Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại các đô thị lớn kéo theo nhu cầu cấp thiết về quỹ nhà ở hiện đại, tiện nghi và tối ưu hóa không gian sử dụng đất. Việc đầu tư xây dựng các khối nhà chung cư cao tầng thay thế cho các khu dân cư thấp tầng hoặc đã xuống cấp là định hướng phát triển hạ tầng tất yếu nhằm cải thiện diện mạo kiến trúc đô thị và giải quyết bài toán an cư. Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng với đề tài "Chung cư cao cấp Thiên Long" (tác giả Trương Văn Hân, cán bộ hướng dẫn TS. Nguyễn Đình Hiển, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) tập trung giải quyết toàn diện bài toán thiết kế kỹ thuật từ kiến trúc, kết cấu thân, nền móng đến biện pháp thi công ngầm cho một công trình cao tầng thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được xác lập cụ thể qua các nội dung sau:

  1. Hoàn thiện và điều chỉnh hồ sơ thiết kế kiến trúc công trình dựa trên bản vẽ ban đầu, đảm bảo công năng sử dụng và dây chuyền giao thông.
  2. Thiết kế và tính toán kết cấu sàn tầng điển hình theo hai phương án: sàn sườn toàn khối (dầm - bản) và sàn phẳng không dầm, từ đó đánh giá so sánh kinh tế - kỹ thuật.
  3. Tính toán và bố trí cốt thép cho kết cấu cầu thang bộ tầng điển hình.
  4. Xây dựng mô hình tính toán không gian 3D, phân tích động lực học và thiết kế hệ khung chịu lực (tập trung vào khung trục B và khung trục 2), bao gồm hệ thống cột, dầm và vách cứng bê tông cốt thép.
  5. Tổng hợp chỉ tiêu địa chất hiện trường và thiết kế phương án móng cọc khoan nhồi cho khối tháp và lõi thang máy.
  6. Tính toán kết cấu tường vây barrette và kiểm tra biện pháp thi công hố đào sâu tầng hầm.

Về phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Công trình xây dựng tại khu vực Quận 9, TP. Hồ Chí Minh trên khu đất bằng phẳng, tiếp giáp trục giao thông chính và hạ tầng kỹ thuật đã hoàn thiện.
  • Quy mô: Khối công trình cao 57,0 m (chiều cao đỉnh mái đạt 58,5 m), quy mô gồm 1 tầng hầm (chiều cao 3,0 m), 1 tầng thương mại - sảnh sinh hoạt chung (chiều cao 5,0 m) và các tầng căn hộ điển hình (chiều cao 3,6 m/tầng), tổng số tầng sàn là 18.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 05/09/2017 đến ngày 04/12/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam kết hợp các tiêu chuẩn quốc tế chuyển đổi tương đương:

Lĩnh vực thiết kế Tiêu chuẩn áp dụng
Tải trọng và tác động TCVN 2737:1995
Kết cấu bê tông cốt thép TCVN 356:2005 (kết hợp chuyển đổi tham số từ BS 8110:1997)
Nhà cao tầng - Bê tông cốt thép toàn khối TCXD 198:1997
Tính toán thành phần động của tải trọng gió TCXD 229:1999
Thiết kế công trình chịu động đất TCVN 9386:2012
Thiết kế nền nhà và công trình TCXD 45-78
Thiết kế móng cọc TCVN 10304:2014

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kết cấu:

  • Xác định tải trọng tác động: Tĩnh tải được xác định dựa trên trọng lượng riêng các lớp cấu tạo kiến trúc (gạch ceramic, vữa lót, tường xây 100 mm và 200 mm). Hoạt tải sử dụng phân bố đều trên sàn theo công năng ($1,2\text{ kN/m}^2$ cho căn hộ, $3,0\text{ kN/m}^2$ cho sảnh hành lang).
  • Phân tích động lực học tải trọng gió: Công trình có chiều cao lớn hơn 40 m nên bắt buộc tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999. Vùng áp lực gió II-A với áp lực tiêu chuẩn $W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$, dạng địa hình B. Phân tích 3 dạng dao động đầu tiên (Mode 1 dao động phương X, Mode 3 dao động phương Y, Mode 2 dao động xoắn).
  • Phân tích tác động động đất: Áp dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động (Response Spectrum Analysis) theo TCVN 9386:2012. Nền đất thuộc loại C ($S = 1,6; T_B = 0,2\text{ s}; T_C = 0,6\text{ s}; T_D = 2,0\text{ s}$), đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gR} = 0,08g$, hệ số ứng xử $q = 3,2$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_I = 1,0$.
  • Mô hình hóa kết cấu: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn không gian 3D trên phần mềm ETABS để xuất nội lực khung - vách; sử dụng SAFE để mô hình dải bản sàn theo phương pháp phần tử hữu hạn; sử dụng PLAXIS để mô phỏng bài toán biến dạng phi tuyến tương tác đất - kết cấu của tường vây hố đào.

