Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng và sự gia tăng dân số tại các đô thị lớn kéo theo nhu cầu cấp thiết về nhà ở và các công trình dịch vụ thương mại tiện ích. Trong bối cảnh quỹ đất đô thị ngày càng thu hẹp, mô hình "đô thị nén" với các công trình nhà cao tầng tập trung được xem là giải pháp sử dụng đất hiệu quả, giảm thiểu áp lực giao thông và phát triển hạ tầng bền vững. Tỉnh Bình Dương, đặc biệt là khu vực thành phố Dĩ An tiếp giáp với Thành phố Hồ Chí Minh, nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam với tốc độ tăng trưởng kinh tế và công nghiệp cao, đặt ra yêu cầu xây dựng các khu dân cư hiện đại, đồng bộ về hạ tầng kỹ thuật. Đề tài "Thiết kế chung cư MAP" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế hoàn chỉnh một công trình nhà ở kết hợp thương mại dịch vụ cao tầng, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm các nội dung chính sau:

  1. Nghiên cứu tổng mặt bằng, công năng kiến trúc và các hệ thống kỹ thuật công trình (điện, cấp thoát nước, phòng cháy chữa cháy, thông gió).
  2. Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực tổng thể, vật liệu và xác định sơ bộ kích thước các cấu kiện chịu lực chính của công trình.
  3. Tính toán và thiết kế chi tiết kết cấu cầu thang bộ tầng điển hình.
  4. Mô hình hóa, phân tích nội lực, kiểm tra võng, kiểm tra nứt và bố trí cốt thép sàn tầng điển hình.
  5. Xây dựng mô hình không gian tổng thể công trình, xác định tải trọng đứng và tải trọng ngang (gió tĩnh, gió động, động đất), kiểm tra các điều kiện chuyển vị/dao động và tính toán cốt thép cho hệ khung - vách chịu lực.
  6. Đánh giá điều kiện địa chất công trình, tính toán sức chịu tải của cọc và thiết kế hệ thống móng cọc ly tâm ứng suất trước cho toàn bộ khối nhà.

Đối tượng nghiên cứu là công trình Chung cư MAP – công trình dân dụng cấp 1 (theo Thông tư số 06/2021/TT-BXD) với quy mô 19 tầng nổi, 1 tầng hầm và 1 tầng mái, tổng chiều cao 61,3 m, tổng diện tích xây dựng trên 2000 m². Phạm vi không gian của công trình đặt tại thành phố Dĩ An, tỉnh Bình Dương, sát trục Quốc lộ 1A (cách đường Kha Vạn Cân 500 m, cách cầu Bình Triệu 7 km). Thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ ngày 18/3/2022 đến ngày 15/7/2022.

Cơ sở lý thuyết, tiêu chuẩn và phương pháp thiết kế

Thiết kế kết cấu công trình tuân thủ các nguyên tắc tính toán theo hai nhóm trạng thái giới hạn (TTGH):

  • Trạng thái giới hạn I (khả năng chịu lực): Đảm bảo kết cấu không bị phá hoại giòn, phá hoại dẻo, mất ổn định về hình dáng, vị trí hoặc phá hoại do mỏi dưới tác động của các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất.
  • Trạng thái giới hạn II (điều kiện sử dụng bình thường): Đảm bảo độ võng, góc xoay, chuyển vị ngang và bề rộng khe nứt nằm trong giới hạn cho phép theo quy chuẩn.

Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật được viện dẫn trong đồ án bao gồm:

  • TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 5574:2018: Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất.
  • Thông tư số 06/2021/TT-BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phân cấp công trình xây dựng.
  • Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình, Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc, cùng các tài liệu hướng dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió và thiết kế vách cứng, lõi cứng nhà cao tầng.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ phần mềm ứng dụng:

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Ứng dụng phần mềm ETABS 2018 để mô hình hóa không gian 3D, phân tích động học dao động, xác định nội lực khung - vách dưới tác động của tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió và động đất.
  • Phân tích sàn theo dải Strip: Ứng dụng phần mềm SAFE 2014 để mô hình hóa bản sàn tầng điển hình, chia dải cột (column strip) và dải giữa (middle strip) bề rộng 1 m để tính toán mô men, kiểm tra võng phi tuyến có xét đến co ngót - từ biến và kiểm tra nứt.
  • Phương pháp giải tích và đồ họa kỹ thuật: Sử dụng Microsoft Office 2016 để tổ hợp nội lực, lập bảng tính toán cốt thép và AutoCAD 2018 để thể hiện hệ thống 15 bản vẽ kỹ thuật A1.

