Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Áp lực gia tăng dân số cơ học và quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại các trung tâm kinh tế trọng điểm phía Nam đã dẫn đến sự khan hiếm quỹ đất xây dựng nhà ở, kéo theo sự gia tăng của giá đất đô thị. Tại tỉnh Bình Dương, việc phát triển các dự án chung cư cao tầng tại các khu vực tiếp giáp trục giao thông đối ngoại là hướng đi cần thiết nhằm giải quyết nhu cầu an cư cho lực lượng lao động và chuyên gia. Đồ án tốt nghiệp thực hiện thiết kế kỹ thuật công trình Chung cư Minh Quốc Plaza, tọa lạc tại mặt tiền trục đường Mỹ Phước - Tân Vạn, thành phố Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương. Đây là tuyến đường huyết mạch kết nối liên kết vùng và lưu thông hàng hóa đến các khu công nghiệp trọng điểm trong tỉnh.

Mục tiêu của đồ án là thiết lập phương án kiến trúc hiệu chỉnh và hoàn thiện hồ sơ thiết kế kết cấu toàn diện cho tòa nhà cao tầng chịu tác động đồng thời của tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang (gió động và động đất). Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được phân định cụ thể theo các văn bản giao đề tài:

  1. Hoàn thiện và thể hiện hệ thống bản vẽ kiến trúc công trình đã được hiệu chỉnh thông số kỹ thuật.
  2. Thiết kế kết cấu các bộ phận công trình:
    • Mô hình hóa, phân tích nội lực và tính toán cốt thép cầu thang bộ điển hình;
    • Mô hình hóa, phân tích nội lực và thiết kế sàn tầng điển hình theo giải pháp sàn sườn bê tông cốt thép;
    • Thiết lập mô hình không gian, phân tích và tính toán hệ kết cấu chịu lực chính gồm dầm, cột, vách phẳng và lõi thang máy;
    • Mô hình hóa, tính toán sức chịu tải và thiết kế hệ thống móng cọc khoan nhồi.
  3. Sản phẩm hoàn thiện bao gồm 01 tập thuyết minh tính toán và 01 tập phụ lục số liệu chi tiết.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu công trình Chung cư Minh Quốc Plaza, thuộc loại công trình dân dụng cấp I (chiều cao công trình nằm trong khoảng 75 m đến 200 m theo Phụ lục II - Thông tư số 06/2021/TT-BXD). Công trình có chiều cao 78,700 m (tính từ cao độ ±0.000 m, chưa kể tầng hầm), quy mô bao gồm 2 tầng hầm (cao độ đáy hầm 2 là -4,700 m, chiều cao tầng hầm 3,0 m), 1 tầng trệt (cao 4,6 m), 22 tầng lầu (chiều cao tầng điển hình và tầng 3 là 3,3 m, chiều cao thông thủy lớn hơn 2,9 m) và tầng mái kỹ thuật. Tổng diện tích khu đất quy hoạch là 5.612,8 m², trong đó diện tích xây dựng đất ở chiếm 2.485,1 m² (mật độ xây dựng 44,3%). Tòa nhà cung cấp 400 căn hộ (diện tích 66 m², 79 m², 101 m²), 20 căn shophouse thương mại và 4 căn penthouse tại tầng 22. Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu từ tháng 08/2022 đến tháng 02/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam để xác định tải trọng, tính toán nội lực và bố trí cốt thép cho các cấu kiện bê tông cốt thép toàn khối:

  • TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió.
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất.
  • TCVN 5574:2018: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 198:1997: Nhà cao tầng - Thiết kế bê tông cốt thép toàn khối.
  • TCVN 10304:2014: Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCXD 9362:2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình.

Hệ kết cấu chịu lực của công trình được lựa chọn là hệ hỗn hợp khung - vách - lõi bê tông cốt thép toàn khối. Hệ khung cột - dầm đảm nhận nâng đỡ tải trọng đứng, trong khi hệ vách phẳng và lõi thang máy đóng vai trò tăng độ cứng không gian, tiếp nhận tải trọng ngang do gió và địa chấn. Sàn sử dụng giải pháp sàn sườn đổ toàn khối. Phần ngầm sử dụng phương án móng cọc khoan nhồi đường kính lớn đặt vào tầng địa chất tốt.

