Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng do sinh viên Đặng Thái Sơn (lớp XD801, mã sinh viên 081236) thực hiện. Đồ án giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật công trình "Khu nhà ở D22 Bộ Tư lệnh Bộ đội Biên phòng", xây dựng tại phường Mai Dịch, quận Cầu Giấy, thành phố Hà Nội. Đề tài xuất phát từ yêu cầu thực tiễn về phát triển quỹ nhà ở kết hợp các dịch vụ tiện ích công cộng cho cán bộ, chiến sĩ và cư dân đô thị trên địa bàn thành phố Hà Nội.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được phân định theo 3 phần chính với tỷ trọng khối lượng cụ thể:

  1. Phần I - Kiến trúc (chiếm 10% khối lượng đồ án, do KTS. Nguyễn Thế Duy hướng dẫn): Thực hiện nhiệm vụ thay đổi nhịp trên mặt bằng và chỉnh sửa, hoàn thiện hệ thống hồ sơ bản vẽ kiến trúc (KT01 đến KT04).
  2. Phần II - Kết cấu (chiếm 45% khối lượng đồ án, do ThS. Đoàn Văn Duẩn hướng dẫn): Lựa chọn giải pháp kết cấu, xác định tải trọng, mô hình hóa và thiết kế kết cấu khung trục B bao gồm sàn tầng 2, thang bộ trục 6-7, khung phẳng trục B và hệ móng khung trục B (KC01 đến KC05).
  3. Phần III - Thi công (chiếm 45% khối lượng đồ án, do KS. Trần Trọng Bính hướng dẫn): Lập biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công công trình gồm thi công phần ngầm (cọc khoan nhồi, đào đất, đài giằng móng), thi công phần thân (bê tông cốt thép cột, dầm, sàn), lập tiến độ thi công và tổng mặt bằng thi công công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tòa nhà chung cư kết hợp dịch vụ công cộng được thiết kế theo tiêu chuẩn nhà cấp II.
  • Phạm vi không gian: Công trình xây dựng trên khu đất tại Mai Dịch, Cầu Giấy, Hà Nội; diện tích xây dựng tầng 1 là 655 m², tổng diện tích sàn xây dựng toàn công trình là 6.806 m²; mặt bằng hình chữ nhật kích thước 25,8 m × 25,4 m; chiều cao công trình tối đa là 37,8 m (chiều cao tính toán kết cấu từ chân cột ngàm vào móng là 38,55 m).
  • Quy mô công năng: Công trình gồm 10 tầng nổi và 1 tầng áp mái. Tầng 1 phục vụ sinh hoạt cộng đồng, dịch vụ công cộng, để xe máy và bố trí phòng kỹ thuật; các tầng 2 đến tầng 10 bố trí 72 căn hộ (mỗi tầng 8 căn hộ, diện tích mỗi căn từ 66 m² đến 76 m²; trong thuyết minh kiến trúc có đề cập phương án mở rộng 80 căn hộ từ tầng 2 đến tầng 11); tầng áp mái bố trí phòng kỹ thuật và bể nước mái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống tiêu chuẩn và văn bản quy phạm kỹ thuật được áp dụng trong đồ án:

  • TCVN 356-2005: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép; quy định xác định tải trọng và tác động lên công trình.
  • TCVN 195-1997: Tiêu chuẩn thiết kế cọc khoan nhồi.
  • TCXD 198-1997: Tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép toàn khối (quy chuẩn tính toán kháng chấn và cấu tạo nút khung).
  • TCVN 205-1998: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc.
  • Tài liệu chuyên môn tham khảo: Giáo trình "Tính toán tiết diện cột bê tông cốt thép" của GS. Nguyễn Đình Cống (phương pháp thực hành tính toán cấu kiện nén lệch tâm xiên quy đổi về nén lệch tâm phẳng); Giáo trình "Nền và Móng" (bảng tra các thông số cơ lý, sức kháng thành bên $q_{si}$ và sức kháng mũi $q_c$ của cọc).

Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Đánh giá điều kiện địa chất công trình, khảo sát địa hình, phân tích mặt bằng kiến trúc để lựa chọn sơ đồ kết cấu tối ưu giữa hệ khung, hệ lõi và hệ khung - giằng.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn: Ứng dụng phần mềm Etabs v9.2 để mô hình hóa kết cấu khung không gian ngàm tại móng, phân tích nội lực (mômen uốn, lực cắt, lực dọc) dưới tác động của các trường hợp tải trọng tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió.
  • Phương pháp giải tích kết hợp thực hành: Tính toán diện tích cốt thép dầm chữ T chịu mômen dương, dầm chữ nhật chịu mômen âm; tính toán cốt thép cột lệch tâm xiên theo phương pháp gần đúng; xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo chỉ tiêu cơ lý đất nền dựa trên kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) và xuyên tiêu chuẩn (SPT) theo công thức Meyerhof.
  • Tổ hợp nội lực: Thực hiện tổ hợp cơ bản I (tĩnh tải kết hợp một hoạt tải đứng hoặc một trường hợp tải trọng gió) và tổ hợp cơ bản II (tĩnh tải kết hợp từ hai hoạt tải trở lên với hệ số tổ hợp giảm tải 0,9).

