Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Đồ án tốt nghiệp "Trường THPT Yên Bái" do sinh viên Phan Minh Diễm thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Đoàn Văn Duẩn và ThS. Nguyễn Tiến Thành (Khoa Xây dựng, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng, năm 2019) thuộc chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp.

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Công trình được xây dựng tại tỉnh Yên Bái nhằm đáp ứng nhu cầu gia tăng cơ sở vật chất phục vụ giáo dục, tạo không gian học tập đạt chuẩn cho học sinh trong bối cảnh phát triển cơ sở hạ tầng của địa phương. Đề tài hướng tới việc giải quyết bài toán thiết kế một công trình công cộng nhiều tầng, có tính bền vững, hình khối kiến trúc hiện đại, đồng thời tối ưu hóa khả năng chịu lực của hệ kết cấu bê tông cốt thép.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu/thiết kế

Nhiệm vụ của đồ án được phân chia thành các phần với tỷ trọng khối lượng cụ thể:

  1. Phần I: Kiến trúc (Khối lượng 10%):
    • Nghiên cứu hồ sơ kiến trúc, chỉnh sửa và hoàn thiện các chi tiết chưa hợp lý.
    • Thể hiện đầy đủ kích thước trên các bản vẽ mặt bằng, mặt đứng, mặt cắt của công trình.
    • Lập thuyết minh tổng quan về sự cần thiết đầu tư, vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên, công năng và giải pháp kỹ thuật hạ tầng.
  2. Phần II: Kết cấu (Khối lượng 45%):
    • Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực chính và kết cấu sàn phù hợp với mặt bằng.
    • Xác định sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện cơ bản (bản sàn, dầm, cột).
    • Thiết kế bản sàn tầng 4 (tính toán tải trọng, nội lực, tính toán và bố trí cốt thép).
    • Thiết kế khung phẳng chịu lực trục 14 (xác lập sơ đồ hình học, phân tích tải trọng tĩnh tải, hoạt tải).
    • Thiết kế móng dưới chân cột khung trục 14.

Đối tượng và quy mô công trình

  • Công trình: Trường Trung học Phổ thông Yên Bái.
  • Địa điểm: Tỉnh Yên Bái.
  • Quy mô hình học: Công trình gồm 6 tầng nổi; mặt bằng dạng hình chữ nhật có kích thước $10\text{ m} \times 63{,}25\text{ m}$; chiều cao tầng điển hình là $3{,}7\text{ m}$; tổng chiều cao công trình từ cốt $\pm 0{,}00$ đến đỉnh mái là $25{,}2\text{ m}$.

Cơ sở tính toán, tiêu chuẩn và phương pháp thiết kế

Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

  • TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế (xác định tĩnh tải, hoạt tải sử dụng và tải trọng gió tĩnh). Do công trình có chiều cao $25{,}2\text{ m} < 40\text{ m}$, theo tiêu chuẩn không cần tính toán thành phần động của tải trọng gió và tải trọng động đất.
  • TCVN 5574-2012: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế (xác định cường độ tính toán, điều kiện kiểm tra độ bền, độ mảnh và tính toán diện tích cốt thép).

Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu xây dựng

  • Bê tông: Cấp độ bền B20, có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 11{,}5\text{ MPa}$ ($115\text{ kG/cm}^2$), cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 0{,}9\text{ MPa}$ ($9\text{ kG/cm}^2$), mô đun đàn hồi $E_b = 27 \times 10^3\text{ MPa}$.
  • Cốt thép:
    • Nhóm CI (đường kính $d < 10\text{ mm}$): $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$ ($2250\text{ kG/cm}^2$), cường độ chịu cắt $R_{sw} = 125\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 21 \times 10^4\text{ MPa}$. Giới hạn tính toán $\alpha_R = 0{,}437$, $\xi_R = 0{,}645$.
    • Nhóm CII (đường kính $d \ge 10\text{ mm}$): $R_s = R_{sc} = 280\text{ MPa}$ ($2800\text{ kG/cm}^2$), mô đun đàn hồi $E_s = 21 \times 10^4\text{ MPa}$. Giới hạn tính toán $\alpha_R = 0{,}429$, $\xi_R = 0{,}623$.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ hỗ trợ

  • Mô hình hóa kết cấu: Sử dụng sơ đồ phần tử thanh để mô hình hóa hệ khung phẳng (dầm, cột) với các nút cứng. Sơ đồ tính sàn dựa trên tỷ số cạnh $L_2/L_1$ để phân biệt bản làm việc 1 phương ($L_2/L_1 > 2$) hay 2 phương ($L_2/L_1 \le 2$).
  • Phương pháp tính toán nội lực: Áp dụng sơ đồ khớp dẻo cho các ô sàn phòng học/phòng làm việc và sơ đồ đàn hồi cho các khu vực hành lang, vệ sinh, cầu thang.
  • Phương pháp truyền tải: Quy đổi tải trọng diện truyền tải dạng tam giác và hình thang từ ô bản sàn về tải trọng phân bố đều và tải trọng tập trung tại các nút khung.
  • Phần mềm tính toán: Ứng dụng phần mềm ETABS để phân tích nội lực, chuyển vị hệ kết cấu; sử dụng bảng tính Excel lập trình công thức tổ hợp nội lực và tính diện tích cốt thép.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp kiến trúc

Giải pháp mặt bằng, mặt đứng và giao thông

  • Mặt bằng: Thiết kế dạng khối thẳng đối xứng, các phòng học và phòng làm việc của Ban Giám hiệu được bố trí đồng trục qua 6 tầng, đảm bảo sự thông thoáng và chiếu sáng tự nhiên trực tiếp.
  • Mặt đứng: Sử dụng ngôn ngữ kiến trúc đường nét thẳng dứt khoát kết hợp mảng kính lớn, tạo vẻ ngoài hiện đại và hài hòa với cảnh quan chung.
  • Giao thông: Giao thông theo phương ngang giải quyết qua hệ thống hành lang thông suốt; giao thông theo phương đứng sử dụng hệ thang bộ được bố trí tại các vị trí đảm bảo khoảng cách thoát nạn khi xảy ra sự cố.

Hệ thống hạ tầng kỹ thuật (MEP) và phòng cháy chữa cháy

  • Thông gió và chiếu sáng: Tầng 1 bố trí hệ thống điều hòa không khí trung tâm kết hợp đường ống phân phối đến từng khu vực; lồng cầu thang đóng vai trò giếng nhiệt thông gió tự nhiên. Hệ thống chiếu sáng kết hợp ánh sáng tự nhiên với đèn trần, đèn tường, đèn hành lang và ban công.
  • Cấp thoát nước: Nguồn nước sạch lấy từ mạng lưới đô thị qua đồng hồ tổng, cấp vào bể ngầm và sử dụng máy bơm tăng áp điều hòa lưu lượng lên các tầng. Nước thải và nước mưa qua sê nô được dẫn qua hệ thống xử lý sơ bộ trước khi đấu nối vào cống thoát nước thành phố.
  • PCCC và chống sét: Lắp đặt đầu báo cháy tự động tại các phòng, hành lang; mỗi tầng bố trí hộp vòi chữa cháy vách tường cùng bình khí dập lửa khô. Tầng 1 trang bị trạm bơm cấp nước chữa cháy riêng biệt. Hệ thống chống sét sử dụng kim thu sét mạ kẽm đường kính $60\text{ mm}$, dài $2\text{ m}$ lắp trên đỉnh mái, liên kết với hệ thống dây đồng tiếp địa chôn sâu trong đất.

