Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng tại Thành phố Hồ Chí Minh, tốc độ gia tăng dân số cơ học và mật độ cư trú tạo áp lực lớn lên quỹ đất đô thị vốn hạn chế, đẩy giá bất động sản lên cao. Xu hướng đầu tư xây dựng các khu chung cư cao tầng tại các khu đô thị mới ven trung tâm là giải pháp quy hoạch phù hợp nhằm tối ưu hóa diện tích sử dụng đất, thay thế các khu dân cư xuống cấp và chỉnh trang cảnh quan đô thị. Công trình "Chung cư cao cấp 21 tầng" được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu sinh sống, làm việc và thương mại dịch vụ với hạ tầng tiện ích đồng bộ.

Công trình tọa lạc tại vị trí trung tâm Khu đô thị mới Thảo Điền, Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh. Khu đất xây dựng bằng phẳng, tiếp giáp trục đường giao thông chính, thuận lợi cho công tác vận chuyển vật tư và đấu nối hạ tầng kỹ thuật (cấp điện, cấp thoát nước). Hiện trạng mặt bằng không có công trình cũ hay công trình ngầm phức tạp, tạo điều kiện thuận lợi cho bố trí tổng mặt bằng và thi công tầng hầm.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án tốt nghiệp được xác định cụ thể qua các nội dung sau:

  1. Hiệu chỉnh và hoàn thiện hồ sơ bản vẽ kiến trúc phù hợp với công năng sử dụng và yêu cầu kỹ thuật của giảng viên hướng dẫn.
  2. Xây dựng mô hình tính toán, phân tích nội lực và thiết kế hệ kết cấu chịu lực chính (khung - vách bê tông cốt thép, bao gồm dầm, cột và vách thang máy).
  3. Thiết kế kết cấu sàn tầng điển hình bằng bê tông cốt thép toàn khối.
  4. Thiết kế kết cấu cầu thang bộ tầng điển hình.
  5. Thiết kế kết cấu nền móng sử dụng phương án cọc khoan nhồi và đề xuất quy trình thi công cọc.

Phạm vi nghiên cứu và thiết kế công trình:

  • Quy mô không gian: Công trình gồm 1 tầng hầm (cao độ đáy sàn -3,000 m đến -3,700 m so với cốt tự nhiên), 1 tầng trệt (+0,000 m), 19 tầng lầu và 1 tầng mái (+64,800 m). Tổng chiều cao công trình tính từ mặt đất tự nhiên là 65,8 m. Mặt bằng kiến trúc có dạng hình chữ nhật với kích thước $40\text{ m} \times 24\text{ m}$ (diện tích sàn xây dựng $1.232\text{ m}^2$), lưới trục kết cấu khung biên ngoài có kích thước $42\text{ m} \times 22\text{ m}$.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Đồ án hoàn thành vào tháng 01 năm 2019 tại Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết, tiêu chuẩn và phương pháp tính toán

Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn xây dựng được viện dẫn trong đồ án:

  • 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 theo TCVN 2737:1995.
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất.
  • TCVN 5574:2012: 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.
  • TCXDVN 323:2004: Nhà ở cao tầng – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 2622:1995: Phòng cháy, chống cháy cho nhà và công trình – Yêu cầu thiết kế.
  • Các tiêu chuẩn thiết kế nền móng và tiêu chuẩn thi công, nghiệm thu cọc khoan nhồi hiện hành.

Nguyên lý tính toán kết cấu bê tông cốt thép tuân thủ nghiêm ngặt theo hai nhóm trạng thái giới hạn:

  • Trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH I): Kiểm tra khả năng chịu lực cực hạn của cấu kiện, đảm bảo kết cấu không bị phá hoại giòn, nén vỡ bê tông, chảy dẻo cốt thép, mất ổn định tổng thể hoặc ổn định cục bộ dưới tác động của các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất.
  • Trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH II): Đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của công trình trong suốt niên hạn khai thác, giới hạn độ võng của dầm sàn, góc xoay cục bộ, chuyển vị ngang tại đỉnh công trình và hạn chế bề rộng khe nứt trong phạm vi cho phép.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ mô hình hóa:

