Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp của sinh viên Trịnh Trung Dũng (Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng, khóa 2021, người hướng dẫn: Th.S Ngô Đức Dũng và Th.S Trần Anh Tuấn) thực hiện nhiệm vụ thiết kế toàn diện công trình Trường THCS Hà Giang – Nhà học 5 tầng.

  1. Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn: Ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp giữ vai trò thiết yếu trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đô thị. Đề tài được lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu gia tăng cơ sở vật chất phục vụ giáo dục bậc trung học cơ sở tại trung tâm thành phố Hà Giang, đồng thời hoàn thiện cảnh quan kiến trúc đô thị tại khu vực xây dựng.
  2. Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật của đồ án:
    • Phần I - Kiến trúc (chiếm 10% khối lượng): Tìm hiểu công năng, dây chuyền sử dụng của khối trường học; thiết lập giải pháp mặt bằng, mặt đứng, mặt cắt; hoàn thiện hệ thống bản vẽ kiến trúc (KT-01, KT-02, KT-03).
    • Phần II - Kết cấu (chiếm 45% khối lượng): Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực toàn khối; tính toán và bố trí cốt thép bản sàn tầng 3; xác định tải trọng tĩnh, hoạt tải và tải trọng gió; tính toán nội lực và thiết kế khung phẳng trục 7; thiết kế nền móng cọc cho khung trục 7 (Bản vẽ KC-01, KC-02, KC-03).
    • Phần III - Thi công (chiếm 45% khối lượng): Thiết kế biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công phần ngầm (ép cọc, đào đất, đài giằng móng); thiết kế cốp pha và biện pháp thi công phần thân (bê tông, cốt thép, ván khuôn); lập tiến độ thi công tổng thể và thiết kế tổng mặt bằng xây dựng.
  3. Đối tượng và phạm vi thiết kế:
    • Đối tượng: Công trình công cộng cấp III (nhà dưới 8 tầng) với quy mô 5 tầng kèm 1 tầng áp mái, không bố trí tầng hầm.
    • Phạm vi không gian: Khu đất xây dựng tại thành phố Hà Giang, phía Đông giáp tuyến đường giao thông chính, các phía còn lại tiếp giáp khu dân cư hiện hữu với khoảng cách an toàn 5 m tính từ ranh giới công trình.
    • Kích thước hình học: Chiều cao tổng thể công trình tính từ cốt mặt đất tự nhiên đến đỉnh mái là 20,60 m; cao độ nền tầng 1 (+0.00) cao hơn cốt đất tự nhiên +0,75 m; chiều cao tầng điển hình là 3,50 m; chiều cao tầng áp mái là 3,10 m; tổng chiều dài mặt bằng 44,40 m; chiều rộng mặt bằng 9,60 m (nhịp phòng học 7,0 m kết hợp hành lang bên 2,6 m).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hồ sơ đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành tại Việt Nam cùng các phương pháp cơ học kết cấu:

  1. Hệ thống tiêu chuẩn quy phạm áp dụng:
    • TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn tải trọng và tác động (xác định tĩnh tải, hoạt tải sử dụng theo phòng chức năng, phân vùng áp lực gió).
    • TCVN 5574:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
    • TCVN 2622:1978: Phòng cháy chữa cháy cho nhà và công trình – Yêu cầu thiết kế.
  2. Mô hình và phương pháp tính toán:
    • Phương pháp tính sàn bê tông cốt thép: Kết hợp tính toán theo sơ đồ khớp dẻo (đối với các ô bản sàn phòng học chịu uốn hai phương, tỉ số cạnh $L_2/L_1 < 2$) và sơ đồ đàn hồi (áp dụng cho sàn khu vệ sinh, hành lang, ô sàn sảnh thang).
    • Phương pháp tính khung không gian quy về khung phẳng: Mô hình hóa khung ngang trục 7 thành hệ thanh liên kết cứng nút khung, xác định tĩnh tải phân bố từ sàn (dạng hình thang, hình tam giác quy đổi tương đương), hoạt tải chất lệch nhịp nguy hiểm nhất và tải trọng gió tĩnh phân bố dọc theo chiều cao công trình.
    • Phương pháp thiết kế nền móng: Tính toán móng cọc ép bê tông cốt thép chịu tải trọng đúng tâm và lệch tâm dưới chân cột khung trục 7 (trục A, B, C), kiểm tra sức chịu tải của cọc đơn và độ lún tổng thể của khối móng quy ước.
  3. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu sử dụng:
Loại vật liệu Cấp độ bền / Nhóm thép Cường độ tính toán chịu nén ($R_b$, $R_{sc}$) Cường độ tính toán chịu kéo ($R_{bt}$, $R_s$) Cường độ chịu cắt ($R_{sw}$) Mô đun đàn hồi ($E_b$, $E_s$)
Bê tông B20 $11,5\text{ MPa}$ ($115\text{ daN/cm}^2$) $0,9\text{ MPa}$ ($90\text{ daN/cm}^2$) — $27 \times 10^3\text{ MPa}$
Thép nhóm I $\Phi < 10\text{ mm}$ (AI / CI) $225\text{ MPa}$ ($2250\text{ daN/cm}^2$) $225\text{ MPa}$ ($2250\text{ daN/cm}^2$) $175\text{ MPa}$ ($1750\text{ daN/cm}^2$) $21 \times 10^4\text{ MPa}$
Thép nhóm II $\Phi \ge 10\text{ mm}$ (AII / CII) $280\text{ MPa}$ ($2800\text{ daN/cm}^2$) $280\text{ MPa}$ ($2800\text{ daN/cm}^2$) $225\text{ MPa}$ ($2250\text{ daN/cm}^2$) $21 \times 10^4\text{ MPa}$

Nội dung chính theo từng phần và chương

Phần I: Kiến trúc

  • Bố trí mặt bằng công năng: Diện tích phòng học tiêu chuẩn $50,4\text{ m}^2$ (và các phòng chuyên môn $44,2\text{ m}^2$).
    • Tầng 1: Phòng thí nghiệm Vật lý, phòng Hóa học, phòng thực hành, 3 phòng chuẩn bị, 2 thang bộ hai đầu hồi, 1 khu vệ sinh tập trung.
    • Tầng 2: Kho thiết bị, phòng đọc, phòng truyền thống, phòng thực hành tin học, phòng chuẩn bị, 2 thang bộ, 1 khu vệ sinh.
    • Tầng 3, 4, 5: Mỗi tầng bố trí 4 phòng học lý thuyết, 1 phòng nghỉ cho giáo viên, 2 cầu thang bộ thoát hiểm hai đầu hồi, hành lang rộng $2,0\text{ m}$ kết nối liên tục.
    • Tầng áp mái: Xây tường thu hồi gạch rỗng đỡ hệ mái dốc lợp tôn liên doanh cách nhiệt dày $0,47\text{ mm}$, xà gồ thép, bố trí bồn nước mái cấp nước sinh hoạt và PCCC.
  • Hệ thống hạ tầng kỹ thuật: Chiếu sáng tự nhiên qua 4 mặt tường ngoài; cấp điện từ lưới điện thành phố kết hợp máy phát điện dự phòng; trạm cấp nước thành phố bơm trung chuyển lên bể mái; mạng lưới thoát nước mưa sàn mái và nước thải xử lý qua bể tự hoại trước khi đấu nối cống chung.

Phần II: Kết cấu

  • Chương I – Tổng quan về kết cấu công trình: Lựa chọn giải pháp hệ khung bê tông cốt thép toàn khối kết hợp sàn sườn đổ tại chỗ bản kê 4 cạnh. Sơ bộ kích thước tiết diện:
    • Cột trục B và C: $22 \times 40\text{ cm}$ (tầng 1 đến tầng 3); giảm tiết diện còn $22 \times 35\text{ cm}$ (tầng 4 và 5).
    • Cột trục A: Kích thước $22 \times 22\text{ cm}$ cố định từ tầng 1 đến tầng 5.
    • Hệ dầm: Dầm chính nhịp 7,0 m kích thước $22 \times 60\text{ cm}$ (D1); dầm dọc/dầm hành lang nhịp 2,6 m kích thước $22 \times 30\text{ cm}$ (D2); dầm phụ nhịp 3,6 m kích thước $22 \times 30\text{ cm}$ (D3).
    • Bản sàn: Chiều dày xác định theo công thức $h_b = (D/m) \cdot L_1 \approx 92\text{ mm}$, chọn $h_s = 100\text{ mm}$ ($10\text{ cm}$).
  • Chương II – Thiết kế bản sàn tầng 3: Chia mặt bằng thành các ô sàn S1 ($7,0 \times 3,6\text{ m}$), S2 ($3,6 \times 2,6\text{ m}$), S3 ($4,2 \times 3,5\text{ m}$), S4 ($3,6 \times 1,9\text{ m}$). Xác định tĩnh tải tiêu chuẩn các lớp sàn hoàn thiện ($g^{tt} = 3,545\text{ kN/m}^2$), hoạt tải phòng học ($p^{tt} = 2,4\text{ kN/m}^2$). Tính nội lực và bố trí cốt thép $\Phi 6\text{a}200$ chịu mô men uốn tại nhịp và gối tựa.
  • Chương III – Tính khung trục 7: Xác lập sơ đồ hình học khung ngang 2 nhịp ($L_{AB} = 2,69\text{ m}$; $L_{BC} = 6,82\text{ m}$). Chiều cao tầng 1 tính từ mặt móng đến dầm sàn là $4,53\text{ m}$ (chiều sâu chôn đài móng $0,5\text{ m}$, tôn nền $+0,75\text{ m}$, tầng cao $3,50\text{ m}$), các tầng 2-4 cao $3,50\text{ m}$, tầng mái cao $3,72\text{ m}$.
  • Chương II (Tiếp) – Xác định tải trọng:
    • Tĩnh tải: Tĩnh tải phân bố sàn mái dốc ($331,6\text{ daN/m}^2$), sàn tầng 2-4 ($384\text{ daN/m}^2$), tường bao 220 mm ($441\text{ daN/m}^2$), tường ngăn 110 mm ($260\text{ daN/m}^2$). Tính toán tĩnh tải tập trung truyền vào cột trục A, B, C.
    • Hoạt tải: Xác định các trường hợp hoạt tải chất đầy, hoạt tải lệch tầng, hoạt tải cách nhịp trên nhịp BC và BA.
    • Tải trọng gió: Công trình tại TP Hà Giang thuộc vùng gió IA ($W_0 = 55\text{ daN/m}^2$), dạng địa hình C. Do chiều cao $H = 20,60\text{ m} < 40\text{ m}$, đồ án chỉ tính thành phần gió tĩnh tác dụng vào các mắt khung (hệ số khí động mặt đón gió $c_d = +0,8$, mặt khuất $c_h = -0,6$).
  • Chương IV – Thiết kế các cấu kiện khung và móng trục 7: Tính toán thép dầm, cột khung trục 7; thiết kế móng cọc ép BTCT tiết diện cọc, kiểm tra sức chịu tải vật liệu, sức chịu tải theo đất nền và lún móng cho cột A, B, C.

Phần III: Thi công

  • Chương I – Lập biện pháp thi công phần ngầm: Biện pháp ép cọc BTCT, kỹ thuật đào đất mố móng bằng máy kết hợp sửa thủ công, thi công bê tông lót, lắp dựng ván khuôn, cốt thép và đổ bê tông đài móng, giằng móng.
  • Chương II – Lập biện pháp thi công phần thân: Tính toán khối lượng bê tông, cốt thép, ván khuôn cột, dầm, sàn các tầng; thiết kế hệ giáo chống coppha; phân chia phân đợt, phân đoạn đổ bê tông.
  • Chương III – Lập tổng tiến độ thi công: Lập danh mục công việc, xác định hao phí lao động, biểu đồ nhân công, tiến độ hoàn thiện và phần mái.
  • Chương IV – Lập tổng mặt bằng thi công: Bố trí tuyến máy thi công, vị trí bãi tập kết vật liệu (cát, đá, thép, gạch), kho xi măng, trạm trộn, đường vận chuyển nội bộ, hệ thống cấp điện, cấp thoát nước tạm phục vụ thi công.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

1. Thông số xác định tải trọng tĩnh và hoạt tải khung trục 7

Hạng mục cấu tạo Chiều dày ($m$) Khối lượng thể tích $\gamma_0$ ($\text{daN/m}^3$) Tải trọng tiêu chuẩn $g^{tc}$ ($\text{daN/m}^2$) Hệ số vượt tải $n$ Tải trọng tính toán $g^{tt}$ ($\text{daN/m}^2$)
Sàn tầng điển hình (2-4) 336 — 384
- Gạch lát Ceramic 0,008 2000 16 1,1 17,6
- Lớp vữa lót XM 0,020 2000 40 1,3 52,0
- Bản bê tông cốt thép 0,100 2500 250 1,1 275,0
- Vữa trát trần Mác 50 0,015 2000 30 1,3 39,0
Tường xây bao che 220 390 — 441
- Gạch rỗng xây tường 0,220 1500 330 1,1 363,0
- Vữa trát 2 mặt 0,030 2000 60 1,3 78,0
Sàn mái dốc (áp mái) — — — — 331,6
- Mái tôn + xà gồ — — 16 1,1 17,6
- Sàn BTCT + trát trần 0,115 — 280 — 314,0

Hoạt tải sử dụng tiêu chuẩn theo TCVN 2737:1995:

  • Phòng học: $p^{tc} = 200\text{ daN/m}^2 \rightarrow p^{tt} = 200 \times 1,2 = 240\text{ daN/m}^2$.
  • Hành lang, cầu thang: $p^{tc} = 300\text{ daN/m}^2 \rightarrow p^{tt} = 300 \times 1,2 = 360\text{ daN/m}^2$.
  • Mái dốc không sử dụng: $p^{tc} = 75\text{ daN/m}^2 \rightarrow p^{tt} = 75 \times 1,3 = 97,5\text{ daN/m}^2$.

2. Kết quả tính toán cốt thép các ô sàn tầng 3 tiêu biểu

Bản sàn dày $h = 100\text{ mm}$, chiều cao làm việc $h_0 = 80\text{ mm}$ đến $87\text{ mm}$. Cốt thép nhóm AI ($R_s = 2250\text{ daN/cm}^2$).

Ô sàn Kích thước cạnh ($L_2 \times L_1$) Tỷ số $L_2/L_1$ Vị trí tiết diện Mô men tính toán $M$ ($\text{daN}\cdot\text{m}$) Hệ số $\alpha_m$ Diện tích thép $A_s$ ($\text{mm}^2/\text{m}$) Cốt thép lựa chọn ($d$ @ khoảng cách) $A_{s,\text{chọn}}$ ($\text{mm}^2/\text{m}$)
Ô S1 $7,0\text{ m} \times 3,6\text{ m}$ 1,94 Nhịp phương ngắn
Gối phương dài		 $4,24\text{ kNm}$
$17,00\text{ kNm}$		 —
—		 21
103,5		 $\Phi 6\text{a}200$
$\Phi 6\text{a}200$		 141
141
Ô S2 $3,6\text{ m} \times 2,6\text{ m}$ 1,38 Nhịp $M_1$
Gối $M_I$		 1,21
2,77		 0,016
0,037		 65
151		 $\Phi 6\text{a}160$
$\Phi 6\text{a}160$		 177
177
Ô S3 $4,2\text{ m} \times 3,5\text{ m}$ 1,20 Nhịp $M_1$
Gối $M_I$		 1,90
4,35		 0,025
0,060		 102
249		 $\Phi 6\text{a}160$
$\Phi 6\text{a}110$		 177
257
Ô S4 $3,6\text{ m} \times 1,9\text{ m}$ 1,89 Nhịp $M_1$
Gối $M_I$		 0,80
1,73		 0,010
0,023		 40
94		 $\Phi 6\text{a}160$
$\Phi 6\text{a}160$		 177
177

Kết quả và đóng góp

  1. Kết quả tính toán và thiết kế kỹ thuật chính:
    • Xác lập kích thước tiết diện chịu lực hợp lý cho khung ngang: dầm chính chịu uốn lớn nhịp 7,0 m chọn $22 \times 60\text{ cm}$; cột biên chịu tải dọc lớn tầng 1-3 chọn $22 \times 40\text{ cm}$ và giảm về $22 \times 35\text{ cm}$ ở các tầng trên giúp tối ưu hóa vật liệu.
    • Định hình giải pháp bản sàn sườn dày 10 cm, tính toán phân bổ mô men chính xác qua phương pháp khớp dẻo và bản kê 4 cạnh, bố trí cốt thép $\Phi 6$ với khoảng cách biến thiên $a = 110\text{ mm} \div 200\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện cường độ và hàm lượng cốt thép tối thiểu ($\mu \ge 0,05%$).
    • Tổng hợp chính xác hệ thống tải trọng thẳng đứng (tĩnh tải, tổ hợp hoạt tải các trường hợp) và tải trọng ngang (áp lực gió tĩnh vùng IA với $W_0 = 55\text{ daN/m}^2$, địa hình C) tác dụng lên các nút khung trục 7.
  2. Giải pháp tổ chức thi công:
    • Đề xuất quy trình ép cọc BTCT đảm bảo an toàn cho các công trình nhà dân lân cận cách biên 5 m.
    • Lập biện pháp cốp pha gỗ/thép và hệ giàn giáo chịu lực phục vụ thi công bê tông toàn khối cho phần thân, kết hợp biểu đồ tiến độ thi công và tổng mặt bằng hợp lý.
  3. Đóng góp chuyên môn: Đồ án tổng hợp đầy đủ ba khâu then chốt trong một chu trình xây dựng công trình dân dụng (Kiến trúc – Kết cấu – Thi công) bám sát các điều kiện tự nhiên, địa hình và quy chuẩn xây dựng thực tế tại thành phố Hà Giang.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Hồ sơ đồ án tập trung tính toán sâu vào hệ khung phẳng ngang điển hình (khung trục 7) và bản sàn tầng 3 mà chưa triển khai mô hình phân tích không gian 3D toàn diện cho toàn bộ hệ kết cấu chịu lực của công trình; việc tính toán tải trọng gió giới hạn ở thành phần tĩnh theo TCVN 2737:1995.
  • Hướng mở rộng:
    • Ứng dụng các phần mềm phân tích kết cấu hiện đại (như ETABS, SAP2000) để mô hình hóa không gian 3D tương tác giữa hệ khung, dầm sàn và vách.
    • Phân tích động lực học công trình dưới tác động của động đất theo TCVN 9386:2012 phù hợp với đặc điểm địa chất vùng miền núi phía Bắc.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên ngành Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, Kỹ thuật Công trình Xây dựng đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc các đồ án môn học Bê tông cốt thép 2, Thi công xây dựng, Nền móng.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Phương pháp lập mặt bằng kết cấu, chọn sơ bộ tiết diện dầm, cột, sàn cho công trình trường học nhiều tầng.
    • Quy trình quy đổi tĩnh tải hình thang, hình tam giác từ bản sàn truyền vào dầm khung và các bảng tính hoạt tải chất lệch nhịp.
    • Bảng tính toán thép sàn bản kê 4 cạnh theo sơ đồ khớp dẻo và sơ đồ đàn hồi.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Trường THCS Hà Giang được thiết kế với quy mô hình học và cấp công trình như thế nào?
Công trình thuộc cấp III (chiều cao dưới 8 tầng), gồm 5 tầng cộng 1 tầng áp mái, không có tầng hầm. Chiều cao tổng thể đạt 20,60 m (cốt nền $+0.00$ cao hơn cốt đất tự nhiên $+0,75\text{ m}$; tầng 1 đến 5 cao 3,50 m; tầng áp mái cao 3,10 m). Mặt bằng hình chữ nhật có kích thước $44,40\text{ m} \times 9,60\text{ m}$.

2. Tiết diện dầm, cột và sàn tầng 3 được lựa chọn với kích thước cụ thể là bao nhiêu?
Cột trục B và C chọn tiết diện $22 \times 40\text{ cm}$ (tầng 1-3) và $22 \times 35\text{ cm}$ (tầng 4-5); cột trục A chọn $22 \times 22\text{ cm}$ (tầng 1-5). Dầm chính nhịp 7,0 m có kích thước $22 \times 60\text{ cm}$; dầm hành lang và dầm phụ có kích thước $22 \times 30\text{ cm}$. Bản sàn toàn khối được chọn dày $10\text{ cm}$ ($100\text{ mm}$).

3. Số liệu áp lực gió và dạng địa hình được tính toán cho công trình tại thành phố Hà Giang như thế nào?
Theo TCVN 2737:1995, thành phố Hà Giang thuộc phân vùng áp lực gió IA với $W_0 = 55\text{ daN/m}^2$. Địa hình xây dựng thuộc dạng C (khu vực bị che chắn bởi công trình và cây cối). Hệ số khí động mặt đón gió $c_d = +0,8$, mặt hút gió $c_h = -0,6$. Do chiều cao $H = 20,60\text{ m} < 40\text{ m}$ nên đồ án chỉ tính toán thành phần gió tĩnh.

4. Cấp độ bền bê tông và chủng loại cốt thép sử dụng trong tính toán kết cấu là gì?
Kết cấu sử dụng bê tông cấp độ bền B20 ($R_b = 11,5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 0,9\text{ MPa}$, $E_b = 27 \times 10^3\text{ MPa}$). Cốt thép đường kính $\Phi < 10\text{ mm}$ dùng nhóm AI/CI ($R_s = 225\text{ MPa}$); cốt thép đường kính $\Phi \ge 10\text{ mm}$ dùng nhóm AII/CII ($R_s = 280\text{ MPa}$, $R_{sc} = 280\text{ MPa}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trịnh Trung Dũng đã hoàn thành thiết kế kỹ thuật công trình Trường THCS Hà Giang quy mô 5 tầng và 1 tầng áp mái. Hồ sơ thể hiện đầy đủ các tính toán kết cấu hệ khung bê tông cốt thép, thiết kế chi tiết bản sàn tầng 3, xác định tải trọng tĩnh - hoạt - gió và phương án móng cọc cho khung phẳng trục 7. Đây là tài liệu mẫu mực về phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép truyền thống và lập biện pháp tổ chức thi công cho công trình dân dụng nhiều tầng.