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Báo cáo kết quả khoan thăm dò, khảo sát địa chất và địa chất thủy văn tại hiện trường phường Mai Dịch (gồm 7 lớp đất địa tầng đến độ sâu trên 42,45 m và số liệu mực nước ngầm tại độ sâu -7,0 m).
  • Hồ sơ quy hoạch tổng thể và nhiệm vụ thiết kế công trình do chủ đầu tư ban hành.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp triển khai

Giải pháp tổ chức mặt bằng và không gian kiến trúc:

  • Hướng công trình: Mặt chính nhà CT3 quay về hướng Đông giáp đường quy hoạch thành phố, mặt sau quay về hướng Bắc tiếp giáp sân đường nội bộ.
  • Tầng 1: Chiều cao thông thủy 4,2 m, diện tích sàn 655 m². Lối vào khu căn hộ, khu dịch vụ công cộng và khu kỹ thuật được bố trí biệt lập. Bố trí nhà để xe máy, phòng trực bảo vệ, hệ thống bể nước ngầm, các phòng kỹ thuật điện nước và điểm thu gom rác thải.
  • Tầng 2 đến tầng 10: Tầng căn hộ điển hình có chiều cao 3,3 m. Lõi giao thông gồm 2 thang máy đặt tại trung tâm, phân chia mặt bằng thành hai cụm căn hộ đối xứng (mỗi bên 4 căn hộ). Mỗi căn hộ có diện tích từ 66 m² đến 76 m², cơ cấu gồm 2 phòng ngủ, 1 phòng khách, phòng ăn, phòng bếp, khu vệ sinh, lô gia và khe thoáng riêng dùng để phơi đồ và bố trí cục nóng điều hòa.
  • Tầng áp mái: Chiều cao tầng 2,3 m, gồm 1 phòng kỹ thuật thang máy diện tích 20,7 m² và 2 bể nước mái bằng bê tông cốt thép với thể tích mỗi bể là 26,26 m³.
  • Giao thông đứng: Bố trí 2 buồng thang máy (1 thang tải trọng 1050 kg, chiều dài buồng thang 2,4 m dùng chở hàng và cứu thương; 1 thang tải trọng 750 kg phục vụ lưu thông thông thường) và 2 thang bộ vế rộng 1,2 m (1 thang chính tiếp xúc trực tiếp ngoài nhà để lấy sáng và thông gió; 1 thang thoát hiểm phụ có hệ thống tạo áp và cầu hút gió chống nhiễm khói).

Hệ thống kỹ thuật hạ tầng (M&E) và phòng cháy chữa cháy:

  • Hệ thống thông gió và chiếu sáng: Kết hợp thông gió tự nhiên qua cửa sổ mở rộng với quạt hút và điều hòa không khí nhân tạo; kết hợp chiếu sáng tự nhiên với hệ thống đèn huỳnh quang và đèn dây tóc.
  • Hệ thống cấp điện: Cung cấp điện động lực và chiếu sáng từ lưới hạ thế của trạm biến áp qua tủ điện tổng; dây dẫn lõi đồng bọc cách điện PVC đi trong hộp kỹ thuật và ống nhựa mềm chôn ngầm; đóng cắt, bảo vệ ngắn mạch và quá tải bằng Aptomat.
  • Hệ thống chống sét và tiếp địa: Hệ thống kim thu sét bằng thép đường kính 16 mm dài 600 mm đặt trên đỉnh mái nhà, dây dẫn sét bằng thép tròn đường kính 10 mm; cọc tiếp địa dùng thép góc L65×65×6 dài 2,5 m, dây nối đất thép dẹt 40×4 mm; điện trở hệ thống nối đất chống sét đạt $R < 10,\Omega$; hệ thống nối đất an toàn thiết bị điện độc lập đạt điện trở $R < 4,\Omega$.
  • Hệ thống cấp - thoát nước: Nguồn nước cấp từ mạng lưới thành phố qua trạm bơm bơm trực tiếp theo mạch vòng lên 2 bể chứa trên mái rồi phân phối xuống các tầng qua ống thép tráng kẽm; hệ thống thoát nước sinh hoạt tách riêng nước bẩn (thoát từ chậu rửa, phễu thu sàn, bồn tắm ra hố ga) và nước phân (thoát từ xí bệt về ngăn chứa bể tự hoại); ống thông hơi đường kính 60 mm vươn cao khỏi mái 70 cm; thoát nước mưa qua hệ thống sê nô đường kính 110 mm và rãnh thoát nước mặt kích thước 380×380×60 mm quanh chu vi công trình.
  • Phòng cháy chữa cháy: Bố trí bình chữa cháy cầm tay tại hành lang các tầng và họng nước cứu hỏa vách tường tại tầng hầm/tầng 1.

Giải pháp kết cấu chịu lực:

  • Kết cấu phần thân: Lựa chọn sơ đồ khung bê tông cốt thép toàn khối, liên kết cứng tại các nút dầm - cột, kết hợp với sàn sườn đổ toàn khối dày 12 cm nhằm bảo đảm độ cứng không gian, giảm biến dạng ngang và tối ưu hóa diện tích sử dụng kiến trúc.
  • Kết cấu phần móng: Do công trình 10 tầng có tải trọng đứng lớn và chịu tác động tải trọng ngang gió bão đáng kể, trong khi địa tầng nông là sét pha và cát pha dẻo, phương án tối ưu được chọn là móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng cuội sỏi chặt ở độ sâu lớn.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Kiến trúc công trình (Trang 5 - 10)

Trình bày cơ sở thiết kế kiến trúc, mặt bằng tổng thể 25,8 m × 25,4 m, bố trí công năng tầng 1 dịch vụ (cao 4,2 m), tầng căn hộ từ tầng 2 đến tầng 10 (cao 3,3 m), tầng áp mái (cao 2,3 m). Đưa ra các giải pháp phân chia khối mặt đứng thành 3 phần: chân đế (ốp đá Granit nhân tạo màu nâu, gam màu sẫm vững chắc), thân nhà (màu vàng kem kết hợp trắng, sử dụng kính phản quang chống bức xạ nhiệt) và khối mái giật cấp. Chi tiết hóa vật liệu hoàn thiện, hệ thống cấp thoát nước, thông gió, chiếu sáng, chống sét và giao thông thang máy.

Phần II - Chương I: Chọn phương án kết cấu (Trang 11 - 13)

Phân tích các đặc điểm chịu lực của công trình cao tầng: tải trọng ngang tỷ lệ bình phương với chiều cao về mômen ($M = qH^2/2$) và lũy thừa bậc bốn về chuyển vị ngang ($\Delta = qH^4/8EJ$). So sánh các phương án kết cấu: hệ tường chịu lực, hệ khung chịu lực, hệ lõi chịu lực, hệ khung - giằng và các phương án sàn (sàn nấm không dầm và sàn dầm toàn khối). Xác định lựa chọn hệ kết cấu khung chịu lực bê tông cốt thép toàn khối kết hợp hệ sàn dầm toàn khối đáp ứng tính kinh tế và chiều cao thông thủy kiến trúc.

Phần II - Chương II: Lựa chọn kích thước tiết diện của cấu kiện (Trang 14 - 17)

  • Bản sàn: Kích thước ô sàn lớn nhất 3,05 m × 5,4 m ($l_2/l_1 = 1,77 < 2$, bản kê 4 cạnh), xác định chiều dày sàn sơ bộ theo công thức $h_b = (D/m) \cdot l_1$ với $D = 0,8 - 1,4$, $m = 40 - 45$, lựa chọn chiều dày $h_b = 12\text{ cm}$ cho toàn bộ các ô sàn.
  • Tiết diện dầm:
    • Dầm chính ngang nhịp 8,4 m: $h = 60\text{ cm}$, $b = 30\text{ cm}$.
    • Dầm chính dọc nhịp 6,1 m: $h = 60\text{ cm}$, $b = 30\text{ cm}$.
    • Dầm chính dọc nhịp 4,0 m: $h = 40\text{ cm}$, $b = 30\text{ cm}$.
    • Dầm phụ dọc nhịp 6,1 m: $h = 40\text{ cm}$, $b = 30\text{ cm}$.
    • Dầm phụ ngang nhịp 8,4 m: $h = 50\text{ cm}$, $b = 22\text{ cm}$.
    • Dầm phụ khác (D4): $h = 40\text{ cm}$, $b = 22\text{ cm}$.
  • Tiết diện cột: Xác định theo diện chịu tải $S$ và lực nén $N = S \cdot q \cdot n$ ($q = 10\text{ kN/m}^2$, $n = 11$ tầng).
    • Cột giữa (S = 46,2 m², $N = 5082\text{ kN}$): Sơ bộ chọn $55\text{ cm} \times 55\text{ cm}$.
    • Cột biên (S = 20,58 m², $N = 2263,8\text{ kN}$): Sơ bộ chọn $35\text{ cm} \times 35\text{ cm}$.
    • Quy cách thay đổi tiết diện 2 lần theo chiều cao: Cột giữa từ tầng 1 đến 5 dùng $55\text{ cm} \times 55\text{ cm}$, từ tầng 6 đến áp mái giảm xuống $45\text{ cm} \times 45\text{ cm}$; Cột biên từ tầng 1 đến 5 dùng $35\text{ cm} \times 35\text{ cm}$, từ tầng 6 đến áp mái giảm xuống $25\text{ cm} \times 25\text{ cm}$. Kiểm tra độ mảnh $\lambda = l_0/b \le 31$ đều thỏa mãn.
  • Tiết diện tường: Tường bao 220 mm xây gạch đặc mác 75 trát vữa 2 mặt; tường ngăn trong căn hộ dày 110 mm hoặc 220 mm.

Phần II - Chương III: Tải trọng và tác động (Trang 18 - 22)

  • Tĩnh tải:
    • Tĩnh tải sàn căn hộ: $g = 412,6\text{ daN/m}^2$ (gạch ceramic 8 mm, vữa lót 15 mm, sàn BTCT 120 mm, vữa trát trần 10 mm).
    • Tĩnh tải sàn vệ sinh/ban công: $g = 490,6\text{ daN/m}^2$ (vữa lót tạo dốc và chống thấm 40 mm).
    • Tĩnh tải mái không che phủ: $g = 574\text{ daN/m}^2$ (2 lớp gạch lá nem 40 mm, vữa chống thấm 50 mm).
    • Trọng lượng tường 220 mm: $513,6\text{ daN/m}^2$ (kể đến giảm trừ lỗ cửa nhân hệ số 0,7 còn $359,52\text{ daN/m}^2 \approx 3,6\text{ kN/m}^2$); tường 110 mm: $295,8\text{ daN/m}^2$ (nhân 0,7 còn $207,06\text{ daN/m}^2 \approx 2,07\text{ kN/m}^2$).
    • Tĩnh tải cầu thang 2 vế: Chiều dày bản 12 cm, bậc gạch cao 17 cm rộng 25 cm, tổng tĩnh tải bản thang $g = 576,9\text{ daN/m}^2$; tĩnh tải bản chiếu nghỉ dày 10 cm là $g = 382,7\text{ daN/m}^2$.
  • Hoạt tải: Tra theo tiêu chuẩn TCVN 356-2005 (thực tế từ tiêu chuẩn tải trọng và tác động): phòng ngủ/khách/WC lấy $p^{tc} = 150\text{ daN/m}^2$ ($p^{tt} = 195\text{ daN/m}^2$); hành lang/cầu thang lấy $p^{tc} = 300\text{ daN/m}^2$ ($p^{tt} = 360\text{ daN/m}^2$); tầng 1 lấy phân bố đều $q_{ht1} = 360\text{ kg/m}^2$; sàn mái lấy $q_{htm} = 195\text{ daN/m}^2$.
  • Tải trọng gió: Vùng áp lực gió II-B (Hà Nội), áp lực tiêu chuẩn $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$; hệ số tin cậy $n = 1,2$; hệ số khí động mặt đón gió $c_d = 0,8$, mặt hút gió $c_h = 0,6$; bề rộng đón gió $L_X = 24,05\text{ m}$, $L_Y = 24,45\text{ m}$. Tải trọng gió được quy đổi về lực tập trung gán tại mức sàn từng tầng.

Phần II - Chương IV: Tính toán nội lực và tổ hợp tải trọng (Trang 23 - 24)

Thiết lập sơ đồ khung không gian ngàm tại mặt móng. Khai báo 6 trường hợp tải trọng cơ bản: Tĩnh tải, Hoạt tải sử dụng, Gió X dương, Gió X âm, Gió Y dương, Gió Y âm. Phân tích nội lực tự động trên phần mềm Etabs v9.2. Kiểm tra định tính (tính đối xứng của biểu đồ mômen dưới tải trọng đứng; dấu mômen đổi chiều ở các nút khung dưới tải trọng ngang) và định lượng (cân bằng tổng lực cắt chân cột với tổng lực ngang từng tầng; giá trị độ võng mômen nhịp dầm $q l^2/8$). Tiến hành tổ hợp cơ bản I và tổ hợp cơ bản II cho dầm và cột của khung trục B.

Phần II - Chương V: Thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép (Trang 24 - 37)

  • Vật liệu sử dụng: Bê tông B25 ($R_b = 145\text{ daN/cm}^2 = 14,5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$, $E_b = 3 \times 10^7\text{ kN/m}^2$, $\xi_R = 0,595$); Cốt thép dọc AII ($R_s = R_{sc} = 28000\text{ daN/cm}^2 = 280\text{ MPa}$); Cốt đai AI ($R_{sw} = 175\text{ MPa}$).
  • Tính toán dầm:
    • Dầm tầng 1 trục 2-4: Tiết diện $30\text{ cm} \times 60\text{ cm}$, bề rộng cánh hữu dụng $b_f = 215\text{ cm}$. Mômen nhịp dương $M^+{max} = 119,11\text{ kNm}$, tính theo tiết diện chữ T trục trung hòa qua cánh thu được $A_s = 7,73\text{ cm}^2$. Mômen gối âm $M^-{max} = 149,99\text{ kNm}$, tính theo tiết diện chữ nhật thu được $A_s = 10,37\text{ cm}^2$.
    • Cốt đai dầm: Lực cắt tính toán lớn nhất tại tầng áp mái $Q_{max} = 21,149\text{ T} = 211,49\text{ kN}$. Bố trí cốt đai $\Phi 8$ thép AII 2 nhánh, bước đai $u = 150\text{ mm}$ chạy suốt chiều dài dầm.
    • Bố trí thép dọc dầm khung trục B: Nhịp giữa tầng 1 đến 10 đặt $2\Phi 25$ ($A_s = 9,818\text{ cm}^2$), tầng áp mái đặt $3\Phi 25$ ($A_s = 14,726\text{ cm}^2$); Gối dầm tầng 1 đến 10 đặt $2\Phi 25 + 2\Phi 22$ ($A_s = 17,42\text{ cm}^2$), gối tầng áp mái đặt $2\Phi 30 + 2\Phi 28$ ($A_s = 26,45\text{ cm}^2$).
  • Tính toán cột: Cấu kiện chịu nén lệch tâm xiên tính theo mô hình gần đúng của GS. Nguyễn Đình Cống:
    • Cột biên trục 1 và 7: Tầng 1 (tiết diện $35\text{ cm} \times 35\text{ cm}$, $l_0 = 3,465\text{ m}$, $\lambda = 34,375 > 28$, xét hệ số uốn dọc $\eta = 1,39$), tính ra $A_{st} = 26,24\text{ cm}^2$, bố trí $8\Phi 22$ ($A_s = 30,41\text{ cm}^2$); Tầng 6 ($25\text{ cm} \times 25\text{ cm}$, $\eta = 1,36$), $A_{st} = 20,27\text{ cm}^2$, bố trí $8\Phi 18$ ($A_s = 20,36\text{ cm}^2$); Tầng áp mái ($25\text{ cm} \times 25\text{ cm}$, $l_0 = 1,61\text{ m}$, $\lambda = 22,36 < 28$, $\eta = 1$), tính ra $A_{st} = 17,86\text{ cm}^2$.
    • Cột giữa trục 2, 4, 6: Tầng 1 (tiết diện $55\text{ cm} \times 55\text{ cm}$, $\lambda = 21,88 < 28$, $\eta = 1$), tính ra $A_{st} = 37,63\text{ cm}^2$, bố trí $12\Phi 20$ ($A_s = 37,70\text{ cm}^2$); Tầng 6 ($45\text{ cm} \times 45\text{ cm}$, $\lambda = 17,82 < 28$, $\eta = 1$), $A_{st} = 13,41\text{ cm}^2$, bố trí $12\Phi 16$ ($A_s = 24,13\text{ cm}^2$); Tầng áp mái ($45\text{ cm} \times 45\text{ cm}$, $\lambda = 12,42 < 28$), tính ra $A_{st} = 15,24\text{ cm}^2$.
    • Cốt đai cột: Dùng thép $\Phi 8$, bước đai $u = 200\text{ mm}$ ở khoảng giữa thân cột; tại vùng nút khung bố trí đai dày $u = 100\text{ mm}$ theo tiêu chuẩn kháng chấn TCXD 198-1997.

Phần II - Chương VI: Tính toán móng công trình (Trang 38 - 50)

  • Điều kiện địa chất và thủy văn: Khảo sát địa chất xác định 7 lớp đất. Mực nước ngầm ở độ sâu -7,0 m so với cốt tự nhiên.
  • Lựa chọn phương án móng: Bác bỏ phương án cọc đóng và cọc ép do hạn chế tiết diện, khả năng xuyên qua tầng cát chặt kém và gây chấn động công trình lân cận. Lựa chọn cọc khoan nhồi đổ bê tông tại chỗ cắm sâu vào lớp 7 (cuội sỏi rất chặt).
  • Tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi:
    • Cọc D800: Sức chịu tải theo vật liệu $P_{vl} = 283,6\text{ T}$ (bê tông B30, cốt thép $16\Phi 20$); sức chịu tải theo đất nền dựa trên xuyên tĩnh CPT $[P] = 268,43\text{ T}$ ($2684,32\text{ kN}$).
    • Cọc D600: Sức chịu tải theo vật liệu $P_{vl} = 165,4\text{ T}$ ($1654\text{ kN}$, cốt thép $10\Phi 20$); sức chịu tải tính toán theo đất nền $[P] = 186,17\text{ T}$ ($1861,66\text{ kN}$).
  • Thiết kế đài cọc và bố trí cọc D600:
    • Trục giữa 2, 4, 6: Lực dọc tính toán chân cột $N = 4922,8\text{ kN}$. Bố trí đài 4 cọc D600, kích thước mặt bằng $2,8\text{ m} \times 2,8\text{ m}$, chiều cao đài $h_đ = 1,5\text{ m}$ (chôn sâu $1,5\text{ m}$). Lực nén lớn nhất tác dụng lên cọc $P_{max} = 132,44\text{ T} < [P] = 147\text{ T}$ (sức chịu tải cho phép chọn thiên về an toàn).
    • Trục biên 1 và 7: Lực dọc chân cột $N = 2174,72\text{ kN}$. Bố trí đài 2 cọc D600, kích thước mặt bằng $2,8\text{ m} \times 1,0\text{ m} \times 1,5\text{ m}$. Lực nén lớn nhất tác dụng lên cọc $P_{max} = 114,46\text{ T} < [P] = 147\text{ T}$.
    • Kiểm tra đài móng: Kiểm tra chống đâm thủng của cột qua đài (lực chống đâm thủng $P_{cđt} = 1452,86\text{ T} > P = 521,68\text{ T}$) và chống đâm thủng của cọc đối với đài đều thỏa mãn điều kiện làm việc an toàn. Do mũi cọc ngàm vào lớp cuội sỏi rất chặt nên theo TCVN 205-1998 cho phép bỏ qua tính toán độ lún móng.

Phần III: Tổ chức thi công công trình (Trang 79 - 135)

Phần thuyết minh thi công theo đề mục bao gồm 6 chương:

  • Chương I: Giới thiệu điều kiện tự nhiên, mặt bằng, nguồn cung ứng điện nước phục vụ thi công.
  • Chương II: Biện pháp thi công phần ngầm (công nghệ khoan nhồi giữ thành bằng dung dịch bentonite, hạ lồng thép, đổ bê tông bằng ống đổ trê-mi; kỹ thuật đào đất hố móng, phá đầu cọc, thi công bê tông lót mác 75 dày 10 cm, lắp dựng cốt thép, ván khuôn đài giằng và công tác lấp đất).
  • Chương III: Kỹ thuật thi công phần thân (thiết kế ván khuôn định hình, lựa chọn máy vận chuyển lên cao như cần trục tháp và vận thăng lồng, quy trình đổ bê tông cột - dầm - sàn theo từng phân đợt tầng).
  • Chương IV: Lập tiến độ thi công công trình bằng sơ đồ ngang, phân bổ nhân lực và máy móc thiết bị theo dây chuyền chuyên môn hóa.
  • Chương V: Thiết kế tổng mặt bằng thi công (bố trí kho bãi vật liệu, trạm trộn bê tông/bơm bê tông, đường vận chuyển tạm thời, nhà tạm điều hành).
  • Chương VI: Các biện pháp bảo đảm an toàn lao động, vệ sinh môi trường và phòng chống cháy nổ trên công trường.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả định lượng cụ thể của đồ án được thể hiện qua các bảng thông số kỹ thuật:

Cấu kiện Vị trí / Trục Kích thước tiết diện (mm) Cốt thép dọc tính toán ($A_{st}$) Cốt thép lựa chọn bố trí Ghi chú cấu tạo
Dầm nhịp 6,1 m Tầng 1 - 10 (Nhịp) $300 \times 600$ $7,73\text{ cm}^2$ $2\Phi 25$ ($A_s = 9,82\text{ cm}^2$) Tiết diện chữ T cánh $b_f = 2150\text{ mm}$
Dầm nhịp 6,1 m Tầng 1 - 10 (Gối) $300 \times 600$ $10,37\text{ cm}^2$ $2\Phi 25 + 2\Phi 22$ ($A_s = 17,42\text{ cm}^2$) Tiết diện chữ nhật gối âm
Dầm áp mái Tầng áp mái (Nhịp) $300 \times 600$ - $3\Phi 25$ ($A_s = 14,73\text{ cm}^2$) -
Dầm áp mái Tầng áp mái (Gối) $300 \times 600$ - $2\Phi 30 + 2\Phi 28$ ($A_s = 26,45\text{ cm}^2$) Lực cắt lớn nhất $Q = 21,15\text{ T}$
Cốt đai dầm Suốt dầm khung Dầm cao $600\text{ mm}$ Tính theo $Q_{max}$ tầng mái $\Phi 8$ đai 2 nhánh Bước đai $u = 150\text{ mm}$
Cột giữa Trục 2, 4, 6 (T1 - T5) $550 \times 550$ $37,63\text{ cm}^2$ $12\Phi 20$ ($A_s = 37,70\text{ cm}^2$) Nút khung đai $\Phi 8$ bước $100\text{ mm}$
Cột giữa Trục 2, 4, 6 (T6 - AM) $450 \times 450$ $13,41\text{ cm}^2$ $12\Phi 16$ ($A_s = 24,13\text{ cm}^2$) Thân cột đai $\Phi 8$ bước $200\text{ mm}$
Cột biên Trục 1, 7 (T1 - T5) $350 \times 350$ $26,24\text{ cm}^2$ $8\Phi 22$ ($A_s = 30,41\text{ cm}^2$) Uốn dọc $\eta = 1,39$
Cột biên Trục 1, 7 (T6 - AM) $250 \times 250$ $20,27\text{ cm}^2$ $8\Phi 18$ ($A_s = 20,36\text{ cm}^2$) Uốn dọc $\eta = 1,36$
Bản sàn Toàn bộ các tầng Chiều dày $h_b = 120\text{ mm}$ Theo ô lớn nhất $3,05 \times 5,4\text{ m}$ Bê tông B25 Bản kê 4 cạnh liên tục

Đặc trưng cơ lý 7 lớp địa tầng khu vực xây dựng:

Lớp Tên loại đất Chiều dày (m) Cao độ đáy lớp (m) Dung trọng tự nhiên $\gamma$ ($\text{kN/m}^3$) Độ sệt / Trạng thái Lực dính $c$ ($\text{daN/cm}^2$) Góc ma sát $\varphi$ (độ) Chỉ số SPT ($N$) Sức kháng mũi CPT $q_c$ ($\text{daN/cm}^2$)
1 Sét pha 3,1 -3,55 19,0 Dẻo cứng 0,30 20,0 18 34
2 Cát hạt nhỏ 10,2 -13,75 18,5 Chặt vừa - 35,0 15 80
3 Cát pha 10,5 -24,25 18,0 Dẻo 0,18 20,3 11 43
4 Sét pha 3,8 -28,05 19,0 Dẻo cứng 0,30 20,0 18 34
5 Cát pha 4,7 -32,75 19,1 Dẻo 0,19 35,0 17 46
6 Cát hạt trung 9,7 -42,45 18,9 Chặt vừa - 45,0 21 75
7 Cuội sỏi > 2,0 Hết hố khoan 19,1 Rất chặt - - 70 134

Kết quả tính toán và thông số kiểm tra móng cọc khoan nhồi:

Thông số thiết kế móng Móng trục giữa (Trục 2, 4, 6) Móng trục biên (Trục 1, 7)
Quy cách cọc lựa chọn Cọc khoan nhồi bê tông B30, đường kính $D = 600\text{ mm}$ Cọc khoan nhồi bê tông B30, đường kính $D = 600\text{ mm}$
Cốt thép dọc thân cọc $10\Phi 20$ ($A_s = 31,42\text{ cm}^2$, hàm lượng $1%$) $10\Phi 20$ ($A_s = 31,42\text{ cm}^2$, hàm lượng $1%$)
Lớp đất đặt mũi cọc Ngàm sâu vào lớp 7 (cuội sỏi rất chặt, $N_{SPT} = 70$) Ngàm sâu vào lớp 7 (cuội sỏi rất chặt, $N_{SPT} = 70$)
Sức chịu tải theo vật liệu cọc ($P_{vl}$) $165,4\text{ T}$ ($1654\text{ kN}$) $165,4\text{ T}$ ($1654\text{ kN}$)
Sức chịu tải theo đất nền CPT ($[P]$) $186,17\text{ T}$ ($1861,66\text{ kN}$) $186,17\text{ T}$ ($1861,66\text{ kN}$)
Số lượng cọc trong một đài 4 cọc bố trí đối xứng 2 cọc
Kích thước đài móng ($L \times B \times h$) $2,8\text{ m} \times 2,8\text{ m} \times 1,5\text{ m}$ $2,8\text{ m} \times 1,0\text{ m} \times 1,5\text{ m}$
Phản lực cọc lớn nhất ($P_{max}$) $132,44\text{ T} < [P]_{cp} = 147\text{ T}$ $114,46\text{ T} < [P]_{cp} = 147\text{ T}$
Kiểm tra đâm thủng đài $P_{cđt} = 1452,86\text{ T} > P_{tổng} = 521,68\text{ T}$ Thỏa mãn điều kiện chống đâm thủng

Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả:

  • Lựa chọn giải pháp thay đổi tiết diện cột 2 lần (sau tầng 5) giúp giảm đáng kể trọng lượng bản thân công trình dồn xuống móng, đồng thời hạn chế sự gián đoạn cấu tạo ván khuôn trong quá trình thi công.
  • Áp dụng triệt để quy định chống chấn theo TCXD 198-1997 thông qua việc thu hẹp khoảng cách cốt đai cột xuống 100 mm tại các vị trí tiếp giáp nút khung dầm - cột, tăng cường khả năng tiêu tán năng lượng khi công trình chịu tác động rung lắc ngang.
  • Chọn cọc D600 thay vì D800 cho toàn bộ hệ đài trục B nhằm tạo sự đồng nhất về mặt đường kính lỗ khoan và thiết bị thi công trên công trường, đồng thời dễ dàng bố trí đài cọc đối xứng với tâm truyền lực chân cột.

Đóng góp của đồ án:

  • Hoàn thiện một hồ sơ thiết kế đồ án tốt nghiệp kỹ sư công trình hoàn chỉnh từ giai đoạn tổ chức không gian kiến trúc, tính toán nội lực và bố trí cốt thép kết cấu đến lập biện pháp tổ chức thi công chi tiết.
  • Chứng minh tính khả thi của việc kết hợp phần mềm mô hình hóa Etabs v9.2 với các công thức lý thuyết thực hành giải tích của Việt Nam để xử lý bài toán thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng chịu lực phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án căn cứ theo văn bản:

  • Phạm vi thiết kế kết cấu chỉ tập trung chuyên sâu cho khung phẳng trục B, sàn tầng 2, thang bộ trục 6-7 và hệ móng khung trục B; chưa thể hiện chi tiết kết quả tính toán cho các khung ngang khác và hệ lõi vách thang máy.
  • Phương pháp tính toán cột nén lệch tâm xiên sử dụng phương pháp tính đổi gần đúng quy về nén lệch tâm phẳng theo giáo trình của GS. Nguyễn Đình Cống; đây là phương pháp thực hành thiên về an toàn nhưng chưa phản ánh đầy đủ trạng thái ứng suất biến dạng phi tuyến hai phương thực tế của tiết diện bê tông cốt thép.
  • Quá trình tính toán móng cọc khoan nhồi được phép bỏ qua bước tính toán biến dạng lún của đất nền do mũi cọc ngàm trực tiếp vào tầng cuội sỏi rất chặt (căn cứ theo miễn trừ của tiêu chuẩn TCVN 205-1998), do đó chưa cung cấp được biểu đồ lún lệch tương đối giữa các móng cột.

Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng phân tích kết cấu công trình chịu tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản ứng đàn hồi hoặc phân tích lịch sử thời gian phi tuyến (Nonlinear Time History Analysis).
  • Nghiên cứu mô hình tương tác đất - cọc - kết cấu (Soil-Structure Interaction) bằng các công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn địa kỹ thuật chuyên sâu nhằm đánh giá chính xác hơn phân phối nội lực tại các đài cọc biên và cọc giữa.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng:

  • Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Kỹ thuật Công trình Xây dựng đang chuẩn bị thực hiện đồ án môn học Bê tông cốt thép, đồ án Nền móng hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu mới vào nghề cần tài liệu tham khảo về quy trình tính toán thực hành cho công trình nhà chung cư quy mô 10 tầng.

Các nội dung cụ thể có giá trị tham khảo cao:

  • Bảng tính chi tiết cấu tạo các lớp vật liệu sàn, tường, cầu thang và phương pháp quy đổi tĩnh tải, hoạt tải theo tiêu chuẩn Việt Nam.
  • Chu trình mô hình hóa, gán tải trọng gió tĩnh - gió động và phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của biểu đồ nội lực xuất ra từ phần mềm Etabs v9.2.
  • Phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi dựa trên số liệu khảo sát hiện trường thực tế (kết hợp đồng thời số liệu SPT và biểu đồ CPT).

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Khu nhà ở D22 Bộ Tư lệnh Bộ đội Biên phòng có quy mô diện tích và công năng các tầng như thế nào?

Công trình gồm 10 tầng nổi và 1 tầng áp mái, tổng chiều cao 37,8 m, diện tích xây dựng 655 m², tổng diện tích sàn 6.806 m². Tầng 1 cao 4,2 m làm dịch vụ công cộng, để xe và bố trí phòng kỹ thuật; các tầng 2 đến tầng 10 cao 3,3 m bố trí 72 căn hộ (8 căn hộ/tầng, diện tích từ 66 m² đến 76 m²); tầng áp mái cao 2,3 m đặt phòng kỹ thuật thang máy (20,7 m²) và 2 bể nước mái (thể tích 26,26 m³/bể).

2. Kích thước tiết diện các cấu kiện chính của khung trục B được tác giả chọn sơ bộ ra sao?

Bản sàn dày $h_b = 12\text{ cm}$. Dầm chính ngang nhịp 8,4 m và dầm chính dọc nhịp 6,1 m đều chọn tiết diện $300\text{ mm} \times 600\text{ mm}$; dầm dọc nhịp 4 m chọn $300\text{ mm} \times 400\text{ mm}$; dầm phụ nhịp 8,4 m chọn $220\text{ mm} \times 500\text{ mm}$. Cột giữa từ tầng 1 đến 5 có kích thước $550\text{ mm} \times 550\text{ mm}$, từ tầng 6 đến áp mái giảm xuống $450\text{ mm} \times 450\text{ mm}$. Cột biên từ tầng 1 đến 5 có kích thước $350\text{ mm} \times 350\text{ mm}$, từ tầng 6 đến áp mái giảm xuống $250\text{ mm} \times 250\text{ mm}$.

3. Phương pháp quy đổi và tính toán cột chịu nén lệch tâm xiên trong đồ án được thực hiện như thế nào?

Tác giả áp dụng phương pháp giải tích gần đúng theo tài liệu của GS. Nguyễn Đình Cống: xác định chiều dài tính toán $l_0 = 0,7l$, kiểm tra độ mảnh $\lambda$; dựa vào tỷ số phân phối mômen và kích thước tiết diện $(M_{x1}/C_x)$ so với $(M_{y1}/C_y)$ để đưa bài toán nén lệch tâm xiên về bài toán nén lệch tâm phẳng tương đương theo phương có mômen quy đổi lớn hơn; sau đó tính toán diện tích cốt thép chịu nén theo trường hợp lệch tâm bé hoặc lệch tâm lớn tùy thuộc tỷ số $e_0/h_0$.

4. Vì sao đồ án quyết định lựa chọn phương án móng cọc khoan nhồi thay vì cọc đóng hoặc cọc ép?

Theo báo cáo địa chất, các lớp đất bên trên (sét pha dẻo cứng, cát hạt nhỏ, cát pha dẻo) không đủ khả năng chịu lực cho công trình 10 tầng có tải trọng lớn; tầng chịu lực tốt là lớp 7 (cuội sỏi rất chặt) nằm ở độ sâu dưới -42,45 m. Phương án cọc đóng và cọc ép bị loại bỏ vì tiết diện nhỏ, khó xuyên qua các thấu kính cát chặt dày, gây tiếng ồn, rung chấn nguy hiểm cho các công trình xung quanh tại đô thị và khó thi công mối nối cọc dài. Cọc khoan nhồi được chọn vì có đường kính lớn, sức chịu tải cao, ngàm sâu vào tầng cuội sỏi và không gây rung động ảnh hưởng khu dân cư lân cận.

5. Kết quả bố trí cọc và kiểm tra đài móng cọc khoan nhồi khung trục B đạt thông số bao nhiêu?

Toàn bộ móng khung trục B sử dụng cọc khoan nhồi D600 bê tông B30 (sức chịu tải cho phép $[P] = 147\text{ T}$). Đài móng trục giữa (trục 2, 4, 6) có kích thước $2,8\text{ m} \times 2,8\text{ m} \times 1,5\text{ m}$ bố trí 4 cọc, phản lực cọc lớn nhất $P_{max} = 132,44\text{ T} < 147\text{ T}$. Đài móng trục biên (trục 1, 7) có kích thước $2,8\text{ m} \times 1,0\text{ m} \times 1,5\text{ m}$ bố trí 2 cọc, phản lực cọc lớn nhất $P_{max} = 114,46\text{ T} < 147\text{ T}$. Cả hai dạng đài đều thỏa mãn điều kiện chống đâm thủng của cột và cọc.

Kết luận

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đặng Thái Sơn là tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về thiết kế công trình nhà ở cao tầng bê tông cốt thép cấp II quy mô 10 tầng tại khu vực Hà Nội. Đồ án đã giải quyết mạch lạc chuỗi nhiệm vụ kỹ thuật bao gồm quy hoạch công năng kiến trúc, thiết lập mô hình không gian Etabs tính toán nội lực khung trục B, thiết kế chi tiết cốt thép dầm - cột - sàn - thang và xử lý nền móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng cuội sỏi sâu. Các giải pháp tính toán và cấu tạo được trình bày chi tiết, tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành, mang lại giá trị tham khảo học thuật và thực tiễn tin cậy cho sinh viên cũng như kỹ sư ngành công trình.