Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp thực hiện thiết kế kỹ thuật công trình cho "Dự án Chung cư An Bình", tọa lạc tại trục đường Nguyễn Văn Linh, quận Thanh Khê, thành phố Đà Nẵng. Đây là khu vực trung tâm đô thị có hệ thống hạ tầng kỹ thuật hoàn chỉnh, mặt bằng xây dựng bằng phẳng, không có công trình ngầm phức tạp, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác tổ chức tổng mặt bằng và thi công xây lắp.
Quy mô công trình được xác định cụ thể trong hồ sơ:
- Chiều cao công trình: 64,6 m (tính từ cao độ mặt đất tự nhiên).
- Quy mô tầng: Gồm 1 tầng hầm (cao độ -4,00 m), 1 tầng trệt, 17 tầng căn hộ điển hình (từ tầng 2 đến tầng 18) và 1 tầng mái.
- Tổng diện tích sàn xây dựng: Khoảng 16.146 $\text{m}^2$.
- Công năng phục vụ: 168 căn hộ cao cấp, kết hợp khu sinh hoạt cộng đồng, siêu thị mini, phòng quản lý, hệ thống đỗ xe và các phòng kỹ thuật phụ trợ.
Theo đề cương và văn bản đồ án, các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - thiết kế được chia thành 4 phần chính:
- Thiết kế kiến trúc và cấu kiện sàn, cầu thang tầng điển hình: Hoàn thiện giải pháp kiến trúc bằng phần mềm AutoCAD; phân tích nội lực, chuyển vị và thiết kế cốt thép sàn, cầu thang tầng điển hình theo trạng thái giới hạn (ULS và SLS).
- Thiết kế hệ kết cấu chịu lực chính (Khung - Vách - Dầm): Xây dựng mô hình không gian tổng thể bằng phần mềm ETABS; tính toán tải trọng đứng, tải trọng gió (thành phần tĩnh và động), tải trọng động đất; kiểm tra ổn định tổng thể; phân tích nội lực và tính toán cốt thép cho dầm, cột, vách/lõi chịu lực.
- Thiết kế hệ móng cọc khoan nhồi: Đánh giá số liệu địa chất công trình; tính toán sức chịu tải đơn cọc đường kính D800; xác định số lượng cọc, bố trí mặt bằng móng; mô hình và tính toán cốt thép các đài móng điển hình (M1, M8, M12 và đài móng lõi thang máy) bằng phần mềm SAFE và bảng tính.
- Thể hiện hồ sơ bản vẽ kỹ thuật: Hoàn thiện 01 tập thuyết minh kèm phụ lục, data sheet và 18 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (bao gồm 6 bản vẽ kiến trúc, 9 bản vẽ kết cấu và 3 bản vẽ nền móng).
Đối tượng nghiên cứu là toàn bộ hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của khối nhà cao tầng. Phạm vi thiết kế giới hạn trong không gian địa điểm xây dựng tại quận Thanh Khê, thành phố Đà Nẵng (vùng áp lực gió II-B, địa hình B), hoàn thành vào tháng 06/2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án áp dụng hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam để xác định tải trọng, tính toán nội lực và kiểm tra tiết diện cấu kiện bê tông cốt thép:
| Cấu kiện |
Loại bê tông / Cấp độ bền |
$R_b$ (MPa) |
$R_{bt}$ (MPa) |
Loại cốt thép dọc |
| Bê tông lót móng |
B15 (Mác 150) |
8,75 |
0,75 |
- |
| Sàn, cầu thang, dầm, cột, vách lõi, cọc, đài móng |
B25 (Mác 350) |
14,50 |
1,05 |
$\varnothing < 10$: Nhóm AI ($R_s = 225\text{ MPa}$)
$\varnothing \ge 10$: Nhóm AII ($R_s = 280\text{ MPa}$) / AIII ($R_s = 365\text{ MPa}$) |
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cấu kiện ($a_0$): Cọc và đài móng tiếp xúc đất là 50 mm; bản sàn và bản cầu thang là 15 mm; dầm và vách - lõi là 25 mm.
- Phương pháp tính toán và phần mềm ứng dụng:
- Phương pháp giải tích và phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm ETABS 2014 để lập mô hình khung không gian 3D, phân tích dao động riêng, tính toán lực động lực học (gió động, phổ phản ứng động đất), xuất nội lực dầm, cột, vách; phần mềm SAFE 2000 để phân tích ứng suất, nội lực dải strip và biến dạng võng đàn hồi - võng dài hạn của bản sàn và móng.