Vật liệu sử dụng trong tính toán:

  • Bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17,0\text{ MPa}; R_{bt} = 1,2\text{ MPa}; E_b = 32.500\text{ MPa}$) và B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}; R_{bt} = 1,05\text{ MPa}; E_b = 30.000\text{ MPa}$).
  • Cốt thép: Thép thanh cán nóng nhóm AI cho đường kính $\varnothing < 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}; R_{sw} = 175\text{ MPa}; E_s = 210.000\text{ MPa}$) và nhóm AIII cho đường kính $\varnothing \ge 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}; E_s = 200.000\text{ MPa}$).

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Sơ đồ kết cấu và sơ bộ tiết diện

Hệ thống kết cấu chịu lực của công trình là hệ khung kết hợp vách - lõi cứng bê tông cốt thép toàn khối. Mặt bằng lưới cột chịu lực có khẩu độ nhịp chính $9,0\text{ m} \times 11,0\text{ m}$ và các nhịp biên từ $4,0\text{ m}$ đến $5,0\text{ m}$. Kích thước tiết diện các cấu kiện được chọn sơ bộ:

  • Sàn tầng điển hình: Chiều dày $h_s = 120\text{ mm}$ đối với sàn dầm ($150\text{ mm}$ tại vị trí quanh lõi thang) và $h_s = 250\text{ mm}$ đối với phương án sàn phẳng.
  • Dầm khung: Dầm chính có tiết diện $b \times h = 400 \times 700\text{ mm}$; dầm phụ $300 \times 500\text{ mm}$; dầm ban công/côngxôn $200 \times 400\text{ mm}$.
  • Cột khung: Tiết diện cột được phân nhóm giảm dần theo chiều cao nhà, từ tầng hầm đến tầng 3 dùng cột giữa $900 \times 900\text{ mm}$, cột biên $800 \times 800\text{ mm}$; tầng 4-7 dùng cột giữa $800 \times 800\text{ mm}$, cột biên $700 \times 700\text{ mm}$; tầng 8-11 dùng cột giữa $700 \times 700\text{ mm}$, cột biên $600 \times 600\text{ mm}$; tầng 12-15 dùng cột giữa $600 \times 600\text{ mm}$, cột biên $500 \times 500\text{ mm}$.
  • Vách cứng: Bề dày vách $B_w = 300\text{ mm}$, chiều dài vách $8.000\text{ mm}$.

Tổ hợp tải trọng và kiểm tra chuyển vị

Quá trình phân tích nội lực trên ETABS thiết lập 17 trường hợp tổ hợp tải trọng (COMB1 đến COMB17), bao gồm các tổ hợp cơ bản giữa tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió (theo phương X và Y) và các tổ hợp đặc biệt có xét đến tải trọng động đất ($Q_X, Q_Y$). Chuyển vị ngang tại đỉnh công trình được kiểm tra theo điều kiện khống chế của TCXD 198:1997: $$\frac{f}{H} \le \frac{1}{750}$$ Giá trị chuyển vị ngang lớn nhất tại cao trình đỉnh mái của mô hình đạt $f = 0,222\text{ m}$, thỏa mãn điều kiện ổn định chuyển vị công trình cao tầng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kiến trúc

Chương này tổng kết nhu cầu xây dựng công trình chung cư cao cấp, khảo sát điều kiện kỹ thuật hạ tầng đô thị tại khu đất xây dựng Quận 9, TP. Hồ Chí Minh. Mặt đứng chính công trình quay về hướng Tây. Phân khu chức năng được bố trí chi tiết:

  • Tầng hầm: Bố trí bãi đỗ xe ô tô và xe máy, trạm bơm, máy phát điện dự phòng, hệ thống bể nước ngầm và các phòng kỹ thuật chuyên dụng.
  • Tầng 1: Không gian đại sảnh, khu sinh hoạt cộng đồng và ban quản lý thương mại dịch vụ (chiều cao tầng $5,0\text{ m}$).
  • Tầng điển hình (tầng 2 đến 17): Bố trí các căn hộ độc lập phục vụ nhu cầu ở và cho thuê; mỗi căn hộ gồm 2 phòng ngủ, 1 phòng bếp, 2 khu vệ sinh, 1 phòng khách và phòng ăn. Giao thông đứng đảm bảo bởi 3 thang máy và 2 thang bộ thoát hiểm.

Chương 2: Số liệu thiết kế

Trình bày đầy đủ hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bê tông (B25, B30) và cốt thép (AI, AIII). Xác lập các công thức giải tích để chọn sơ bộ kích thước tiết diện dầm, sàn, cột, vách cứng và cầu thang bộ. Kích thước bản thang được tính toán với nhịp tính toán $L_0 = 5,6\text{ m}$, chọn chiều dày bản thang $h_{bt} = 160\text{ mm}$.

Chương 3: Tính toán thiết kế khung

Thực hiện tính toán tĩnh tải, hoạt tải phân bố trên các ô sàn và tường xây. Phân tích động lực học kết cấu với hệ số tham gia khối lượng từ mô hình ETABS: xác định chu kỳ dao động riêng $T_1 = 2,57\text{ s}$ theo phương X, tính toán áp lực gió tĩnh $W_j = W_0 k_{zj} c$ và thành phần áp lực gió động theo TCXD 229:1999. Thiết lập phổ phản ứng gia tốc động đất theo TCVN 9386:2012.

Nội lực từ 17 tổ hợp tải trọng được trích xuất để tính cốt thép:

  • Cột: Tính toán cốt thép theo cấu kiện chịu nén lệch tâm xiên. Ví dụ điển hình tại cột C18 tầng 10 ($b \times h = 700 \times 700\text{ mm}$) chịu lực dọc $P = -4.325,92\text{ kN}$, mô men uốn $M_x = 174\text{ kNm}, M_y = 720,92\text{ kNm}$, diện tích cốt thép yêu cầu $A_{st} = 58,4\text{ cm}^2$, bố trí $16\varnothing 22$ ($A_s = 60,82\text{ cm}^2$, hàm lượng cốt thép đạt yêu cầu).
  • Dầm: Tính toán bố trí thép dọc và thép đai chống cắt. Tại dầm B55 tầng 10 ($300 \times 500\text{ mm}$), thép gối trái và nhịp bố trí $5\varnothing 18$, gối phải $3\varnothing 18$. Cốt đai dầm B62 với lực cắt $Q_{\max} = 384,52\text{ kN}$ bố trí đai $\varnothing 8a100$ tại đoạn đầu dầm và $\varnothing 8a200$ ở đoạn giữa dầm.
  • Vách cứng: Áp dụng phương pháp phân tích vùng biên chịu mô men. Tính toán vách P1 tầng 1 chịu tải trọng nén $P = -10.768,57\text{ kN}$, cốt thép vùng biên chịu lực được bố trí tập trung, vùng giữa vách bố trí cốt thép cấu tạo $\varnothing 18a200$ kết hợp 2 lớp lưới thép đai ngang.

Chương 4: Tính toán thép sàn tầng điển hình bằng SAFE

Chương 4 mô hình hóa và phân tích nội lực sàn tầng điển hình trên phần mềm SAFE theo phương pháp dải bản (Strip-based method) cho hai giải pháp:

  • Phương án 1 - Sàn sườn toàn khối (dầm - bản): Bản sàn dày $120\text{ mm}$ kết hợp hệ thống dầm chính ($400 \times 700\text{ mm}$) và dầm phụ ($300 \times 500\text{ mm}$).
  • Phương án 2 - Sàn phẳng không dầm: Chiều dày sàn chọn $h_s = 250\text{ mm}$.
  • Đánh giá so sánh: Đồ án tổng hợp chỉ tiêu khối lượng vật liệu (bê tông, cốt thép) và phân tích ưu nhược điểm về mặt kiến trúc, chiều cao thông thủy và biện pháp thi công cốp pha của hai phương án.

Chương 5: Thiết kế cầu thang

Tính toán kết cấu cầu thang bộ 2 vế tại trục D-E. Xác định tĩnh tải (bậc xây gạch, vữa trát, bản BTCT) và hoạt tải tác dụng lên bản thang, chiếu nghỉ và chiếu tới. Thiết lập sơ đồ tính toán thanh đơn giản, xác định biểu đồ mô men uốn của vế 1 và vế 2, từ đó tính toán diện tích cốt thép chịu uốn và bố trí thép bản thang.

Chương 6: Tính toán - thiết kế móng

Tổng hợp báo cáo khảo sát địa chất công trình gồm các lớp đất từ mặt đất tự nhiên xuống sâu. Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi đơn theo 3 phương pháp:

  • Chỉ tiêu cơ lý của đất nền.
  • Chỉ tiêu cường độ của đất nền.
  • Số búa thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).

Sau khi xác định sức chịu tải thiết kế của cọc và độ cứng cọc, đồ án tiến hành sơ bộ số lượng cọc, thiết kế đài móng cụm cọc cho móng cột M2 và móng vách lõi thang máy. Kiểm tra phản lực đầu cọc lớn nhất ($P_{\max}$), phản lực nhỏ nhất ($P_{\min}$), kiểm tra độ lún tuyệt đối của khối móng quy ước, kiểm tra khả năng chống xuyên thủng của đài móng và tính toán cốt thép đài móng theo hai phương X, Y.

Chương 7: Thuyết minh tính toán tường vây tầng hầm

Trình bày phương pháp thi công hố đào sâu tầng hầm sử dụng tường vây barrette kết hợp hệ giằng chống shoring. Sử dụng phần mềm PLAXIS để mô phỏng bài toán địa kỹ thuật tương tác theo trình tự thi công Bottom-Up:

  • Khai báo thông số địa chất, mực nước ngầm, vật liệu tường vây, thông số sàn và thanh chống shoring.
  • Mô hình hóa 8 giai đoạn (Phase) đào đất, hạ mực nước ngầm và lắp đặt hệ chống đỡ.
  • Trích xuất biểu đồ chuyển vị ngang của tường vây, mô men uốn lớn nhất trong thân tường qua từng giai đoạn và kiểm tra hệ số an toàn ổn định tổng thể của hố đào ($FS \approx 3,x$). Tính toán bố trí cốt thép chịu lực cho tường vây barrette và kiểm tra khả năng chịu lực của các thanh chống thép hình.

Kết quả và đóng góp

Hạng mục kết cấu Giải pháp thiết kế & Thông số kỹ thuật Kết quả tính toán & Bố trí cốt thép
Khung chịu lực Hệ khung - vách BTCT toàn khối, bê tông B25/B30 - Cột C18 tầng 10 ($700 \times 700\text{ mm}$): Bố trí $16\varnothing 22$
- Dầm B55 ($300 \times 500\text{ mm}$): Thép gối/nhịp $5\varnothing 18$
- Đai dầm B62: $\varnothing 8a100/\varnothing 8a200$
Vách cứng Vách BTCT $B_w = 300\text{ mm}$, dài $8.000\text{ mm}$ Tính toán theo vùng biên chịu mô men; vùng giữa đặt thép cấu tạo $\varnothing 18a200$
Sàn điển hình Sàn sườn toàn khối ($h_s = 120\text{ mm}$) và sàn phẳng ($h_s = 250\text{ mm}$) Xuất nội lực dải strip bằng SAFE; cung cấp bảng so sánh chỉ tiêu khối lượng vật liệu
Nền móng Móng cọc khoan nhồi ngàm vào lớp địa chất tốt Đài móng M2 và móng lõi thang thỏa mãn điều kiện chống xuyên thủng, phản lực đầu cọc và độ lún
Tường vây hố đào Tường barrette thi công tầng hầm kết hợp hệ shoring Mô phỏng 8 phase trên PLAXIS; kiểm tra ổn định hố đào với hệ số an toàn $FS \approx 3,x$

Đóng góp kỹ thuật của đồ án thể hiện ở việc xây dựng quy trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một công trình cao tầng có xét đầy đủ các thành phần tải trọng đặc biệt (thành phần động của gió và tác động động đất). Việc kết hợp linh hoạt giữa tính toán lý thuyết giải tích theo tiêu chuẩn Việt Nam với các công cụ mô phỏng số chuyên ngành (ETABS, SAFE, PLAXIS) giúp tối ưu hóa phương án kết cấu và tăng độ tin cậy trong giải pháp thi công ngầm.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Đồ án tập trung tính toán chi tiết cho hai khung trục đại diện (khung trục B và khung trục 2) cùng một số cấu kiện dầm, cột, vách điển hình; các khung còn lại được suy rộng trên mô hình 3D tổng thể.
  • Phần phân tích động lực học kết cấu bỏ qua dạng dao động xoắn (Mode 2) trong các bước phân tích tải trọng gió theo quy định gần đúng của tiêu chuẩn.
  • Các kết quả tính toán nền móng và hố đào gắn liền với số liệu địa chất cụ thể của khu đất xây dựng tại khu vực Quận 9, TP. Hồ Chí Minh; khi áp dụng cho công trình khác cần khảo sát lại điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn tương ứng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực quan, chi tiết cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ thuật Công trình Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp trong quá trình thực hiện đồ án môn học Bê tông cốt thép, Đồ án Nền móng và Đồ án tốt nghiệp. Các phần sau có giá trị tham khảo kỹ thuật cao:

  • Phương pháp phân tích thành phần động của gió (TCXD 229:1999) và phổ phản ứng động đất (TCVN 9386:2012) áp dụng trực tiếp cho mô hình ETABS.
  • Quy trình tính toán cốt thép vách theo phương pháp phân chia vùng biên chịu uốn.
  • Trình tự thiết lập mô hình tính toán biến dạng hố đào và tường vây barrette qua từng giai đoạn thi công bằng phần mềm chuyên dụng PLAXIS.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình sử dụng những loại vật liệu bê tông và cốt thép nào trong tính toán kết cấu?
Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$) và B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$). Cốt thép gồm nhóm AI cho đường kính $\varnothing < 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$) và nhóm AIII cho đường kính $\varnothing \ge 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$).

2. Vì sao công trình phải tính toán thành phần động của tải trọng gió và xét bao nhiêu dạng dao động?
Do công trình có chiều cao tổng thể $57,0\text{ m}$ (lớn hơn $40\text{ m}$) và chu kỳ dao động riêng cơ bản $T_1 = 2,57\text{ s} > T_L$, theo TCXD 229:1999 bắt buộc phải tính thành phần động của tải trọng gió. Quá trình tính toán xét 3 dạng dao động đầu tiên (Mode 1 theo phương X, Mode 3 theo phương Y và bỏ qua Mode 2 do là dao động xoắn).

3. Đồ án áp dụng phương pháp nào để tính toán tác động động đất?
Đồ án áp dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động theo TCVN 9386:2012 với đỉnh gia tốc nền $a_{gR} = 0,08g$, nền đất loại C ($S = 1,6$), hệ số ứng xử $q = 3,2$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_I = 1,0$ và độ cản nhớt $5%$.

4. Cốt thép vách cứng được tính toán dựa trên nguyên lý nào?
Vách cứng được tính toán theo phương pháp vùng biên chịu mô men: toàn bộ mô men uốn và lực dọc tại mép được giả thiết do vùng biên hai bên chịu (tính toán như cấu kiện chịu kéo hoặc nén đúng tâm để đặt thép tập trung), trong khi vùng giữa vách chịu nén và được bố trí thép cấu tạo $\varnothing 18a200$.

5. Biện pháp thi công hố đào tầng hầm được kiểm tra bằng phần mềm nào và gồm bao nhiêu giai đoạn?
Biện pháp thi công tầng hầm sử dụng tường vây barrette kết hợp hệ giằng chống shoring theo phương pháp Bottom-Up, được mô phỏng và kiểm tra ổn định biến dạng qua 8 giai đoạn (Phase) thi công đào đất trên phần mềm PLAXIS với hệ số an toàn đạt $FS \approx 3,x$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chung cư cao cấp Thiên Long" đã hoàn thành trọn vẹn khối lượng thiết kế kỹ thuật công trình cao tầng quy mô 18 tầng sàn tại TP. Hồ Chí Minh. Các giải pháp kết cấu khung - vách, sàn tầng điển hình, móng cọc khoan nhồi và tường vây hố đào sâu được tính toán đồng bộ, tuân thủ chặt chẽ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành và ứng dụng hiệu quả các phần mềm mô phỏng chuyên ngành. Toàn bộ thuyết minh và hệ thống bản vẽ thể hiện tính logic, chuẩn mực về mặt kỹ thuật công trình xây dựng dân dụng.