Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Công trình: Ký túc xá 6 tầng Trường Đại học Mỏ - Địa chất" do sinh viên Nguyễn Đức Mạnh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Ngô Đức Dũng và ThS. Lê Bá Sơn tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2017), thuộc chuyên ngành Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp. Bối cảnh thực tiễn của công trình xuất phát từ quy hoạch tổng thể và dự án cải tạo, nâng cấp cơ sở hạ tầng của Trường Đại học Mỏ - Địa chất nhằm giải quyết một phần nhu cầu cấp thiết về chỗ ở, sinh hoạt và học tập nội trú cho sinh viên. Khu đất xây dựng nằm trong khuôn viên Khu B của nhà trường, thuộc địa phận xã Đông Ngạc, quận Bắc Từ Liêm (trước đây là huyện Từ Liêm), thành phố Hà Nội. Hiện trạng khu đất có địa hình bằng phẳng, nằm cách biệt tương đối với các công trình lân cận và đã được kết nối với mạng lưới hạ tầng kỹ thuật chung đã hoàn chỉnh của khu vực trường.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế của đồ án được xác định rõ theo hai khối lượng chuyên môn chính:

  1. Nhiệm vụ thiết kế kiến trúc (chiếm 10% khối lượng đồ án): Thiết lập quy hoạch mặt bằng tổng thể, giải pháp mặt bằng các tầng, thiết kế mặt đứng và hình khối không gian; bố trí luồng giao thông theo phương ngang và phương đứng; giải quyết hệ thống kỹ thuật công trình gồm thông gió, chiếu sáng tự nhiên, cấp thoát nước, cấp điện, chống sét và phòng cháy chữa cháy.
  2. Nhiệm vụ thiết kế kết cấu (chiếm 45% khối lượng đồ án):
    • Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực tổng thể cho toàn bộ công trình;
    • Xác định sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện chịu lực chính (sàn, dầm, cột, vách thang máy);
    • Thiết kế kết cấu một khung phẳng trục đại diện (Khung trục 6);
    • Thiết kế kết cấu móng Khung trục 6;
    • Thiết kế kết cấu sàn tầng 4;
    • Thể hiện các bản vẽ kỹ thuật kết cấu dầm, cột, móng Khung trục 6 và bản vẽ mặt bằng bố trí thép sàn tầng 4.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là công trình nhà nhiều tầng phục vụ mục đích ở tập trung của sinh viên, bao gồm 6 tầng nổi và 1 tầng tum kỹ thuật mái. Phạm vi không gian giới hạn trong ranh giới lô đất xây dựng có diện tích chiếm đất mặt bằng 27,3 m x 24,1 m tại Khu B Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội. Phạm vi thời gian và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng căn cứ trên hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam và các tài liệu chuyên ngành được ban hành tính đến thời điểm bảo vệ đồ án năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết, tiêu chuẩn và tài liệu kỹ thuật được tác giả sử dụng làm căn cứ tính toán bao gồm:

  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép: TCXDVN 356:2005 "Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế", TCVN 5574-1991 và tham chiếu công thức tính toán cột nén lệch tâm theo TCXDVN 5574-2012;
  • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 "Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế" để xác định tĩnh tải các lớp cấu tạo, hoạt tải sử dụng theo công năng phòng và áp lực gió tĩnh;
  • Các giáo trình và cẩm nang chuyên ngành xây dựng: "Sàn sườn BTCT toàn khối" của ThS. Nguyễn Duy Bân, ThS. Mai Trọng Bình, ThS. Nguyễn Trường Thắng; giáo trình "Kết cấu bê tông cốt thép" (phần cấu kiện cơ bản và phần kết cấu nhà cửa) của nhóm tác giả PGS. Phan Quang Minh, GS. Ngô Thế Phong, GS. Nguyễn Đình Cống, PGS. Lý Trần Cường, TS. Trịnh Thanh Đạm, PGS. Nguyễn Lê Ninh; sách "Tính toán thực hành cấu kiện BTCT" của GS.TS. Nguyễn Đình Cống; tài liệu hướng dẫn phần mềm SAP 2000 của Hoàng Hiếu Nghĩa và Trịnh Duy Thành.

Phương pháp nghiên cứu và giải quyết bài toán kỹ thuật được thực hiện thông qua:

  • Phương pháp phân tích, so sánh phương án: So sánh giữa phương án kết cấu thép và bê tông cốt thép để chọn vật liệu; phân tích ưu nhược điểm giữa hệ khung thuần túy, hệ vách lõi cứng và hệ khung giằng kết hợp vách cứng thang máy; so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa sàn sườn toàn khối, sàn ô cờ và sàn không dầm (sàn nấm);
  • Phương pháp mô hình hóa cơ học: Thiết lập sơ đồ tính khung phẳng và khung không gian ngàm tại mặt đài móng, sử dụng chương trình phần mềm phân tích kết cấu ETABS (ETASB) và SAP 2000 để giải nội lực do các tổ hợp tải trọng gây ra;
  • Phương pháp giải tích cấu kiện: Tính toán diện tích cốt thép dọc cho dầm chịu uốn theo sơ đồ đàn hồi (tiết diện chữ nhật chịu mô men âm và tiết diện chữ T chịu mô men dương); tính toán cốt đai chịu cắt dựa trên điều kiện ứng suất nén chính và khả năng chịu cắt của bê tông; tính toán cốt thép cột theo bài toán cấu kiện nén uốn lệch tâm lớn và lệch tâm bé có xét đến ảnh hưởng của uốn dọc qua công thức thực nghiệm.

Nguồn dữ liệu tính toán bao gồm các số liệu khảo sát quy hoạch kiến trúc mặt bằng trường, các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu địa phương (gạch chỉ nung tuynen có cường độ chịu nén Rb = 75 kg/cm2, vữa xi măng mác #50 và #75, bê tông cấp độ bền B20, cốt thép nhóm CI và CII), và thông số vùng gió II với dạng địa hình B theo bản đồ phân vùng lãnh thổ Việt Nam trong TCVN 2737-1995.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kiến trúc

Chương này trình bày toàn bộ giải pháp kiến trúc tổng thể, giải pháp mặt bằng, mặt cắt, giải pháp kết cấu hoàn thiện và các hệ thống kỹ thuật phục vụ vận hành công trình ký túc xá.

Về quy hoạch và mặt bằng công năng: Công trình được tổ chức hợp khối cao 6 tầng, lấy cụm thang bộ và thang máy làm khu trung tâm kết nối với hành lang giữa rộng 3,0 m. Tại vị trí trung tâm bố trí một giếng trời diện tích 11,4 m2 để lấy sáng và thông gió tự nhiên xuyên suốt các tầng. Tầng 1 sử dụng vách ngăn di động linh hoạt để bố trí Ban quản lý ký túc xá, sảnh lưu thông, các kiốt bán hàng, căng tin phục vụ ăn uống, nhà sách và phòng họp tập thể. Tầng 2 đến tầng 6 bố trí các phòng ở khép kín của sinh viên, mỗi phòng đều có khu vệ sinh riêng và lôgia ban công rộng 1.200 mm hướng ra bên ngoài làm nơi phơi đồ và lấy thoáng. Tầng tum mái được sử dụng để bố trí buồng kỹ thuật thang máy và hệ thống bể chứa nước.

Thông số kiến trúc Giá trị kỹ thuật
Số tầng công trình 06 tầng nổi + 01 tầng tum
Chiều cao tầng 1 3,6 m
Chiều cao tầng 2 đến tầng 6 3,6 m / tầng
Chiều cao tầng tum 3,0 m
Tổng chiều cao toàn nhà 21,6 m
Kích thước mặt bằng xây dựng 27,3 m x 24,1 m
Hệ số chiếm đất toàn trường 30,5%
Tổng diện tích sàn xây dựng 5.620 m2
Diện tích sàn tầng 1 575 m2
Diện tích sàn phòng ở, vệ sinh, lôgia 3.738 m2
Diện tích buồng kỹ thuật thang máy, tầng tum 98,4 m2
Diện tích sàn sảnh, hành lang tầng 2 đến tầng 6 1.208 m2
Tổng số phòng ở sinh viên 64 phòng
Diện tích giếng trời trung tâm 11,4 m2
Bề rộng hành lang giữa 3,0 m

Về giải pháp cấu tạo và hoàn thiện: Tường bao che và tường ngăn xây gạch đặc vữa xi măng mác #50, trát vữa xi măng mác #50. Nền nhà lát gạch Ceramic kích thước 400x400 mm, khu vệ sinh lát gạch chống trơn và ốp gạch men kính lên cao 1.800 mm tính từ sàn. Cửa đi và cửa sổ dùng gỗ nhóm 3 sơn màu, hoa sắt cửa sơn 1 nước chống gỉ và 2 nước sơn màu. Mái công trình lợp tôn liên doanh múi vuông màu đỏ, hệ xà gồ thép hình chữ U100 đặt gác lên tường thu hồi dày 220 mm. Sàn bê tông cốt thép toàn khối B20 đổ tại chỗ dày 10 cm, trát trần bằng vữa xi măng mác #50 dày 15 mm. Thoát nước mặt quanh công trình bằng rãnh hở rộng 300 mm, sâu 250 mm, láng vữa xi măng mác #75 dày 20 mm đánh dốc về hố ga. Tường quét 2 nước vôi trắng lót và quét phủ màu vàng chanh; phào chỉ quanh cửa và mái quét vôi màu nâu đậm.

Về các giải pháp kỹ thuật hạ tầng:

  • Giao thông: Bố trí 2 cầu thang bộ thoát hiểm ở hai đầu nhà kết hợp 2 thang máy bố trí cạnh sảnh trung tâm.
  • Cấp thoát nước: Nguồn cấp nước lấy từ 02 bể nước ngầm dung tích 40 m3/bể đặt phía trước nhà (01 bể sinh hoạt, 01 bể cứu hỏa). Trạm bơm đặt tại chân cầu thang sử dụng ống đẩy D40 điều khiển tự động bơm lên 04 bể nước inox dung tích 10 m3 trên mái; mạng lưới phân phối dùng ống thép tráng kẽm đường kính D15 đến D65 đi ngầm tường, sàn và hộp kỹ thuật. Hệ thống thoát nước chia làm hai đường riêng biệt: nước phân xí tiểu dẫn qua bể tự hoại xử lý cục bộ trước khi thoát ra cống chung; nước tắm giặt gom vào ống đứng riêng dẫn về hố ga dưới đất.
  • Cấp điện: Nguồn điện 3 pha 4 dây 380V/220V cấp từ trạm biến áp 630 kVA (nâng cấp từ trạm 320 kVA sẵn có) qua tuyến cáp ngầm Cu/XLPE/PVC - 4(1x240) mm2 vào tủ phân phối chính T1. Công trình trang bị máy phát điện dự phòng 380/220V - 50 kVA và bộ chuyển nguồn tự động ATS phục vụ hệ thống thang máy. Từ tủ tổng T1 chia 11 lộ; cáp trục lên các tầng dùng loại Cu/PVC 3x25+1x16 mm2 đi trong thang cáp đặt ở hộp kỹ thuật. Mỗi phòng ở lắp 1 công tơ đo điện riêng tại cửa phòng. Hệ thống chống sét sử dụng kim thu sét phát xạ sớm tia tiên đạo PULSAL 30 có bán kính bảo vệ 52 m; bãi tiếp địa gồm các cọc thép mạ đồng D16 dài 2,5 m nối bằng thanh đồng dẹt 25x3 mm chôn sâu 0,8 m, đảm bảo điện trở nối đất nhỏ hơn 10 Ohm.
  • Phòng cháy chữa cháy: Bố trí hộp vòi chữa cháy tại mỗi sảnh cầu thang từng tầng (gồm cuộn vòi đường kính 50 mm dài 30 m, lăng phun đường kính 13 mm kèm van góc). Hệ thống được cấp bởi máy bơm chữa cháy kết hợp máy bơm sinh hoạt và máy bơm động cơ diesel dự phòng khi mất điện, cùng 02 họng chờ ngoài nhà để xe chữa cháy tiếp nước.

Chương 2: Phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu công trình. Tính toán nội lực

Chương này tập trung lựa chọn hệ kết cấu chịu lực, xác định vật liệu, tính toán sơ bộ tiết diện cấu kiện, tổng hợp tải trọng và thiết lập mô hình tính toán nội lực.

Lựa chọn vật liệu và hệ kết cấu: Tác giả lựa chọn kết cấu bê tông cốt thép toàn khối thay vì kết cấu thép nhằm hạ giá thành, chống chịu môi trường tốt và tận dụng nguồn vật liệu địa phương. Vật liệu được quy định cụ thể:

  • Bê tông cấp độ bền B20: Cường độ chịu nén tính toán Rb = 11,5 MPa (11,5x10^3 kN/m2), cường độ chịu kéo tính toán Rbt = 0,9 MPa (0,9x10^3 kN/m2), hệ số điều kiện làm việc gamma_b2 = 1;
  • Cốt thép: Thép đường kính d < 10 mm dùng nhóm CI có cường độ tính toán Rs = 225 MPa, hệ số xi_R = 0,645, alpha_R = 0,437; thép đường kính d >= 10 mm dùng nhóm CII (AII) có cường độ tính toán Rs = 280 MPa, hệ số xi_R = 0,623, alpha_R = 0,429;
  • Gạch chỉ nung tuynen xây tường có Rb = 75 kg/cm2.

Phân tích các hệ chịu lực nhà cao tầng cho thấy: Hệ khung giằng kết hợp giữa hệ khung bê tông cốt thép và vách cứng giếng thang máy là giải pháp tối ưu. Dưới tác dụng của tải trọng ngang, vách cứng thang máy đảm nhận trên 80% lực cắt tầng nhờ độ cứng chống uốn lớn, giúp phân phối đều lực cắt cho các tầng, làm giảm mô men uốn trong dầm và cột, từ đó giảm tiết diện cấu kiện và thuận lợi cho thi công. Giải pháp sàn được chọn là sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối thay vì sàn ô cờ hay sàn nấm do tính toán đơn giản, công nghệ thi công phổ biến và phù hợp bước cột công trình.

Xác định kích thước sơ bộ cấu kiện:

  • Chiều dày bản sàn: Áp dụng công thức hb = (D/m)*l. Với bản kê 4 cạnh chọn m = 45, D = 1,0. Ô sàn có nhịp lớn nhất l = 4,5 m tính được hb = (1,0/45)*4,5 = 0,1 m (10 cm); nhịp l = 3,9 m tính được hb = 8,6 cm. Tác giả chọn chiều dày bản sàn thống nhất hb = 10 cm cho toàn bộ các ô sàn ở tất cả các tầng.
  • Kích thước tiết diện dầm: Áp dụng công thức hd = (1/md)*ld với md = 8-12 đối với dầm chính. Với nhịp lớn nhất ld = 4,5 m, lấy md = 10 cho ra hd = 45 cm; bề rộng dầm chọn b = 22 cm. Dầm sàn vệ sinh chọn kích thước b x h = 22x30 cm. Kích thước dầm toàn nhà được chọn sơ bộ đồng bộ là 22x45 cm. Vách thang máy chọn chiều dày 25 cm.
  • Kích thước tiết diện cột: Tính sơ bộ cột giữa B-6 tầng 1 theo công thức Ayc = K * N / Rn. Với hệ số mô men K = 1,2; cường độ bê tông Rn = 115 kg/cm2; diện truyền tải S = ((4,5 + 3,8)/2) * 3,9 = 16,185 m2; số tầng n = 6; tải trọng sơ bộ q = 1,2 T/m2. Diện tích yêu cầu Ayc = 1,2 * (16,185 * 6 * 12.000) / 1.150 = 1.013 cm2. Chọn tiết diện cột 40x40 cm (diện tích thực tế 1.600 cm2). Để tiết kiệm vật liệu, tác giả dự kiến thay đổi tiết diện cột tại tầng 4 từ 40x40 cm xuống 35x35 cm. Kiểm tra độ mảnh theo phương ngang với l0 = 0,7H = 0,7 * 360 = 252 cm; độ mảnh lambda = l0/b = 252/40 = 6,3 <= 31, đạt yêu cầu ổn định.

Tổng hợp tải trọng tác dụng:

Loại tải trọng Cấu kiện / Vị trí Giá trị tiêu chuẩn Hệ số vượt tải (n) Giá trị tính toán
Tĩnh tải sàn Sàn tầng điển hình - - 350 kg/m2
Tĩnh tải sàn Sàn khu vệ sinh - - 148 kg/m2
Tĩnh tải sàn Sàn tầng mái 601 kg/m2 - 294 kg/m2
Tĩnh tải tường Tường gạch đặc dày 220 cao 3,2 m 1,619 T/m - Nhân hệ số giảm cửa 0,8
Tĩnh tải tường Tường gạch đặc dày 110 cao 3,3 m 0,950 T/m - Nhân hệ số giảm cửa 0,8
Tĩnh tải tường Tường gạch đặc dày 110 cao 2,1 m 0,605 T/m - Nhân hệ số giảm cửa 0,8
Tĩnh tải tường Tường sê nô, hành lang dày 110 cao 1,0 m 0,288 T/m - -
Hoạt tải sử dụng Phòng làm việc 200 kg/m2 1,2 240 kg/m2
Hoạt tải sử dụng Phòng vệ sinh 200 kg/m2 1,2 240 kg/m2
Hoạt tải sử dụng Sảnh, hành lang, cầu thang 300 kg/m2 1,2 360 kg/m2
Hoạt tải sử dụng Phòng hội họp 400 kg/m2 1,5 -
Tải trọng gió Toàn bộ công trình (H = 21,6 m) Wo = 95 kg/m2 (Vùng II) n = 1,2; c_hút=0,6; c_đón=0,8 Gió tĩnh quy về dầm biên từng tầng

Về tải trọng gió: Do chiều cao công trình H = 21,6 m (< 40 m), theo TCVN 2737-1995 chỉ cần tính toán thành phần gió tĩnh, không xét thành phần gió động. Áp lực gió tính toán xác định theo công thức W = Wo * K * B * C * n, với địa hình B và hệ số khí động tổng C = 1,4 (gồm mặt đón c = 0,8 và mặt hút c = 0,6).

Tổ hợp và giải nội lực: Sử dụng mô hình không gian giải bằng chương trình ETABS. Tải trọng đưa vào tổ hợp gồm 4 trường hợp cơ bản: Tĩnh tải bản thân và hoàn thiện, hoạt tải sử dụng chất lệch tầng lệch nhịp, gió X trái (dương) và gió X phải (âm).

Chương 3: Tính toán dầm khung K6

Chương này trình bày chi tiết thuật toán tính toán và kết quả bố trí cốt thép dọc, cốt đai cho các dầm thuộc Khung trục 6 từ tầng 1 đến tầng mái.

Phương pháp tính toán cốt thép dầm:

  • Tại tiết diện chịu mô men âm (ở gối tựa): Bê tông vùng cánh chịu kéo nên tính toán theo tiết diện chữ nhật b x h (22x45 cm). Chiều cao làm việc h0 = h - a = 45 - 3 = 42 cm. Xác định hệ số alpha_m = M / (Rb * b * h0^2), tra hệ số gamma = 0,5 * (1 + sqrt(1 - 2*alpha_m)), từ đó diện tích cốt thép tính theo công thức As = M / (Rs * gamma * h0).
  • Tại tiết diện chịu mô men dương (ở giữa nhịp): Bản sàn nằm trong vùng chịu nén tham gia chịu lực cùng sườn dầm, tính toán theo tiết diện chữ T với bề rộng cánh tính toán bf = b + 2sf = 22 + 250 = 122 cm (sf lấy bằng 50 cm). Khả năng chịu mô men của cánh Mf = Rb * bf * hf * (h0 - 0,5*hf). Vì các giá trị mô men nhịp đều thỏa mãn điều kiện M < Mf nên trục trung hòa đi qua cánh, bài toán được tính toán như tiết diện chữ nhật quy ước bf x h (122x45 cm).
  • Điều kiện kiểm tra hàm lượng cốt thép: mu_min = 0,05% <= mu = As / (b * h0) <= mu_max = xi_R * Rb / Rs = 2,56%.
Tên dầm và vị trí tầng Tiết diện tính toán Mô men uốn M (kG.cm / T.m) Chiều cao h0 (cm) Hệ số alpha_m Hệ số gamma Diện tích As tính toán (cm2)
Dầm B16 tầng 1 Gối (M âm) 327.200 kG.cm (3,272 T.m) 42,0 0,105 0,948 2,94 cm2
Dầm B16 tầng 1 Nhịp (M dương) 172.300 kG.cm (1,723 T.m) 42,0 0,009 0,995 1,48 cm2
Dầm B19 tầng 1 Gối (M âm) 333.300 kG.cm (3,333 T.m) 42,0 0,107 0,947 3,00 cm2
Dầm B19 tầng 1 Nhịp (M dương) 120.000 kG.cm (1,200 T.m) 42,0 0,007 0,996 1,02 cm2
Dầm B27 tầng 1 Gối (M âm) 112.200 kG.cm (1,122 T.m) 42,0 0,036 0,983 0,98 cm2
Dầm B27 tầng 1 Nhịp (M dương) 2.500 kG.cm (0,025 T.m) 42,0 0,000 1,000 0,02 cm2 (đặt cấu tạo)
Dầm B16 tầng 3 Gối (M âm) 368.000 kG.cm (3,680 T.m) 42,0 0,118 0,940 3,35 cm2
Dầm B16 tầng 3 Nhịp (M dương) 173.200 kG.cm (1,732 T.m) 42,0 0,009 0,995 1,49 cm2
Dầm B19 tầng 3 Gối (M âm) 368.000 kG.cm (3,680 T.m) 42,0 0,118 0,940 3,35 cm2
Dầm B19 tầng 3 Nhịp (M dương) 173.200 kG.cm (1,732 T.m) 42,0 0,009 0,995 1,49 cm2
Dầm B27 tầng 3 Gối (M âm) 137.300 kG.cm (1,373 T.m) 42,0 0,044 0,979 1,20 cm2
Dầm B16 tầng mái Gối (M âm) 384.000 kG.cm (3,840 T.m) 42,0 0,123 0,938 3,51 cm2
Dầm B16 tầng mái Nhịp (M dương) 175.900 kG.cm (1,759 T.m) 42,0 0,010 0,995 1,51 cm2
Dầm B19 tầng mái Gối (M âm) 198.400 kG.cm (1,984 T.m) 42,0 0,064 0,969 1,75 cm2
Dầm B19 tầng mái Nhịp (M dương) 141.900 kG.cm (1,419 T.m) 42,0 0,008 0,996 1,21 cm2
Dầm B27 tầng mái Gối (M âm) 140.700 kG.cm (1,407 T.m) 42,0 0,045 0,978 1,23 cm2

Tính toán cốt thép ngang (cốt đai) chịu cắt:

  • Lực cắt tính toán nguy hiểm nhất trích xuất từ bảng tổ hợp là Q = 4.684 daN (khoảng 4,684 T). Thép đai sử dụng nhóm AI có cường độ chịu kéo tính toán Rsw = 175 MPa (1.750 daN/cm2); mô đun đàn hồi Es = 2,1x10^5 MPa. Tải trọng tính toán phân bố đều tác dụng lên dầm gồm tĩnh tải sàn truyền vào kết hợp trọng lượng bản thân dầm g = 1.214 + (0,22 * 0,45 * 2.500 * 1,1) = 1.461 kg/m = 14,61 daN/cm. Chiều cao làm việc chịu cắt h0 = 45 - 4 = 41 cm.
  • Kiểm tra điều kiện nén chính của bụng dầm: Q = 4.684 daN <= 0,3 * Rb * b * h0 = 0,3 * 115 * 22 * 41 = 31.119 daN, dầm đảm bảo khả năng chịu ứng suất nén chính.
  • Kiểm tra điều kiện tính toán đai: Giá trị chịu cắt tối thiểu của bê tông Qb,min = 0,5 * Rbt * b * h0 = 0,5 * 9 * 22 * 41 = 4.059 daN (hoặc 3.382 daN theo hệ số cấu tạo). Vì Q = 4.684 daN > Qb,min nên bắt buộc phải bố trí cốt đai theo tính toán.
  • Xác định khả năng chịu lực của cốt đai: Lực cốt đai yêu cầu qsw = 45 daN/cm, lớn hơn giá trị qsw,min = 0,25 * Rbt * b = 0,25 * 9 * 22 = 49,5 / 41,25 daN/cm.
  • Chọn quy cách cốt đai: Sử dụng cốt đai phi 8 (d8) loại 2 nhánh, diện tích tiết diện 1 nhánh asw = 0,503 cm2 (tổng 2 nhánh là 1,006 cm2). Khoảng cách tính toán stt = (n * Rsw * asw) / qsw = (2 * 1.750 * 0,503) / 45 = 39,1 cm; khoảng cách cấu tạo đoạn đầu dầm sct = min(h/2; 15 cm) hoặc 20 cm. Kết hợp các điều kiện tính toán và cấu tạo, tác giả chọn khoảng cách bố trí s = 200 mm (20 cm). Quy cách cốt đai chốt cho dầm khung là phi 8s200 (d8a200) 2 nhánh.

Chương 4: Tính toán và bố trí thép cột

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết tính toán cột bê tông cốt thép tiết diện chữ nhật chịu nén uốn lệch tâm theo quy định của tiêu chuẩn TCXDVN 5574-2012 và phương pháp tính toán thực nghiệm do GS. Nguyễn Đình Cống đề xuất.

Nguyên lý tính toán nội lực và độ lệch tâm:

  • Cặp nội lực tính toán được trích xuất từ tổ hợp nguy hiểm nhất gồm mô men M và lực dọc tương ứng N (M = max{|Mmax|, |Mmin|} đi kèm Ntu).
  • Giả thiết chiều dày lớp bê tông bảo vệ a = a' để xác định chiều cao làm việc h0 = h - a và khoảng cách giữa trọng tâm hai lớp thép Za = h0 - a'.
  • Độ lệch tâm ban đầu e0 được xác định theo đặc trưng kết cấu siêu tĩnh: e0 = max{e1, ea}, trong đó e1 = M/N là độ lệch tâm tĩnh học, còn ea là độ lệch tâm ngẫu nhiên (lấy không nhỏ hơn L/600, h/30 và 10 mm).
  • Khoảng cách từ điểm đặt lực dọc nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo hoặc chịu nén ít hơn: e = e0 - a + h/2.

Xét ảnh hưởng của uốn dọc:

  • Nếu tỷ số l0/h <= 8 thì không cần xét uốn dọc, lấy hệ số uốn dọc eta = 1.
  • Nếu l0/h > 8, phải tính toán lực dọc tới hạn Ncr để xác định hệ số uốn dọc eta = 1 / (1 - N/Ncr). Công thức tiêu chuẩn xác định Ncr dựa trên độ cứng chống uốn tổng thể của tiết diện bê tông và cốt thép có xét tải trọng dài hạn.
  • Bên cạnh đó, tác giả viện dẫn công thức thực nghiệm của GS. Nguyễn Đình Cống nhằm đơn giản hóa tính toán: Ncr = (2,5 * Eb * I) / (eta_e * l0^2), trong đó eta_e = 0,5 + e0/h.

Phân biệt hai trường hợp nén lệch tâm:

  • Giả thiết chiều cao vùng nén x1 = N / (Rb * b) với trường hợp cốt thép chịu kéo và chịu nén có Rs = Rsc.
  • Trường hợp 1 (Nén lệch tâm lớn): Thỏa mãn điều kiện 2a' <= x1 <= xi_R * h0. Cốt thép vùng kéo đạt tới cường độ tính toán Rs. Diện tích cốt thép đặt vào tiết diện được tính theo phương trình cân bằng mô men quanh điểm đặt cốt thép đối diện: As' = (N * e - Rb * b * x * (h0 - 0,5*x)) / (Rsc * Za).
  • Trường hợp 2 (Nén lệch tâm bé): Xảy ra khi x1 < 2a' hoặc x1 > xi_R * h0, cấu kiện bị phá hoại do bê tông vùng nén bị ép vỡ trước khi cốt thép vùng kéo đạt giới hạn chảy, đòi hỏi phải giải phương trình bậc ba hoặc sử dụng bảng tra để tính toán lượng thép cần thiết.

Kết quả và đóng góp

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật công trình ký túc xá học đường với các kết quả cụ thể:

  • Xác lập hồ sơ thiết kế kiến trúc hoàn chỉnh cho công trình 6 tầng nổi, quy mô 64 phòng ở khép kín và diện tích sàn 5.620 m2, tuân thủ đúng mật độ xây dựng toàn trường (hệ số chiếm đất 30,5%) và các yêu cầu về an toàn giao thông thoát hiểm, vi khí hậu;
  • Xác lập hệ giải pháp kỹ thuật công trình đồng bộ: Mạng lưới cấp nước 2 nguồn bể ngầm 40 m3 kết hợp bể mái 10 m3; trạm biến áp 630 kVA có máy phát 50 kVA qua bộ chuyển nguồn tự động ATS; hệ thống tiếp địa chống sét tia tiên đạo PULSAL 30 (bán kính 52 m, điện trở tiếp địa < 10 Ohm) và mạng lưới chữa cháy vách tường hoàn chỉnh;
  • Lựa chọn sơ đồ chịu lực khung giằng kết hợp vách thang máy hiệu quả: Vách thang máy đảm nhận hơn 80% tải trọng ngang do gió, giúp giảm kích thước tiết diện dầm cột đáng kể. Tiết diện dầm khung đồng bộ 22x45 cm; sàn dày 10 cm; cột tầng 1 đến tầng 3 chọn kích thước 40x40 cm, từ tầng 4 giảm xuống 35x35 cm giúp tiết kiệm bê tông và cốt thép;
  • Kết quả tính toán kết cấu dầm Khung trục 6: Diện tích cốt thép chịu mô men âm dao động từ 0,98 cm2 đến 3,84 cm2; cốt thép chịu mô men dương từ 1,02 cm2 đến 1,75 cm2; cốt đai chịu cắt được tính toán kiểm tra nén chính chính xác và thống nhất bố trí thép đai phi 8 khoảng cách 200 mm (phi 8s200) loại 2 nhánh;
  • Đóng góp chuyên môn do tác giả tự nêu: Đồ án đã áp dụng nhất quán quy trình thiết kế kết cấu hiện đại bằng cách phối hợp phần mềm ETABS phân tích không gian với các công thức lý thuyết và thực nghiệm (tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005, TCXDVN 5574-2012 và GS. Nguyễn Đình Cống) để xử lý cấu kiện uốn, nén uốn lệch tâm và chịu cắt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Về phạm vi tính toán chi tiết: Tác giả mới chỉ tập trung tính toán thép chi tiết cho một khung đại diện (Khung trục 6), thiết kế móng Khung trục 6 và sàn tầng 4; các khung phẳng và ô sàn còn lại chưa được xuất chi tiết cốt thép trong phần văn bản này;
  • Về tải trọng tác động: Do công trình cao 21,6 m (< 40 m), đồ án mới chỉ dừng lại ở việc tính toán thành phần gió tĩnh theo TCVN 2737-1995, chưa xét đến thành phần động của tải trọng gió hay kiểm tra khả năng kháng chấn dưới tác động động đất cấp 7 (mặc dù phần lý thuyết có đề cập đến ưu điểm của hệ khung giằng trong vùng động đất cấp 7);
  • Về dữ liệu địa chất nền móng: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền tại vị trí Khu B Đông Ngạc chưa được trình bày chi tiết trong phần tính toán dầm cột trích xuất.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Triển khai tính toán và xuất bản vẽ thi công toàn bộ các khung trục còn lại (từ trục 1 đến trục 8 và các khung dọc nhà), kết hợp thiết kế tổng thể hệ móng cọc hoặc móng băng dựa trên số liệu khoan khảo sát địa chất thực tế;
  • Thiết lập mô hình phân tích động lực học phi tuyến của công trình dưới tác động đồng thời của tải trọng gió động và động đất theo TCVN 9386:2012.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, Kiến trúc công trình tại các trường đại học kỹ thuật tham khảo khi thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học Bê tông cốt thép, đồ án Kiến trúc dân dụng và phần mềm ứng dụng xây dựng;
  • Các kỹ sư thiết kế kết cấu công trình dân dụng mới ra trường cần tài liệu mẫu chuẩn mực về trình tự lựa chọn sơ bộ cấu kiện, tổng hợp tĩnh tải hoàn thiện, tra cứu hoạt tải tiêu chuẩn và áp dụng mô hình khung giằng kết hợp vách lõi thang máy;
  • Những nội dung có giá trị tham khảo nổi bật gồm: Bảng tổng hợp chi tiết tĩnh tải sàn - tường, quy trình tính toán dầm tiết diện chữ T có cánh bê tông chịu nén, thuật toán kiểm tra ứng suất nén chính của bụng dầm để chọn bước cốt đai, và hệ thống công thức tính cột nén uốn lệch tâm theo lý thuyết của GS. Nguyễn Đình Cống.

Câu hỏi thường gặp

Công trình Ký túc xá 6 tầng Trường Đại học Mỏ - Địa chất có quy mô mặt bằng và diện tích sàn xây dựng là bao nhiêu?
Công trình có chiều cao 6 tầng nổi và 1 tầng tum kỹ thuật, tổng chiều cao toàn nhà là 21,6 m (chiều cao mỗi tầng từ tầng 1 đến tầng 6 là 3,6 m; tum cao 3,0 m). Mặt bằng xây dựng có kích thước 27,3 m x 24,1 m. Tổng diện tích sàn xây dựng là 5.620 m2, bao gồm 575 m2 sàn tầng 1, 3.738 m2 sàn phòng ở sinh viên kèm vệ sinh và lôgia (tổng cộng 64 phòng ở), 1.208 m2 sàn sảnh và hành lang từ tầng 2 đến tầng 6, cùng 98,4 m2 buồng kỹ thuật thang máy và tầng tum.

Tại sao tác giả lại lựa chọn hệ kết cấu khung giằng kết hợp vách cứng thang máy cho công trình?
Hệ kết cấu khung giằng kết hợp vách thang máy được lựa chọn vì tận dụng được ưu thế của cả hai hệ thống: vừa tạo không gian linh hoạt cho kiến trúc bố trí phòng ở sinh viên, vừa tăng khả năng chống chịu lực ngang. Vách cứng giếng thang máy có độ cứng chống uốn lớn đảm nhận trên 80% lực cắt tầng do tải trọng ngang (gió) gây ra, giúp điều tiết biến dạng cắt uốn, giảm chuyển vị đỉnh, phân phối đều mô men uốn cho cột và dầm, từ đó làm giảm kích thước tiết diện dầm cột và tiết kiệm chi phí xây dựng.

Các thông số kích thước cấu kiện chịu lực chính được tác giả sơ bộ và lựa chọn như thế nào?
Chiều dày bản sàn được chọn thống nhất hb = 10 cm cho mọi tầng dựa trên tính toán nhịp lớn nhất l = 4,5 m theo công thức bản kê 4 cạnh. Tiết diện dầm khung chính được chọn đồng bộ có bề rộng b = 22 cm và chiều cao h = 45 cm; dầm sàn vệ sinh có kích thước 22x30 cm; chiều dày vách thang máy là 25 cm. Cột tầng 1 đến tầng 3 được chọn kích thước 40x40 cm (diện tích 1.600 cm2, thỏa mãn diện tích yêu cầu 1.013 cm2 của cột giữa B-6 và kiểm tra độ mảnh lambda = 6,3 <= 31); từ tầng 4 lên tầng 6 giảm tiết diện cột xuống 35x35 cm.

Hạ tầng kỹ thuật điện và phòng cháy chữa cháy của công trình được thiết kế với các thiết bị gì?
Hệ thống điện lấy từ trạm biến áp 630 kVA (nâng cấp từ trạm 320 kVA sẵn có) dẫn bằng cáp ngầm Cu/XLPE/PVC - 4(1x240) mm2, có máy phát điện dự phòng 380/220V - 50 kVA cấp qua tủ chuyển đổi tự động ATS cho thang máy. Hệ thống chống sét sử dụng kim phát xạ sớm PULSAL 30 bán kính 52 m và bãi tiếp địa cọc mạ đồng D16 dài 2,5 m có điện trở < 10 Ohm. Hệ thống chữa cháy trang bị các hộp vòi chữa cháy tại mỗi sảnh tầng (cuộn vòi D50 dài 30 m, lăng phun D13), kết hợp máy bơm điện, máy bơm diesel dự phòng đấu nối từ 02 bể ngầm 40 m3 và 02 họng chờ ngoài nhà cho xe cứu hỏa.

Kết quả tính toán cốt đai chịu cắt cho dầm Khung trục 6 đạt giá trị bao nhiêu và bố trí quy cách thế nào?
Với lực cắt tính toán nguy hiểm nhất Q = 4.684 daN và tải trọng phân bố trên dầm g = 14,61 daN/cm, kết quả kiểm tra cho thấy dầm thỏa mãn điều kiện ứng suất nén chính (Q <= 31.119 daN) nhưng lớn hơn khả năng chịu cắt tối thiểu của bê tông (Q > 3.382 daN), do đó bắt buộc phải tính cốt đai. Lực cốt đai yêu cầu qsw = 45 daN/cm. Tác giả chọn cốt đai thép nhóm AI đường kính 8 mm (phi 8), loại 2 nhánh (asw = 0,503 cm2), bước đai tính toán stt = 200 mm và bước đai cấu tạo sct = 200 mm. Quy cách bố trí chốt là thép đai phi 8s200 (khoảng cách 200 mm) 2 nhánh.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Công trình: Ký túc xá 6 tầng Trường Đại học Mỏ - Địa chất" của sinh viên Nguyễn Đức Mạnh đã thực hiện hoàn chỉnh hai nhiệm vụ cốt lõi về kiến trúc và kết cấu công trình công cộng theo đúng tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam. Tác giả đã đề xuất thành công giải pháp kiến trúc hợp khối 6 tầng gồm 64 phòng ở tiện nghi, đồng thời ứng dụng hệ kết cấu khung giằng kết hợp vách thang máy bê tông cốt thép B20 giúp phân bố lại nội lực và tối ưu hóa kích thước cấu kiện. Quy trình tính toán nội lực trên mô hình ETABS và bài toán thiết kế chi tiết dầm, cột, sàn, móng Khung trục 6 được thực hiện bài bản, số liệu minh bạch, mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cao cho công tác đào tạo và thực hành thiết kế xây dựng dân dụng.