Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước tốc độ đô thị hóa nhanh chóng tại các đô thị trên cả nước cùng tình trạng giá đất leo thang, nhu cầu xây dựng các công trình cao tầng tích hợp đa chức năng nhằm giải quyết không gian kinh doanh, hội họp và văn phòng làm việc trở nên cấp thiết. Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp của sinh viên Nguyễn Anh Tuấn (lớp XD1001, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng), dưới sự hướng dẫn của ThS. Lại Văn Thành và Kỹ sư Trần Trọng Bính (thời điểm hoàn thành: tháng 07/2010), giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật toàn diện cho một công trình tổ hợp nhiều tầng tại thành phố Hải Phòng.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thực hiện của đồ án được triển khai trong thời gian 16 tuần, bao gồm ba mục tiêu kỹ thuật chính:

  1. Tìm hiểu và thiết lập giải pháp quy hoạch, kiến trúc công trình.
  2. Thiết kế kết cấu chịu lực (sơ bộ tiết diện, tính toán tải trọng, phân tích nội lực khung và tính toán cốt thép các cấu kiện điển hình).
  3. Lập biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công công trình.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là "Tòa nhà văn phòng làm việc và trung tâm thương mại Hải Phòng". Công trình gồm 8 tầng nổi, có tổng diện tích mặt bằng khoảng 1.596 m² và tổng diện tích sàn xây dựng đạt khoảng 7.812 m². Chiều cao công trình đạt 28,8 m tính từ mặt đất tự nhiên (tầng 1 và tầng 2 cao 4,5 m/tầng; các tầng từ 3 đến 8 cao 3,3 m/tầng).

Phạm vi không gian của đồ án đặt tại Khu Đô thị mới ngã năm sân bay Cát Bi, Hải Phòng. Đây là vị trí trung tâm trong khu đô thị mới với hạ tầng giao thông thuận lợi, gần trục đường chính nhưng mặt bằng thi công thực tế tương đối chật hẹp, đặt ra yêu cầu chặt chẽ về tổ chức mặt bằng tập kết vật liệu. Về điều kiện tự nhiên, công trình chịu tác động trực tiếp của khí hậu nhiệt đới gió mùa ven biển:

  • Chế độ gió: Mùa đông chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc; mùa hè hướng gió chủ đạo là Tây Bắc - Đông Nam với tốc độ gió mạnh. Công trình nằm trong phân vùng áp lực gió IV-B theo tiêu chuẩn tải trọng Việt Nam.
  • Chế độ bão: Mùa mưa bão kéo dài từ tháng 8 đến tháng 11, trung bình mỗi năm đón 4 đến 5 cơn bão và áp thấp nhiệt đới với cường độ đổ bộ trực tiếp rất lớn.
  • Nhiệt độ và độ ẩm: Nhiệt độ trung bình từ 29°C đến 32°C, cực đại lên đến 35°C và cực tiểu có thể xuống dưới 10°C; độ ẩm không khí hầu hết các tháng đạt từ 80% trở lên, có thời điểm chạm mức 90%.
  • Lượng mưa: Mùa mưa tập trung vào tháng 9 và tháng 10; mùa khô kéo dài từ tháng 1 đến tháng 8; mùa đông xuất hiện hiện tượng mưa phùn kéo dài nhiều ngày đòi hỏi các giải pháp chống ẩm, chống thấm và thông gió chuyên biệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Để giải quyết bài toán thiết kế kết cấu công trình chịu tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang, đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành cùng các mô hình cơ học kết cấu:

  • Tiêu chuẩn thiết kế: TCVN 2737-95 ("Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế") dùng để xác định các giá trị tiêu chuẩn, hệ số vượt tải và tổ hợp tải trọng tác dụng lên công trình.
  • Vật liệu sử dụng: Bê tông cấp độ bền M250 có cường độ chịu nén tính toán $R_n = 110\text{ kg/cm}^2$, cường độ chịu kéo tính toán $R_k = 8,3\text{ kg/cm}^2$. Cốt thép nhóm A-I dùng cho bản sàn và cốt đai có cường độ tính toán $R_a = R_a' = 2.100\text{ kg/cm}^2$; cốt thép nhóm A-II dùng cho khung chịu lực, dầm và cột có cường độ tính toán $R_a = R_a' = 2.700\text{ kg/cm}^2$, cường độ tính toán chịu cắt $R_{ađ} = 2.150\text{ kg/cm}^2$.
  • Mô hình kết cấu: Tác giả tiến hành so sánh bốn sơ đồ chịu lực cơ bản trong xây dựng công trình nhiều tầng:
    1. Hệ kết cấu khung chịu lực: Linh hoạt trong bố trí không gian kiến trúc nhưng độ cứng ngang hạn chế.
    2. Hệ kết cấu vách chịu lực: Độ cứng ngang lớn nhưng làm chia cắt không gian mặt bằng.
    3. Hệ kết cấu lõi hộp: Khả năng chịu lực cao thích hợp cho nhà chọc trời nhưng chi phí thi công phức tạp.
    4. Hệ kết cấu hỗn hợp khung - vách - lõi: Kết hợp ưu điểm chịu lực đứng và ngang. Dựa trên chiều cao công trình (28,8 m < 40 m) và chức năng dịch vụ - văn phòng cần khẩu độ thoáng, tác giả lựa chọn giải pháp hệ khung bê tông cốt thép toàn khối, liên kết nút cứng. Toàn bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang do hệ thống dầm - cột đảm nhận; vách thang máy chỉ đóng vai trò chịu tải trọng bản thân mà không tham gia chịu lực cùng khung.
  • Phương pháp tính toán cấu kiện:
    • Bản sàn: Ứng dụng phương pháp sơ đồ khớp dẻo đối với các ô bản sàn bê tông cốt thép toàn khối liên kết ngàm bốn cạnh làm việc theo hai phương.
    • Cầu thang bộ: Quan niệm bản thang, cốn thang và dầm chiếu nghỉ làm việc theo sơ đồ dầm đơn giản chịu uốn tĩnh học.
    • Khung ngang chịu lực (Khung trục 8): Sử dụng phương pháp truyền tải hình thang và tam giác từ các ô bản sàn về hệ dầm chính và dầm phụ, giải bài toán cơ học kết cấu dưới các trường hợp tĩnh tải và hoạt tải chất lệch tầng, lệch nhịp để tìm bao nội lực nguy hiểm.
    • Cột chịu lực: Tính toán theo cấu kiện chịu nén uốn lệch tâm xiên/phẳng có xét đến ảnh hưởng của uốn dọc thông qua hệ số $\eta$ và các độ lệch tâm tĩnh học, ngẫu nhiên.

Thiết kế kỹ thuật và kiến trúc công trình

Giải pháp quy hoạch và kiến trúc

Mặt bằng tổng thể được bố trí lùi cách chỉ giới đường đỏ mặt phố 12 m nhằm tạo lập khoảng sân rộng phía trước phục vụ đỗ xe và giao thông tiếp cận. Công trình có một cổng chính thông ra đường đô thị, hệ thống sân đường nội bộ bằng bê tông kết hợp gạch lát, bao quanh bởi dải cây xanh và bồn hoa cảnh quan.

Phân khu chức năng công trình theo chiều cao được tổ chức cụ thể:

  • Tầng 1 (chiều cao tầng 4,5 m): Bố trí 1 gara ô tô và xe máy ($520\text{ m}^2$), 2 phòng bảo vệ ($16\text{ m}^2/\text{phòng}$), 1 sảnh chính ($96\text{ m}^2$), 1 đại sảnh ($120\text{ m}^2$), 1 văn phòng giới thiệu du lịch ($46\text{ m}^2$), 1 siêu thị - không gian mua sắm ($253\text{ m}^2$), 2 khu vệ sinh ($20\text{ m}^2$ và $28\text{ m}^2$), 1 bếp ($60\text{ m}^2$), 1 kho ($26\text{ m}^2$), 1 nhà hàng ăn uống ($208\text{ m}^2$), 2 phòng thay đồ nhân viên ($10\text{ m}^2/\text{phòng}$).
  • Tầng 2 (chiều cao tầng 4,5 m): Bố trí 1 sảnh nghỉ ($108\text{ m}^2$), 1 siêu thị ($307\text{ m}^2$), 2 khu vệ sinh ($20\text{ m}^2$ và $28\text{ m}^2$), 1 nhà bếp ($48\text{ m}^2$), 1 kho chế biến ($32\text{ m}^2$), 1 nhà hàng ($270\text{ m}^2$), 2 phòng ăn đặc biệt ($40\text{ m}^2$ và $60\text{ m}^2$), 1 quầy giải khát và thức ăn nhanh ($48\text{ m}^2$).
  • Tầng 3 đến tầng 8 (chiều cao mỗi tầng 3,3 m): Toàn bộ không gian được thiết kế linh hoạt làm văn phòng cho thuê của các cơ quan, doanh nghiệp.
  • Hệ thống giao thông nội bộ: Giao thông đứng gồm 2 thang bộ (1 thang bố trí ở đầu hồi và 1 thang bố trí tại trung tâm nhà đóng vai trò thoát hiểm chính) kết hợp với 2 thang máy sức chứa 10 người/thang đặt tại lõi trung tâm. Giao thông ngang sử dụng hành lang giữa liên kết thông suốt các đơn nguyên.

Giải pháp kỹ thuật hạ tầng (MEP)

  • Hệ thống cấp điện: Phụ tải tính toán sơ bộ dựa trên suất phụ tải sàn $P_đ = 100\text{ W/m}^2$, diện tích sàn quy chuẩn tính toán cho toàn bộ công trình xác định tổng công suất đặt $P_đ = 2.400\text{ kW}$. Áp dụng hệ số nhu cầu $k = 0,75$ và hệ số công suất $\cos\varphi = 0,9$, công suất tính toán đạt $P_{tt} = 1.800\text{ kW}$ và công suất biểu kiến đặt toàn nhà $P = 2.000\text{ kVA}$. Nguồn điện lấy từ lưới điện phường Cát Bi cấp qua một trạm biến áp hạ thế $1.000\text{ kVA}$ (điện áp 380/220 V) đặt phía sau công trình; nguồn dự phòng sử dụng máy phát điện Diesel công suất $100\text{ kVA}$. Chiếu sáng phối hợp giữa đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt; dây dẫn chôn ngầm trong tường, trần hoặc đi trong hộp kỹ thuật, bảo vệ bằng Aptomat.
  • Hệ thống chống sét và nối đất: Sử dụng hệ thống kim thu sét bằng thép $\phi 6$ dài 600 mm đặt trên đỉnh mái và các điểm nhô cao, kết nối bằng dây dẫn thép $\phi 10$. Hệ thống tiếp địa dùng cọc thép góc L65x65x6 dài 2,5 m kết hợp dây nối đất thép dẹt 40x4 mm; điện trở nối đất chống sét đảm bảo $R < 10\ \Omega$. Hệ thống nối đất an toàn cho thiết bị điện được làm độc lập với điện trở nối đất $R < 4\ \Omega$.
  • Hệ thống cấp thoát nước: Nước sạch từ mạng lưới thành phố thu vào bể nước ngầm, sau đó bơm tự động lên bể chứa đặt trên mái bằng máy bơm điều khiển tự động theo mực nước rồi phân phối xuống các tầng qua mạng ống thép tráng kẽm. Thoát nước chia tách hai hệ thống riêng biệt: nước bẩn sinh hoạt (thoát qua phễu thu sàn, chậu rửa dẫn về hố ga chung) và nước phân (thoát từ xí bệt dẫn về ngăn chứa của bể tự hoại). Ống thông hơi đường kính $\phi 60$ nhô cao hơn mái 80 cm. Toàn bộ đường ống thoát nước trong nhà sử dụng ống nhựa PVC Tiền Phong.
  • Phòng cháy chữa cháy và vi khí hậu: Bố trí các bình chữa cháy cầm tay tại mỗi tầng, trang bị 1 họng nước cứu hỏa cố định ở tầng 1. Thông gió kết hợp thông gió tự nhiên qua cửa kính mở trực tiếp và cưỡng bức bằng quạt hút gió qua hành lang; điều hòa nhiệt độ cục bộ cho các phòng làm việc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về công trình và giải pháp kiến trúc - kỹ thuật

Chương này trình bày bối cảnh đầu tư, địa điểm xây dựng tại Khu Đô thị mới Cát Bi, các thông số khí hậu ven biển Hải Phòng, giải pháp phân chia công năng các tầng từ tầng 1 đến tầng 8, các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống cấp điện, cấp thoát nước, thông gió, chiếu sáng và chống sét cho tòa nhà.

Chương 2: Lựa chọn phương án kết cấu và thiết kế kỹ thuật

Nội dung chương tập trung phân tích ưu nhược điểm của các dạng kết cấu chịu lực cao tầng để chọn hệ khung bê tông cốt thép toàn khối. Tác giả tiến hành xác định kích thước sơ bộ tiết diện cấu kiện chịu lực chính và tải trọng tác dụng theo TCVN 2737-95:

  • Chiều dày bản sàn phòng: Chọn sơ bộ theo công thức $h_b = \frac{D}{m} \cdot l = \frac{0,4}{42} \cdot 4000 \approx 38\text{ mm}$, chọn thực tế $h_b = 8\text{ cm}$ ($80\text{ mm}$); bản sàn mái dày $10\text{ cm}$ ($100\text{ mm}$); bề dày vách thang máy sơ bộ $20\text{ cm}$.
  • Tiết diện dầm khung ngang: Nhịp dầm $l_d = 7\text{ m}$, chiều cao chọn $h_d = 70\text{ cm}$, bề rộng $b_d = 30\text{ cm}$.
  • Tiết diện dầm khung dọc: Nhịp dầm $l_d = 8\text{ m}$, chiều cao chọn $h_d = 70\text{ cm}$, bề rộng $b_d = 30\text{ cm}$.
  • Tiết diện hệ dầm phụ: Chọn $b \times h = 25 \times 50\text{ cm}$.
Cấu kiện Kích thước tiết diện Nhịp tính toán Chiều dày bản
Sàn điển hình — Ô bản lớn nhất $4 \times 6\text{ m}$ $8\text{ cm}$ ($80\text{ mm}$)
Sàn tầng mái — Ô bản mái $10\text{ cm}$ ($100\text{ mm}$)
Dầm khung ngang $30 \times 70\text{ cm}$ $7,0\text{ m}$ —
Dầm khung dọc $30 \times 70\text{ cm}$ $8,0\text{ m}$ —
Dầm phụ sàn $25 \times 50\text{ cm}$ $5,0 - 7,5\text{ m}$ —
Dầm chiếu nghỉ $20 \times 30\text{ cm}$ $4,0\text{ m}$ —
Cốn thang $10 \times 30\text{ cm}$ $3,3\text{ m}$ (nghiêng $3,69\text{ m}$) —
Bản thang / Chiếu nghỉ — Nhịp $1,69\text{ m}$ / $1,7\text{ m}$ $8\text{ cm}$

Chương 2 lập bảng xác định tải trọng tĩnh và hoạt tải:

  • Tĩnh tải sàn điển hình gồm gạch lát ($10\text{ mm}$), vữa lót ($20\text{ mm}$), sàn bê tông cốt thép ($80\text{ mm}$) và vữa trát trần ($15\text{ mm}$), tổng tải trọng phân bố $g^{tc} = 300 - 350\text{ kg/m}^2$.
  • Tĩnh tải sàn mái gồm 2 lớp gạch lá nem ($40\text{ mm}$), vữa lót ($30\text{ mm}$), gạch chống nóng ($100\text{ mm}$), sàn bê tông cốt thép ($100\text{ mm}$), vữa trát và vải nhựa chống thấm, tổng tải trọng đạt $547,1\text{ kg/m}^2$.
  • Hoạt tải tiêu chuẩn: Sảnh, hành lang, cầu thang $P_0 = 300\text{ kg/m}^2$ ($n = 1,2$, tính toán $360\text{ kg/m}^2$); siêu thị, mua sắm $P_0 = 400\text{ kg/m}^2$ ($n = 1,2$, tính toán $480\text{ kg/m}^2$); phòng làm việc văn phòng $P_0 = 200\text{ kg/m}^2$ ($n = 1,2$, tính toán $240\text{ kg/m}^2$); sàn mái $P_0 = 75\text{ kg/m}^2$ (tính toán $105\text{ kg/m}^2$); mái nhà xe $P = 30\text{ kg/m}^2$.
  • Tải trọng gió: Thuộc vùng gió IV-B với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 155\text{ kg/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1,2$, hệ số khí động mặt đón gió $c = +0,8$ và mặt khuất gió $c = -0,6$. Do công trình có chiều cao $28,8\text{ m} < 40\text{ m}$, đồ án chỉ tính toán thành phần gió tĩnh tác dụng vuông góc với mặt đứng công trình.

Tác giả thực hiện tính toán chi tiết cho khung ngang trục 8 (K8):

  • Xác định sơ đồ truyền tải: Chia kết cấu sàn thành các lưới ô bản $4 \times 6\text{ m}$ có bố trí dầm phụ $25 \times 50\text{ cm}$ để giảm nhịp uốn. Xác định lực tập trung từ dầm phụ truyền vào dầm khung K8 ($G_{1-2} = 13,6\text{ tấn}$; $G_{2-2} = 10.881\text{ kg}$; $G_{3-2} = 10.431\text{ kg}$; $G_{\text{mái-xe}} = 2.400\text{ kg}$) và tải trọng phân bố trên dầm khung ($g_{a-b} = 1.140\text{ kg/m}$; $g_{b-c} = 1.228\text{ kg/m}$; $g_{c-d} = 1.040\text{ kg/m}$).
  • Đối với tầng văn phòng (tầng 3 đến 8): Xác định các lực tập trung tương ứng ($G_{1-3} = 3.570\text{ kg}$; $G_{2-3} = 6.640\text{ kg}$; $G_{3-3} = 4.654\text{ kg}$; $G_{4-3} = 5.533\text{ kg}$; $G_{5-3} = 3.070\text{ kg}$) và tải trọng phân bố do sàn kết hợp tường xây ngăn phòng ($g_{a-b} = 2.272\text{ kg/m}$; $g_{b-c} = 2.266\text{ kg/m}$; $g_{c-d} = 2.172\text{ kg/m}$).
  • Tầng mái: Tải trọng tập trung dầm mái truyền vào khung K8 gồm $G_{1-4} = 7.315\text{ kg}$; $G_{2-4} = 12.182\text{ kg}$; $G_{3-4} = 7.416\text{ kg}$; $G_{4-4} = 14.716\text{ kg}$; tải trọng phân bố $g_{a-b} = 1.784\text{ kg/m}$; $g_{b-c} = 1.601\text{ kg/m}$.
  • Tổ hợp nội lực: Thiết lập hai tổ hợp cơ bản:
    • Tổ hợp cơ bản 1: Tĩnh tải + 1 hoạt tải (hoạt tải trường hợp 1 hoặc hoạt tải trường hợp 2).
    • Tổ hợp cơ bản 2: Tĩnh tải + 0,9 $\times$ (1 hoạt tải sử dụng) + 0,9 $\times$ (hoạt tải gió). Xét 3 cặp nội lực nguy hiểm cho từng tiết diện: ($M_{\max}$, $N_{tư}$), ($M_{\min}$, $N_{tư}$) và ($N_{\max}$, $M_{tư}$).

Chương 2 cũng trình bày chi tiết tính toán sàn bê tông cốt thép toàn khối ô bản $4 \times 6\text{ m}$:

  • Tỷ số cạnh $\frac{l_2}{l_1} = \frac{6}{4} = 1,5 < 2$, bản làm việc hai phương liên kết ngàm 4 cạnh. Áp dụng phương pháp khớp dẻo với nhịp tính toán $l_{t1} = 3,7\text{ m}$; $l_{t2} = 5,7\text{ m}$.
  • Ô sàn tầng 2 (siêu thị, tổng tải trọng $q = 830\text{ kg/m}^2$): Mômen nhịp cạnh ngắn $M_1 = 492,9\text{ kg}\cdot\text{m}$, mômen gối $M_{B1} = M_{A1} = 492,9\text{ kg}\cdot\text{m}$; mômen nhịp cạnh dài $M_2 = 295\text{ kg}\cdot\text{m}$, mômen gối cạnh dài $M_{2(-)} = 418,9\text{ kg}\cdot\text{m}$. Bố trí thép: nhịp ngắn $\phi 8\text{a}100$, nhịp dài $\phi 8\text{a}200$, gối ngắn $\phi 8\text{a}100$, gối dài $\phi 8\text{a}150$.
  • Ô sàn tầng văn phòng 3 - 8 (tổng tải trọng $q = 590\text{ kg/m}^2$): Mômen nhịp và gối cạnh ngắn $M_1 = M_{A1} = M_{B1} = 350\text{ kg}\cdot\text{m}$; mômen nhịp cạnh dài $M_2 = 217\text{ kg}\cdot\text{m}$, mômen gối cạnh dài $M_{2(-)} = 297\text{ kg}\cdot\text{m}$. Bố trí thép: nhịp ngắn $\phi 8\text{a}150$, nhịp dài $\phi 8\text{a}200$, gối ngắn $\phi 8\text{a}150$, gối dài $\phi 8\text{a}200$.

Thiết kế kết cấu cầu thang bộ 2 vế (trục 1-2):

  • Bản thang: Chiều dày $h_b = 8\text{ cm}$, tải trọng vuông góc $q_1 = 862\text{ kg/m}^2$, mômen uốn $M_{\max} = q_1 \cdot \frac{l^2}{8} = 270\text{ kg}\cdot\text{m}$. Chọn cốt thép chịu lực $\phi 8\text{a}200$ ($F_a = 2,51\text{ cm}^2$).
  • Cốn thang: Kích thước $b \times h = 10 \times 30\text{ cm}$, tải trọng phân bố vuông góc $q_1 = 880\text{ kg/m}$, nhịp $l_0 = 3,69\text{ m}$, mômen uốn $M_{\max} = 1.497\text{ kg}\cdot\text{m}$. Chọn 1 thanh $\phi 18$ ($F_a = 2,54\text{ cm}^2$), cốt thép gối cấu tạo 1 thanh $\phi 16$, cốt đai $\phi 6\text{a}150$.
  • Bản chiếu nghỉ: Chiều dày $h_b = 8\text{ cm}$, tổng tải trọng $q = 580\text{ kg/m}^2$, nhịp $l_0 = 1,53\text{ m}$, mômen uốn $M_{\max} = 170\text{ kg}\cdot\text{m}$. Chọn thép chịu lực $\phi 8\text{a}200$.
  • Dầm chiếu nghỉ: Kích thước $b \times h = 20 \times 30\text{ cm}$, nhịp $l = 4\text{ m}$, chịu tải phân bố $q = 756\text{ kg/m}$ và lực tập trung từ 2 cốn thang $P = 1.623\text{ kg}$. Mômen uốn giữa nhịp $M_{\max} = 4.271\text{ kg}\cdot\text{m}$, lực cắt $Q_{\max} = 3.135\text{ kg}$. Chọn cốt thép dọc chịu lực 2 thanh $\phi 22$ (kết hợp 2 thanh $\phi 14$ thép giá cấu tạo), cốt đai chịu cắt 2 nhánh $\phi 8\text{a}150$.

Phương pháp tính toán cốt thép cột khung:

  • Thiết lập quy trình tính cột chịu nén lệch tâm phẳng/xiên: xác định chiều dài tính toán $l_0 = 0,5 \cdot l$, tỷ số độ mảnh $\frac{l_0}{h}$ (nếu lớn hơn 8 phải kể đến hệ số uốn dọc $\eta$), xác định độ lệch tâm ban đầu $e_{01} = \frac{M}{N}$ và độ lệch tâm ngẫu nhiên $e_0' = \max(2\text{ cm}, \frac{h}{25}, \frac{H}{600})$.
  • Cốt thép được bố trí đối xứng ($F_a = F_a'$) nhằm thuận tiện cho thi công và an toàn khi chịu đổi chiều mômen. Hàm lượng cốt thép kiểm tra trong giới hạn quy định $\mu_{\min} = 0,4% \le \mu \le \mu_{\max} = 3%$. Cốt đai chọn $\phi \ge 8\text{ mm}$, khoảng cách $u \le 15\phi_{\min}$ và $u \le \frac{b}{2}$.

Kết quả và thông số thiết kế chính

Đồ án hoàn thành việc thiết lập giải pháp kỹ thuật, tính toán tải trọng và bố trí cốt thép cho các cấu kiện chủ lực của tòa nhà theo số liệu được trích xuất trong bảng tổng hợp sau:

Tên cấu kiện Tải trọng tính toán Nội lực nguy hiểm nhất Cốt thép dọc chịu uốn/nén Cốt đai chịu cắt
Bản sàn tầng 2 ($4 \times 6\text{ m}$) $q = 830\text{ kg/m}^2$ Nhịp: $M_1 = 492,9\text{ kg}\cdot\text{m}$; Gối: $M_{B1} = 492,9\text{ kg}\cdot\text{m}$ Nhịp: $\phi 8\text{a}100$ (ngắn), $\phi 8\text{a}200$ (dài); Gối: $\phi 8\text{a}100$ (ngắn), $\phi 8\text{a}150$ (dài) —
Bản sàn văn phòng ($4 \times 6\text{ m}$) $q = 590\text{ kg/m}^2$ Nhịp: $M_1 = 350\text{ kg}\cdot\text{m}$; Gối: $M_{B1} = 350\text{ kg}\cdot\text{m}$ Nhịp: $\phi 8\text{a}150$ (ngắn), $\phi 8\text{a}200$ (dài); Gối: $\phi 8\text{a}150$ (ngắn), $\phi 8\text{a}200$ (dài) —
Bản thang bộ trục 1-2 $q_1 = 862\text{ kg/m}^2$ $M_{\max} = 270\text{ kg}\cdot\text{m}$ Chịu lực: $\phi 8\text{a}200$; Cấu tạo: $\phi 8\text{a}200$ —
Cốn thang bộ $q_1 = 880\text{ kg/m}$ $M_{\max} = 1.497\text{ kg}\cdot\text{m}$ Cốt dưới: $1\phi 18$; Mũ trên cấu tạo: $1\phi 16$ Cốt đai $\phi 6\text{a}150$ (1 nhánh)
Bản chiếu nghỉ $q = 580\text{ kg/m}^2$ $M_{\max} = 170\text{ kg}\cdot\text{m}$ Chịu lực: $\phi 8\text{a}200$; Mũ liên kết: $\phi 8\text{a}200$ —
Dầm chiếu nghỉ ($20 \times 30\text{ cm}$) $q = 756\text{ kg/m}$, $P = 1.623\text{ kg}$ $M_{\max} = 4.271\text{ kg}\cdot\text{m}$, $Q_{\max} = 3.135\text{ kg}$ Cốt chịu uốn: $2\phi 22$; Cốt giá: $2\phi 14$ Cốt đai $\phi 8\text{a}150$ (2 nhánh)

Về các giải pháp kỹ thuật công trình, đồ án đã đưa ra:

  • Giải pháp bố trí kiến trúc đáp ứng quy chuẩn khoảng lùi đô thị $12\text{ m}$, phân tách luồng di chuyển thương mại, nhà hàng ở 2 tầng khối đế và văn phòng cho thuê ở 6 tầng tháp.
  • Quy hoạch trạm biến áp $1.000\text{ kVA}$ kết hợp máy phát điện Diesel dự phòng $100\text{ kVA}$ giải quyết ổn định phụ tải điện $1.800\text{ kW}$.
  • Thiết kế hệ thống kỹ thuật tách biệt dòng nước thải sinh hoạt và nước phân qua bể tự hoại, đáp ứng yêu cầu vệ sinh môi trường.
  • Bố trí hệ khung phẳng K8 liên kết khớp với vì kèo thép nhà để xe nhịp $10\text{ m}$, giúp đơn giản hóa sơ đồ tính toán kết cấu khung chịu lực chính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Trong phần lời nói đầu, tác giả tự nhận định công trình còn một số điểm hạn chế do thời gian thực hiện đồ án bị khống chế trong 16 tuần, kinh nghiệm thực tế của sinh viên còn thiếu và phải tiếp cận với nhiều nội dung kỹ thuật mới.

Dưới góc độ nội dung kỹ thuật thể hiện trong đồ án, công trình tồn tại các giới hạn phạm vi tính toán cụ thể:

  • Công trình có chiều cao $28,8\text{ m} < 40\text{ m}$ nên đồ án chỉ dừng lại ở việc tính toán tải trọng gió tĩnh theo TCVN 2737-95, chưa xét đến các tác động phức tạp của thành phần gió động hay tải trọng động đất.
  • Toàn bộ kết cấu khung được giải quyết thông qua việc cắt khung phẳng đại diện (khung ngang trục 8 K8) mà chưa mô hình hóa sự làm việc không gian tổng thể của toàn bộ hệ thống khung dầm - cột - sàn ba chiều.
  • Khối nhà để xe nhịp lớn ($10\text{ m}$) sử dụng hệ vì kèo thép lợp tôn được tách riêng và liên kết khớp vào khung bê tông cốt thép chính mà chưa được đưa vào bài toán tính toán nội lực tương tác chung.
  • Vách thang máy được giả thiết chỉ chịu tải trọng bản thân mà không tham gia tiếp nhận tải trọng ngang cùng với hệ thống dầm cột của khung.

Hướng mở rộng cho các nghiên cứu và đồ án tương tự là áp dụng các phần mềm phân tích kết cấu hiện đại để giải bài toán không gian tổng thể 3D, xét đến tương tác đất - móng và các trường hợp tải trọng đặc biệt (gió động, động đất) cho các công trình cao tầng vùng duyên hải.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp kỹ sư hoặc đồ án môn học Bê tông cốt thép, Kiến trúc công trình dân dụng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu mới vào nghề cần tra cứu phương pháp tính toán kết cấu nhà bê tông cốt thép nhiều tầng bằng phương pháp giải tích truyền thống kết hợp tiêu chuẩn Việt Nam.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao:

  1. Quy trình quy đổi tải trọng từ sàn hai phương (phân bố hình thang và hình tam giác) về hệ dầm khung và dầm phụ của khung ngang chịu lực.
  2. Phương pháp áp dụng sơ đồ khớp dẻo để tính toán nội lực và bố trí cốt thép cho ô bản sàn làm việc hai phương có xét đến liên kết ngàm bốn cạnh.
  3. Bài toán thiết kế toàn diện các bộ phận của cầu thang bộ 2 vế (tính toán chi tiết bản thang, cốn thang chịu uốn, bản chiếu nghỉ và dầm chiếu nghỉ chịu tải tập trung từ cốn).
  4. Quy trình tính toán cột chịu nén uốn lệch tâm có xét ảnh hưởng uốn dọc và thiết lập nguyên tắc bố trí cốt thép đối xứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình có quy mô số tầng và đặc điểm kích thước kiến trúc như thế nào?

Công trình gồm 8 tầng nổi với tổng chiều cao $28,8\text{ m}$. Tầng 1 và tầng 2 có chiều cao mỗi tầng là $4,5\text{ m}$, phục vụ trung tâm thương mại, dịch vụ, nhà hàng và gara. Các tầng từ 3 đến 8 có chiều cao mỗi tầng là $3,3\text{ m}$, được sử dụng toàn bộ làm văn phòng cho thuê. Diện tích mặt bằng công trình khoảng $1.596\text{ m}^2$ và tổng diện tích sàn xây dựng đạt $7.812\text{ m}^2$.

2. Tại sao đồ án không tính toán tải trọng gió động và tải trọng động đất cho tòa nhà?

Theo thuyết minh thiết kế, công trình có tổng chiều cao là $28,8\text{ m}$, nhỏ hơn ngưỡng quy định $40\text{ m}$ theo tiêu chuẩn TCVN 2737-95. Do đó, tác giả chỉ cần tính toán thành phần gió tĩnh theo phân vùng gió IV-B của thành phố Hải Phòng ($W_0 = 155\text{ kg/m}^2$) mà không cần tính toán thành phần gió động cũng như tải trọng động đất.

3. Phương án kết cấu chịu lực của công trình được lựa chọn dựa trên cơ sở nào?

Sau khi so sánh 4 hệ kết cấu (khung, vách, lõi hộp, hỗn hợp khung - vách - lõi), tác giả chọn hệ khung bê tông cốt thép toàn khối liên kết nút cứng. Lý do là công trình có chiều cao trung bình ($28,8\text{ m}$) và yêu cầu không gian mặt bằng văn phòng, siêu thị cần độ thông thoáng lớn. Hệ khung đáp ứng tốt yêu cầu kiến trúc linh hoạt, trong đó toàn bộ tải trọng đứng và ngang do dầm, cột gánh chịu; vách thang máy chỉ chịu tải trọng bản thân.

4. Hệ thống cấp điện và chống sét của tòa nhà được thiết kế với thông số nào?

Hệ thống điện có tổng công suất đặt $2.000\text{ kVA}$ (công suất tính toán $P_{tt} = 1.800\text{ kW}$), được cấp từ một trạm biến áp hạ thế $1.000\text{ kVA}$ (nguồn lưới phường Cát Bi) và 1 máy phát điện Diesel dự phòng $100\text{ kVA}$. Hệ thống chống sét dùng kim thu sét thép $\phi 6$ dài $600\text{ mm}$, cọc tiếp địa thép góc L65x65x6 dài 2,5 m, đảm bảo điện trở nối đất chống sét $R < 10\ \Omega$ và điện trở nối đất an toàn thiết bị điện $R < 4\ \Omega$.

5. Sự khác biệt về tải trọng và bố trí cốt thép giữa sàn tầng 2 và sàn tầng văn phòng (tầng 3-8) là gì?

Sàn tầng 2 (khu siêu thị, mua sắm) chịu hoạt tải tiêu chuẩn $400\text{ kg/m}^2$ ($P_{tt} = 480\text{ kg/m}^2$), tổng tải trọng tính toán $q = 830\text{ kg/m}^2$, do đó cốt thép nhịp ngắn và gối ngắn đều phải đặt dày $\phi 8\text{a}100$. Trong khi đó, sàn tầng 3-8 (khu văn phòng) chỉ chịu hoạt tải tiêu chuẩn $200\text{ kg/m}^2$ ($P_{tt} = 240\text{ kg/m}^2$), tổng tải trọng tính toán $q = 590\text{ kg/m}^2$, cốt thép nhịp ngắn và gối ngắn được bố trí thưa hơn ở mức $\phi 8\text{a}150$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Anh Tuấn đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho công trình "Tòa nhà văn phòng làm việc và trung tâm thương mại Hải Phòng" quy mô 8 tầng tại Khu Đô thị mới ngã năm sân bay Cát Bi. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu rõ ràng về quy hoạch mặt bằng, hệ thống kỹ thuật hạ tầng (MEP) và quy trình tính toán kết cấu bê tông cốt thép toàn khối theo tiêu chuẩn TCVN 2737-95. Đây là tài liệu học thuật có cấu trúc hoàn chỉnh, thể hiện chi tiết các bước xác định tải trọng, giải bao nội lực khung ngang và tính toán cốt thép cấu kiện sàn, cầu thang, cột, đáp ứng yêu cầu của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng công trình dân dụng.