Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Tòa nhà văn phòng LTN" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thị Linh Thoa (ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Văn Khoa và ThS. Huỳnh Phước Sơn vào tháng 6 năm 2017.

Về bối cảnh thực tiễn, đề tài giải quyết bài toán thiết kế kiến trúc và tính toán kết cấu cho một công trình cao tầng phục vụ mục đích thương mại, văn phòng làm việc trong đô thị. Công trình đòi hỏi xử lý đồng thời tải trọng đứng (trọng lượng bản thân, tải trọng hoàn thiện, hoạt tải sử dụng) và tải trọng ngang lớn (gió tĩnh, gió động, động đất) tác dụng lên hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.

Nhiệm vụ nghiên cứu và tính toán kỹ thuật của đồ án bao gồm:

  1. Thể hiện và hoàn thiện lại hồ sơ bản vẽ kiến trúc công trình.
  2. Tính toán, phân tích và thiết kế kết cấu sàn tầng điển hình của khối nhà.
  3. Tính toán, phân tích và thiết kế các cấu kiện phụ trợ gồm cầu thang bộ và hồ nước (bể chứa).
  4. Xây dựng mô hình không gian, tính toán tải trọng (gió tĩnh, gió động, động đất), phân tích nội lực và thiết kế khung trục 4, khung trục C cùng mặt sàn tầng 4.
  5. Xử lý số liệu địa chất, lựa chọn giải pháp móng và thiết kế phương án móng cọc khoan nhồi chịu lực cho toàn bộ công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kết cấu chịu lực bê tông cốt thép toàn khối của công trình "Tòa nhà văn phòng LTN".
  • Phạm vi không gian: Công trình có quy mô 17 tầng điển hình, 1 tầng mái, 2 tầng dịch vụ và 2 tầng hầm. Tổng chiều cao công trình là 71,4 m (tính từ mặt đất tự nhiên) với kích thước mặt bằng sàn tầng điển hình là $51 \times 26,1\text{ m}$.
  • Phạm vi địa chất và khí quyển: Số liệu địa chất tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh; vùng áp lực gió II-A với dạng địa hình B ($W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$); vùng có gia tốc nền động đất thiết kế $a_{gR} = 0,0853\text{g}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam kết hợp các phương pháp giải tích và phần mềm phần tử hữu hạn chuyên ngành:

Hệ thống tiêu chuẩn và cơ sở lý thuyết áp dụng:

  • Tiêu chuẩn tải trọng: TCVN 2737:1995 (Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế).
  • Tiêu chuẩn tính toán gió động: TCXD 229:1999 (Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995).
  • Tiêu chuẩn kháng chấn: TCVN 9386:2012 (Thiết kế công trình chịu động đất) dựa trên phương pháp phổ phản ứng đàn hồi và phổ thiết kế nằm ngang.
  • Tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép: TCVN 5574:2012 (Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế).
  • Tiêu chuẩn nền móng: TCVN 10304:2014 (Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế).
  • Giáo trình và tài liệu tham khảo: Phụ lục 5 và Phụ lục 7 sách Kết cấu Bê tông cốt thép (Phan Quang Minh).

Phương pháp nghiên cứu và công cụ xử lý:

  • Phương pháp giải tích kết cấu: Xác định sơ bộ tiết diện theo diện truyền tải và điều kiện độ võng; tính toán kiểm tra khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn 1 (cường độ) và trạng thái giới hạn 2 (độ võng, nứt).
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm ETABS để mô hình hóa kết cấu khung không gian 3D (cột, dầm dùng phần tử Line; sàn, vách cứng dùng phần tử Area), phân tích dao động riêng và xuất nội lực.
  • Phân tích dải sàn và đài móng: Sử dụng phần mềm SAFE để chia dải strip theo 2 phương X, Y, phân tích nội lực, kiểm tra võng phi tuyến ngắn hạn/dài hạn và phản lực đầu cọc.
  • Công cụ tính toán tự động: Bảng tính Microsoft Excel kết hợp lập trình Visual Basic for Applications (VBA).