  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm ETABS phiên bản 9.4 để thiết lập mô hình không gian 3D của toàn bộ khối tháp 21 tầng; xác định các mode dao động riêng, chu kỳ dao động phục vụ tính toán gió động; phân tích phổ phản ứng đàn hồi để xác định tải trọng động đất; xuất nội lực dầm, cột, vách cho các tổ hợp tải trọng.
  • Phương pháp dải phân tích (Strip Method): Sử dụng phần mềm SAFE phiên bản 12.2 để phân tích nội lực bản sàn hai phương, mô hình hóa tương tác gối tựa dầm - vách - cột và kiểm tra độ võng sàn tầng điển hình.
  • Phương pháp giải tích thực hành: Áp dụng phương pháp tính cột nén lệch tâm xiên quy đổi về nén lệch tâm phẳng tương đương theo lý thuyết của GS. Nguyễn Đình Cống; phương pháp giả thiết vùng biên chịu uốn đối với vách cứng; tính toán sức chịu tải cọc ma sát theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).
  • Xử lý số liệu: Sử dụng phần mềm Microsoft Excel (Office 2010) để lập bảng tra cứu nội lực, tổ hợp tải trọng và tự động hóa tính toán cốt thép.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp kết cấu

Giải pháp kết cấu phương đứng: Công trình cao 21 tầng ($h = 65,8\text{ m}$) chịu tác động đáng kể của tải trọng ngang. Tác giả lựa chọn hệ kết cấu chịu lực chính là hệ khung - vách bê tông cốt thép toàn khối. Trong hệ này:

  • Hệ khung (cột, dầm) tiếp nhận và truyền tải phần lớn tải trọng thẳng đứng (tĩnh tải kết cấu, hoàn thiện và hoạt tải sử dụng).
  • Hệ vách cứng (bố trí tập trung tại khu vực lõi thang máy và buồng thang bộ ở trung tâm mặt bằng) tiếp nhận phần lớn tải trọng ngang từ gió và động đất, đồng thời tăng cường độ cứng chống xoắn và hạn chế chuyển vị ngang cho toàn công trình.

Giải pháp kết cấu phương ngang: Sau khi so sánh các phương án sàn phẳng không dầm, sàn ứng lực trước và sàn bê tông nhẹ lõi rỗng (BubbleDeck, Uboot Beton), tác giả lựa chọn giải pháp hệ sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối (hệ dầm - bản). Phương án này có ưu điểm tính toán cơ học rõ ràng, độ cứng bản sàn lớn (đóng vai trò đĩa cứng truyền lực ngang vào vách), công nghệ thi công quen thuộc tại Việt Nam và thích hợp với bước cột từ 4 m đến 10 m.

Giải pháp vật liệu xây dựng:

  • Bê tông cấp độ bền B25: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14,5\text{ MPa}$ ($14.500\text{ kN/m}^2$), cường độ chịu nén tiêu chuẩn $R_{bn} = 18,5\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 30.000\text{ MPa}$.
  • Cốt thép: Thép nhóm AII sử dụng cho đường kính thanh $\phi < 10\text{ mm}$ với cường độ tính toán chịu kéo $R_s = 280\text{ MPa}$; thép nhóm AIII sử dụng cho đường kính thanh $\phi \ge 10\text{ mm}$ với cường độ tính toán chịu kéo $R_s = 365\text{ MPa}$ và cường độ tính toán chịu nén $R_{sc} = 365\text{ MPa}$.

Sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện:

  • Bản sàn tầng điển hình: Chiều dày $h_s = 120\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện $h_s \ge h_{min} = 50\text{ mm}$ theo TCVN 5574:2012.
  • Dầm chính: Chiều cao chọn theo công thức $h_d = (1/8 \div 1/12)L_d$, bề rộng $b_d = (1/2 \div 1/4)h_d$. Tiết diện phổ biến trên mặt bằng là $250 \times 500\text{ mm}$ và $300 \times 700\text{ mm}$.
  • Dầm phụ: Chiều cao chọn theo $h_d = (1/12 \div 1/20)L_d$, bề rộng $b_d = (1/2 \div 1/4)h_d$, kích thước phổ biến $200 \times 400\text{ mm}$ và $250 \times 500\text{ mm}$.
  • Tiết diện cột chịu lực: Được xác định sơ bộ dựa trên diện truyền tải và lực dọc tích lũy, có xét tăng hệ số do uốn ($n = 1,3$ cho cột biên và $n = 1,2$ cho cột giữa). Tiết diện cột được giật cấp giảm dần theo chiều cao (cứ 4 tầng thay đổi 1 lần):
    • Tầng 1 đến tầng 4: $120 \times 120\text{ cm}$.
    • Tầng 5 đến tầng 8: $100 \times 100\text{ cm}$.
    • Tầng 9 đến tầng 12: $90 \times 90\text{ cm}$.
    • Tầng 13 đến tầng 16: $70 \times 70\text{ cm}$.
    • Tầng 17 đến tầng 21: $50 \times 50\text{ cm}$.

Nội dung chi tiết theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về kiến trúc công trình

Chương 1 giới thiệu chi tiết công năng và các giải pháp thiết kế kiến trúc:

  • Quy hoạch tổng mặt bằng: Công trình chiếm diện tích $1.232\text{ m}^2$ trên khu đất thuộc Thảo Điền, Quận 2. Bãi đỗ xe ô tô và xe máy được bố trí hoàn toàn dưới tầng hầm với đường dốc ram vào - ra tách biệt, tránh xung đột giao thông. Vỉa hè lát gạch, sân bãi đổ nhựa và kết hợp cây xanh cách ly.
  • Phân khu chức năng:
    • Tầng hầm: Bố trí không gian kỹ thuật, bãi xe, hệ thống máy phát điện dự phòng và kho thu gom rác.
    • Tầng trệt: Bố trí các sảnh đón, trung tâm thương mại và phòng sinh hoạt cộng đồng.
    • Tầng 2 đến tầng 19: Mỗi tầng điển hình gồm 8 căn hộ (4 căn loại A và 4 căn loại B) bố trí đối xứng qua trục hành lang trung tâm. Mỗi căn hộ được trang bị 1 phòng khách, 1 phòng bếp, 1 phòng ăn, 2 phòng ngủ, 2 phòng vệ sinh và 1 khu giặt phơi.
  • Giao thông nội bộ và thoát hiểm: Hành lang giữa rộng 4,0 m, đảm bảo độ rộng cho 2 luồng thoát người (mỗi luồng rộng tối thiểu 1,2 m), không bố trí bậc cấp hay vật cản cục bộ. Khoảng cách từ cửa căn hộ xa nhất đến thang thoát hiểm không vượt quá 25 m, đáp ứng TCXDVN 323:2004. Hệ thống giao thông đứng gồm 2 buồng thang máy đặt cạnh sảnh trung tâm và 1 cầu thang bộ thoát hiểm được bao bọc bởi vách chịu lực.
  • Giải pháp kỹ thuật cơ điện (MEP): Hệ thống cấp điện 3 pha có tủ phân phối tại từng tầng, tủ ngắt điện tự động từ 1A đến 80A; hệ thống cấp nước sinh hoạt và PCCC gồm bể nước ngầm bơm lên hồ nước mái thông qua ống dẫn PVC đi trong hộp gen kỹ thuật; hệ thống thoát nước phân ly xử lý qua bể tự hoại trước khi xả ra cống thành phố; hệ thống PCCC trang bị họng nước vách tường, bình chữa cháy xách tay và còi báo cháy theo TCVN 2622:1995; chống sét sử dụng kim thu sét phóng điện sớm Stormaster ESE nối dây đồng tiếp địa.

Chương 2: Tổng quan về kết cấu công trình

Nội dung chương 2 tập trung phân tích cơ sở lựa chọn phương án kết cấu:

  • Đánh giá cơ học hệ kết cấu chịu lực đứng: So sánh chi tiết các sơ đồ khung thuần túy, khung - giằng, khung - vách, ống lõi và ống tổ hợp. Với công trình cao 21 tầng, hệ khung đơn thuần không đáp ứng khả năng chịu tải trọng ngang ở vùng động đất cấp VII, trong khi hệ ống tổ hợp lại dư thừa độ cứng và tốn kém vật liệu. Giải pháp khung - vách được kết luận là phương án tối ưu về kỹ thuật và kinh tế.
  • Đánh giá giải pháp kết cấu sàn: Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của 4 phương án: sàn sườn truyền thống, sàn không dầm, sàn không dầm ứng lực trước và sàn rỗng BubbleDeck/Uboot Beton. Hệ sàn dầm được chọn do sơ đồ truyền lực từ bản sàn sang dầm phụ, dầm chính và cột rất rõ ràng, đồng thời tạo khung cứng không gian ổn định.
  • Cơ sở tính toán: Xác lập nguyên lý tính toán theo TTGH I và TTGH II, quy định các thông số vật liệu bê tông B25 và cốt thép AII, AIII. Lựa chọn bộ phần mềm tính toán kết cấu chuyên dụng gồm ETABS 9.4 (phân tích không gian), SAFE V12.2 (phân tích dải sàn) và Microsoft Office 2010.

Chương 3: Thiết kế kết cấu sàn tầng điển hình

Chương 3 trình bày các bước thiết kế chi tiết sàn tầng 2 đến tầng 19:

  • Xác định tải trọng tác dụng:
    • Tĩnh tải hoàn thiện: Trọng lượng lớp gạch ceramic ($0,24\text{ kN/m}^2$), lớp vữa xi măng lót ($0,47\text{ kN/m}^2$), vữa trát trần ($0,35\text{ kN/m}^2$), trần thạch cao và đường ống kỹ thuật ($0,66\text{ kN/m}^2$), lớp chống thấm khu vệ sinh ($0,05\text{ kN/m}^2$). Trọng lượng bản thân bản bê tông dày 120 mm do phần mềm tự động tính toán với hệ số độ tin cậy $n = 1,1$. Tải trọng tường xây ngăn phòng được quy đổi thành tải trọng phân bố đều trên diện tích từng ô bản sàn ($S_1, S_5, S_6$).
    • Hoạt tải sử dụng: Theo TCVN 2737:1995, hoạt tải phòng khách, phòng ngủ, bếp, vệ sinh có giá trị tiêu chuẩn $p^{tc} = 1,5\text{ kN/m}^2$ ($p^{tt} = 1,95\text{ kN/m}^2$ với $n = 1,3$); hành lang và ban công lấy $p^{tc} = 3,0\text{ kN/m}^2$ ($p^{tt} = 3,6\text{ kN/m}^2$ với $n = 1,2$).
  • Mô hình hóa và phân tích nội lực: Sàn được dựng trên SAFE V12.2, phân chia các dải Strip theo phương X và phương Y có bề rộng $b = 1\text{ m}$.
  • Kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng: Độ võng lớn nhất của sàn tầng điển hình xuất ra từ SAFE đạt $f_{max} = 18,89\text{ mm}$, nằm trong giới hạn độ võng cho phép đối với sàn nhà ở dân dụng.
  • Tính toán cốt thép: Tính toán chi tiết cho ô bản S1 đại diện với mô men uốn tại nhịp $M_1 = 9,x\text{ kNm}$, chiều cao làm việc $h_0 = 105\text{ mm}$ ($h_s = 120\text{ mm}$, lớp bê tông bảo vệ $a = 15\text{ mm}$). Hàm lượng cốt thép tính toán đạt $\mu = 0,39%$, thỏa mãn điều kiện chống phá hoại giòn ($\mu_{min} = 0,1% \le \mu \le \mu_{max} = 0,9%$).

Chương 4: Thiết kế kết cấu cầu thang tầng điển hình

Nội dung chương 4 giải quyết bài toán thiết kế cầu thang bộ thoát hiểm:

  • Đặc điểm hình học: Cầu thang hai vế dạng bản chịu lực bằng bê tông cốt thép toàn khối, chiều cao tầng $h = 3,3\text{ m}$, chiều rộng vế thang $1,2\text{ m}$, mỗi vế gồm 10 bậc gạch thẻ ($h_{bậc} = 170\text{ mm}$, rộng bậc $300\text{ mm}$). Bản nghiêng thang và bản chiếu nghỉ chọn dày $160\text{ mm}$. Góc nghiêng bản thang $\tan \alpha = 170/300 \approx 0,567$ ($\alpha \approx 29,5^\circ$).
  • Tải trọng tác dụng:
    • Bản nghiêng thang: Trọng lượng các lớp hoàn thiện quy đổi theo phương dốc (đá hoa cương, vữa lót, bậc gạch thẻ tam giác, bản BTCT dày 160 mm, vữa trát dưới đáy) cùng tĩnh tải lan can $g_{lc} = 0,3\text{ kN/m}$.
    • Hoạt tải tiêu chuẩn lấy $p^{tc} = 3,0\text{ kN/m}^2$ ($p^{tt} = 3,6\text{ kN/m}^2$).
  • Sơ đồ tính và nội lực: Xem bản thang và chiếu nghỉ như dầm đơn giản một nhịp có 1 đầu khớp và 1 đầu di động trên nhịp tính toán $L_0 = 4,65\text{ m}$, mô hình hóa trên ETABS. Biểu đồ mô men uốn chỉ xuất hiện mô men dương ở bụng với giá trị cực đại $M_{max} = 27,56\text{ kNm}$.
  • Bố trí cốt thép: Với tiết diện tính toán $b = 1.000\text{ mm}, h = 160\text{ mm}, h_0 = 140\text{ mm}$ ($a = 20\text{ mm}$), thép chịu lực được tính toán cho vùng chịu kéo ở đáy bản thang. Tại vị trí các gối tựa (do sơ đồ khớp không phát sinh mô men âm), tác giả bố trí cốt thép cấu tạo đường kính $\phi 8 a 200$.

Chương 5: Thiết kế kết cấu hệ khung - vách

Chương 5 là nội dung trọng tâm của đồ án, tập trung tính toán hệ kết cấu không gian:

  • Đối tượng tính toán: Tác giả thực hiện tính toán thiết kế chi tiết cho 2 hệ khung phẳng đại diện cắt từ mô hình không gian: Khung trục C (theo phương dọc nhà) và Khung trục 3 (theo phương ngang nhà).
  • Phân tích tải trọng gió (TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999):
    • Do chiều cao $h = 65,8\text{ m} > 40\text{ m}$, tải trọng gió được phân tích gồm thành phần tĩnh và thành phần động.
    • Công trình thuộc vùng áp lực gió II-A tại TP.HCM, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$, dạng địa hình B, hệ số khí động đón gió và hút gió tổng cộng $c = 1,4$, hệ số vượt tải $n = 1,2$.
    • Thành phần gió động được tính toán dựa trên các tần số dao động riêng trích xuất từ ETABS. Tần số giới hạn xét xung động gió theo tiêu chuẩn là $f_L = 1,3\text{ Hz}$. Kết quả phân tích 5 mode dao động đầu tiên cho thấy: Mode 1 dao động tịnh tiến theo phương Y ($T_1 = 2,38\text{ s}, f_1 = 0,42\text{ Hz} < f_L$), Mode 2 dạng xoắn (loại bỏ), Mode 3 dao động tịnh tiến theo phương X ($T_3 = 2,48\text{ s}, f_3 = 0,40\text{ Hz} < f_L$). Do $f_1, f_3 < f_L$ nên thành phần động của tải trọng gió được tính toán kể đến lực quán tính của dao động Mode 1 và Mode 3; các mode bậc cao hơn có $f > f_L$ nên dừng tính toán động lực học.
  • Phân tích tải trọng động đất (TCVN 9386:2012):
    • Áp dụng phương pháp phổ phản ứng đàn hồi. Đỉnh gia tốc nền tham chiếu tại Quận 2 là $a_{gR} = 0,0856\text{ m/s}^2$ (tương đương động đất cấp VII theo thang MSK-64).
    • Đất nền thuộc loại B với các thông số phổ phản ứng: $S = 1,2; T_B = 0,15\text{ s}; T_C = 0,5\text{ s}; T_D = 2,0\text{ s}$.
    • Công trình thuộc cấp công trình II, hệ số tầm quan trọng $\gamma_I = 1,0 \to$ đỉnh gia tốc nền thiết kế $a_g = 0,84\text{ m/s}^2$ ($a_g \ge 0,08g$), bắt buộc thiết kế kháng chấn.
    • Kết cấu thuộc hệ khung - hỗn hợp có cấp dẻo trung bình (DCM), tính đều đặn theo mặt đứng, tỷ số $\alpha_u / \alpha_1 = 1,3$, hệ số dạng phá hoại $k_w = 1,0 \to$ hệ số ứng xử động đất xác định được là $q = 3,9$.
  • Tổ hợp tải trọng và kiểm tra biến dạng:
    • Thiết lập 8 trường hợp tải cơ sở (TT, HT, WTX, WTY, WDX, WDY, QX, QY) và 17 tổ hợp tải trọng (COMB1 đến COMB13, kết hợp tải trọng động đất theo tỷ lệ $100% Q_X + 30% Q_Y$ hoặc $100% Q_Y + 30% Q_X$ và tổ hợp bao COMBBAO).
    • Kiểm tra chuyển vị ngang tại đỉnh: Dưới tác dụng của tổ hợp nguy hiểm nhất (COMBBAO), chuyển vị đỉnh công trình đạt $f_{max} = 0,063\text{ m}$, nhỏ hơn độ võng giới hạn cho phép $[f] = H/750 = 54,x / 750 = 0,072\text{ m}$ quy định trong TCVN 198:1997.
  • Thiết kế cốt thép cấu kiện:
    • Dầm: Tính toán cốt thép dọc chịu uốn dựa trên đường bao mô men lớn nhất từ các tổ hợp tải; tính cốt đai theo điều kiện chống cắt ($Q \le 0,6 R_{bt} b h_0$) và bố trí cốt treo gia cường dạng đai tại vị trí dầm phụ kê lên dầm chính để chống nứt vỡ cục bộ.
    • Cột: Sử dụng phương pháp chuyển đổi nén lệch tâm xiên $(M_x, M_y, N)$ thành nén lệch tâm phẳng tương đương theo lý thuyết của GS. Nguyễn Đình Cống cho tiết diện chữ nhật thỏa mãn $0,5 \le C_x/C_y \le 2$. Dựa trên độ lệch tâm tương đương $e_0$ và chiều cao vùng nén $x_1$, bài toán được phân loại thành 3 trường hợp: nén lệch tâm rất bé ($e_0/h_0 \le 0,3$), nén lệch tâm bé ($e_0/h_0 > 0,3$ và $x_1 > \xi_R h_0$) và nén lệch tâm lớn ($e_0/h_0 > 0,3$ và $x_1 \le \xi_R h_0$) để xác định diện tích cốt thép đối xứng $A_{st}$.
    • Vách cứng: Áp dụng phương pháp "giả thiết vùng biên chịu mômen" để tính toán cốt thép chịu uốn và nén ép cho các dải biên của vách, kết hợp bố trí lưới thép thân vách chịu lực cắt.