Nội dung chi tiết các phần và chương

Phần I: Kiến trúc (10%)

Nhiệm vụ tập trung vào việc nghiên cứu hồ sơ kiến trúc, chỉnh sửa kích thước các mặt bằng tầng, mặt đứng chính, mặt cắt dọc và ngang công trình. Thuyết minh kiến trúc làm rõ dây chuyền công năng giáo dục, vị trí xây dựng tại Yên Bái, giải pháp kết cấu bao che, xử lý vi khí hậu, chiếu sáng, cấp thoát nước và an toàn PCCC.

Phần II - Chương 1: Lựa chọn giải pháp kết cấu

Chương này thực hiện phân tích và so sánh các phương án kết cấu:

  • Kết cấu chịu lực chính: Đánh giá giữa hệ khung thuần, hệ vách cứng, lõi cứng và khung - giằng. Do công trình 6 tầng có chiều cao trung bình, mặt bằng đối xứng và diện tích rộng, tác giả lựa chọn hệ khung bê tông cốt thép toàn khối.
  • Kết cấu sàn: So sánh giữa sàn sườn toàn khối, sàn ô cờ và sàn không dầm (sàn nấm). Sàn sườn toàn khối được lựa chọn nhờ ưu điểm cấu tạo đơn giản, thi công phổ biến, tối ưu chiều dày bản và giảm tĩnh tải tác dụng lên khung.
  • Xác định sơ bộ tiết diện cấu kiện:
    • Bản sàn: Kích thước ô sàn lớn nhất là $4{,}5\text{ m} \times 4{,}0\text{ m}$ ($L_2/L_1 = 1{,}125 \le 2$). Tính toán với hệ số $m = 45$, $D = 1{,}1$, sơ bộ chọn chiều dày sàn $h_b = 10\text{ cm}$.
    • Dầm: Bề rộng chọn $b = 220\text{ mm}$. Chiều cao dầm chọn theo nhịp: dầm nhịp $AB$ ($L = 3{,}0\text{ m}$) chọn tiết diện $220 \times 350\text{ mm}$; dầm chính nhịp $BC$ ($L = 8{,}0\text{ m}$) chọn tiết diện $220 \times 700\text{ mm}$; dầm phụ chọn $220 \times 300\text{ mm}$; dầm bo mái chọn $110 \times 300\text{ mm}$.
    • Cột: Cột trục B và C tầng 1, 2, 3 chọn $300 \times 550\text{ mm}$; tầng 4, 5, 6 giảm tiết diện xuống $300 \times 450\text{ mm}$. Cột trục A chịu tải nhỏ chọn $220 \times 220\text{ mm}$ suốt từ tầng 1 đến tầng 6. Đã kiểm tra và thỏa mãn điều kiện độ mảnh ổn định $l_0/b \le 30$.

Phần II - Chương 2: Thiết kế sàn tầng 4

Tiến hành phân loại các ô bản sàn tầng 4 dựa trên tỷ số kích thước cạnh và công năng sử dụng:

Ký hiệu Công năng Kích thước nhịp $L_1 \times L_2$ (m) Tỷ số $L_2/L_1$ Loại bản làm việc Tĩnh tải $g^{tt}$ ($\text{kN/m}^2$) Hoạt tải $p^{tt}$ ($\text{kN/m}^2$) Tổng tải trọng $q_b$ ($\text{kN/m}^2$)
S1 Phòng học $4{,}0 \times 4{,}5$ $1{,}125$ Kê 4 cạnh $3{,}790$ $2{,}400$ $6{,}190$
S2 Hành lang $3{,}0 \times 4{,}5$ $1{,}500$ Kê 4 cạnh $4{,}258$ $3{,}600$ $7{,}858$
S3 Cầu thang $2{,}5 \times 4{,}5$ $1{,}800$ Kê 4 cạnh $4{,}258$ $3{,}600$ $7{,}858$
S4 Ban Giám hiệu $4{,}0 \times 4{,}5$ $1{,}125$ Kê 4 cạnh $3{,}790$ $2{,}400$ $6{,}190$
S5 Vệ sinh $2{,}25 \times 4{,}0$ $1{,}778$ Kê 4 cạnh $4{,}810$ $2{,}400$ $7{,}210$
  • Tính toán nội lực và lựa chọn thép sàn:
    • Ô sàn S1 (tính theo sơ đồ khớp dẻo, nhịp tính toán $l_a = 4{,}175\text{ m}$, $l_b = 3{,}675\text{ m}$): Moment $M_{a1} = M_{a2} = 6{,}75\text{ kNm}$, $M_{b1} = M_{b2} = 5{,}23\text{ kNm}$. Thép cạnh ngắn chọn $\phi 8a130$ ($A_s = 387\text{ mm}^2$, $\mu = 0{,}43%$), thép cạnh dài chọn $\phi 8a160$ ($A_s = 314\text{ mm}^2$, $\mu = 0{,}40%$).
    • Ô sàn S2 (tính theo sơ đồ khớp dẻo, nhịp tính toán $l_a = 4{,}175\text{ m}$, $l_b = 2{,}70\text{ m}$): Moment $M_a = 8{,}56\text{ kNm}$, $M_b = 3{,}58\text{ kNm}$. Thép chịu lực cạnh ngắn chọn $\phi 8a200$ ($A_s = 251\text{ mm}^2$, $\mu = 0{,}255%$).
    • Ô sàn S5 (tính theo sơ đồ đàn hồi): Moment cạnh ngắn $M_a = 7{,}21\text{ kNm}$, cạnh dài $M_b = 2{,}28\text{ kNm}$. Thép cạnh ngắn chọn $\phi 6a200$ ($A_s = 141\text{ mm}^2$, $\mu = 0{,}16%$), thép cạnh dài chọn $\phi 8a110$ ($A_s = 457\text{ mm}^2$, $\mu = 0{,}527%$).
    • Cấu tạo cốt thép: Thép lớp dưới chịu moment dương đặt $\phi 8a160$ chạy suốt nhịp; thép lớp trên chịu moment âm đặt cốt mũ $\phi 6a150$ kéo dài ra khỏi mép dầm một đoạn $l_t = 1{,}125\text{ m}$.

Phần II - Chương 3: Tính khung trục 14

Thiết lập sơ đồ hình học khung phẳng trục 14 với nhịp dầm tính toán $L_{AB} = 3{,}115\text{ m}$ và $L_{BC} = 7{,}77\text{ m}$. Chiều cao cột tầng 1 lấy $h_{t1} = 4{,}475\text{ m}$ (do chôn móng sâu $h_m = 0{,}5\text{ m}$ và đôn nền $Z = 0{,}45\text{ m}$); chiều cao cột từ tầng 2 đến tầng 6 là $h_{t} = 3{,}7\text{ m}$.

  • Tải trọng tường xây và trọng lượng bản thân kết cấu:

    • Tường gạch dày 220 trát vữa 2 mặt: tải trọng tính toán $g_{ttt} = 5{,}54\text{ kN/m}^2$.
    • Tường gạch dày 110 trát vữa 2 mặt: tải trọng tính toán $g_{ttt} = 3{,}12\text{ kN/m}^2$.
    • Trọng lượng 1m dài dầm $220 \times 700\text{ mm}$ là $4{,}13\text{ kN/m}$; dầm $220 \times 350\text{ mm}$ là $1{,}76\text{ kN/m}$; dầm phụ $220 \times 300\text{ mm}$ là $1{,}43\text{ kN/m}$.
    • Trọng lượng 1m dài cột $300 \times 550\text{ mm}$ là $5{,}14\text{ kN/m}$; cột $300 \times 450\text{ mm}$ là $4{,}24\text{ kN/m}$; cột $220 \times 220\text{ mm}$ là $1{,}64\text{ kN/m}$.

  • Tổng hợp tải trọng tác dụng vào khung trục 14:

Trường hợp tải trọng Vị trí tác dụng Tải trọng phân bố đều ($g_i, p_i$) Tải trọng tập trung tại các nút khung ($G_i, P_i$)
Tĩnh tải tầng điển hình - Dầm BC ($L=8\text{m}$)
- Dầm AB ($L=3\text{m}$)		 - $g = 27{,}760\text{ kN/m}$
- $g = 7{,}984\text{ kN/m}$		 - Nút C: $G_1 = 95{,}260\text{ kN}$
- Dầm phụ DP2: $G_2 = 53{,}715\text{ kN}$
- Nút B: $G_3 = 118{,}680\text{ kN}$
- Nút A: $G_4 = 43{,}960\text{ kN}$
Tĩnh tải tầng mái - Dầm BC
- Dầm AB		 - $g = 16{,}046\text{ kN/m}$
- $g = 6{,}807\text{ kN/m}$		 - Nút sê nô: $G_5 = 16{,}635\text{ kN}$
- Nút C: $G_6 = 44{,}825\text{ kN}$
- Dầm phụ Dm3: $G_7 = 45{,}110\text{ kN}$
- Nút B: $G_8 = 44{,}310\text{ kN}$
- Nút A: $G_9 = 42{,}544\text{ kN}$
Hoạt tải tầng điển hình - Dầm BC
- Dầm AB		 - $p = 6{,}000\text{ kN/m}$
- $p = 6{,}750\text{ kN/m}$		 - Nút C: $P_1 = 22{,}450\text{ kN}$
- Dầm phụ DP2: $P_2 = 38{,}670\text{ kN}$
- Nút A: $P_3 = 19{,}810\text{ kN}$
Hoạt tải tầng mái - Dầm BC
- Dầm AB		 - $p = 4{,}000\text{ kN/m}$
- $p = 3{,}000\text{ kN/m}$		 - Nút C: $P_4 = 6{,}080\text{ kN}$
- Dầm phụ Dm3: $P_5 = 12{,}160\text{ kN}$

Kết quả và giải pháp kỹ thuật

Kết quả tính toán chính

  • Xác lập kích thước tiết diện dầm, cột hợp lý theo từng phân đoạn chiều cao tầng, bảo đảm khả năng chịu nén uốn và điều kiện biến dạng.
  • Hoàn thành bảng phân tích tải trọng tĩnh tải, hoạt tải chi tiết cho toàn bộ ô sàn tầng 4 và hệ khung phẳng trục 14.
  • Bố trí cốt thép bản sàn tầng 4 với đường kính thanh $\phi 6$ đến $\phi 8$, bước cốt thép $a = 110 \div 200\text{ mm}$, thỏa mãn hàm lượng cốt thép tối thiểu $\mu \ge \mu_{min}$ theo TCVN 5574-2012.

Giải pháp kỹ thuật được đề xuất trong đồ án

  • Áp dụng giải pháp giảm tiết diện cột từ tầng 4 lên tầng 6 ($300 \times 550\text{ mm} \rightarrow 300 \times 450\text{ mm}$) để tiết kiệm vật liệu bê tông và giảm tải trọng bản thân công trình truyền xuống móng.
  • Phân chia mô hình tính sàn linh hoạt: dùng sơ đồ khớp dẻo cho phòng học nhằm tận dụng khả năng phân phối lại nội lực và dùng sơ đồ đàn hồi cho khu vệ sinh để tăng độ an toàn chống nứt.
  • Thiết kế hệ thống kỹ thuật công trình đồng bộ gồm bể ngầm, trạm bơm tăng áp, hệ thống báo cháy tự động và kim thu sét bảo vệ công trình.