Vật liệu kết cấu chính được quy định đồng bộ:

  • Bê tông cấp độ bền B30 cho kết cấu chính (móng, cột, vách, dầm, sàn) và kết cấu phụ (cầu thang): cường độ tính toán chịu nén $R_b = 17\text{ MPa}$, cường độ tính toán chịu kéo $R_{bt} = 1,15\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 3,25 \times 10^4\text{ MPa}$.
  • Cốt thép chịu lực chính đường kính $\phi \ge 10\text{ mm}$ sử dụng nhóm CB400-V ($R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$, $R_{sw} = 280\text{ MPa}$, $E_s = 2 \times 10^5\text{ MPa}$) và nhóm CB500-V ($R_s = R_{sc} = 435\text{ MPa}$, $R_{sw} = 300\text{ MPa}$).
  • Cốt thép đai và cốt cấu tạo đường kính $\phi < 10\text{ mm}$ sử dụng nhóm CB300-T ($R_s = R_{sc} = 260\text{ MPa}$, $R_{sw} = 210\text{ MPa}$).
  • Vữa xi măng mác M75 dùng cho công tác xây, tô trát tường.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích số:

  • Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm ETABS nhằm mô hình hóa không gian 3D tòa nhà, xác định chu kỳ dao động riêng, tâm khối lượng, tâm cứng, phân tích tải trọng gió tĩnh, gió động và động đất, trích xuất nội lực dầm, cột, vách, lõi.
  • Phân tích chuyên sâu hệ sàn tầng điển hình và đài móng trên phần mềm SAFE, kiểm tra khả năng chịu cắt, kiểm tra chọc thủng, tính toán độ võng ngắn hạn, võng dài hạn có xét đến nứt bê tông.
  • Kiểm chứng nội lực cầu thang bộ thông qua việc so sánh mô hình khung 2D phân tích phẳng giải tích với mô hình không gian 3D trên phần mềm SAP2000.
  • Phương pháp phân tích động đất: Do công trình có chu kỳ dao động cơ bản $T_1 = 2,801\text{ s}$ vượt quá giới hạn áp dụng của phương pháp tĩnh lực ngang tương đương ($T \le 4T_C$ và $T \le 2,0\text{ s}$ theo TCVN 9386:2012) trên nền đất loại D ($N_{SPT} < 15$), đồ án sử dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động (Response Spectrum Analysis) kết hợp tổ hợp dạng dao động CQC/SRSS.
  • Nguồn dữ liệu đầu vào: Hồ sơ thiết kế kiến trúc hiệu chỉnh và báo cáo khảo sát địa chất công trình do giảng viên hướng dẫn cung cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về kiến trúc công trình

Nội dung chương trình bày mục đích xây dựng, điều kiện tự nhiên tại khu vực dự án (khí hậu nhiệt đới gió mùa, chế độ gió tương đối ổn định, độ ẩm trung bình 80 - 90%, nền địa chất ổn định) và quy mô phân tầng chức năng. Chương mô tả cụ thể giải pháp mặt bằng các tầng: 2 tầng hầm để xe kết hợp trạm bơm và phòng điều khiển PCCC; tầng 1 đến tầng 3 phục vụ thương mại, dịch vụ, nhà trẻ, sinh hoạt cộng đồng; tầng 4 đến tầng 21 bố trí căn hộ điển hình (21 căn/tầng, hành lang giữa rộng 1,6 m); tầng 22 bố trí 4 căn penthouse thông thoáng có ban công dài 40 m rộng 1,6 m; tầng 23 bố trí phòng kỹ thuật. Đồng thời, chương thiết lập giải pháp mặt cắt, cấu tạo chi tiết các lớp sàn (sàn điển hình, trệt, hầm, mái, vệ sinh) cùng hệ thống hạ tầng kỹ thuật phụ trợ (cấp thoát nước, thông gió, chiếu sáng, báo cháy - chữa cháy, chống sét và hệ thống ống thoát rác).

Chương 2: Tổng quan về kết cấu công trình

Chương xác lập cơ sở pháp lý, hệ thống tiêu chuẩn thiết kế và luận chứng lựa chọn giải pháp kết cấu phần thân (khung - vách - lõi), giải pháp kết cấu sàn (sàn sườn BTCT) và móng (cọc khoan nhồi). Tác giả thiết lập bảng tra đặc tính cơ lý của bê tông B30, thép CB400-V, CB300-T, chiều dày lớp bê tông bảo vệ theo điều kiện làm việc (20 mm trong nhà, 40 mm trong đất/móng). Chương thực hiện sơ bộ kích thước các cấu kiện: chiều dày bản sàn sườn thương mại chọn 160 mm, sàn căn hộ điển hình chọn 120 mm; chiều dày vách và tường hầm chọn 300 mm (thỏa mãn điều kiện $t \ge 200\text{ mm}$ và $t \ge H/20$ theo TCVN 198:1997); kích thước dầm chính ngang và dọc nhà chọn $b \times h = 300 \times 600\text{ mm}$; sơ bộ diện tích tiết diện cột tầng 1, 2 và tầng 22 dựa trên diện truyền tải và lực nén gần đúng.

Chương 3: Thiết kế cầu thang bộ

Chương thực hiện tính toán cầu thang bộ 2 vế dạng bản tầng 4 đến 21, gồm 21 bậc kích thước $h_b = 160\text{ mm}$, $l_b = 250\text{ mm}$, chiều dày bản thang $h_b = 120\text{ mm}$ góc nghiêng $\alpha = 33^\circ$. Xác định tĩnh tải quy đổi và hoạt tải phân bố trên 1 m bản nghiêng ($q_1 = 8,02\text{ kN/m}$), bản chiếu nghỉ ($q_2 = 8,21\text{ kN/m}$) và bản chiếu tới ($q_3 = 8,02\text{ kN/m}$). Tác giả phân tích tính chất liên kết thực tế giữa bản thang và dầm chiếu nghỉ (tỷ số $h_d/h_s = 300/120 = 2,5 < 3$ nên xem như liên kết khớp để đảm bảo an toàn chịu uốn ở nhịp), tính toán nội lực với moment nhịp lớn nhất $M_{max} = 19,86\text{ kN.m}$ và bố trí thép dọc chịu lực. Dầm chiếu nghỉ nhịp $L = 3,7\text{ m}$ chịu tải bản thang truyền vào $R_A = 18,04\text{ kN/m}$, lực cắt $Q_{max} = 34,44\text{ kN}$, được tính toán bố trí thép dọc và cốt đai $\phi 6$. Kiểm tra độ võng đàn hồi đạt 1,3 mm, nhỏ hơn độ võng cho phép $[f] = L/200 = 19,5\text{ mm}$. Khi so sánh nội lực giữa mô hình thanh phẳng 2D và mô hình không gian 3D trên SAP2000, nội lực có sự chênh lệch do tính chất làm việc không gian, nhưng lượng thép chọn theo sơ đồ 2D tại các vị trí nguy hiểm đều bao phủ kết quả từ mô hình 3D, khẳng định tính an toàn của phương án thiết kế.

Chương 4: Tải trọng và tác động

Chương tổng hợp đầy đủ các thành phần tải trọng tác dụng lên công trình. Tĩnh tải hoàn thiện và hoạt tải sử dụng được tra cứu theo TCVN 2737:1995. Do công trình có chiều cao $H = 78,7\text{ m} > 40\text{ m}$, tải trọng gió được tính toán bao gồm cả thành phần tĩnh và thành phần động theo TCXD 229:1999 (vùng gió I-A, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 0,55\text{ kN/m}^2$, dạng địa hình B). Kết quả phân tích modal trên ETABS cho thấy tần số dao động cơ bản $f_1 < f_L = 1,3\text{ Hz}$, do đó thành phần động phải xét đến cả lực xung và lực quán tính cho các mode dao động tịnh tiến (Mode 1 và Mode 3). Về tải trọng động đất, chương xây dựng phổ thiết kế đàn hồi nằm ngang theo TCVN 9386:2012 với gia tốc nền quy đổi tại Thủ Dầu Một $a_{gR} = 0,0798g\text{ m/s}^2$, hệ số tầm quan trọng công trình cấp I $\gamma_I = 1,25$, dẫn đến gia tốc nền thiết kế $a_g = 0,9975\text{ m/s}^2$ (bắt buộc thiết kế kháng chấn). Đất nền thuộc loại D ($S = 1,35; T_B = 0,20\text{ s}; T_C = 0,80\text{ s}; T_D = 2,0\text{ s}$), hệ số ứng xử kết cấu $q = 2,5$. Do tỷ số gia tốc nền thẳng đứng $a_{vg} \le 0,5\text{ m/s}^2$, tác giả loại trừ thành phần động đất theo phương đứng và tiến hành khai báo các tổ hợp động đất phương X (DDX) và phương Y (DDY) trong mô hình ETABS.

Chương 5: Kiểm tra ổn định tổng thể

Chương trình bày quy trình kiểm tra các chỉ tiêu biến dạng và ổn định tổng thể của tòa nhà theo quy phạm nhà cao tầng:

  • Kiểm tra độ cứng và chuyển vị ngang đỉnh công trình dưới tác dụng của tải trọng gió và động đất;
  • Kiểm tra chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng lân cận ($\Delta/h$) nhằm bảo đảm giới hạn đàn hồi của các cấu kiện bao che và chịu lực;
  • Kiểm tra ổn định chống lật của toàn khối công trình dưới tác động của moment lật do tải trọng ngang so với moment giữ của tải trọng đứng;
  • Kiểm tra gia tốc đỉnh công trình nhằm thỏa mãn yêu cầu tiện nghi sinh hoạt cho người sử dụng;
  • Đánh giá hiệu ứng $P - \Delta$ do tác động đồng thời của tĩnh tải với tải trọng động đất theo phương X và phương Y, khẳng định công trình làm việc trong miền ổn định hình học.

Chương 6: Thiết kế tầng sàn điển hình

Tác giả thiết lập mặt bằng kết cấu sàn tầng 4 trên phần mềm SAFE. Sàn sườn bê tông cấp độ bền B30 được gán các trường hợp tải trọng tĩnh tải, hoạt tải và các tổ hợp nội lực. Chương tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực cục bộ của bản sàn tại vị trí tường xây ngăn phòng đặt trực tiếp lên sàn không có dầm đỡ, kiểm tra ứng suất cắt của bê tông bản sàn. Đồ án thực hiện tính toán độ võng ngắn hạn, độ võng dài hạn có xét đến hiện tượng hình thành vết nứt bê tông dưới tải trọng tiêu chuẩn dài hạn, bảo đảm độ võng nằm trong giới hạn cho phép $[f] \le L/250$. Cốt thép lớp trên và lớp dưới của bản sàn được xuất nội lực theo dải strip và thể hiện bản vẽ thi công.

Chương 7: Thiết kế dầm tầng điển hình

Dầm tầng điển hình được phân tích nội lực thông qua mô hình khung không gian ETABS. Chương trích xuất biểu đồ bao moment uốn ($M_{max}$, $M_{min}$) và biểu đồ bao lực cắt ($Q_{max}$) của các dầm chính ngang và dọc nhà qua các trục cột. Từ giá trị nội lực nguy hiểm tại các tiết diện gối và nhịp, tác giả tính toán diện tích cốt thép dọc chịu kéo $A_s$, hàm lượng cốt thép $\mu$, bố trí cốt thép dọc nhóm CB400-V và thiết kế cốt đai chịu cắt nhóm CB300-T bảo đảm điều kiện hạn chế nứt xiên.

Chương 8: Thiết kế lõi công trình

Chương hệ thống hóa cơ sở lý thuyết tính toán vách lõi theo phương pháp ứng suất đàn hồi, phương pháp vùng biên chịu moment và phương pháp biểu đồ tương tác không gian $(N - M_x - M_y)$. Tác giả chia nhỏ phần tử vách lõi trong mô hình ETABS, đưa gốc tọa độ về trọng tâm hình học để tính toán cốt thép dọc tập trung tại các vùng biên chịu nén/kéo lớn và thép phân bố thân vách. Đối với hệ dầm cao (dầm liên kết - coupling beam) nối các mảng lõi qua lỗ mở cửa thang máy, chương phân tích trường ứng suất kéo xiên do lực cắt lớn, từ đó thiết kế bố trí cốt đai dày kết hợp cốt thép xiên đan chéo chống phá hoại giòn do nứt xiên.

Chương 9: Thiết kế vách

Chương áp dụng tính toán cho hệ vách phẳng chịu lực theo TCVN 198:1997 và yêu cầu cấu tạo kháng chấn TCVN 9386:2012. Tác giả xác định tổ hợp nội lực dọc $N$, moment uốn $M$ và lực cắt $Q$ tác dụng lên chân vách. Tiến hành tính toán và bố trí cốt thép dọc chịu uốn tại vùng biên, cốt thép ngang phân bố chống cắt, đồng thời kiểm tra khả năng chịu cắt của tiết diện bê tông vách phẳng nhằm ngăn ngừa hiện tượng vỡ nén bê tông do ứng suất nén trượt.

Chương 10: Thiết kế cột khung

Chương thiết kế hệ cột khung chịu nén lệch tâm xiên theo hai phương cho các tầng đại diện (tầng 1, 2 và tầng 22), tập trung chi tiết vào cột khung trục 6 giao trục F. Tác giả áp dụng phương pháp biểu đồ tương tác kết hợp giải tích gần đúng để xác định diện tích cốt thép dọc nhóm CB400-V. Nhằm đáp ứng yêu cầu kháng chấn cấp dẻo của kết cấu bê tông cốt thép, chương tính toán chi tiết cốt đai tăng cường trong đoạn tới hạn ở hai đầu cột (vùng có nguy cơ xuất hiện khớp dẻo), kiểm tra bước đai và đường kính đai chống nở ngang cho lõi bê tông.

Chương 11: Thiết kế móng công trình

Nội dung chương mở đầu bằng đánh giá điều kiện địa chất công trình dựa trên số liệu lỗ khoan khảo sát, cấu trúc địa tầng gồm các lớp đất sét pha, cát mịn, mực nước ngầm và chỉ tiêu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT ($N_{SPT}$). Tác giả lựa chọn phương án móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$ ngàm vào tầng sét cứng chịu lực. Sức chịu tải thiết kế của cọc đơn được xác định và so sánh qua 4 phương pháp:

  • Theo cường độ vật liệu bê tông cốt thép của thân cọc;
  • Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền;
  • Theo chỉ tiêu cường độ đất nền (sức kháng mũi và ma sát bên);
  • Theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT.

Chương triển khai thiết kế chi tiết các đài móng cọc chịu lực lớn gồm móng M1 (trục 6-G), móng M2 (trục 6-F), móng M3 (trục 6-C) và đài móng cụm vách lõi thang máy M14. Tác giả xác định số lượng cọc, bố trí mạng cọc, tính phản lực đầu cọc dưới tổ hợp tải trọng bất lợi, kiểm tra ứng suất nén lún tại đáy khối móng quy ước theo TCXD 9362:2012, tính lún cho từng móng đài cọc, kiểm tra chọc thủng thân đài/chọc thủng góc đài và tính toán cốt thép đài móng theo mô hình dải strip uốn hai phương.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật công trình nhà cao tầng chịu tải trọng phức hợp, tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi trong bảng số liệu dưới đây:

Hạng mục cấu kiện Thông số hình học / Tiết diện Vật liệu sử dụng Tiêu chuẩn & Phương pháp áp dụng Kết quả kiểm tra kỹ thuật
Cầu thang bộ (T4-T21) Bản thang dày 120 mm, bậc $160 \times 250\text{ mm}$, dầm $200 \times 300\text{ mm}$ Bê tông B30; Thép CB400-V, CB300-T TCVN 5574:2018; Mô hình hóa 2D kết hợp kiểm chứng SAP2000 3D Độ võng đạt 1,3 mm $< [f] = 19,5\text{ mm}$; thép gối và nhịp thỏa mãn chịu uốn
Sàn tầng điển hình Chiều dày ô sàn $h_s = 120\text{ mm}$ Bê tông B30; Thép CB400-V TCVN 5574:2018; Phân tích phần tử hữu hạn SAFE Đạt điều kiện nứt và võng dài hạn; chịu lực cắt và tải tường cục bộ an toàn
Dầm tầng điển hình Dầm chính $b \times h = 300 \times 600\text{ mm}$ Bê tông B30; Thép CB400-V, CB300-T TCVN 5574:2018; Mô hình ETABS 3D Thỏa mãn khả năng chịu uốn tiết diện gối/nhịp và khả năng chịu cắt của cốt đai
Hệ vách và lõi thang Chiều dày vách và lõi $t = 300\text{ mm}$ Bê tông B30; Thép CB400-V, CB300-T TCVN 198:1997, TCVN 9386:2012; Vùng biên chịu moment Đạt khả năng chịu cắt nén trượt; dầm cao liên kết lõi được bố trí cốt đai và cốt xiên chống nứt
Cột khung trục 6-F Kích thước thay đổi theo chiều cao Bê tông B30; Thép CB400-V, CB300-T TCVN 5574:2018, TCVN 9386:2012; Nén lệch tâm xiên Khả năng chịu lực thỏa mãn biểu đồ tương tác; cốt đai gia cường vùng dẻo đạt chuẩn kháng chấn
Móng cọc khoan nhồi Đường kính cọc $D = 1000\text{ mm}$ (M1, M2, M3, M14) Bê tông B30; Thép CB400-V, CB500-V TCVN 10304:2014, TCXD 9362:2012; 4 phương pháp sức chịu tải Phản lực cọc không vượt sức chịu tải thiết kế; độ lún móng quy ước nằm trong hạn mức cho phép

Các giải pháp kỹ thuật cụ thể do tác giả đề xuất:

  • Đề xuất bố trí cốt thép đai tăng cường kết hợp thanh thép xiên chống cắt tại dầm giằng liên kết lõi (coupling beam), loại trừ nguy cơ hình thành vết nứt chéo tại các góc cửa mở thang máy dưới tải trọng ngang lặp.
  • Thiết lập chi tiết cấu tạo kháng chấn cho hệ thống cốt đai cột khung trong vùng khớp dẻo tiềm năng theo TCVN 9386:2012, nâng cao tính dẻo của công trình cấp I.
  • Đề xuất phương án định vị đài móng cọc khoan nhồi hợp khối tại khu vực lõi thang máy (đài M14) nhằm phân phối đồng đều tải trọng tập trung rất lớn từ hệ vách lõi xuống nền địa chất.

Đóng góp của đồ án:

  • Thực hiện so sánh đối chiếu giữa sơ đồ giải tích 2D phẳng truyền thống và mô hình không gian 3D trên SAP2000 đối với cầu thang bộ, chỉ rõ sự phân phối lại nội lực thực tế do tương tác không gian để lựa chọn giải pháp bố trí cốt thép an toàn.
  • Xây dựng quy trình ứng dụng hoàn chỉnh tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 trong việc phân tích phổ phản ứng dạng dao động kết hợp tiêu chuẩn TCXD 229:1999 tính toán thành phần động của gió đối với công trình chung cư cao tầng trên địa bàn tỉnh Bình Dương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật của đồ án:

  • Do giới hạn nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp, tác giả chỉ tập trung tính toán, thiết kế chi tiết cho một số cấu kiện đại diện được giảng viên hướng dẫn chỉ định (cầu thang bộ tầng 4-21, sàn tầng 4, dầm trục điển hình, cột trục 6-F, móng M1, M2, M3, M14) mà chưa xuất hồ sơ thiết kế cho toàn bộ các cấu kiện khác của tòa nhà.
  • Phân tích động đất mới dừng lại ở phân tích phổ phản ứng đàn hồi tuyến tính (Response Spectrum), chưa tiến hành phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian (Time History Analysis) hoặc phân tích tĩnh phi tuyến (Pushover) do thiếu số liệu giản đồ gia tốc nền đo đạc thực tế tại địa phương.
  • Mô hình tính toán phần ngầm chưa xét đến ảnh hưởng của tương tác động học giữa đất nền, móng cọc và kết cấu phần thân (Soil - Structure Interaction).

Hướng nghiên cứu và phát triển mở rộng:

  • Mở rộng phân tích ứng xử phi tuyến của kết cấu chịu tải trọng động đất cấp cực hạn để đánh giá chính xác mức độ hình thành khớp dẻo trong dầm, cột và vách.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa kích thước hình học và độ dày vách lõi theo chiều cao tòa nhà nhằm tiết kiệm khối lượng bê tông và cốt thép mà vẫn bảo đảm độ cứng ngang.
  • Khảo sát ứng dụng các giải pháp sàn bê tông nhẹ, sàn phẳng ứng suất trước để giảm tĩnh tải trọng lượng bản thân tác dụng xuống móng cọc.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực hành cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học kết cấu bê tông cốt thép, nhà cao tầng. Đồng thời, tài liệu cung cấp nguồn tham khảo thiết thực cho các kỹ sư kết cấu trẻ trong công tác thiết kế các dự án chung cư cao tầng quy mô tương đương.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật nổi bật gồm:

  • Quy trình chuẩn xác lập tải trọng động lực học: Trình tự các bước xác định gió động (thành phần xung và quán tính) theo TCXD 229:1999 và xây dựng hàm phổ phản ứng động đất đàn hồi theo TCVN 9386:2012 khai báo trực tiếp vào ETABS.
  • Kỹ thuật mô hình hóa sàn sườn trên SAFE: Quy trình gán tải trọng, kiểm tra nứt và tính toán độ võng dài hạn có kể đến suy giảm độ cứng đàn hồi của bê tông.
  • Phương pháp luận thiết kế dầm cao giằng vách lõi và cấu tạo cốt đai kháng chấn cho cấu kiện cột chịu nén uốn hai phương.
  • Phương pháp luận xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi qua 4 phương pháp lý thuyết và thực nghiệm hiện trường cùng quy trình kiểm tra lún khối móng quy ước đài cọc lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công trình Chung cư Minh Quốc Plaza bắt buộc phải tính toán cả thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió?
Theo quy định tại mục 2.2 tiêu chuẩn TCXD 229:1999, các công trình có chiều cao lớn hơn 40 m bắt buộc phải kể đến thành phần động của tải trọng gió. Công trình Minh Quốc Plaza có chiều cao 78,7 m (vượt xa ngưỡng 40 m). Hơn nữa, kết quả phân tích dao động trên phần mềm ETABS cho thấy tần số dao động cơ bản của công trình $f_1 = 0,5892\text{ Hz}$ nhỏ hơn giá trị tần số giới hạn $f_L = 1,3\text{ Hz}$ tra theo Bảng 2 của tiêu chuẩn, do đó thành phần động của gió phải bao gồm cả lực xung của vận tốc gió và lực quán tính của công trình.

2. Căn cứ nào khiến tác giả lựa chọn phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động thay vì phương pháp tĩnh lực ngang tương đương khi tính toán động đất?
Theo Điều 4.2 TCVN 9386:2012, phương pháp tĩnh lực ngang tương đương chỉ được phép áp dụng cho công trình có chu kỳ dao động cơ bản $T_1 \le 4T_C$ và $T_1 \le 2,0\text{ s}$. Công trình Minh Quốc Plaza có chu kỳ dao động riêng thứ nhất $T_1 = 2,801\text{ s} > 2,0\text{ s}$, xây dựng trên nền đất loại D ($N_{SPT} < 15$). Vì vậy, điều kiện áp dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương không được thỏa mãn. Tác giả bắt buộc phải lựa chọn phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động (Response Spectrum Analysis), đây là phương pháp có thể áp dụng cho mọi loại công trình chịu động đất.

3. Kết quả so sánh giữa mô hình thanh phẳng 2D và mô hình không gian 3D trên SAP2000 đối với cầu thang bộ phản ánh điều gì?
Khi mô hình hóa trên SAP2000 (mô hình 3D), sự làm việc đồng thời của bản nghiêng với dầm chiếu nghỉ và chiếu tới dẫn đến sự phân phối lại nội lực, làm moment tại gối bản thang trong mô hình 3D đạt $10,8\text{ kN.m}$, trong khi sơ đồ thanh 2D đơn giản cho giá trị moment khác biệt. Tuy nhiên, lượng cốt thép thực tế tác giả bố trí theo phương pháp sơ đồ hóa 2D tại các vị trí nguy hiểm đều lớn hơn lượng thép tính toán yêu cầu từ mô hình 3D, do đó phương án thiết kế được giữ nguyên và bảo đảm an toàn chịu lực.

4. Cấp độ bền bê tông và các chủng loại cốt thép được chỉ định cụ thể cho các cấu kiện công trình là gì?
Toàn bộ kết cấu chịu lực chính (móng, cột, vách, dầm, sàn) và kết cấu phụ (cầu thang) đều sử dụng bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,15\text{ MPa}$, $E_b = 3,25 \times 10^4\text{ MPa}$). Cốt thép chịu lực chính đường kính $\phi \ge 10\text{ mm}$ dùng loại CB400-V ($R_s = R_{sc} = 350\text{ MPa}$) và CB500-V ($R_s = R_{sc} = 435\text{ MPa}$); cốt thép đai và cốt thép cấu tạo đường kính $\phi < 10\text{ mm}$ dùng loại CB300-T ($R_s = R_{sc} = 260\text{ MPa}$).

5. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi đường kính D1000 mm được tác giả kiểm tra dựa trên những cơ sở nào?
Sức chịu tải thiết kế của cọc đơn D1000 được tác giả tính toán và so sánh đồng thời qua 4 cơ sở: cường độ vật liệu bê tông cốt thép thân cọc theo TCVN 5574:2018; chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền theo TCVN 10304:2014; chỉ tiêu cường độ đất nền (sức kháng mũi và ma sát thành bên); và kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT ($N_{SPT}$) từ các lỗ khoan khảo sát địa chất hiện trường, từ đó chọn giá trị sức chịu tải thiết kế an toàn nhất để bố trí cho các đài móng M1, M2, M3 và M14.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chung cư Minh Quốc Plaza Bình Dương" của sinh viên Phạm Triệu Minh Hiếu là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, thể hiện đầy đủ quy trình tính toán kết cấu nhà cao tầng 26 tầng chịu tải trọng gió động và động đất. Bản thuyết minh đã vận dụng chính xác hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của Việt Nam (TCVN 2737:1995, TCXD 229:1999, TCVN 9386:2012, TCVN 5574:2018, TCVN 10304:2014) kết hợp hiệu quả các công cụ phần mềm chuyên ngành (ETABS, SAFE, SAP2000) để giải quyết các bài toán kỹ thuật từ phân tích tổng thể đến thiết kế chi tiết cấu kiện dầm, sàn, cột, vách lõi và móng cọc khoan nhồi. Các kết quả tính toán có độ tin cậy cao, số liệu nhất quán và tuân thủ các điều kiện an toàn chịu lực, cung cấp tài liệu tham khảo học thuật giá trị cho chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình.