Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình đô thị hóa và phát triển kinh tế tại Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu về nhà ở và không gian sống tiện nghi gia tăng nhanh chóng, dẫn đến xu hướng phát triển các khu chung cư và nhà cao tầng nhằm tối ưu hóa quỹ đất đô thị. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư Silver Star" của tác giả Nguyễn Huỳnh Định (ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế kiến trúc và tính toán kết cấu cho một công trình chung cư cao tầng thực tế.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được phân định cụ thể theo các hạng mục kỹ thuật:

  1. Thiết kế và thể hiện giải pháp kiến trúc tổng thể công trình.
  2. Lựa chọn giải pháp kết cấu, tính toán và bố trí cốt thép cho hệ dầm/sàn tầng điển hình.
  3. Tính toán và thiết kế cấu kiện phụ trợ: cầu thang bộ trục BC-34 (bản nghiêng, bản chiếu nghỉ và dầm chiếu tới).
  4. Xác định các loại tải trọng tác dụng (tĩnh tải, hoạt tải, gió tĩnh, gió động và động đất) lên mô hình không gian.
  5. Phân tích nội lực và thiết kế khung không gian, đi sâu vào hai khung phẳng chịu lực chính là khung trục 2 và khung trục C.
  6. Thiết kế và kiểm tra khả năng chịu lực của hệ vách cứng bê tông cốt thép tại khung trục C.
  7. Đánh giá điều kiện địa chất và thiết kế móng cọc khoan nhồi cho chân cột biên (móng M1), chân cột giữa (móng M2) và móng lõi thang máy (móng M3).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của công trình Chung cư Silver Star.
  • Phạm vi không gian: Công trình xây dựng tại trục đường Đồng Văn Cống, Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh; quy mô 18 tầng (gồm 1 tầng hầm cao 3,8 m, 1 tầng trệt cao 4,0 m, 14 tầng điển hình cao 3,6 m, 1 tầng sân thượng cao 4,0 m và 1 tầng mái cao 4,0 m), tổng chiều cao công trình đạt 58,8 m tính từ cote ±0.000. Mặt bằng tầng hầm và trệt có kích thước 47,3 m × 38,2 m; tầng điển hình có kích thước 40,3 m × 31,2 m; tầng mái có kích thước 9,3 m × 6,0 m.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được thực hiện từ ngày 16/08/2020 đến ngày 16/01/2021.

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 làm căn cứ tính toán và thiết kế:

  • TCVN 5574:2018: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng và tác động.
  • TCVN 9362:2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình.
  • TCVN 10304:2014: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc (áp dụng các phụ lục G1, G2 để tính sức chịu tải đất nền).
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất (sử dụng phương pháp giả thuyết vùng biên chịu mô men cho vách cứng).
  • TCXD 198:1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.
  • Lý thuyết sức chịu tải của đất dưới mũi cọc theo Berezantsev (1961).

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật áp dụng:

  • Phương pháp mô hình hóa và phân tích số tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm CSI ETABS (v9.4) để thiết lập mô hình 3D tổng thể công trình, phân tích động lực học (xác định các mode dao động), tính toán tải trọng gió động, tải trọng động đất theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương và phân tích phổ phản ứng dao động. Đồng thời, tác giả thực hiện so sánh nội lực giữa phương pháp phân tích thông thường và phân tích theo giai đoạn thi công (Construction Sequence Analysis).
  • Phương pháp tính toán sàn và móng: Sử dụng phần mềm CSI SAFE (v12.0) để phân tích nội lực bản sàn tầng điển hình theo phương pháp dải strip (phương X và Y), tính diện tích cốt thép, đồng thời kiểm tra độ võng phi tuyến có xét đến nứt, từ biến (hệ số 1,666) và co ngót (hệ số 0,00025) theo TCVN 5574:2018. Phần mềm SAFE cũng được dùng để phân tích mô men và phản lực đài móng cọc M1, M2, M3.
  • Vật liệu sử dụng: Bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,2\text{ MPa}$; sàn hầm dùng B30 có phụ gia chống thấm); cốt thép thanh nhóm CB240-T ($R_s = 210\text{ MPa}$, $R_{sw} = 170\text{ MPa}$) và nhóm CB400-V ($R_s = 350\text{ MPa}$, $R_{sw} = 280\text{ MPa}$).
  • Nguồn dữ liệu: Báo cáo khảo sát địa chất công trình gồm 3 hố khoan (HK1, HK2, HK3), dữ liệu khí tượng thủy văn khu vực Thành phố Hồ Chí Minh (lượng mưa cao nhất 638 mm, bức xạ mặt trời trung bình 11,7 kcal/cm²/tháng, phân bố hướng gió mùa mưa Tây Nam 66% với vận tốc trung bình 2,15 m/s).

Nội dung chính theo từng chương

Phần I - Chương 1: Tổng quan về công trình

Trình bày nhu cầu xây dựng chung cư cao cấp Silver Star nhằm đáp ứng nhu cầu nhà ở tại khu đô thị Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh. Chương này mô tả các điều kiện tự nhiên, khí hậu nơi xây dựng và các giải pháp kiến trúc tổng thể:

  • Mặt bằng công trình hình chữ nhật với 5 nhịp ngang và 4 nhịp dọc; tầng 2 đến tầng 15 dành 3/4 diện tích sàn cho căn hộ, phần còn lại bố trí sảnh, hành lang và giao thông đứng.
  • Mặt đứng kết hợp mảng kính, ron chống nứt và phần đế ốp sơn gai.
  • Thống kê các hệ thống hạ tầng kỹ thuật: PCCC (2 thang bộ thoát hiểm, 1 thang máy cứu hỏa, mạng họng nước, máy bơm tầng hầm, máy phát điện dự phòng); cấp thoát nước ngầm kết hợp bể tự hoại; cấp điện từ lưới điện đô thị kèm máy phát điện 150 kVA; hệ thống loa thông báo 100 W và trục ống thu gom rác thải về hầm.

Phần II - Chương 1: Tổng quan về kết cấu công trình

Phân tích và lựa chọn các giải pháp kết cấu cho nhà cao tầng:

  • Đánh giá ưu nhược điểm của các hệ kết cấu cơ bản (khung, tường chịu lực, lõi cứng, ống) và hỗn hợp. Lựa chọn hệ chịu lực chính cho công trình là hệ khung – vách bê tông cốt thép toàn khối kết hợp dầm sàn nhằm tăng độ cứng không gian và kháng chấn.
  • So sánh 3 phương án sàn: sàn sườn toàn khối, sàn ô cờ và sàn không dầm. Tác giả chọn hệ dầm - sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối dày 180 mm để đảm bảo độ cứng theo phương ngang và hạn chế võng khi nhịp lớn.
  • Lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1\text{ m}$ ($1000\text{ mm}$) cắm vào tầng địa chất tốt.

Phần II - Chương 2: Thiết kế sàn cho tầng điển hình

Xác định tải trọng tác dụng lên sàn gồm tĩnh tải hoàn thiện (SDL phòng khách, ngủ: $1,36\text{ kN/m}^2$; sàn vệ sinh, mái: $1,09\text{ kN/m}^2$), tải tường xây ($1,76\text{ kN/m}^2$ đến $3,7\text{ kN/m}^2$) và hoạt tải sử dụng theo phòng chức năng (phòng ở: $2\text{ kN/m}^2$, sảnh/hành lang: $3\text{ kN/m}^2$, sàn hầm: $4\text{ kN/m}^2$).

  • Mô hình hóa bản sàn tầng điển hình trên phần mềm SAFE v12, chia dải strip theo hai phương X và Y.
  • Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ hai theo TCVN 5574:2018: Độ võng tổng cộng xét biến dạng phi tuyến $\Delta = f_1 - f_2 + f_3 = 20,237\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng cho phép $\Delta_{\max} = L/250 = 8000/250 = 32\text{ mm}$. Bề rộng vết nứt lớn nhất tính toán $a_{crc,\max} = 0,285\text{ mm} \le a_{crc1} = 0,3\text{ mm}$.
  • Tính toán và bố trí cốt thép lớp trên, lớp dưới cho các dải strip (ví dụ: thép dải CSA1, CSA5, MSA1 dùng $\phi 10\text{a}200$, các vị trí mô men lớn gia cường $\phi 10\text{a}100$).

Phần II - Chương 3: Thiết kế cầu thang tầng điển hình

Thiết kế cầu thang bộ 2 vế dạng bản dầm tại vị trí trục BC-34:

  • Xác định tĩnh tải và hoạt tải trên phần bản thang nghiêng và bản chiếu nghỉ/chiếu tới.
  • Thiết lập sơ đồ tính, xuất biểu đồ mô men và phản lực gối tựa.
  • Tính toán và lựa chọn cốt thép dọc cho bản thang nghiêng, bản chiếu nghỉ và thiết kế cốt thép dọc, cốt đai cho dầm chiếu tới.

Phần II - Chương 4: Tải trọng tác dụng lên công trình

Xác định các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng tác dụng lên công trình 18 tầng:

  • Tải trọng gió: Phân chia thành phần gió tĩnh và gió động theo TCVN 2737:1995, xác định hệ số không gian, tính toán áp lực gió theo các mode dao động riêng của công trình.
  • Tải trọng động đất: Áp dụng TCVN 9386:2012 theo phương pháp tĩnh lực ngang tương đương và phương pháp phổ phản ứng dao động, xác định các lực cắt đáy và phân bố lực ngang lên từng tầng.
  • Thiết lập bảng tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng.

Phần II - Chương 5: Tính toán hệ kết cấu khung công trình

Chọn sơ bộ tiết diện dầm, cột và chiều dày vách cứng cho toàn bộ công trình:

  • Tiến hành phân tích kết cấu 3D trên ETABS v9.4; so sánh nội lực và chuyển vị giữa phương pháp phân tích đàn hồi thông thường và phân tích có xét đến trình tự thi công.
  • Kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình và chuyển vị lệch tầng đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn.
  • Xuất biểu đồ nội lực (lực cắt, mô men uốn) bao COMBBAO cho khung trục 2, khung trục C và hệ dầm tầng điển hình; tiến hành tính toán cốt thép dọc, cốt thép đai chịu cắt và kiểm tra điều kiện nén lệch tâm xiên cho các tiết diện cột.

Phần II - Chương 6: Thiết kế – tính toán vách khung trục C

Ứng dụng lý thuyết tính toán vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang lớn:

  • Sử dụng phương pháp giả thuyết vùng biên chịu mô men để xác định ứng suất và nội lực tác dụng lên vách và lõi cứng.
  • Tính toán cốt thép chịu lực và bố trí cốt thép cấu tạo vùng biên theo quy chuẩn kháng chấn TCVN 9386:2012.
  • Thực hiện bài toán ví dụ tính toán chi tiết cho cấu kiện vách ký hiệu P15 trên khung trục C.

Phần II - Chương 7: Tính toán thiết kế móng cho công trình

Dựa trên số liệu địa chất từ 3 hố khoan (HK1, HK2, HK3) và tổ hợp nội lực chân cột, chân vách:

  • Lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1\text{ m}$.
  • Tính toán sức chịu tải của cọc đơn theo vật liệu và theo đất nền (theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo phụ lục G1, G2 TCVN 10304:2014 kết hợp lý thuyết Berezantsev 1961).
  • Thiết kế chi tiết móng cột biên M1 (Point 221 - C38), móng cột giữa M2 (Point 133 - C26) và móng lõi thang máy M3: xác định số lượng cọc, bố trí kích thước đài móng, kiểm tra phản lực đầu cọc dưới các trường hợp $N_{\max}$, $M_{x\max}$, $M_{y\max}$; kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền dưới đáy khối móng quy ước ($R_{tc}$), tính lún theo trạng thái giới hạn 2 và tính toán cốt thép đài móng bằng phần mềm SAFE 2016 so sánh với tính tay.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thiện toàn diện hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho công trình chung cư cao cấp 18 tầng với các kết quả cụ thể:

Hạng mục cấu kiện Giải pháp kết cấu & Kích thước Vật liệu sử dụng Kết quả kiểm tra / Bố trí cốt thép chính
Sàn tầng điển hình Sàn sườn BTCT dày $h_s = 180\text{ mm}$ Bê tông B30, Thép CB400-V $\Delta = 20,237\text{ mm} < 32\text{ mm}$; $a_{crc,\max} = 0,285\text{ mm} \le 0,3\text{ mm}$; Thép $\phi 10\text{a}200$, gia cường $\phi 10\text{a}100$
Hệ chịu lực đứng Khung dầm - cột kết hợp vách cứng dày $300\text{ mm}$ Bê tông B30, Thép CB400-V, CB240-T Cột chịu nén lệch tâm xiên; vách P15 bố trí thép vùng biên theo TCVN 9386:2012
Cầu thang bộ Bản thang 2 vế trục BC-34 Bê tông B30, Thép CB240-T, CB400-V Bản nghiêng, bản chiếu nghỉ và dầm chiếu tới đạt khả năng chịu lực
Nền móng Móng đài cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$ (M1, M2, M3) Bê tông B30, Thép CB400-V Đảm bảo phản lực đầu cọc ($N_{\max}$, $M_{\max}$), áp lực đáy móng quy ước $R_{tc}$ và độ lún giới hạn

Đóng góp của đồ án:

  • Thiết lập quy trình tính toán sàn hiện đại theo tiêu chuẩn mới TCVN 5574:2018 bằng phần mềm SAFE v12, tích hợp đầy đủ các yếu tố phi tuyến từ biến (1,666), co ngót ($0,00025$) và suy giảm độ cứng do nứt vào kiểm tra biến dạng dài hạn.
  • Đưa vào phân tích so sánh giữa phương pháp tính toán nội lực khung thông thường và phương pháp phân tích theo giai đoạn thi công trên ETABS nhằm phản ánh sát thực tế phân phối lại ứng suất trong nhà cao tầng.
  • Hoàn thiện khối lượng sản phẩm gồm: 01 tập thuyết minh tính toán chi tiết, 06 bản vẽ kiến trúc (KT01 - KT06), 15 bản vẽ kết cấu và đĩa dữ liệu CD lưu trữ mô hình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế trong văn bản:

  • Phạm vi tính toán chi tiết kết cấu khung và móng mới tập trung vào các trục đại diện điển hình (khung trục 2, khung trục C, vách P15, móng M1, M2, M3) thay vì triển khai toàn bộ các trục trên mặt bằng.
  • Phương pháp tính toán tải trọng động đất trong phần thực hành áp dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, chưa đi sâu vào phân tích phản ứng lịch sử thời gian (Time-History Analysis) cho kết cấu phi tuyến.
  • Dữ liệu địa chất công trình dựa trên tài liệu khảo sát của 3 hố khoan (HK1, HK2, HK3).

Hướng nghiên cứu mở rộng:

  • Mở rộng phân tích động lực học công trình dưới tác động của động đất mức độ cao bằng phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh (Pushover) hoặc phân tích lịch sử thời gian.
  • Tối ưu hóa cấu trúc đài móng nhóm cọc và mặt bằng bố trí vách cứng nhằm giảm thiểu độ xoắn tổng thể của công trình khi chịu tải trọng ngang.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Đối tượng: Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Bê tông cốt thép 2, Nhà cao tầng và Nền móng; kỹ sư thiết kế kết cấu công trình dân dụng.
  • Nội dung giá trị: Quy trình khai báo và tổ hợp tải trọng phi tuyến kiểm tra võng, nứt sàn theo TCVN 5574:2018 trên SAFE v12; phương pháp tính toán cốt thép vách theo giả thuyết vùng biên chịu mô men (TCVN 9386:2012); quy trình tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi $D = 1\text{ m}$ theo TCVN 10304:2014 và lý thuyết Berezantsev.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình chung cư Silver Star có quy mô số tầng và kích thước chiều cao như thế nào?
Công trình gồm 18 tầng với tổng chiều cao 58,8 m tính từ mốc ±0.000, bao gồm: 1 tầng hầm cao 3,8 m; 1 tầng trệt cao 4,0 m; 14 tầng điển hình cao 3,6 m/tầng; 1 tầng sân thượng cao 4,0 m và 1 tầng mái cao 4,0 m.

2. Bản sàn tầng điển hình được thiết kế với bề dày bao nhiêu và kết quả kiểm tra độ võng, vết nứt ra sao?
Sàn tầng điển hình có bề dày lựa chọn là $h_s = 180\text{ mm}$ (bê tông B30). Kết quả kiểm tra biến dạng phi tuyến trên phần mềm SAFE v12 cho thấy độ võng toàn phần $\Delta = 20,237\text{ mm} < \Delta_{\max} = 32\text{ mm}$ và bề rộng vết nứt lớn nhất $a_{crc,\max} = 0,285\text{ mm} < 0,3\text{ mm}$, hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện theo TCVN 5574:2018.

3. Các phần mềm chuyên dụng nào đã được tác giả sử dụng trong quá trình phân tích kết cấu?
Tác giả sử dụng bộ đôi phần mềm chuyên ngành là CSI ETABS (v9.4) để phân tích mô hình không gian 3D, tải trọng gió tĩnh, gió động, động đất và phân tích theo giai đoạn thi công; cùng CSI SAFE (v12.0 và 2016) để tính toán nội lực, độ võng, nứt dải sàn strip và phân tích đài móng cọc.

4. Giải pháp nền móng được lựa chọn cho công trình là gì và tính toán cho những vị trí móng nào?
Đồ án lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính $D = 1\text{ m}$ ($1000\text{ mm}$). Tính toán và thiết kế chi tiết được thực hiện cho 3 vị trí móng điển hình: móng cột biên M1 (Point 221 - C38), móng cột giữa M2 (Point 133 - C26) và móng lõi thang máy M3.

5. Hệ kết cấu chịu lực chính của công trình được lựa chọn dựa trên nguyên lý nào?
Công trình sử dụng hệ kết cấu hỗn hợp gồm khung dầm - cột kết hợp vách cứng bê tông cốt thép (chiều dày vách 300 mm) liên kết toàn khối với hệ dầm - sàn dày 180 mm, tạo nên hệ không gian có độ cứng ngang lớn, giúp công trình chịu tải trọng đứng và kháng các tác động tải trọng ngang (gió và động đất) hiệu quả.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư Silver Star" của sinh viên Nguyễn Huỳnh Định là một công trình thiết kế kỹ thuật xây dựng hoàn chỉnh, giải quyết thấu đáo từ phương án kiến trúc tổng thể đến mô hình hóa và tính toán chi tiết kết cấu bê tông cốt thép cho công trình 18 tầng. Đồ án áp dụng đúng đắn các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành như TCVN 5574:2018, TCVN 2737:1995, TCVN 10304:2014 và TCVN 9386:2012 kết hợp với các công cụ phân tích ETABS và SAFE. Toàn bộ kết quả tính toán sàn, cầu thang, khung trục, vách cứng và móng cọc khoan nhồi đều đảm bảo đầy đủ các điều kiện bền, điều kiện biến dạng và khả năng chịu lực theo quy định kỹ thuật.