Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp với đề tài "Trụ sở làm việc Công an Thành phố Hồ Chí Minh" được thực hiện bởi sinh viên Phạm Khắc Hùng (lớp XD904, Mã sinh viên: 091420), thuộc Khoa Xây dựng, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng trong khóa học 2005–2009 (hoàn thành ngày 17 tháng 10 năm 2009). Công trình được nghiên cứu dưới sự hướng dẫn chuyên môn của ThS.KTS Nguyễn Thế Duy (hướng dẫn kiến trúc), ThS. Lê Hải Hưng (hướng dẫn kết cấu và nền móng), và ThS.GVC Nguyễn Ngọc Thanh (hướng dẫn thi công và kết cấu).

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Theo thuyết minh của tác giả, Thành phố Hồ Chí Minh là đô thị phát triển mạnh nhất cả nước, dẫn tới nhu cầu tất yếu về phát triển các công trình nhà cao tầng nhằm tối ưu hóa quỹ đất đô thị. Các công trình cao tầng hiện đại đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa hình khối kiến trúc và công năng sử dụng, đồng thời áp dụng các vật liệu xây dựng mới cùng công nghệ thi công tiên tiến để rút ngắn tiến độ và bảo đảm chất lượng. Đồ án lựa chọn một công trình công sở thực tế đang được triển khai xây dựng tại khu vực trung tâm thành phố để tiến hành nghiên cứu, tính toán thiết kế kỹ thuật từ quy hoạch không gian kiến trúc, kết cấu chịu lực phần thân cho đến giải pháp móng công trình.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đồ án là thiết kế hoàn chỉnh các giải pháp kỹ thuật cho tòa nhà trụ sở làm việc nhiều tầng, đảm bảo an toàn chịu lực dưới tác động của tải trọng đứng và tải trọng ngang, đồng thời đáp ứng công năng sử dụng đặc thù của cơ quan công an. Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành ba nội dung chính kèm tỷ lệ khối lượng công việc cụ thể:

  1. Nhiệm vụ Kiến trúc (chiếm 10% khối lượng): Nghiên cứu hồ sơ kiến trúc, phân tích bố cục tổng thể, xác lập dây chuyền công năng mặt bằng các tầng, thiết kế mặt đứng, hệ thống giao thông đứng/ngang, và đề xuất các giải pháp kỹ thuật hạ tầng (thông gió, chiếu sáng, cấp thoát nước, phòng cháy chữa cháy, cấp điện).
  2. Nhiệm vụ Kết cấu (chiếm 45% khối lượng): Lựa chọn sơ đồ kết cấu chịu lực chính; xác định tải trọng tĩnh và hoạt tải; tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn Việt Nam; mô hình hóa và phân tích nội lực bằng phần mềm chuyên dụng; thực hiện tính toán thiết kế chi tiết các cấu kiện điển hình gồm khung K3, sàn bê tông cốt thép tầng 3, và cầu thang bộ hai vế.
  3. Nhiệm vụ Thiết kế Nền và Móng (chiếm 15% khối lượng): Đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của các lớp địa chất theo tài liệu khảo sát khoan xuyên tĩnh; so sánh và lựa chọn phương án móng hợp lý; thiết kế móng cọc chịu lực dưới chân cột trục 3B và chân cột trục 3E.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Tòa nhà Trụ sở làm việc Công an Thành phố Hồ Chí Minh, là công trình công cộng cao tầng độc lập dạng văn phòng kết hợp phòng ban chuyên môn, hội trường, khu dịch vụ nội bộ.
  • Phạm vi không gian: Công trình xây dựng trên khu đất tương đối bằng phẳng tại khu vực trung tâm Thành phố Hồ Chí Minh, có điều kiện giao thông thuận tiện. Về quy mô hình học, công trình gồm 11 tầng nổi (có tầng tum/áp mái tầng 12), tổng chiều cao công trình là 41 m (chiều cao tính toán gió là 38,6 m), tổng diện tích xây dựng đạt 2.734 m². Kích thước mặt bằng công trình theo phương ngang là 37,5 m (khoảng cách trục biên kết cấu là 32,1 m) và chiều dài theo phương dọc là 72,9 m, bước nhịp trung bình 8,1 m.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được nghiên cứu và bảo vệ tại thời điểm kết thúc khóa đào tạo kỹ sư xây dựng năm 2009.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung tiêu chuẩn kỹ thuật và tài liệu lý thuyết

Tác giả xây dựng phương án tính toán dựa trên hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam và các giáo trình chuyên ngành kết cấu:

  • 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").
  • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 ("Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế"), áp dụng cho việc xác định hoạt tải sử dụng và áp lực gió tĩnh vùng II-A.
  • Tài liệu tham khảo chuyên môn: Giáo trình Kết cấu BTCT - phần kết cấu nhà cửa của TS. Trịnh Kim Đạm (NXB Khoa học và Kỹ thuật); giáo trình Sàn sườn BTCT toàn khối và tài liệu Tính toán tiết diện cột bê tông cốt thép (2006) của GS.TS. Nguyễn Đình Cống (biên soạn dựa trên việc chuyển đổi tiêu chuẩn Anh BS 8110-85 cho phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam); giáo trình Nền & móng các công trình dân dụng - công nghiệp của GS. Nguyễn Văn Quảng; cùng tài liệu Sổ tay thực hành kết cấu.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

  1. Phương pháp phân tích - lựa chọn sơ đồ kết cấu: So sánh giữa quan niệm tính toán theo khung phẳng (Phương án I) và mô hình không gian phối hợp khung - vách - lõi cứng (Phương án II). Tác giả lựa chọn mô hình không gian nhằm phản ánh chính xác sự phân phối tải trọng ngang cho các vách và lõi cứng, giúp giảm tiết diện cấu kiện dầm cột.
  2. Phương pháp cơ học kết cấu và phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm phân tích kết cấu để lập tổ hợp nội lực (mô men uốn, lực cắt, lực dọc) dưới tác động của các trường hợp tĩnh tải, hoạt tải đứng và tải trọng gió tĩnh.
  3. Phương pháp chuyển đổi bài toán nén lệch tâm xiên về nén lệch tâm phẳng tương đương: Ứng dụng quy trình tính toán cột chịu nén uốn hai phương theo lý thuyết của GS.TS. Nguyễn Đình Cống (dựa trên tiêu chuẩn BS 8110-85), thay thế cho phương pháp giả thiết đặt trước cốt thép rồi kiểm tra đường trung hòa vốn phức tạp và mất nhiều thời gian tính toán.
  4. Phương pháp tra bảng nội lực bản sàn và phương pháp khớp dẻo: Bản sàn làm việc hai phương được tính toán thông qua việc giải phương trình vi phân biến dạng và tra bảng tỷ số mô men biên; bản sàn làm việc một phương (dạng bản dầm) và bản thang bộ được tính toán theo mô hình dầm đơn giản hoặc dầm ngàm hai đầu thiên về an toàn.
  5. Phương pháp phân tích địa kỹ thuật: Đánh giá độ sệt ($I_L$), hệ số rỗng ($e$), mô đun biến dạng ($E$), lực dính ($c$), góc ma sát trong ($\varphi$) từ báo cáo khảo sát địa chất hố khoan sâu 35 m để xác định sức chịu tải của nền đất và phương án móng.

Nguồn dữ liệu và công cụ ứng dụng

  • Nguồn dữ liệu: Hồ sơ bản vẽ thiết kế kiến trúc công trình; Báo cáo kết quả khảo sát địa chất công trình giai đoạn phục vụ thiết kế thi công tại trung tâm Thành phố Hồ Chí Minh (các hố khoan LK1 đến LK5).
  • Công cụ tin học hỗ trợ: Phần mềm SAP2000 (phân tích nội lực kết cấu không gian), Microsoft Excel (lập bảng tổ hợp nội lực và tính toán cốt thép), AutoCAD (thể hiện bản vẽ kỹ thuật), Microsoft Project 98 (lập tiến độ thi công).

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Kiến trúc (Tỷ lệ 10%)

Phần này trình bày tổng quan về giải pháp không gian, mặt bằng, mặt đứng và hệ thống kỹ thuật công trình:

  • Giải pháp mặt bằng công năng:
    • Tầng 1 (chiều cao 4,2 m): Bố trí sảnh chính, cụm thang máy, thang bộ, khu vệ sinh, nhà để xe và các trung tâm điều khiển điện phục vụ toàn bộ công trình.
    • Tầng 2 (chiều cao 3,6 m): Bố trí hội trường sân khấu, phòng hóa trang, phòng kỹ thuật, kho lưu trữ, thang máy, thang bộ và khu vệ sinh.
    • Tầng 3 đến tầng 11 (chiều cao mỗi tầng 3,3 m): Không gian làm việc thuần túy gồm các văn phòng làm việc, phòng phục vụ, phòng kỹ thuật tầng, hành lang giao thông và khu vệ sinh.
    • Tầng 12 (chiều cao 3,3 m): Bố trí nhà ăn, khu vực bếp nấu, khu giải khát, khu vệ sinh và hệ thống sảnh tầng kết nối thang máy, thang bộ.
  • Giải pháp mặt đứng và hình khối: Sử dụng đường nét kiến trúc thẳng đứng kết hợp với hệ vách kính hiện đại, tạo diện mạo trang nghiêm, thanh thoát cho trụ sở công an, phù hợp với cảnh quan trung tâm thành phố.
  • Giải pháp giao thông: Giao thông theo phương ngang là hệ hành lang chạy dọc kết nối trực tiếp với nút giao thông đứng. Giao thông theo phương đứng được đảm nhận bởi 2 buồng thang bộ thoát hiểm và cụm 2 thang máy vận hành tập trung.
  • Hệ thống kỹ thuật công trình:
    • Thông gió và điều hòa: Sử dụng hệ thống điều hòa không khí trung tâm đặt tại tầng hầm, phân phối qua các đường ống dẫn gió tới từng tầng và có bộ điều khiển độc lập cho từng khu vực.
    • Chiếu sáng: Tận dụng tối đa ánh sáng tự nhiên qua hệ vách kính mặt ngoài kết hợp hệ thống đèn chiếu sáng nhân tạo.
    • Cấp thoát nước: Nguồn cấp từ mạng lưới cấp nước đô thị dẫn vào bể chứa ngầm tại tầng hầm, sau đó bơm lên bể nước mái để cấp xuống các tầng. Toàn bộ nước thải sinh hoạt được gom về trạm xử lý nước thải trước khi xả vào hệ thống thoát nước thành phố; hệ thống thoát nước mưa bố trí đường ống riêng độc lập.
    • Phòng cháy chữa cháy (PCCC): Trạm bơm chữa cháy chuyên dụng đặt tại tầng hầm, mạng lưới đường ống cấp nước cứu hỏa dẫn tới từng tầng với các hộp chữa cháy bố trí tại hành lang cạnh cầu thang.
    • Cấp điện: Mạng lưới hình cây xuất phát từ trạm phân phối trung tâm dẫn tới tủ điện từng tầng; trang bị máy phát điện dự phòng tại tầng hầm bảo đảm cấp điện liên tục 24/24h.
    • Giải pháp kết cấu và nền móng tổng thể: Kết cấu chịu lực chính là khung bê tông cốt thép đổ toàn khối kết hợp vách lõi cứng thang máy; móng sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi hoặc móng cọc ép tựa vào lớp đất tốt.
Mặt cắt chiều cao công trình:
+ Tầng 1: 4,2 m (Sảnh, để xe, trung tâm điện)
+ Tầng 2: 3,6 m (Hội trường, sân khấu, kho, kỹ thuật)
+ Tầng 3 - 11: 3,3 m/tầng (Văn phòng làm việc)
+ Tầng 12: 3,3 m (Nhà ăn, bếp, giải khát)
Tổng chiều cao kiến trúc: 41,0 m

Phần II: Kết cấu (Tỷ lệ 45%)

Phần này tập trung tính toán cơ sở kỹ thuật, xác định tải trọng và thiết kế các cấu kiện chịu lực chính của phần thân công trình:

  • Lựa chọn phương án kết cấu: Với mặt bằng kích thước $L = 72,9\text{ m}$ và $B = 32,1\text{ m}$ (tỷ số $L/B > 2$), tác giả phân tích hai giải pháp:
    • Phương án I (Khung phẳng): Bỏ qua tính liên tục của dầm trực giao và bỏ qua sự phân phối tải ngang theo độ cứng vào lõi cứng. Phương án này dễ tính toán nhưng dẫn tới kích thước tiết diện dầm cột rất lớn, kết cấu cồng kềnh, chi phí vật liệu cao.
    • Phương án II (Khung không gian phối hợp khung - vách - lõi): Tính toán khung không gian có kể đến sự làm việc đồng thời của khung và vách cứng thang máy. Lõi vách cứng chịu phần lớn tải trọng ngang, giảm nhẹ nội lực cho khung cột. Phương án này được chọn làm giải pháp thiết kế chính thức.
  • Vật liệu sử dụng:
    • Bê tông dầm và sàn: Cấp độ bền B20 (Mác 250), có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 11,5\text{ MPa}$ ($115\text{ kG/cm}^2$), cường độ chịu kéo $R_{bt} = 0,9\text{ MPa}$.
    • Bê tông cột và lõi vách: Cấp độ bền B25 (Mác 300), có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14,5\text{ MPa}$ ($145\text{ kG/cm}^2$), cường độ chịu kéo $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$.
    • Cốt thép: Thép đường kính $d < 12\text{ mm}$ sử dụng nhóm AI ($R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$ hoặc $2300\text{ kG/cm}^2$); thép đường kính $d \ge 12\text{ mm}$ sử dụng nhóm AII ($R_s = R_{sc} = 280\text{ MPa}$ hoặc $2800\text{ kG/cm}^2$).
Cấu kiện Kích thước tiết diện thiết kế Cấp độ bền bê tông Nhóm cốt thép chính
Bản sàn phòng làm việc Chiều dày $h_b = 12\text{ cm}$ B20 AI ($\phi 6, \phi 8$)
Bản sàn vệ sinh, hành lang Chiều dày $h_b = 10\text{ cm}$ B20 AI ($\phi 6$)
Dầm khung ngang (D2, D3, D4) $b \times h = 30 \times 70\text{ cm}$ (nhịp lớn nhất $8,1\text{ m}$) B20 AII
Dầm khung dọc (D6, D7) $b \times h = 30 \times 60\text{ cm}$ B20 AII
Dầm hành lang dọc (D3) $b \times h = 22 \times 50\text{ cm}$ B20 AII
Dầm phụ khu vệ sinh, ban công $b \times h = 22 \times 35\text{ cm}$ B20 AII
Cột tầng 1 đến tầng 4 $b \times h = 60 \times 80\text{ cm}$ B25 AII
Cột tầng 5 đến tầng 8 $b \times h = 40 \times 60\text{ cm}$ B25 AII
Cột tầng 9 đến tầng 11 $b \times h = 35 \times 40\text{ cm}$ B25 AII
Vách lõi buồng thang máy Chiều dày thành vách $t = 25\text{ cm}$ B25 AII
  • Xác định tải trọng tác động:
    • Tĩnh tải sàn: Gồm trọng lượng bản thân các lớp lát gạch men ceramic ($300 \times 300\text{ mm}$), vữa lót XM 50# dày $20\text{ mm}$, bản bê tông cốt thép dày $120\text{ mm}$ và vữa trát trần XM 50# dày $15\text{ mm}$. Tổng tĩnh tải tính toán bản sàn phòng đạt $4,69\text{ kN/m}^2$ (khi không kể trọng lượng bản thân sàn là $1,39\text{ kN/m}^2$). Tĩnh tải tường ngăn xây gạch dày $110\text{ mm}$ và tường ngoài dày $220\text{ mm}$ được quy đổi phân bố trên dầm hoặc sàn tương ứng.
    • Hoạt tải sử dụng: Sàn phòng làm việc lấy giá trị tiêu chuẩn $P^{tc} = 1,5\text{ kN/m}^2$ (hệ số vượt tải $n = 1,2$); hành lang và cầu thang lấy $P^{tc} = 3,0\text{ kN/m}^2$ ($n = 1,2$); ban công lấy $P^{tc} = 2,0\text{ kN/m}^2$. Áp dụng hệ số giảm hoạt tải theo diện tích chịu tải $A$ theo công thức tiêu chuẩn khi $A > 9\text{ m}^2$ và $A > 36\text{ m}^2$.
    • Tải trọng gió: Tính toán theo TCVN 2737-1995. Với vị trí xây dựng tại Thành phố Hồ Chí Minh thuộc vùng gió II-A, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$ ($0,83\text{ kN/m}^2$). Do chiều cao công trình là $38,6\text{ m} < 40\text{ m}$, tác giả chỉ tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió mà không xét đến thành phần động và tải trọng động đất. Hệ số khí động mặt đón gió $C_d = +0,8$, mặt hút gió $C_h = -0,6$, hệ số độ tin cậy $n = 1,2$.
  • Tính toán thiết kế cấu kiện chi tiết:
    • Thiết kế dầm khung K3 tầng 1: Kích thước $b \times h = 30 \times 70\text{ cm}$ ($h_0 = 66\text{ cm}$). Tại tiết diện đầu dầm (mô men âm lớn nhất $M_{max} = -36,96\text{ Tm}$), tính toán và bố trí cốt thép dọc chịu kéo đảm bảo hàm lượng $\mu_{min} = 0,388% < \mu = 1,16% < \mu_{max} = 1,944%$. Cốt đai sử dụng $\phi 8$, bước cốt đai $u = 15\text{ cm}$ tại đoạn dầm gần gối tựa (vùng có khả năng xuất hiện khớp dẻo) và $u = 20\text{ cm}$ tại đoạn giữa nhịp dầm.
    • Thiết kế cột khung K3 tầng 1: Kích thước $60 \times 80\text{ cm}$, chịu tác dụng đồng thời của lực dọc nén $N = -404,9\text{ T}$ và mô men uốn hai phương $M_x, M_y$. Áp dụng lý thuyết nén lệch tâm xiên theo tiêu chuẩn BS 8110-85 hiệu chỉnh, quy đổi mô men hai phương về mô men uốn tương đương $M_{tđ}$ theo phương cạnh lớn. Bố trí cốt thép dọc đối xứng chu vi gồm $16\phi 22$ (diện tích $A_s = 60,8\text{ cm}^2$), đạt hàm lượng cốt thép $\mu = 1,69%$ (thỏa mãn điều kiện $1% \le \mu \le 6%$).
    • Thiết kế bản sàn tầng 3: Ô sàn văn phòng kích thước $4,05 \times 3,3\text{ m}$ có tỷ số cạnh $l_2/l_1 = 4,05/3,3 = 1,23 < 2$, tính toán theo sơ đồ bản kê bốn cạnh làm việc hai phương, chịu tổng tải trọng tính toán $q = 735\text{ kG/m}^2$. Kết quả tính ra mô men nhịp $M_1 = 393,16\text{ kG.m}$, mô men gối $M_{A1} = M_{B1} = 417,54\text{ kG.m}$, bố trí thép $\phi 8$. Ô sàn hành lang kích thước $2,7 \times 8,1\text{ m}$ có tỷ số $l_2/l_1 = 3 > 2$, tính theo sơ đồ bản dầm làm việc một phương chịu tải $q_{hl} = 835\text{ kG/m}^2$, mô men đầu ngàm $M_{ng} = 218\text{ kG.m}$, mô men nhịp $M_{nh} = 327\text{ kG.m}$.
    • Thiết kế cầu thang bộ: Cầu thang 2 vế dạng bản dầm có cốn, gồm 20 bậc ($h_b \times b_b = 15 \times 30\text{ cm}$). Chiều dày bản thang $h = 8\text{ cm}$, cốn thang kích thước $b \times h = 150 \times 300\text{ mm}$ gối lên dầm chiếu nghỉ và dầm chiếu tới. Nội lực cốn thang tính được $M_{max} = 1,94\text{ Tm}$, $Q_{max} = 2,1\text{ T}$, chọn $2\phi 14$ chịu lực chính ($F_a = 3,08\text{ cm}^2$), cốt giá $1\phi 12$, cốt đai $\phi 6a150$. Dầm chiếu nghỉ kích thước $b \times h = 220 \times 350\text{ mm}$, chịu mô men $M_{max} = 2,89\text{ Tm}$, lực cắt $Q_{max} = 4,73\text{ T}$, bố trí $2\phi 16$ chịu uốn và cốt treo $\phi 6a100$ tại vị trí nhận lực tập trung từ cốn thang truyền vào.

Chương VI: Thiết kế nền và móng (Tỷ lệ 15%)

Nội dung chương này tập trung phân tích điều kiện địa chất công trình và đề xuất giải pháp nền móng cho các cột chịu tải trọng lớn:

  • Đặc điểm địa chất công trình: Dựa trên kết quả 5 hố khoan khảo sát sâu $35\text{ m}$, mực nước ngầm xuất hiện ở độ sâu trung bình $1,9\text{ m}$ so với mặt đất tự nhiên. Cấu tạo địa tầng gồm 5 lớp đất từ trên xuống:
Lớp đất Tên gọi địa chất Chiều dày TB (m) Trạng thái / Chỉ tiêu vật lý Mô đun biến dạng $E$ (kPa) Đánh giá khả năng chịu lực
Lớp 1 Đất lấp 0,9 Sét pha lẫn than bùn, dính ướt - Đất yếu, không thể làm nền công trình
Lớp 2 Sét nhão 6,2 Độ sệt $I_L = 0,8$ (dẻo nhão), $e = 0,929$ 10.000 Đất trung bình yếu, sức chịu tải thấp
Lớp 3 Á sét 4,8 Độ sệt $I_L = 0,5$ (dẻo cứng), $W = 31%$ 10.200 Lớp đất trung bình
Lớp 4 Á cát 6,6 Độ sệt $I_L = 0,5$ (dẻo cứng), $e = 0,53$ 9.500 Lớp đất trung bình
Lớp 5 Cát hạt trung $> 16,5$ (chưa kết thúc ở 35m) Trạng thái chặt vừa, hệ số rỗng $e = 0,63$ 34.000 Lớp đất tốt, thích hợp làm tầng chịu lực
  • Đánh giá và so sánh lựa chọn phương án móng:
    • Phương án móng nông: Do tải trọng chân cột công trình cao tầng truyền xuống rất lớn (lực dọc tính toán chân cột điển hình $N = 481,8\text{ T}$), trong khi hai lớp đất trên mặt có khả năng chịu lực kém và độ lún biến dạng không thỏa mãn, nên phương án móng nông bị loại bỏ.
    • Phương án móng cọc ép: Có ưu điểm thi công êm, không gây chấn động mạnh, giá thành rẻ hơn cọc khoan nhồi và có thể hạ mũi cọc sâu vào lớp cát hạt trung số 5. Tuy nhiên nhược điểm là sức chịu tải của từng cọc bị giới hạn, thi công nối cọc nhiều đoạn tiềm ẩn rủi ro sai lệch tâm và khó ép qua các thấu kính đất chặt.
    • Phương án móng cọc khoan nhồi: Có ưu điểm vượt trội về khả năng chịu tải trọng thẳng đứng và mô men uốn rất lớn, độ ổn định cao, không gây chấn động nứt nẻ cho các công trình lân cận trong khu đô thị chật hẹp. Nhược điểm là kỹ thuật giữ thành vách hố khoan phức tạp và chi phí thi công cao.
  • Nhiệm vụ móng cụ thể được giao: Thiết kế chi tiết móng dưới cột trục 3B và móng dưới cột trục 3E tựa trên nền móng sâu đưa tải trọng vào lớp đất cát hạt trung số 5.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật từ kiến trúc đến kết cấu phần thân và nền móng với hệ thống thông số định lượng cụ thể:

  1. Thiết lập dây chuyền công năng và thông số kiến trúc: Xác lập tổng diện tích sàn $2.734\text{ m}^2$, chiều cao $41\text{ m}$, quy hoạch 11 tầng nổi và tầng áp mái với sự tích hợp đầy đủ của các hệ thống cơ điện, thông gió trung tâm, trạm xử lý nước thải và trạm bơm PCCC ngầm.
  2. Quy mô tiết diện và hàm lượng cốt thép cấu kiện:
    • Hoàn thành thiết kế hệ khung chịu lực không gian với nhịp tính toán lớn nhất $8,1\text{ m}$.
    • Tối ưu hóa kích thước cột theo chiều cao công trình thông qua 2 lần thay đổi tiết diện: từ $60 \times 80\text{ cm}$ (tầng 1–4) giảm xuống $40 \times 60\text{ cm}$ (tầng 5–8) và $35 \times 40\text{ cm}$ (tầng 9–11), đảm bảo mức suy giảm độ cứng qua mỗi phân đoạn không vượt quá ngưỡng quy phạm $30%$.
    • Cột trục K3 tầng 1 được bố trí $16\phi 22$ chu vi, diện tích thép $60,8\text{ cm}^2$, hàm lượng $\mu = 1,69%$, thỏa mãn hoàn toàn bài toán nén lệch tâm xiên dưới lực dọc $N = 404,9\text{ T}$.
    • Dầm khung K3 tầng 1 tiết diện $30 \times 70\text{ cm}$ chịu mô men âm lớn nhất $-36,96\text{ Tm}$ được bố trí cốt thép dọc với hàm lượng $\mu = 1,16%$, cốt đai $\phi 8$ nhịp dầm $u = 20\text{ cm}$, đầu dầm $u = 15\text{ cm}$.
    • Sàn tầng 3 thống nhất chiều dày $12\text{ cm}$ cho các phòng và $10\text{ cm}$ cho hành lang, vệ sinh; cốn thang bộ kích thước $150 \times 300\text{ mm}$ bố trí $2\phi 14$, dầm chiếu nghỉ $220 \times 350\text{ mm}$ bố trí $2\phi 16$.
  3. Giải pháp địa kỹ thuật: Xác định tầng chịu lực cho móng cọc là lớp cát hạt trung số 5 (bắt đầu từ độ sâu khoảng $18,5\text{ m}$ kéo dài qua phạm vi hố khoan $35\text{ m}$, có mô đun biến dạng $E = 34.000\text{ kPa}$), phục vụ thiết kế móng cọc cho cột trục 3B và 3E chịu tải trọng chân cột $N = 481,8\text{ T}$.

Đóng góp kỹ thuật do tác giả tự nêu

  • Khai thác hiệu quả các phần mềm chuyên ngành xây dựng (SAP2000, AutoCAD, Microsoft Project 98, Excel) vào việc giải quyết bài toán kỹ thuật phức tạp của công trình cao tầng thực tế.
  • Ứng dụng quy trình tính toán cột chịu nén uốn hai phương (lệch tâm xiên) theo tiêu chuẩn Anh BS 8110-85 đã được GS.TS. Nguyễn Đình Cống chuyển đổi phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam, giúp quá trình xác định diện tích cốt thép cột trực tiếp, giảm bớt sự phụ thuộc vào phương pháp thử dần truyền thống.
  • Làm chủ quy trình phân tích và tính toán mô hình không gian có vách lõi, bảo đảm độ chính xác cao hơn so với quan niệm tính khung phẳng truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế ghi nhận từ văn bản

  • Phạm vi tính toán cấu kiện: Do giới hạn thời gian làm đồ án tốt nghiệp, tác giả chỉ tập trung tính toán chi tiết cho một khung phẳng đại diện thuộc hệ không gian (khung trục K3), một sàn điển hình (sàn tầng 3), hai vị trí móng chân cột (trục 3B và 3E), và một buồng thang bộ; chưa xuất và xử lý dữ liệu chi tiết cho toàn bộ các khung dầm, cột, móng còn lại của tòa nhà.
  • Giản lược tải trọng động: Với công trình xây dựng tại khu vực địa chấn ổn định như Thành phố Hồ Chí Minh và chiều cao công trình dừng ở mức $38,6\text{ m}$ (nhỏ hơn mốc quy định $40\text{ m}$ trong TCVN 2737-1995), tác giả đã bỏ qua thành phần động của tải trọng gió và không xét tác động của tải trọng động đất.
  • Giới hạn khảo sát địa chất: Chiều dày của lớp đất số 5 (cát hạt trung) chưa được xác định điểm kết thúc do hố khoan khảo sát dừng ở độ sâu $35\text{ m}$.

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Mở rộng phân tích toàn diện mô hình không gian 3D tương tác hoàn chỉnh giữa đất - móng - kết cấu phần thân dưới các trường hợp tải trọng đặc biệt (bao gồm kiểm tra dao động động đất theo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn mới).
  • Đi sâu tính toán chi tiết biện pháp kỹ thuật thi công hố móng sâu và đài cọc khoan nhồi trong điều kiện đô thị chật hẹp, kiểm soát biến dạng trồi lún của các công trình lân cận.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang giá trị tham khảo kỹ thuật rõ nét đối với sinh viên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, kỹ sư thiết kế kết cấu công trình:

  • Tham khảo quy trình tính toán nén lệch tâm xiên: Mục lý thuyết và ví dụ số học tính toán cốt thép cột chịu lực nén $N$ và mô men hai phương $M_x, M_y$ theo tài liệu của GS.TS. Nguyễn Đình Cống là tài liệu mẫu rõ ràng, có thể áp dụng trực tiếp cho các đồ án tốt nghiệp và hồ sơ thiết kế công trình tương tự.
  • Tham khảo cấu tạo và tải trọng công trình công sở: Cung cấp số liệu chi tiết về tổ hợp tĩnh tải sàn lát gạch ceramic, tĩnh tải tường ngăn, hoạt tải văn phòng, tải trọng gió vùng II-A và sơ đồ bố trí thép sàn làm việc 1 phương và 2 phương.
  • Tham khảo thiết kế cầu thang bộ có cốn: Bổ sung phương pháp tính toán hệ cốn thang chịu uốn đơn thuần và dầm chiếu nghỉ có bố trí cốt treo chịu lực tập trung truyền từ cốn.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Trụ sở Công an Thành phố Hồ Chí Minh có quy mô diện tích và tầng cao như thế nào?
Công trình gồm 11 tầng nổi (có thêm tầng tum/áp mái tầng 12), tổng chiều cao công trình là 41 m, tổng diện tích xây dựng là 2.734 m². Mặt bằng công trình có chiều ngang 37,5 m và chiều dài 72,9 m, nhịp khung trung bình 8,1 m.

2. Vì sao tác giả lựa chọn phương án khung không gian thay vì khung phẳng?
Theo phân tích của tác giả, mặt bằng có tỷ lệ $L/B > 2$, tải trọng ngang (gió) tác động theo hai phương. Phương án khung phẳng tuy dễ tính nhưng bỏ qua tính liên tục của dầm trực giao và bỏ qua sự phân phối tải ngang vào vách lõi cứng, khiến kích thước tiết diện khung rất lớn và cồng kềnh. Phương án khung không gian giúp phân phối tải trọng ngang chủ yếu vào vách và lõi cứng thang máy, giúp kết cấu dầm cột nhỏ gọn, an toàn và tiết kiệm vật liệu hơn.

3. Tiết diện cột khung K3 thay đổi qua các tầng như thế nào?
Để tiết kiệm vật liệu và phù hợp với sự suy giảm nội lực theo chiều cao, tiết diện cột được thay đổi 2 lần: từ tầng 1 đến tầng 4 chọn kích thước $60 \times 80\text{ cm}$; từ tầng 5 đến tầng 8 giảm xuống $40 \times 60\text{ cm}$; từ tầng 9 đến tầng 11 giảm xuống $35 \times 40\text{ cm}$.

4. Cốt thép cột tầng 1 khung K3 được tính toán ra kết quả bao nhiêu?
Cột tầng 1 khung K3 có tiết diện $60 \times 80\text{ cm}$, chịu lực dọc tính toán $N = -404,9\text{ T}$. Sau khi tính đổi mô men uốn hai phương về lệch tâm phẳng tương đương, tác giả lựa chọn bố trí $16\phi 22$ phân bố đều theo chu vi cột ($A_s = 60,8\text{ cm}^2$), đạt hàm lượng cốt thép $\mu = 1,69%$.

5. Địa tầng khu vực xây dựng gồm những lớp nào và lớp nào được chọn làm nền chịu lực cho móng?
Khảo sát địa chất sâu 35 m ghi nhận 5 lớp đất: Lớp 1 (đất lấp, dày 0,9 m), Lớp 2 (sét nhão, dày 6,2 m), Lớp 3 (á sét, dày 4,8 m), Lớp 4 (á cát, dày 6,6 m) và Lớp 5 (cát hạt trung, xuất hiện từ độ sâu khoảng 18,5 m và kéo dài qua phạm vi 35 m, có mô đun biến dạng $E = 34.000\text{ kPa}$). Lớp số 5 có trạng thái chặt vừa, sức chịu tải tốt nhất nên được lựa chọn làm lớp đất tựa mũi cọc cho công trình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Khắc Hùng đã thực hiện thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho công trình Trụ sở làm việc Công an Thành phố Hồ Chí Minh với quy mô 11 tầng nổi, chiều cao 41 m trên diện tích 2.734 m². Nghiên cứu đã ứng dụng thành công các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN 356-2005, TCVN 2737-1995) kết hợp cùng phương pháp tính toán cột nén lệch tâm xiên theo BS 8110-85 để xác định kích thước và hàm lượng cốt thép tối ưu cho hệ khung dầm, cột, sàn, thang bộ và lõi vách cứng. Dựa trên phân tích 5 lớp địa tầng tại hiện trường, đồ án đã định hướng lựa chọn giải pháp móng sâu tựa vào tầng cát hạt trung nhằm giải quyết an toàn bài toán truyền tải trọng lớn của công trình cao tầng trong môi trường xây dựng đô thị.