Vật liệu sử dụng trong mô hình:

Loại vật liệu Cấp độ bền / Nhóm thép Thông số cường độ tính toán Mô đun đàn hồi
Bê tông B25 $R_b = 14,5\text{ MPa}$; $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$ $E_b = 30.000\text{ MPa}$
Thép nhóm AI ($\varnothing \le 10$) AI $R_s = 225\text{ MPa}$; $R_{sc} = 225\text{ MPa}$; $R_{sw} = 175\text{ MPa}$ $E_s = 210.000\text{ MPa}$
Thép nhóm AII AII $R_s = 280\text{ MPa}$; $R_{sc} = 280\text{ MPa}$; $R_{sw} = 225\text{ MPa}$ $E_s = 210.000\text{ MPa}$
Thép nhóm AIII ($\varnothing > 10$) AIII $R_s = 365\text{ MPa}$; $R_{sc} = 365\text{ MPa}$ $E_s = 200.000\text{ MPa}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày khái quát về quy mô kiến trúc và giải pháp kỹ thuật tổng thể của công trình Tòa nhà văn phòng LTN (17 tầng điển hình, 2 tầng dịch vụ, 2 tầng hầm, 1 tầng mái, chiều cao $71,4\text{ m}$, kích thước sàn $51 \times 26,1\text{ m}$). Tác giả xác định phương án kết cấu chịu lực chính là hệ khung - vách bê tông cốt thép đổ toàn khối kết hợp móng cọc khoan nhồi.

Chương này phân loại chi tiết các dạng tải trọng:

  • Tải trọng đứng: Tĩnh tải (trọng lượng bản thân kết cấu, lớp hoàn thiện, tường xây, thiết bị cơ điện) và hoạt tải phân bố đều theo công năng từng khu vực theo TCVN 2737:1995 (văn phòng/phòng ngủ: $1,5\text{ kN/m}^2$; sảnh, hành lang, cầu thang: $3,0\text{ kN/m}^2$; phòng kỹ thuật/động cơ: $7,0\text{ kN/m}^2$; gara ô tô: $5,0\text{ kN/m}^2$; kho: $5,0\text{ kN/m}^2$).
  • Tải trọng ngang: Gió tĩnh và gió động với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$ (vùng II-A), tải trọng động đất.

Chương 2: Tính toán- Thiết kế sàn

Chương 2 thực hiện tính toán chi tiết sàn tầng điển hình:

  • Lựa chọn sơ bộ tiết diện: Chiều dày sàn được chọn sơ bộ theo công thức bản kê 4 cạnh với cạnh ngắn ô lớn nhất $L_1 = 4,6\text{ m}$, chọn $h_s = 120\text{ mm}$ (thỏa mãn quy định $h_{s,\min} \ge 60\text{ mm}$ của TCVN 5574:2012). Kích thước dầm chính chọn $300 \times 700\text{ mm}$ (với nhịp $L = 9,0\text{ m}$), dầm phụ chọn $300 \times 400\text{ mm}$.
  • Tải trọng tác dụng: Xác định tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn thường ($1,2\text{ kN/m}^2$), sàn vệ sinh ($1,38\text{ kN/m}^2$), sàn mái ($2,44\text{ kN/m}^2$), sàn tầng hầm ($0,45\text{ kN/m}^2$); tải tường phân bố trên mét dài ($P_{t100}^{tt} = 1,544\text{ kN/m}$, $P_{t200}^{tt} = 1,088\text{ kN/m}$) quy đổi thành tải phân bố đều trên ô bản.
  • Phân tích trên SAFE: Xuất mặt bằng sàn điển hình từ ETABS sang SAFE, chia hệ dải strip theo hai phương X và Y để lấy mômen uốn.
  • Kiểm tra độ võng: Kiểm tra độ võng đàn hồi và độ võng phi tuyến dài hạn (kể đến nứt bê tông và từ biến qua các trường hợp tải Sh1–Sh3 và Lt1–Lt3). Giá trị độ võng lớn nhất $f_{\max} = 11\text{ mm}$ nhỏ hơn độ võng cho phép $[f] = L/250 = 9000/250 = 36\text{ mm}$.
  • Tính toán cốt thép: Cốt thép sàn sử dụng thép nhóm AII ($R_s = 280\text{ MPa}$), tính toán theo tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn, khống chế hàm lượng cốt thép $\mu \ge \mu_{\min} = 0,05% - 0,1%$, kiểm tra mômen giới hạn $[M_{gh}]$.

