Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong tiến trình đổi mới và đô thị hóa tại Việt Nam, sự phát triển kinh tế kéo theo nhu cầu gia tăng về cơ sở hạ tầng, dịch vụ lưu trú và nhà ở cao tầng tại các đô thị lớn. Nhằm đáp ứng nhu cầu tái thiết và mở rộng không gian sống, đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng của tác giả Nguyễn Thành Duy (lớp XD1201D, Khoa Xây dựng, giáo viên hướng dẫn: ThS. Đoàn Quỳnh Mai) tập trung vào đề tài thiết kế kiến trúc và kết cấu công trình: "Chung cư ở phường Dịch Vọng, Cầu Giấy".
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế của đồ án được phân định theo tỷ trọng khối lượng văn bản:
- Phần I: Kiến trúc (chiếm 10% khối lượng): Tìm hiểu và đề xuất giải pháp kiến trúc tổng thể; triển khai 01 bản vẽ mặt bằng các tầng, 01 bản vẽ mặt đứng và 01 bản vẽ các mặt cắt công trình; thiết lập giải pháp kỹ thuật hạ tầng (giao thông, thông gió, chiếu sáng, cấp thoát nước, cấp điện, thông tin liên lạc và phòng cháy chữa cháy).
- Phần II: Kết cấu (chiếm 45% khối lượng): Lập mặt bằng kết cấu sàn tầng điển hình; tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình; tính toán thiết kế cầu thang bộ trục 2-3 (loại thang 3 đợt); phân tích và tính toán khung chịu lực trục 2 (khung K2).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Công trình chung cư cao 11 tầng (gồm 10 tầng chính và 1 tầng mái).
- Phạm vi không gian: Địa điểm xây dựng tại phường Dịch Vọng, quận Cầu Giấy, thành phố Hà Nội. Diện tích mặt bằng công trình là $24,3 \text{ m} \times 21,6 \text{ m}$ (kích thước tim trục tổng thể $24,08 \text{ m} \times 21,38 \text{ m}$).
- Công năng theo chiều cao: Tầng 1 cao 4,5 m phục vụ nhà để xe, khu bán hàng, phòng kỹ thuật và phòng trực; các tầng từ 2 đến 10 cao 3,3 m bố trí các căn hộ gồm phòng ngủ, nhà ăn, bếp, vệ sinh; tầng mái bố trí bể nước sinh hoạt và cứu hỏa. Tổng chiều cao công trình đến đỉnh mái là 38,75 m (đỉnh tường chắn mái đạt cốt 39,55 m).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án ứng dụng các lý thuyết cơ học kết cấu công trình, phương pháp tính toán bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn và quy chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam:
Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng:
- TCVN 356-2005: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
- TCVN 2737-1995: Tiêu chuẩn tải trọng và tác động.
- Sổ tay thực hành kết cấu công trình (tra các bảng hệ số nội lực bản sàn và kết cấu).
- Tài liệu nghiên cứu giải pháp tự động hóa thiết kế dầm chịu uốn và xoắn đồng thời.
Phương pháp tính toán và thiết kế:
- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình hóa không gian công trình, xác định nội lực và chuyển vị của hệ thanh và tấm vỏ dưới tác dụng của tổ hợp tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió.
- Sơ đồ đàn hồi: Áp dụng cho tính toán khung không gian và hệ bản sàn liên tục có liên kết ngàm/khớp.
- Phương pháp truyền tải theo diện tích chịu tải: Quy đổi tải trọng tam giác, hình thang từ bản sàn hai phương ($l_2/l_1 \le 2$) và bản dầm một phương ($l_2/l_1 > 2$) thành tải trọng phân bố đều tác dụng lên dầm và khung phẳng.
- Công cụ tính toán: Phần mềm chuyên dụng kết cấu SAP2000, ETABS kết hợp các bảng tính tự lập trên Excel và ngôn ngữ Pascal.
Vật liệu quy chuẩn sử dụng:
- Bê tông: Cấp độ bền B20 có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 11,5 \text{ MPa}$, cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 0,9 \text{ MPa}$.
- Cốt thép: Cốt thép nhóm CI có cường độ chịu kéo tính toán $R_s = 225 \text{ MPa}$; cốt thép nhóm CII có cường độ tính toán $R_s = 280 \text{ MPa}$ ($R_{sc} = 210 \text{ MPa}$).
Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công trình
1. Giải pháp kiến trúc và công năng
Mặt bằng hình khối công trình được phân chia đối xứng với trục giao thông đứng nằm ở vị trí trung tâm. Hệ thống cửa sổ kính kết hợp ban công cong ở mặt đứng chính giúp tối ưu hóa chiếu sáng tự nhiên và thông gió xuyên phòng. Hành lang giữa kết hợp sảnh lớn tại các tầng khắc phục nhược điểm thông gió cục bộ của nhà nhiều phòng.
2. Các hệ thống kỹ thuật công trình (MEP)
- Hệ thống cấp nước: Nguồn nước từ mạng lưới đô thị dẫn vào bể nước mái, sau đó phân phối theo mạng đường ống chính và ống nhánh xuống các tầng. Sử dụng ống thép tráng kẽm đường kính từ $\Phi 15$ đến $\Phi 65$ đi ngầm sàn, tường và hộp kỹ thuật. Nước nóng cấp bằng bình đun độc lập tại từng khu vệ sinh.
- Hệ thống thoát nước: Phân tách riêng biệt hệ thống thoát nước bẩn sinh hoạt và hệ thống thoát phân. Nước thải từ xí, tiểu qua xử lý cục bộ tại bể tự hoại trước khi xả ra cống ngoài. Hệ thống ống đứng thông hơi đường kính $\Phi 60$ nhô cao hơn mái 700 mm. Vật liệu sử dụng ống nhựa PVC, riêng ống đứng thoát phân dùng ống gang.
- Hệ thống cấp điện và tín hiệu: Nguồn điện 3 pha 4 dây 380V/220V lấy từ trạm biến áp hạ thế cạnh công trình. Tủ điện tổng đo đếm chung, mỗi phòng có công tơ riêng đặt tại hộp kỹ thuật tầng. Hệ thống thông tin sử dụng cáp điện thoại 4 lõi và cáp đồng anten đi ngầm trong ống PVC; bố trí ban đầu 2 ổ cắm máy tính và 2 ổ cắm điện thoại cho mỗi căn hộ.
- Hệ thống phòng cháy chữa cháy (PCCC): Đặt tủ chữa cháy vách tường tại sảnh thang mỗi tầng (gồm cuộn vòi $\Phi 50$ dài 30 m, lăng phun $\Phi 13$). Trạm bơm gồm 01 bơm điện chính, 01 bơm phụ trợ từ mạng sinh hoạt và 01 bơm chạy động cơ diesel dự phòng khi mất điện. Bể nước ngầm tích hợp lượng nước chữa cháy và sinh hoạt (có van khống chế mực nước sinh hoạt). Lắp đặt 02 họng chờ bên ngoài tiếp nước cho xe cứu hỏa. Thang máy chở hàng có buồng ngăn cháy và nguồn điện độc lập.
- Hệ thống chống sét và chống thấm: Kim thu sét kết hợp lưới thu sét xung quanh mái nối với hệ thống cọc tiếp địa. Sàn mái chống thấm bằng lớp bê tông chuyên dụng kết hợp đánh dốc thoát nước mưa triệt để.
Nội dung chính theo từng phần
Phần I: Kiến trúc (10%)
Phần này tập trung phân tích nhiệm vụ thiết kế, lựa chọn giải pháp quy hoạch tổng mặt bằng, mặt đứng, mặt cắt và hoàn thiện hồ sơ thiết kế kỹ thuật các hệ thống phụ trợ.
| Hạng mục kiến trúc | Đặc điểm thiết kế chi tiết |
|---|---|
| Quy mô tầng | 11 tầng (1 tầng trệt + 9 tầng căn hộ + 1 tầng mái) |
| Chiều cao tầng 1 | $4,5 \text{ m}$ |
| Chiều cao tầng 2-10 | $3,3 \text{ m}$ |
| Giải pháp mặt cắt | 4 nhịp dọc nhà, 3 nhịp ngang nhà; kết cấu khung dầm sàn toàn khối |
| Hệ thống giao thông đứng | Cụm thang bộ và buồng thang máy bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang |
Phần II: Kết cấu (45%)
1. Phân tích và lựa chọn giải pháp kết cấu
Tác giả so sánh định lượng và định tính các phương án kết cấu chịu lực:
- Phương án sàn: So sánh giữa sàn sườn toàn khối (tính toán đơn giản, thi công phổ biến, giảm tĩnh tải), sàn ô cờ (thẩm mỹ cao nhưng phức tạp, đắt tiền) và sàn không dầm/sàn nấm (tiết kiệm chiều cao nhưng thi công phức tạp, tốn vật liệu). Lựa chọn phương án sàn sườn bê tông cốt thép đổ toàn khối.
- Phương án kết cấu chịu lực: So sánh hệ vách/lõi cứng (thích hợp $>20$ tầng), hệ khung - giằng (tối ưu cho nhà đến 40 tầng) và hệ khung chịu lực. Chọn hệ khung bê tông cốt thép chịu lực kết hợp lõi thang máy (chống xoắn), tính toán theo sơ đồ khung phẳng và khung không gian đàn hồi.
2. Tính toán tải trọng tác động
- Tĩnh tải: Xác định trọng lượng các lớp cấu tạo hoàn thiện sàn, sàn vệ sinh, lớp mái, tường xây gạch đặc 220 mm ($4,98 \text{ kN/m}^2$) và tường 110 mm ($2,802 \text{ kN/m}^2$). Trọng lượng bản thân kết cấu được tính tự động trong phần mềm với hệ số độ tin cậy vượt tải 1,1.
- Hoạt tải sàn: Tra theo TCVN 2737-1995:
- Phòng ngủ, ăn, bếp, vệ sinh: $1,5 \text{ kN/m}^2$ ($p_{tt} = 1,95 \text{ kN/m}^2$).
- Ban công, logia: $2,0 \text{ kN/m}^2$.
- Hành lang, sảnh: $3,0 \text{ kN/m}^2$.
- Áp dụng hệ số giảm hoạt tải $\psi_{A1} = 0,4 + 0,6/\sqrt{A/A_1}$ đối với các phòng có diện tích $A > A_1 = 9 \text{ m}^2$ (ngoại trừ các ô sàn hành lang S2, S8, S9).
- Tải trọng gió: Công trình tại Hà Nội thuộc vùng áp lực gió II-B ($W_0 = 0,95 \text{ kN/m}^2$). Do chiều cao $H = 38,75 \text{ m} < 40 \text{ m}$, đồ án chỉ tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió. Hệ số khí động $c = +0,8$ (phía đón gió) và $c = -0,6$ (phía hút gió), hệ số vượt tải $n = 1,2$. Công trình được chia thành 12 phân đoạn chiều cao để gán tải trọng gió tập trung và phân bố vào dầm biên các khung.
Tải trọng gió tại độ cao Z: W = W0 * k * c * n (kN/m2)
3. Tính toán sàn tầng điển hình
Tác giả thống nhất chiều dày bản sàn $h_s = 10 \text{ cm}$ trên toàn mặt bằng dựa theo công thức $h_s = D \cdot l / m$. Phân chia tính toán thành 2 nhóm ô bản:
- Bản kê 4 cạnh ($l_2/l_1 \le 2$): Tính toán điển hình cho ô bản S10 ($l_1 = 3,99 \text{ m}; l_2 = 7,18 \text{ m}$; tỷ số $l_2/l_1 = 1,8$). Tĩnh tải tính toán $g_{tt} = 9,06 \text{ kN/m}^2$, hoạt tải tính toán $p_{tt} = 1,44 \text{ kN/m}^2$. Xác định mômen nhịp và gối qua các hệ số tra bảng sổ tay kết cấu $m_{11}, m_{12}, k_{91}, k_{92}$.
- Bản loại dầm ($l_2/l_1 > 2$): Tính toán điển hình cho ô bản S9 ($l_1 = 3,0 \text{ m}; l_2 = 7,98 \text{ m}$; tỷ số $l_2/l_1 = 2,66$). Tải trọng tổng cộng $q = g_{tt} + p_{tt} = 3,77 + 3,60 = 7,37 \text{ kN/m}^2$. Cắt dải bản rộng 1 m tính uốn:
- Mômen giữa nhịp: $M_1 = q \cdot l_1^2 / 24 = 7,37 \cdot 3^2 / 24 = 2,76 \text{ kNm}$.
- Mômen tại gối ngàm: $M_I = q \cdot l_1^2 / 12 = 7,37 \cdot 3^2 / 12 = 5,53 \text{ kNm}$.
- Bố trí thép sàn: Sử dụng thép $\Phi 8$, lớp bảo vệ $a_{bv} = 1 \text{ cm}$. Chiều cao làm việc phương cạnh ngắn $h_{01} = 8,6 \text{ cm}$, phương cạnh dài $h_{02} = 7,8 \text{ cm}$.
4. Tính toán cầu thang bộ trục 2-3
Cầu thang bộ 3 đợt, kích thước bậc $b_b \times h_b = 310 \times 150 \text{ mm}$, bản thang và bản chiếu nghỉ dày $8 \text{ cm}$, dầm chiếu nghỉ (DCN) kích thước $200 \times 300 \text{ mm}$.
- Bản chiếu tới (BT1): Tỷ số $L_2/L_1 = 2820/1500 = 1,88 < 2$, tính theo bản làm việc hai phương, bố trí thép $\Phi 6$.
- Bản chiếu nghỉ (BT2): Tính theo sơ đồ bản dầm chịu tải vuông góc $q_b^* = 7,41 \text{ kN/m}^2$, diện tích thép yêu cầu $A_s = 1,19 \text{ cm}^2$, chọn thép $\Phi 6a200$ ($A_s = 1,415 \text{ cm}^2$).
- Cốn thang (CT): Sơ đồ dầm đơn giản kê lên dầm chiếu tới và dầm chiếu nghỉ. Mômen uốn tính toán $M = 6,11 \text{ kNm}$, chiều cao làm việc $h_0 = 27 \text{ cm}$, chọn $1\Phi 14$ ($A_s = 1,539 \text{ cm}^2$). Bê tông đủ khả năng chịu cắt ($Q_{bmin} = 14,58 \text{ kN} > Q_{max}$), bố trí cốt đai cấu tạo $\Phi 6a100$.
- Dầm chiếu nghỉ (DCN): Mômen lớn nhất $M_{max} = 29,28 \text{ kNm}$, chọn cốt thép dọc chịu lực $2\Phi 18$ ($A_s = 5,09 \text{ cm}^2$), cốt đai cấu tạo $\Phi 6a100$.
5. Phân tích và thiết kế khung trục 2 (Khung K2)
Khung K2 được trích xuất từ mô hình không gian tổng thể trên phần mềm ETABS, kiểm tra và tính toán cốt thép theo TCVN 356-2005:
- Kích thước dầm: Dầm D6 tầng 2-10 chọn tiết diện $220 \times 500 \text{ mm}$; các dầm khung còn lại chọn tiết diện $220 \times 600 \text{ mm}$. Dầm mái chọn $220 \times 500 \text{ mm}$ (D6, D8) và $220 \times 600 \text{ mm}$ (D9).
- Kích thước cột: Xác định sơ bộ theo diện tích chịu tải và lực dọc $N$:
- Cột biên: diện tích tiết diện sơ bộ $(0,282 \div 0,353) \text{ m}^2$, chọn tiết diện vuông $500 \times 500 \text{ mm}$.
- Cột giữa: diện tích tiết diện sơ bộ $(0,44 \div 0,56) \text{ m}^2$, chọn tiết diện vuông $600 \times 600 \text{ mm}$.
- Kiểm tra độ mảnh và ổn định cột: Xét cột biên tầng 1 có chiều cao $H = 5,5 \text{ m}$ (kể từ mặt móng ở cốt -1,0 m), chiều dài tính toán $l_0 = 0,7 \cdot H = 3,85 \text{ m}$. Độ mảnh $\lambda = l_0 / b = 385 / 50 = 6,4 < 31$, đảm bảo yêu cầu ổn định tổng thể.
Kết quả và đóng góp
1. Bảng tổng hợp thông số kết cấu chính đã thiết kế
| Cấu kiện | Vị trí / Ký hiệu | Tiết diện ($b \times h$ hoặc $h_s$) | Cốt thép chọn | Ghi chú kỹ thuật |
|---|---|---|---|---|
| Bản sàn | Toàn bộ tầng điển hình | Dày $100 \text{ mm}$ | $\Phi 8$ lưới | Bê tông B20, $R_b = 11,5 \text{ MPa}$ |
| Bản chiếu nghỉ | BT2 (cầu thang) | Dày $80 \text{ mm}$ | $\Phi 6a200$ | $A_s = 1,415 \text{ cm}^2$ |
| Cốn thang | CT | Dầm thang | $1\Phi 14$ | Cốt đai $\Phi 6a100$ |
| Dầm chiếu nghỉ | DCN | $200 \times 300 \text{ mm}$ | $2\Phi 18$ | $A_s = 5,09 \text{ cm}^2$, đai $\Phi 6a100$ |
| Dầm khung | Dầm D6 (tầng 2-10) | $220 \times 500 \text{ mm}$ | Nhóm CII | Dầm phụ / dầm biên |
| Dầm khung | Các dầm còn lại | $220 \times 600 \text{ mm}$ | Nhóm CII | Dầm chính chịu lực |
| Cột biên | Tầng 1 đến mái | $500 \times 500 \text{ mm}$ | Nhóm CII | Độ mảnh $\lambda = 6,4 \le 31$ |
| Cột giữa | Tầng 1 đến mái | $600 \times 600 \text{ mm}$ | Nhóm CII | Chịu nén đúng tâm & lệch tâm |
2. Đóng góp kỹ thuật của đồ án
- Thiết lập quy trình tính toán hoàn chỉnh cho chung cư trung tầng (11 tầng) kết hợp phương pháp giải tích truyền thống (sổ tay tra bảng) để kiểm soát kết quả phần tử hữu hạn trên ETABS và SAP2000.
- Đề xuất giải pháp hệ thống MEP tích hợp: tận dụng bể nước mái chung cho cả sinh hoạt và dự trữ chữa cháy có van khống chế, bố trí máy bơm diesel độc lập và họng tiếp nước đôi ngoài nhà nhằm tăng cường an toàn sinh mạng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Theo giới hạn của đồ án tốt nghiệp và phạm vi công trình cao dưới 40 m ($H = 38,75 \text{ m}$), tác giả lược bỏ việc tính toán thành phần động của tải trọng gió và áp lực động đất chi tiết theo tiêu chuẩn kháng chấn; mô hình phân phối tải sàn vào khung phẳng vẫn chấp nhận giả thiết bỏ qua tính liên tục của hệ dầm phụ trực giao.
- Hướng phát triển: Mở rộng phân tích phi tuyến (pushover) đánh giá sự hình thành khớp dẻo ở cột và dầm khi chịu tải trọng ngang bất lợi; mô hình hóa chi tiết tương tác động lực học giữa kết cấu bên trên với hệ cọc và móng ngầm.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn phù hợp cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng dân dụng và công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp khối nhà nhiều tầng bê tông cốt thép.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu sơ bộ tham khảo phương pháp xác định kích thước dầm, cột, sàn, dải truyền tải trọng gió tĩnh vùng II-B và tính toán cấu kiện đặc biệt (cầu thang bộ 3 đợt, dầm cốn thang).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao công trình không tính toán thành phần động của tải trọng gió?
Theo quy định tại mục TCVN 2737-1995 được tác giả trích dẫn, công trình có tổng chiều cao $H = 38,75 \text{ m}$ (nhỏ hơn ngưỡng $40 \text{ m}$), do đó chỉ cần tính toán và gán thành phần tĩnh của tải trọng gió mà không bắt buộc phải tính thành phần động hay dao động do gió.
2. Công trình sử dụng giải pháp kết cấu chịu lực chính nào?
Tác giả lựa chọn hệ kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực kết hợp lõi thang máy (tăng độ cứng chống xoắn và chịu tải ngang), sử dụng bê tông B20 đổ toàn khối với hệ sàn sườn.
3. Tiết diện cột được lựa chọn và kiểm tra như thế nào?
Cột được sơ bộ theo diện tích chịu tải: cột biên chọn kích thước $500 \times 500 \text{ mm}$, cột giữa chọn kích thước $600 \times 600 \text{ mm}$. Cột biên tầng 1 ($H = 5,5 \text{ m}$ tính từ móng) được kiểm tra độ mảnh với $l_0/b = 385/50 = 6,4 < 31$, thỏa mãn điều kiện ổn định.
4. Giải pháp cấp nước chữa cháy của công trình có điểm gì đặc biệt?
Hệ thống PCCC dùng chung bể nước ngầm với nước sinh hoạt nhưng có bộ điều khiển khống chế mức hút để duy trì lượng nước cứu hỏa dự trữ. Trạm bơm gồm bơm điện, bơm hỗ trợ từ hệ sinh hoạt và 01 bơm động cơ diesel dự phòng khi mất điện, kết hợp 02 họng chờ đấu nối xe chữa cháy từ bên ngoài.
5. Bản sàn cầu thang và sàn tầng điển hình được chọn chiều dày bao nhiêu?
Sàn tầng điển hình được thống nhất chọn chiều dày $h_s = 10 \text{ cm}$ ($100 \text{ mm}$). Bản thang và bản chiếu nghỉ cầu thang bộ trục 2-3 được thiết kế với chiều dày $8 \text{ cm}$ ($80 \text{ mm}$).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thành Duy đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu thiết kế kiến trúc và tính toán kết cấu cho công trình chung cư 11 tầng tại Dịch Vọng, Cầu Giấy, Hà Nội. Tác giả đã vận dụng chuẩn xác các tiêu chuẩn TCVN 356-2005, TCVN 2737-1995 cùng công cụ tính toán ETABS/SAP2000 để thiết kế an toàn hệ dầm, cột, sàn sườn và cầu thang bộ bê tông cốt thép B20. Hồ sơ thuyết minh cung cấp đầy đủ luận chứng kỹ thuật, số liệu tính toán chi tiết và giải pháp hạ tầng MEP phù hợp cho một công trình dân dụng nhiều tầng.