Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Nhà làm việc khu hiệu bộ trường THCS huyện An Lão – Hải Phòng" được thực hiện trong khuôn khổ chương trình đào tạo kỹ sư ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2019). Công trình được nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển cơ sở vật chất giáo dục theo tiêu chuẩn trường chuẩn quốc gia, phục vụ công tác giảng dạy, học tập và quản lý hành chính tại xã Trường Thọ, huyện An Lão, thành phố Hải Phòng.

Về quy mô quy hoạch, toàn bộ khu trường học có diện tích mặt bằng $10.000\text{ m}^2$, bao gồm quỹ đất dự trữ phát triển tương lai và các khối công trình chính: Nhà hiệu bộ đa năng 5 tầng, Nhà lớp học 5 tầng, Nhà thể thao, Nhà ở và các hạng mục phụ trợ kỹ thuật.

Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu trọng tâm của đồ án được giới hạn trong việc thiết kế kiến trúc và tính toán giải pháp kết cấu cho hạng mục Nhà hiệu bộ đa năng. Công trình gồm 5 tầng chính và 1 tầng áp mái, với diện tích xây dựng $430\text{ m}^2$, tổng chiều cao tính từ cốt $0.000$ đến đỉnh mái là $H = 21,6\text{ m}$, chiều dài tổng thể $L = 49,5\text{ m}$ và chiều rộng $B = 10,9\text{ m}$.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Xác lập giải pháp mặt bằng công năng, không gian kiến trúc và cấu tạo các bộ phận của khối nhà làm việc hiệu bộ.
  2. So sánh, lựa chọn hệ kết cấu chịu lực, phương án sàn và phương án nền móng tối ưu về mặt kỹ thuật - kinh tế.
  3. Xác định sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện chịu lực (cột, dầm, sàn).
  4. Xác định tải trọng tác dụng (tĩnh tải, hoạt tải sử dụng, tải trọng gió vùng II-B) và thực hiện phân phối tải trọng về khung chịu lực điển hình (khung trục 5).
  5. Phân tích nội lực kết cấu khung phẳng dưới các trường hợp tải trọng thông qua phần mềm tính toán kết cấu SAP2000.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các nguyên lý cơ học kết cấu, lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn và phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa sự làm việc của khung nhà nhiều tầng.

Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng được áp dụng trong tính toán bao gồm:

  • TCXDVN 5574:2002: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCVN 5575:1991: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép / cốt thép cho kết cấu bê tông.
  • TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 (áp dụng phụ lục xác định hệ số khí động $k$).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết giải tích (quy đổi tải trọng phân bố tam giác, hình thang từ các ô bản sàn 2 phương về dầm theo hệ số hình học) và phương pháp số thông qua chương trình máy tính SAP2000 để giải hệ kết cấu siêu tĩnh, xác định biểu đồ nội lực (mômen uốn $M$, lực cắt $Q$, lực dọc $N$).

Đặc trưng cơ lý của hệ thống vật liệu sử dụng trong đồ án:

Loại vật liệu Cấp độ bền / Chủng loại Cường độ tiêu chuẩn (MPa) Cường độ tính toán (MPa) Môđun đàn hồi $E$ (MPa)
Bê tông B15 $R_{bn} = 11,0$; $R_{btn} = 1,15$ $R_b = 8,5$; $R_{bt} = 0,75$ $E_b = 23.000$
Bê tông B20 $R_{bn} = 15,0$; $R_{btn} = 1,40$ $R_b = 11,5$; $R_{bt} = 0,90$ $E_b = 27.000$
Thép nhóm AI Thép đai, thép bản sàn $R_{sn} = 235$ $R_s = 225$ $E_s = 2,1 \times 10^5$
Thép nhóm AII Cốt dọc dầm, cột $R_{sn} = 295$ $R_s = 280$ $E_s = 2,1 \times 10^5$
Thép nhóm AIII Cốt thép chịu lực $R_{sn} = 390$ $R_s = 365$ $E_s = 2,1 \times 10^5$

Các vật liệu địa phương khác được lựa chọn gồm: gạch đặc đất sét nung mác M75, cát vàng sông Lô, cát đen sông Hồng, đá dăm Kiện Khê (Hà Nam) hoặc Đồng Mỏ (Lạng Sơn).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kiến trúc

Nội dung chương 1 thiết lập các giải pháp không gian, mặt bằng và cấu tạo kiến trúc công trình:

  • Phân khu chức năng theo chiều cao: Mặt bằng hình chữ nhật gồm 11 bước cột theo phương dọc và 2 nhịp theo phương ngang. Tầng 1, tầng 2 và tầng 3 được bố trí làm khu vực cơ quan hành chính nhà trường (phòng Hiệu trưởng, các Phó Hiệu trưởng, văn phòng, phòng ban chức năng). Tầng 4 và tầng 5 bố trí các phòng đọc thư viện, phòng hội đồng và hội trường đa năng.
  • Hệ thống giao thông và phụ trợ: Giao thông theo phương ngang sử dụng hành lang bên chạy dọc công trình. Giao thông theo phương đứng gồm cụm cầu thang bộ bố trí tại khu vực trung tâm (trục 6–8) kết hợp thang máy bố trí liền kề. Khu vệ sinh tập trung được bố trí tại đầu hồi phía trái tòa nhà (trục 1–2) cho tất cả các tầng.
  • Quy cách cấu tạo các bộ phận:
    • Cấu tạo nền: Lát gạch Ceramic $300 \times 300\text{ mm}$, lớp vữa lót dày $15\text{ mm}$ xi măng mác M50, lớp bê tông gạch vỡ dày $100\text{ mm}$ mác M25, lớp cát tôn nền đầm chặt.
    • Cấu tạo sàn tầng 2 đến tầng 5: Gạch lát $300 \times 300\text{ mm}$, vữa lót dày $15\text{ mm}$ M50, bản bê tông cốt thép toàn khối dày $100\text{ mm}$, trát trần dày $10\text{ mm}$ vữa xi măng M50.
    • Cấu tạo sàn mái: Lát gạch chống nóng dày $150\text{ mm}$, lớp láng vữa xi măng M75 dày $30\text{ mm}$ tạo dốc, bản bê tông cốt thép dày $100\text{ mm}$, lớp vữa trát trần dày $10\text{ mm}$ M50.
    • Chiều cao tầng: Chiều cao tầng 1 đạt $3,6\text{ m}$; các tầng điển hình và tầng áp mái đạt $3,6\text{ m}$.

Chương 2: Lựa chọn giải pháp kết cấu

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình phân tích so sánh phương án, xác định kích thước sơ bộ cấu kiện, tính toán tải trọng và phân tích nội lực khung trục 5:

1. Phân tích và lựa chọn giải pháp kết cấu

  • Hệ chịu lực thân nhà: Tác giả phân tích 4 sơ đồ chịu lực gồm hệ khung chịu lực, hệ khung - vách cứng, hệ vách - lõi cứng và hệ hỗn hợp khung - vách - lõi. Với công trình 6 tầng, tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng lớn ($L/B = 49,5 / 10,2 = 4,85 > 2$), công trình làm việc theo phương ngang là chủ yếu. Tác giả lựa chọn hệ kết cấu khung phẳng bê tông cốt thép toàn khối do phù hợp quy mô, đơn giản trong thi công và đảm bảo độ an toàn chịu lực.
  • Hệ kết cấu sàn: So sánh giữa sàn sườn toàn khối, sàn ô cờ, sàn không dầm (sàn nấm) và sàn panen lắp ghép. Phương án sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối được lựa chọn nhằm tối ưu hóa độ cứng tổng thể, giảm chiều dày bản sàn (tiết kiệm vật liệu) và phù hợp với năng lực thi công thực tế.
  • Phương án móng: Sơ bộ lựa chọn móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ép trước. Giải pháp này tận dụng sức kháng mũi và ma sát thân cọc, giá thành thấp hơn cọc khoan nhồi từ 2 đến 2,5 lần, dễ kiểm soát chất lượng chế tạo tại nhà máy và không gây chấn động lớn tới các công trình lân cận.