- Phương pháp xử lý số liệu: Tự động hóa tính toán tiết diện cốt thép qua Microsoft Excel và lập trình VBA.
- Nguồn dữ liệu: Hồ sơ bản vẽ thiết kế kiến trúc và hồ sơ báo cáo khảo sát địa chất công trình tại hiện trường xây dựng.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KIẾN TRÚC
Chương 1 trình bày tổng quan quy mô, vị trí và các giải pháp kiến trúc - kỹ thuật của công trình:
- Giải pháp mặt bằng: Tầng hầm (cao độ -4,00 m) bố trí 2 ram dốc riêng biệt cho luồng xe ra/vào, phòng kỹ thuật và bãi đỗ xe; tầng trệt bố trí sảnh đón tiếp, siêu thị mini, phòng ban quản lý, không gian sinh hoạt cộng đồng; tầng 2 đến tầng 18 là các căn hộ ở bố trí xoay quanh lõi giao thông; tầng mái chứa phòng kỹ thuật thang máy và 2 bể nước sinh hoạt/chữa cháy.
- Giải pháp mặt đứng và giao thông: Sử dụng hệ cửa kính lớn kết hợp ốp đá Granite và sơn nước. Giao thông trục đứng gồm 4 thang máy tải khách và 2 buồng thang bộ thoát hiểm; giao thông trục ngang dùng hành lang giữa thông suốt.
- Hệ thống hạ tầng kỹ thuật phụ trợ: Nguồn điện kết hợp lưới điện thành phố và máy phát dự phòng; hệ thống cấp thoát nước phân vùng áp lực; thông gió cơ khí kết hợp điều hòa; hệ thống báo cháy tự động và 4 bình chữa cháy $\text{CO}_2$ MFZ4 (4 kg) bố trí ở mỗi tầng; hệ thống chống sét chủ động quả cầu Dynasphire đặt tại đỉnh mái; hệ thống thu gom rác thải kín đặt tại từng tầng.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ
Chương này xác định các nguyên tắc lựa chọn giải pháp kết cấu và tính toán sơ bộ kích thước hình học cấu kiện:
- Giải pháp kết cấu: Theo phương đứng, công trình sử dụng hệ kết cấu hỗn hợp Khung kết hợp Vách/Lõi cứng bê tông cốt thép đặt ở tâm mặt bằng nhằm tăng độ cứng chống xoắn và giảm chuyển vị ngang đỉnh. Theo phương ngang, sử dụng hệ dầm - sàn toàn khối (chiều cao tầng điển hình 3,3 m). Giải pháp nền móng là móng cọc khoan nhồi.
- Sơ bộ kích thước tiết diện:
- Chiều dày bản sàn tầng điển hình: Chọn $h_s = 150\text{ mm}$ (dựa trên tỷ lệ nhịp $h_s = \frac{D}{m}L$).
- Bề dày vách/lõi cứng: Chọn $H_{vach} = 300\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện $H_{vach} \ge 200\text{ mm}$ và $H_{vach} \ge \frac{H_{tang}}{20} = 165\text{ mm}$ theo TCXD 198:1997).
- Kích thước tiết diện cột: Tính toán sơ bộ từ diện truyền tải $F_s$ và lực nén tương đương $N = m_s \cdot q \cdot F_s$ với $q = 15\text{ kN/m}^2$, hệ số $k_t = 1,2$; kích thước cột các tầng dưới được chọn $h \times b = 600 \times 500\text{ mm}$ ($A = 3.000\text{ cm}^2$).
- Kích thước dầm: Dầm chính nhịp 8,5 m chọn $b_{dc} \times h_{dc} = 300 \times 600\text{ mm}$; dầm phụ nhịp 8,5 m chọn $b_{dp} \times h_{dp} = 200 \times 400\text{ mm}$.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SÀN TẦNG ĐIỂN HÌNH
Chương 3 tập trung mô hình hóa và tính toán bản sàn tầng điển hình:
- Tải trọng tác dụng: Xác định chi tiết tĩnh tải các lớp hoàn thiện (sàn phòng khách/ngủ $q_{tt} = 1,41\text{ kN/m}^2$, sàn mái $q_{tt} = 1,55\text{ kN/m}^2$, sàn vệ sinh $q_{tt} = 1,12\text{ kN/m}^2$). Tải trọng tường xây quy đổi đều lên diện tích sàn là $q_{tt} = 4.025 / 717 = 5,61\text{ kN/m}^2$. Hoạt tải tiêu chuẩn lấy theo TCVN 2737:1995 (phòng ở $p_{tc} = 1,5\text{ kN/m}^2$, sảnh/hành lang $p_{tc} = 3,0\text{ kN/m}^2$).