Nguồn dữ liệu thiết kế bao gồm hồ sơ kiến trúc công trình, tài liệu số liệu khảo sát địa chất hiện trường tại Dĩ An (thông số cơ lý đất nền và chỉ số SPT), cùng các dữ liệu khí hậu, thủy văn, địa chấn khu vực tỉnh Bình Dương.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật công trình

Công trình sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép toàn khối, kết hợp hệ thống khung và vách chịu lực để tiếp nhận toàn bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang.

Cấu kiện / Hạng mục Quy cách & Kích thước Vật liệu sử dụng Lớp bê tông bảo vệ ($a_0$)
Bê tông Cấp độ bền B30 $R_b = 17\text{ MPa}$; $R_{bt} = 1,15\text{ MPa}$; $E_b = 32.500\text{ MPa}$ Theo cấu kiện
Cốt thép Thép thanh CB400-V $R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$; $R_{sw} = 280\text{ MPa}$; $E_s = 2\cdot 10^5\text{ MPa}$ Theo cấu kiện
Bản sàn điển hình Chiều dày $h_s = 180\text{ mm}$ Bê tông B30, Thép CB400-V 20 mm
Bản sàn tầng hầm Chiều dày $h_s = 300\text{ mm}$ Bê tông B30, Thép CB400-V 20 mm
Dầm chính Tiết diện $b \times h = 300 \times 600\text{ mm}$ Bê tông B30, Thép CB400-V 25 mm
Hệ vách, lõi thang Vách BTCT chiều dày $d = 300\text{ mm}$ Bê tông B30, Thép CB400-V 50 mm
Bản thang bộ Chiều dày bản $h_b = 150\text{ mm}$, dầm $200 \times 400\text{ mm}$ Bê tông B30, Thép CB400-V 20 mm
Móng Cọc ly tâm ứng suất trước D600, đài BTCT Bê tông B30, Thép CB400-V 50 mm (có lót) / 70 mm (không lót)

Tải trọng hoàn thiện và hoạt tải sử dụng được phân bố theo công năng từng khu vực:

  • Tĩnh tải các lớp sàn ($g^{tt}_s$ chưa kể trọng lượng bản thân bê tông): Sàn hầm = $1,74\text{ kN/m}^2$; Sàn tầng 1 và điển hình = $1,328\text{ kN/m}^2$; Sàn mái = $2,311\text{ kN/m}^2$; Sàn vệ sinh = $2,527\text{ kN/m}^2$. Tải trọng tường xây quy đổi phân bố đều trên ô sàn căn hộ lấy $g_{tx} = 2,34\text{ kN/m}^2$.
  • Hoạt tải tính toán ($p^{tt}$): Tầng hầm = $6,0\text{ kN/m}^2$ ($n=1,2$); Tầng thương mại = $4,8\text{ kN/m}^2$ ($n=1,2$); Căn hộ sinh hoạt = $1,95\text{ kN/m}^2$ ($n=1,3$); Hành lang, cầu thang, ban công = $3,6\text{ kN/m}^2$ ($n=1,2$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kiến trúc

Chương này trình bày tổng quan về quy hoạch khu đất, công năng kiến trúc và các hệ thống kỹ thuật phụ trợ của tòa nhà:

  • Quy mô công trình: Khối căn hộ hình chữ nhật có kích thước mặt bằng tầng điển hình $B \times L = 59,5 \times 38\text{ m}$. Tầng hầm cao 3,0 m bố trí bãi đỗ xe, trạm biến áp, máy phát điện, bể nước và phòng kỹ thuật. Tầng 1 cao 3,9 m làm siêu thị và cửa hàng dịch vụ. Tầng 2 đến tầng 19 cao 3,2 m/tầng, mỗi tầng gồm 20 căn hộ với diện tích từ $50\text{ m}^2$ đến $85\text{ m}^2$.
  • Hệ thống cơ điện (MEP): Trạm biến áp nhận điện lưới 750 kVA; hệ thống nguồn dự phòng gồm 02 máy phát điện Diesel công suất 588 kVA đặt tại tầng hầm.
  • Hệ thống cấp thoát nước và PCCC: Cấp nước tự động từ bể ngầm qua hệ van phao; thoát nước mưa tách riêng nước thải sinh hoạt; hệ thống PCCC trang bị đầu phun sprinkler tự động bố trí khoảng cách 3 m, họng nước vách tường, bình chữa cháy hóa chất khô và máy bơm chữa cháy dự phòng.

Chương 2: Tổng quan về kết cấu

Chương này đánh giá các dạng kết cấu nhà cao tầng (khung thuần túy, vách cứng, lõi cứng, ống, khung - giằng, dầm chuyển, tầng cứng) để đưa ra phương án tối ưu:

  • Lựa chọn kết cấu: Lựa chọn hệ kết cấu chịu lực chính là hệ khung kết hợp vách bê tông cốt thép, sàn sườn toàn khối và móng cọc ly tâm ứng suất trước.
  • Sơ bộ kích thước tiết diện: Xác định chiều dày sàn điển hình $h_s = 180\text{ mm}$ (dựa trên nhịp ngắn $l_1$ và hệ số $m=40 \div 50$ cho bản kê bốn cạnh); dầm chính chọn $300 \times 600\text{ mm}$ ứng với nhịp lớn nhất $L = 8,5\text{ m}$; vách chịu lực và vách lõi thang máy chọn dày 300 mm. Quy định cụ thể chiều dày lớp bê tông bảo vệ theo TCVN 5574:2018.

Chương 3: Thiết kế cầu thang bộ

Chương này tính toán kết cấu cầu thang bộ 2 vế tầng điển hình (chiều cao tầng 3,2 m, mỗi vế cao 1,6 m gồm 9 bậc kích thước $160 \times 300\text{ mm}$, góc dốc $\alpha \approx 28^\circ$):

  • Sơ đồ tính toán: Tỷ số chiều cao dầm thang trên bề dày bản thang $h_d / h_s = 400 / 150 = 2,66 < 3$, do đó liên kết giữa bản thang và dầm chiếu nghỉ/chiếu tới được quan niệm là liên kết khớp đơn giản.
  • Tải trọng và nội lực: Tổng tải trọng tác dụng lên bản nghiêng quy đổi theo phương thẳng đứng là $q_{bn} = 21,7\text{ kN/m}$; dầm thang chịu tải trọng tổng cộng $q = 44,59\text{ kN/m}$ với lực cắt lớn nhất $Q_{max} = 60,2\text{ kN}$.
  • Bố trí cốt thép: Bản thang bố trí thép gối $\phi 10a200$, thép nhịp và cấu tạo dùng $\phi 8a200$. Dầm thang $200 \times 400\text{ mm}$ bố trí cốt thép dọc chịu mô men và cốt đai $\phi 6a200$ (đoạn đầu dầm bố trí đai dày $s_{ct} = 150\text{ mm}$, đoạn giữa dầm $s_{ct} = 300\text{ mm}$) đảm bảo điều kiện chống cắt của bê tông.

Chương 4: Thiết kế sàn tầng điển hình

Chương này thực hiện thiết kế toàn diện bản sàn sườn toàn khối tầng 2 đến tầng 19:

  • Mô hình SAFE 2014: Khai báo đặc trưng vật liệu bê tông B30, thép CB400-V, tải trọng hoàn thiện và tải trọng tường phân bố ($2,34\text{ kN/m}^2$). Chia dải strip bề rộng 1 m theo hai phương X và Y.
  • Kiểm tra võng: Tính toán độ võng phi tuyến dài hạn có xét đến từ biến và co ngót theo công thức $F = F_1 - F_2 + F_3$ (trong đó $F_1$ là độ võng ngắn hạn toàn bộ tải, $F_2$ là độ võng ngắn hạn của tải dài hạn, $F_3$ là độ võng dài hạn của tải dài hạn). Kết quả độ võng tính toán đạt yêu cầu so với giới hạn $L/200$.
  • Kiểm tra nứt: Bề rộng vết nứt ngắn hạn tính toán $a_{crc} = 0,098\text{ mm} \le a_{crc,u}$; bề rộng vết nứt dài hạn $a_{crc} = 0,139\text{ mm} \le a_{crc,u}$, thỏa mãn điều kiện theo Bảng 17 TCVN 5574:2018.

Chương 5: Thiết kế khung

Chương này mô hình hóa và phân tích không gian hệ khung - vách chịu lực bằng ETABS 2018:

  • Tải trọng tác dụng: Tĩnh tải, hoạt tải sàn các tầng theo công năng; tải trọng gió tĩnh và gió động tính toán theo TCVN 2737:1995; tải trọng động đất phân tích theo TCVN 9386:2012.
  • Kiểm tra các điều kiện làm việc của công trình: Thực hiện đầy đủ 5 phép kiểm tra sử dụng: (1) Chuyển vị ngang đỉnh công trình; (2) Gia tốc đỉnh công trình; (3) Kiểm tra chống lật tổng thể; (4) Kiểm tra chuyển vị lệch tầng; (5) Kiểm tra hiệu ứng P-Delta (phân tích phi tuyến bậc 2).
  • Tính toán cấu kiện: Xác định diện tích cốt thép dọc, cốt đai cho dầm khung và tính toán cốt thép cho các dải vách chịu lực chính (vách trục B và vách trục 4).

Chương 6: Thiết kế móng

Chương này tính toán giải pháp móng sâu chịu lực cho công trình:

  • Lựa chọn cọc: Sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trước đường kính D600 dựa trên số liệu địa chất công trình và chỉ số SPT tại hiện trường.
  • Xác định sức chịu tải cọc: Tính toán sức chịu tải đơn cọc theo 4 phương pháp: theo độ bền vật liệu cọc, theo chỉ tiêu vật lý của đất nền, theo chỉ tiêu cường độ đất nền và theo chỉ số SPT.
  • Thiết kế đài móng: Tính toán và bố trí cọc cho các đài móng M1, M2, M3 và đài móng lõi thang máy MT; kiểm tra phản lực đầu cọc dưới tác động của tổ hợp tải trọng chân cột, kiểm tra điều kiện chọc thủng/cắt đài và tính toán diện tích cốt thép đài móng theo hai phương.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán thiết kế kỹ thuật cho công trình nhà cao tầng cấp 1, cụ thể:

  1. Sản phẩm bàn giao: 01 tập thuyết minh tính toán chi tiết kèm 15 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 thể hiện mặt bằng kiến trúc, mặt cắt, chi tiết kết cấu sàn, cầu thang, dầm, vách và đài móng cọc ly tâm.
  2. Số liệu kiểm tra an toàn kết cấu:
    • Bản sàn tầng điển hình ($h_s = 180\text{ mm}$) thỏa mãn điều kiện độ võng tổng thể ($F \le L/200$) và kiểm soát nứt an toàn ($a_{crc,\text{ngắn hạn}} = 0,098\text{ mm}$; $a_{crc,\text{dài hạn}} = 0,139\text{ mm}$).
    • Kết cấu thang bộ 2 vế dạng bản ($h_b = 150\text{ mm}$) và dầm thang ($200 \times 400\text{ mm}$) chịu tải trọng $44,59\text{ kN/m}$, cốt đai $\phi 6a200$ thỏa mãn điều kiện ứng suất nén chính $Q_0 \le 0,3 \phi_{w1} \phi_{b1} R_b b h_0$.
    • Hệ khung - vách thỏa mãn các điều kiện chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh, chống lật và hiệu ứng P-Delta dưới tác động đồng thời của tải trọng đứng, tải trọng gió và động đất.
    • Sức chịu tải của cọc ly tâm D600 và phản lực đầu cọc tại các móng M1, M2, M3, MT đảm bảo khả năng chịu lực của nền đất.
  3. Đóng góp kỹ thuật: Đồ án áp dụng nhất quán tiêu chuẩn kết cấu TCVN 5574:2018 kết hợp quy chuẩn tải trọng động đất TCVN 9386:2012; thiết lập quy trình tính toán sàn sườn chính xác thông qua việc quy đổi tải trọng tường ngăn thành tải phân bố trên ô sàn trong SAFE và phân tích dao động không gian 3D trên ETABS.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do giới hạn về thời gian và khối lượng của đồ án tốt nghiệp đại học, tác giả chỉ tập trung tính toán chi tiết sàn điển hình (tầng 2-19), cầu thang điển hình, hệ vách trục đại diện (trục B, trục 4) và các móng điển hình (M1, M2, M3, MT); chưa đi sâu mô hình hóa chi tiết kết cấu tầng hầm chịu áp lực đất ngang và các cấu kiện phi tiêu chuẩn ở tầng mái.
  • Hướng phát triển: Mở rộng nghiên cứu bài toán tương tác động lực học giữa đất nền - móng cọc - kết cấu bên trên (Soil-Structure Interaction - SSI); phân tích chi tiết biện pháp thi công tầng hầm bằng tường vây/top-down và đánh giá ứng xử phi tuyến của kết cấu vách dưới tải trọng động đất cực đại.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp trong quá trình làm đồ án môn học Bê tông cốt thép 2, Đồ án Nền móng và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu mới vào nghề cần tham khảo quy trình phân tích sàn bằng dải strip trong SAFE 2014, phương pháp kiểm tra nứt/võng theo TCVN 5574:2018 và quy trình kiểm tra các điều kiện sử dụng công trình (chuyển vị đỉnh, P-Delta, lật) trong ETABS 2018.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Chung cư MAP có quy mô và cấp công trình như thế nào?
Công trình gồm 19 tầng nổi, 1 tầng hầm và 1 tầng mái, tổng chiều cao 61,3 m, diện tích xây dựng trên 2000 m², kích thước mặt bằng tầng điển hình $59,5 \times 38\text{ m}$, thuộc công trình dân dụng cấp 1 theo Phụ lục II – Thông tư số 06/2021/TT-BXD.

2. Vật liệu bê tông và cốt thép sử dụng trong công trình có thông số kỹ thuật ra sao?
Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,15\text{ MPa}$, $E_b = 32.500\text{ MPa}$) cho sàn, dầm, vách, cầu thang, đài móng; cốt thép sử dụng loại CB400-V ($R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$, $R_{sw} = 280\text{ MPa}$, $E_s = 2\cdot 10^5\text{ MPa}$).

3. Vì sao liên kết giữa bản thang và dầm thang ở Chương 3 được xem là liên kết khớp?
Tác giả xét tỷ số giữa chiều cao dầm thang và chiều dày bản thang: $h_d / h_s = 400\text{ mm} / 150\text{ mm} = 2,66 < 3$. Theo lý thuyết tính toán, khi tỷ số này nhỏ hơn 3 và bản thang được đổ bê tông đợt sau (không toàn khối tuyệt đối) thì liên kết được mô hình hóa dưới dạng liên kết khớp.

4. Phương pháp kiểm tra độ võng dài hạn của sàn tầng điển hình trong SAFE được tiến hành như thế nào?
Độ võng được xác định qua 3 trường hợp tải trọng: $F_1$ (võng ngắn hạn do toàn bộ tải trọng), $F_2$ (võng ngắn hạn do tải trọng dài hạn) và $F_3$ (võng dài hạn do tải trọng dài hạn có xét co ngót, từ biến). Tổng độ võng tính toán $F = F_1 - F_2 + F_3$, sau đó so sánh với giới hạn độ võng cho phép $L/200$.

5. Các điều kiện sử dụng công trình nào được kiểm tra cho hệ khung trong Chương 5?
Chương 5 kiểm tra đầy đủ 5 điều kiện: chuyển vị ngang tại đỉnh công trình, gia tốc dao động đỉnh, khả năng chống lật tổng thể của tòa nhà, chuyển vị tương đối lệch tầng và kiểm tra điều kiện hiệu ứng P-Delta (phân tích bậc 2).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư MAP" của sinh viên Nguyễn Thị Thúy Huỳnh đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế công trình nhà ở cao tầng 19 tầng tại thành phố Dĩ An, Bình Dương. Nghiên cứu đã xây dựng giải pháp kết cấu khung - vách bê tông cốt thép toàn khối, sàn sườn dày 180 mm và móng cọc ly tâm D600 phù hợp với điều kiện địa chất và tải trọng khu vực. Toàn bộ quy trình tính toán, kiểm tra trạng thái giới hạn chịu lực và trạng thái giới hạn sử dụng đều tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn hiện hành TCVN 5574:2018, TCVN 2737:1995 và TCVN 9386:2012, đảm bảo tính khả thi và an toàn kỹ thuật cho công trình.