Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Novis Ventis Building" được thực hiện bởi sinh viên Phan Huỳnh Hữu Tuyến (MSSV: 13149208), dưới sự hướng dẫn của GVHD Nguyễn Ngọc Dương và Th. Huỳnh Phước Sơn, thuộc Khoa Xây dựng - Ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 01/2018).

Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu hoàn thành nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp đại học chuyên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một công trình cao tầng từ giai đoạn phân tích kiến trúc, tính toán kết cấu phần thân đến thiết kế kết cấu phần ngầm.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong đề tài gồm:

  1. Kiến trúc: Thể hiện lại và chuẩn hóa hồ sơ bản vẽ kiến trúc của công trình (Architectural drafts).
  2. Kết cấu phần thân:
    • Tính toán, phân tích nội lực và thiết kế sàn tầng điển hình khối căn hộ.
    • Tính toán, phân tích và bố trí cốt thép cho hệ thống cầu thang bộ và bể nước (cistern).
    • Thiết lập mô hình không gian 3D, phân tích nội lực và tính toán cốt thép hệ khung chịu lực (tập trung chi tiết khung trục 4, khung trục C và sàn tầng 4).
  3. Kết cấu phần ngầm: Tính toán và thiết kế móng cọc khoan nhồi (Bored pile method) dựa trên số liệu khảo sát địa chất.
  4. Hồ sơ sản phẩm bàn giao: 01 tập thuyết minh tính toán, 01 tập phụ lục và 29 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (gồm 9 bản vẽ kiến trúc và 20 bản vẽ kết cấu).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Công trình Novis Ventis Building có quy mô 20 tầng điển hình, 1 tầng mái, 2 tầng dịch vụ thương mại và 2 tầng hầm. Tổng chiều cao công trình là 78,1 m tính từ cốt mặt đất tự nhiên.
  • Phạm vi không gian: Công trình xây dựng tại Thành phố Hồ Chí Minh (sử dụng số liệu địa chất khảo sát khu vực Quận 3 và Quận Bình Thạnh).
  • Phạm vi thời gian: Đồ án hoàn thành và bảo vệ vào tháng 01 năm 2018.

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

Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Tác giả sử dụng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam để tính toán tải trọng, nội lực và cấu kiện bê tông cốt thép:

  • TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế (tính toán tĩnh tải, hoạt tải sử dụng và áp lực gió tĩnh).
  • TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995.
  • TCVN 5574:2012: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế (tính toán tiết diện chịu uốn, nén, cắt và kiểm tra điều kiện chọc thủng).
  • TCXDVN 356:2005: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế (sử dụng cho công thức kiểm tra độ võng toàn phần có xét đến co ngót và từ biến dài hạn).
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất (phương pháp phổ phản ứng đàn hồi và phổ thiết kế).
  • TCVN 10304:2014: Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Áp dụng để phân tích ứng xử tĩnh học và động lực học của hệ kết cấu khung - vách không gian 3D cũng như hệ bản sàn, móng đài cọc.
  • Phần mềm ETABS: Mô hình hóa toàn bộ kết cấu không gian 3D tòa nhà; cột và dầm được mô hình bằng phần tử thanh (Line element), vách cứng và sàn mô hình bằng phần tử tấm vỏ (Area element); phân tích 12 dạng dao động (Mode dao động) để xuất chu kỳ, tần số dao động, chuyển vị đỉnh và nội lực khung.
  • Phần mềm SAFE (phiên bản 12.3): Mô hình hóa sàn tầng điển hình và các đài móng theo phương pháp dải (Strip method), phân tích nội lực uốn hai phương, kiểm tra khả năng chống chọc thủng tại nút cột và tính toán biến dạng võng phi tuyến (Nonlinear cracked và Longterm cracked).
  • Microsoft Excel kết hợp lập trình VBA: Tự động hóa quá trình xử lý tổ hợp nội lực, tính toán diện tích cốt thép cột, dầm, vách và tính lún, sức chịu tải của cọc khoan nhồi.

Vật liệu xây dựng sử dụng trong tính toán

Loại vật liệu Cấp độ bền / Nhóm thép Cường độ tính toán chịu nén ($R_b$, $R_{sc}$) Cường độ tính toán chịu kéo ($R_{bt}$, $R_s$) Cường độ tính toán cốt ngang ($R_{sw}$) Mô đun đàn hồi ($E_b$, $E_s$) Phạm vi sử dụng
Bê tông B25 $14,5\text{ MPa}$ $1,05\text{ MPa}$ — $30.000\text{ MPa}$ Toàn bộ kết cấu dầm, sàn, cột, vách, móng
Cốt thép AI $225\text{ MPa}$ $225\text{ MPa}$ $175\text{ MPa}$ $210.000\text{ MPa}$ Cốt thép đường kính $\phi \le 10\text{ mm}$, cốt đai
Cốt thép AII $280\text{ MPa}$ $280\text{ MPa}$ $225\text{ MPa}$ $210.000\text{ MPa}$ Cốt thép dầm, sàn
Cốt thép AIII $365\text{ MPa}$ $365\text{ MPa}$ $280\text{ MPa}$ $200.000\text{ MPa}$ Cốt thép chịu lực chính đường kính $\phi > 10\text{ mm}$ (cột, vách, dầm chính)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày thông tin chung về quy mô công trình Novis Ventis Building (chiều cao $78,1\text{ m}$, 20 tầng căn hộ điển hình, 1 tầng mái, 2 tầng dịch vụ, 2 tầng hầm). Tác giả lựa chọn giải pháp kết cấu chính là hệ khung bê tông cốt thép đổ toàn khối kết hợp vách cứng thang máy, giải pháp nền móng là cọc khoan nhồi.

Về tải trọng tác dụng, tác giả phân chia cụ thể các thành phần:

  • Tĩnh tải: Trọng lượng bản thân kết cấu, lớp hoàn thiện, tường ngăn và hệ thống kỹ thuật.
  • Hoạt tải tiêu chuẩn: Tra cứu theo công năng sử dụng theo TCVN 2737:1995:
    • Phòng ngủ, phòng ăn, phòng khách, khu vệ sinh hộ gia đình: $1,5\text{ kN/m}^2$.
    • Phòng ăn, khu vệ sinh nhà trẻ/mẫu giáo: $2,0\text{ kN/m}^2$.
    • Nhà hàng, sảnh, hành lang, phòng giải lao, cầu thang: $3,0\text{ kN/m}^2$.
    • Khu vực trưng bày, cửa hàng: $4,0\text{ kN/m}^2$.
    • Phòng đợi, nhà kho, gara ô tô: $5,0\text{ kN/m}^2$.
    • Phòng động cơ máy kỹ thuật: $7,0\text{ kN/m}^2$.
    • Ban công và lô gia: $2,0\text{ kN/m}^2$; phòng áp mái: $0,7\text{ kN/m}^2$.
  • Tải trọng gió: Do công trình cao $78,1\text{ m} > 40\text{ m}$ nên phải tính toán cả thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió với áp lực gió cơ bản vùng II-A tại TP.HCM là $W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$.

Chương 2: Tính toán - Thiết kế sàn

Chương này tập trung xác định kích thước và bố trí cốt thép sàn tầng điển hình:

  • Sơ bộ kích thước: Cạnh ngắn lớn nhất của ô bản $L_1 = 4,5\text{ m}$. Chiều dày sàn chọn $h_s = 150\text{ mm}$ (thỏa mãn $h_{s,\min} \ge 60\text{ mm}$ theo điều 8.2 TCVN 5574:2012). Kích thước dầm chính chọn $300 \times 700\text{ mm}$ (nhịp $L = 9,0\text{ m}$), dầm phụ chọn $250 \times 500\text{ mm}$.
  • Tải trọng tác dụng lên sàn:
    • Tĩnh tải các lớp hoàn thiện (chưa kể trọng lượng bản thân bê tông): Sàn thường $g^{tt} = 1,20\text{ kN/m}^2$; sàn vệ sinh $g^{tt} = 1,38\text{ kN/m}^2$; sàn tầng mái $g^{tt} = 2,10\text{ kN/m}^2$; sàn tầng hầm $g^{tt} = 0,21\text{ kN/m}^2$.
    • Tải trọng tường xây: Tường dày $100\text{ mm}$ có tải trọng phân bố $P_t^{tt} = 1,544\text{ kN/m}$; tường dày $200\text{ mm}$ có $P_t^{tt} = 1,088\text{ kN/m}$ (chiều cao tường $h_t = 3,5\text{ m}$).
                             TẢI TRỌNG SÀN TẦNG ĐIỂN HÌNH
  • Mô hình SAFE và kiểm tra võng dài hạn: Mô hình sàn được xuất từ ETABS sang SAFE 12.3 và chia dải Strip theo phương X, Y. Độ võng toàn phần được tính theo TCXDVN 356:2005: $f = f_1 - f_2 + f_3$ qua các trường hợp tải phi tuyến có xét nứt (Nonlinear Cracked) và từ biến co ngót (Longterm Cracked).
    • Độ võng lớn nhất ghi nhận: $f_{\max} = 11\text{ mm}$.
    • Độ võng giới hạn cho phép: $[f] = L/250 = 9000 / 250 = 36\text{ mm}$.
    • Kết luận: $f_{\max} < [f]$, sàn đáp ứng điều kiện biến dạng võng.
  • Kiểm tra chọc thủng: Kiểm tra tại vị trí liên kết sàn với cột chịu lực lớn nhất $C100 \times 100$ theo điều kiện $F \le R_{bt} u_m h_0$ của TCVN 5574:2012. Kết quả kiểm tra khẳng định sàn không bị đâm thủng.

Chương 3: Tính toán – Thiết kế cầu thang

Chương 3 giải quyết thiết kế cầu thang bộ 2 vế dạng bản của tầng điển hình:

  • Thông số hình học: Chiều cao tầng $3,5\text{ m}$, gồm 24 bậc (12 bậc/vế). Chiều cao bậc $h_b = 150\text{ mm}$, bề rộng bậc $b_b = 270\text{ mm}$, chiều dài vế thang $l_b = 3240\text{ mm}$, bề rộng vế $b = 1250\text{ mm}$, góc nghiêng $\cos\alpha = 0,87$. Chiều dày bản thang $h_b = 120\text{ mm}$, bản chiếu nghỉ $120\text{ mm}$. Kích thước dầm chiếu tới D1 là $200 \times 300\text{ mm}$.
  • Tải trọng tính toán:
    • Bản chiếu nghỉ: Tĩnh tải $g^{tt} = 5,409\text{ kN/m}$, hoạt tải $p^{tt} = 3,60\text{ kN/m}$, tổng tải $q^{tt} = 9,009\text{ kN/m}$.
    • Bản thang nghiêng: Tĩnh tải $g^{tt} = 7,214\text{ kN/m}$ (tính cả lan can), hoạt tải $p^{tt} = 3,132\text{ kN/m}$, tổng tải $q^{tt} = 10,346\text{ kN/m}$.
  • Tính cốt thép bản và dầm thang:
    • Tính toán cho dải bản rộng $1\text{ m}$, sử dụng bê tông B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$), thép AIII ($R_s = 365\text{ MPa}$, $\xi_R = 0,563$), lớp bảo vệ $a = 20\text{ mm}$, chiều cao làm việc $h_0 = 130\text{ mm}$.
    • Dầm chiếu tới D1: Chịu tải trọng bản thân, tải trọng từ bản thang truyền vào $R_A = 37,66\text{ kN/m}$ và tải tam giác từ chiếu tới $q = 8,557\text{ kN/m}$. Lực cắt lớn nhất $Q_{\max} = 55,82\text{ kN} > 55,1\text{ kN}$ (khả năng chịu cắt của bê tông), tác giả bố trí cốt đai chịu cắt $\phi 6$ (2 nhánh) với khoảng cách đai $S = 150\text{ mm}$ ở đoạn đầu dầm ($L/4$) và $S = 200\text{ mm}$ ở đoạn giữa dầm.
  • Kiểm tra độ võng bản thang: Độ võng lớn nhất từ ETABS là $f = 0,0162\text{ m} \le [f] = L/200 = 3,24 / 200 = 0,0162\text{ m}$, thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn.

Chương 4: Tính toán thiết kế hệ khung

Chương 4 là phần tính toán chính của kết cấu chịu lực không gian:

  • Sơ bộ tiết diện cột: Tiết diện cột được xác định theo diện truyền tải $F$, tải trọng sàn $q = 10\text{ kN/m}^2$, số tầng $m$ và hệ số $k = 1,1 - 1,5$ xét đến tải trọng ngang ($A_s \ge k \cdot N / R_b$). Tiết diện giảm dần theo chiều cao:
                          KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN CỘT THEO TẦNG
  • Tính toán tải trọng gió động:
    • Khảo sát 12 Mode dao động bằng ETABS. Kết quả các dạng dao động chính:
      • Mode 1: Chu kỳ $T_1 = 2,4419\text{ s}$, dao động tịnh tiến theo phương X (tần số $f_1 = 0,409\text{ Hz} < f_L = 1,3\text{ Hz}$).
      • Mode 2: Chu kỳ $T_2 = 2,4516\text{ s}$, dao động tịnh tiến theo phương Y (tần số $f_2 = 0,408\text{ Hz} < f_L = 1,3\text{ Hz}$).
      • Mode 3: Chu kỳ $T_3 = 1,7685\text{ s}$, dao động xoắn.
    • Do $f_1, f_2 < f_L$, tác giả tính toán thành phần động của gió cho 2 dạng dao động tịnh tiến đầu tiên theo TCXD 229:1999 (có xét hệ số tương quan không gian $\nu_1$, hệ số động lực $\xi_1$, độ giảm loga $\delta = 0,3$).
  • Tính toán tải trọng động đất:
    • Áp dụng TCVN 9386:2012 cho công trình cấp II, địa bàn Quận Bình Thạnh, TP.HCM với đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gR} = 0,0853$, gia tốc trọng trường $g = 10\text{ m/s}^2$.
    • Nền đất loại C có hệ số nền $S = 1,6$; các chu kỳ đặc trưng $T_B = 0,2\text{ s}$, $T_C = 0,6\text{ s}$, $T_D = 2,0\text{ s}$; hệ số cản nhớt $\xi = 5%$ ($\eta = 1,0$).
    • Hệ số ứng xử $q = q_0 \cdot k_w = 3,9 \times 1,0 = 3,9$ (kết cấu khung - vách hỗn hợp cấp dẻo trung bình DCM, tính đều đặn theo mặt đứng với $\alpha_u / \alpha_1 = 1,3$).
    • Khối lượng tham gia dao động động đất: $100%\text{ Tĩnh tải} + 24%\text{ Hoạt tải}$ ($\psi_{E,i} = \varphi \cdot \psi_{2,i} = 0,8 \times 0,3 = 0,24$).
    • Thiết lập phổ thiết kế nằm ngang $S_d(T)$ và tổ hợp tải trọng động đất theo hai phương DDX và DDY.
  • Tổ hợp tải trọng và thiết kế cấu kiện: Thiết lập các tổ hợp bao gồm tải trọng thẳng đứng (DEAD, LIVE), gió tĩnh và gió động (tổ hợp SRSS giữa các mode và ADD với gió tĩnh), tải trọng động đất. Tiến hành kiểm tra chuyển vị đỉnh, kiểm tra tính đúng đắn của mô hình và tính cốt thép dầm, cột, vách cho khung trục 4 và khung trục C.

Chương 5: Tính toán thiết kế móng

Chương 5 trình bày thiết kế hệ móng công trình dựa trên tài liệu địa chất:

  • Giải pháp móng: Móng cọc khoan nhồi chịu lực cho toàn bộ khối tháp và lõi vách.
  • Tính toán sức chịu tải cọc: Tính toán theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo chỉ số SPT từ các hố khoan; tra hệ số nền $k$ theo TCVN 10304:2014 để xác định sức chịu tải cho phép của cọc.
  • Tính toán cọc chịu tải trọng ngang: Xác định biểu đồ mômen uốn, lực cắt và áp lực ngang dọc theo thân cọc dưới tác dụng của tải trọng ngang chân công trình.
  • Thiết kế chi tiết các đài móng:
    • Đài móng cột đơn M1 và M2: Sử dụng mô hình SAFE chia dải Strip $1\text{ m}$ theo hai phương X và Y, tính toán cốt thép đài móng, kiểm tra áp lực đáy móng ($P_{\max}, P_{\min}$), kiểm tra chọc thủng theo mặt cắt tháp xuyên và tính lún khối móng quy ước.
    • Đài móng cụm vách lõi thang máy M3 và M4: Mô hình hóa phản lực đầu cọc bằng SAFE, kiểm tra điều kiện tháp xuyên thủng, tính lún khối móng quy ước lõi thang và bố trí cốt thép lưới đài móng chịu uốn.
    • Kiểm tra phản lực đầu cọc cho tất cả các đài còn lại đảm bảo nằm trong giới hạn sức chịu tải cho phép.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính có trong đồ án

  • Kích thước và vật liệu kết cấu: Xác lập hệ thống kích thước tiết diện tối ưu: sàn dày $150\text{ mm}$, dầm chính $300 \times 700\text{ mm}$, dầm phụ $250 \times 500\text{ mm}$, cột thay đổi từ $1100 \times 1100\text{ mm}$ ở tầng hầm xuống $400 \times 400\text{ mm}$ ở tầng trên cùng, sử dụng bê tông B25 và thép AI, AII, AIII.
  • Thông số động lực học: Chu kỳ dao động cơ bản của công trình đạt $T_1 = 2,44\text{ s}$ (phương X) và $T_2 = 2,45\text{ s}$ (phương Y); Mode 3 là dao động xoắn có chu kỳ $T_3 = 1,77\text{ s}$.
  • Kiểm tra trạng thái giới hạn 2 (biến dạng - võng):
    • Độ võng dài hạn sàn tầng điển hình $f_{\max} = 11\text{ mm} < [f] = 36\text{ mm}$.
    • Độ võng bản cầu thang $f = 16,2\text{ mm} \le [f] = 16,2\text{ mm}$.
    • Hệ sàn thỏa mãn hoàn toàn điều kiện chống chọc thủng tại nút cột $C100 \times 100$.
  • Hệ thống móng: Thiết kế hoàn chỉnh 4 cụm móng chính (M1, M2, đài lõi thang M3, M4) bằng cọc khoan nhồi, đáp ứng đầy đủ điều kiện về sức chịu tải đơn cọc, chuyển vị ngang thân cọc, xuyên thủng đài và độ lún cho phép của khối móng quy ước.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Xây dựng quy trình tính toán hoàn chỉnh và đồng bộ cho công trình bê tông cốt thép cao tầng ($78,1\text{ m}$) kết hợp giữa phân tích kết cấu thân bằng ETABS, phân tích chi tiết sàn và móng bằng SAFE 12.3 và xử lý số liệu bằng Excel VBA.
  • Triển khai đầy đủ việc tính toán tải trọng động phức tạp theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành, bao gồm thành phần động của tải trọng gió (TCXD 229:1999) và tải trọng động đất bằng phương pháp phổ phản ứng thiết kế (TCVN 9386:2012).
  • Cung cấp bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh gồm 1 tập thuyết minh tính toán chi tiết, 1 tập phụ lục và 29 bản vẽ kỹ thuật A1 (9 bản vẽ kiến trúc, 20 bản vẽ kết cấu).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về phạm vi thiết kế chi tiết: Trong khuôn khổ một đồ án tốt nghiệp, tác giả tập trung tính toán và bố trí cốt thép chi tiết cho các cấu kiện điển hình đại diện (sàn tầng căn hộ điển hình, bản thang 2 vế tầng điển hình, khung phẳng trục 4 và trục C, sàn tầng 4, cùng 4 đài móng đại diện M1, M2, M3, M4) mà chưa xuất toàn bộ bản vẽ chi tiết cho tất cả các tầng và trục khung còn lại.
  • Giới hạn trong phân tích động đất: Tác giả chỉ tính toán thành phần động đất theo phương nằm ngang (bỏ qua thành phần thẳng đứng) do công trình thỏa mãn điều kiện nhịp nằm ngang nhỏ hơn $20\text{ m}$, công xôn nhỏ hơn $5\text{ m}$ và không sử dụng bê tông ứng lực trước theo TCVN 9386:2012.
  • Hướng phát triển tiếp theo: Triển khai mô hình tính toán tương tác động lực học giữa đất nền - móng - kết cấu phần thân (SSI) trong phân tích động đất, mở rộng mô phỏng các phương án sàn ứng lực trước hoặc dầm chuyển nếu kiến trúc thay đổi công năng các tầng dịch vụ.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng đang thực hiện đồ án tốt nghiệp công trình cao tầng hoặc đồ án môn học Bê tông cốt thép 2, Nền móng, Nhà cao tầng.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Phương pháp phân tích và khai báo tải tr