Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng với đề tài "Thiết kế Chung cư Hưng Thịnh" do sinh viên Quản Minh Trí (MSSV: 15149202, khóa 2015) thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Trung Kiên tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 02/2020). Công trình được nghiên cứu trong bối cảnh tốc độ đô thị hóa và nhu cầu gia tăng không gian sống tiện nghi, tích hợp đa chức năng tại các đô thị phát triển thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Nam. Dự án tọa lạc tại vị trí trung tâm thuộc Khu phố 2, phường Trung Dũng, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai, gắn liền với các tiện ích hạ tầng đô thị như siêu thị Lotte Mart Amata, hệ thống ngân hàng, bệnh viện, trường học các cấp và các khu công nghiệp Biên Hòa 1, Biên Hòa 2.

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thiết lập phương án kỹ thuật toàn diện, giải quyết bài toán tính toán và thiết kế hệ thống kết cấu bê tông cốt thép toàn khối cho một công trình chung cư cao tầng kết hợp thương mại dịch vụ có tầng hầm, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn chịu lực và điều kiện sử dụng bình thường theo quy chuẩn xây dựng Việt Nam. Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được phân định cụ thể thành 5 nội dung chính:

  1. Thể hiện, hoàn thiện và khớp nối hồ sơ bản vẽ thiết kế kiến trúc công trình bằng phần mềm chuyên dụng.
  2. Thiết lập mô hình, phân tích nội lực, tính toán cốt thép và kiểm tra biến dạng cho bản sàn tầng điển hình.
  3. Thiết lập sơ đồ tính, xác định tải trọng, mô hình hóa phân tích nội lực và thiết kế cốt thép cầu thang bộ tầng điển hình.
  4. Xây dựng mô hình không gian tổng thể khung - vách, phân tích tải trọng tĩnh, tải trọng gió (thành phần tĩnh và động), tải trọng động đất; thiết kế dầm, cột (trục 3, trục D) và hệ vách cứng (vách V2).
  5. Phân tích điều kiện địa kỹ thuật, đánh giá sức chịu tải của cọc và thiết kế móng cọc khoan nhồi cho các cụm móng điển hình và móng lõi thang máy.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu chịu lực của công trình Chung cư Hưng Thịnh gồm 16 tầng nổi và 1 tầng hầm, chiều cao từ cốt vỉa hè đến đỉnh mái là 61 m (chiều cao tính toán kết cấu thân là 58,1 m). Phạm vi nghiên cứu về không gian giới hạn trong khu đất xây dựng có diện tích $3.050\text{ m}^2$, mật độ xây dựng khối đế tầng 1 là 54% (diện tích sàn xây dựng tầng 1 là $1.670\text{ m}^2$), tổng diện tích sàn xây dựng toàn công trình là $22.976\text{ m}^2$, tổng diện tích sử dụng $19.493\text{ m}^2$. Công trình cung cấp 234 căn hộ ở (loại căn hộ 2 phòng ngủ diện tích từ $48\text{ m}^2$), phục vụ quy mô dân số dự kiến khoảng 836 người cùng hệ thống công viên cây xanh nội khu $1.600\text{ m}^2$. Phạm vi thời gian nghiên cứu dựa trên các số liệu khảo sát địa chất, khí hậu và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành tính đến thời điểm hoàn thành vào tháng 02/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Để giải quyết bài toán thiết kế kết cấu công trình cao tầng chịu tổ hợp tải trọng không gian phức tạp, tác giả đã áp dụng hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng và các phương pháp cơ học kết cấu hiện đại:

  • Hệ thống tiêu chuẩn và văn bản pháp lý viện dẫn:

    • 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 tiêu chuẩn TCVN 2737:1995.
    • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất.
    • TCVN 5574:2012 (và viện dẫn TCXDVN 356:2005): Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
    • TCVN 9395:2012: Cọc khoan nhồi – Thi công và nghiệm thu.
    • Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình, móng cọc: Quy chuẩn tính toán sức chịu tải và độ lún khối móng quy ước.
    • Tài liệu kỹ thuật chuyên khảo: Tham khảo lý thuyết tính toán vách cứng, lõi cứng nhà cao tầng theo phương pháp vùng biên chịu mô men từ các tài liệu chuyên ngành trong và ngoài nước.

