Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp "Chung cư Tân Phước" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Chí Chiến, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Hậu tại Khoa Xây dựng & Cơ học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (chuyên ngành Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, hoàn thành tháng 07/2015). Đề tài giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật công trình nhà cao tầng phục vụ nhu cầu nhà ở và thương mại dịch vụ tại khu vực đô thị Quận 11, TP. Hồ Chí Minh.
Số liệu đầu vào phục vụ nghiên cứu và tính toán bao gồm hồ sơ thiết kế kiến trúc đã qua chỉnh sửa kích thước theo yêu cầu chuyên môn và hồ sơ khảo sát địa chất công trình tại khu đất xây dựng.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được xác lập theo các nội dung cụ thể:
- Kiến trúc: Thể hiện lại và chuẩn hóa hệ thống bản vẽ kiến trúc của công trình.
- Kết cấu:
- Tính toán, thiết kế kết cấu sàn điển hình (tầng 4).
- Tính toán, thiết kế kết cấu cầu thang bộ (từ tầng 3 lên tầng 4) và bể nước sinh hoạt trên mái.
- Mô hình hóa không gian, phân tích tải trọng động (gió động, động đất), tính toán nội lực và thiết kế cốt thép cho hệ khung trục 3 và trục B (bao gồm hệ dầm, cột và vách cứng).
- Nền móng: Tổng hợp, phân tích các chỉ tiêu cơ lý địa chất và thiết kế, so sánh 02 phương án móng khả thi (phương án móng cọc ép bê tông cốt thép và phương án móng cọc khoan nhồi).
Phạm vi không gian của công trình có quy mô 18 tầng (gồm 01 tầng hầm, 01 tầng trệt, 16 tầng căn hộ và 01 tầng mái), tổng chiều cao công trình là 60,2 m, mặt bằng kích thước $42\text{ m} \times 63\text{ m}$ trên lưới cột cơ sở $8\text{ m} \times 9\text{ m}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng
Đồ án áp dụng phương pháp trạng thái giới hạn theo hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam để tính toán kết cấu bê tông cốt thép và nền móng:
- Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737:1995 (xác định tĩnh tải, hoạt tải sử dụng và tải trọng gió tĩnh, gió động).
- Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn và cấu tạo nhà cao tầng: TCXD 198:1997 ("Nhà cao tầng - Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối") và phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động để xác định tải trọng động đất.
- Tiêu chuẩn thiết kế nền móng: TCVN 10304:2014 ("Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế"), tính toán sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT (Phụ lục G3).
Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán
- Phương pháp giải tích và tra bảng: Sử dụng sơ đồ bản kê 4 cạnh ngàm (ô bản số 9) và sơ đồ bản dầm một phương để tính toán nội lực sàn, bản thang, bản nắp, bản thành và bản đáy bể nước.
- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM):
- Ứng dụng phần mềm ETABS để thiết lập mô hình không gian 3D, phân tích dao động riêng (tần số, chu kỳ, dạng dao động), trích xuất nội lực dầm, cột, vách dưới tác động của các tổ hợp tải trọng tĩnh, gió động và động đất.
- Ứng dụng phần mềm SAP2000 để mô hình hóa và kiểm chứng nội lực cục bộ vỏ bể nước mái.
