Bối cảnh và mục tiêu thiết kế
Lý do thực hiện và bối cảnh thực tiễn
Trong quá trình đô thị hóa và phát triển kinh tế tại Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu về không gian sống tiện nghi, tích hợp đầy đủ dịch vụ hỗ trợ ngày càng gia tăng. Trong khi quỹ đất tại các khu vực trung tâm ngày càng hạn hẹp, việc phát triển các tổ hợp chung cư cao tầng tại các khu vực tiếp giáp và vùng ven là giải pháp phù hợp với định hướng phát triển hạ tầng và không gian đô thị của thành phố. Dự án "Tòa nhà chung cư Tân Tạo 1" (Tan Tao 1 Apartment Building) được xây dựng nhằm giải quyết nhu cầu nhà ở thực tế, đồng thời hoàn thiện hệ thống cơ sở hạ tầng đô thị.
Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng (Khoa Đào tạo Chất lượng cao – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) của sinh viên Trần Xuân Phong, dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Anh Thắng, tập trung giải quyết trọn vẹn bài toán phân tích, tính toán và thiết kế kết cấu cho công trình cao tầng này dựa trên các hồ sơ kiến trúc và địa chất được giao.
Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu
Nhiệm vụ đồ án được xác lập thông qua các hạng mục cụ thể sau:
- Phần Kiến trúc: Tìm hiểu tổng quan kiến trúc, dây chuyền công năng, phân tích mặt bằng - mặt đứng và thể hiện các bản vẽ kiến trúc chính của công trình.
- Phần Kết cấu:
- Lập mô hình, phân tích nội lực, tính toán và bố trí cốt thép cho sàn tầng điển hình theo trạng thái giới hạn (ULS và SLS).
- Mô hình hóa, tính toán và thiết kế chi tiết kết cấu cầu thang bộ.
- Kiểm tra ổn định tổng thể của công trình dưới tác động của tải trọng đứng và tải trọng ngang (gió tĩnh, gió động, động đất).
- Mô hình hóa, phân tích nội lực và thiết kế hệ khung chịu lực, bao gồm cột, dầm và hệ thống vách cứng, lõi cứng bê tông cốt thép.
- Xử lý số liệu thống kê địa chất và thiết kế phương án móng cọc khoan nhồi sâu cho công trình.
- Phân tích và thiết kế kết cấu bể nước ngầm/bể nước mái.
- Sản phẩm bàn giao: 01 tập thuyết minh tính toán chi tiết và hệ thống bản vẽ kỹ thuật đi kèm.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng: Kết cấu chịu lực toàn diện của tòa nhà chung cư Tân Tạo 1.
- Phạm vi không gian: Công trình được quy hoạch tại địa chỉ số 9/11 đường Tôn Đức Thắng, Quận 1, TP. Hồ Chí Minh.
- Quy mô công trình: Công trình dân dụng cấp II (theo Phụ lục II - Thông tư số 06/2021/TT-BXD), gồm 2 tầng hầm và 17 tầng nổi, tổng chiều cao từ cốt ±0.00 đến đỉnh mái là 61,2 m. Diện tích mặt bằng xây dựng là 1.440 m².
- Thời gian thực hiện: Từ ngày giao đề tài 24/08/2022 đến ngày nộp hoàn thành 13/02/2023.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng
Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam trong toàn bộ các bước tính toán và kiểm tra kết cấu:
- TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn tải trọng và tác động (tính toán tĩnh tải hoàn thiện, hoạt tải sử dụng và tải trọng gió tĩnh).
- TCVN 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió cho công trình cao trên 40 m.
- TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất (sử dụng phương pháp phổ phản ứng dao động dạng không gian).
- TCVN 5574:2018: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (áp dụng cho việc tính toán cốt thép dầm, cột, vách, sàn, móng theo trạng thái giới hạn I và II).
- TCVN 10304:2014: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc (áp dụng tính toán sức chịu tải cọc đơn, kiểm tra nhóm cọc và lún móng).
- TCXD 198:1997: Nhà cao tầng - Thiết kế bê tông cốt thép toàn khối (áp dụng sơ bộ kích thước tiết diện cột, vách cứng và kiểm tra chuyển vị công trình).
Phương pháp nghiên cứu và công cụ xử lý
- Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình hóa không gian 3D toàn bộ công trình để xác định chu kỳ dao động tự nhiên, dạng dao động riêng (modes), nội lực khung không gian và phân phối tải trọng ngang giữa khung và vách.
- Phương pháp thống kê xác suất địa chất: Xử lý mẫu đất từ các hố khoan khảo sát hiện trường nhằm xác định giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của các chỉ tiêu cơ lý đất nền ($c, \varphi, \rho, e, LL, PL, G_s$).
- Công cụ phần mềm hỗ trợ:
- ETABS: Xây dựng mô hình 3D tổng thể, phân tích dao động, tính toán tác động gió động, động đất và xuất nội lực hệ kết cấu khung - vách - dầm - cột.
- SAFE: Mô hình hóa và phân tích sàn tầng điển hình, giải quyết bài toán dải strip 1m, kiểm tra võng phi tuyến và bề rộng khe nứt sàn.
- SAP2000: Phân tích nội lực và chuyển vị của cọc chịu tải trọng ngang trong môi trường đất đàn hồi.
Thiết kế kỹ thuật và mô hình hóa kết cấu
Giải pháp kết cấu tổng thể
- Hệ kết cấu chịu tải thẳng đứng: Sử dụng hệ thống khung bê tông cốt thép toàn khối kết hợp hệ vách cứng và lõi cứng thang máy. Tải trọng từ sàn truyền vào hệ dầm, sau đó phân phối về cột và vách trước khi truyền xuống móng.
- Hệ kết cấu chịu tải ngang: Sự kết hợp giữa khung và vách cứng/lõi cứng chịu lực cắt và mômen lật do gió và động đất. Sàn được xem như tấm cứng vô hạn trong mặt phẳng của nó (Diaphragm) để phân phối lực ngang đến các cấu kiện thẳng đứng theo độ cứng tương đối.
- Hệ kết cấu móng: Lựa chọn phương án móng sâu sử dụng cọc khoan nhồi chịu tải trọng lớn từ công trình truyền xuống tầng đất tốt ở độ sâu -53,0 m.
Vật liệu xây dựng sử dụng
| Thành phần vật liệu |
Chủng loại / Cấp độ bền |
Thông số cơ lý chính |
| Bê tông |
B30 |
Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 17,0\text{ MPa}$; Cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1,15\text{ MPa}$ |
| Cốt thép chịu lực chính (gân) |
CB400-V ($6 \le d \le 50\text{ mm}$) |
Cường độ chịu kéo/nén tính toán $R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$; Cường độ tiêu chuẩn $R_{sn} = 400\text{ MPa}$; Môđun đàn hồi $E_s = 2 \times 10^5\text{ MPa}$ |
| Cốt thép đai / cấu tạo (trơn) |
CB300-T ($6 \le \phi \le 40\text{ mm}$) |
Cường độ chịu kéo/nén tính toán $R_s = R_{sc} = 260\text{ MPa}$; Cường độ tiêu chuẩn $R_{sn} = 300\text{ MPa}$; Môđun đàn hồi $E_s = 2 \times 10^5\text{ MPa}$ |
Sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện
- Sàn:
- Sàn tầng hầm: Chiều dày $h_s = 150\text{ mm}$.
- Sàn tầng 1 và sàn tầng điển hình (tầng 2 - 16): Chiều dày $h_s = 150\text{ mm}$.
- Sàn khu vệ sinh (WC): Chiều dày $h_s = 120\text{ mm}$.
- Dầm:
- Dầm chính (nhịp $L = 8000\text{ mm}$): Kích thước $b \times h = 300 \times 700\text{ mm}$.
- Dầm phụ (nhịp $L = 8000\text{ mm}$): Kích thước $b \times h = 300 \times 500\text{ mm}$.
- Cột: Kích thước tiết diện cột được thu hẹp định kỳ theo chiều cao (cứ 3 tầng giảm một lần, đảm bảo độ cứng tầng trên không nhỏ hơn 70% tầng dưới kề cận theo TCXD 198:1997):
- Trục 2, 5 (các trục chịu tải lớn B, C, D, E): Tầng hầm B2 đến tầng 4: $1100 \times 1100\text{ mm}$; Tầng 5 đến tầng 9: $1000 \times 1000\text{ mm}$; Tầng 10 đến mái: thu nhỏ dần.
- Các cột biên và cột còn lại: Tầng hầm B2 đến tầng 4: $900 \times 900\text{ mm}$; Tầng 5 đến tầng 9: $800 \times 800\text{ mm}$; Tầng 10 đến mái: thu nhỏ dần.
- Vách cứng và lõi: Chiều dày vách $b_w = 300\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện $b_w \ge 150\text{ mm}$ và $b_w \ge h_{tang}/20 = 3600/20 = 180\text{ mm}$.
Nội dung chi tiết theo từng chương
Chương 1: Project Overview (Tổng quan dự án)
Chương 1 trình bày khái quát về sự cần thiết đầu tư, quy mô công năng và giải pháp quy hoạch kiến trúc. Công trình tọa lạc tại số 9/11 Tôn Đức Thắng, Quận 1, TP. Hồ Chí Minh với mặt bằng hình chữ nhật diện tích $1.440\text{ m}^2$. Tầng hầm đặt ở cao độ -3,60 m với 2 đường dốc (ram dốc $i = 18%$) phục vụ đỗ xe. Tầng 1 bố trí sảnh chung, trung tâm thương mại, khu văn phòng và phòng quản lý vận hành. Tầng 2 đến tầng 16 là các căn hộ ở tiêu chuẩn. Giao thông đứng bao gồm 6 thang máy và 2 buồng thang bộ thoát hiểm; giao thông ngang sử dụng hành lang trung tâm kết nối trực tiếp đến các căn hộ.
Chương 2: Structural Overview (Tổng quan giải pháp kết cấu)
Tác giả phân tích các giải pháp kết cấu cho công trình cao 61,2 m và lựa chọn hệ kết cấu khung - vách bê tông cốt thép toàn khối. Giải pháp dầm sàn toàn khối 2 phương đáp ứng độ cứng và hạn chế độ võng. Toàn bộ thông số vật liệu bê tông B30, thép CB400-V và CB300-T được thiết lập cụ thể theo TCVN 5574:2018. Chương này cung cấp công thức và bảng tính sơ bộ kích thước tiết diện dầm, cột, sàn và vách dựa trên diện truyền tải và tải trọng ước tính ($q = 12,5\text{ kN/m}^2$).
Chương 3: Load and Impact (Tác động và tải trọng tính toán)
Chương 3 chi tiết hóa việc xác định các loại tải trọng:
- Tĩnh tải: Trọng lượng bản thân kết cấu do ETABS tự động tính toán (bê tông cốt thép $25\text{ kN/m}^3$), tải trọng các lớp hoàn thiện sàn (phòng ngủ/khách: $1,64\text{ kN/m}^2$; khu vệ sinh: $1,77\text{ kN/m}^2$; sân thượng: $2,122\text{ kN/m}^2$; mái: $1,522\text{ kN/m}^2$), tải trọng tường xây 100 mm và 200 mm phân bố lên dầm và sàn.
- Hoạt tải sử dụng (TCVN 2737:1995): Phòng ở $1,95\text{ kN/m}^2$, hành lang/sảnh $3,0\text{ kN/m}^2$, phòng kỹ thuật $7,5\text{ kN/m}^2$.
- Phân tích dao động công trình: Khai báo khối lượng tham gia dao động (Mass Source: 100% Dead Load + 50% Live Load khi tính gió động; 100% Dead Load + 24% Live Load khi tính động đất). Kết quả phân tích mode:
- Mode 1: Dao động tịnh tiến theo phương Y, chu kỳ $T_1 = 1,916\text{ s}$.
- Mode 2: Dao động tịnh tiến theo phương X.
- Mode 3: Dao động xoắn quanh trục Z.
- Tải trọng gió: Áp lực gió tiêu chuẩn khu vực Quận 1 (vùng II-A) $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$ ($0,83\text{ kN/m}^2$), hệ số tin cậy $\gamma = 1,2$. Do công trình cao $61,2\text{ m} > 40\text{ m}$, thành phần động của tải trọng gió được tính toán theo TCVN 229:1999 từ kết quả dao động riêng.
- Tải trọng động đất: Tính toán theo TCVN 9386:2012 bằng phương pháp phổ phản ứng dao động dạng không gian với gia tốc nền $a_{gr}/g = 0,0848$, nền loại C ($S = 1,15$), hệ số ứng xử $q = 2,0$.
Chương 4: Stairs (Thiết kế kết cấu cầu thang bộ)
Nội dung chương tập trung tính toán cầu thang bộ hai vế dạng bản dầm. Tác giả xác lập sơ đồ tính, tải trọng tác dụng lên bản thang, chiếu nghỉ, chiếu tới và dầm thang. Nội lực mômen và lực cắt được xác định qua các sơ đồ liên kết, từ đó tính toán cốt thép chịu uốn và kiểm tra khả năng chịu cắt của bản nghiêng theo trạng thái giới hạn.
Chương 5: Typical Floor Design (Thiết kế sàn tầng điển hình)
Sàn tầng 3 điển hình được lập mô hình chi tiết trên phần mềm SAFE. Tác giả gán đầy đủ tĩnh tải hoàn thiện, tải trọng tường xây và hoạt tải. Sử dụng công cụ strip với dải bề rộng 1 m theo hai phương X và Y để trích xuất biểu đồ mômen uốn. Tính toán bố trí cốt thép lớp trên và lớp dưới; đồng thời kiểm tra nứt và độ võng dài hạn của sàn theo trạng thái giới hạn II, đảm bảo các giá trị nằm trong ngưỡng cho phép của tiêu chuẩn.
Chương 6: Frame Design (Thiết kế khung, cột, dầm và vách cứng)
Chương 6 trích xuất kết quả nội lực từ mô hình ETABS cho các tổ hợp tải trọng cơ bản và đặc biệt:
- Kiểm tra chuyển vị: Kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình và chuyển vị lệch tầng tương đối giữa các tầng dưới tác động của gió và động đất.
- Thiết kế dầm: Tính toán cốt thép dọc chịu uốn, cốt đai chịu cắt tại khu vực mép gối và giữa nhịp, bố trí đai gia cường tại các nút khung giao nhau và tính toán chiều dài neo cốt thép.
- Thiết kế cột: Tính toán cốt thép chịu nén lệch xiên bằng biểu đồ tương tác cho cột tiết diện chữ nhật qua các tầng, bố trí cốt đai kháng chấn trong vùng tới hạn.
- Thiết kế vách cứng và lõi: Tính toán cốt thép phân bố thân vách và cốt thép tập trung tại các cấu kiện biên chịu nén - uốn lớn.
Chương 7: Geography of Constructions (Phân tích địa chất công trình)
Trình bày cơ sở lý thuyết thống kê số liệu địa chất từ các hố khoan khảo sát tại vị trí xây dựng. Tác giả tiến hành xử lý thống kê xác định hệ số biến động, giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của các chỉ tiêu đất nền bao gồm: dung trọng tự nhiên, tỷ trọng hạt ($G_s$), độ ẩm tự nhiên, giới hạn chảy ($LL$), giới hạn dẻo ($PL$), góc ma sát trong ($\varphi$) và lực dính ($c$) theo từng lớp đất.
Chương 8: Bored Pile Foundation Plan Design (Thiết kế móng cọc khoan nhồi)
Chương 8 là phần tính toán nền móng chuyên sâu:
- Xác định sức chịu tải của cọc đơn theo chỉ tiêu vật liệu bê tông B30 và theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (sức kháng mũi $q_b$ và sức kháng ma sát bên $f_s$ trong các lớp đất dính và đất rời theo TCVN 10304:2014) với mũi cọc đặt ở cao độ -53,0 m.
- Bố trí mặt bằng cọc cho các đài móng đơn (F1, F2, F4) và đài móng vách lõi (F3).
- Kiểm tra ứng suất đáy móng khối quy ước và tính toán độ lún của khối móng cọc.
- Kiểm tra điều kiện chọc thủng đài móng, tính toán cốt thép đài móng theo hai phương X và Y.
- Phân tích cọc chịu lực ngang bằng mô hình lò xo đất trong SAP2000 để xác định chuyển vị ngang đầu cọc, biểu đồ mômen và lực cắt phát sinh trong thân cọc.
Chương 9: Water Tank (Thiết kế bể nước)
Tính toán dung tích cấp nước phục vụ nhu cầu sinh hoạt của cư dân tòa nhà. Thiết lập sơ đồ kết cấu bản nắp, bản đáy, dầm và thành bể nước. Tổng hợp các trường hợp tải trọng (áp lực nước thủy tĩnh, tải trọng bản thân, áp lực đất xung quanh nếu có), tính toán cốt thép cho bản nắp, bản đáy và thành bể; kiểm tra điều kiện hình thành vết nứt và bề rộng khe nứt cho cấu kiện chứa nước theo TCVN 5574:2018.
Kết quả và thông số thiết kế chính
Các kết quả phân tích và thiết kế kỹ thuật chính trích xuất từ thuyết minh đồ án:
| Hạng mục / Thông số |
Giá trị tính toán trong đồ án |
Tiêu chuẩn / Điều kiện kiểm tra |
| Cấp công trình |
Công trình dân dụng Cấp II |
TT 06/2021/TT-BXD ($H = 61,2\text{ m}$; 17 tầng nổi) |
| Chu kỳ dao động Mode 1 ($T_1$) |
$1,916\text{ s}$ (Dao động tịnh tiến theo phương Y) |
Nằm trong khoảng kinh nghiệm $(0,05 \div 0,1)n = (0,85 \div 1,7\text{ s})$ |
| Áp lực gió tiêu chuẩn ($W_0$) |
$83\text{ daN/m}^2$ ($0,83\text{ kN/m}^2$) |
Vùng gió II-A (Quận 1, TP.HCM, TCVN 2737:1995) |
| Gia tốc nền đỉnh ($a_{gr}/g$) |
$0,0848$ |
Địa bàn TP.HCM theo TCVN 9386:2012 |
| Chiều sâu mũi cọc khoan nhồi |
$-53,0\text{ m}$ |
Cắm vào lớp địa chất chịu lực tốt |
| Vật liệu sử dụng |
Bê tông B30; Thép dọc CB400-V; Thép đai CB300-T |
TCVN 5574:2018 |
| Chiều dày sàn điển hình |
$150\text{ mm}$ (Khu WC dày $120\text{ mm}$) |
Đảm bảo điều kiện võng và nứt |
| Kích thước cột lớn nhất (B2-T4) |
$1100 \times 1100\text{ mm}$ (trục 2, 5) |
Đảm bảo cường độ nén và giảm dần tiết diện |
Hạn chế và phạm vi áp dụng
- Phạm vi mô hình: Đồ án thiết kế dựa trên một phương án kiến trúc và điều kiện địa chất cụ thể tại khu đất 9/11 Tôn Đức Thắng, Quận 1, TP. Hồ Chí Minh; do đó các thông số tính toán móng và tải trọng gió/động đất gắn liền với địa điểm này.
- Giả thiết tính toán: Trong phân tích kết cấu công trình, các giả thiết sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng (Rigid Diaphragm) và liên kết ngàm cứng tại cao độ mặt móng được áp dụng cho bài toán tổng thể trên ETABS.
- Phương án móng: Đồ án tập trung nghiên cứu và hoàn thiện chi tiết giải pháp móng cọc khoan nhồi đơn lẻ và cọc dưới vách lõi, không mở rộng tính toán chi tiết các phương án móng khác như móng cọc Barrette hay cọc ly tâm ứng lực trước.
Giá trị tham khảo của đồ án
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng và Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng: Cung cấp quy trình hoàn chỉnh từ khâu lập hồ sơ kiến trúc, sơ bộ tiết diện, tính toán tải trọng gió động (TCVN 229:1999), tải trọng động đất (TCVN 9386:2012) đến thiết kế cấu kiện theo TCVN 5574:2018.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình cao tầng: Tham khảo phương pháp phối hợp các phần mềm phân tích (ETABS cho khung không gian, SAFE cho sàn, SAP2000 cho cọc chịu lực ngang) và quy trình xử lý số liệu địa chất phục vụ tính toán móng cọc khoan nhồi.
Câu hỏi thường gặp
1. Công trình Tân Tạo 1 có quy mô và chiều cao thiết kế như thế nào?
Công trình là công trình dân dụng cấp II, bao gồm 2 tầng hầm và 17 tầng nổi với tổng chiều cao xây dựng là 61,2 m (tính từ cốt ±0.00, không bao gồm tầng hầm) trên diện tích khu đất $1.440\text{ m}^2$.
2. Công trình sử dụng các loại vật liệu bê tông và cốt thép nào cho kết cấu chịu lực?
Kết cấu công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17,0\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,15\text{ MPa}$), cốt thép chịu lực chính là thép gân CB400-V ($R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$) và cốt thép đai/cấu tạo là thép trơn CB300-T ($R_s = R_{sc} = 260\text{ MPa}$).
3. Tại sao công trình phải tính toán thành phần động của tải trọng gió và áp dụng tiêu chuẩn nào?
Theo chỉ dẫn tiêu chuẩn TCVN 229:1999, công trình có tổng chiều cao $H = 61,2\text{ m} > 40\text{ m}$, do đó bắt buộc phải tính toán thành phần động của tải trọng gió dựa trên áp lực gió vùng II-A ($W_0 = 83\text{ daN/m}^2$) kết hợp với các dạng dao động riêng từ mô hình ETABS.
4. Giải pháp kết cấu phần thân và móng của công trình được lựa chọn là gì?
Phần thân sử dụng hệ kết cấu khung - vách cứng bê tông cốt thép toàn khối kết hợp lõi cứng thang máy và sàn sườn toàn khối 2 phương. Phần móng sử dụng móng sâu cọc khoan nhồi cắm vào tầng đất tốt ở cao độ -53,0 m.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Dự án xây dựng tòa nhà chung cư Tân Tạo 1" của sinh viên Trần Xuân Phong đã giải quyết đầy đủ và có hệ thống các bài toán kỹ thuật từ tổng quan kiến trúc, lập mô hình tính toán tải trọng tĩnh - động, đến thiết kế chi tiết các cấu kiện dầm, cột, sàn, vách, cầu thang, bể nước và móng cọc khoan nhồi. Toàn bộ quy trình tính toán tuân thủ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam (TCVN 5574:2018, TCVN 2737:1995, TCVN 9386:2012, TCVN 10304:2014) và ứng dụng hiệu quả các phần mềm chuyên ngành ETABS, SAFE, SAP2000. Đây là công trình đồ án hoàn chỉnh, thể hiện rõ tính logic, chuẩn mực kỹ thuật và có giá trị tham khảo thực tế cao cho sinh viên và kỹ sư ngành xây dựng công trình cao tầng.
