Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

DK APARTMENT là đồ án tốt nghiệp thuộc ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng, do sinh viên Nguyễn Quang Tiên (MSSV: 20149037, khóa K20) thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, Khoa Xây dựng, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Chúng. Đồ án hoàn thành vào tháng 06 năm 2024.

Công trình DK Apartment là một khu phức hợp căn hộ kết hợp thương mại và dịch vụ, tọa lạc tại số nhà 63 Đường số 4, Khu Đô thị Water Front City Cầu Rào 2, Phường Vĩnh Niệm, Quận Lê Chân, thành phố Hải Phòng. Với quy mô 17 tầng nổi và 1 tầng hầm, tổng chiều cao 59,9 m (chiều cao tính từ cao độ ±0.000 là 56,9 m), công trình thuộc công trình dân dụng cấp II theo Thông tư 03/16. Bối cảnh thực tiễn đặt ra yêu cầu thiết kế kết cấu đầy đủ, đảm bảo an toàn chịu lực theo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam, đồng thời xem xét so sánh hai phương án sàn nhằm lựa chọn giải pháp kết cấu tối ưu cho loại hình nhà cao tầng có khẩu độ lớn.

Nhiệm vụ thiết kế được xác định cụ thể gồm:

  1. Tính toán thiết kế cầu thang bộ.
  2. Tính toán thiết kế sàn tầng điển hình.
  3. Tính toán thiết kế khung cột, dầm, vách lõi thang.
  4. Tính toán thiết kế móng và cọc cho công trình.
  5. Tính toán thiết kế sàn không dầm có mũ cột (sàn nấm).

Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của công trình DK Apartment, bao gồm hệ sàn, dầm, cột, vách lõi cứng và hệ móng cọc khoan nhồi.

Phạm vi: Thiết kế kết cấu toàn bộ công trình, từ phần thân (tầng điển hình) đến phần ngầm (móng cọc); thời gian thực hiện từ tháng 01/2024 đến tháng 06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Tiêu chuẩn thiết kế

Đồ án sử dụng hệ thống tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam hiện hành:

Tiêu chuẩn Nội dung áp dụng
TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép
TCXD 198:1997 Nhà cao tầng – Thiết kế 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

Vật liệu xây dựng

Toàn bộ kết cấu sàn, vách, cọc, cột, dầm, cầu thang và móng sử dụng bê tông cấp độ bền B30 với các chỉ tiêu: cường độ chịu nén tính toán R_b = 17 MPa; cường độ chịu kéo tính toán R_bt = 1,15 MPa; mô đun đàn hồi E_b = 32,5×10³ MPa. Cốt thép sử dụng loại CB400-V (đường kính ≥ 10 mm) và CB240-T (đường kính < 10 mm).

Phương pháp và phần mềm tính toán

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Tính toán sơ bộ tiết diện theo công thức kinh nghiệm (TCXD 198:1997), sau đó phân tích nội lực và kiểm tra theo trạng thái giới hạn I và II (TCVN 5574:2018).
  • Phần mềm ETABS: Phân tích nội lực toàn công trình (khung không gian), tính tải trọng gió động và tải trọng động đất theo phổ phản ứng (TCVN 9386:2012), kiểm tra dao động, chuyển vị đỉnh và chuyển vị lệch tầng.
  • Phần mềm SAFE 16: Mô hình hóa và phân tích nội lực sàn (cả sàn dầm và sàn phẳng có mũ cột), tính toán độ võng ngắn hạn và dài hạn theo quy đổi sang Eurocode 02.
  • Phần mềm SAP2000: Phân tích nội lực cầu thang (mô hình dầm gãy khúc).
  • Nguồn dữ liệu địa chất: Số liệu thí nghiệm SPT và chỉ tiêu cơ lý đất nền được sử dụng để tính sức chịu tải cọc khoan nhồi theo nhiều phương pháp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan công trình

Chương này giới thiệu toàn diện về công trình DK Apartment: vị trí, quy mô (17 tầng nổi + 1 tầng hầm, diện tích xây dựng 49,4 m²), phân khu chức năng theo từng tầng (tầng hầm bố trí kỹ thuật và bãi xe; tầng trệt là sảnh và thương mại; tầng 2 đến áp mái là căn hộ ở; tầng mái bố trí kỹ thuật), và điều kiện tự nhiên khu vực Hải Phòng (nhiệt độ trung bình năm 24,4°C, lượng mưa trung bình năm 1.343,9 mm, độ ẩm 90%, chế độ nhật triều với biên độ 3,7–4,44 m). Các giải pháp kỹ thuật được trình bày gồm hệ thống giao thông đứng (3 thang máy + 1 cầu thang bộ rộng 1,2 m), cấp điện (lưới điện thành phố kết hợp máy phát 150 KVA), cấp và thoát nước, phòng cháy chữa cháy (bố trí thiết bị chữa cháy và báo cháy tự động mỗi tầng).

Chương 2: Giải pháp kết cấu công trình

Tác giả phân tích và so sánh ba phương án sàn (sàn sườn toàn khối, sàn không dầm, sàn hệ dầm trực giao) và lựa chọn sàn có hệ dầm trực giao cho tầng điển hình do ô sàn có kích thước 9×9 m² và chiều cao tầng 3,6 m. Hệ chịu lực theo phương đứng được xác định là hệ khung kết hợp lõi cứng (khung chịu tải đứng, lõi vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang). Các tiết diện sơ bộ được xác định: sàn điển hình h_s = 180 mm, sàn tầng hầm 250 mm; dầm chính 300×700 mm; dầm phụ 200×500 mm; vách lõi thang máy dày 300 mm. Tiết diện cột được sơ bộ theo diện tích truyền tải, số tầng và cường độ bê tông (B30, R_b = 17 MPa).

Chương 3: Thiết kế cầu thang tầng điển hình

Cầu thang 2 vế dạng bản, mỗi vế gồm 10 bậc với kích thước bậc h_b = 180 mm, l_b = 300 mm, góc nghiêng 30,9°. Chiều dày bản thang chọn 150 mm; dầm chiếu tới tiết diện 200×300 mm. Tải trọng được tính toán cho bản nghiêng (quy đổi chiều dày tương đương theo phương thẳng đứng) và bảng chiếu nghỉ. Phân tích nội lực bằng SAP với mô hình dầm gãy khúc; mô men lớn nhất tại nhịp bản thang là 44,89 kN·m. Kết quả bố trí thép được lập thành bảng 3 vị trí (nhịp chiếu tới, nhịp bản thang, nhịp chiếu nghỉ). Dầm chiếu tới có M_max = 42,07 kN·m, Q_max = 62 kN; bố trí thép dọc 3Ø16 và cốt đai Ø6 bước 150 mm.

Chương 4: Tính toán thiết kế sàn điển hình

Sàn tầng điển hình (tầng 2 đến 15) được mô hình hóa và tính toán bằng phần mềm SAFE 16. Tải trọng được phân loại chi tiết theo từng loại ô sàn (sinh hoạt, hành lang, vệ sinh, ban công, sân thượng, thương mại, văn phòng, hầm...) và tải tường xây lên dầm và sàn. Kết quả kiểm tra trạng thái giới hạn II: độ võng ngắn hạn lớn nhất f = 9 mm (giới hạn cho phép L/200 ÷ L/250 nội suy = 43 mm — đạt yêu cầu). Độ võng dài hạn được tính theo công thức f = f₁ − f₂ + f₃, quy đổi thông số vật liệu sang Eurocode 02 với hệ số từ biến φ_b,cr = 1,6.

Chương 5: Phân tích khung

Mô hình không gian 3D toàn công trình được phân tích trong ETABS. Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737:2023 (hai phương X và Y). Tải trọng động đất được phân tích theo phương pháp phổ phản ứng (TCVN 9386:2012) với các thông số đầu vào khai báo đầy đủ. Kết quả kiểm tra chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng do gió và động đất theo cả hai phương, kiểm tra hiệu ứng P-Delta và gia tốc đỉnh công trình được trình bày trong các bảng 5.21 đến 5.28. Tổ hợp tải trọng được thiết lập đầy đủ cho trạng thái giới hạn I và II.

Chương 6: Tính toán và thiết kế dầm điển hình

Dầm được thiết kế chi tiết theo nội lực bao từ mô hình ETABS. Tính toán gồm: cốt thép dọc chịu uốn; cốt đai chịu cắt; cốt treo tại vị trí dầm phụ giao dầm chính. Chiều dài neo và nối cốt thép được xác định theo TCVN 5574:2018 (bảng 6.3, 6.4). Kiểm tra trạng thái giới hạn II (độ võng và nứt) được thực hiện minh họa trên dầm B54 và dầm B101.

Chương 7: Thiết kế và tính toán cột – lõi thang

Cột được tính theo phương pháp lệch tâm xiên với tổ hợp nội lực bất lợi nhất từ ETABS. Phân biệt hai trường hợp lệch tâm phẳng và lệch tâm xiên. Kết quả tính thép cột và cốt đai được trình bày cho cột điển hình C14. Lõi thang máy được phân tích theo phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi, chia thành nhiều phần tử nhỏ. Kết quả tính thép lõi thang và cốt đai cho lõi được tổng hợp trong bảng 7.3 và 7.4.

Chương 8: Thiết kế móng

Số liệu địa chất được xử lý, phân chia đơn nguyên và đánh giá tính chất nền. Tác giả lựa chọn móng cọc khoan nhồi. Sức chịu tải 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 kết quả thí nghiệm SPT. Giá trị thiết kế lấy từ kết quả nhỏ nhất sau khi áp dụng hệ số an toàn. Thiết kế chi tiết ba loại móng (M1, M2, M3) bao gồm kiểm tra phản lực đầu cọc, kiểm tra ổn định nền theo khối móng quy ước, kiểm tra xuyên thủng, kiểm tra chống cắt, và tính toán cốt thép đài cọc. Kết quả tính lún cho cả ba loại móng được lập bảng đầy đủ.

Chương 9: Thiết kế sàn phẳng BTCT (mũ cột)

Thiết kế sàn không dầm có mũ cột (sàn nấm) là nội dung bổ sung để so sánh với sàn dầm trực giao. Tính toán chiều dày sàn, chiều dày mũ cột; mô hình trong SAFE; kiểm tra trạng thái giới hạn II (độ võng ngắn hạn và dài hạn, vết nứt); kiểm tra khả năng chọc thủng cho sàn (xác định vùng bao xuyên thủng theo từng loại cột). So sánh hai phương án sàn về chỉ tiêu kết cấu và khối lượng vật liệu được trình bày tại bảng 9.14 đến 9.16.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu công trình 17 tầng + 1 tầng hầm với bộ bản vẽ gồm 5 bản vẽ kiến trúc và 22 bản vẽ kết cấu.
  • Hệ sàn dầm trực giao ô 9×9 m²: chiều dày sàn 180 mm; độ võng ngắn hạn lớn nhất f = 9 mm, thỏa mãn giới hạn cho phép.
  • Cầu thang 2 vế, bản thang dày 150 mm, mô men nhịp lớn nhất 44,89 kN·m; dầm chiếu tới M_max = 42,07 kN·m, Q_max = 62 kN.
  • Lõi vách thang máy dày 300 mm; cột thiết kế theo phương pháp lệch tâm xiên.
  • Móng cọc khoan nhồi với ba loại móng M1, M2, M3 được kiểm tra đầy đủ theo ổn định nền, xuyên thủng và chống cắt.

So sánh hai phương án sàn

Chỉ tiêu Sàn dầm trực giao Sàn phẳng có mũ cột
Hệ số kết cấu Phân tích trong bảng 9.14 Phân tích trong bảng 9.14
Khối lượng vật liệu Ước lượng tỉ lệ thép/m³ bê tông (bảng 9.15) Ước lượng tỉ lệ thép/m³ bê tông (bảng 9.15)
Kết luận lựa chọn Được trình bày trong bảng 9.16 Được trình bày trong bảng 9.16

Đóng góp

Đồ án trình bày trình tự tính toán thiết kế kết cấu nhà chung cư cao tầng theo hệ tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 5574:2018, TCVN 2737:2023, TCVN 9386:2012), đặc biệt tích hợp đồng thời hai phần mềm phân tích kết cấu thông dụng (ETABS và SAFE 16) trong quy trình thiết kế. Việc thiết kế và so sánh song song hai phương án sàn (sàn dầm và sàn nấm) cho cùng một công trình cụ thể là nội dung có giá trị thực tiễn cho các kỹ sư thiết kế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả thừa nhận kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế và mong nhận thêm góp ý từ giảng viên. Dựa trên phạm vi thực hiện, một số hướng mở rộng có thể xem xét gồm: tính toán thi công (lập biện pháp thi công cọc khoan nhồi, đào đất tầng hầm); phân tích phi tuyến hoặc kiểm tra kháng chấn chi tiết hơn theo mức độ hiệu năng; đánh giá kinh tế toàn diện giữa hai phương án sàn khi tính đến chi phí ván khuôn và thi công.

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 thiết kế kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép toàn khối, đặc biệt phần thiết kế sàn, cột lệch tâm xiên, lõi thang và móng cọc khoan nhồi.
  • Sinh viên cần tham khảo quy trình áp dụng phần mềm ETABS và SAFE 16 trong thiết kế kết cấu theo tiêu chuẩn Việt Nam.
  • Người làm đề tài tương tự về so sánh phương án sàn (sàn dầm trực giao và sàn phẳng có mũ cột) có thể tham khảo trực tiếp Chương 9 và bảng so sánh vật liệu.
  • Kỹ sư thực hành có thể tham khảo Chương 8 về trình tự tính sức chịu tải cọc khoan nhồi theo bốn phương pháp và so sánh kết quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn sàn hệ dầm trực giao thay vì sàn không dầm cho tầng điển hình? Do kích thước ô sàn điển hình là 9×9 m² và chiều cao tầng 3,6 m. Sàn không dầm phù hợp với khẩu độ 6–8 m và có nhược điểm là độ cứng ngang kém; sàn sườn toàn khối chiều cao dầm lớn gây bất lợi khi vượt nhịp 8–9 m. Sàn hệ dầm trực giao được chọn vì chia nhỏ ô bản, tính toán đơn giản và phù hợp chiều cao tầng hiện có.

2. Sức chịu tải cọc khoan nhồi được xác định bằng những phương pháp nào và kết quả thiết kế lấy theo phương pháp nào? Tác giả xác định sức chịu tải theo bốn phương pháp: theo vật liệu làm cọc, theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, theo chỉ tiêu cường độ đất nền, và theo kết quả thí nghiệm SPT. Sức chịu tải thiết kế được lấy từ giá trị nhỏ nhất sau khi áp dụng các hệ số an toàn tương ứng của từng phương pháp.

3. Độ võng sàn tầng điển hình được kiểm tra như thế nào và kết quả có đạt yêu cầu không? Độ võng ngắn hạn được lấy trực tiếp từ phần mềm SAFE (f = 9 mm), giới hạn cho phép tra theo phụ lục M của TCVN 5574:2018 là L/200 đến L/250, nội suy cho nhịp 9.000 mm cho giá trị giới hạn 43 mm. Kết quả f = 9 mm < 43 mm, đạt yêu cầu. Độ võng dài hạn được tính theo công thức f = f₁ − f₂ + f₃ với hệ số từ biến φ_b,cr = 1,6.

4. Lõi thang máy được tính toán theo phương pháp nào và chiều dày vách là bao nhiêu? Lõi thang máy được phân tích theo phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi, chia lõi thành nhiều phần tử nhỏ để xác định nội lực. Sơ bộ chiều dày vách được tính theo công thức quy định của TCXD 198:1997 (diện tích tiết diện vách tối thiểu bằng 1,5% diện tích sàn từng tầng) và điều kiện bề dày tối thiểu 150 mm; kết quả chọn chiều dày vách lõi thang máy là 300 mm.

5. Đồ án so sánh hai phương án sàn theo những tiêu chí nào? Chương 9 thực hiện so sánh sàn phẳng có mũ cột (sàn nấm) với sàn dầm trực giao (đã thiết kế ở Chương 4) theo hai nhóm tiêu chí: (1) chỉ tiêu kết cấu (nội lực, chiều dày sàn, khả năng chịu lực, kiểm tra chọc thủng — bảng 9.14); và (2) khối lượng vật liệu (ước lượng tỉ lệ thép trong 1 m³ bê tông cho từng phương án — bảng 9.15 và 9.16), từ đó đưa ra phương án tối ưu cho công trình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp DK APARTMENT trình bày trình tự thiết kế kết cấu hoàn chỉnh cho một công trình chung cư cao tầng 17 tầng tại Hải Phòng, từ phân tích giải pháp kết cấu đến thiết kế chi tiết từng cấu kiện theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN hiện hành. Điểm nổi bật của đồ án là áp dụng đồng thời phần mềm ETABS và SAFE 16 trong phân tích tổng thể và thiết kế sàn, kết hợp kiểm tra toàn diện theo trạng thái giới hạn I và II. Việc thiết kế bổ sung sàn phẳng có mũ cột và so sánh song song hai phương án sàn mang lại căn cứ thực tiễn cho việc lựa chọn giải pháp kết cấu tối ưu. Sản phẩm đồ án gồm thuyết minh tính toán, phụ lục và bộ bản vẽ 27 tờ (5 kiến trúc, 22 kết cấu).