Chương 3: Tính toán – Thiết kế cầu thang

Chương 3 thiết kế cầu thang bộ dạng bản hai vế:

  • Kích thước hình học: Chiều cao tầng $3,5\text{ m}$, gồm 24 bậc (mỗi vế 12 bậc); chiều cao bậc $h_b = 150\text{ mm}$, bề rộng bậc $b_b = 270\text{ mm}$, bề rộng vế thang $b = 1250\text{ mm}$, góc nghiêng $\cos\alpha = 0,87$. Chiều dày bản thang $h_b = 120\text{ mm}$, bản chiếu nghỉ dày $120\text{ mm}$, dầm chiếu tới (dầm D1) kích thước $200 \times 300\text{ mm}$.
  • Xác định tải trọng: Tĩnh tải bản chiếu nghỉ $g^{tt} = 5,409\text{ kN/m}$, tĩnh tải bản thang nghiêng có kể lan can $g^{tt} = 7,214\text{ kN/m}$; hoạt tải quy đổi có nhân hệ số góc nghiêng $\cos\alpha$. Tổng tải trọng tính toán vế thang là $7,580\text{ kN/m}$, chiếu nghỉ là $5,009\text{ kN/m}$.
  • Sơ đồ tính và nội lực: Cắt dải bản rộng $1\text{ m}$, mô hình hóa trong ETABS để trích xuất biểu đồ mômen uốn cho từng vế.
  • Tính cốt thép và kiểm tra cắt: Bản thang sử dụng thép nhóm AIII ($R_s = 365\text{ MPa}$). Dầm chiếu tới chịu phản lực từ bản thang ($R_A = 37,66\text{ kN/m}$) và chiếu tới truyền vào dạng tam giác; lực cắt lớn nhất tại dầm $Q_{\max} = 55,82\text{ kN} > 0,6 R_{bt} b h_0 = 55,1\text{ kN}$, do đó bê tông không đủ khả năng chịu cắt và phải bố trí cốt đai $\varnothing 6$ (2 nhánh, bước đai $s = 150\text{ mm}$ ở đoạn đầu dầm $L/4$ và $s = 200\text{ mm}$ ở giữa dầm).
  • Kiểm tra độ võng: Độ võng bản thang thu được từ ETABS là $f = 0,0162\text{ m} \le [f] = L/200 = 3,24/200 = 0,0162\text{ m}$, đảm bảo yêu cầu sử dụng.

Chương 4: Tính toán thiết kế hệ khung

Chương 4 là phần tính toán trọng tâm về phân tích hệ kết cấu không gian chịu tải trọng tổng hợp:

  • Sơ bộ tiết diện cột: Lựa chọn kích thước cột theo diện truyền tải và hệ số kể đến uốn $k$ ($k=1,5$ cho cột biên, $k=1,1$ cho cột giữa):
Nhóm tầng Cột C1 ($b \times h$, mm) Cột C2 ($b \times h$, mm) Cột C3 ($b \times h$, mm)
Tầng B2 ~ M1 $1000 \times 1000$ $1100 \times 1100$ $1100 \times 1100$
Tầng 1 ~ 4 $700 \times 700$ $950 \times 950$ $1000 \times 1000$
Tầng 4 ~ 8 $600 \times 600$ $800 \times 800$ $600 \times 600$
Tầng 9 ~ 12 $500 \times 500$ $700 \times 700$ $500 \times 500$
Tầng 13 ~ 17 $400 \times 400$ $500 \times 500$ $400 \times 400$
  • Tải trọng gió động: Công trình cao trên $40\text{ m}$ ($71,8\text{ m}$), tần số dao động riêng cơ bản được khảo sát qua 12 mode dao động trong ETABS. Tần số dao động giới hạn $f_L = 1,3\text{ s}^{-1}$ (ứng với độ giảm loga $\delta = 0,3$). Công trình có tần số ở mode thứ 5 là $f_5 < f_L = 1,3\text{ s}^{-1}$, do đó cần tính toán thành phần động của tải trọng gió cho 5 dạng dao động đầu tiên (loại bỏ các mode xoắn). Tính toán hệ số động lực $\xi_i$, hệ số tương quan không gian $\nu$ và lực xung vận tốc gió gán vào tâm khối lượng từng tầng.
  • Tải trọng động đất: Tính theo TCVN 9386:2012 với đỉnh gia tốc nền $a_{gR} = 0,0853\text{g}$, nền đất loại C ($S = 1,15$; $T_B = 0,2\text{ s}$; $T_C = 0,6\text{ s}$; $T_D = 2,0\text{ s}$). Hệ số ứng xử $q = q_0 \times k_w = 3,0 \times 1,3 \times 1,0 = 3,9$ (kết cấu hệ khung - hỗn hợp, cấp dẻo trung bình). Khối lượng dao động tính toán bằng $100%\text{ tĩnh tải} + 24%\text{ hoạt tải}$ ($\psi_{E,i} = \varphi \times \psi_{2,i} = 0,8 \times 0,3 = 0,24$). Tổ hợp động đất được khai báo theo phương ngang DDX và DDY.
  • Tổ hợp tải trọng: Khai báo 11 trường hợp tải đơn (DL, SDL, WALL, HT, WTX, WTY, WDX, WD1Y, WD4Y, QX, QY), thiết lập các tổ hợp COMB1 đến COMB11 để tìm bao nội lực (COMBBAO) thiết kế dầm, cột, vách; thiết lập COMB12 đến COMB15 để kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình.
  • Thiết kế cốt thép khung: Tính toán cốt thép dầm, cột (lệch tâm xiên/nén uốn) và cốt thép vách cứng cho khung phẳng trục 4 và trục C.

Chương 5: Tính toán thiết kế móng

Chương 5 xử lý địa chất và thiết kế kết cấu phần ngầm:

  • Địa chất và lựa chọn móng: Dựa trên số liệu hố khoan địa chất, lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng đất tốt.
  • Sức chịu tải của cọc: Xác định sức kháng mũi và sức kháng ma sát thân cọc theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT; tính toán hệ số nền $k$ theo TCVN 10304:2014 để kiểm tra cọc chịu lực ngang, mômen và lực cắt dọc thân cọc.
  • Thiết kế các đài móng: Sử dụng mô hình SAFE để tính toán phản lực đầu cọc, kiểm tra lún theo khối móng quy ước, kiểm tra điều kiện tháp xuyên thủng đài cọc và bố trí cốt thép đài móng cho móng đài M1, M2 và móng cụm vách lõi thang M3, M4.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Xác định được quy luật phân bố nội lực khung không gian, kiểm soát chuyển vị ngang và độ võng của cấu kiện nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn ($f_{\max}$ sàn $= 11\text{ mm} < 36\text{ mm}$; $f$ cầu thang $= 16,2\text{ mm} \le 16,2\text{ mm}$).
  • Hoàn thiện quy trình tính toán tải trọng động phức tạp gồm 5 mode gió động kết hợp phân tích phổ phản ứng thiết kế động đất theo TCVN 9386:2012 với hệ số ứng xử $q = 3,9$.
  • Tối ưu hóa kích thước tiết diện cột giảm dần theo chiều cao từ $1100 \times 1100\text{ mm}$ (tầng hầm) xuống $400 \times 400\text{ mm}$ (các tầng trên cùng), vừa tiết kiệm vật liệu vừa đảm bảo khả năng chịu lực nén uốn.
  • Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống móng cọc khoan nhồi cho toàn bộ công trình, kiểm tra chi tiết bài toán chọc thủng, lún khối móng quy ước và nội lực thân cọc chịu tải ngang.

Đóng góp của đồ án

  • Tác giả đã hoàn thiện trọn vẹn bộ hồ sơ thuyết minh tính toán và 28 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (gồm 9 bản vẽ kiến trúc và 19 bản vẽ kết cấu chi tiết).
  • Ứng dụng phối hợp các phần mềm phân tích kết cấu hiện đại (ETABS, SAFE) kết hợp bảng tính tự động hóa Excel/VBA, phản ánh quy trình làm việc thực tế của kỹ sư thiết kế kết cấu công trình dân dụng và công nghiệp.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Đồ án tập trung đi sâu vào tính toán và bố trí cốt thép cho các cấu kiện điển hình (sàn tầng 4, khung phẳng trục 4, khung phẳng trục C, móng lõi thang M3, M4), các cấu kiện còn lại được xử lý theo phương pháp tương tự hoặc kiểm tra đại diện.
  • Nghiên cứu bỏ qua thành phần tác động thẳng đứng của động đất do công trình có nhịp dầm ngang nhỏ hơn $20\text{ m}$, công xôn nhỏ hơn $5\text{ m}$ và không sử dụng kết cấu dự ứng lực (theo quy định tại TCVN 9386:2012).
  • Số liệu địa chất và thông số gió động, gia tốc nền kháng chấn được tính toán cụ thể cho địa bàn xây dựng tại Thành phố Hồ Chí Minh, do đó các thông số tải trọng ngang không áp dụng trực tiếp cho các vùng địa chất và phân vùng áp lực gió khác nếu không tính toán lại.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Bê tông cốt thép, Nhà cao tầng, Nền móng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu cần tài liệu mẫu về các bước thực hành tính toán tải trọng gió động theo TCXD 229:1999 và tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012.
  • Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:
    • Phương pháp khai báo và xử lý tổ hợp tải trọng gió động (tổ hợp SRSS giữa các mode và ADD với gió tĩnh) trong ETABS.
    • Phương pháp kiểm tra độ võng phi tuyến dài hạn (kể đến nứt và từ biến) của sàn bê tông trên phần mềm SAFE.
    • Quy trình tính toán móng đài cọc khoan nhồi dưới cụm vách cứng lõi thang.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình sử dụng các loại vật liệu bê tông và cốt thép nào cho các cấu kiện chịu lực?
Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$, $E_b = 30.000\text{ MPa}$). Cốt thép gồm 3 nhóm: thép nhóm AI dùng cho đường kính $\varnothing \le 10$ ($R_s = 225\text{ MPa}$), thép nhóm AII ($R_s = 280\text{ MPa}$) và thép nhóm AIII dùng cho đường kính $\varnothing > 10$ ($R_s = 365\text{ MPa}$).

2. Tại sao công trình phải tính toán thành phần động của tải trọng gió và tính toán cho bao nhiêu mode dao động?
Công trình có chiều cao $71,4\text{ m}$ (lớn hơn $40\text{ m}$), theo TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999 bắt buộc phải tính thành phần động của gió. Khi khảo sát 12 mode dao động trong ETABS, tần số dao động riêng ở mode 5 vẫn nhỏ hơn tần số giới hạn $f_L = 1,3\text{ s}^{-1}$, do đó tác giả tính toán gió động cho 5 dạng dao động đầu tiên (loại bỏ dạng dao động xoắn).

3. Khối lượng tham gia dao động khi tính toán tải trọng động đất được xác định như thế nào?
Theo TCVN 9386:2012, hệ số tổ hợp đối với tác động thay đổi được xác định qua công thức $\psi_{E,i} = \varphi \times \psi_{2,i} = 0,8 \times 0,3 = 0,24$. Do đó, khối lượng mỗi tầng tham gia dao động động đất được lấy bằng $100%\text{ Tĩnh tải} + 24%\text{ Hoạt tải}$.

4. Vì sao dầm chiếu tới cầu thang phải bố trí cốt đai chịu cắt?
Khi tính toán dầm chiếu tới, lực cắt lớn nhất tính toán tác dụng lên dầm là $Q_{\max} = 55,82\text{ kN}$, vượt quá khả năng chịu cắt của tiết diện bê tông thuần túy ($0,6 R_{bt} b h_0 = 55,1\text{ kN}$). Do đó, tiết diện bê tông không đủ khả năng chịu cắt và tác giả bắt buộc phải bố trí cốt đai chịu cắt $\varnothing 6$ gồm 2 nhánh với bước đai $150\text{ mm}$ ở đoạn đầu dầm và $200\text{ mm}$ ở đoạn giữa dầm.

5. Kết quả kiểm tra độ võng sàn tầng điển hình trên phần mềm SAFE có đạt yêu cầu kỹ thuật không?
Có. Giá trị độ võng lớn nhất của sàn tính toán phi tuyến có xét đến tác dụng dài hạn là $f_{\max} = 11\text{ mm}$, nhỏ hơn nhiều so với giới hạn độ võng cho phép theo TCVN 5574:2012 là $[f] = L/250 = 9000/250 = 36\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tòa nhà văn phòng LTN" của tác giả Nguyễn Thị Linh Thoa là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng. Tác giả đã giải quyết đồng bộ và chi tiết các nội dung từ phân tích tải trọng tĩnh, tải trọng động (gió động, động đất) đến thiết kế cấu kiện sàn, cầu thang, khung phẳng chịu lực và hệ móng cọc khoan nhồi theo các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Thuyết minh tính toán kết hợp mô hình số trên ETABS, SAFE và hệ thống 28 bản vẽ kỹ thuật A1 cung cấp nguồn tư liệu tham khảo rõ ràng, chuẩn mực cho công tác nghiên cứu và thực hành thiết kế kết cấu nhà cao tầng.