Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng của tác giả Hoàng Văn Dương (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Anh Thắng) thực hiện đề tài "Thiết kế khu căn hộ phức hợp Green Pearl". Dự án gốc thuộc công trình hỗn hợp văn phòng, siêu thị, gara để xe, nhà cao tầng và nhà trẻ do liên danh Phong Phú - Daewon - Thủ Đức đầu tư, tọa lạc tại địa chỉ số 378 Minh Khai, quận Hai Bà Trưng, thành phố Hà Nội. Dự án được quy hoạch trên khu đất có diện tích 6.000 m², nằm trong trung tâm đô thị nhằm đáp ứng nhu cầu gia tăng về nhà ở, khu dịch vụ thương mại và tiện ích công cộng.

Mục tiêu của đồ án là hoàn thiện giải pháp thiết kế toàn diện cho một công trình cao tầng hỗn hợp, bao gồm giải pháp kiến trúc, kết cấu chịu lực, nền móng sâu và công nghệ thi công tầng hầm trong đô thị. Nhiệm vụ nghiên cứu và thực hiện được xác định gồm 4 phần chính:

  1. Thể hiện lại và chỉnh sửa các bản vẽ hồ sơ kiến trúc công trình theo yêu cầu kỹ thuật.
  2. Thiết kế kết cấu phần thân: Tính toán sàn tầng điển hình, kết cấu cầu thang bộ, và mô hình hóa thiết kế khung chịu lực không gian.
  3. Thiết kế nền móng: Tổng hợp số liệu địa chất hiện trường và thiết kế phương án móng cọc khoan nhồi cho các cụm kết cấu chịu lực chính.
  4. Chuyên đề nâng cao: Phân tích, tính toán và thiết kế biện pháp thi công hố đào sâu 2 tầng hầm.

Đối tượng nghiên cứu là khối công trình nhà cao tầng thuộc dự án Green Pearl với quy mô 2 khối tháp, mỗi tháp cao 17 tầng, 3 tầng khối đế (trệt), 1 tầng sân thượng và 2 tầng hầm. Mỗi tầng điển hình của khối tháp bố trí 14 căn hộ, phục vụ lưu thông bằng 6 thang máy và 2 thang bộ. Phạm vi nghiên cứu giới hạn tại địa điểm xây dựng 378 Minh Khai, Hà Nội với các điều kiện địa chất công trình, khí hậu và tải trọng đặc trưng được thu thập từ hồ sơ khảo sát địa chất thực tế năm 2019.

Thông số Giá trị trong đồ án
Tên công trình Khu căn hộ phức hợp Green Pearl
Địa điểm 378 Minh Khai, quận Hai Bà Trưng, TP. Hà Nội
Diện tích khu đất xây dựng 6.000 m²
Quy mô khối tháp 2 khối tháp, 17 tầng mỗi tháp, 1 sân thượng
Quy mô khối đế và ngầm 3 tầng trệt (khối đế), 2 tầng hầm
Mật độ căn hộ điển hình 14 căn hộ/tầng/khối tháp
Hệ thống giao thông đứng 6 thang máy, 2 thang bộ cho mỗi tháp

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý tính toán kết cấu bê tông cốt thép, cơ học đất và nền móng theo trạng thái giới hạn. Tiêu chuẩn thiết kế được tác giả áp dụng trực tiếp là tiêu chuẩn kháng chấn TCXDVN 375:2006 (Thiết kế công trình chịu động đất) cùng các quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam về tải trọng, tác động và kết cấu bê tông cốt thép. Trong tính toán hố đào và tương tác đất - kết cấu chắn giữ, tác giả sử dụng mô hình đất đàn dẻo Mohr-Coulomb.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết giải tích truyền thống và mô phỏng số thông qua các phần mềm chuyên ngành xây dựng:

  • Phương pháp phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm ETABS để thiết lập mô hình không gian 3D của toàn bộ hệ kết cấu khung vách, phân tích dao động riêng, xác định các dạng dao động (Mode 1, Mode 3), phân tích phổ phản ứng đàn hồi, kiểm tra chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng và hiệu ứng P-Delta.
  • Phân tích dải bản (Strip Method): Sử dụng phần mềm SAFE 2016 để mô hình hóa, phân tích mômen uốn theo hai phương X và Y của sàn bê tông cốt thép tầng 4, tính toán độ võng theo Trạng thái giới hạn II và kiểm tra nứt. SAFE cũng được sử dụng để phân tích ứng suất và tính toán đài móng cọc.
  • Phương pháp giải tích truyền thống: Lập bảng tính tay xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo đất nền và vật liệu, tính lún bằng phương pháp móng khối quy ước kết hợp cộng lún từng lớp, sau đó đối chiếu trực tiếp với kết quả chạy phần mềm.

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm: Hồ sơ thiết kế kiến trúc điều chỉnh, báo cáo khảo sát địa chất công trình với số liệu từ trụ địa chất các hố khoan tại khu đất 378 Minh Khai, các chỉ tiêu cơ lý của 3 lớp đất nền (đường quan hệ e-p), số liệu khí hậu và bản đồ phân vùng gió, gia tốc động đất tại khu vực Hà Nội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan kiến trúc

Chương 1 giới thiệu vị trí quy hoạch của khu đất dự án tại 378 Minh Khai trong đồ án quy hoạch tổng thể quận Hai Bà Trưng, xác định tọa độ và ranh giới tiếp giáp qua hình ảnh vệ tinh Google Maps. Tác giả trình bày các giải pháp tổng mặt bằng, thiết kế mặt bằng công năng các tầng hỗn hợp (văn phòng, siêu thị, gara để xe, nhà trẻ và căn hộ), giải pháp giao thông nội bộ ngang và đứng, chiều cao công trình và vật liệu hoàn thiện. Đi kèm là các thuyết minh kỹ thuật phụ trợ phục vụ kiến trúc gồm hệ thống phòng cháy chữa cháy (PCCC), giải pháp chống mối chân công trình và các giải pháp chống thấm cho kết cấu ngầm, mái và sàn khu vệ sinh.

Chương 2: Tổng quan về kết cấu công trình

Nội dung chương tập trung xác lập hệ thống kết cấu tổng thể:

  • Phương đứng: Lựa chọn hệ kết cấu khung - vách bê tông cốt thép kết hợp lõi cứng thang máy để tiếp nhận toàn bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang (gió, động đất).
  • Phương ngang: Sử dụng hệ kết cấu sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối thông thường. Tác giả lập bảng chỉ tiêu cơ lý cho vật liệu xây dựng gồm bê tông (Bảng 2.1) và cốt thép sử dụng (Bảng 2.2). Trên cơ sở đó, tác giả tiến hành sơ bộ kích thước hình học của các cấu kiện: chiều dày sàn các khu vực (Bảng 2.3), tiết diện dầm, cột và bề dày các vách chịu lực.

Chương 3: Thiết kế sàn tầng điển hình

Chương này thực hiện tính toán chi tiết cho mặt bằng ô sàn tầng điển hình (tầng 4). Tác giả xác định chi tiết tải trọng hoàn thiện: tĩnh tải sàn căn hộ, sàn vệ sinh (Bảng 3.2), sàn hành lang (Bảng 3.3), tải trọng tường xây ngăn chia (Bảng 3.1) và hoạt tải sử dụng theo chức năng phòng (Bảng 3.4). Mô hình sàn được dựng trên phần mềm SAFE 2016 bằng phương pháp dải strip theo phương X và phương Y. Kết quả xuất nội lực cho ra biểu đồ phân bố mômen uốn dải sàn theo hai phương, từ đó tính toán diện tích cốt thép yêu cầu (Bảng 3.7). Chương này thực hiện kiểm tra điều kiện sử dụng bình thường: tính toán độ võng dài hạn của ô sàn theo Trạng thái giới hạn II xuất từ phần mềm SAFE và kiểm tra bề rộng vết nứt cho ô sàn chịu lực lớn nhất S10 (Bảng 3.8).

Chương 4: Thiết kế cầu thang tầng điển hình

Tác giả thiết kế hệ kết cấu cầu thang bộ 2 vế dạng bản bê tông cốt thép chịu lực cho tầng điển hình. Nội dung bao gồm xác định chi tiết cấu tạo các lớp vật liệu của bản thang và bản chiếu nghỉ; tính toán tải trọng tác dụng lên bản nghiêng (Bảng 4.1) và tải trọng tác dụng lên bản chiếu nghỉ (Bảng 4.2). Sơ đồ tính được thiết lập dưới dạng dầm/bản đơn giản chịu uốn, từ đó vẽ biểu đồ bao mômen và biểu đồ lực cắt. Dựa trên nội lực tính toán, tác giả xác định diện tích và bố trí cốt thép chịu lực dọc, cốt thép phân bố cho bản thang và bản chiếu nghỉ (Bảng 4.3).

Chương 5: Thiết kế hệ khung

Chương 5 là phần tính toán kết cấu thân chịu lực chính của công trình thông qua mô hình không gian ETABS:

  • Tải trọng: Tính toán tĩnh tải sàn sân thượng (Bảng 5.1), hoạt tải sử dụng (Bảng 5.2); tải trọng gió tĩnh và gió động theo phương X ứng với dao động Mode 1 (Bảng 5.7) và theo phương Y ứng với dao động Mode 3 (Bảng 5.8), tích hợp hệ số động lực và hệ số tương quan không gian ν; tải trọng động đất được khai báo bằng phổ phản ứng đàn hồi theo TCXDVN 375:2006 (Bảng 5.10) với phần trăm khối lượng tham gia dao động (Bảng 5.5, 5.11). Tác giả thiết lập hệ thống tổ hợp tải trọng cơ bản và đặc biệt (Bảng 5.13).
  • Kiểm tra trạng thái giới hạn công trình: Đánh giá chuyển vị đỉnh công trình dưới tải trọng gió theo hai trục X, Y; kiểm tra chuyển vị tương đối lệch tầng (Bảng 5.15, 5.16) và hiệu ứng phi tuyến hình học P-Delta theo hai phương (Bảng 5.17, 5.18).
  • Thiết kế cấu kiện:
    • Cột C13 (trục Y1-X4): Trích xuất tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất gồm lực nén lớn nhất Nmax cùng mômen uốn tương ứng Mxtu, Mytu (Bảng 5.19); tính toán cốt thép dọc (Bảng 5.20) và bố trí cốt thép đai kháng chấn (Bảng 5.21).
    • Hệ dầm sàn tầng 4: Tính toán cốt thép dọc chịu uốn (Bảng 5.22) và cốt đai chịu cắt (Bảng 5.24).
    • Vách và lõi thang máy: Mô hình hóa bằng phần tử Pier trong ETABS; cấu tạo vách tuân thủ TCXDVN 375:2006; xác định chiều dài vùng nén, kéo cục bộ tại mép vách (Bảng 5.27, 5.28); tính toán cốt thép dọc chịu lực và bố trí cốt thép giằng ngang cho thân vách phẳng và cụm vách lõi thang máy (Bảng 5.29 - 5.32).

Chương 6: Thiết kế móng

Chương 6 giải quyết bài toán nền móng cho công trình tải trọng lớn trên nền địa chất gồm 3 lớp đất khảo sát:

  • Giải pháp: Sử dụng móng cọc tròn bê tông cốt thép khoan nhồi. Tác giả tính toán cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc và sức kháng mũi cọc để xác định sức chịu tải thiết kế của cọc đơn (Bảng 6.6, 6.8, 6.9, 6.25).
  • Thiết kế 3 đài móng đại diện:
    1. Đài móng M1 (chân vách biên W1): Xác định nội lực phần tử Pier, sơ bộ số cọc, bố trí mặt bằng cọc; kiểm tra phản lực đầu cọc bằng SAFE và so sánh với tính tay (Bảng 6.15); kiểm tra xuyên thủng đáy đài theo tháp đâm thủng cho vách W1; tính lún theo phương pháp móng khối quy ước kết hợp đường cong e-p lớp đất 3 (Bảng 6.12, 6.13); xác định hệ số liên kết đàn hồi cọc và tính cốt thép đài móng theo biểu đồ mômen bao Max-Min hai phương (Bảng 6.16).
    2. Đài móng M2 (chân cột biên/giữa C13): Tổng hợp nội lực chân cột (Bảng 6.17), kiểm tra phản lực đầu cọc (Bảng 6.18), kiểm tra xuyên thủng cột C13, tính lún khối quy ước dựa trên chỉ tiêu lớp đất 1 (Bảng 6.19, 6.20) và tính cốt thép bố trí cho đài (Bảng 6.23).
    3. Đài móng M3 (hệ vách lõi thang máy): Tổng hợp nội lực chân vách lõi (Bảng 6.4, 6.26); mô hình hóa đài móng trong phần mềm SAFE; kiểm tra phản lực đầu cọc dưới tổ hợp tải trọng nguy hiểm; tính lún cho đài móng lõi dựa trên lớp đất 2 (Bảng 6.27, 6.28); tính toán mômen phát sinh do lực cắt đáy đài và xác định diện tích cốt thép đài M3 (Bảng 6.29 - 6.31).

Chương 7: Thiết kế tầng hầm (phần nâng cao)

Nội dung chương chuyên đề tập trung vào giải pháp thi công hố đào sâu 2 tầng hầm:

  • Kết cấu chắn giữ: Tường vây bê tông cốt thép có chiều dày W600 (600 mm) ngàm sâu đến cao độ -20 m.
  • Hệ thanh chống: Sử dụng hệ shoring gồm các thanh chống và dầm giằng thép hình tiết diện H400x400x13x21 (Bảng 7.6, 7.7).
  • Phân tích cơ học: Mô hình hóa đất nền bằng mô hình Mohr-Coulomb (Bảng 7.2) và mô phỏng thi công theo công nghệ Bottom-up qua 14 phase kế tiếp nhau. Tác giả kiểm tra chuyển vị ngang của đất nền Uy qua các đợt đào (từ -1,9 m, -5,65 m, -8,35 m đến -11,2 m) và các giai đoạn tháo giằng. Nội lực tường vây được kiểm soát với biểu đồ bao mômen đạt giá trị lớn nhất Mmax = 342 kNm/m và bao lực cắt lớn nhất 178 kN. Đồ án kiểm toán hệ số an toàn ổn định trượt sâu của hố đào qua từng phase và kiểm tra khả năng chịu lực nén uốn, mômen M33, độ ổn định tổng thể của thanh chống thép H400 qua từng giai đoạn chịu tải (Bảng 7.8 - 7.12).
Giai đoạn (Phase) Nội dung thi công và cao độ kỹ thuật
Phase 01 Thi công tường vây bê tông cốt thép W600 tới cao độ -20 m
Phase 02 Đào đất đợt 1 tới cao độ -1,9 m
Phase 03 Thi công lắp dựng hệ thanh chống và giằng 1 tại cao độ -1,9 m
Phase 04 Đào đất đợt 2 tới cao độ -5,65 m
Phase 05 Thi công lắp dựng hệ thanh chống và giằng 2 tại cao độ -5,05 m
Phase 06 Thi công hút hạ mực nước ngầm tới cao độ -12 m
Phase 07 Đào đất đợt 3 tới cao độ -8,35 m
Phase 08 Thi công lắp dựng hệ giằng 3 tại cao độ -6,35 m
Phase 09 Đào đất đợt 4 tới đáy hố móng tại cao độ -11,2 m
Phase 10 Thi công bê tông sàn hầm B2 tại cao độ -7,0 m
Phase 11 Thi công tháo dỡ hệ giằng 3 tại cao độ -6,35 m
Phase 12 Thi công bê tông sàn hầm B1 tại cao độ -4,0 m
Phase 13 Thi công tháo dỡ hệ giằng 2 tại cao độ -5,05 m
Phase 14 Thi công tháo dỡ hệ giằng 1 tại cao độ -1,9 m

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Quy trình thiết kế kỹ thuật của công trình được triển khai theo các giải pháp công nghệ xây dựng đồng bộ:

  • Kiến trúc và kết cấu chịu lực: Mặt bằng công trình được tối ưu hóa khả năng chiếu sáng và thông gió tự nhiên. Hệ chịu lực phương đứng là sự phối hợp giữa khung bê tông cốt thép và các vách/lõi cứng, giúp phân tán lực ngang do gió bão và tải trọng động đất gây ra.
  • Công nghệ phân tích và kiểm thử mô hình: Toàn bộ phản ứng cơ học của hệ kết cấu được kiểm chứng bằng mô hình số:
    • Phần mềm ETABS thực hiện phân tích động lực học kết cấu, xác định các mode dao động riêng, kiểm tra ổn định tổng thể qua chuyển vị lệch tầng và phân tích hiệu ứng P-Delta.
    • Phần mềm SAFE kiểm toán trạng thái làm việc cục bộ của sàn và đài móng dưới tác động của mômen uốn, độ võng dài hạn và biến dạng nứt.
  • Biện pháp thi công công trình ngầm: Hố móng sâu 11,2 m được thi công bằng biện pháp Bottom-up kết hợp tường vây W600 sâu 20 m và 3 tầng giằng thép hình H400x400x13x21. Toàn bộ quá trình đào và hạ mực nước ngầm đến cao độ -12 m được kiểm soát biến dạng đất nền và kiểm toán khả năng chịu lực của thanh chống tại từng bước nhằm tránh nguy cơ mất ổn định thành hố đào trong đô thị.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn khối lượng tính toán thiết kế cho khu căn hộ phức hợp cao tầng, đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Xác định đầy đủ các trường hợp tải trọng gió động (Mode 1 phương X, Mode 3 phương Y) và tải trọng động đất theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006; đảm bảo chuyển vị ngang đỉnh tháp và chuyển vị tương đối lệch tầng nằm trong giới hạn cho phép.
  • Tính toán và bố trí chi tiết cốt thép cho sàn tầng 4 (đảm bảo điều kiện võng và kiểm soát nứt cho ô sàn S10), cầu thang bộ, khung dầm - cột C13 và hệ thống vách lõi thang máy.
  • Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong 3 lớp đất nền; hoàn thiện thiết kế 3 đài móng (M1, M2, M3), kiểm tra xuyên thủng đáy đài và kiểm chứng độ lún công trình nằm trong phạm vi cho phép.
  • Thiết lập quy trình công nghệ thi công 14 phase cho hố đào sâu 2 tầng hầm; xác định được biểu đồ bao mômen uốn tường vây với giá trị lớn nhất Mmax = 342 kNm/m, lực cắt lớn nhất 178 kN, đồng thời kiểm tra đầy đủ khả năng chịu lực nén uốn và ổn định của cây chống thép H400x400x13x21.

Về mặt đóng góp, đồ án đã giải quyết thành công bài toán tích hợp giữa tính toán phần thân kết cấu cao tầng với việc mô hình hóa tương tác đất - kết cấu hố đào sâu theo mô hình Mohr-Coulomb, cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cho việc thi công tầng hầm trong đô thị chật hẹp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án xuất phát từ phạm vi tính toán thiết kế quy ước trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp đại học:

  • Về kết cấu phần thân, tác giả chỉ tập trung tính toán chi tiết cho hệ sàn tầng 4, một cột đại diện (C13), một hệ dầm tầng điển hình và cụm vách lõi thang máy, chưa triển khai chi tiết toàn bộ các cấu kiện khác trên toàn bộ chiều cao 17 tầng của hai khối tháp.
  • Về nền móng, đồ án lựa chọn thiết kế 3 đài móng điển hình (M1, M2, M3) đại diện cho vách biên, cột giữa và lõi thang máy.
  • Hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc mở rộng tính toán chi tiết cho toàn bộ các cấu kiện còn lại, nghiên cứu phân tích tương tác động lực học phi tuyến giữa đất nền và kết cấu cọc khi chịu động đất mạnh, cũng như ứng dụng quan trắc thực tế độ võng tường vây và lún công trình lân cận trong suốt quá trình thi công hố đào.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc các đồ án môn học Kết cấu bê tông cốt thép, Nền móng và Thi công công trình ngầm:

  • Phần mô hình hóa ETABS và SAFE cung cấp tài liệu chi tiết về các bước gán phần tử Pier cho vách, khai báo dải Strip tính sàn, gán liên kết đàn hồi cho cọc và tổ hợp tải trọng gió động, động đất theo tiêu chuẩn Việt Nam.
  • Phần chuyên đề tầng hầm cung cấp trình tự tính toán cụ thể cho biện pháp thi công Bottom-up qua 14 giai đoạn, đặc biệt là phương pháp kiểm tra ổn định thanh chống thép hình và tính toán tường vây barrette.

Câu hỏi thường gặp

Công trình Green Pearl sử dụng giải pháp kết cấu chịu lực nào cho phần thân và phần móng?
Công trình sử dụng hệ kết cấu chịu lực phương đứng là hệ khung - vách bê tông cốt thép, phương ngang là sàn bê tông cốt thép toàn khối thông thường. Phần nền móng sử dụng giải pháp móng cọc tròn bê tông cốt thép khoan nhồi.

Tiêu chuẩn nào được tác giả sử dụng để tính toán kháng chấn cho hệ khung và vách công trình?
Tác giả áp dụng tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 để khai báo phổ phản ứng đàn hồi, tính toán tải trọng động đất, kiểm tra chiều dài vùng nén - kéo và cấu tạo cốt thép kháng chấn cho vách và cột.

Tường vây hố đào có thông số kích thước thế nào và mực nước ngầm được hạ đến cao độ bao nhiêu?
Tường vây hố đào có bề dày 600 mm (W600), chiều sâu ngàm đến cao độ -20 m. Trong quá trình thi công đào hố móng ở Phase 06, mực nước ngầm được hút hạ đến cao độ -12 m.

Hệ thanh chống shoring trong chuyên đề thi công tầng hầm sử dụng loại thép hình nào?
Hệ thanh chống và dầm giằng của hố đào sử dụng thép hình tiết diện H400x400x13x21, được kiểm tra lực dọc, mômen uốn M33 và điều kiện ổn định qua từng giai đoạn đào đất và tháo giằng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hoàng Văn Dương đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho khu căn hộ phức hợp Green Pearl tại 378 Minh Khai, Hà Nội với quy mô 17 tầng nổi và 2 tầng hầm. Tác giả đã kết hợp các tiêu chuẩn hiện hành (như TCXDVN 375:2006) và các công cụ mô phỏng số ETABS, SAFE cùng mô hình đất Mohr-Coulomb để giải quyết bài toán kết cấu chịu lực, nền móng cọc nhồi và biện pháp thi công hố đào Bottom-up qua 14 giai đoạn. Toàn bộ kết quả tính toán đều đáp ứng các điều kiện về độ bền, độ cứng và độ ổn định theo quy chuẩn kỹ thuật xây dựng công trình cao tầng.