- Ứng dụng phần mềm SAFE để mô hình hóa và tính toán nội lực đài móng cọc cho cột và lõi thang máy.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Chỉ tiêu cơ lý vật liệu sử dụng
| Loại vật liệu | Cấp bền / Chủng loại | Cường độ tính toán chịu nén ($R_b, R_{sc}$) | Cường độ tính toán chịu kéo ($R_{bt}, R_s$) | Môđun đàn hồi ($E_b, E_s$) |
|---|---|---|---|---|
| Bê tông | Cấp độ bền B25 | $R_b = 14,5\text{ MPa}$ ($14,5\times 10^3\text{ kN/m}^2$) | $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$ | $E_b = 3,0\times 10^4\text{ MPa}$ ($3,0\times 10^7\text{ kN/m}^2$) |
| Cốt thép chính | Thép nhóm AIII | $R_{sc} = 365\text{ MPa}$ ($365\times 10^3\text{ kN/m}^2$) | $R_s = 365\text{ MPa}$ | $E_s = 2,0\times 10^5\text{ MPa}$ |
| Cốt đai & Thép sàn | Thép nhóm AI / AIII | $R_{sc} = 225\text{ MPa}$ | $R_s = 225\text{ MPa}$ (đối với AI) | $E_s = 2,1\times 10^5\text{ MPa}$ |
Kích thước sơ bộ các cấu kiện kết cấu chính
| Cấu kiện | Kích thước / Tiết diện thiết kế | Ghi chú cấu tạo |
|---|---|---|
| Sàn tầng điển hình | Chiều dày $h_s = 180\text{ mm}$ | Lưới ô sàn điển hình $8\text{ m} \times 9\text{ m}$ |
| Dầm chính | $b \times h = 300\text{ mm} \times 700\text{ mm}$ | Thỏa mãn quy định độ dẻo theo TCXD 198:1997 |
| Dầm phụ / Console | $b \times h = 200\text{ mm} \times 400\text{ mm}$ | Bố trí tại các nhịp phụ và ban công |
| Bản thang bộ | Chiều dày bản thang $h_b = 110\text{ mm}$ | Dầm chiếu tới kích thước $200\text{ mm} \times 350\text{ mm}$ |
| Bể nước mái | Nắp: 150 mm; Thành: 150 mm; Đáy: 250 mm | 02 bể kích thước mặt bằng $8\text{ m} \times 9\text{ m}$, cao 2 m |
| Vách cứng / Lõi thang | Chiều dày vách $200\text{ mm} - 300\text{ mm}$ | Tạo lõi cứng chịu tải trọng ngang |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Kiến trúc
Chương này tổng quan về giải pháp không gian và kỹ thuật của công trình Chung cư Tân Phước:
- Quy mô và công năng: Công trình gồm 1 tầng hầm (giữ xe, kỹ thuật, trạm biến áp), tầng trệt làm siêu thị thương mại, các tầng 2 đến tầng 16 bố trí căn hộ (mỗi tầng 24 căn hộ gồm 12 căn loại 1 và 12 căn loại 2), tầng mái bố trí hệ thống kỹ thuật, 2 bể nước sinh hoạt và kim thu sét. Chiều cao tầng hầm 3,0 m, tầng điển hình cao 3,3 m.
- Khí hậu địa phương: Trình bày thông số khí hậu TP. Hồ Chí Minh với mùa mưa (nhiệt độ trung bình $25^\circ\text{C}$, lượng mưa đỉnh điểm $638\text{ mm}$ vào tháng 5, hướng gió chủ đạo Tây Nam chiếm 66%) và mùa khô (nhiệt độ trung bình $27^\circ\text{C}$, gió Đông Nam chiếm 30-40%, vận tốc gió trung bình $2,15\text{ m/s}$).
- Giao thông và hạ tầng kỹ thuật: Bố trí 2 khối thang máy (mỗi khối 2 thang máy, gồm 1 thang thoát hiểm) kết hợp 2 cầu thang bộ tạo lõi cứng; hệ thống cấp điện từ lưới điện và máy phát dự phòng 150 kVA; hệ thống cấp nước từ nguồn nước ngầm và nước máy bơm lên bể mái; hệ thống thoát nước mưa ống đứng $\varnothing 140\text{ mm}$; trang thiết bị báo nhiệt và chữa cháy tự động.
Chương 2: Tính toán và thiết kế sàn
Nội dung chương tập trung vào thiết kế bản sàn tầng 4 điển hình:
- Mặt bằng sàn: Chia thành các ô bản từ S1 đến S7 dựa trên hệ dầm giao nhau nhịp $8\text{ m} \times 9\text{ m}$. Ô bản S1 ($9\text{m} \times 8\text{m}$, tỉ số $L_2/L_1 = 1,13$), S2 ($9\text{m} \times 7\text{m}$), S3 ($7\text{m} \times 4,56\text{m}$), S4 ($8\text{m} \times 3\text{m}$) làm việc 2 phương dạng bản kê 4 cạnh ngàm; ô bản S6 ($9\text{m} \times 1,5\text{m}$, tỉ số $L_2/L_1 = 6$) làm việc 1 phương dạng bản dầm.
- Tải trọng và nội lực: Xác định tĩnh tải các lớp hoàn thiện (gạch ceramic, vữa lót, trọng lượng bản thân bê tông, vữa trát, thiết bị treo trần), tải trọng tường xây ngăn phòng, và hoạt tải sử dụng theo chức năng phòng ($p^{tc} = 1,5 - 3,0\text{ kN/m}^2$). Tính mômen nhịp và mômen gối theo phương pháp tra bảng hệ số $m_{91}, m_{92}, k_{91}, k_{92}$.
- Tính toán cốt thép và độ võng: Tính cốt thép chịu mômen âm và dương cho từng ô sàn, kiểm tra điều kiện hàm lượng cốt thép $\mu_{min} \le \mu \le \mu_{max}$. Tiến hành kiểm tra độ võng đàn hồi $f$ đối với ô bản dầm S6 có nhịp $L = 9\text{ m}$, kết quả thỏa mãn điều kiện độ võng giới hạn $[f]$.
Chương 3: Tính cầu thang
Chương này thực hiện tính toán cầu thang bộ 2 vế nối giữa tầng 3 và tầng 4:
- Thông số hình học: Chiều cao tầng $3,3\text{ m}$, chiều dày bản thang $h_b = 110\text{ mm}$, bậc thang xây gạch cao $150\text{ mm}$, góc nghiêng bản thang $\alpha \approx 29,65^\circ$ ($\tan\alpha = 0,5$).
- Tải trọng và sơ đồ tính: Tĩnh tải gồm đá hoa cương $20\text{ mm}$, vữa lót, bậc gạch, bản BTCT, vữa trát và tay vịn gỗ ($q_2 = 6,977\text{ kN/m}$); hoạt tải tính toán trên bản nghiêng. Sơ đồ tính toán dạng dầm gãy khúc tĩnh định hai đầu gối khớp, xác định mômen uốn lớn nhất tại nhịp $M_{max} = 24,6\text{ kNm}$.
- Thiết kế cốt thép: Bố trí thép dọc chịu lực $\varnothing 8$ cho bản thang và tính toán dầm chiếu tới kích thước $200\text{ mm} \times 350\text{ mm}$ gối lên vách cứng nhịp $L = 3\text{ m}$ chịu mômen uốn $M_n = 52,43\text{ kNm}$.
Chương 4: Tính bể nước
Thiết kế hệ thống 02 bể nước sinh hoạt đặt trên tầng mái công trình:
- Dung tích và kích thước: Mỗi bể có kích thước $a = 9\text{ m}, b = 8\text{ m}, H = 2\text{ m}$. Tổng dung tích 2 bể đạt $V = 288\text{ m}^3$, đảm bảo đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt tính toán cho 1344 người dân ($194\text{ m}^3/\text{ngày}$, định mức 120 lít/người/ngày cộng 10% nước công cộng, thương mại và dự phòng chữa cháy).
- Tính toán các bộ phận:
- Bản nắp: Dày $150\text{ mm}$, tính theo ô bản ngàm 4 cạnh, bố trí lỗ thăm kỹ thuật $1000\text{ mm} \times 1000\text{ mm}$ gia cường $3\varnothing 12$.
- Bản thành: Dày $150\text{ mm}$, sơ đồ ngàm đáy tựa nắp, chịu tổ hợp bất lợi nhất giữa áp lực thủy tĩnh của nước ($P_n = 22\text{ kN/m}$) và áp lực gió hút tại cao độ $+60,4\text{ m}$ ($W_0 = 83\text{ daN/m}^2$, địa hình B, hệ số $k = 1,38$).
- Bản đáy: Dày $250\text{ mm}$, tính theo ô bản số 9 chịu toàn bộ tĩnh tải bản thân, lớp chống thấm và trọng lượng cột nước $2\text{ m}$.
- Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ hai: Kiểm tra độ võng bản đáy ($f \le [f] = 25\text{ mm}$) và kiểm tra bề rộng vết nứt bản đáy, bản thành ($a_{crc} \le a_{crc2} = 0,2\text{ mm}$), đồng thời lập mô hình kiểm chứng trên SAP2000.
Chương 5: Tính toán - thiết kế khung trục 3, B
Chương này thực hiện mô hình hóa không gian và thiết kế các cấu kiện chịu lực chính của khung trục 3 (phương ngang) và trục B (phương dọc):
- Xác định tải trọng:
- Tĩnh tải và hoạt tải tầng: Phân phối từ các ô sàn và tường xây lên hệ dầm cột.
- Tải trọng gió: Tính thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995. Xác định tần số, chu kỳ dao động riêng, khối lượng tầng, hệ số áp lực động $\xi_i$, hệ số tương quan không gian $\nu$ cho các dạng dao động (mode 2, mode 5 theo phương X; mode 3 theo phương Y).
- Tải trọng động đất: Xác định phổ thiết kế nằm ngang và lực động đất tác động lên các tầng theo các mode dao động bậc 1, 2, 3, 4 theo phương X và phương Y.
- Tổ hợp nội lực và thiết kế tiết diện:
- Lập bảng tổ hợp tải trọng (Comb bao) để trích xuất cặp nội lực nguy hiểm nhất $(M, N, V)$.
- Thiết kế cốt thép dọc và cốt đai kháng chấn cho dầm khung điển hình (ví dụ dầm B35), kiểm tra đoạn neo, nối cốt thép và khoảng cách cốt đai trong vùng tới hạn.
- Thiết kế cốt thép chịu nén uốn lệch tâm cho hệ cột (ví dụ cột C3, C4, C7), bố trí thép đai tăng cường kháng chấn.
- Tính toán cốt thép chịu lực cho vách cứng lõi thang (vách V1, P5 tại tầng 1).
Chương 6: Tính toán - thiết kế móng
Chương này xử lý bài toán nền móng dựa trên số liệu địa chất công trình và phản lực chân cột từ mô hình kết cấu:
- Phương án 1 - Móng cọc ép BTCT:
- Tính sức chịu tải đơn cọc theo 3 chỉ tiêu: cường độ vật liệu làm cọc, chỉ tiêu cơ lý đất nền và chỉ tiêu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT (TCVN 10304:2014). Kiểm tra điều kiện cẩu lắp cọc.
- Thiết kế chi tiết các đài móng cọc ép M1, M2, M3 và móng lõi thang (MLT): xác định số lượng cọc, bố trí tim cọc, kiểm tra ứng suất ổn định đất nền, tính lún đài móng, kiểm tra đâm thủng và tính toán cốt thép đài móng (kết hợp phân tích bằng SAFE).
- Phương án 2 - Móng cọc khoan nhồi:
- Xác định kích thước, chiều sâu chôn cọc, tính toán sức chịu tải theo vật liệu, cơ lý đất và SPT.
- Thiết kế đài cọc khoan nhồi cho các móng M1, M2, M3 và móng lõi thang (MLT); kiểm tra độ lún, ổn định nền và xuyên thủng đài cọc.
- So sánh và lựa chọn phương án: Phân tích tổng hợp các yếu tố kỹ thuật, biện pháp thi công, tính khả thi tại hiện trường và so sánh hiệu quả kinh tế để đưa ra kết luận lựa chọn giải pháp móng tối ưu cho công trình.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật cụ thể
- Đã thiết lập hoàn chỉnh hồ sơ tính toán kết cấu công trình 18 tầng chịu tác động đồng thời của tải trọng trọng trường, gió động và động đất.
- Xác lập kích thước hình học và bố trí cốt thép tối ưu cho hệ kết cấu phần thân (sàn dày 180 mm, dầm chính $300\times 700\text{ mm}$, cột, vách lõi thang) và các cấu kiện phụ trợ (cầu thang 2 vế dày 110 mm, bể nước $288\text{ m}^3$).
- So sánh định lượng và chi tiết 02 phương án móng sâu (cọc ép và cọc khoan nhồi) trên cơ sở kiểm tra đầy đủ các trạng thái giới hạn về cường độ, biến dạng lún và chống xuyên thủng.
Khối lượng hồ sơ thiết kế hoàn thành
Khối lượng sản phẩm của đồ án bao gồm:
- 01 Thuyết minh tính toán (247 trang) và 01 Tập Phụ lục số liệu.
- 22 Bản vẽ kỹ thuật khổ A1, phân bổ theo các nội dung:
- 03 bản vẽ phần Kiến trúc.
- 13 bản vẽ phần Kết cấu (mặt bằng kết cấu sàn, chi tiết dầm, cột, vách, cầu thang, bể nước).
- 06 bản vẽ phần Nền móng (bố trí cọc, chi tiết đài móng, mặt cắt địa chất).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án giới hạn phạm vi tính toán chi tiết kết cấu phần thân trên 02 khung phẳng đại diện (khung trục 3 và khung trục B) cùng sàn tầng 4 điển hình; việc phân tích tương tác giữa kết cấu bên trên và đất nền móng chưa xét đến yếu tố phi tuyến phức tạp trong mô hình không gian tổng thể.
- Hướng mở rộng: Mở rộng tính toán tự động hóa cho toàn bộ hệ thống khung không gian còn lại; nghiên cứu chi tiết hơn mô hình tương tác động lực học đất - kết cấu (Soil-Structure Interaction - SSI) dưới tác động của động đất mạnh.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:
- Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Bê tông cốt thép, Nền móng, Nhà cao tầng.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu mới vào nghề cần mẫu tính toán thực tế về quy trình phân tích tải trọng động (gió động, động đất theo phổ phản ứng), quy trình kiểm tra nứt - võng cấu kiện bể nước ngầm/bể mái, và phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án móng cọc sâu.
Câu hỏi thường gặp
1. Công trình Chung cư Tân Phước có quy mô hình học và công năng chính như thế nào?
Công trình gồm 18 tầng (01 hầm cao 3,0 m, 01 trệt làm siêu thị, 16 tầng lầu làm căn hộ với 24 căn/tầng, 01 tầng mái), tổng chiều cao 60,2 m, mặt bằng sử dụng $42\text{ m} \times 63\text{ m}$.
2. Bể nước sinh hoạt trên mái được thiết kế với dung tích bao nhiêu và chịu những tải trọng nào?
Gồm 02 bể có kích thước mỗi bể $8\text{ m} \times 9\text{ m} \times 2\text{ m}$, tổng thể tích $288\text{ m}^3$ (đáp ứng nhu cầu $194\text{ m}^3/\text{ngày}$ cho 1344 người). Thành bể được tính toán chịu tổ hợp nguy hiểm nhất giữa áp lực nước ($22\text{ kN/m}$) và gió hút tại cao độ $+60,4\text{ m}$, có kiểm tra điều kiện mở rộng vết nứt giới hạn $a_{crc} \le 0,2\text{ mm}$.
3. Tải trọng gió động và động đất tác động lên công trình được tính toán như thế nào?
Tải trọng gió động được tính toán theo TCVN 2737:1995 dựa trên các mode dao động riêng trích xuất từ ETABS (mode 2, 5 phương X; mode 3 phương Y). Tải trọng động đất được xác định bằng phương pháp phân tích phổ phản ứng thiết kế theo phương nằm ngang với 4 dạng dao động đầu tiên.
4. Hai phương án nền móng được so sánh trong đồ án là gì và sử dụng tiêu chuẩn nào để tính toán sức chịu tải?
Hai phương án móng được thiết kế là móng cọc ép bê tông cốt thép và móng cọc khoan nhồi (thiết kế cho móng M1, M2, M3 và móng lõi thang MLT). Sức chịu tải đơn cọc được tính toán dựa trên chỉ tiêu cơ lý đất nền và chỉ tiêu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT theo TCVN 10304:2014, kết hợp kiểm tra độ lún và tính toán nội lực đài móng bằng SAFE.
5. Khung nhà cao tầng được tính toán cấu tạo kháng chấn theo tiêu chuẩn nào?
Khung công trình được thiết kế và cấu tạo kháng chấn cho hệ dầm, cột (đoạn neo, nối cốt thép, khoảng cách cốt đai trong vùng tới hạn) tuân thủ theo các quy định cấu tạo của TCXD 198:1997.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Chung cư Tân Phước" của sinh viên Nguyễn Chí Chiến là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và chuẩn mực cho loại hình nhà ở cao tầng bê tông cốt thép 18 tầng tại TP. Hồ Chí Minh. Tác giả đã kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn với việc ứng dụng các phần mềm chuyên ngành (ETABS, SAP2000, SAFE) để phân tích tải trọng động, động đất và nội lực phức tạp. Hệ thống hồ sơ gồm 247 trang thuyết minh cùng 22 bản vẽ kỹ thuật A1 thể hiện chi tiết từ kiến trúc, kết cấu thân đến nền móng, mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư xây dựng công trình dân dụng.