- Mô hình phần mềm SAFE: Khai báo các tổ hợp tải trọng phi tuyến kiểm tra nứt và từ biến:
- $F_1 = 1\text{DEAD} + 1\text{TTHT} + 1\text{WALL} + 1\text{HT}$ (Nonlinear static Cracked).
- $F_2 = 1\text{DEAD} + 1\text{TTHT} + 1\text{WALL} + 0,3\text{HT}$ (Nonlinear static Cracked).
- $F_3 = 1\text{DEAD} + 1\text{TTHT} + 1\text{WALL} + 0,3\text{HT}$ (Nonlinear static long-term Cracked).
- Độ võng dài hạn: $\Delta = F_1 - F_2 + F_3$.
- Kiểm tra độ võng: Độ võng đàn hồi lớn nhất $f_{dh\max} = 7,2\text{ mm} \le [f] = \frac{L}{200} = \frac{7000}{200} = 35\text{ mm}$. Độ võng dài hạn lớn nhất $f_{\max} \le [f] = 35\text{ mm}$ (theo Phụ lục C TCVN 5574:2012), kết cấu sàn đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường.
- Tính cốt thép: Phân chia dải Strip theo phương X và Y gom ứng suất thành moment uốn, tính toán diện tích cốt thép $A_s$ với $h_0 = 130\text{ mm}$.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CẦU THANG TẦNG ĐIỂN HÌNH
- Thông số hình học: Cầu thang 2 vế dạng bản dầm, chiều cao tầng 3,3 m; mỗi vế gồm 8 bậc, kích thước bậc $h_b \times l_b = 206 \times 290\text{ mm}$; góc nghiêng $\alpha$ có $\cos\alpha = 0,815$; bề dày bản nghiêng $h_s = 130\text{ mm}$, bề dày bản chiếu nghỉ $h_{cn} = 130\text{ mm}$.
- Tải trọng và nội lực: Tĩnh tải bản thang và chiếu nghỉ gồm đá Granite, bậc gạch, bản BTCT và vữa trát; hoạt tải tính toán trên bản thang $q_{tt} = 3,6\text{ kN/m}$. Sơ đồ tính quy đổi thành hệ dầm đơn giản 1 đầu gối cố định, 1 đầu gối di động, phân phối lại moment gối và nhịp theo hệ số 0,8 và 0,6.
- Tính cốt thép: Bê tông B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$), thép dọc AIII ($R_s = 365\text{ MPa}$), bố trí cốt thép chịu lực và kiểm tra hàm lượng cốt thép $\mu \ge \mu_{\min} = 0,1%$.
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ KHUNG
- Mô hình không gian: Xây dựng mô hình 3D tổng thể công trình trên ETABS. Khai báo nguồn khối lượng dao động (Mass Source): $100%\text{ Tĩnh tải} + 50%\text{ Hoạt tải}$.
- Tải trọng gió và dao động:
- Tải trọng gió tĩnh: Tính toán cho vùng áp lực gió II-B tại Đà Nẵng ($W_0 = 0,95\text{ kN/m}^2$), hệ số khí động đón gió $c = +0,8$, hút gió $c = -0,6$.
- Tải trọng gió động: Chiều cao công trình 64,6 m ($> 40\text{ m}$) nên bắt buộc tính thành phần gió động theo TCXD 229:1999. Tần số dao động giới hạn $f_L = 1,3\text{ Hz}$. Kết quả phân tích có tần số dao động riêng cơ bản thỏa $f_1, f_2 < f_L < f_3$, do đó tính toán thành phần gió động với 2 mode dao động đầu tiên (Mode 1: tịnh tiến theo phương X, Mode 2: tịnh tiến theo phương Y; Mode 3 là xoắn được loại trừ).
- Tải trọng động đất: Xác định phổ thiết kế đàn hồi theo TCVN 9386:2012.
- Kiểm tra ổn định tổng thể:
- Chuyển vị ngang tại đỉnh công trình: Tổ hợp tải trọng gió nguy hiểm nhất cho chuyển vị đỉnh thỏa mãn điều kiện giới hạn $f_{dinh} \le \frac{H}{500} = \frac{64600}{500} = 129,2\text{ mm}$.
- Chuyển vị lệch tầng tương đối: Đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn TCXD 198:1997.
- Kiểm tra gia tốc dao động đỉnh do gió động gây ra đảm bảo tiêu chuẩn tiện nghi sinh hoạt.
- Thiết kế cốt thép cấu kiện chính:
- Dầm khung: Tính toán cốt thép dọc và cốt đai kháng chấn cho dầm điển hình (ví dụ dầm B83 tầng 21) chịu uốn và cắt.
- Cột khung: Tính toán theo bài toán nén lệch tâm xiên (ví dụ cột C3 tầng 1 khung trục 4).
- Vách/Lõi cứng: Áp dụng phương pháp phân tích vùng biên chịu moment (Boundary Element Method) để thiết kế cốt thép tập trung ở biên và cốt thép phân bố thân vách cho vách P1 và vách lõi thang máy.
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI
- Địa chất và giải pháp móng: Căn cứ báo cáo địa chất, lựa chọn cọc khoan nhồi đường kính $D = 800\text{ mm}$.
- Tính toán sức chịu tải đơn cọc: Tính toán sức kháng mũi và sức kháng ma sát thân cọc theo các phương pháp:
- Theo chỉ tiêu cơ lý của đất dính và đất rời.
- Theo chỉ tiêu cường độ đất nền ($c, \varphi$).
- Theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).
- Xác định sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc $R_{tk}$.
- Thiết kế các đài móng điển hình:
- Bố trí và kiểm tra sức chịu tải cọc trong đài cho móng M1, M8, M12 và đài móng lõi thang máy; kiểm tra phản lực đầu cọc: $P_{\max} \le 1,2 R_{tk}$ và $P_{\min} \ge 0$.
- Kiểm tra đâm thủng đài cọc theo mô hình tháp nén thủng góc nghiêng $45^\circ$ và góc nghiêng $> 45^\circ$.
- Tính lún móng cọc theo phương pháp khối móng quy ước sử dụng quan hệ đường cong nén lún $e-p$.
- Tính toán cốt thép lưới đáy đài móng theo phương X và phương Y từ moment uốn lớn nhất xuất từ SAFE/Excel.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc thiết kế kết cấu một công trình nhà ở cao tầng bê tông cốt thép quy mô 19 tầng (1 hầm, 1 trệt, 17 tầng căn hộ và 1 mái):
- Kết quả tính toán kỹ thuật:
- Thiết lập thành công mô hình phần tử hữu hạn 3D không gian cho công trình cao 64,6 m chịu tải trọng phức hợp (tĩnh tải, hoạt tải, gió tĩnh, gió động 2 phương và động đất).
- Kiểm soát độ võng dài hạn của hệ sàn $h_s = 150\text{ mm}$ bằng phân tích phi tuyến nứt/từ biến trên SAFE, đạt giá trị võng tối đa nhỏ hơn giới hạn cho phép $L/200 = 35\text{ mm}$.
- Xác định chính xác 2 dạng dao động tịnh tiến cơ bản (Mode 1 phương X, Mode 2 phương Y) để gán tải trọng gió động tầng theo TCXD 229:1999 vào tâm khối lượng.
- Thiết kế an toàn các cấu kiện cột nén lệch tâm xiên, dầm chịu uốn - cắt kháng chấn, vách chịu lực theo vùng biên và móng cọc khoan nhồi D800 đảm bảo điều kiện lún và chọc thủng.
- Giải pháp và kiến nghị của tác giả:
- Bố trí lõi cứng thang máy tại trung tâm mặt bằng giúp cân bằng tâm cứng và tâm khối lượng, hạn chế dao động xoắn bậc thấp của công trình.
- Sử dụng phương án cọc khoan nhồi cắm vào tầng đất tốt để chịu tải trọng đứng lớn từ công trình 19 tầng thay vì các phương án cọc ép hạn chế về chiều sâu và sức chịu tải.
- Đóng góp học thuật/thực hành:
- Thể hiện một quy trình tính toán thiết kế kết cấu nhà cao tầng hoàn chỉnh, liên kết chặt chẽ từ lý thuyết tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN, TCXD) sang công cụ phần mềm kỹ thuật (AutoCAD, ETABS, SAFE, Excel VBA).
- Cung cấp tập hồ sơ kỹ thuật gồm 18 bản vẽ A1 đạt chuẩn phục vụ thi công.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Mô hình phân tích tổng thể công trình trên ETABS mới dừng lại ở phân tích tuyến tính đàn hồi, chưa xét đến tính phi tuyến vật liệu của khung bê tông cốt thép dưới tác động của động đất mạnh.
- Phạm vi tính toán chi tiết cấu kiện trong đồ án tập trung vào các cấu kiện điển hình (sàn tầng điển hình, cầu thang điển hình, dầm B83, cột C3 trục 4, vách P1, các đài móng M1, M8, M12 và đài lõi thang máy), chưa thể hiện hết bảng tính chi tiết cho toàn bộ các cấu kiện còn lại trong công trình.
- Hướng mở rộng:
- Ứng dụng mô hình phân tích phi tuyến hình học và vật liệu (Pushover analysis) để đánh giá khả năng kháng chấn chi tiết của công trình theo cấp động đất lớn hơn.
- Khảo sát sự tương tác làm việc đồng thời giữa đất nền - cọc - đài móng và kết cấu phần thân (Soil-Structure Interaction - SSI).
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng: Làm tài liệu tham khảo mẫu để thực hiện đồ án tốt nghiệp công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Tham khảo quy trình tính toán thành phần gió động theo TCXD 229:1999, phương pháp mô hình hóa và kiểm tra độ võng dài hạn sàn BTCT trên SAFE 2000, cũng như các bước tính toán vách/lõi và móng cọc khoan nhồi theo TCVN 10304:2014 và TCVN 5574:2012.
Câu hỏi thường gặp
1. Quy mô hình học và công năng chính của Dự án Chung cư An Bình là gì?
Công trình có chiều cao 64,6 m tính từ mặt đất tự nhiên, diện tích sàn khoảng 16.146 $\text{m}^2$, gồm 1 tầng hầm (cao độ -4,00 m), 1 tầng trệt, 17 tầng căn hộ điển hình (168 căn hộ) và 1 tầng mái.
2. Giải pháp kết cấu chịu lực theo phương đứng và phương ngang của công trình được lựa chọn như thế nào?
Phương đứng sử dụng hệ kết cấu hỗn hợp Khung bê tông cốt thép kết hợp Vách/Lõi cứng đặt tại trung tâm công trình. Phương ngang sử dụng hệ sàn sườn (dầm - bản sàn toàn khối) dày 150 mm liên kết với cột và vách.
3. Công trình sử dụng loại móng nào và đường kính cọc là bao nhiêu?
Công trình sử dụng giải pháp móng sâu là móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép với đường kính cọc $D = 800\text{ mm}$, bê tông cấp độ bền B25 và cốt thép AIII.
4. Tại sao đồ án phải tính toán thành phần động của tải trọng gió và xét những dạng dao động nào?
Do chiều cao công trình đạt 64,6 m (lớn hơn 40 m), theo TCXD 229:1999 bắt buộc phải tính thành phần gió động. Tần số dao động riêng cơ bản thỏa điều kiện $f_1, f_2 < f_L = 1,3\text{ Hz} < f_3$, do đó tác giả tính toán gió động cho 2 dạng dao động tịnh tiến đầu tiên là Mode 1 (phương X) và Mode 2 (phương Y).
5. Việc kiểm tra độ võng của sàn tầng điển hình được thực hiện bằng công cụ gì và kết quả ra sao?
Độ võng được mô hình hóa và kiểm tra bằng phần mềm SAFE 2000 qua các trường hợp tải trọng phi tuyến xét nứt và từ biến dài hạn ($F_1 - F_2 + F_3$). Kết quả cho thấy độ võng đàn hồi lớn nhất là 7,2 mm và độ võng dài hạn đều nhỏ hơn giới hạn cho phép $[f] = L/200 = 35\text{ mm}$ theo Phụ lục C TCVN 5574:2012.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Dự án Chung cư An Bình" của sinh viên Huỳnh Hoàng Khôi (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) là một công trình tính toán thiết kế kết cấu công trình dân dụng cao tầng hoàn chỉnh và bài bản. Bằng việc phối hợp linh hoạt các tiêu chuẩn thiết kế xây dựng Việt Nam cùng các phần mềm chuyên ngành như ETABS, SAFE và AutoCAD, tác giả đã giải quyết trọn vẹn từ bài toán phân tích kiến trúc, tính toán động lực học công trình, kiểm tra ổn định tổng thể đến thiết kế chi tiết cấu kiện thân và nền móng cọc khoan nhồi. Toàn bộ kết quả tính toán đều thỏa mãn các điều kiện về độ bền, độ cứng và độ võng theo quy định, đóng góp một tài liệu tham khảo kỹ thuật tin cậy cho sinh viên và kỹ sư ngành xây dựng công trình.
