Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đề tài "Thiết kế chung cư cao cấp Dream Building" là đồ án tốt nghiệp đại học chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, do sinh viên Vương Trung Trực thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Lê Anh Thắng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2019, mã số lưu trữ SKL 005512).
Bối cảnh thực tế của đề tài xuất phát từ nhu cầu phát triển công trình cao tầng kết hợp đa năng tại khu vực đô thị có mật độ dân cư cao. Công trình được quy hoạch xây dựng tại Quận 5, Thành phố Hồ Chí Minh, phục vụ mục đích kinh doanh căn hộ cao cấp để bán hoặc cho thuê, tích hợp các dịch vụ tiện ích, văn phòng và thương mại. Khu vực xây dựng mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa phân hóa hai mùa rõ rệt (mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 với lượng mưa trung bình 274 mm, mùa khô có nhiệt độ cao nhất lên tới 40°C), hướng gió thịnh hành là Tây Nam (chiếm 66% với vận tốc trung bình 2,15 m/s) và Đông Nam (chiếm 30% - 40%). Mặc dù khu vực này ít chịu ảnh hưởng trực tiếp của bão, việc kiểm soát tải trọng gió động và dao động ngang của kết cấu có chiều cao trên 40 m là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu/thiết kế được xác lập theo trình tự kỹ thuật xây dựng công trình:
- Nghiên cứu tổng quan kiến trúc, công năng các tầng và đề xuất giải pháp kết cấu chịu lực chính dạng khung - vách lõi cứng bê tông cốt thép toàn khối.
- Thu thập và xác định các loại tải trọng, tác động tác dụng lên công trình: tĩnh tải các lớp hoàn thiện, tải tường xây, hoạt tải sử dụng theo TCVN 2737:1995; phân tích thành phần tĩnh và động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 và TCVN 229:1999; đánh giá tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012; lập 21 tổ hợp tải trọng và 01 tổ hợp bao nội lực.
- Thiết kế hệ sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối tầng điển hình bằng phần mềm SAFE v12: chọn kích thước sơ bộ, mô hình hóa phần tử hữu hạn, phân tích dải strip, kiểm tra độ võng và tính toán cốt thép.
- Thiết kế cấu kiện phụ trợ - cầu thang bộ hai vế dạng chữ U tại tầng 16: xác định kích thước bậc, tải trọng, sơ đồ tính toán dầm gãy khúc và bố trí cốt thép chịu lực.
- Thiết kế hệ khung không gian chịu lực chính (cột, dầm, vách cứng) dựa trên kết quả giải nội lực từ mô hình ETABS.
- Thiết kế móng cọc khoan nhồi: xử lý số liệu địa chất từ hố khoan HK2, xác định sức chịu tải của cọc, mô hình hóa độ cứng lò xo liên kết móng - kết cấu và kiểm tra ổn định, độ lún, chống chọc thủng đài móng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Hệ thống kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của công trình Dream Building.
- Phạm vi không gian: Công trình có quy mô 20 tầng (01 tầng hầm để xe, 01 tầng trệt cao 2,6 m, 01 tầng lửng, 16 tầng điển hình cao 3,5 m và 01 tầng thượng cao 3,5 m), tổng chiều cao 65 m, kích thước mặt bằng 31 m × 33 m, bước nhịp lớn nhất 9 m theo phương ngang và 10 m theo phương dọc, xây dựng tại Quận 5, TP. Hồ Chí Minh.
- Phạm vi thời gian và tiêu chuẩn: Đồ án hoàn thành năm 2019, vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng Việt Nam hiện hành tại thời điểm tính toán.
| Thông số quy mô công trình |
Giá trị thiết kế |
| Địa điểm xây dựng |
Quận 5, TP. Hồ Chí Minh |
| Tổng chiều cao công trình |
65,0 m |
| Số tầng công trình |
20 tầng (1 hầm, 1 trệt, 1 lửng, 16 tầng điển hình, 1 thượng) |
| Chiều cao tầng trệt |
2,6 m |
| Chiều cao tầng điển hình và thượng |
3,5 m |
| Kích thước mặt bằng |
31 m × 33 m |
| Bước nhịp lớn nhất (ngang × dọc) |
9 m × 10 m |
| Hệ thống chịu lực chính |
Khung - vách lõi cứng bê tông cốt thép toàn khối |
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án sử dụng cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu công trình nhiều tầng theo trạng thái giới hạn, tuân thủ các quy chuẩn và tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam:
- TCVN 2737:1995 (Tải trọng và tác động): Xác định tĩnh tải, hoạt tải sàn cho từng công năng và áp lực gió tiêu chuẩn. Khu vực Quận 5 thuộc phân vùng áp lực gió II-A, dạng địa hình A, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$ (tương đương $83\text{ kG/m}^2$).
- TCVN 229:1999 (Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió dưới tác động của gió): Áp dụng cho công trình có chiều cao $65\text{ m} > 40\text{ m}$, mô hình hóa công trình thành hệ thanh console có các điểm tập trung khối lượng đặt tại cao trình sàn. Tần số dao động giới hạn $f_L = 1,3\text{ Hz}$ được tra ứng với vùng áp lực gió II và hệ số suy giảm dao động loga $\xi = 0,3$ của kết cấu bê tông cốt thép.
- TCVN 9386:2012 (Thiết kế công trình chịu động đất): Đánh giá điều kiện nền đất thuộc loại C ($15 < N_{\text{SPT}} = 18 - 33 < 50$), đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gR}/g = 0,0774$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_I = 1,0$ (công trình cấp II), gia tốc nền thiết kế $a_g = 0,78\text{ m/s}^2$, hệ số ứng xử $q = 3,9$ (hệ kết cấu hỗn hợp khung - vách tương đương khung).
- TCVN 5574:2012 và TCVN 356:2005 (Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép): Thiết kế tiết diện cấu kiện chịu uốn, chịu nén lệch tâm theo trạng thái giới hạn thứ nhất (cường độ) và trạng thái giới hạn thứ hai (độ võng, biến dạng).
Vật liệu sử dụng:
- Bê tông cấp độ bền B25: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14,5\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 30 \times 10^3\text{ MPa}$.
- Cốt thép nhóm A-III: Cường độ tính toán chịu kéo $R_s = 365\text{ MPa}$, chịu nén $R_{sc} = 365\text{ MPa}$, hệ số điều kiện làm việc $\gamma_{b2} = 1,0$, hệ số giới hạn chiều cao vùng nén $\xi_R = 0,405$.
Phương pháp và công cụ tính toán:
- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp công cụ mô phỏng chuyên dụng: Phần mềm ETABS dùng để mô hình hóa kết cấu không gian 3D, phân tích dao động riêng, gió động, phổ phản ứng động đất và xuất nội lực khung (dầm, cột, vách). Phần mềm SAFE v12 dùng để giải bài toán sàn sườn toàn khối, chia dải strip và kiểm tra độ võng.
- Phương pháp cơ học kết cấu giải tích: Áp dụng sơ đồ thanh gãy khúc hai đầu liên kết khớp để tính toán bản thang bộ hai vế; tính toán sức chịu tải cọc đơn theo ba phương pháp (chỉ tiêu cơ lý, cường độ đất nền, chỉ số SPT) và mô hình hóa tương tác móng - đất bằng độ cứng lò xo $K$.
Nguồn dữ liệu:
- Số liệu địa chất công trình từ hố khoan HK2 tại hiện trường Quận 5.
- Số liệu khí tượng thủy văn khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.
- Bản vẽ thiết kế kiến trúc công trình Dream Building.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC
Chương này mô tả chi tiết chức năng, dây chuyền công năng và giải pháp kiến trúc của công trình Dream Building tại Quận 5. Công trình có 20 tầng với chiều cao tổng thể 65 m, mặt bằng 31 m × 33 m. Tầng hầm bố trí bãi đỗ xe; tầng trệt cao 2,6 m cùng tầng 1 đến tầng thượng cao 3,5 m được sử dụng cho dịch vụ thương mại, văn phòng và các tiện ích công cộng; các tầng còn lại là căn hộ ở.
Tác giả phân tích các hệ kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng (hệ khung, tường chịu lực, khung - vách hỗn hợp, hệ ống, hệ hộp) và quyết định lựa chọn hệ kết cấu khung - vách lõi cứng toàn khối. Hệ thống cột và vách biên chịu lực được bố trí theo lưới nhịp lớn nhất 9 m × 10 m. Tại vị trí trung tâm, 3 lõi cứng bao quanh khu vực thang máy kết hợp cầu thang thoát hiểm, khu vệ sinh và hộp kỹ thuật, đóng vai trò tăng cường độ cứng ngang và độ cứng chống xoắn cho toàn công trình.
CHƯƠNG 2. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG
Chương 2 trình bày chi tiết việc xác định các loại tải trọng tác động lên công trình:
- Tĩnh tải: Tính toán tĩnh tải hoàn thiện sàn gồm gạch ceramic dày 10 mm ($22\text{ kN/m}^3$, $0,47\text{ kN/m}^2$), vữa trát dày 15 mm ($18\text{ kN/m}^3$, $0,35\text{ kN/m}^2$) và hệ thống kỹ thuật treo ($0,36\text{ kN/m}^2$), tổng tĩnh tải tiêu chuẩn $g^{tc} = 1,36\text{ kN/m}^2$. Tải tường xây được tính toán cho tường dày 200 mm và 100 mm theo công thức $g_t = \gamma_b \cdot b \cdot (h_t - h_d) \cdot n$.
- Hoạt tải: Tra cứu theo TCVN 2737:1995, phân loại thành phần ngắn hạn và dài hạn cho nhà để xe, phòng thể thao, sảnh, hành lang, thang bộ, mái bằng có sử dụng và không sử dụng.
- Tải trọng gió: Xác định thành phần tĩnh $W_j = W_0 \cdot k(z_j) \cdot c$ với $W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$, hệ số khí động $c = +0,8$ (đẩy) và $-0,6$ (hút). Do chiều cao $65\text{ m} > 40\text{ m}$, thành phần động của gió được tính theo TCVN 229:1999. Mô hình ETABS xuất ra chu kỳ các mode dao động riêng. So sánh với tần số giới hạn $f_L = 1,3\text{ Hz}$: Mode 1 ($T_1 = 2,8302\text{ s}$, $f_1 = 0,353\text{ Hz} < f_L$, tịnh tiến theo Y) và Mode 2 ($T_2 = 2,452\text{ s}$, $f_2 = 0,408\text{ Hz} < f_L$, tịnh tiến theo X) thỏa mãn điều kiện phải tính toán thành phần động. Mode 3 ($T_3 = 1,515\text{ s}$, dạng xoắn) cùng các mode từ 4 đến 12 đều có $f > f_L$ nên không cần xét thành phần động.
- Tải trọng động đất: Tính theo TCVN 9386:2012 bằng phương pháp phổ phản ứng đàn hồi. Đất nền loại C có hệ số nền $S = 1,15$, các chu kỳ đặc trưng $T_B = 0,20\text{ s}$, $T_C = 0,60\text{ s}$, $T_D = 2,0\text{ s}$. Gia tốc nền thiết kế $a_g = a_{gR} \cdot \gamma_I = 0,78\text{ m/s}^2$ ($a_g \approx 0,08g$). Theo quy chuẩn, khi $a_g \le 0,08g$, công trình được xếp vào vùng động đất rất yếu và không bắt buộc thiết kế kháng chấn; tuy nhiên tác giả vẫn xây dựng biểu thức phổ thiết kế $S_d(T)$ để kiểm tra phản ứng kết cấu.
- Tổ hợp tải trọng: Thiết lập 21 tổ hợp tải trọng cơ bản (cộng tải trọng bản thân, tĩnh tải hoàn thiện, hoạt tải, gió tĩnh, gió động X/Y, động đất QX/QY) và 01 tổ hợp bao (COMBAO).
| Mode dao động |
Chu kỳ $T$ (s) |
Tần số $f$ (1/s) |
Dạng dao động chính |
So sánh với $f_L = 1,3\text{ Hz}$ |
Kết luận tính gió động |
| Mode 1 |
2,8302 |
0,3533 |
Tịnh tiến phương Y |
$f < f_L$ |
Có tính |
| Mode 2 |
2,4520 |
0,4078 |
Tịnh tiến phương X |
$f < f_L$ |
Có tính |
| Mode 3 |
1,5145 |
0,6603 |
Xoắn |
$f < f_L$ |
Không tính (dạng xoắn) |
| Mode 4 |
0,3224 |
3,1017 |
Tịnh tiến phương Y |
$f > f_L$ |
Không tính |
| Mode 5 |
0,4952 |
2,0194 |
Tịnh tiến phương X |
$f > f_L$ |
Không tính |
| Mode 6 |
0,6473 |
1,5449 |
Xoắn |
$f > f_L$ |
Không tính |
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ SÀN
Nội dung chương tập trung thiết kế sàn sườn tầng điển hình:
- Kích thước sơ bộ: Bản sàn có ô nhịp lớn nhất $L_1 = 8\text{ m}$, $L_2 = 8\text{ m}$. Tỷ số $L_2/L_1 = 1 \le 2$ (bản kê 4 cạnh làm việc hai phương), sơ bộ chiều dày theo công thức $h_s = (1/50 \div 1/40)L_1 = 160 \div 200\text{ mm}$, chọn $h_s = 180\text{ mm}$ kết hợp hệ dầm trực giao để giảm rung và hạn chế chiều cao tiết diện. Tiết diện dầm chính chọn thống nhất $300\text{ mm} \times 600\text{ mm}$ nhằm đảm bảo chiều cao thông thủy. Sơ bộ diện tích tiết diện cột $A_c = k \cdot N / R_b$ với $k = 1,5$, kích thước giảm dần từ tầng hầm ($900\text{ mm} \times 1000\text{ mm}$) lên các tầng trên. Vách thang máy dày 200 mm, vách cột dày 300 mm.
- Mô hình SAFE v12: Khai báo sàn và vách dạng phần tử tấm phẳng, dầm và cột dạng phần tử thanh, chân cột ngàm. Tải trọng tác dụng vào sàn gồm tĩnh tải bản thân (Dead), tĩnh tải cấu tạo (Super dead), tải tường (TTTX), hoạt tải $HT_1 < 2\text{ kN/m}^2$ và $HT_2 > 2\text{ kN/m}^2$. Tải trọng ngang quy ước do hệ khung - vách tiếp thu nên không đưa vào mô hình sàn.
- Phân tích nội lực và kiểm tra võng: Chia dải Strip theo phương X (A Strip) và Y (B Strip) bề rộng 1 m. Giá trị độ võng lớn nhất xuất từ SAFE là $f = 11,064\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng cho phép $[f] = L/250 = 8000/250 = 32\text{ mm}$.
- Tính cốt thép: Áp dụng công thức cấu kiện chịu uốn đặt cốt đơn theo TCVN 356:2005. Kết quả bố trí thép: thép gối dải cột sử dụng $\varnothing 10a90$ ($A_s = 872\text{ mm}^2$), thép nhịp và các ô sàn khác sử dụng $\varnothing 8a160$ ($A_s = 314\text{ mm}^2$) và $\varnothing 8a200$ ($A_s = 252\text{ mm}^2$), kiểm tra hàm lượng cốt thép $\mu \le \mu_{\max} = 2,1%$.
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ CẦU THANG BỘ
Chương 4 thiết kế cầu thang bộ trung tâm tại tầng 16 (chiều cao tầng $H_t = 3,5\text{ m}$):
- Giải pháp hình học: Thang 2 vế dạng chữ U, kết cấu bản phẳng có chiếu nghỉ ở cao độ $+1,700\text{ m}$. Bậc thang xây gạch với chiều cao $h_b = 170\text{ mm}$, bề rộng $b_b = 260\text{ mm}$ (thỏa mãn quan hệ nhân trắc $2h_b + b_b = 600\text{ mm}$), góc nghiêng thang $\alpha = 33^\circ$. Vế dưới gồm 10 bậc, vế trên gồm 11 bậc. Chiều dày bản nghiêng chọn $\delta_t = 150\text{ mm}$.
- Sơ đồ tính: Bản loại dầm gãy khúc hai đầu liên kết khớp (liên kết vào dầm chiếu tới và dầm chiếu nghỉ). Chiều dài tính toán đoạn dầm nghiêng chiếu bằng $L = 2600\text{ mm}$, đoạn chiếu nghỉ $L_n = 1500\text{ mm}$, đoạn chiếu tới $L_t = 1450\text{ mm}$.
- Tải trọng tính toán: Tĩnh tải chiếu nghỉ và chiếu tới $g^{tt} = 5,184\text{ kN/m}^2$; tĩnh tải bản thang nghiêng có lan can $g^{tt} = 10,483\text{ kN/m}^2$. Hoạt tải tính toán vế nghiêng $p^{tt} = 1,34\text{ kN/m}$, chiếu nghỉ $p^{tt} = 1,60\text{ kN/m}$. Tổng tải trọng phân bố tính toán tác dụng lên vế thang $q^{tt} = 12,77\text{ kN/m}$, lên bản chiếu tới $q^{tt} = 6,95\text{ kN/m}$.
- Nội lực và cốt thép: Mô men uốn lớn nhất xuất hiện tại nhịp vế thang đạt $M_{\max} = 55\text{ kN}\cdot\text{m}$. Sử dụng bê tông B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$), cốt thép A-III ($R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$, $\xi_R = 0,405$), chiều rộng dải bản tính toán $b = 100\text{ cm}$, chiều dày $h = 15\text{ cm}$, lớp bảo vệ $a = 1,5\text{ cm}$.
| Bộ phận cầu thang |
Chiều dài hình chiếu (mm) |
Tĩnh tải tính toán $g^{tt}$ |
Hoạt tải tính toán $p^{tt}$ |
Tổng tải tính toán $q^{tt}$ |
| Bản thang nghiêng |
2600 |
$10,483\text{ kN/m}^2$ |
$1,34\text{ kN/m}$ |
$12,77\text{ kN/m}$ |
| Bản chiếu nghỉ |
1500 |
$5,184\text{ kN/m}^2$ |
$1,60\text{ kN/m}$ |
- |
| Bản chiếu tới |
1450 |
$5,184\text{ kN/m}^2$ |
- |
$6,95\text{ kN/m}$ |
CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ KHUNG
Chương này thực hiện thiết kế chi tiết các cấu kiện chịu lực chính dựa trên nội lực từ mô hình không gian ETABS:
- Phân tích khung phẳng: Trích xuất biểu đồ mô men uốn và lực cắt của khung trục C và khung trục 2.
- Thiết kế cột: Tính toán tiết diện chịu nén uốn lệch tâm xiên cho các cột đại diện C1 (trục 1-C), C7 (trục 2-D), C9 (trục 2-C) và cột C13 (trục 2-B tầng 16). Áp dụng hệ số chuyển đổi mô men $m_0$, bố trí cốt thép dọc và cốt đai theo các quy định cấu tạo kháng chấn trong cột bê tông cốt thép.
- Thiết kế dầm: Tính toán cốt thép dọc chịu mô men dương tại nhịp và mô men âm tại gối cho hệ dầm sàn tầng điển hình; bố trí cốt đai chịu cắt và kiểm tra yêu cầu cấu tạo dầm chịu động đất.
- Thiết kế vách cứng: Thiết kế cốt thép cho các vách phẳng P1, P2, P3, P4 chịu tác động đồng thời của lực nén, mô men trong mặt phẳng và lực cắt đáy.
CHƯƠNG 6. THIẾT KẾ MÓNG KHUNG
Nội dung chương trình bày phương án kết cấu móng dưới chân công trình:
- Điều kiện địa chất: Đánh giá chỉ tiêu cơ lý, mực nước ngầm và dung trọng đẩy nổi của các lớp đất từ số liệu hố khoan HK2.
- Lựa chọn giải pháp móng: Sử dụng móng cọc khoan nhồi sâu 50 m và 55 m tựa vào lớp đất chịu lực tốt.
- Xác định sức chịu tải của cọc: Tính toán sức chịu tải thiết kế cho cọc đơn dưới cột và cọc dưới vách lõi theo ba phương pháp: chỉ tiêu cơ lý của đất nền, cường độ vật liệu đất nền và kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).
- Mô hình hóa lò xo: Tính toán độ cứng lò xo $K$ cho cọc dài 50 m và 55 m gán vào chân vách lõi thang và chân cột; xác định hệ số ảnh hưởng nhóm cọc.
- Kiểm tra ổn định và thiết kế đài: Kiểm tra kích thước khối móng quy ước, kiểm tra áp lực đáy móng, tính toán độ lún cho các đài móng M1, M2, M3; kiểm tra chọc thủng đài 2 cọc, đài 4 cọc và đài 12 cọc; tính toán diện tích và bố trí cốt thép đài móng.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán kỹ thuật chính trong đồ án:
- Xác định đầy đủ các giá trị tải trọng tác động theo tiêu chuẩn: Tĩnh tải hoàn thiện $1,36\text{ kN/m}^2$, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$. Phân tích dao động trên ETABS làm rõ 2 mode dao động tịnh tiến nguy hiểm cần tính thành phần động của gió gồm Mode 1 ($T_1 = 2,8302\text{ s}$, phương Y) và Mode 2 ($T_2 = 2,452\text{ s}$, phương X).
- Xác lập gia tốc nền thiết kế động đất $a_g = 0,78\text{ m/s}^2$ trên nền đất loại C; chứng minh công trình không thuộc diện bắt buộc thiết kế kháng chấn khắt khe do $a_g \approx 0,08g$.
- Kiểm tra độ võng sàn sườn tầng điển hình ($h_s = 180\text{ mm}$, nhịp 8 m × 8 m) đạt $f_{\max} = 11,064\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng giới hạn cho phép $[f] = 32\text{ mm}$. Cốt thép sàn được bố trí tối ưu bằng các loại đường kính $\varnothing 10a90$, $\varnothing 8a160$ và $\varnothing 8a200$, đảm bảo hàm lượng $\mu \le 2,1%$.
- Cầu thang bộ tầng 16 (bản nghiêng dày 150 mm, góc nghiêng 33°) được thiết kế hoàn chỉnh chịu mô men lớn nhất $M_{\max} = 55\text{ kN}\cdot\text{m}$.
- Hoàn thiện giải pháp móng cọc khoan nhồi (chiều dài cọc 50 m và 55 m) kết hợp kiểm tra ổn định khối móng quy ước, độ lún và chọc thủng cho các đài móng M1, M2, M3 (từ 2 cọc đến 12 cọc).
Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
- Ứng dụng hệ kết cấu chịu lực khung - vách lõi cứng: Sử dụng 3 lõi cứng thang máy tại trung tâm kết hợp hệ cột biên bước nhịp lớn (9 m × 10 m). Giải pháp này vừa tiếp thu hiệu quả toàn bộ lực cắt và mô men lật do tải trọng ngang (gió, động đất), vừa tạo không gian mặt bằng thông thoáng cho công năng căn hộ và văn phòng.
- Kết cấu sàn sườn trực giao bê tông cốt thép dày 180 mm kết hợp dầm chính $300\text{ mm} \times 600\text{ mm}$: Giải quyết triệt để bài toán võng nứt và rung động của ô bản nhịp lớn 8 m mà vẫn bảo đảm chiều cao thông thủy kiến trúc tầng điển hình 3,5 m.
- Mô hình hóa tương tác móng - đất bằng độ cứng lò xo $K$: Thay thế liên kết ngàm tuyệt đối truyền thống bằng việc gán lò xo đàn hồi dưới chân cọc và vách thang máy, phản ánh chính xác sự phân phối lại nội lực và lún lệch giữa các cấu kiện chịu lực.
Đóng góp tự nêu của đồ án:
- Thiết lập quy trình tính toán thiết kế kỹ thuật đồng bộ, xuyên suốt từ kiến trúc, tải trọng, kết cấu phần thân đến kết cấu phần ngầm cho công trình chung cư cao 20 tầng (65 m) tại khu vực TP. Hồ Chí Minh theo hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam.
- Kết hợp thành công các phần mềm chuyên dụng (ETABS, SAFE v12) với phương pháp tính giải tích truyền thống trong việc xử lý các bài toán phức tạp như gió động, phổ động đất, uốn sàn dải strip và hệ đài móng cọc nhiều cọc.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế đề tài (theo phạm vi tài liệu):
- Phân tích động đất mới dừng lại ở phương pháp phân tích phổ phản ứng đàn hồi tuyến tính theo TCVN 9386:2012, chưa tiến hành phân tích phi tuyến (Pushover hoặc Time-history) để đánh giá sự hình thành khớp dẻo và cơ chế phá hoại của khung - vách khi chịu động đất cực hạn.
- Mô hình tính sàn trong SAFE v12 giả thiết toàn bộ tải trọng ngang do vách và khung tiếp thu, nên bài toán uốn sàn chỉ xét tải trọng đứng, chưa đánh giá hiệu ứng màng (diaphragm) truyền lực cắt trong mặt phẳng sàn đối với sàn tầng có bước nhịp lớn.
- Số liệu khảo sát địa chất chỉ dựa trên hồ sơ một hố khoan HK2, chưa xét đến tính bất đồng nhất và biến thiên địa tầng trên toàn bộ phạm vi mặt bằng xây dựng $31\text{ m} \times 33\text{ m}$.
Hướng mở rộng:
- Thực hiện phân tích lịch sử thời gian phi tuyến (Nonlinear Time History Analysis) để kiểm chứng khả năng kháng chấn và cấp dẻo thực tế của hệ kết cấu khung - vách lõi cứng.
- Khảo sát mô hình tương tác đầy đủ giữa đất nền - móng - công trình (Soil - Structure Interaction) trong bài toán động lực học.
- Nghiên cứu so sánh giải pháp sàn sườn bê tông toàn khối với các giải pháp sàn bê tông dự ứng lực căng sau hoặc sàn phẳng không dầm nhằm giảm trọng lượng bản thân và tối ưu hóa thêm chiều cao công trình.
Giá trị tham khảo
Đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cao cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp công trình bê tông cốt thép cao tầng (quy mô từ 15 đến 25 tầng).
- Kỹ sư thiết kế kết cấu mới vào nghề cần tài liệu thực hành về quy trình tính toán thành phần động của tải trọng gió và lập phổ phản ứng động đất.
Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
- Chương 2: Phương pháp xác định tần số dao động giới hạn $f_L$, quy trình sàng lọc mode dao động từ kết quả ETABS để tính gió động theo TCVN 229:1999 và các bước lập 21 tổ hợp tải trọng thiết kế.
- Chương 3: Kỹ thuật mô hình hóa sàn tầng điển hình trên phần mềm SAFE v12, phân chia dải Column Strip - Middle Strip bề rộng 1 m để tính cốt thép uốn và quy trình kiểm tra độ võng sàn nhịp lớn 8 m.
- Chương 6: Phương pháp xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi theo thí nghiệm SPT kết hợp quy trình tính toán độ cứng lò xo $K$ dưới đáy đài móng và vách thang máy.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao công trình Dream Building bắt buộc phải tính thành phần động của tải trọng gió và chỉ cần xét dao động ở Mode 1 và Mode 2?
Theo quy định tại mục 1.4 của TCVN 2737:1995 và tiêu chuẩn TCVN 229:1999, các công trình nhà nhiều tầng có chiều cao lớn hơn 40 m bắt buộc phải tính thành phần động của tải trọng gió. Công trình Dream Building có chiều cao 65 m ($> 40\text{ m}$) nên phải xét thành phần này. Khi phân tích dao động trên phần mềm ETABS, với vùng áp lực gió II và hệ số suy giảm dao động $\xi = 0,3$, tần số dao động giới hạn tra được là $f_L = 1,3\text{ Hz}$. Kết quả phân tích cho thấy: Mode 1 có tần số $f_1 = 0,353\text{ Hz} < f_L$ (dao động tịnh tiến theo phương Y) và Mode 2 có tần số $f_2 = 0,408\text{ Hz} < f_L$ (dao động tịnh tiến theo phương X) nên phải tính toán thành phần động. Mode 3 có dạng xoắn, còn các mode từ 4 đến 12 đều có tần số $f > f_L$ nên theo tiêu chuẩn không cần tính thành phần động.
2. Căn cứ nào cho thấy công trình Dream Building không cần thiết kế kháng chấn bắt buộc theo TCVN 9386:2012?
Căn cứ theo phụ lục G của TCVN 9386:2012, công trình xây dựng tại Quận 5, TP. Hồ Chí Minh có đỉnh gia tốc nền tham chiếu $a_{gR}/g = 0,0774$. Với công trình chung cư cao 20 tầng thuộc nhóm công trình cấp II, hệ số tầm quan trọng là $\gamma_I = 1,0$. Khi đó, gia tốc đất nền thiết kế trạng thái cực hạn là $a_g = a_{gR} \cdot \gamma_I = 0,78\text{ m/s}^2 \approx 0,0795g$. Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 quy định các khu vực có $a_g \le 0,08g$ thuộc trường hợp động đất rất yếu và không yêu cầu thiết kế kháng chấn bắt buộc.
3. Ô bản sàn tầng điển hình kích thước 8 m × 8 m được chọn chiều dày bao nhiêu và kiểm tra độ võng ra sao?
Ô bản sàn có tỷ số hai cạnh $L_2/L_1 = 8/8 = 1 \le 2$, làm việc theo sơ đồ bản kê bốn cạnh chịu uốn hai phương. Để khắc phục hiện tượng rung và võng lớn ở nhịp trên 6 m, tác giả bố trí hệ dầm trực giao chia nhỏ ô sàn và chọn chiều dày bản sàn $h_s = 180\text{ mm}$ (dựa trên công thức kinh nghiệm $h_s = (1/50 \div 1/40)L_1 = 160 \div 200\text{ mm}$). Kết quả mô hình phần tử hữu hạn bằng SAFE v12 ghi nhận độ võng lớn nhất của bản sàn là $f = 11,064\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng giới hạn cho phép $[f] = L/250 = 8000/250 = 32\text{ mm}$, kết cấu sàn đáp ứng điều kiện làm việc bình thường.
4. Sơ đồ tính toán và các thông số hình học của cầu thang bộ tầng 16 được xác lập như thế nào?
Cầu thang bộ tầng 16 (chiều cao tầng $H_t = 3,5\text{ m}$) là thang 2 vế chữ U bằng bê tông cốt thép toàn khối, bản nghiêng dày 150 mm, chiếu nghỉ đặt ở cao độ $+1,700\text{ m}$. Bậc thang xây gạch có kích thước cao $h_b = 170\text{ mm}$, rộng $b_b = 260\text{ mm}$, góc nghiêng $\alpha = 33^\circ$ (vế dưới 10 bậc, vế trên 11 bậc). Sơ đồ tính toán là hệ dầm gãy khúc hai đầu khớp tựa lên dầm chiếu tới và dầm chiếu nghỉ, với chiều dài hình chiếu vế nghiêng $L = 2600\text{ mm}$, chiếu nghỉ $L_n = 1500\text{ mm}$, chiếu tới $L_t = 1450\text{ mm}$, chịu mô men uốn nguy hiểm nhất tại nhịp $M_{\max} = 55\text{ kN}\cdot\text{m}$.
5. Phương án móng của công trình được lựa chọn và mô hình hóa như thế nào để xét đến tương tác với kết cấu phần thân?
Công trình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi sâu 50 m và 55 m tựa vào tầng đất tốt để tiếp thu tải trọng lớn từ 20 tầng thân và hệ vách lõi. Sức chịu tải của cọc đơn được tính toán và kiểm chứng qua ba phương pháp: chỉ tiêu cơ lý, cường độ đất nền và thí nghiệm SPT. Để phản ánh chính xác sự tương tác biến dạng giữa đất và công trình, tác giả tính toán độ cứng lò xo $K$ cho cọc dài 50 m và 55 m gán vào các vị trí dưới chân vách lõi thang máy và chân cột, đồng thời xét đến hệ số suy giảm do hiệu ứng nhóm cọc trước khi kiểm tra lún và khả năng chống chọc thủng đài móng M1, M2, M3.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư cao cấp Dream Building" của sinh viên Vương Trung Trực là công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một tòa nhà cao tầng bê tông cốt thép quy mô 20 tầng (chiều cao 65 m) tại Quận 5, TP. Hồ Chí Minh. Tác giả đã vận dụng bài bản hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam kết hợp các phần mềm phân tử hữu hạn hiện đại (ETABS, SAFE v12) để giải quyết các bài toán tải trọng gió động, phổ động đất, uốn sàn nhịp lớn và móng cọc khoan nhồi gắn độ cứng lò xo. Tài liệu cung cấp số liệu tính toán chi tiết, giải pháp kết cấu khung - vách lõi cứng hợp lý và có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên cùng kỹ sư ngành kỹ thuật công trình xây dựng.