Chương 6: Thiết kế kết cấu nền móng

Chương 6 giải quyết bài toán móng sâu đỡ toàn bộ tải trọng công trình:

  • Địa chất công trình và phương án móng: Lớp đất mặt có cường độ chịu lực yếu, công trình có quy mô tải trọng chân cột và chân vách rất lớn. Tác giả chọn phương án móng cọc khoan nhồi cắm sâu vào tầng chịu lực tốt.
  • Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi: Tính toán sức chịu tải đơn cọc dựa trên hai phương pháp:
    • Phương pháp giải tích theo chỉ tiêu cơ lý của các lớp địa tầng (xác định sức kháng mũi và sức kháng ma sát bên).
    • Phương pháp thống kê thực nghiệm theo số chùy thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT dọc theo thân cọc.
  • Thiết kế các móng đại diện:
    • Móng M2 và Móng M3: Thiết kế đài cọc dưới chân các cột khung chịu lực. Xác định số lượng cọc trong đài, chiều sâu chôn móng, kích thước hình học đài móng; kiểm tra ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất tác dụng lên từng đầu cọc trong nhóm cọc; kiểm tra khả năng chống đâm thủng đài móng của chân cột; kiểm tra điều kiện ổn định và cường độ của khối móng quy ước; tính lún theo phương pháp cộng lún từng lớp; tính toán và bố trí cốt thép đài móng theo hai phương trực giao X và Y.
    • Móng M4: Thiết kế đài cọc cụm phức tạp dưới chân hệ vách cứng lõi thang máy. Kiểm tra phân bố nội lực chân vách xuống hệ thống cọc nhồi, kiểm tra chọc thủng thân vách, kiểm tra ổn định tổng thể khối móng quy ước, tính lún dài hạn và tính thép chịu uốn cho đài móng khối lớn.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Các kết quả tính toán cơ học và kiểm tra an toàn kết cấu của công trình được tổng hợp trong bảng số liệu sau:

Thông số kết cấu / Kiểm tra kỹ thuật Giá trị tính toán Giá trị tiêu chuẩn cho phép Đánh giá an toàn
Chiều cao công trình ($h$) $65,80\text{ m}$ — Nhà cao tầng ($> 40\text{ m}$)
Áp lực gió tiêu chuẩn ($W_0$, Vùng II-A) $0,83\text{ kN/m}^2$ TCVN 2737:1995 Đầy đủ thành phần tĩnh và động
Chu kỳ dao động riêng Mode 1 ($T_1$) $2,38\text{ s}$ $f_1 = 0,42\text{ Hz} < 1,3\text{ Hz}$ Kể đến xung lực quán tính gió động
Chu kỳ dao động riêng Mode 3 ($T_3$) $2,48\text{ s}$ $f_3 = 0,40\text{ Hz} < 1,3\text{ Hz}$ Kể đến xung lực quán tính gió động
Gia tốc đỉnh đất nền thiết kế ($a_g$) $0,84\text{ m/s}^2$ $a_g \ge 0,08g$ (TCVN 9386) Bắt buộc thiết kế kháng chấn
Hệ số ứng xử động đất ($q$) $3,90$ Hệ hỗn hợp DCM Phổ phản ứng đàn hồi
Độ võng lớn nhất sàn tầng điển hình ($f_{max}$) $18,89\text{ mm}$ $[f] \approx L/250$ Đạt điều kiện sử dụng bình thường
Chuyển vị ngang tại đỉnh công trình ($f_{max}$) $0,063\text{ m}$ $[f] = H/750 = 0,072\text{ m}$ Đạt điều kiện TCVN 198:1997
Mô men lớn nhất bản thang bộ ($M_{max}$) $27,56\text{ kNm}$ Sơ đồ dầm đơn giản 1 nhịp Đặt cốt thép đơn đáy bản thang
Thép cấu tạo gối cầu thang bộ $\phi 8 a 200$ Cấu tạo gối khớp Đạt yêu cầu chống nứt

Đóng góp kỹ thuật chính của đồ án:

  • Vận dụng đồng bộ tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 trong việc phân tích phổ phản ứng đàn hồi kháng chấn cho nhà cao tầng tại Thành phố Hồ Chí Minh, xác lập chính xác các tham số gia tốc nền, loại đất nền B và hệ số ứng xử $q = 3,9$.
  • Tách lọc và xác định chính xác các mode dao động riêng tham gia vào tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999 thông qua tần số giới hạn $f_L = 1,3\text{ Hz}$, loại bỏ ảnh hưởng của các mode xoắn phức tạp.
  • Áp dụng phương pháp gần đúng của GS. Nguyễn Đình Cống trong việc biến đổi nén lệch tâm xiên sang nén lệch tâm phẳng tương đương, giúp việc tính toán cốt thép cột khung không gian 3D trở nên khả thi và an toàn mà không cần đơn giản hóa thành các khung phẳng độc lập.
  • Xử lý bài toán thiết kế vách cứng chịu lực cắt và mô men uốn thông qua mô hình vùng biên chịu uốn, bù đắp khoảng trống hướng dẫn tính toán cấu kiện vách trong tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép trong nước thời điểm đó.

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Cần tổ chức thí nghiệm nén tĩnh cọc và siêu âm kiểm tra độ đồng nhất của thân cọc khoan nhồi trước khi thi công đại trà đài móng M2, M3 và M4.
  • Thi công đài móng lõi thang M4 có kích thước lớn cần thiết lập biện pháp kiểm soát nhiệt thủy hóa của xi măng để phòng ngừa nứt do ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn.
  • Bố trí hệ thống mốc quan trắc lún định kỳ cho công trình trong suốt quá trình xây dựng phần thô và giai đoạn hoàn thiện đưa vào khai thác.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

Đồ án có một số hạn chế nhất định phản ánh phạm vi nghiên cứu và công cụ kỹ thuật tại thời điểm thực hiện:

  • Phạm vi thiết kế cấu kiện khung chỉ tập trung chi tiết vào Khung trục C và Khung trục 3; các khung còn lại trên mặt bằng tổng thể chưa được thể hiện bảng tính cốt thép chi tiết trong thuyết minh chính.
  • Phương pháp tính toán cốt thép vách cứng dựa trên giả thiết "vùng biên chịu mômen" là phương pháp gần đúng, chưa phản ánh đầy đủ trạng thái ứng suất - biến dạng phi tuyến phức tạp của các mảng vách có khoét lỗ cửa thang máy.
  • Mô hình phân tích khung trên ETABS giả thiết chân cột và chân vách được ngàm tuyệt đối vào cao độ đỉnh đài móng, chưa mô hình hóa sự làm việc đồng thời giữa kết cấu phần trên, đài móng và nền đất đàn hồi (bài toán tương tác đất - kết cấu SSI).

Hướng nghiên cứu và phát triển mở rộng:

  • Ứng dụng mô hình phần tử thanh giằng - dàn ảo (Strut-and-Tie Model) để phân tích và bố trí cốt thép tối ưu cho các đài cọc phức tạp chịu tải trọng lớn như móng lõi thang M4.
  • Mở rộng phân tích so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa phương án sàn dầm bê tông cốt thép toàn khối truyền thống với phương án sàn phẳng dự ứng lực căng sau cho công trình quy mô trên 20 tầng.

Giá trị tham khảo thực tiễn

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án các môn học Kết cấu Bê tông cốt thép 2, Kết cấu Nhà cao tầng và Nền móng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu mới vào nghề cần tài liệu mẫu chuẩn mực về các bước thiết lập bảng tính, tổ hợp tải trọng có xét gió động và động đất, trích xuất dữ liệu từ phần mềm ETABS 9.4 và SAFE V12.2.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:

  • Quy trình tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999 dựa trên kết quả xuất chu kỳ và dạng dao động từ ETABS.
  • Quy trình xác định thông số phổ thiết kế kháng chấn theo TCVN 9386:2012 cho công trình tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Bảng tính tự động hóa nén lệch tâm xiên cột theo phương pháp của GS. Nguyễn Đình Cống.
  • Quy trình tính toán đài móng cọc khoan nhồi chịu lực lớn dưới chân hệ vách thang máy.

Câu hỏi thường gặp

Công trình có quy mô số tầng, chiều cao và diện tích xây dựng cụ thể là bao nhiêu?
Công trình gồm 1 tầng hầm (cao độ -3,000 m đến -3,700 m), 1 tầng trệt, 19 tầng lầu và 1 tầng mái. Chiều cao đỉnh mái là +64,800 m và tổng chiều cao tính toán kết cấu là 65,8 m. Mặt bằng công trình có kích thước $40\text{ m} \times 24\text{ m}$ với tổng diện tích sàn xây dựng là $1.232\text{ m}^2$.

Tại sao công trình phải tính toán thành phần gió động và việc lựa chọn mode dao động dựa trên nguyên tắc nào?
Theo TCVN 2737:1995, công trình có chiều cao $h = 65,8\text{ m} > 40\text{ m}$ nên bắt buộc phải tính toán cả thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió. Tiêu chuẩn TCXD 229:1999 quy định tần số giới hạn là $f_L = 1,3\text{ Hz}$. Qua phân tích dao động riêng từ ETABS, Mode 1 ($f_1 = 0,42\text{ Hz}$) và Mode 3 ($f_3 = 0,40\text{ Hz}$) là các dao động tịnh tiến có tần số nhỏ hơn $f_L$ nên được đưa vào tính toán lực quán tính gió động; các mode xoắn hoặc mode có tần số lớn hơn $1,3\text{ Hz}$ không cần xét.

Các thông số đầu vào cơ bản để tính toán tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 của công trình là gì?
Công trình được xây dựng tại Quận 2, TP.HCM với đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gR} = 0,0856\text{ m/s}^2$ (cấp động đất VII). Đất nền thuộc loại B ($S = 1,2; T_B = 0,15\text{ s}; T_C = 0,5\text{ s}; T_D = 2,0\text{ s}$). Công trình cấp II có hệ số tầm quan trọng $\gamma_I = 1,0$, gia tốc nền thiết kế $a_g = 0,84\text{ m/s}^2$. Hệ kết cấu khung - hỗn hợp có cấp dẻo trung bình (DCM), tỷ số $\alpha_u/\alpha_1 = 1,3$ và hệ số ứng xử động đất $q = 3,9$.

Phương pháp nào được tác giả sử dụng để tính toán cốt thép cột trong hệ khung không gian?
Tác giả sử dụng phương pháp tính gần đúng của GS. Nguyễn Đình Cống nhằm chuyển đổi bài toán nén lệch tâm xiên thành nén lệch tâm phẳng tương đương. Điều kiện áp dụng là tỷ số kích thước cạnh cột nằm trong khoảng $0,5 \le C_x/C_y \le 2$. Dựa trên độ lệch tâm tương đương $e_0$ và chiều cao vùng nén $x_1$, bài toán được phân loại thành nén lệch tâm rất bé, nén lệch tâm bé hoặc nén lệch tâm lớn để tính diện tích cốt thép đối xứng.

Chuyển vị ngang tại đỉnh công trình và độ võng sàn tầng điển hình có đạt yêu cầu kỹ thuật không?
Có. Chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh công trình dưới tổ hợp bao COMBBAO là $0,063\text{ m}$, nhỏ hơn giới hạn cho phép $[f] = H/750 = 0,072\text{ m}$ theo TCVN 198:1997. Độ võng lớn nhất của bản sàn tầng điển hình phân tích trên SAFE là $18,89\text{ mm}$, nằm trong giới hạn biến dạng cho phép đối với kết cấu sàn dân dụng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đặng Cao Luật đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế kiến trúc và kết cấu cho công trình chung cư cao cấp 21 tầng tại Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh, tuân thủ chặt chẽ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam. Đề tài đã giải quyết thành công bài toán cơ học công trình cao tầng chịu tác động đồng thời của tải trọng gió động và động đất thông qua việc kết hợp các phần mềm ETABS, SAFE và các thuật toán giải tích kinh điển. Các kết quả kiểm tra về độ võng bản sàn và chuyển vị ngang đỉnh công trình đều thỏa mãn các điều kiện làm việc an toàn, khẳng định tính khả thi của giải pháp kết cấu khung - vách bê tông cốt thép trên móng cọc khoan nhồi. Bản đồ án là tài liệu kỹ thuật có cấu trúc mẫu mực, mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo và thực hành thiết kế xây dựng dân dụng.