  • Nguyên tắc tính toán kết cấu:

    • Trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH I): Đảm bảo độ bền chịu lực, khả năng chống phá hoại do uốn, nén, cắt; chống mất ổn định về hình dạng và vị trí; kiểm tra khả năng làm việc dưới tác động đồng thời của các tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc biệt (gió động, động đất).
    • Trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH II): Đảm bảo điều kiện khai thác sử dụng bình thường; khống chế chuyển vị ngang đỉnh công trình, độ võng đàn hồi ngắn hạn, độ võng dài hạn có xét đến hiện tượng từ biến và sự hình thành vết nứt, cũng như khống chế bề rộng khe nứt của các cấu kiện bê tông cốt thép.

  • Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán:

    • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) áp dụng cho mô hình không gian ba chiều (3D) để xác định nội lực dầm, cột, vách và bản sàn.
    • Phương pháp phân tích dạng dao động (Modal Analysis) khảo sát 10 mode dao động nhằm xác định chu kỳ, tần số dao động riêng và khối lượng tham gia dao động phục vụ tính toán gió động và kháng chấn.
    • Phương pháp phân tích phổ phản ứng đàn hồi (Response Spectrum Analysis) dựa trên phổ gia tốc thiết kế nằm ngang theo TCVN 9386:2012.
    • Phương pháp vùng biên chịu mô men (Boundary Element Method) để tính toán cốt thép tập trung đầu vách và mạng cốt thép thân vách.
    • Phương pháp thống kê địa kỹ thuật và các mô hình cơ học đất (theo cơ lý, chỉ tiêu cường độ $c, \varphi$ và công thức SPT của Nhật Bản) để tính sức chịu tải cọc khoan nhồi.
    • Công cụ phần mềm: Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2019 (phân tích nội lực kết cấu), Autodesk Revit 2019 và AutoCAD (thể hiện bản vẽ kỹ thuật), Microsoft Office 2016 (lập bảng tính và xử lý dữ liệu).
Cấu kiện / Vật liệu Cấp bền bê tông / Nhóm cốt thép Đặc trưng tính toán cơ lý Lớp bê tông bảo vệ ($a_0$)
Sàn, Dầm, Cầu thang, Móng Bê tông B25 $R_b = 14,5\text{ MPa}$; $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$; $E_b = 30.000\text{ MPa}$; $R_{b,ser} = 18,5\text{ MPa}$; $R_{bt,ser} = 1,6\text{ MPa}$ Sàn: $15\text{ mm}$
Dầm: $25\text{ mm}$
Thang: $15\text{ mm}$
Móng: $50\text{ mm}$
Cột, Vách, Lõi chịu lực Bê tông B30 $R_b = 17,0\text{ MPa}$; $R_{bt} = 1,20\text{ MPa}$; $E_b = 32.500\text{ MPa}$; $R_{b,ser} = 22,0\text{ MPa}$; $R_{bt,ser} = 1,8\text{ MPa}$ Cột: $25\text{ mm}$
Vách: $25\text{ mm}$
Cốt thép chịu lực chính ($\phi \ge 10$) Thép tròn có gờ nhóm AIII (hoặc CIII) $R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$; $E_s = 200.000\text{ MPa}$ Theo cấu kiện tương ứng
Cốt đai, cốt cấu tạo ($\phi < 10$) Thép tròn trơn nhóm AI $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$; $R_{sw} = 175\text{ MPa}$; $E_s = 210.000\text{ MPa}$ Theo cấu kiện tương ứng

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu tổng quan công trình

Chương này mô tả chi tiết thông số kiến trúc, quy hoạch và hệ thống kỹ thuật của công trình Chung cư Hưng Thịnh. Về công năng phân tầng:

  • Tầng hầm: Chiều cao phục vụ đỗ xe cơ giới, bố trí trạm biến áp, phòng máy phát điện dự phòng, phòng quạt hút khí thải, phòng cấp khí tươi, bể nước cứu hỏa, bể nước sinh hoạt, trạm xử lý nước thải và hệ thống trạm bơm trung tâm.
  • Tầng 1 (khối đế): Bố trí sảnh đón, khu trung tâm thương mại dịch vụ, văn phòng cho thuê, phòng hội nghị, chuỗi tiện ích nhà hàng, café, phòng gym, spa.
  • Tầng 2 đến tầng 16: Khối căn hộ ở với tổng số 234 căn hộ khép kín, hành lang thông thoáng liên kết trực tiếp với sảnh thang máy và thang bộ thoát hiểm.
  • Hệ thống kỹ thuật: Cấp điện ngầm luồn hộp kỹ thuật trong tường và sàn; cấp nước từ mạng lưới đô thị kết hợp trạm bơm tự động và bể ngầm; hệ thống thoát nước phân tách nước mưa và nước thải sinh hoạt qua xử lý cục bộ; hệ thống thông gió kết hợp đối lưu tự nhiên qua giếng trời với hệ thống điều hòa không khí và quạt hút cưỡng bức trục đứng; hệ thống phòng cháy chữa cháy trang bị kim thu sét trên mái, mạng lưới bình khí $\text{CO}_2$ dọc hành lang và 2 buồng thang bộ thoát hiểm cách ly tiêu chuẩn.

Chương 2. Cơ sở kết cấu công trình

Nội dung chương trình bày việc phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu cho tòa nhà:

  • Hệ chịu lực phần thân: Lựa chọn hệ kết cấu không gian khung – vách bê tông cốt thép toàn khối. Cột và dầm kết hợp bản sàn chịu tải trọng thẳng đứng; hệ thống vách cứng và 2 lõi thang máy đảm nhận vai trò hấp thu tải trọng ngang (gió và động đất), khống chế chuyển vị ngang đỉnh tháp và nâng cao độ cứng chống xoắn.
  • Hệ kết cấu sàn: Hệ sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối liên kết cứng với hệ dầm chính, dầm phụ nhằm tối ưu hóa khả năng truyền tải và độ cứng màng sàn.
  • Hệ kết cấu móng: Sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng đất chịu lực tốt, giảm thiểu biến dạng lún lệch và hạn chế tiếng ồn, chấn động đối với khu dân cư hiện hữu trong quá trình thi công.
  • Quy trình thiết kế: Xác lập quy trình khép kín từ sơ bộ kích thước tiết diện $\rightarrow$ lập sơ đồ truyền tải $\rightarrow$ tính toán tải trọng $\rightarrow$ giải nội lực bằng Robot 2019 $\rightarrow$ thiết kế cốt thép cấu kiện $\rightarrow$ kiểm tra chuyển vị và bề rộng khe nứt theo TTGH I và TTGH II.

Chương 3. Thiết kế sàn điển hình

Tác giả tiến hành tính toán chi tiết sàn tầng căn hộ điển hình:

  • Sơ bộ kích thước: Bản sàn tầng điển hình chọn dày $h_s = 180\text{ mm}$ (dựa trên công thức nhịp lớn nhất ô bản $8,4\text{ m} \times 9,0\text{ m}$ có $L_{min} = 8.400\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện $h_s > h_{min} = 50\text{ mm}$). Bản sàn tầng hầm và tầng trệt dày $h_s = 250\text{ mm}$. Sàn khu vực liên kết giữa hai khối vách thang bộ và thang máy chọn dày $h_s = 400\text{ mm}$ để tăng cường độ cứng liên kết hộp. Kích thước dầm chính chọn DC $300 \times 600\text{ mm}$, dầm phụ DP $250 \times 500\text{ mm}$, vách dày $b_w = 300\text{ mm}$.
  • Xác định tải trọng:
    • Tĩnh tải hoàn thiện: Sàn căn hộ gồm bản bê tông cốt thép ($g^{tt} = 3,819\text{ kN/m}^2$), vữa trát trần ($0,351\text{ kN/m}^2$), hệ thống kỹ thuật treo ($0,600\text{ kN/m}^2$), tổng cộng $5,135\text{ kN/m}^2$. Sàn vệ sinh có thêm vữa tạo dốc và chống thấm đạt $4,049\text{ kN/m}^2$.
    • Tĩnh tải tường xây: Tường xây trên dầm có tải trọng tính toán $3,8\text{ kN/m}$ (tường 100) và $3,6\text{ kN/m}$ (tường 200). Tường xây ngăn phòng trên sàn quy đổi thành tải trọng phân bố đều $q_{tpb} = 0,869\text{ kN/m}^2$ trên diện tích sàn tầng điển hình ($869,76\text{ kN}$ trên $217\text{ m}^2$).
    • Hoạt tải tiêu chuẩn (TCVN 2737:1995): Sảnh, hành lang, cầu thang lấy $3,6\text{ kN/m}^2$ ($n=1,2$); căn hộ lấy $1,95\text{ kN/m}^2$ ($n=1,3$); nhà hàng $4,8\text{ kN/m}^2$ ($n=1,2$); ban công $2,4\text{ kN/m}^2$ ($n=1,2$); kho hàng $6,0\text{ kN/m}^2$ ($n=1,2$).
  • Phân tích nội lực và tính cốt thép: Mô hình sàn trên Robot 2019, phân tích biểu đồ mô men $M_{xx}, M_{yy}$. Tính toán thép chịu uốn cho dải bản rộng $1\text{ m}$ với chiều cao làm việc $h_0 = 165\text{ mm}$ ($a = 15\text{ mm}$).
  • Kiểm tra võng và nứt theo TCVN 5574:2012: Độ võng ngắn hạn lớn nhất đạt $f_{max} = 11,2\text{ mm} < [f_{gh}] = 25\text{ mm}$. Kiểm tra độ võng dài hạn có xét đến hiện tượng nứt vùng kéo dưới tác dụng của tải trọng dài hạn: độ cứng kháng uốn quy đổi $B$, tổng độ cong quy đổi cho ra độ võng dài hạn $f_1 = 35,36\text{ mm} < [f_{gh}] = L/150 = 60\text{ mm}$. Bề rộng khe nứt ngắn hạn $a_{crc,lt} = 0,232\text{ mm} \le [a_{crc1}] = 0,3\text{ mm}$; bề rộng khe nứt dài hạn $a_{crc,ld} = 0,4\text{ mm}$.

Chương 4. Thiết kế cầu thang tầng điển hình

Thiết kế cầu thang bộ 2 vế dạng bản chịu lực tầng điển hình:

  • Thông số hình học: Tầng cao $3,4\text{ m}$, 19 bậc. Chiều cao bậc $h_b = 180\text{ mm}$, chiều rộng bậc $l_b = 260\text{ mm}$, bề rộng vế thang $b = 1,3\text{ m}$, góc nghiêng $\tan\alpha = 180/260 \approx 0,692$ ($\cos\alpha \approx 0,822$).
  • Tải trọng tác dụng: Chiếu nghỉ gồm đá hoa cương ($g^{tt} = 0,48\text{ kN/m}^2$), vữa lót ($0,468\text{ kN/m}^2$), vữa trát trần ($0,432\text{ kN/m}^2$), tải trọng bản bê tông cốt thép dày $125\text{ mm}$. Bản thang nghiêng tính thêm trọng lượng tam giác bậc gạch quy đổi theo phương nghiêng. Hoạt tải tính toán vế thang $p^{tt} = 1,2 \times 3,0 \times \cos\alpha = 2,96\text{ kN/m}^2$; bản chiếu nghỉ lấy $3,6\text{ kN/m}^2$.
  • Nội lực và cốt thép: Tách dải bản thang rộng $1\text{ m}$, mô hình hóa trên Robot 2019 xác định biểu đồ mô men và lực cắt. Bố trí thép bản thang chịu mô men nhịp và gối với thép nhóm AIII ($R_s = 365\text{ MPa}$).
  • Dầm chiếu nghỉ: Kích thước $250 \times 400\text{ mm}$ ($h_0 = 375\text{ mm}$), chịu phản lực tập trung truyền từ bản thang ($q_1 = 6,8\text{ kN/m}$) cùng trọng lượng bản thân và tường xây. Tính toán cốt thép dọc chịu mô men âm gối ($M = -9,24\text{ kNm}$) và nhịp; tính cốt đai $\phi 6$ nhánh đôi chịu lực cắt lớn nhất $20,24\text{ kN}$, bố trí bước đai cấu tạo $s = 150\text{ mm}$ tại đoạn $L/4$ đầu dầm và $s = 250\text{ mm}$ ở giữa nhịp.

Chương 5. Thiết kế kết cấu khung

Mô hình hóa khung không gian và phân tích tác động ngang:

  • Tải trọng gió: Công trình cao $58,1\text{ m} > 40\text{ m}$ thuộc vùng gió IA, địa hình B tại TP. Biên Hòa ($W_0 = 55\text{ daN/m}^2 = 550\text{ N/m}^2$, $m_t = 0,14$, $z_t = 400\text{ m}$). Hệ số tin cậy tải trọng gió lấy bằng 1,2.
    • Gió tĩnh: Xác định theo công thức $W_j = W_0 \cdot k(z_j) \cdot c$ (hệ số đẩy $c = +0,8$, hút $c = -0,6$), quy về tải trọng tập trung gán vào tâm hình học từng tầng.
    • Gió động (TCXD 229:1999): Mô hình thanh console tập trung khối lượng tầng. Khảo sát 10 mode dao động: mode 1 có chu kỳ $T_1 = 0,33\text{ s}$ dao động tịnh tiến theo phương Y; mode 2 bị xoắn nên tác giả loại bỏ; mode 3 dao động tịnh tiến theo phương X. Thành phần gió động được tính toán riêng biệt cho mode 1 (phương Y) và mode 3 (phương X) có xét hệ số tương quan không gian $\nu$ và hệ số động lực $\xi_i$.
  • Tải trọng động đất (TCVN 9386:2012): Áp dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động. Xác định gia tốc nền thiết kế $a_g$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_I$, hệ số ứng xử $q = 3,9$ (kết cấu hỗn hợp khung – vách nhiều tầng nhiều nhịp, cấp dẻo trung bình DCM). Thiết lập phổ phản ứng thiết kế đàn hồi $S_d(T)$ gán trực tiếp vào Robot 2019.
  • Tổ hợp tải trọng và kiểm tra tổng thể: Lập các tổ hợp cơ bản và tổ hợp bao (tĩnh tải, hoạt tải, gió tĩnh, gió động X/Y, động đất theo hai phương). Kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình nằm trong giới hạn cho phép ($f_{dinh} \le H/500$).
  • Thiết kế cấu kiện khung trục:
    • Dầm tầng 10 (tầng điển hình): Xác định biểu đồ bao mô men uốn và lực cắt, tính thép dọc chịu uốn, bố trí cấu tạo kháng chấn vùng nối và kiểm tra chiều dài neo cốt thép.
    • Cột trục 3 và trục D: Tính toán cốt thép dọc theo bài toán nén uốn lệch tâm xiên tổ hợp nguy hiểm nhất; bố trí đai kháng chấn gia cường mật độ cao tại vùng chân và đầu cột.
    • Vách cứng (vách V2): Sử dụng phương pháp vùng biên chịu mô men, chia vách thành các cấu kiện biên chịu kéo/nén kết hợp dải thân vách chịu cắt để tính thép tập trung và thép phân bố.

Chương 6. Thiết kế móng

Tính toán phương án móng sâu cho công trình:

  • Địa chất công trình: Tổng hợp số liệu khoan địa chất, phân chia các lớp đất nền, xác định góc ma sát trong $\varphi$, lực dính $c$, độ ẩm, khối lượng thể tích, chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT và mô đun biến dạng $E$.
  • Sức chịu tải cọc khoan nhồi $D = 800\text{ mm}$: Tính toán và so sánh sức kháng cọc đơn qua 4 phương pháp:
    1. Sức chịu tải theo vật liệu bê tông cốt thép ($P_{vl}$).
    2. Sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý đất nền ($R_{cl}$).
    3. Sức chịu tải theo chỉ tiêu cường độ chống cắt đất nền ($R_{cd}$).
    4. Sức chịu tải theo chỉ số SPT theo công thức Nhật Bản ($R_{SPT}$). Từ đó xác định sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc đơn và mô hình hóa độ cứng cọc đàn hồi.
  • Thiết kế các đài móng điển hình:
    • Tiến hành tính toán đài móng M1 (trục 2-B), M3 (trục D-2), M4 (trục A-3), M2 (trục A-1) và đài móng cụm vách lõi thang máy M8.
    • Kiểm tra phản lực đầu cọc: Kiểm tra điều kiện cọc chịu nén lớn nhất $P_{max} \le 1,2 P_{cp}$, phản lực trung bình $P_{tb} \le P_{cp}$, và kiểm tra không xuất hiện lực nhổ đầu cọc ($P_{min} > 0$).
    • Kiểm tra ổn định nền và độ lún dưới đáy khối móng quy ước: Xác định kích thước khối móng quy ước qua góc ma sát trong trung bình $\varphi_{tb}$, kiểm tra điều kiện áp lực tiêu chuẩn dưới đáy móng $P_{tc}^{tb} \le R_{tc}$, tính lún từng lớp phân tố đảm bảo độ lún tổng cộng $S \le [S] = 8\text{ cm}$.
    • Kiểm tra xuyên thủng và đâm thủng: Kiểm tra khả năng chống xuyên thủng của đài dưới tác dụng của tải trọng đáy cột/vách và phản lực các hàng cọc biên.
    • Tính toán cốt thép đài: Xác định mô men uốn tại các tiết diện ngàm mép cột theo hai phương X và Y, tính toán diện tích cốt thép lưới đáy đài.

Kết quả và đóng góp

Cấu kiện / Hạng mục kiểm tra Giải pháp / Kích thước thiết kế Thông số kết quả kiểm tra Trạng thái kỹ thuật
Bản sàn tầng điển hình Chiều dày $h_s = 180\text{ mm}$; bê tông B25; thép AIII Võng ngắn hạn: $f_{max} = 11,2\text{ mm} < [f_{gh}] = 25\text{ mm}$
Võng dài hạn: $f_1 = 35,36\text{ mm} < [f_{gh}] = 60\text{ mm}$
Bề rộng khe nứt: $a_{crc,lt} = 0,232\text{ mm} \le 0,3\text{ mm}$		 Đạt yêu cầu TTGH I & II
Bản sàn nút liên kết lõi Chiều dày $h_s = 400\text{ mm}$ Tăng cường liên kết cứng giữa 2 vách buồng thang bộ và lõi thang máy Giảm ứng suất tập trung màng sàn
Dầm tầng điển hình Dầm chính DC $300 \times 600\text{ mm}$
Dầm phụ DP $250 \times 500\text{ mm}$		 Biểu đồ bao mô men thỏa mãn tổ hợp tải trọng bất lợi; bố trí cốt đai kháng chấn Đạt yêu cầu chịu uốn, cắt
Hệ vách và cột khung Vách dày $b_w = 300\text{ mm}$; Bê tông B30;
Cột trục 3 và trục D		 Tính toán theo phương pháp vùng biên chịu mô men; khống chế chuyển vị ngang đỉnh công trình $f_{dinh} \le H/500$ Đảm bảo ổn định tổng thể
Động lực học tải trọng gió Vùng gió IA ($W_0 = 55\text{ daN/m}^2$); TCXD 229:1999 Loại bỏ mode 2 bị xoắn; tính toán động lực học cho mode 1 ($T_1 = 0,33\text{ s}$, phương Y) và mode 3 (phương X) Phù hợp nguyên lý động lực học
Kết cấu móng Móng cọc khoan nhồi $D = 800\text{ mm}$; các đài M1, M2, M3, M4, M8 Phản lực đầu cọc: $P_{max} \le 1,2 P_{cp}$; $P_{min} > 0$
Lún khối móng quy ước: $S \le [S] = 8\text{ cm}$; an toàn chống chọc thủng		 Đảm bảo ổn định địa kỹ thuật

  • Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

    • Lựa chọn sơ đồ khung không gian kết hợp hệ thống vách cứng hộp lõi thang máy, tối ưu hóa độ cứng chống xoắn của tòa nhà 16 tầng trong vùng địa chất Đồng Nai.
    • Đề xuất tăng cục bộ chiều dày sàn lên $400\text{ mm}$ tại vị trí chuyển tiếp giữa vách thang bộ và thang máy, tạo thành đĩa cứng truyền lực ngang hữu hiệu giữa các cấu kiện chịu lực thẳng đứng.
    • Phân tích xử lý dao động công trình một cách khoa học khi chủ động loại bỏ mode dao động xoắn (mode 2) và chỉ giữ lại các mode dao động tịnh tiến cơ bản (mode 1 và mode 3) để tính toán thành phần động của tải trọng gió.
    • Áp dụng phương pháp vùng biên chịu mô men trong thiết kế vách cứng, giúp tối ưu hóa lượng cốt thép bố trí tập trung ở biên chịu kéo nén và tiết kiệm cốt thép thân vách.
    • Đề xuất giải pháp móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 800\text{ mm}$ xuyên qua các lớp đất yếu bề mặt cắm sâu vào tầng chịu lực, giải quyết bài toán tải trọng tập trung chân cột lớn kết hợp tầng hầm đậu xe.

  • Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn:

    • Hệ thống hóa quy trình thiết kế đồng bộ cho một công trình chung cư cao tầng quy mô trung bình (16 tầng, 1 hầm) từ bước kiến trúc, phân tích tải trọng gió động, động đất cho đến thiết kế chi tiết cấu kiện thân và móng.
    • Làm rõ phương pháp kiểm tra điều kiện sử dụng (TTGH II) theo TCVN 5574:2012 đối với cấu kiện bản sàn nhịp lớn ($8,4\text{ m} \times 9,0\text{ m}$), bao gồm thuật toán tính toán độ võng dài hạn có xét nứt và từ biến, thay vì chỉ kiểm tra võng đàn hồi đơn thuần.

Hạn chế và phạm vi hoàn thiện

  • Hạn chế từ văn bản đồ án:

    • Về phạm vi tính toán phần thân: Do khối lượng thực hiện của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư, tác giả chỉ tập trung đi sâu vào phân tích và thiết kế chi tiết cho một số cấu kiện đại diện (sàn tầng điển hình, cầu thang bộ tầng điển hình, khung trục 2, cột trục 3, cột trục D và vách V2); chưa triển khai chi tiết toàn bộ các khung trục và cấu kiện còn lại trong công trình.
    • Về phân tích kháng chấn: Đồ án mới dừng lại ở phương pháp phân tích phổ phản ứng đàn hồi dạng dao động (Response Spectrum Analysis); chưa thực hiện các phân tích phi tuyến tĩnh (Pushover analysis) hay phân tích động lực học phi tuyến theo lịch sử thời gian (Time-history analysis) để đánh giá sự phân bố khớp dẻo của kết cấu khi xảy ra động đất cực hạn.
    • Về phần ngầm: Đồ án tập trung thiết kế các đài móng cọc khoan nhồi điển hình chịu tải trọng đứng và mô men chân cột; chưa trình bày chi tiết giải pháp thiết kế biện pháp thi công tầng hầm (hệ tường vây barrette hoặc cọc khoan nhồi dẫn, hệ giằng chống shoring hoặc thi công semi-topdown) cũng như biện pháp hạ mực nước ngầm.

  • Hướng phát triển và mở rộng:

    • Mở rộng tự động hóa quy trình xuất nội lực và thiết kế chi tiết cho toàn bộ các khung trục còn lại thông qua việc lập trình các bảng tính liên kết API với phần mềm Robot Structural Analysis.
    • Nghiên cứu ứng xử phi tuyến của hệ khung – vách chịu tải trọng động đất cấp cao để kiểm soát cơ chế phá hoại của dầm liên kết vách (coupling beam).
    • Bổ sung tính toán thiết kế chi tiết kết cấu hệ vách tầng hầm chịu áp lực đất chủ động, áp lực nước ngầm và kiểm tra tương tác động học giữa đất nền – cọc – kết cấu thân (Soil-Structure Interaction - SSI).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ thuật Công trình Xây dựng dân dụng và công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học Bê tông cốt thép 2, Đồ án Nhà cao tầng, Đồ án Nền móng và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng. Tài liệu cũng hỗ trợ thiết thực cho các kỹ sư kết cấu mới ra trường trong việc tiếp cận các dự án nhà ở cao tầng thực tế.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

  • Quy trình tính toán gió động theo TCXD 229:1999: Cung cấp phương pháp xác định chu kỳ, tần số, hệ số tương quan không gian $\nu$ và cách thức loại bỏ mode dao động xoắn trong mô hình 3D.
  • Quy trình tính võng dài hạn và bề rộng vết nứt sàn theo TCVN 5574:2012: Hệ thống công thức tính đổi độ cứng $B$, diện tích quy đổi $A_{b,red}$, mô men kháng uốn $W_{pl}$ và độ cong dài hạn, giải quyết bài toán kiểm tra độ võng sàn nhịp lớn ($8,4\text{ m} \times 9,0\text{ m}$).
  • Ứng dụng Robot Structural Analysis: Minh họa việc thiết lập mô hình 3D, gán phổ phản ứng động đất TCVN 9386:2012 và xuất biểu đồ bao nội lực phục vụ thiết kế cấu kiện.
  • Thiết kế móng cọc khoan nhồi tổng hợp: Cung cấp phương pháp so sánh sức chịu tải cọc theo 4 chỉ tiêu (vật liệu, cơ lý, cường độ, SPT Nhật Bản) và quy trình kiểm tra khối móng quy ước, kiểm tra chọc thủng đài móng cụm vách lõi thang máy.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Chung cư Hưng Thịnh có quy mô kiến trúc và chiều cao kết cấu như thế nào?
Công trình có quy mô gồm 16 tầng nổi và 1 tầng hầm, xây dựng trên khu đất $3.050\text{ m}^2$ với tổng diện tích sàn xây dựng $22.976\text{ m}^2$, cung cấp 234 căn hộ cho khoảng 836 cư dân. Tổng chiều cao công trình từ vỉa hè đường D2 đến đỉnh mái theo kiến trúc là $H = 61\text{ m}$, trong khi chiều cao tính toán hệ kết cấu chịu lực phần thân là $58,1\text{ m}$ với chiều cao tầng điển hình là $3,4\text{ m}$.

2. Tại sao tác giả loại bỏ mode dao động thứ 2 khi tính toán thành phần động của tải trọng gió?
Theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn TCXD 229:1999, thành phần động của tải trọng gió chỉ tính toán cho các dạng dao động tịnh tiến dọc theo các trục tính toán chính (phương X và phương Y) có chuyển vị lớn, không xét thành phần gió ngang và mô men xoắn. Khi khảo sát 10 mode dao động trên phần mềm Robot Structural Analysis, mode 1 dao động tịnh tiến theo phương Y ($T_1 = 0,33\text{ s}$), mode 2 thể hiện dạng dao động xoắn nên bị loại bỏ, và mode 3 là dạng dao động tịnh tiến theo phương X được giữ lại để tính toán gió động phương X.

3. Bản sàn tầng điển hình được chọn kích thước bao nhiêu và kết quả kiểm tra trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH II) ra sao?
Bản sàn tầng điển hình có ô sàn lớn nhất là $8,4\text{ m} \times 9,0\text{ m}$, được chọn chiều dày $h_s = 180\text{ mm}$ (bê tông B25). Kết quả kiểm tra theo TCVN 5574:2012 cho thấy: độ võng ngắn hạn lớn nhất $f_{max} = 11,2\text{ mm} < [f_{gh}] = 25\text{ mm}$; độ võng dài hạn có xét nứt và từ biến $f_1 = 35,36\text{ mm} < [f_{gh}] = L/150 = 60\text{ mm}$; bề rộng khe nứt ngắn hạn $a_{crc,lt} = 0,232\text{ mm} \le [a_{crc1}] = 0,3\text{ mm}$. Sàn hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện sử dụng bình thường.

4. Giải pháp móng của công trình là gì và sức chịu tải của cọc đơn được xác định dựa trên những phương pháp nào?
Công trình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 800\text{ mm}$ cắm vào tầng đất chịu lực tốt. Sức chịu tải của cọc được tính toán và so sánh qua 4 phương pháp độc lập theo tiêu chuẩn: (1) Theo cường độ vật liệu bê tông cốt thép ($P_{vl}$); (2) Theo chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền ($R_{cl}$); (3) Theo chỉ tiêu cường độ chống cắt của đất ($R_{cd}$); và (4) Theo chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT dựa trên công thức của Nhật Bản ($R_{SPT}$).

5. Phương pháp nào được tác giả ứng dụng để tính toán cốt thép cho hệ vách cứng chịu lực?
Tác giả áp dụng phương pháp vùng biên chịu mô men (Boundary Element Method) để thiết kế hệ vách cứng (vách V2). Theo phương pháp này, vách được phân chia thành các phần tử vùng biên ở hai đầu để bố trí cốt thép tập trung chịu lực kéo/nén do mô men uốn gây ra, kết hợp với mạng lưới cốt thép phân bố đều ở vùng thân vách để đảm bảo khả năng chịu lực cắt và chống nứt cục bộ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Chung cư Hưng Thịnh" của tác giả Quản Minh Trí là công trình học thuật chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công phu, giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối cho tòa nhà cao 16 tầng và 1 tầng hầm tại thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 2737:1995, TCXD 229:1999, TCVN 9386:2012, TCVN 5574:2012) với công cụ phân tích phần tử hữu hạn Robot Structural Analysis 2019, đồ án đã chứng minh tính an toàn chịu lực của hệ kết cấu khung – vách và giải pháp móng cọc khoan nhồi D800. Công trình cung cấp một tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư xây dựng trong công tác tính toán tải trọng gió động, kháng chấn và kiểm tra điều kiện võng nứt sàn nhà cao tầng.