Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước thực trạng tốc độ gia tăng dân số đô thị diễn ra nhanh chóng, quỹ đất xây dựng ngày càng hạn hẹp khiến nhu cầu tiếp cận nhà ở của người dân trở thành một thách thức lớn. Việc quy hoạch và xây dựng các khu chung cư cao tầng kết hợp thương mại – dịch vụ thay thế cho các khu dân cư thấp tầng hoặc đã xuống cấp là giải pháp hữu hiệu nhằm giải quyết bài toán nhà ở, chỉnh trang diện mạo đô thị hiện đại và tạo cơ hội việc làm. Đồ án tốt nghiệp thực hiện thiết kế công trình "Khu căn hộ phức hợp thương mại dịch vụ Sky Garden Tower" tọa lạc tại số 115 đường Định Công (đoạn kéo dài đường Kim Đồng), phường Định Công, quận Hoàng Mai, thành phố Hà Nội. Đây là khu vực có mạng lưới hạ tầng giao thông, giáo dục và dịch vụ hoàn chỉnh, thuận lợi cho việc kết nối vào trung tâm thủ đô.

Mục tiêu nghiên cứu tổng thể của đồ án là hoàn thiện hồ sơ thiết kế kỹ thuật công trình nhà cao tầng từ giải pháp kiến trúc, kết cấu chịu lực đến nền móng, đảm bảo các yêu cầu về an toàn chịu lực, độ bền vững và hiệu quả kinh tế – kỹ thuật theo hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về giải pháp kiến trúc và công năng của khối nhà phức hợp cao 26 tầng.
  2. Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực chính, sơ bộ kích thước các cấu kiện chịu lực cơ bản.
  3. Xác định và tính toán các loại tải trọng tác động lên công trình (tĩnh tải hoàn thiện, hoạt tải sử dụng, tải trọng gió tĩnh, thành phần động của tải trọng gió và tải trọng động đất).
  4. Tính toán và thiết kế cốt thép cho bản sàn tầng điển hình, kiểm tra võng dài hạn của sàn.
  5. Tính toán và thiết kế kết cấu cầu thang bộ thoát hiểm hai vế.
  6. Mô hình hóa, xác định nội lực và thiết kế kết cấu bể nước mái bằng bê tông cốt thép.
  7. Xây dựng mô hình không gian ba chiều (3D), phân tích nội lực và tính toán cốt thép hệ khung – vách chịu lực (dầm, cột, vách cứng, lõi thang máy).
  8. Khảo sát địa chất công trình, tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi và thiết kế các đài móng đại diện dưới chân cột, vách và lõi thang máy.
  9. Thể hiện hồ sơ bản vẽ kỹ thuật gồm 24 bản vẽ khổ A1 và thuyết minh tính toán chi tiết.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối (hệ khung – vách cứng, sàn sườn/sàn phẳng, móng cọc khoan nhồi) của công trình Sky Garden Tower. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được giới hạn tại vị trí xây dựng công trình thuộc quận Hoàng Mai, Hà Nội (thuộc vùng áp lực gió II-B và phân vùng gia tốc nền động đất xác định). Phạm vi thời gian nghiên cứu thực hiện theo tiến độ giao nhận nhiệm vụ tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết tính toán, đồ án tuân thủ nguyên tắc thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo hai nhóm trạng thái giới hạn:

  • Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH 1): Đảm bảo khả năng chịu lực của kết cấu, chống lại sự phá hoại giòn hoặc dẻo do tải trọng, ngăn ngừa mất ổn định hình dáng, mất ổn định vị trí, phá hoại mỏi và tác động bất lợi của môi trường trong suốt quá trình thi công và khai thác.
  • Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH 2): Đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của công trình, giới hạn bề rộng khe nứt không vượt quá giá trị cho phép và kiểm soát biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo (độ võng, góc xoay, chuyển vị đỉnh công trình) nằm trong ngưỡng an toàn.

Hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia được áp dụng trong đồ án gồm:

  • TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế (xác định tĩnh tải cấu tạo, hoạt tải sử dụng và thành phần tĩnh của tải trọng gió với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$).
  • TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió cho nhà cao tầng (xác định tần số dao động riêng, các hệ số tương quan không gian $\nu$, hệ số áp lực động $\xi$ và lực quán tính).
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất (phân tích phổ phản ứng đàn hồi dạng nằm ngang với gia tốc nền tham chiếu $a_{gr} \cdot g = 0.1001 \cdot g$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1.25$, nền đất loại C, hệ số ứng xử $q = 3.45$ và $q = 3.9$).
  • TCXD 198:1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối (sơ bộ tiết diện dầm, sàn, cột, vách và cấu tạo nút khung).
  • TCVN 10304:2014: Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế (xác định sức chịu tải của cọc theo cường độ vật liệu cọc, chỉ tiêu cơ lý đất nền theo Phụ lục G và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT).

Phương pháp nghiên cứu được tác giả kết hợp giữa phương pháp giải tích cơ học truyền thống (tính toán thủ công các cấu kiện cục bộ, sơ bộ tiết diện) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thông qua các phần mềm chuyên ngành:

  • Phần mềm ETABS (phiên bản 2016 và 2018): Xây dựng mô hình 3D toàn khối công trình, phân tích 12 mode dao động riêng, giải bài toán tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió (tĩnh và động) và phổ phản ứng động đất; xuất nội lực dầm, cột, vách cứng, chia dải strip tính thép sàn và phân tích mô hình 2D cầu thang bộ.
  • Phần mềm SAP2000 (phiên bản V20): Mô hình hóa không gian các phần tử tấm vỏ (shell) và thanh (frame) để phân tích nội lực bản nắp, bản đáy, bản thành và hệ dầm đỡ bể nước mái.
  • Phần mềm SAFE (phiên bản V16): Phân tích biến dạng và kiểm tra độ võng dài hạn của bản sàn bê tông cốt thép có xét đến sự hình thành vết nứt.

Vật liệu sử dụng trong thiết kế:

  • Bê tông cấp độ bền B30: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 17\text{ MPa}$, cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1.2\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 32.5 \times 10^3\text{ MPa}$ (dùng cho móng, dầm, cột, vách, sàn, cầu thang, bể nước).
  • Cốt thép: Thép thanh CB240-T đường kính $\phi < 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 210\text{ MPa}$); thép CB300-T ($R_s = R_{sc} = 260\text{ MPa}$); thép cường độ cao CB400-V đường kính $\phi \ge 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$, $R_{sw} = 280\text{ MPa}$, $E_s = 2.0 \times 10^5\text{ MPa}$).
  • Vữa xi măng cát mác B5 phục vụ công tác xây và tô trát tường gạch bao che, tường ngăn phòng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu công trình

Chương này trình bày tổng quan về nhu cầu đầu tư, vị trí địa lý, quy mô và các giải pháp kiến trúc, công năng của tòa nhà Sky Garden Tower. Công trình có quy mô gồm 26 tầng, trong đó có 2 tầng hầm (cốt cao độ sàn đáy hầm là $-5.80\text{ m}$) và 24 tầng nổi, tổng chiều cao hình học đạt $89\text{ m}$. Kích thước mặt bằng sàn tầng hầm là $91.85\text{ m}$, mặt bằng sàn tầng điển hình là $35\text{ m} \times 39\text{ m}$. Phân khu chức năng theo chiều đứng được tổ chức cụ thể: tầng hầm phục vụ đỗ xe ô tô, xe máy và bố trí trạm bơm, hộp gen kỹ thuật; tầng 1 đến tầng 5 là trung tâm thương mại dịch vụ, không gian sinh hoạt chung, khu ăn uống và sân khấu; tầng kỹ thuật dành riêng cho việc vận hành máy móc tòa nhà; tầng 6 đến tầng 8 bố trí khu dịch vụ cộng đồng và căn hộ cho thuê; tầng 10 đến tầng 22 là các căn hộ nhà ở cao cấp; tầng 23 là căn hộ penthouse. Về giao thông đứng, công trình bố trí 2 cụm lõi thang máy (mỗi bên gồm 5 cabin thang máy vận hành liên tục) đặt ở vị trí trung tâm dọc theo chiều cao nhà, kết hợp 4 buồng cầu thang bộ thoát hiểm được bố trí ở cuối các sảnh chính. Giải pháp kết cấu tổng thể là hệ khung – vách bê tông cốt thép toàn khối; tường bao che và tường ngăn giữa các căn hộ xây gạch dày $200\text{ mm}$, tường ngăn phòng nội bộ dày $100\text{ mm}$.

Chương 2: Tải trọng tác động vào công trình

Nội dung chương 2 tập trung vào việc lựa chọn giải pháp kết cấu, sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện, xác định các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng:

  • Sơ bộ tiết diện cấu kiện: Dầm chính được lựa chọn tiết diện $b \times h = 400 \times 700\text{ mm}$ (ký hiệu D70x40); dầm phụ có tiết diện $300 \times 500\text{ mm}$ (D50x30). Chiều dày sàn tầng điển hình xác định sơ bộ theo công thức bản kê 4 cạnh làm việc hai phương ($m = 50$, nhịp $L_1 = 10050\text{ mm}$), chọn chiều dày bản sàn $h_s = 150\text{ mm}$ (thỏa mãn $h_s > h_{min} = 50\text{ mm}$). Bề rộng thành vách cứng và lõi thang máy được chọn $b_w = 400\text{ mm}$ và $500\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện $b_w \ge 150\text{ mm}$ và $b_w \ge H_{tầng}/20 = 3200/20 = 160\text{ mm}$).
  • Tải trọng đứng: Tác giả lập bảng chi tiết các lớp cấu tạo và tính toán tĩnh tải hoàn thiện sàn tầng điển hình, sàn khu vệ sinh, sàn tầng hầm, sàn mái, ban công và tĩnh tải tường xây gạch $100\text{ mm}$, $200\text{ mm}$. Hoạt tải sử dụng được tra cứu theo TCVN 2737:1995: khu thương mại ($1.95\text{ kN/m}^2$), phòng vệ sinh ($1.95\text{ kN/m}^2$), phòng ngủ ($1.95\text{ kN/m}^2$), phòng kỹ thuật ($1.6\text{ kN/m}^2$), hầm đỗ xe ($1.8\text{ kN/m}^2$).
  • Tải trọng gió: Công trình đặt tại Hà Nội thuộc vùng áp lực gió II-B ($W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, dạng địa hình B). Thành phần tĩnh của tải trọng gió được quy về lực tập trung đặt tại cao trình các sàn tầng. Khi phân tích động lực học trên ETABS với 12 mode dao động, công trình có tần số giới hạn $f_L = 1.3\text{ Hz}$. Tác giả xác định 3 mode dao động nguy hiểm có tần số riêng nhỏ hơn $f_L$ để tính toán thành phần động của gió: Mode 1 (phương X, chu kỳ $T = 3.7442\text{ s}$), Mode 3 (phương Y, chu kỳ $T = 2.0422\text{ s}$) và Mode 4 (phương X, chu kỳ $T = 1.0116\text{ s}$).
  • Tải trọng động đất: Tính toán theo phổ phản ứng đàn hồi của TCVN 9386:2012 với các tham số: đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gr} \cdot g = 0.1001 \cdot g$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1.25$, loại đất nền C, hệ số nền $S = 1.15$, chu kỳ $T_B = 0.20\text{ s}$, $T_C = 0.60\text{ s}$, hệ số ứng xử $q = 3.45$ (và $3.9$ theo phương ngang). Thành phần dao động đứng được bỏ qua do gia tốc $a_{vg} \approx 1.5\text{ m/s}^2 < 0.25g$.
  • Tổ hợp tải trọng: Xây dựng các trường hợp tải trọng tĩnh, hoạt tải, gió tĩnh, gió động và động đất. Thiết lập 9 tổ hợp tải trọng tính toán (COMB1 đến COMB9), tổ hợp bao (BAO-TT), các tổ hợp tiêu chuẩn kiểm tra võng (SCOMB1 đến SCOMB9, BAO-TC) và các tổ hợp động đất (DCOMB1, DCOMB2, BAODD) theo nguyên tắc cộng tác động trực giao $100% + 30%$.

Chương 3: Tính toán thiết kế sàn điển hình

Chương này thực hiện thiết kế kết cấu sàn sườn bê tông cốt thép tầng điển hình. Mô hình mặt bằng sàn được lập trên phần mềm ETABS. Do mặt bằng kiến trúc có tính chất đối xứng, tác giả tiến hành mô hình hóa và bố trí cốt thép cho một nửa bản sàn. Nội lực uốn trong sàn được trích xuất bằng phương pháp dải (strip method) với bề rộng dải chia bằng $L/4$ dọc theo hai phương trục X và Y. Tiết diện tính toán thép sàn chịu uốn có bề rộng $b = L/4$, chiều cao tiết diện quy định và lớp bê tông bảo vệ $a = 20\text{ mm}$, sử dụng bê tông B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$) và thép CB400 ($R_s = 350\text{ MPa}$, $\xi_R = 0.563$). Diện tích cốt thép yêu cầu được kiểm tra điều kiện khống chế hàm lượng thép tối thiểu $\mu_{min} = 0.05%$. Độ võng của ô bản sàn lớn nhất được kiểm tra trên phần mềm SAFE 2016 có xét đến hiệu ứng từ biến và nứt: độ võng tính toán lớn nhất là $f = 30.111\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng giới hạn cho phép $[f] = L/250 = 12350/250 = 49.4\text{ mm}$, đáp ứng trạng thái giới hạn thứ hai.

Chương 4: Thiết kế cầu thang

Chương 4 trình bày quá trình thiết kế buồng cầu thang bộ thoát hiểm dạng bản hai vế bằng bê tông cốt thép toàn khối. Chiều cao tầng điển hình là $3.3\text{ m}$, chia làm 21 bậc thang, kích thước mỗi bậc có chiều cao $h_b = 152\text{ mm}$, chiều rộng mặt bậc $b_b = 250\text{ mm}$, góc dốc nghiêng thang $\alpha \approx 31^\circ 18'$ ($\cos\alpha = 0.857$). Bản thang có chiều dày $h_s = 120\text{ mm}$. Tác giả xác định tải trọng tác dụng gồm tĩnh tải bản nghiêng (đá hoa cương, vữa lót, bậc gạch, bản BTCT, vữa trát với tổng tải trọng chưa tính BTCT là $2.587\text{ kN/m}^2$), tĩnh tải chiếu nghỉ ($1.68\text{ kN/m}^2$) và hoạt tải phân bố $p^{tc} = 3.0\text{ kN/m}^2$ ($p^{tt} = 3.6\text{ kN/m}^2$). Cấu kiện được mô hình hóa dưới dạng dải bản phẳng rộng $1.0\text{ m}$ quy về hệ thanh 2D trên phần mềm ETABS với liên kết khớp tại gối tựa. Từ kết quả biểu đồ mô men uốn (mô men nhịp bản nghiêng cực đại $M_n \approx 7.x\text{ kNm}$), lực cắt và phản lực gối tựa, tác giả tiến hành tính toán lượng cốt thép dọc chịu mô men dương ở nhịp, cốt thép mũ chịu mô men âm ở gối và cốt thép cấu tạo cho dầm chiếu tới, dầm chiếu nghỉ.

Chương 5: Tính toán bể nước

Nội dung chương 5 tính toán kết cấu bể nước ngầm/bể nước mái đặt tại tầng mái công trình nhằm lưu trữ nước phục vụ sinh hoạt và phòng cháy chữa cháy. Tác giả sử dụng phần mềm SAP2000 V20 để lập mô hình không gian 3D, trong đó bản nắp, bản thành và bản đáy bể nước được mô phỏng bằng phần tử tấm vỏ chịu uốn và màng (shell element), hệ dầm đỡ nắp và dầm đáy mô phỏng bằng phần tử thanh (frame element). Tải trọng tính toán bao gồm tĩnh tải bản thân các cấu kiện bê tông, lớp vữa trát chống thấm, hoạt tải sửa chữa trên mái nắp bể và áp lực thủy tĩnh của nước tác dụng lên thành bể cũng như đáy bể theo các kịch bản tích nước đầy và tháo cạn. Dựa trên các biểu đồ trường mô men $M_{11}, M_{22}$ và biểu đồ chuyển vị trích xuất từ SAP2000, tác giả bố trí cốt thép chịu lực cho bản nắp, bản đáy, thành bể và thiết kế cốt thép dọc, cốt thép đai cho các dầm nắp (DN1 đến DN4), dầm đáy (DD1 đến DD4) và cột đỡ bể nước.

Chương 6: Thiết kế kết cấu khung

Chương 6 tập trung vào phân tích toàn diện mô hình không gian tổng thể của tòa nhà trên phần mềm ETABS 2018:

  • Kiểm tra các chỉ tiêu biến dạng và ổn định tổng thể: Chuyển vị ngang đỉnh công trình lớn nhất dưới tác dụng của tải trọng gió và động đất được đối chiếu với giới hạn cho phép ($f/H \le 1/500$), đảm bảo công trình không bị rung lắc nguy hiểm; kiểm tra hệ số an toàn chống lật của toàn khối tòa nhà dưới tác động của tải trọng ngang.
  • Thiết kế dầm khung: Trích xuất đường bao mô men uốn và lực cắt (từ tổ hợp bao COMB BAO) cho các khung trục đại diện. Trình tự tính toán bao gồm: xác định diện tích cốt thép dọc chịu kéo ở tiết diện nhịp và gối; tính toán cốt đai chịu lực cắt; tính toán cốt treo dạng đai tăng cường tại các vị trí dầm phụ truyền tải trọng tập trung lên dầm chính; xác định quy cách chiều dài neo và đoạn nối chồng cốt thép theo tiêu chuẩn.
  • Thiết kế vách cứng và lõi thang máy: Phân chia các vùng chịu lực trên tiết diện ngang và mặt đứng của vách cứng; mô hình hóa vách bằng phần tử tấm vỏ hoặc phần tử thanh tương đương; tính toán khả năng chịu lực nén uốn đồng thời và lực cắt phẳng của các vách chịu lực chính (vách P22, P23, P60, P61...), từ đó xác định diện tích thép biên và thép thân vách.

Chương 7: Tính toán móng công trình

Chương 7 giải quyết bài toán thiết kế hệ kết cấu phần ngầm và nền móng của công trình:

  • Thống kê điều kiện địa chất: Phân tích các lớp đất từ số liệu hố khoan khảo sát địa chất tại khu vực Hoàng Mai, Hà Nội (bao gồm các lớp đất sét pha, bùn sét, cát pha phân bố theo chiều sâu).
  • Lựa chọn giải pháp móng: Công trình 26 tầng chịu tải trọng thẳng đứng rất lớn kết hợp tải trọng ngang do gió và động đất, giải pháp móng sâu sử dụng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép ngàm vào tầng chịu lực tốt được lựa chọn kết hợp với hệ đài móng dày.
  • Sức chịu tải của cọc khoan nhồi: Tác giả xác định sức chịu tải của cọc đơn theo ba phương pháp: sức chịu tải theo cường độ vật liệu bê tông cốt thép làm cọc; sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (tính toán lực ma sát thành cọc và sức kháng mũi cọc theo Phụ lục G của TCVN 10304:2014); sức chịu tải của cọc dựa trên kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT. Từ đó lựa chọn sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc.
  • Thiết kế các móng điển hình:
    • Móng M1: Đài móng gồm 3 cọc khoan nhồi tiếp nhận phản lực chân vách P22; kiểm tra phản lực đầu cọc lớn nhất ($P_{max}$) và nhỏ nhất ($P_{min}$); kiểm tra ứng suất nén đất nền dưới mũi cọc thông qua khối móng quy ước; tính độ lún móng; kiểm tra điều kiện chống đâm thủng (xuyên thủng), kiểm tra sức chống cắt đài móng và tính toán cốt thép đài móng.
    • Móng M2: Đài móng gồm 4 cọc khoan nhồi chịu tải trọng chân vách P23; thực hiện đầy đủ các bước kiểm tra lún, đâm thủng, ứng suất đất nền và tính cốt thép hai phương.
    • Móng M3: Đài móng gồm 6 cọc khoan nhồi chịu tải trọng chân vách P60; kiểm tra biến dạng lún và sức chịu tải đài móng.
    • Móng M4 (đài móng cụm vách lõi thang máy M-LTM): Tiếp nhận phản lực lớn từ chân vách lõi P61; đài móng được thiết kế với cụm 48 cọc khoan nhồi; tác giả xác định phạm vi khối móng quy ước cho cụm 48 cọc, tính toán lún tổng thể, kiểm tra điều kiện chống xuyên thủng tháp đâm thủng chân vách và bố trí lưới thép chịu uốn cho đài móng cụm.

Kết quả và đóng góp

Các thông số kỹ thuật và kết quả tính toán chủ yếu được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Hạng mục kết cấu Thông số hình học / Mô hình Tiêu chuẩn / Phương pháp Kết quả tính toán chính
Quy mô công trình 26 tầng (2 hầm, 24 nổi), cao $89\text{ m}$; sàn hầm $91.85\text{ m}$, sàn điển hình $35 \times 39\text{ m}$ Thiết kế kiến trúc & công năng Tầng hầm ($-5.80\text{ m}$), TTTM (tầng 1-5), kỹ thuật, căn hộ (tầng 10-22), penthouse (tầng 23)
Vật liệu kết cấu Bê tông B30; Cốt thép CB240-T, CB300-T, CB400-V TCVN hiện hành $R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1.2\text{ MPa}$, $R_s = 350\text{ MPa}$ (CB400), $E_s = 2.0 \times 10^5\text{ MPa}$
Tiết diện sơ bộ Dầm chính $400 \times 700\text{ mm}$, dầm phụ $300 \times 500\text{ mm}$, vách $400, 500\text{ mm}$, sàn $150\text{ mm}$ TCXD 198:1997 Thỏa mãn điều kiện độ cứng đơn vị và giới hạn tối thiểu ($h_s > 50\text{ mm}$, $b_w \ge H/20$)
Tải trọng gió Gió tĩnh và gió động vùng II-B ($W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, dạng địa hình B) TCVN 2737:1995, TCXD 229:1999 3 mode dao động nguy hiểm: Mode 1 ($T = 3.7442\text{ s}$), Mode 3 ($T = 2.0422\text{ s}$), Mode 4 ($T = 1.0116\text{ s}$)
Tải trọng động đất Phổ thiết kế đàn hồi phương ngang ($a_{gr} \cdot g = 0.1001 \cdot g$, nền loại C, $S = 1.15$) TCVN 9386:2012 $q = 3.45$ (và $3.9$); bỏ qua thành phần đứng do gia tốc $a_{vg} \approx 1.5\text{ m/s}^2 < 0.25g$
Sàn tầng điển hình Mô hình ETABS chia dải Strip bề rộng $L/4$; kiểm tra nứt, võng bằng SAFE 2016 Lý thuyết uốn BTCT, TTGH 2 Độ võng sàn lớn nhất $f = 30.111\text{ mm} \le [f] = 49.4\text{ mm}$ (với $[f] = L/250 = 12350/250$)
Cầu thang bộ Cầu thang 2 vế dạng bản BTCT, 21 bậc ($152 \times 250\text{ mm}$), bản dày $120\text{ mm}$ Mô hình dầm gãy khúc 2D dải $1\text{ m}$ trên ETABS Hoạt tải $3.0\text{ kN/m}^2$; xác định nội lực và cốt thép dầm chiếu tới, chiếu nghỉ
Bể nước mái Kết cấu bản nắp, bản đáy, bản thành và hệ dầm đỡ BTCT Mô hình phần tử tấm vỏ và thanh trên SAP2000 V20 Xuất trường mô men $M_{11}, M_{22}$; tính thép bản nắp, đáy, thành, dầm nắp (DN1-4), dầm đáy (DD1-4)
Hệ khung - vách Mô hình không gian 3D trên ETABS 2018 Phần tử hữu hạn, phân tích tổ hợp bao (COMB BAO) Thỏa mãn chuyển vị đỉnh và chống lật; tính thép dầm chính, dầm phụ, vách chịu nén uốn P22, P23, P60, P61
Nền móng Móng cọc khoan nhồi BTCT; các đài M1 (3 cọc), M2 (4 cọc), M3 (6 cọc), M4 (48 cọc) TCVN 10304:2014, thí nghiệm SPT Kiểm tra sức chịu tải cọc, ứng suất nén đáy đài, lún khối móng quy ước, chống đâm thủng và tính thép đài

Đóng góp của tác giả trong đồ án:

  • Về mặt giải pháp kết cấu: Tác giả đã chứng minh tính hợp lý của việc lựa chọn hệ kết cấu khung – vách cứng toàn khối cho công trình cao 26 tầng. Hệ vách cứng kết hợp lõi thang máy tạo thành hệ hộp không gian có độ cứng ngang rất lớn, giúp giảm thiểu đáng kể chuyển vị ngang của đỉnh tháp dưới tác động của gió bão vùng II-B và động đất cấp mạnh tại khu vực Hoàng Mai, Hà Nội.
  • Về mặt quy trình tính toán: Tác giả đã xây dựng quy trình thiết kế kỹ thuật khép kín và nhất quán theo hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam. Quy trình này bao gồm việc tích hợp các phương pháp tính toán tải trọng động hiện đại (tính gió động theo 3 mode dao động trên ETABS theo TCXD 229:1999; tính phổ phản ứng động đất theo TCVN 9386:2012) và áp dụng phương pháp dải strip để giải bài toán sàn bê tông chịu lực phức tạp.
  • Về sản phẩm bàn giao: Đồ án hoàn thành trọn vẹn khối lượng công việc của một kỹ sư công trình xây dựng, bao gồm 1 tập thuyết minh tính toán chi tiết kèm phụ lục số liệu và 24 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 đạt quy cách (6 bản vẽ kiến trúc, 13 bản vẽ kết cấu khung sàn, 5 bản vẽ nền móng).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật được ghi nhận trong đồ án:

  • Quá trình mô hình hóa và phân tích nội lực gặp khó khăn do sự không tương thích phiên bản giữa các phần mềm kỹ thuật (tác giả phải sử dụng kết hợp các phiên bản khác nhau: ETABS 2016, ETABS 2018, SAP2000 V20 và SAFE V16 cho từng cấu kiện riêng biệt thay vì chuyển đổi dữ liệu tự động đồng bộ trên một môi trường duy nhất).
  • Mô hình tính toán cầu thang bộ mới dừng lại ở việc cắt dải $1\text{ m}$ quy về hệ thanh 2D dầm gãy khúc, chưa xét đến sự tương tác không gian và độ cứng tham gia của bản thang vào toàn khối kết cấu khung nhà khi chịu tải trọng ngang.
  • Các điều kiện biên khi tính toán thủ công dựa trên các giả thiết ngàm hoặc khớp lý tưởng, chưa phản ánh hoàn toàn tính liên tục và phi tuyến vật liệu của bê tông cốt thép trong thực tế.

Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp:

  • Xây dựng mô hình thông tin công trình (BIM) hoàn chỉnh nhằm đồng bộ hóa dữ liệu từ bản vẽ kiến trúc sang mô hình kết cấu và bản vẽ thi công, giải quyết triệt để vấn đề phân tán dữ liệu giữa các phần mềm.
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng tương tác động lực học giữa đất nền và kết cấu móng cọc (Soil - Structure Interaction - SSI) khi phân tích công trình chịu tác động động đất mạnh.
  • Ứng dụng phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến (Pushover Analysis) hoặc phân tích lịch sử thời gian phi tuyến (Nonlinear Time-History Analysis) để đánh giá chính xác hơn mức độ suy giảm độ cứng và cơ chế hình thành khớp dẻo trong các vách cứng chịu lực của công trình cao tầng.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng thuộc các trường đại học kỹ thuật trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học Nhà cao tầng, Bê tông cốt thép và Nền móng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu mới bắt đầu làm việc tại các đơn vị tư vấn thiết kế, cần tài liệu mẫu về quy trình tính toán tải trọng gió động (theo TCXD 229:1999 qua các mode dao động riêng), tải trọng động đất (theo TCVN 9386:2012) và thiết kế hệ móng cọc khoan nhồi cụm nhiều cọc dưới lõi thang máy.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong đồ án bao gồm:

  • Quy trình phân tích dao động và lập bảng tính thành phần động của tải trọng gió theo 3 mode dao động trên ETABS kết hợp biểu thức giải tích.
  • Bảng thiết lập các trường hợp tổ hợp tải trọng (tổ hợp cơ bản, tổ hợp tiêu chuẩn kiểm tra độ võng, tổ hợp động đất theo quy tắc $100% + 30%$).
  • Quy trình kiểm tra độ võng dài hạn của bản sàn bê tông có xét đến điều kiện nứt trên phần mềm SAFE.
  • Phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Phụ lục G (TCVN 10304:2014) và quy trình kiểm tra các điều kiện an toàn của đài móng M4 (gồm 48 cọc) dưới đáy lõi thang máy.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Sky Garden Tower có quy mô hình học, chiều cao và phân chia công năng các tầng như thế nào? Công trình gồm 26 tầng, trong đó có 2 tầng hầm (cốt sàn hầm là $-5.80\text{ m}$) và 24 tầng nổi, với tổng chiều cao hình học là $89\text{ m}$. Kích thước mặt bằng sàn tầng hầm là $91.85\text{ m}$, sàn tầng điển hình là $35\text{ m} \times 39\text{ m}$. Công năng bao gồm: tầng hầm đỗ xe và khu kỹ thuật; tầng 1 đến tầng 5 là trung tâm thương mại và sinh hoạt cộng đồng; tầng kỹ thuật vận hành máy móc; tầng 6 đến tầng 8 là khu dịch vụ và căn hộ cho thuê; tầng 10 đến tầng 22 là căn hộ cao cấp; tầng 23 là penthouse. Giao thông đứng gồm 2 lõi thang máy (5 cabin mỗi bên) và 4 cụm buồng thang bộ thoát hiểm.

2. Tải trọng gió tác động lên tòa nhà được xác định theo những tiêu chuẩn nào và thành phần động của gió được tính toán qua các mode dao động nào? Tải trọng gió được tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999 với vùng áp lực gió II-B ($W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, dạng địa hình B). Khi phân tích động lực học trên ETABS với 12 mode dao động, công trình có tần số giới hạn $f_L = 1.3\text{ Hz}$. Tác giả đã xác định 3 mode dao động nguy hiểm có tần số nhỏ hơn $f_L$ để tính thành phần động của gió: Mode 1 theo phương X (chu kỳ $T = 3.7442\text{ s}$), Mode 3 theo phương Y (chu kỳ $T = 2.0422\text{ s}$) và Mode 4 theo phương X (chu kỳ $T = 1.0116\text{ s}$).

3. Tải trọng động đất tác dụng vào công trình được xác định dựa trên những thông số đầu vào nào theo TCVN 9386:2012? Công trình xây dựng tại quận Hoàng Mai, thành phố Hà Nội được xác định tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản ứng đàn hồi của TCVN 9386:2012 với các thông số: đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gr} \cdot g = 0.1001 \cdot g$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1.25$, loại đất nền C, hệ số nền $S = 1.15$, giới hạn chu kỳ phổ $T_B = 0.20\text{ s}$, $T_C = 0.60\text{ s}$, hệ số ứng xử theo phương ngang $q = 3.45$ (và $3.9$). Do gia tốc chuyển động theo phương đứng $a_{vg} \approx 1.5\text{ m/s}^2 < 0.25g$ nên thành phần dao động đứng của động đất được phép bỏ qua.

4. Kết quả kiểm tra độ võng của bản sàn tầng điển hình trên phần mềm SAFE đạt bao nhiêu và có thỏa mãn điều kiện trạng thái giới hạn thứ hai không? Bản sàn tầng điển hình dày $150\text{ mm}$ được kiểm tra độ võng dài hạn có xét đến hiện tượng hình thành vết nứt trên phần mềm SAFE 2016. Giá trị độ võng tính toán lớn nhất tại nhịp bản sàn đạt $f = 30.111\text{ mm}$. So sánh với giới hạn độ võng cho phép theo tiêu chuẩn là $[f] = L/250 = 12350/250 = 49.4\text{ mm}$, độ võng tính toán nhỏ hơn độ võng cho phép ($30.111\text{ mm} < 49.4\text{ mm}$), do đó kết cấu sàn hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu của trạng thái giới hạn thứ hai.

5. Giải pháp móng của công trình được lựa chọn ra sao và đài móng cụm vách thang máy (M4) có cấu tạo như thế nào? Công trình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép ngàm vào tầng địa chất tốt, sức chịu tải của cọc được tính toán theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (Phụ lục G, TCVN 10304:2014) và thí nghiệm SPT. Đồ án thiết kế 4 loại đài móng tiêu biểu: đài M1 (3 cọc, chân vách P22), đài M2 (4 cọc, chân vách P23), đài M3 (6 cọc, chân vách P60) và đài M4 (ký hiệu M-LTM) chịu tải trọng cụm vách lõi thang máy P61 gồm 48 cọc khoan nhồi. Đài móng M4 được kiểm tra đầy đủ các điều kiện về áp lực nén đất nền khối móng quy ước, độ lún tổng thể, khả năng chống xuyên thủng và chống cắt trước khi bố trí cốt thép đài.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Sky Garden Tower" của sinh viên Lê Đức Trường (ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) là công trình nghiên cứu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một tòa nhà chung cư phức hợp cao tầng quy mô 26 tầng tại Hà Nội. Tác giả đã vận dụng bài bản hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng Việt Nam hiện hành (TCVN 2737:1995, TCXD 229:1999, TCVN 9386:2012, TCVN 10304:2014) kết hợp thành thạo các công cụ mô hình hóa phần tử hữu hạn chuyên dụng (ETABS, SAP2000, SAFE) để giải quyết thấu đáo từ bài toán kiến trúc, tải trọng động lực học, kết cấu khung – vách đến hệ thống móng cọc khoan nhồi phức tạp. Toàn bộ hồ sơ tính toán cùng 24 bản vẽ kỹ thuật A1 đạt độ chi tiết cao, thể hiện năng lực tổng hợp kiến thức chuyên môn vững vàng và cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cũng như ứng dụng thực tế trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép.