Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng này được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thành Nhân (MSSV: 20149345, lớp 201493B), dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Hậu, tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, hoàn thành vào tháng 6 năm 2024.
Công trình được thiết kế là Trung tâm Điều hành Nghiệp vụ Văn hóa Thể thao và Du lịch, tọa lạc tại 170 Nguyễn Đình Chiểu, Phường 6, Quận 3, TP.HCM — một địa điểm trung tâm đô thị với yêu cầu cao về kết cấu, kiến trúc và an toàn. Công trình thuộc loại nhà cao tầng phức hợp (18 tầng nổi + 2 tầng hầm, tổng chiều cao 68,5 m), diện tích khu đất 2.998,3 m², phục vụ đa chức năng gồm văn phòng hành chính, hội nghị, triển lãm, nhà khách và bãi giữ xe.
Nhiệm vụ thực hiện của đồ án bao gồm:
- Chỉnh sửa và thể hiện hồ sơ kiến trúc theo yêu cầu của giảng viên hướng dẫn.
- Mô hình hóa, phân tích, tính toán và thiết kế cầu thang bộ tầng điển hình.
- Mô hình hóa, phân tích, tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình (phương án sàn sườn BTCT).
- Mô hình hóa, phân tích, tính toán và thiết kế hệ dầm tầng điển hình.
- Mô hình hóa, phân tích, tính toán và thiết kế hai hệ khung vuông góc bao gồm cột và lõi thang máy.
- Mô hình hóa, phân tích, tính toán và thiết kế móng cọc khoan nhồi.
- Thiết kế cốp pha cột và tính toán hệ dầm I đỡ giàn giáo.
Phạm vi không gian: Toàn bộ hệ kết cấu công trình từ móng đến mái, theo phương án thiết kế được giao. Phạm vi thời gian: Từ tháng 02/2024 đến tháng 06/2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Hệ thống tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng
Đồ án vận dụng hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của Việt Nam:
| STT |
Tên tiêu chuẩn/quy chuẩn |
Nội dung |
| 1 |
QCVN 02:2022 |
Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng |
| 2 |
QCVN 03:2022 |
Phân cấp công trình phục vụ thiết kế xây dựng |
| 3 |
TT 06:2021 |
Phân cấp công trình xây dựng và hướng dẫn áp dụng |
| 4 |
TCVN 198:1997 |
Nhà cao tầng — thiết kế kết cấu BTCT toàn khối |
| 5 |
QC 06:2022 |
An toàn cháy cho nhà và công trình |
| 6 |
TCVN 2737-2023 |
Tải trọng và tác động |
| 7 |
TCVN 9386-2012 |
Thiết kế công trình chịu động đất |
| 8 |
TCVN 5574-2018 |
Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép — tiêu chuẩn thiết kế |
| 9 |
TCVN 5575-2012 |
Kết cấu thép — tiêu chuẩn thiết kế |
| 10 |
TCVN 10304:2014 |
Móng cọc — tiêu chuẩn thiết kế |
| 11 |
TCVN 9362:2012 |
Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình |
| 12 |
TCVN 9395:2012 |
Cọc khoan nhồi — thi công và nghiệm thu |
Vật liệu thiết kế
- Bê tông B30: Rb = 17 MPa, Rbt = 1,15 MPa, Eb = 32.500 MPa, γ = 25 kN/m³.
- Cốt thép CB240-T (Ø < 10): Rs = 210 MPa, Rsw = 170 MPa.
- Cốt thép CB400-V (Ø ≥ 10): Rs = 350 MPa, Rsw = 280 MPa.
Phương pháp nghiên cứu
Đồ án sử dụng phương pháp thiết kế kết cấu kỹ thuật kết hợp mô hình hóa phần mềm, cụ thể:
- Phân tích lý thuyết kết cấu theo các tiêu chuẩn TCVN hiện hành.
- Mô hình hóa và phân tích kết cấu tổng thể bằng phần mềm ETABS (phân tích nội lực, kiểm tra chuyển vị, phổ phản ứng động đất).
- Phân tích sàn bằng phần mềm SAFE.
- Kiểm tra khả năng chịu lực cột và lõi thang bằng phần mềm Prokon.
- Tính toán thủ công cho các cấu kiện đơn lẻ (cầu thang, dầm, móng) theo công thức tiêu chuẩn.
- Tính toán tải trọng gió theo phương pháp phổ phản ứng (TCVN 2737-2023), tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản ứng dao động (TCVN 9386-2012).
Nguồn dữ liệu
- Hồ sơ kiến trúc công trình được cung cấp.
- Hồ sơ khảo sát địa chất công trình (kết quả thí nghiệm SPT, chỉ tiêu cơ lý từng lớp đất).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan kiến trúc công trình
Chương này giới thiệu công trình Trung tâm Điều hành Nghiệp vụ Văn hóa Thể thao và Du lịch với các thông số kiến trúc cơ bản: diện tích khu đất 2.998,3 m²; quy mô 18 tầng nổi + 2 tầng hầm; chiều cao tổng thể 68,5 m. Phân khu chức năng được mô tả chi tiết theo từng nhóm tầng:
| Tầng |
Diện tích (m²/tầng) |
Chức năng |
| Hầm 1, 2 |
2.717,8 |
Bãi giữ xe, thiết bị kỹ thuật, máy phát điện, kho |
| Trệt |
1.722,6 |
Sảnh văn phòng, sảnh nhà khách, nhà ăn nhẹ, vệ sinh, kỹ thuật |
| Lửng |
1.200 |
Không gian triển lãm, hội trường đa năng |
| Tầng 2–3 |
1.174,5 |
Phòng họp chuyên ngành |
| Tầng 4–13 |
1.174,5 |
Văn phòng các đơn vị |
| Tầng 14–17 |
915,4 |
Phòng nhà khách |
| Sân thượng |
915,4 |
Tầng phục vụ, sân vườn thư giãn |
| Mái |
680 |
— |
Giải pháp giao thông đứng gồm 6 thang máy tải trọng 1.000 kg vận chuyển người và 1 thang máy tải trọng 1.000 kg vận chuyển hàng. Khoảng cách từ điểm xa nhất đến thang thoát hiểm nhỏ hơn 20 m, đạt tiêu chuẩn PCCC. Hệ thống điện gồm trạm biến áp 2×1.250 KVA-3 pha 22KV/0,4KV và máy phát dự phòng 2.000 KVA-3 pha-50Hz/0,4KV.
Chương 2: Tổng quan kết cấu công trình
Chương này trình bày lựa chọn hệ kết cấu và xác định sơ bộ tiết diện các cấu kiện. Qua đánh giá đa tiêu chí, sinh viên chọn phương án sàn dầm cho hệ chịu tải đứng và hệ vách lõi cho hệ chịu tải ngang, phù hợp với công trình 18 tầng cao 68,5 m có khả năng xoắn lớn và tải trọng ngang đáng kể.
Sơ bộ tiết diện sàn điển hình chọn hs = 180 mm (ô sàn 8.400×9.000 mm); sàn hầm hs = 250 mm. Dầm chính nhịp 9 m: b×h = 350×650 mm; nhịp 11,325 m chọn dầm bẹt b×h = 750×650 mm. Tiết diện cột thay đổi từ hầm đến các tầng trên, điển hình cột C1 từ 850×850 mm (hầm đến tầng 2) giảm dần xuống 450×450 mm (tầng 15–17); cột C2 từ 950×850 mm xuống 500×500 mm. Vách lõi chọn bề dày 300 mm.
Chương 3: Tải trọng và tác động
Tải trọng được xác định đầy đủ theo TCVN 2737-2023, bao gồm:
- Tĩnh tải hoàn thiện cho từng loại sàn: sàn hầm 1,86 kN/m²; sàn sinh hoạt (văn phòng, hội nghị) 1,599 kN/m²; sàn vệ sinh ban công 1,347 kN/m²; sàn mái 0,158 kN/m².
- Tĩnh tải tường: tường gạch 100 mm và 200 mm khai báo theo từng nhóm tầng; tường kính 10 mm khai báo riêng.
- Hoạt tải sàn theo phân khu chức năng: hội trường/triển lãm 4 kN/m²; văn phòng 2 kN/m²; cầu thang/hành lang văn phòng 3 kN/m²; ram dốc 5 kN/m²; mái không sử dụng 0,2 kN/m².
- Tải trọng gió: Công trình thuộc vùng gió II, địa hình B (W₀ = 95 daN/m²), V₃ₛ,₅₀ = 44 m/s. Do chu kỳ dao động T₁ = 2,1 s > 2 s, áp dụng hệ số hiệu ứng giật Gf theo công thức kết cấu mềm. Minh họa tính toán cho tầng 2 phương Y: áp lực gió tiêu chuẩn Wtc = 340,813 kN, áp lực gió tính toán Wtt = 715,607 kN.
- Tải trọng động đất: Công trình tại Quận 3, TP.HCM, đất loại D (SPT < 15 búa), gia tốc nền agR xác định theo phụ lục H TCVN 9386-2012, hệ số tầm quan trọng γI = 1 (công trình cấp II), hệ số ứng xử q = q₀×kw = 3,0 (kết cấu khung, cấp dẻo trung bình, u/1 = 1,0). Phương pháp phổ phản ứng dao động được chọn (T₁ > 2 s) và mô hình hóa trong ETABS.
Tổ hợp tải trọng theo TTGH I gồm 24 tổ hợp (CB1–CB24) và theo TTGH II gồm 16 tổ hợp (SCB1–SCB16), bao phủ các trường hợp bất lợi từ gió và động đất theo hai phương.
Chương 4: Kiểm tra ổn định tổng thể công trình
Kết quả kiểm tra chuyển vị đỉnh theo TCXD 198:1997 (giới hạn H/750): phương X tổ hợp SCB2 đạt 45 mm — thỏa mãn. Kiểm tra chuyển vị lệch tầng do gió (giới hạn 1/500, tương ứng drift ≤ 0,002): tầng 17 phương X và tầng 14 phương Y đều thỏa mãn. Ngoài ra, đồ án kiểm tra chuyển vị lệch tầng do động đất, hiệu ứng P-delta và kiểm tra lật theo quy định hiện hành.
Chương 5: Thiết kế cầu thang bộ tầng điển hình
Tính toán kết cấu cầu thang bộ theo phương pháp sàn bản phẳng chịu uốn một chiều. Tải trọng bao gồm tĩnh tải các lớp hoàn thiện bản thang và bản chiếu nghỉ, hoạt tải và tải tay vịn. Nội lực được tính cho ba tổ hợp (CB1, CB2, CB3, CB4). Kết quả tính toán thép bản thang và kết quả các điểm kiểm tra võng được trình bày dạng bảng. Dầm chiếu tới được thiết kế cốt thép dọc và cốt đai độc lập.
Chương 6: Thiết kế sàn tầng điển hình
Sàn tầng điển hình được phân tích bằng phần mềm SAFE. Tính toán cốt thép sàn theo dải (strip) theo hai phương X và Y. Kiểm tra trạng thái giới hạn II gồm kiểm tra độ võng ngắn hạn và dài hạn, kiểm tra bề rộng vết nứt ngắn hạn và dài hạn cho cả bề mặt trên và dưới sàn — thực hiện theo EUROCODE với bảng quy đổi thông số bê tông từ TCVN sang EUROCODE.
Chương 7: Thiết kế dầm tầng điển hình
Thiết kế cốt thép dọc và cốt đai cho dầm điển hình. Kiểm tra điều kiện hình thành vết nứt và tính toán bề rộng vết nứt dài hạn của dầm. Tính toán độ võng dầm DX5 tại các vị trí tính theo ba tổ hợp (TT+HT; HT+0; 0). Ngoài ra, trình bày tính toán cốt treo cho dầm tại vị trí có dầm phụ giao cắt.
Chương 8: Thiết kế cột
Lý thuyết tính toán cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm. Kết quả tính toán cốt thép cột được kiểm tra đồng thời bằng biểu đồ tương tác 3D và 2D trên phần mềm Prokon (minh họa cột C1 và C2 tầng hầm 2). Cấu tạo cốt đai kháng chấn theo TCVN 9386-2012.
Chương 9: Thiết kế lõi thang máy
Lõi thang máy được chia thành nhiều phần tử để xác định đặc trưng hình học và trục chính momen quán tính chính. Kết quả tính toán và kiểm tra bằng Prokon (biểu đồ tương tác 2D lõi thang hầm 2). Trình bày hệ số an toàn và cấu tạo cốt đai kháng chấn cho lõi thang.
Chương 10: Thiết kế móng
Dựa trên hồ sơ khảo sát địa chất, đồ án thống kê chi tiết các lớp đất, thành phần hạt và thông số cơ lý từng lớp. Thiết kế móng cọc khoan nhồi D = 1.000 mm, có kể đến ảnh hưởng của động đất theo các hệ số điều kiện làm việc eq2 từng lớp và bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất.
Sức chịu tải cọc được xác định theo ba phương pháp: chỉ tiêu cơ lý (fi theo lớp đất), chỉ tiêu cường độ và thí nghiệm SPT; kết quả tổng hợp trong bảng so sánh và chọn sức chịu tải thiết kế theo nhóm cọc. Độ cứng cọc khoan nhồi xác định từ modun đàn hồi và hệ số Poisson từng lớp đất. Trình bày chi tiết Móng M1 và Móng lõi thang: tổ hợp tải trọng tính toán và tiêu chuẩn, kích thước đài, kết quả tính lún, phản lực cọc và tính thép đài.
Chương 11: Thiết kế dầm I đỡ hệ giàn giáo
Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm thép I-150×75×5×7, cáp D = 12 mm, bám dính giữa bê tông và ty chuồn, và bu lông liên kết theo TCVN 5575-2012.
Chương 12: Biện pháp thi công cột
Trình bày quy trình và tính toán hệ cốp pha cột, bao gồm: kiểm tra sườn đứng theo sơ đồ tính dầm liên tục, tính gông cột và tính ty giằng chịu áp lực bê tông tươi.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Hệ kết cấu được lựa chọn hợp lý: sàn sườn BTCT chịu tải đứng, hệ vách lõi chịu tải ngang, đảm bảo các điều kiện ổn định tổng thể.
- Kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình: phương X tổ hợp SCB2 đạt 45 mm, thỏa mãn giới hạn H/750 theo TCXD 198:1997.
- Kiểm tra chuyển vị lệch tầng do gió: tầng 17 phương X và tầng 14 phương Y đều có drift ≤ 0,002, thỏa mãn TCVN 5574-2018.
- Tải trọng gió tính toán tầng 2 phương Y: Wtt = 715,607 kN.
- Sức chịu tải cọc khoan nhồi D = 1.000 mm được tổng hợp từ ba phương pháp (cơ lý, cường độ, SPT); kết quả tính lún Móng M1 và Móng lõi thang nằm trong giới hạn cho phép.
- Hệ số ứng xử động đất q = 3,0 (hệ khung, cấp dẻo trung bình), chu kỳ dao động T₁ = 2,1 s, phân tích phổ phản ứng thực hiện trong ETABS.
- Sản phẩm đồ án gồm 01 thuyết minh, 01 phụ lục và 30 bản vẽ A1 (07 bản vẽ kiến trúc, 21 bản vẽ kết cấu, 02 bản vẽ thi công).
Đóng góp so với nghiên cứu trước
Đồ án không tự nêu đóng góp mang tính học thuật so với nghiên cứu trước mà tập trung vào việc hoàn chỉnh toàn bộ quy trình thiết kế một công trình nhà cao tầng thực tế từ kiến trúc, kết cấu đến thi công — tích hợp đồng thời cả tải trọng gió và động đất theo hệ tiêu chuẩn TCVN được cập nhật năm 2023 (TCVN 2737-2023).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản không nêu tường minh các hạn chế. Tuy nhiên, dựa trên phạm vi đã thực hiện, có thể nhận thấy:
- Đồ án giới hạn ở phân tích tĩnh và phổ phản ứng tuyến tính, chưa thực hiện phân tích phi tuyến hoặc phân tích thời gian lịch sử địa chấn.
- Phương án sàn phẳng không dầm (sàn ứng lực trước) không được xem xét do điều kiện cụ thể của công trình, nhưng có thể là hướng so sánh kinh tế kỹ thuật trong các nghiên cứu tiếp theo.
- Thiết kế thi công chỉ dừng ở cốp pha cột và hệ dầm I giàn giáo; các biện pháp thi công cho cọc khoan nhồi, đào đất tầng hầm và đổ bê tông sàn chưa được đề cập.
- Kết quả tính lún và kiểm tra móng chỉ dựa trên số liệu địa chất một hố khoan; việc mở rộng phạm vi khảo sát địa chất sẽ nâng cao độ tin cậy thiết kế móng.
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 BTCT, đặc biệt các phần tính toán tiết diện sơ bộ, lựa chọn hệ kết cấu và quy trình kiểm tra ổn định tổng thể.
- Sinh viên học phần Kết cấu bê tông cốt thép và Nền móng cần ví dụ tính toán cụ thể về cầu thang bộ, dầm, sàn, cột, lõi thang và móng cọc khoan nhồi theo TCVN 5574-2018 và TCVN 10304:2014.
- Người làm đề tài tương tự về nhà văn phòng hoặc công trình hành chính cao tầng tại TP.HCM có thể tham khảo phần tính toán tải trọng gió theo TCVN 2737-2023 (phiên bản mới nhất tại thời điểm thực hiện) và phần thiết kế kháng chấn theo TCVN 9386-2012 cho đất loại D.
- Kỹ sư mới ra trường có thể tham chiếu quy trình thiết kế móng cọc khoan nhồi D = 1.000 mm kết hợp xét ảnh hưởng động đất (hệ số eq2) theo từng lớp đất cọc xuyên qua.
Các phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (cơ sở tính tải gió và động đất), Chương 10 (thiết kế móng cọc khoan nhồi có kể đến địa chất và động đất), Chương 4 (kiểm tra ổn định tổng thể bằng ETABS).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao công trình không áp dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương để tính toán động đất mà chuyển sang phương pháp phổ phản ứng?
Vì chu kỳ dao động riêng thứ nhất của công trình T₁ = 2,1 s > 2 s — vượt quá điều kiện áp dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo TCVN 9386-2012. Do đó, sinh viên bắt buộc sử dụng phương pháp phổ phản ứng dao động, thực hiện trong phần mềm ETABS.
2. Căn cứ nào để chọn bê tông B30 và tổ hợp cốt thép CB240-T/CB400-V cho công trình?
Công trình sử dụng bê tông B30 với cường độ chịu nén tính toán Rb = 17 MPa, Rbt = 1,15 MPa, Eb = 32.500 MPa. Cốt thép CB240-T (Rs = 210 MPa) được dùng cho thép có đường kính Ø < 10 mm, CB400-V (Rs = 350 MPa) cho Ø ≥ 10 mm — đây là tổ hợp vật liệu phổ biến trong thiết kế nhà cao tầng BTCT tại Việt Nam và được quy định tại TCVN 5574-2018.
3. Vì sao đối với nhịp dầm chính 11,325 m, tác giả chuyển từ dầm thường b×h = 400×800 mm sang dầm bẹt b×h = 750×650 mm?
Dầm b×h = 400×800 mm tại nhịp 11,325 m không đảm bảo khoảng thông thủy giữa các tầng (chiều cao tầng điển hình 3,5 m). Sinh viên quy đổi sang dầm bẹt có chiều cao 650 mm, bề rộng tính toán 745,74 mm → chọn 750 mm, nhằm giữ nguyên độ cứng tiết diện trong khi giảm chiều cao cấu kiện.
4. Đất nền tại công trình thuộc loại nào và điều đó ảnh hưởng thế nào đến thiết kế kháng chấn?
Địa chất tại vị trí công trình có giá trị SPT trung bình trong 30 m đầu nhỏ hơn 15 búa, xếp vào đất loại D theo bảng phân loại TCVN 9386-2012. Đây là loại đất có điều kiện địa chất kém nhất trong nhóm A–E, làm khuếch đại đáng kể phổ phản ứng động đất, đòi hỏi xác định hệ số điều kiện làm việc eq2 theo từng lớp đất khi thiết kế móng cọc.
5. Sàn tầng điển hình được kiểm tra vết nứt theo tiêu chuẩn nào và kết quả ra sao?
Kiểm tra bề rộng vết nứt ngắn hạn và dài hạn cho sàn được thực hiện theo EUROCODE (thông qua phần mềm SAFE), với bảng quy đổi thông số bê tông từ TCVN sang EUROCODE. Kết quả xuất ra riêng cho bề mặt trên và bề mặt dưới sàn, cho cả trường hợp ngắn hạn (tổ hợp ACRC) và dài hạn (tổ hợp F), phân tích theo ba tổ hợp tải trọng gây nứt f1, f2, f3 được khai báo riêng trong SAFE.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Trung tâm Điều hành Nghiệp vụ Văn hóa Thể thao và Du lịch" là công trình thiết kế kỹ thuật tổng thể bao phủ toàn bộ quy trình từ lựa chọn hệ kết cấu, phân tích tải trọng (gió và động đất), thiết kế chi tiết các cấu kiện (cầu thang, sàn, dầm, cột, lõi thang, móng) đến biện pháp thi công cốp pha cột và dầm I đỡ giàn giáo, theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN hiện hành được cập nhật mới nhất (TCVN 2737-2023). Hệ phân tích ba phần mềm ETABS–SAFE–Prokon kết hợp tính toán thủ công tạo thành quy trình kiểm chứng nhiều lớp, phù hợp với yêu cầu thực hành kỹ thuật của nhà cao tầng 18 tầng tại khu vực đô thị có rủi ro động đất và đất nền yếu. Sản phẩm gồm thuyết minh, phụ lục tính toán và 30 bản vẽ A1 là bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh ở cấp độ đồ án tốt nghiệp đại học ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng.