2. Xác định kích thước sơ bộ cấu kiện

  • Chiều dày bản sàn ($h_b$): Xác định theo công thức $h_b = \frac{D}{m} \cdot l_1$. Xét ô bản lớn nhất có kích thước $l_2 \times l_1 = 7,2\text{ m} \times 4,8\text{ m}$ (tỷ số $l_2 / l_1 = 1,5 < 2$, tính theo bản kê bốn cạnh). Với hệ số $D = 1,2$ và $m = 40$, chiều dày tính toán $h_b = \frac{1,2}{40} \times 300 = 9,01\text{ cm}$. Tác giả chọn chiều dày bản sàn chung cho toàn bộ mặt bằng là $h_b = 10\text{ cm}$ ($100\text{ mm}$).
  • Kích thước tiết diện dầm ($h_d, b_d$):
    • Dầm chính nhịp $7,2\text{ m}$: chọn $h_d = \frac{720}{12} = 60\text{ cm} = 600\text{ mm}$; bề rộng $b_d = 220\text{ mm}$ (tiết diện $220 \times 600\text{ mm}$).
    • Dầm nhịp $3,0\text{ m}$ và dầm phụ nhịp $2,5\text{ m}$: chọn $h_d = 300\text{ mm}$; tiết diện $220 \times 300\text{ mm}$.
    • Dầm liên tục dọc nhà (nhịp $4,5\text{ m}$ và $4,8\text{ m}$): chọn tiết diện $220 \times 300\text{ mm}$.
  • Kích thước tiết diện cột: Xác định từ diện tích yêu cầu $A_{\text{cột}} \ge k \cdot \frac{N}{R_b}$ (với tải trọng tương đương $q = 1200\text{ kG/m}^2$, hệ số mômen $k = 1,2$, bê tông B20 có $R_b = 115\text{ kG/cm}^2$):
    • Cột biên trục A: chọn tiết diện không đổi từ tầng 1 đến tầng 5 là $220 \times 220\text{ mm}$ ($A = 0,0484\text{ m}^2$).
    • Cột giữa trục B và trục C: tầng 1, 2, 3 chọn tiết diện $300 \times 500\text{ mm}$; tầng 4 và tầng 5 giảm tiết diện xuống $300 \times 400\text{ mm}$.

3. Tính toán và phân phối tải trọng lên khung trục 5

  • Tĩnh tải các lớp cấu tạo ($g$):
Bộ phận kết cấu Tải trọng tiêu chuẩn ($kG/m^2$ hoặc $kG/m$) Hệ số vượt tải $n$ Tải trọng tính toán ($kG/m^2$ hoặc $kG/m$)
Sàn mái 679 1,1 – 1,3 764
Sàn tầng 2, 3, 4 338 1,1 – 1,3 384
Sàn khu vệ sinh 581 1,1 – 1,3 660
Sàn cầu thang 569 1,1 – 1,3 641
Dầm $220 \times 300\text{ mm}$ 132 1,1 – 1,3 150
Dầm $220 \times 600\text{ mm}$ 319 1,1 – 1,3 359
Tường xây dày $220\text{ mm}$ 456 1,1 – 1,3 514
Tường xây dày $110\text{ mm}$ 258 1,1 – 1,3 296

  • Hoạt tải sử dụng ($p$):

    • Phòng đọc thư viện: hoạt tải tiêu chuẩn $400\text{ kg/m}^2$, tính toán $480\text{ kg/m}^2$.
    • Phòng làm việc, phòng khách, khu vệ sinh: tiêu chuẩn $200\text{ kg/m}^2$, tính toán $240\text{ kg/m}^2$.
    • Hành lang, sảnh, cầu thang: tiêu chuẩn $400\text{ kg/m}^2$, tính toán $480\text{ kg/m}^2$.
    • Hoạt tải sửa chữa mái: tiêu chuẩn $150\text{ kg/m}^2$, tính toán $195\text{ kg/m}^2$.

  • Tải trọng gió (vùng II-B): Áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$. Với chiều cao $H < 40\text{ m}$, công trình chỉ tính thành phần tĩnh của tải trọng gió. Bước truyền tải trọng gió $B = (4,8 + 4,5) / 2 = 4,65\text{ m}$.

Tầng Cao trình gối tựa ($m$) Hệ số độ cao $k$ Tải trọng gió đẩy ($kg/m$) Tải trọng gió hút ($kg/m$)
Tầng 1 3,60 0,80 368 276
Tầng 2 7,65 0,94 411 295
Tầng 3 11,25 1,02 446 334
Tầng 4 14,85 1,08 464 348
Tầng 5 18,45 1,12 485 364
Lan can mái 19,35 1,12 Lực tập trung đỉnh $S_đ = 330\text{ kG}$ —

4. Thiết lập sơ đồ tính và phân tích nội lực

Tác giả thiết lập mô hình tính toán khung phẳng trục 5 chịu tác dụng của các trường hợp tải trọng riêng biệt:

  • Trường hợp 1: Tĩnh tải bản thân, dầm, sàn, tường xây phân bố và tập trung.
  • Trường hợp 2: Hoạt tải 1 (chất tải cách tầng, cách nhịp trường hợp 1 để tìm nội lực bất lợi cho dầm).
  • Trường hợp 3: Hoạt tải 2 (chất tải lệch tầng, lệch nhịp trường hợp 2).
  • Trường hợp 4: Tải trọng gió tác dụng từ phía trái qua (Gió trái).
  • Trường hợp 5: Tải trọng gió tác dụng từ phía phải qua (Gió phải).

Dữ liệu hình học, liên kết ngàm tại chân cột và các giá trị tải trọng phân bố/tập trung được đưa vào phần mềm SAP2000 để giải ma trận độ cứng, xuất ra hệ thống biểu đồ bao mômen uốn ($M$), lực cắt ($Q$) và lực dọc trục ($N$) cho toàn bộ các phần tử thanh cột, dầm trên khung trục 5.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các kết quả tính toán kỹ thuật cụ thể sau:

  1. Xác lập giải pháp kích thước cấu kiện chịu lực chuẩn xác: Bản sàn dày cố định $100\text{ mm}$; dầm chính ngang $220 \times 600\text{ mm}$; dầm phụ và dầm dọc $220 \times 300\text{ mm}$; cột biên $220 \times 220\text{ mm}$; cột giữa phân chia 2 giai đoạn thay đổi tiết diện ($300 \times 500\text{ mm}$ cho các tầng 1–3 và $300 \times 400\text{ mm}$ cho các tầng 4–5).
  2. Tổng hợp chính xác hệ thống tải trọng tác dụng: Phân tích chi tiết tĩnh tải phân bố và tập trung tại các nút khung (tĩnh tải tập trung nút $G_2$ tầng điển hình đạt $12.554\text{ daN}$, tầng mái đạt $8.018\text{ daN}$; tĩnh tải phân bố dầm đạt $2.406\text{ daN/m}$).
  3. Phân tích tải trọng gió theo đặc thù địa phương: Xác định chính xác bảng giá trị tải trọng gió đẩy và gió hút từ tầng 1 đến mái tương ứng với vùng gió II-B tại Hải Phòng ($W_0 = 95\text{ daN/m}^2$), phản ánh đúng sự gia tăng áp lực gió theo độ cao (từ $368\text{ kg/m}$ ở tầng 1 lên $485\text{ kg/m}$ ở tầng 5).
  4. Mô hình hóa và giải quyết bài toán nội lực khung siêu tĩnh: Đã mô phỏng thành công khung trục 5 trên SAP2000, thu được tập hợp các biểu đồ lực dọc, lực cắt và mômen tương ứng với từng trường hợp tải trọng độc lập (tĩnh tải, hoạt tải 1, hoạt tải 2, gió trái, gió phải), phục vụ trực tiếp cho công tác tổ hợp nội lực và tính toán cốt thép.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung thuyết minh được cung cấp, đề tài có các giới hạn phạm vi sau:

  • Thuyết minh tập trung giải quyết bài toán khung phẳng 2D điển hình (khung trục 5); chưa xét đến sự tương tác không gian 3D phức tạp của toàn bộ hệ kết cấu dưới tác động của tải trọng xoắn hoặc động đất.
  • Phạm vi tài liệu trích xuất dừng lại ở giai đoạn phân tích tải trọng và xuất biểu đồ nội lực khung từ SAP2000; chưa thể hiện chi tiết phần tính toán diện tích cốt thép cho dầm, cột, tính toán chi tiết móng cọc và lập tiến độ tổ chức thi công.

Hướng phát triển tiếp theo của đồ án:

  • Mở rộng mô hình phân tích không gian tổng thể (3D) để kiểm tra các chỉ tiêu chuyển vị đỉnh công trình và chuyển vị lệch tầng.
  • Thực hiện tổ hợp nội lực (tổ hợp cơ bản 1, tổ hợp cơ bản 2) để tính toán bố trí cốt thép dọc, cốt đai cho các tiết diện nguy hiểm của dầm, cột và đài móng cọc bê tông cốt thép.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Kỹ thuật Công trình Xây dựng đang thực hiện đồ án tốt nghiệp khối công trình công cộng, trường học quy mô từ 5 đến 7 tầng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu cần tham khảo quy trình tính toán quy đổi tải trọng sàn hai phương về dầm theo hệ số hình học tam giác, hình thang theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995.
  • Phần thuyết minh cung cấp biểu mẫu chi tiết về bảng tính tĩnh tải các lớp vật liệu hoàn thiện, bảng tra hoạt tải và phương pháp gán tải trọng gió vùng II-B vào khung kết cấu.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình được thiết kế với quy mô bao nhiêu tầng và kích thước tổng thể mặt bằng là bao nhiêu? Công trình gồm 5 tầng chính và 1 tầng áp mái (tổng cộng 6 tầng), chiều cao tổng thể $H = 21,6\text{ m}$, chiều dài mặt bằng $L = 49,5\text{ m}$ (11 bước cột) và chiều rộng mặt bằng $B = 10,9\text{ m}$ (2 nhịp khung).

2. Lý do tác giả lựa chọn sơ đồ kết cấu khung chịu lực thay vì hệ kết cấu có vách cứng hoặc lõi cứng? Công trình có quy mô 6 tầng, chiều cao dưới $40\text{ m}$, tỷ số chiều dài trên chiều rộng lớn ($L/B = 4,85 > 2$). Hệ kết cấu vách hoặc lõi cứng chỉ kinh tế và phát huy hiệu quả với công trình cao tầng (trên 20 đến 40 tầng), tính toán và thi công phức tạp. Do đó, hệ khung phẳng bê tông cốt thép chịu lực là giải pháp tối ưu về kinh tế, dễ bố trí không gian hành chính và thuận tiện cho thi công.

3. Tiết diện các cấu kiện cột và dầm khung trục 5 được chọn sơ bộ như thế nào?

  • Bản sàn: dày $100\text{ mm}$ cho toàn bộ các tầng.
  • Dầm ngang trục 5: dầm chính nhịp $7,2\text{ m}$ có tiết diện $220 \times 600\text{ mm}$; dầm nhịp $3,0\text{ m}$ có tiết diện $220 \times 300\text{ mm}$; dầm dọc liên tục tiết diện $220 \times 300\text{ mm}$.
  • Cột: Cột biên trục A có tiết diện $220 \times 220\text{ mm}$ (tầng 1–5); Cột giữa trục B và C có tiết diện $300 \times 500\text{ mm}$ (tầng 1–3) và giảm xuống $300 \times 400\text{ mm}$ (tầng 4–5).

4. Áp lực gió và tải trọng gió tính toán cho công trình tại Hải Phòng được xác định như thế nào? Công trình thuộc vùng áp lực gió II-B với $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$. Do công trình cao dưới $40\text{ m}$ nên chỉ tính thành phần tĩnh của gió. Tải trọng gió phân bố tác dụng lên khung trục 5 (bước khung tính toán $4,65\text{ m}$) tăng dần theo độ cao: gió đẩy từ $368\text{ kg/m}$ (tầng 1) đến $485\text{ kg/m}$ (tầng 5); gió hút từ $276\text{ kg/m}$ (tầng 1) đến $364\text{ kg/m}$ (tầng 5); lực gió đẩy tập trung tại lan can đỉnh mái là $330\text{ kG}$.

5. Những trường hợp tải trọng nào được đưa vào phần mềm SAP2000 để phân tích nội lực khung trục 5? Năm trường hợp tải trọng độc lập được khai báo gồm: Tĩnh tải (trọng lượng dầm, sàn, tường xây, lớp hoàn thiện), Hoạt tải 1 (chất lệch tầng lệch nhịp kiểu 1), Hoạt tải 2 (chất lệch tầng lệch nhịp kiểu 2), Gió trái và Gió phải.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Văn Huy đã giải quyết đầy đủ và có hệ thống các bước thiết kế sơ bộ kiến trúc, lựa chọn giải pháp kết cấu và phân tích tải trọng cho công trình Nhà hiệu bộ trường THCS huyện An Lão – Hải Phòng. Toàn bộ quy trình tính toán kích thước cấu kiện, quy đổi tải trọng và mô hình hóa khung phẳng trên phần mềm SAP2000 đều tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam (TCXDVN 5574:2002, TCVN 2737:1995). Kết quả nội lực thu được phản ánh chính xác trạng thái làm việc của kết cấu khung bê tông cốt thép toàn khối, cung cấp cơ sở dữ liệu tin cậy cho các bước tính toán cốt thép và thiết kế nền móng tiếp theo.