Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Ký túc xá sinh viên" được thực hiện bởi sinh viên Trịnh Nguyễn Tuấn Kiệt (MSSV: 20149322, khóa 2020–2024) tại Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hà Duy Khánh.

Xuất phát điểm của đồ án là nhu cầu ngày càng tăng về chỗ ở của sinh viên và giảng viên nội trú, cần có một công trình đáp ứng đồng thời điều kiện sinh hoạt, học tập và nghiên cứu, góp phần vào mục tiêu và nhiệm vụ của nhà trường. Công trình được đặt tại Phường An Bình, Quận Ninh Kiều, TP. Cần Thơ — vị trí gần Đại học Nam Cần Thơ, Đại học FPT Cần Thơ, Bệnh viện Tim mạch Cần Thơ và Trung tâm Kiểm soát bệnh tật TP. Cần Thơ — tạo điều kiện thuận lợi về hạ tầng tiện ích xung quanh.

Quy mô công trình:

  • Tổng số tầng: 1 tầng hầm + 1 tầng trệt + 15 tầng điển hình + 1 tầng kỹ thuật + 1 tầng mái
  • Chiều cao tổng thể: 58,80 m; tầng hầm cao độ −3,75 m; tầng trệt cao 4,4 m
  • Diện tích khu đất: 1.889 m²; mật độ xây dựng 50,99% (khối đế)
  • Diện tích sàn điển hình: 739,22 m²; tổng diện tích sàn: 13.305,6 m²
  • Niên hạn sử dụng: 100 năm; công trình được phân cấp là cấp 2 theo Thông tư 03/2016/TT-BXD

Nhiệm vụ thiết kế gồm các phần chính:

  1. Thiết kế kiến trúc tổng thể — mặt bằng, mặt đứng, hệ thống kỹ thuật
  2. Lựa chọn và phân tích giải pháp kết cấu phần thân
  3. Xác định và tổ hợp tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải, tải gió, tải động đất)
  4. Thiết kế các cấu kiện điển hình: sàn, cầu thang, khung trục, vách, dầm, cột
  5. Thiết kế móng cọc khoan nhồi
  6. Tính toán cốp pha thi công

Đối tượng và phạm vi: Công trình ký túc xá cao tầng tại TP. Cần Thơ, thiết kế hoàn chỉnh từ kiến trúc đến kết cấu và thi công, áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành cho giai đoạn thiết kế năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng

Ký hiệu Nội dung
TCVN 2737-2023 Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng và tác động
TCVN 5574-2018 Tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép
TCVN 198-1997 Nhà cao tầng – thiết kế bê tông cốt thép toàn khối
TCVN 10304-2014 Móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế
TCVN 195-1997 Nhà cao tầng – thiết kế cọc khoan nhồi
TCVN 9362-2012 Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình
TCVN 9386-2012 Thiết kế công trình chịu động đất
QCVN 02-2009/BXD Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng
QCVN 03:2012/BXD Phân cấp bậc công trình và xác định tuổi thọ

Vật liệu sử dụng

Vật liệu Đặc trưng cơ lý Ứng dụng
Bê tông B30 Rb = 17 MPa; Rbt = 1,15 MPa; Eb = 32.000 MPa Móng, cột, dầm, sàn, cầu thang, bể nước
Thép CB240-T (∅ < 10 mm) Rs = Rsc = 210 MPa; Rsw = 170 MPa; Es = 2,5×10⁵ MPa Cốt đai cho cột, dầm, cầu thang
Thép CB400-V (∅ ≥ 10 mm) Rs = Rsc = 350 MPa; Rsw = 280 MPa; Es = 2,3×10⁵ MPa Cốt dọc cột, dầm, sàn, đài móng

Phương pháp và công cụ tính toán

Đồ án áp dụng phương pháp thiết kế kết cấu theo trạng thái giới hạn (TTGH I — kiểm tra khả năng chịu lực; TTGH II — kiểm tra độ võng và vết nứt). Tải trọng động đất được phân tích bằng phương pháp phổ phản ứng dạng dao động (response spectrum analysis) theo TCVN 9386:2012. Các phần mềm được sử dụng gồm: ETABS (mô hình không gian 3D, phân tích nội lực khung và vách), SAFE (thiết kế sàn và kiểm tra độ võng), SAP2000 (tính cầu thang), AutoCAD (thể hiện bản vẽ), Microsoft Word và Microsoft Excel (tính toán thủ công kiểm tra).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về kiến trúc

Chương này trình bày mục đích xây dựng, vị trí và quy mô công trình, điều kiện tự nhiên tại TP. Cần Thơ (khí hậu nóng ẩm, ít bão; nhiệt độ trung bình năm 29°C; độ ẩm trung bình 82%; địa chất phù sa bồi lắng từ sông Cửu Long), và các giải pháp kiến trúc — kỹ thuật.

Về mặt bằng, tầng trệt bố trí căn tin (9×18,4 m), phòng sinh hoạt chung (9×10 m), phòng y tế và phòng bảo vệ; từ tầng 1 đến tầng 15 bố trí 120 phòng ở sinh viên loại I (7×5 m) và 60 phòng loại II (7×4,2 m). Giao thông đứng gồm 4 thang máy và 2 cầu thang bộ; tầng hầm dành cho đỗ xe ô tô, xe máy và phòng kỹ thuật điện nước. Tầng kỹ thuật (tầng 16) điều khiển các hệ thống kỹ thuật tòa nhà.

Các hệ thống kỹ thuật bao gồm: điện hai nguồn (lưới điện quốc gia và máy phát dự phòng 150 kVA), cấp nước từ bể ngầm bơm lên bể mái tự động hoàn toàn, thông gió tự nhiên qua cửa sổ và khoảng thông tầng, hệ thống báo cháy tự động cảm ứng khói, hệ thống chống sét nhà cao tầng, và gen thoát rác theo tầng.

Chương 2: Tổng quan kết cấu

Chương này phân tích và lựa chọn hệ kết cấu. Về phương ngang, sinh viên chọn hệ sàn sườn (sàn kết hợp hệ dầm) vì tính toán đơn giản và công nghệ thi công phổ biến, dù có hạn chế về khẩu độ vượt nhịp. Về phương đứng, so sánh ba hệ kết cấu (hệ khung, hệ vách–lõi cứng, hệ khung–giằng), đồ án chọn hệ khung kết hợp vách chịu lực, trong đó vách được bố trí tại buồng thang bộ và lõi thang máy.

Kích thước sơ bộ các cấu kiện được xác định theo công thức kinh nghiệm và kiểm tra tải trọng truyền tải:

Cấu kiện Kích thước
Dầm chính (dầm khung) 350×750 mm
Dầm phụ 300×600 mm
Dầm ban công (D6) 200×400 mm
Chiều dày sàn điển hình 180 mm
Vách thang bộ 200 mm
Vách lõi thang máy (trục 2-B, 3-B) 300 mm
Vách góc (trục 1A, 4A, 1D, 4D) 200 mm; kích thước 2.500×300 mm
Cột đỡ dầm chiếu nghỉ 200×200 mm

Tiết diện cột được tối ưu hóa sau khi tính toán khung và phân tầng theo tải trọng tích lũy:

Tầng Cột biên 2A (b×h) Cột giữa (b×h) Cột biên 1B (b×h)
Tầng 15 – Mái 500×500 mm 500×500 mm 450×450 mm
Tầng 12–14 550×550 mm 550×550 mm 500×500 mm
Tầng 9–11 600×600 mm 650×650 mm 600×600 mm
Tầng 6–8 700×700 mm 750×750 mm 700×700 mm
Tầng 3–5 800×800 mm 850×850 mm 800×800 mm
Tầng trệt–2 900×900 mm 950×950 mm 850×850 mm

Chương 3: Tải trọng tác dụng lên công trình

Chương này hệ thống hóa toàn bộ tải trọng đầu vào. Tĩnh tải gồm trọng lượng bản thân kết cấu và các lớp hoàn thiện (gạch lát, lớp vữa trát, lớp chống thấm); tổng tĩnh tải sàn nhà vệ sinh và logia (có sàn BTCT) là 5,2 kN/m². Hoạt tải lấy theo Bảng 4 — TCVN 2737:2023, với hệ số vượt tải n = 1,2 đến 1,6 tùy công năng.

Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737-2023 với công trình thuộc vùng gió IIB theo QCVN 02:2009/BXD. Chu kỳ dao động cơ bản đo được qua ETABS là T₁ = 2,407 s (dao động xoắn), xác định công trình thuộc loại "mềm" → hệ số hiệu ứng giật Gf tính theo công thức cụ thể với β = 0,02 (kết cấu bê tông cốt thép).

Tải động đất phân tích theo TCVN 9386:2012, phương pháp phổ phản ứng. Các thông số chính: công trình tại Cần Thơ, loại đất nền D, gia tốc nền thiết kế ag = 0,6494 m/s² (≈ 0,0662 g), hệ số tầm quan trọng γ₁ = 1,0 (loại II), hệ số ứng xử q = 3,9 (hệ khung/khung vách tương đương, cấp dẻo trung bình DCM), thông số nền S = 1,2. Tổ hợp tải trọng bao gồm 12 trường hợp combo thiết kế phân nhóm theo TTGH I (CBBaoTT, CBBaoDD) và TTGH II (CBBaoTC).

Chương 4: Thiết kế sàn tầng điển hình

Sàn tầng điển hình được mô hình hóa và tính toán nội lực trong phần mềm SAFE. Các ô sàn được chia thành dải (strips) bề rộng 1 m theo phương X và phương Y để xác định moment phân bổ theo từng dải. Cốt thép sàn được tính theo TCVN 5574-2018, hàm lượng thép tối thiểu μ_min = 0,06%.

Kiểm tra độ võng sàn tầng 7 theo TTGH II: độ võng tính toán f = 45,82 mm < f_u = L/200 = 1.000/200 = 50 mm — thỏa điều kiện độ võng. Thành phần dài hạn của hoạt tải lấy bằng 30% tổng hoạt tải; hệ số từ biến CR = 1 (bê tông B30, độ ẩm trên 75%); hệ số co ngót SH = 0,0003.

Chương 5: Thiết kế cầu thang

Cầu thang tầng điển hình là cầu thang 2 vế dạng bản, tổng 24 bậc, chiều cao bậc h_b = 155 mm, chiều rộng bậc b_b = 300 mm. Bề rộng chiếu nghỉ 1,55 m; chiều dài bản thang 3 m. Bề dày bản thang chọn h_ban = 150 mm; dầm chiếu nghỉ 200×400 mm.

Hoạt tải cầu thang lấy p_tc = 3 kN/m² (theo TCVN 2737:2023), hệ số vượt tải n = 1,2. Nội lực được tính bằng SAP2000 theo sơ đồ một đầu gối cố định, một đầu gối di động. Moment nhịp M_nh = 0,m (theo ký hiệu trong văn bản); moment gối M_g = 0,m. Kết quả cốt thép sàn thang và dầm chiếu nghỉ lập thành bảng (Bảng 5.3, Bảng 5.4). Trọng lượng bản thân dầm chiếu nghỉ g_tt = 1,2 kN/m; tải tường g_ttt = 1,732 kN/m.

Chương 6: Thiết kế khung trục 2 và trục A

Chương này thực hiện kiểm tra ổn định toàn công trình trước khi thiết kế chi tiết cấu kiện. Kết quả kiểm tra chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng do gió và do động đất được tổng hợp thành bảng (Bảng 6.2, 6.3, 6.4). Ngoài ra kiểm tra điều kiện chống lật, điều kiện P-Delta và tỷ số nén.

Thiết kế cột áp dụng phương pháp nén lệch tâm xiên, xét độ lệch tâm theo từng phương và hệ số uốn dọc. Phân loại điều kiện làm việc cột theo bảng 6.5 trong thuyết minh. Cốt đai cột và gia cường tại nút dầm–cột được tính riêng.

Thiết kế vách áp dụng mô hình Pier, tính thép vách biên và thép vách lõi thang, thể hiện qua mặt cắt đứng và ngang của vách (Hình 6.2). Nội lực dầm điển hình B92 lập bảng riêng (Bảng 6.6).

Chương 7: Thiết kế móng

Giải pháp móng là móng cọc khoan nhồi, lựa chọn căn cứ vào điều kiện địa chất khu vực Cần Thơ (đất phù sa bồi tích, phân lớp chi tiết trong Bảng 7.1 — tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất). Sức chịu tải của cọc được xác định theo bốn phương pháp: theo vật liệu, theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, theo chỉ tiêu cường độ đất nền và theo thí nghiệm SPT, sau đó lấy giá trị thiên về an toàn.

Đồ án thiết kế bốn loại móng: M1, M2, M3 và móng lõi thang (MLT). Với mỗi loại móng, quy trình gồm: bố trí đài cọc, kiểm tra tải trọng đầu cọc, kiểm tra điều kiện ổn định đất nền trong móng khối quy ước, kiểm tra xuyên thủng và tính toán thép đài móng. Kết quả nội lực và cốt thép đài từng loại móng được tổng hợp thành bảng (Bảng 7.7 đến Bảng 7.20).

Chương 8: Thi công cốp pha

Chương cuối tập trung vào thiết kế hệ cốp pha thi công cho ba loại cấu kiện: sàn, dầm biên (350×750 mm) và cột (700×700 mm). Vật liệu cốp pha được chọn là ván khuôn phẳng Hòa Phát. Với mỗi loại cốp pha, bài toán kiểm tra gồm: tính lực tác dụng lên ván khuôn, kiểm tra sườn dọc, sườn ngang, thanh chống xiên và cây chống theo sơ đồ dầm liên tục. Tải trọng truyền vào cốp pha đáy dầm và cốp pha thành cột được lập bảng riêng (Bảng 8.1, 8.4).

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính:

  • Hoàn thành thiết kế kiến trúc công trình 19 tầng (kể cả hầm và mái), tổng diện tích sàn 13.305,6 m², với 180 phòng ở từ tầng 1 đến tầng 15.
  • Hệ kết cấu khung kết hợp vách được kiểm chứng đủ ổn định: độ võng sàn tầng 7 là 45,82 mm, nhỏ hơn giới hạn cho phép 50 mm (L/200).
  • Tiết diện cột phân tầng từ 450×450 mm (tầng cao) đến 950×950 mm (tầng trệt), tối ưu hóa theo tải trọng tích lũy.
  • Đánh giá tải động đất cho đất nền loại D tại Cần Thơ với ag = 0,6494 m/s², chu kỳ dao động cơ bản T₁ = 2,407 s, cấp dẻo DCM, hệ số ứng xử q = 3,9.
  • Thiết kế hoàn chỉnh bốn nhóm móng cọc khoan nhồi (M1, M2, M3, MLT) phù hợp với địa chất phù sa bồi tích khu vực Cần Thơ.
  • Thiết kế và kiểm tra hệ cốp pha ván khuôn Hòa Phát cho ba loại cấu kiện điển hình, đảm bảo điều kiện bền và ổn định trong quá trình thi công.

Đóng góp thực tiễn: Đồ án cung cấp một hồ sơ thiết kế kỹ thuật tương đối hoàn chỉnh — từ kiến trúc, kết cấu đến thi công — cho loại hình công trình ký túc xá cao tầng đặt trên nền đất yếu phù sa đồng bằng sông Cửu Long. Việc áp dụng đồng thời các tiêu chuẩn TCVN mới nhất (TCVN 2737-2023, TCVN 5574-2018, TCVN 9386-2012) trong một đồ án tích hợp kiến trúc–kết cấu–thi công là điểm phân biệt so với các đồ án chỉ xử lý một phần bài toán.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản không nêu rõ mục hạn chế riêng, nhưng từ phạm vi nghiên cứu có thể xác định một số giới hạn:

  • Đồ án chỉ thiết kế kết cấu theo giai đoạn thiết kế kỹ thuật; chưa bao gồm thiết kế bản vẽ thi công chi tiết hoàn chỉnh, tổng mặt bằng công trường và lập tiến độ thi công.
  • Phần thiết kế cốp pha (Chương 8) chỉ bao gồm ba loại cấu kiện điển hình (sàn, dầm biên, cột), chưa bao trùm toàn bộ cấu kiện của công trình.
  • Phân tích địa chất dựa trên các chỉ tiêu cơ lý và thí nghiệm SPT tổng hợp; chưa thực hiện mô phỏng tương tác nền–móng bằng phần mềm địa kỹ thuật chuyên biệt.
  • Hướng mở rộng khả thi: tính toán thi công thực tế theo tiến độ, mô phỏng ứng xử nền đất yếu dưới tải trọng công trình bằng phần mềm Plaxis hoặc tương đương, và thiết kế chi tiết hệ thống MEP tích hợp.

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 đang thực hiện đồ án tốt nghiệp về nhà cao tầng bê tông cốt thép, đặc biệt là bài toán thiết kế tổng hợp kiến trúc–kết cấu–móng–cốp pha.
  • Sinh viên lần đầu áp dụng ETABS và SAFE có thể tham khảo quy trình khai báo tải trọng, thiết lập tổ hợp nội lực theo gió và động đất, chia dải strip tính nội lực sàn, và kiểm tra độ võng.
  • Người làm đề tài về nhà cao tầng trên nền đất yếu tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long có thể tham khảo Chương 3 (thông số tải động đất đất nền loại D tại Cần Thơ) và Chương 7 (quy trình xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi theo bốn phương pháp).
  • Người nghiên cứu thiết kế ký túc xá sinh viên có thể tham khảo phần bố cục công năng mặt bằng tầng điển hình, thống kê phòng ở và giải pháp giao thông đứng–ngang trong Chương 1.

Phần đáng tham khảo nhất là Chương 3 (xây dựng tổ hợp tải trọng 12 combo theo TCVN 2737-2023 và TCVN 9386-2012) và Chương 7 (quy trình thiết kế móng cọc khoan nhồi đầy đủ từ sức chịu tải đến kiểm tra xuyên thủng và tính thép đài).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công trình được phân loại đất nền loại D và điều này ảnh hưởng gì đến thiết kế kháng chấn? Căn cứ vào mặt cắt địa tầng và số liệu khảo sát địa chất tại khu vực xây dựng, công trình được xác định thuộc loại đất nền D theo Mục 3.2 TCVN 9386-2012 (đất yếu, đặc trưng cho phù sa bồi tích đồng bằng Cửu Long). Đất nền loại D dẫn đến hệ số nền S = 1,2 — giá trị lớn, làm tăng lực quán tính do động đất. Gia tốc nền thiết kế ag = 0,6494 m/s² và hệ số ứng xử q = 3,9 được xác định trên cơ sở phân loại này.

2. Vì sao đồ án chọn hệ khung kết hợp vách thay vì hệ khung thuần túy? Hệ khung thuần túy chỉ thích hợp cho tòa nhà dưới 20 tầng vì kém hiệu quả trong chịu tải trọng ngang ở công trình chiều cao lớn. Công trình có 15 tầng điển hình và chiều cao 58,80 m, nằm trong vùng gió IIB với chu kỳ dao động T₁ = 2,407 s (công trình "mềm"). Hệ khung–giằng (kết hợp vách lõi thang) được chọn vì vách chủ yếu đảm nhận tải ngang, trong khi hệ khung chịu tải đứng, phân công hợp lý và không ảnh hưởng đến kiến trúc nội thất.

3. Độ võng sàn tầng 7 được kiểm tra như thế nào và kết quả có đạt yêu cầu không? Độ võng sàn tầng 7 được kiểm tra theo TTGH II trong phần mềm SAFE, tổ hợp theo ba thành phần: f₁ (toàn bộ tải ngắn hạn, Cracked), f₂ (tải dài hạn ngắn hạn, Cracked) và f₃ (tải dài hạn, Long-term Cracked). Hoạt tải dài hạn lấy bằng 30% tổng hoạt tải. Kết quả f = 45,82 mm < f_u = L/200 = 50 mm, thỏa điều kiện độ võng theo Bảng M1 TCVN 5574:2018.

4. Sức chịu tải cọc khoan nhồi được xác định bằng những phương pháp nào và phương pháp nào quyết định? Đồ án xác định sức chịu tải cọc theo bốn phương pháp: (1) theo vật liệu cọc, (2) theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (ma sát dọc thân và sức kháng mũi), (3) theo chỉ tiêu cường độ đất nền, (4) theo kết quả thí nghiệm SPT. Sức chịu tải thiết kế (cho phép) được tổng hợp thành bảng (Bảng 7.6), lấy theo nguyên tắc thiên về an toàn. Thành phần chịu tải do ma sát dọc thân cọc được tính chi tiết trong Bảng 7.3 và 7.4.

5. Cốp pha cột tiết diện 700×700 mm được kiểm tra theo những điều kiện nào? Cốp pha cột 700×700 mm được kiểm tra theo bốn điều kiện: (1) cốp pha thành chịu áp lực bê tông tươi, (2) sườn đứng chịu uốn, (3) sườn ngang chịu uốn và (4) ti giằng và cây chống. Sơ đồ tính của từng bộ phận được thể hiện qua các hình từ Hình 8.18 đến Hình 8.21; tải trọng tác dụng được lập bảng tại Bảng 8.4. Vật liệu ván khuôn sử dụng là ván khuôn phẳng Hòa Phát.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ký túc xá sinh viên" của Trịnh Nguyễn Tuấn Kiệt là một hồ sơ thiết kế kỹ thuật toàn diện cho công trình nhà ở cao tầng 19 tầng (bao gồm tầng hầm và mái), đáp ứng chuẩn cấp công trình loại 2 theo Thông tư 03/2016/TT-BXD, với tổng diện tích sàn 13.305,6 m² và niên hạn sử dụng 100 năm. Đồ án thực hiện đầy đủ trình tự từ phân tích kiến trúc, lựa chọn hệ kết cấu khung–vách, xác định tải trọng (gió, động đất theo TCVN 9386:2012 cho đất nền loại D tại Cần Thơ), thiết kế các cấu kiện điển hình đến thiết kế móng cọc khoan nhồi và hệ cốp pha thi công, toàn bộ áp dụng hệ tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Mức độ chi tiết của hồ sơ phù hợp với yêu cầu đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng trình độ đại học.