Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư Central Grove" do sinh viên Trương Đình Tường thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Đoàn Ngọc Tịnh Nghiêm tại Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2013 – 2017). Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế kết cấu toàn diện cho một công trình dân dụng cao tầng tại khu vực đô thị Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp xử lý đồng bộ từ hệ kết cấu phần thân đến hệ thống móng sâu chịu tải trọng phức tạp.

Công trình được xây dựng tại Quận 6, Thành phố Hồ Chí Minh, với quy mô gồm 01 tầng hầm, 01 tầng trệt và 20 tầng điển hình (tổng cộng 22 tầng sàn). Tổng chiều cao công trình tính từ mặt đất tự nhiên là 71,4 m. Mặt bằng tầng điển hình có kích thước tổng thể $39{,}0\text{ m} \times 25{,}5\text{ m}$, chia thành lưới cột gồm các nhịp $8{,}5\text{ m}$ theo phương ngang (trục 1–4) và các nhịp $9{,}0\text{ m} + 9{,}0\text{ m} + 3{,}0\text{ m} + 9{,}0\text{ m} + 9{,}0\text{ m}$ theo phương dọc (trục A–F).

Hồ sơ nghiên cứu và nhiệm vụ thiết kế được xác lập cụ thể qua các nội dung sau:

  1. Tiếp nhận và hoàn thiện hồ sơ kiến trúc: Hiệu chỉnh mặt bằng công năng, mặt cắt và phối cảnh kiến trúc dựa trên bản vẽ khảo sát địa chính và hướng dẫn chuyên môn.
  2. Thiết kế kết cấu sàn tầng điển hình: Xác định sơ bộ kích thước tiết diện dầm – sàn, lập mô hình tính toán nội lực bản sàn và bố trí cốt thép sàn.
  3. Thiết kế cấu kiện phụ trợ: Tính toán tải trọng, sơ đồ chịu lực và bố trí cốt thép cho hệ thống cầu thang bộ dạng bản chịu lực.
  4. Thiết kế hệ khung – vách chịu lực không gian: Xây dựng mô hình kết cấu 3D, phân tích tải trọng đứng (tĩnh tải, hoạt tải) và tải trọng ngang (gió tĩnh, gió động, động đất), thực hiện tổ hợp tải trọng và thiết kế các cấu kiện dầm, cột, vách cứng (khung trục 2 và khung trục B).
  5. Thiết kế nền móng: Phân tích số liệu địa chất công trình, lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi, tính toán sức chịu tải cọc, kiểm tra lún, kiểm tra xuyên thủng và thiết kế cốt thép đài móng.

Khối lượng thực hiện hoàn chỉnh gồm 01 tập thuyết minh tính toán, 01 tập phụ lục và 24 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (trong đó có 08 bản vẽ kiến trúc và 16 bản vẽ kết cấu).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các tiêu chuẩn thiết kế xây dựng hiện hành của Việt Nam để xác định tải trọng, mô hình hóa và kiểm tra điều kiện bền, độ võng, chuyển vị:

  • TCVN 2737 : 1995: Tiêu chuẩn tính toán tải trọng và tác động (tĩnh tải hoàn thiện, hoạt tải sử dụng và áp lực gió tĩnh).
  • TCXD 229 : 1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió cho công trình có chiều cao lớn hơn 40 m.
  • TCVN 9386 : 2012: Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất, sử dụng phương pháp phổ phản ứng dao động.
  • TCVN 5574 : 2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCVN 10304 : 2014: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc.

Dữ liệu đầu vào bao gồm hồ sơ khảo sát địa chất hiện trường tại Quận 6 (chỉ tiêu cơ lý các lớp đất nền, độ sâu mực nước ngầm, chỉ số SPT), bản đồ phân vùng áp lực gió và gia tốc nền động đất.

