng b = 300 mm; góc nghiêng α = 28°. Chiều rộng vế thang a₁ = 1,2 m, chiếu nghỉ a₂ = 1,2 m, chiều cao tầng H = 3,3 m. Bản thang chọn dày 150 mm.

Tải trọng tác dụng: tĩnh tải vế thang g = 7,157 kN/m² (bao gồm lớp gạch bậc, lớp vữa trát); hoạt tải p = 3,85 kN/m² (hoạt tải sử dụng và lan can). Sơ đồ tính được lập với liên kết gối di động tại dầm chiếu nghỉ và gối cố định tại dầm sàn, dựa trên so sánh tỷ số h_d/h_s = 0,67/0,15 > 3. Nội lực được xác định qua SAP2000; thép được tính theo công thức cấu kiện chịu uốn.

Chương 4: Thiết kế kết cấu khung

Đây là chương có khối lượng tính toán lớn nhất, bao gồm phân tích toàn bộ hệ kết cấu không gian trong ETABS 19. Các nội dung gồm:

  • Tải trọng gió: xác định theo phân vùng áp lực gió Việt Nam, với hệ số c_e cho tường thẳng đứng nhà mặt bằng chữ nhật và hệ số địa hình; tính toán cho cả hai phương X và Y.
  • Tải trọng động đất: phân tích phổ phản ứng đàn hồi, khai báo hệ số ứng xử q_o và các tham số phổ theo tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất.
  • Kiểm tra ổn định: kiểm tra chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng do động đất theo phương X và Y, chuyển vị lệch tầng do gió theo phương X và Y, và hiệu ứng P-Delta theo cả hai phương.
Nội dung kiểm tra Phương X Phương Y
Chuyển vị đỉnh Kiểm tra Kiểm tra
Lệch tầng do động đất Kiểm tra Kiểm tra
Lệch tầng do gió Kiểm tra Kiểm tra
Hiệu ứng P-Delta Kiểm tra Kiểm tra
  • Thiết kế thép dầm bẹt, cột và vách lõi: tính thép dọc và thép đai; biểu đồ tương tác cột C5 được lập để kiểm tra khả năng chịu nén lệch tâm. Đặc trưng hình học của các phần tử vách lõi thang được tổng hợp; kết quả nội lực phần tử 58 được trình bày chi tiết. Cấu tạo cốt đai kháng chấn cho vách lõi thang được thiết kế riêng.

Chương 5: Kết cấu bể nước mái

Bể nước mái được thiết kế đầy đủ ba bộ phận: bản nắp, bản thành và bản đáy, cùng với hệ dầm bể nước và cột bể. Nội lực bản nắp và bản đáy được xác định qua SAFE (moment theo phương X và Y); bản thành được mô hình là bản một chiều chịu áp lực nước, xác định biểu đồ lực cắt và moment. Kiểm tra nứt bản thành được thực hiện riêng. Nội lực cột bể xuất từ ETABS; kết quả tính toán thép cột bể được tổng hợp trong bảng.

Chương 6: Móng cọc khoan nhồi

Đồ án lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi sau khi phân tích địa chất và tải trọng công trình. Số liệu địa chất được xử lý thống kê theo QPXD 45-78 (hệ số biến động và hệ số t).

Sức chịu tải của cọc được xác định theo bốn phương pháp song song:

  1. Theo độ bền vật liệu.
  2. Theo chỉ tiêu cơ lý đất nền.
  3. Theo chỉ tiêu cường độ đất nền.
  4. Theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT (công thức Viện Kiến trúc Nhật Bản và công thức Meyerhof).

Đồ án thiết kế hai loại móng điển hình: Móng M3 và Móng M5. Với mỗi loại móng, các bước kiểm tra gồm: phản lực đầu cọc, sức chịu tải nhóm cọc, ổn định đất nền dưới khối móng quy ước, kiểm tra lún, kiểm tra xuyên thủng đài cọc, và tính toán cốt thép đài. Đài móng M5 được mô hình thêm vào SAFE với lò xo mô phỏng đầu cọc để xác định moment theo hai phương.

Chương 7: Biện pháp thi công đổ bê tông bằng bơm tĩnh

Chương trình bày quy trình thi công đổ bê tông sử dụng bơm tĩnh với cần phân phối (placing boom), gồm: lắp đặt cần phân phối, tháo dỡ, nâng cần, quy trình bơm bê tông và biện pháp đổ bù. Yêu cầu kỹ thuật khi đổ, đầm và bảo dưỡng bê tông được quy định theo TCVN 4453:1995 (chiều dày lớp đổ) và TCVN 5592:1991 (thời gian bảo dưỡng ẩm).

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống tính toán

Đồ án áp dụng quy trình phân tích hai lớp phần mềm liên thông:

  • ETABS 19 đóng vai trò mô hình trung tâm: phân tích dao động, xuất nội lực khung và xuất mô hình sàn sang SAFE.
  • SAFE 2016 nhận mô hình từ ETABS để phân tích chi tiết sàn (dải strip 1 m × 2 phương) và đài cọc (mô hình lò xo đầu cọc).
  • SAP2000 được dùng riêng để phân tích cấu kiện cầu thang bộ.
  • AutoCAD 2021 thể hiện 16 bản vẽ A1 (4 kiến trúc + 12 kết cấu).

Mô hình kết cấu

Sàn dầm bẹt được mô hình trong SAFE với các dải strip rộng 1 m theo phương X và Y. Đài móng M5 được mô hình hóa trong SAFE với lò xo mô phỏng độ cứng đầu cọc để phân tích phân bố moment theo hai phương, phản lực chân cọc và kiểm tra xuyên thủng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thiết kế kết cấu

  • Sàn tầng điển hình: sàn dầm bẹt dày 250 mm; ô bản số 4 (nhịp 9 m) chưa xuất hiện khe nứt (M_crc > M_n = 29 kN.m); các dầm bẹt tại vị trí EF-4, F-4, D5-Lõi có khe nứt nhưng bề rộng khe nứt nằm trong giới hạn cho phép.
  • Kiểm tra dao động và ổn định khung: chu kỳ và khối lượng tham gia dao động được tổng hợp qua 14 bảng số liệu; chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng theo 4 trường hợp (gió X, gió Y, động đất X, động đất Y) và hiệu ứng P-Delta theo 2 phương đều được kiểm tra và đạt yêu cầu.
  • Cột C5: biểu đồ tương tác được lập và kiểm tra khả năng chịu nén lệch tâm; kết quả thép cột C5-C3-C1 được tổng hợp.
  • Vách lõi thang: đặc trưng hình học và nội lực phần tử 58 được kiểm tra; cốt đai kháng chấn được cấu tạo riêng.
  • Bể nước mái: thiết kế hoàn chỉnh nắp, thành, đáy, dầm và cột bể; kiểm tra nứt bản thành đạt yêu cầu.
  • Móng cọc khoan nhồi: sức chịu tải được tổng hợp từ 4 phương pháp tính; thiết kế hoàn chỉnh cho móng M3 và M5 bao gồm bố trí cọc, kiểm tra nhóm cọc, kiểm tra lún và xuyên thủng.

Đóng góp của đồ án

Đồ án thực hiện thiết kế toàn diện một công trình nhà cao tầng thực tế với hệ kết cấu kết hợp sàn dầm bẹt — vách lõi cứng — cọc khoan nhồi, là loại hệ kết cấu phổ biến trong xây dựng nhà ở cao tầng tại Việt Nam hiện nay. So sánh kết quả tính độ võng theo TCVN với kết quả từ SAFE được thực hiện, qua đó chỉ ra sự khác biệt giữa phương pháp đàn hồi tuyến tính và phương pháp trạng thái giới hạn II có kể đến biến dạng, từ biến và vết nứt. Việc áp dụng đồng thời công thức Viện Kiến trúc Nhật Bản và công thức Meyerhof cho tính sức chịu tải cọc theo SPT tạo cơ sở đối chiếu đa phương pháp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Đồ án không trình bày tường minh mục hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo. Căn cứ vào phạm vi thiết kế thực tế, có thể xác định một số giới hạn tự nhiên:

  • Thiết kế tập trung vào phần kết cấu chịu lực; các hệ thống cơ điện, PCCC, thang máy và hệ thống nước chỉ được mô tả sơ lược ở Chương 1 mà không có tính toán chi tiết.
  • Biện pháp thi công chỉ trình bày phương pháp đổ bê tông bằng bơm tĩnh; các công tác thi công khác như đào đất, ép cọc, ván khuôn, cốt thép không được đề cập.
  • Mô hình địa chất chỉ dừng ở xử lý thống kê số liệu xuyên tiêu chuẩn SPT; phân tích lún dài hạn và tương tác động học đất-kết cấu chưa được xét đến.
  • Đồ án chưa đánh giá phương án móng bè hoặc phương án móng cọc ép để so sánh kinh tế-kỹ thuật với giải pháp cọc khoan nhồi đã chọn.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng và Kỹ thuật xây dựng đang thực hiện đồ án tốt nghiệp về nhà cao tầng bê tông cốt thép, đặc biệt các công trình sử dụng hệ sàn dầm bẹt và móng cọc khoan nhồi.
  • Sinh viên cần mẫu quy trình tích hợp phần mềm: đồ án cho thấy cách liên thông giữa ETABS — SAFE — SAP2000 — AutoCAD trong một dự án hoàn chỉnh.
  • Người học về phân tích tải trọng động đất và gió: Chương 4 cung cấp ví dụ đầy đủ về khai báo phổ phản ứng trong ETABS, tổ hợp tải trọng và kiểm tra các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn Việt Nam.
  • Người nghiên cứu thiết kế móng cọc khoan nhồi: Chương 6 trình bày song song 4 phương pháp tính sức chịu tải cọc đơn và quy trình kiểm tra đầy đủ từ phản lực đầu cọc đến xuyên thủng đài, là tài liệu quy trình hữu ích cho đồ án cùng dạng.
  • Các phần đáng đọc kỹ: quy trình so sánh độ võng TCVN — SAFE (Chương 2), quy trình thống kê địa chất và tổng hợp sức chịu tải cọc từ nhiều phương pháp (Chương 6).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn hệ sàn dầm bẹt thay vì sàn có sườn truyền thống? Đồ án nêu hai lý do cụ thể: (1) Mỗi tầng giảm được 200 mm chiều cao kết cấu so với sàn có sườn; với 20 tầng, tổng tiết kiệm đủ tương đương một tầng mới, nâng cao hiệu quả kinh tế. (2) Việc bố trí tường ngăn linh hoạt, không phụ thuộc vị trí dầm, tạo thuận lợi cho thiết kế kiến trúc nội thất.

2. Chiều dày sàn 250 mm được xác định theo cơ sở nào? Chiều dày sàn được tính theo tiêu chuẩn ACI-318, áp dụng công thức h_b = l_n/35 với nhịp l_n = 9.600 mm, cho kết quả h_b = 274,3 mm. Để thiên về an toàn và hợp lý về cấu tạo, sinh viên chọn 250 mm.

3. Sức chịu tải thiết kế của cọc được xác định bằng những phương pháp nào và kết quả được tổng hợp như thế nào? Bốn phương pháp được áp dụng song song: (1) theo độ bền vật liệu, (2) theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, (3) theo chỉ tiêu cường độ đất nền, (4) theo kết quả SPT dùng hai công thức Viện Kiến trúc Nhật Bản và Meyerhof. Kết quả của cả bốn phương pháp được tổng hợp trong bảng "Tổng hợp sức chịu tải của cọc" để lấy giá trị thiết kế.

4. Ô bản số 4 được chọn kiểm tra nứt và độ võng vì lý do gì, và kết quả kiểm tra ra sao? Ô bản số 4 được chọn vì có nhịp lớn nhất (9 m) và moment lớn nhất trong hệ sàn, đại diện cho trường hợp bất lợi nhất. Kết quả tính toán cho thấy moment kháng chống nứt M_crc = 29,96 kN.m lớn hơn moment do tải trọng tiêu chuẩn M_n = 29 kN.m, tức là khe nứt chưa xuất hiện ở ô bản này. Kiểm tra độ võng tại 4 vị trí (1-1, 2-2, I-I, II-II) đều đạt yêu cầu.

5. Sơ đồ tính cầu thang bộ được lập theo quan niệm liên kết nào, và căn cứ kỹ thuật là gì? Liên kết được chọn dựa trên tỷ số h_d/h_s = 0,67/0,15 = 4,47 > 3. Vì dầm có độ cứng lớn hơn bản thang nhiều lần, liên kết giữa bản thang và dầm sàn phía trên được chọn là gối cố định; liên kết với dầm chiếu nghỉ phía dưới là gối di động (cho phép chuyển vị ngang). Cách chọn này loại trừ được moment xoắn tại dầm chiếu nghỉ và đơn giản hóa quá trình tính toán trong khi vẫn đảm bảo an toàn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Dự án Khu căn hộ BCCI" của sinh viên Nguyễn Duy Nghĩa trình bày quá trình thiết kế kỹ thuật toàn diện một tòa nhà căn hộ cao tầng 20 tầng, bao gồm đầy đủ các bước từ phân tích tải trọng, thiết kế sàn dầm bẹt, cầu thang, khung không gian, bể nước mái, móng cọc khoan nhồi đến biện pháp thi công. Hệ thống tính toán được xây dựng trên quy trình liên thông giữa ETABS 19, SAFE 2016 và SAP2000, với toàn bộ kết quả được kiểm tra theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Đồ án thể hiện năng lực vận dụng tổng hợp kiến thức cơ học kết cấu, thiết kế bê tông cốt thép và địa kỹ thuật ở mức độ một đồ án tốt nghiệp kỹ thuật xây dựng, đồng thời cung cấp mẫu quy trình tích hợp phần mềm hữu ích cho các sinh viên thực hiện đồ án cùng dạng công trình.