Hạn chế và phạm vi tính toán

  • Phạm vi tính toán kết cấu: Đồ án chỉ tập trung tính toán kết cấu chi tiết cho một ô sàn điển hình (sàn tầng 4) và một hệ khung ngang phẳng điển hình (khung trục 14), chưa mô hình hóa toàn bộ không gian 3D của cả khối nhà $63{,}25\text{ m}$.
  • Điều kiện tải trọng ngang: Do công trình có chiều cao dưới $40\text{ m}$ ($25{,}2\text{ m}$), đồ án chỉ tính toán với thành phần tĩnh của tải trọng gió theo TCVN 2737-1995, không xét đến thành phần động của gió và tải trọng động đất.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Tài liệu phục vụ trực tiếp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp trong quá trình thực hiện đồ án môn học Bê tông cốt thép và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Quy trình sơ bộ kích thước tiết diện dầm, cột, bản sàn nhiều tầng.
    • Các bảng tính chi tiết về tĩnh tải các lớp hoàn thiện sàn và tường xây.
    • Phương pháp quy đổi diện truyền tải tam giác, hình thang từ bản sàn về tải trọng phân bố đều và tập trung tác dụng lên khung phẳng.
    • Trình tự tính toán cốt thép cấu kiện chịu uốn theo cả sơ đồ đàn hồi và khớp dẻo.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô kích thước và số tầng của công trình Trường THPT Yên Bái là bao nhiêu?

Công trình gồm 6 tầng nổi, mặt bằng hình chữ nhật kích thước $10\text{ m} \times 63{,}25\text{ m}$, chiều cao tầng điển hình là $3{,}7\text{ m}$, tổng chiều cao từ cốt $\pm 0{,}00$ đến đỉnh mái là $25{,}2\text{ m}$.

2. Vật liệu xây dựng được lựa chọn tính toán trong đồ án gồm những loại nào?

Đồ án sử dụng bê tông cấp độ bền B20 ($R_b = 11{,}5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 0{,}9\text{ MPa}$), cốt thép đường kính $d < 10\text{ mm}$ thuộc nhóm CI ($R_s = 225\text{ MPa}$) và cốt thép đường kính $d \ge 10\text{ mm}$ thuộc nhóm CII ($R_s = 280\text{ MPa}$).

3. Kích thước tiết diện cột thay đổi như thế nào giữa các tầng?

Cột trục B và trục C có kích thước $300 \times 550\text{ mm}$ cho các tầng 1, 2, 3 và giảm xuống $300 \times 450\text{ mm}$ cho các tầng 4, 5, 6. Cột trục A giữ nguyên tiết diện $220 \times 220\text{ mm}$ cho toàn bộ 6 tầng.

4. Tải trọng toàn phần tính toán của ô sàn phòng học (S1) và ô sàn hành lang (S2) là bao nhiêu?

Ô sàn phòng học S1 có tĩnh tải $g^{tt} = 3{,}79\text{ kN/m}^2$, hoạt tải $p^{tt} = 2{,}40\text{ kN/m}^2$, tổng tải trọng $q_b = 6{,}19\text{ kN/m}^2$. Ô sàn hành lang S2 có tĩnh tải $g^{tt} = 4{,}258\text{ kN/m}^2$, hoạt tải $p^{tt} = 3{,}60\text{ kN/m}^2$, tổng tải trọng $q_b = 7{,}858\text{ kN/m}^2$.

5. Phương pháp tính toán nội lực nào được áp dụng cho từng loại ô sàn tầng 4?

Sàn phòng học và phòng làm việc Ban Giám hiệu được tính toán theo sơ đồ khớp dẻo có kể đến tính liên tục của ô bản. Sàn khu vệ sinh, hành lang và cầu thang được tính toán theo sơ đồ đàn hồi.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Trường THPT Yên Bái" đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ thiết kế kiến trúc và kết cấu công trình giáo dục 6 tầng theo đúng quy chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành. Tác giả đã phân tích và lựa chọn giải pháp kết cấu khung bê tông cốt thép toàn khối, tính toán chi tiết bản sàn tầng 4 và hệ khung phẳng trục 14 với các số liệu tải trọng, nội lực và bố trí cốt thép rõ ràng. Toàn bộ quy trình tính toán phản ánh phương pháp thiết kế kỹ thuật công trình dân dụng nhiều tầng, đáp ứng tốt yêu cầu an toàn chịu lực và công năng sử dụng.