Quy trình nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn thông qua các phần mềm chuyên ngành:

  • ETABS: Xây dựng mô hình 3D toàn khối của hệ kết cấu khung – vách, mô phỏng cột/dầm bằng phần tử thanh (Line Object), sàn/vách bằng phần tử tấm vỏ (Area Object); phân tích các dạng dao động riêng (Modal Analysis), chuyển vị đỉnh và nội lực phần thân.
  • SAFE: Mô hình hóa bản sàn tầng điển hình và đài móng, chia dải thiết kế (Design Strip) theo phương X và phương Y để tính toán mô-men uốn và kiểm tra độ võng đàn hồi.
  • Bảng tính Excel kết hợp VBA: Tự động hóa quá trình xử lý tổ hợp nội lực, thiết kế cốt thép tiết diện dầm, thiết lập biểu đồ tương tác $N-M$ cho vách cứng và tính toán sức chịu tải, độ lún móng cọc.

Vật liệu quy chuẩn sử dụng trong công trình:

  • Bê tông: Cấp độ bền B25 có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14{,}5\text{ MPa}$, cường độ chịu kéo $R_{bt} = 1{,}05\text{ MPa}$, mô-đun đàn hồi $E_b = 30000\text{ MPa}$.
  • Cốt thép nhóm AI ($\varnothing \le 10\text{ mm}$): Cường độ chịu kéo/nén tính toán $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$, cường độ cốt đai $R_{sw} = 175\text{ MPa}$, mô-đun đàn hồi $E_s = 210000\text{ MPa}$.
  • Cốt thép nhóm AIII ($\varnothing > 10\text{ mm}$): Cường độ chịu kéo/nén tính toán $R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$, mô-đun đàn hồi $E_s = 200000\text{ MPa}$.

Thiết kế và triển khai

Hệ kết cấu chịu lực của công trình là hệ khung – vách bê tông cốt thép đổ toàn khối kết hợp sàn dầm truyền thống, đặt trên hệ móng sâu cọc khoan nhồi cắm vào tầng địa chất tốt.

Hạng mục cấu kiện Giải pháp kết cấu / Kích thước thiết kế Tiêu chuẩn & Phương pháp kiểm tra
Bản sàn tầng điển hình Chiều dày bản sàn $h_s = 150\text{ mm}$; dầm chính $300\text{ mm} \times 650\text{ mm}$; dầm phụ $200\text{ mm} \times 400\text{ mm}$ Chia dải SAFE theo phương X, Y; kiểm tra độ võng giới hạn theo TCVN 5574:2012
Cầu thang bộ Cầu thang 3 vế dạng bản chịu lực dày $h_b = 150\text{ mm}$; chiếu nghỉ và chiếu tới dày $150\text{ mm}$; bậc xây gạch $300\text{ mm} \times 155\text{ mm}$ Mô hình dải bản đơn vị rộng 1 m; tính toán nội lực và bố trí cốt thép chịu uốn
Khung – Vách chịu lực Chiều dày vách cứng $t_w = 300\text{ mm}$ (các vách W3, W6, W7, WLT); hệ cột dầm không gian 3D Mô hình ETABS 3D; tổ hợp tải trọng gió động (TCXD 229:1999) và phổ động đất (TCVN 9386:2012)
Hệ thống móng Móng cọc khoan nhồi BTCT B25 kết hợp hệ đài cọc (đài F2, F4, F6, F8) Kiểm tra sức chịu tải đơn cọc, phản lực đầu cọc $P_{\max}, P_{\min}$, chống xuyên thủng và độ lún khối móng quy ước

Nội dung chính theo từng chương

Phần mở đầu: Giới thiệu chung, tải trọng tác động và giải pháp thiết kế

Trình bày tổng quan vị trí công trình tại Quận 6, TP.HCM, quy mô 22 tầng cao 71,4 m. Xác định các giá trị tải trọng tiêu chuẩn phân bố đều trên sàn theo công năng: phòng ngủ, phòng khách, phòng ăn ($1{,}5\text{ kN/m}^2$); ban công, lô gia ($2{,}0\text{ kN/m}^2$); sảnh, hành lang, cầu thang ($3{,}0\text{ kN/m}^2$); gara ô tô ($5{,}0\text{ kN/m}^2$); phòng động cơ ($7{,}0\text{ kN/m}^2$). Đưa ra căn cứ lựa chọn hệ kết cấu khung vách toàn khối và móng cọc khoan nhồi dựa trên điều kiện địa chất và quy mô tải trọng.

Chương 1: Tính toán – Thiết kế sàn

Chương này thực hiện chọn sơ bộ kích thước các cấu kiện: chiều dày bản sàn $h_s = 150\text{ mm}$, tiết diện dầm chính $300\text{ mm} \times 650\text{ mm}$, dầm phụ $200\text{ mm} \times 400\text{ mm}$, vách cứng dày $300\text{ mm}$. Xác định chi tiết tĩnh tải các lớp cấu tạo:

  • Tĩnh tải sàn thường: Gồm gạch ceramic dày 10 mm, vữa lót xi măng dày 20 mm, vữa trát trần dày 15 mm.
  • Tĩnh tải sàn vệ sinh và sàn mái: Bổ sung lớp chống thấm dày 5 mm và vữa tạo dốc dày 35 mm.
  • Tải trọng tường xây: Tính toán tải trọng phân bố trên dầm và sàn cho tường 10 và tường 20 gạch ống.

Sử dụng phần mềm SAFE để phân tích nội lực bản sàn bằng phương pháp chia dải thiết kế (Column Strip và Middle Strip). Kết quả kiểm tra biến dạng cho thấy độ võng lớn nhất của sàn xuất từ SAFE đạt $f_{\max} = 14\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng cho phép $[f] = 25\text{ mm}$ theo TCVN 5574:2012 đối với nhịp từ 5 m đến 10 m. Tính toán và bố trí cốt thép chịu mô-men âm tại gối (dải CSA1, CSA3 dùng $\varnothing 10a200$) và mô-men dương tại nhịp (dải CSB1 dùng $\varnothing 12a130$, MSA3 dùng $\varnothing 12a170$).

Chương 2: Tính toán – Thiết kế cầu thang

Thiết kế cầu thang bộ tầng điển hình gồm 3 vế, trong đó vế 1 và vế 3 có 10 bậc, kích thước mỗi bậc $L \times H = 300\text{ mm} \times 155\text{ mm}$. Kết cấu cầu thang làm việc theo dạng bản chịu lực với bề dày bản thang, bản chiếu nghỉ và bản chiếu tới đều bằng $150\text{ mm}$. Tĩnh tải bậc thang được quy đổi qua chiều dày tương đương $t_d$. Tổng tải trọng tính toán tác dụng lên bản thang nghiêng là $q_{tt} = 7{,}503\text{ kN/m}$ và lên bản chiếu nghỉ là $q_{tt} = 5{,}120\text{ kN/m}$. Thiết lập sơ đồ tính, cắt dải bản 1 m để xác định biểu đồ mô-men uốn và tính toán lượng cốt thép chịu lực cần thiết.

Chương 3: Tính toán – Thiết kế hệ khung

Chương này phân tích ứng xử không gian của công trình dưới tác động của các tổ hợp tải trọng:

  • Tải trọng gió: Công trình cao 71,4 m ($> 40\text{ m}$) tại vùng gió II-A với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 0{,}83\text{ kN/m}^2$, địa hình dạng B. Tải gió được chia thành thành phần tĩnh (quy về tâm hình học các tầng) và thành phần động (tính toán cho 3 dạng dao động đầu tiên với tần số $f_{1x} = 0{,}328\text{ Hz}$, $f_{1y} = 0{,}376\text{ Hz}$). Thành phần động được xác định qua hệ số động lực $\xi$, độ giảm loga $\delta = 0{,}3$, hệ số tương quan không gian $\nu$ theo các tham số $\rho$ và $\chi$. Tổ hợp tải gió theo phương X và Y sử dụng quy tắc căn bậc hai của tổng bình phương: $W_X = W_{TX} + \text{SRSS}(W_{DX1}; W_{DX2})$ và $W_Y = W_{TY} + \text{SRSS}(W_{DY1}; W_{DY2})$.
  • Tải trọng động đất: Tính toán theo TCVN 9386:2012 với gia tốc nền đỉnh $a_{gR} = 0{,}07g$, độ cản nhớt $\xi = 5%$, nền đất loại C ($S = 1{,}6$, $T_B = 0{,}2\text{ s}$, $T_C = 0{,}6\text{ s}$, $T_D = 2{,}0\text{ s}$), hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1{,}25$, hệ số ứng xử $q = 3{,}2$. Do chu kỳ dao động vượt quá giới hạn tĩnh lực ngang tương đương ($T > 2\text{ s}$), đồ án áp dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động.
  • Thiết kế cấu kiện: Phân tích nội lực và bố trí cốt thép dầm khung trục 2, khung trục B; thiết kế cốt thép đai vùng tới hạn chống cắt; thiết kế các vách cứng chịu lực (W3, W6, W7, WLT) thông qua việc lập biểu đồ tương tác $N-M$ phi tuyến qua 4 giai đoạn cao trình (Tầng hầm – Tầng 2, Tầng 3 – Tầng 6, Tầng 7 – Tầng 10, Tầng 11 – Tầng 22).

Chương 4: Tính toán – Thiết kế móng

Dựa trên số liệu khảo sát địa chất công trình, đồ án tính toán sức chịu tải đơn cọc cọc khoan nhồi theo cường độ vật liệu và theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (sức kháng mũi và ma sát bên theo TCVN 10304:2014, có xét đến thành phần kháng chấn trên thành cọc). Tính toán hệ số nền $K$ của cọc, thiết kế bố trí số lượng cọc trong các đài móng F2, F4, F6, F8.

Mô hình hóa đài móng trên SAFE để kiểm tra phản lực đầu cọc lớn nhất ($P_{\max}$) và nhỏ nhất ($P_{\min}$), kiểm tra khả năng xuyên thủng đài móng, tính lún khối móng quy ước cho các đài chính và xuất biểu đồ mô-men hai phương để bố trí cốt thép đài cọc.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán và hồ sơ bản vẽ kỹ thuật cho công trình nhà cao tầng với các kết quả cụ thể:

  1. Kiểm tra độ võng sàn: Độ võng lớn nhất của sàn tầng điển hình đạt $f_{\max} = 14\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện biến dạng $[f] = 25\text{ mm}$ theo TCVN 5574:2012.
  2. Phân tích động lực học kết cấu: Xác định chính xác các tần số dao động riêng cơ bản ($f_{1x} = 0{,}328\text{ Hz}$, $f_{1y} = 0{,}376\text{ Hz}$, dạng xoắn $3{,}199\text{ s}$) và hoàn thành việc gán tải trọng gió động (TCXD 229:1999) cùng phổ phản ứng động đất (TCVN 9386:2012) vào mô hình không gian ETABS.
  3. Thiết kế vách cứng theo biểu đồ tương tác: Kiểm tra khả năng chịu nén – uốn đồng thời của hệ vách bê tông cốt thép dày 300 mm từ tầng hầm đến tầng mái theo biểu đồ tương tác $N-M$, đảm bảo các điểm nội lực nguy hiểm đều nằm trong đường bao tương tác an toàn.
  4. Giải pháp nền móng cọc khoan nhồi: Xác định số lượng cọc và kích thước đài móng (F2, F4, F6, F8), kiểm tra phản lực đầu cọc không vượt quá sức chịu tải cho phép, không xảy ra hiện tượng nhổ cọc bất lợi, độ lún khối móng quy ước và điều kiện chống xuyên thủng đều thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 10304:2014.

Về mặt đóng góp, đồ án thể hiện quy trình thiết kế kết cấu hoàn chỉnh cho công trình cấp I (cao 71,4 m), tích hợp đồng bộ công cụ phân tích phần tử hữu hạn (ETABS, SAFE) kết hợp với các chương trình lập trình tính toán tự động bằng VBA trên nền Excel.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phạm vi và nội dung thực hiện trong văn bản, đồ án có một số giới hạn kỹ thuật:

  • Đồ án tập trung đi sâu vào thiết kế chi tiết kết cấu sàn tầng điển hình, hệ khung trục 2, khung trục B, các vách cứng W3, W6, W7, WLT và một số đài móng đại diện (F2, F4, F6, F8); chưa triển khai chi tiết toàn bộ các khung trục và móng cục bộ khác trên mặt bằng.
  • Mô hình tính toán kết cấu phần thân và móng được thực hiện qua các bước tách rời (ETABS cho khung thân, SAFE cho sàn và móng), chưa xét đến bài toán tương tác đồng thời giữa kết cấu phần trên, móng và đất nền (Soil-Structure Interaction).

Hướng phát triển tiếp theo có thể mở rộng bài toán phân tích phi tuyến tĩnh (Pushover Analysis) hoặc phân tích lịch sử thời gian (Time-History Analysis) để đánh giá chi tiết hơn mức độ tổn thương của công trình dưới tác động động đất mạnh, cũng như nghiên cứu tối ưu hóa hàm lượng cốt thép vách và đài móng cọc.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Nhà cao tầng, Bê tông cốt thép, Nền móng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu tham khảo quy trình thực hành tính toán tải trọng gió động theo TCXD 229:1999 và phổ phản ứng động đất theo TCVN 9386:2012 trên phần mềm ETABS.
  • Người nghiên cứu tham khảo phương pháp chia dải thiết kế sàn trên phần mềm SAFE và thuật toán xây dựng biểu đồ tương tác $N-M$ cho vách cứng nhà cao tầng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình chung cư Central Grove có quy mô chiều cao và mặt bằng như thế nào?
Công trình gồm 01 tầng hầm, 01 tầng trệt và 20 tầng điển hình, tổng chiều cao 71,4 m tính từ mặt đất tự nhiên. Kích thước mặt bằng sàn tầng điển hình là $39{,}0\text{ m} \times 25{,}5\text{ m}$, chia thành các nhịp $8{,}5\text{ m}$ theo phương ngang và nhịp $9{,}0\text{ m} + 9{,}0\text{ m} + 3{,}0\text{ m} + 9{,}0\text{ m} + 9{,}0\text{ m}$ theo phương dọc.

2. Tiết diện sơ bộ của các cấu kiện chịu lực chính được lựa chọn với kích thước bao nhiêu?
Bản sàn tầng điển hình có chiều dày $h_s = 150\text{ mm}$; dầm chính kích thước $300\text{ mm} \times 650\text{ mm}$; dầm phụ kích thước $200\text{ mm} \times 400\text{ mm}$; và các vách cứng bê tông cốt thép có chiều dày $t_w = 300\text{ mm}$.

3. Vì sao công trình phải tính toán thành phần động của tải trọng gió và tính theo tiêu chuẩn nào?
Do công trình có chiều cao $71{,}4\text{ m} > 40\text{ m}$, theo quy định của TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999, tải trọng gió bắt buộc phải tính cả thành phần tĩnh và thành phần động ứng với 3 dạng dao động riêng đầu tiên (tần số cơ bản $f_{1x} = 0{,}328\text{ Hz}$, $f_{1y} = 0{,}376\text{ Hz}$).

4. Phương pháp nào được sử dụng để tính toán tải trọng động đất cho công trình?
Đồ án sử dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động (Response Spectrum Analysis) theo TCVN 9386:2012 với các thông số: đất nền loại C ($S = 1{,}6$), gia tốc nền đỉnh $a_{gR} = 0{,}07g$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1{,}25$ và hệ số ứng xử $q = 3{,}2$.

5. Vật liệu bê tông và cốt thép chính sử dụng trong thiết kế có cấp độ bền và cường độ bao nhiêu?
Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B25 ($R_b = 14{,}5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1{,}05\text{ MPa}$, $E_b = 30000\text{ MPa}$), cốt thép nhóm AI cho đường kính $\varnothing \le 10\text{ mm}$ ($R_s = 225\text{ MPa}$) và cốt thép nhóm AIII cho đường kính $\varnothing > 10\text{ mm}$ ($R_s = 365\text{ MPa}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư Central Grove" đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ thiết kế kiến trúc hiệu chỉnh, phân tích kết cấu sàn – dầm – khung – vách và giải pháp nền móng cọc khoan nhồi cho công trình dân dụng cao 22 tầng ($71{,}4\text{ m}$) tại TP.HCM. Bằng việc ứng dụng đồng bộ các phần mềm ETABS, SAFE và bảng tính tự động hóa VBA, tác giả đã giải quyết chuẩn xác các yêu cầu chịu lực dưới tác động của tĩnh tải, hoạt tải, gió động và động đất tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Kết quả nghiên cứu cung cấp bộ hồ sơ thuyết minh và bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng và tham khảo học thuật cao trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình.