Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng tập trung giải quyết bài toán thiết kế kết cấu toàn diện cho công trình "Chung cư ITASCO TOWER". Trong bối cảnh đô thị hóa và nhu cầu phát triển công trình phức hợp cao tầng gia tăng, việc thiết kế một tòa nhà kết hợp chức năng văn phòng và căn hộ chung cư đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu khắt khe về an toàn chịu lực, độ bền vững dưới tác động của tải trọng đứng cũng như tải trọng ngang (gió tĩnh, gió động, động đất), đồng thời tối ưu hóa công năng và khả năng thi công.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thực hiện của đồ án được xác định cụ thể theo các hạng mục sau:

  1. Hoàn thiện và thể hiện hồ sơ bản vẽ kiến trúc của công trình.
  2. Mô hình hóa, phân tích nội lực và tính toán thiết kế sàn tầng điển hình (kiểm tra trạng thái giới hạn về độ võng và vết nứt).
  3. Mô hình hóa, phân tích nội lực và tính toán thiết kế kết cấu cầu thang bộ tầng điển hình.
  4. Xây dựng mô hình không gian tổng thể, xác định tải trọng tĩnh, hoạt tải, tải trọng gió (thành phần tĩnh và động), tải trọng động đất (phương pháp phổ phản ứng); thực hiện phân tích và thiết kế khung trục 2, cột khung trục C, hệ dầm sàn và hệ vách cứng.
  5. Phân tích tài liệu khảo sát địa chất, đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi và thiết kế hệ thống móng công trình (đài móng cột M1, móng vách thang bộ M2, móng lõi thang máy).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của công trình nhà cao tầng ITASCO TOWER.
  • Phạm vi không gian: Công trình có quy mô 17 tầng nổi, 2 tầng hầm và 1 tầng kỹ thuật mái; tổng chiều cao công trình là 70,7 m; diện tích khu đất 2020 m², diện tích xây dựng 1010 m² (mật độ xây dựng 50%). Địa điểm xây dựng giả định tại huyện Đức Huệ, tỉnh Long An (thuộc vùng áp lực gió IA và vùng có gia tốc nền động đất cần kiểm tra kháng chấn).
  • Phạm vi thời gian và tiêu chuẩn: Đồ án thực hiện hoàn thành vào tháng 06/2019, căn cứ theo hệ thống Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam (TCVN) hiện hành tại thời điểm thực hiện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận vận dụng lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo hai nhóm trạng thái giới hạn:

  • Trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH I): Đảm bảo khả năng chịu lực, độ bền và ổn định tổng thể của kết cấu dưới tổ hợp tải trọng bất lợi nhất, chống phá hoại do mỏi và biến dạng dẻo.
  • Trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH II): Đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường của công trình, giới hạn độ võng, chuyển vị đỉnh, góc xoay và bề rộng khe nứt trong ngưỡng cho phép ($a_{crc} \le [a_{crc}] = 0,3\text{ mm}$, độ võng $[f_{gh}] \le L/150$).

Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn 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.
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất.
  • TCVN 5574:2012: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 9395:2012: Cọc khoan nhồi – Thi công và nghiệm thu.
  • TCVN 10304:2014 / Tiêu chuẩn nền móng: Tính toán sức chịu tải cọc và nền đất.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán:

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình hóa không gian 3D toàn bộ hệ kết cấu chịu lực bằng phần mềm chuyên dụng Robot Structural Analysis 2018 để giải bài toán tĩnh học và động lực học công trình.
  • Phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động (Response Spectrum Analysis): Áp dụng để xác định tác động của tải trọng động đất lên công trình nhiều tầng theo TCVN 9386:2012.
  • Phương pháp phân tích động lực học công trình: Xác định tần số dao động riêng, dạng dao động và thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên từng tầng.
  • Nguồn dữ liệu: Hồ sơ bản vẽ kiến trúc công trình ITASCO TOWER, số liệu khảo sát địa chất hiện trường từ hố khoan và kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống kết cấu

1. Đặc tính vật liệu sử dụng

Loại vật liệu Cấp độ bền / Nhóm thép Cường độ chịu nén tính toán Cường độ chịu kéo tính toán Mô đun đàn hồi
Bê tông Cấp độ bền B30 $R_b = 17\text{ MPa}$ ($R_{b,ser} = 22\text{ MPa}$) $R_{bt} = 1,2\text{ MPa}$ ($R_{bt,ser} = 1,8\text{ MPa}$) $E_b = 32.500\text{ MPa}$
Cốt thép dọc ($\ge \phi 10$) Nhóm AIII (hoặc CIII) $R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$ $R_s = 365\text{ MPa}$ $E_s = 200.000\text{ MPa}$
Cốt đai / cấu tạo ($< \phi 10$) Nhóm AI $R_{sc} = 225\text{ MPa}$ $R_s = 225\text{ MPa}$ ($R_{sw} = 175\text{ MPa}$) $E_s = 210.000\text{ MPa}$

2. Giải pháp kết cấu tổng thể

  • Hệ kết cấu chịu lực chính: Hệ hỗn hợp khung – vách – lõi cứng bê tông cốt thép toàn khối. Lõi cứng bố trí tại khu vực thang máy ở trung tâm mặt bằng, kết hợp với các vách cứng biên và hệ thống cột vuông (kích thước sơ bộ cột tầng điển hình là $1000 \times 1000\text{ mm}$).
  • Hệ kết cấu sàn: Sàn sườn toàn khối gồm hệ dầm chính ($400 \times 600\text{ mm}$), dầm phụ ($300 \times 500\text{ mm}$) và bản sàn dày $h_s = 150\text{ mm}$.
  • Hệ kết cấu móng: Móng cọc khoan nhồi đường kính lớn liên kết đài móng BTCT đặt trên tầng đất tốt, đảm bảo chịu được tải trọng đứng lớn và mômen lật do tải trọng ngang.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu tổng quan công trình

Chương 1 trình bày chi tiết về quy mô, giải pháp kiến trúc và bố trí công năng của công trình ITASCO TOWER:

  • Quy mô và diện tích: Tòa nhà cao 17 tầng nổi, 2 tầng hầm; chiều cao tầng điển hình 3,3 m đến 3,7 m; tổng diện tích sàn xây dựng 1010 m² trên khu đất 2020 m²; mật độ xây dựng đạt 50%.
  • Phân khu chức năng:
    • Tầng hầm 1 và 2: Bãi đỗ xe, trạm bơm nước sinh hoạt, máy phát điện dự phòng 150 kVA, máy biến áp ngầm, bể phốt và hệ thống kỹ thuật PCCC.
    • Tầng 1: Sảnh lễ tân văn phòng, ban quản lý tòa nhà, khu thương mại, dịch vụ và phòng sinh hoạt cộng đồng.
    • Tầng 2 đến 7: Khu văn phòng cho thuê (phân loại văn phòng A, B, C).
    • Tầng 8 đến 17: Khu căn hộ cho thuê (mỗi căn hộ bố trí 2 phòng ngủ, 1 phòng khách, 1 bếp, 1 phòng ăn và 1 nhà vệ sinh).
  • Giải pháp kỹ thuật công trình: Cấp điện từ điện lưới kết hợp máy phát 150 kVA; cấp nước từ mạng lưới thành phố qua bể ngầm tầng hầm 2 bơm trung chuyển lên bể áp mái; thoát nước mưa và nước thải tách riêng; hệ thống PCCC trang bị họng nước chữa cháy vòi 20 m, bình xịt CO₂ và hệ thống cảm biến báo nhiệt tự động.

Chương 2. Cơ sở kết cấu công trình

Chương 2 thiết lập các nguyên tắc và cơ sở lý thuyết phục vụ tính toán:

  • Quy định các tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam bắt buộc áp dụng và tài liệu chuyên ngành tham khảo mở rộng đối với vách cứng, lõi cứng.
  • Phân tích chi tiết hai trạng thái giới hạn TTGH I và TTGH II làm kim chỉ nam kiểm toán cấu kiện.
  • Lựa chọn giải pháp vật liệu (Bê tông B30, Thép AI, AIII) và các hệ thống phần mềm tính toán (Robot Structural Analysis 2018, Revit 2018).
  • Lập luận lựa chọn phương án kết cấu: Khung – vách – lõi cứng cho phần thân, sàn sườn toàn khối cho hệ mặt sàn và móng cọc khoan nhồi cho phần ngầm.

Chương 3. Thiết kế sàn điển hình

Nội dung chương 3 thực hiện tính toán chi tiết cho bản sàn tầng điển hình:

  • Tải trọng tác dụng: Xác định tĩnh tải các lớp hoàn thiện (gạch ceramic, vữa lót, vữa trát trần, tải trọng thiết bị, tường xây 110 mm và 220 mm) và hoạt tải sử dụng theo TCVN 2737:1995.
Loại sàn / Cấu kiện Tĩnh tải tính toán ($g^{tt}$) Hoạt tải tiêu chuẩn ($p^{tc}$) Hoạt tải tính toán ($p^{tt}$)
Sàn phòng khách, phòng ngủ Tùy cấu tạo lớp vữa + gạch $1,50\text{ kN/m}^2$ $1,95\text{ kN/m}^2$
Sảnh, hành lang, cầu thang Cấu tạo hoàn thiện $3,00\text{ kN/m}^2$ $3,60\text{ kN/m}^2$
Sàn khu vệ sinh Đã bao gồm lớp tạo dốc + chống thấm $1,50\text{ kN/m}^2$ $1,95\text{ kN/m}^2$
Ban công, lô gia Cấu tạo hoàn thiện $2,00\text{ kN/m}^2$ $2,40\text{ kN/m}^2$
  • Phân tích nội lực và bố trí thép: Mô hình sàn vỏ mỏng trên Robot Structural Analysis trích xuất biểu đồ mômen $M_{xx}$ và $M_{yy}$. Tính toán diện tích cốt thép yêu cầu $A_s$ theo hai phương X, Y cho dải bản chịu uốn $b = 1000\text{ mm}$, chiều dày $h = 150\text{ mm}$.
  • Kiểm tra độ võng và vết nứt: Kiểm tra chuyển vị ngắn hạn ($f_{max} = 14\text{ mm} < [f_{gh}] = 25\text{ mm}$); tính toán độ võng dài hạn có kể đến từ biến và nứt bê tông đạt $f_1 = 34,38\text{ mm} < [f_{gh}] = 50\text{ mm}$ ($L/150$); kiểm tra bề rộng vết nứt dài hạn $a_{crc,ld} \le 0,3\text{ mm}$, kết luận sàn thỏa mãn điều kiện sử dụng bình thường.

Chương 4. Thiết kế cầu thang tầng điển hình

Chương 4 thực hiện tính toán cầu thang bộ 2 vế dạng bản chịu lực:

  • Thông số hình học: Chiều cao tầng 3,3 m gồm 22 bậc; chiều cao bậc $h_b = 150\text{ mm}$; bề rộng bậc $l_b = 270\text{ mm}$; bề rộng vế thang $b = 1,14\text{ m}$; góc dốc bản nghiêng có $\cos\alpha = 0,874$.
  • Tải trọng bản thang: Tĩnh tải bản chiếu nghỉ, tĩnh tải bản thang nghiêng quy đổi theo diện tích mặt bằng nghiêng, hoạt tải tiêu chuẩn $p^{tc} = 3,0\text{ kN/m}^2$ ($p^{tt} = 3,6\text{ kN/m}^2$).
  • Tính toán nội lực và cốt thép: Mô hình dải bản rộng 1 m gối tựa đơn giản trên dầm chiếu tới và dầm chiếu nghỉ; tính toán cốt thép dọc chịu mômen uốn cho bản thang; tính toán dầm chiếu nghỉ chịu uốn ($M_{max}$) và kiểm tra ứng suất cắt của bê tông ($Q_{bt} = 38,56\text{ kN} > Q_{max} = 20,12\text{ kN}$), chọn thép đai 2 nhánh $\phi 8a200$.

Chương 5. Thiết kế kết cấu khung

Nội dung chương 5 là trọng tâm tính toán kết cấu phần thân công trình:

  • Tải trọng gió (TCXD 229:1999): Công trình cao $66,65\text{ m} > 40\text{ m}$, thuộc vùng gió IA ($W_0 = 45\text{ daN/m}^2$), địa hình B. Tính toán thành phần tĩnh gán vào tâm hình học từng tầng; phân tích dao động trích xuất 40 mode, chọn 2 dạng dao động tịnh tiến không xoắn (Mode 1 phương Y tần số $f_1 = 0,31\text{ Hz}$ và Mode 3 phương X) để tính thành phần gió động.
  • Tải trọng động đất (TCVN 9386:2012): Nền đất loại C ($S = 1,6; T_B = 0,2\text{ s}; T_C = 0,6\text{ s}; T_D = 2,0\text{ s}$); đỉnh gia tốc nền tham chiếu tại Đức Huệ - Long An $a_{gR} = 0,05347g$; gia tốc thiết kế $a_g = 0,06416g$ (cần thiết kế kháng chấn); hệ số ứng xử kết cấu hỗn hợp $q = 3,9$. Thiết lập biểu đồ phổ thiết kế $S_d(T)$ gán vào mô hình phân tích phổ đàn hồi trên Robot Structural Analysis.
  • Tổ hợp tải trọng và kiểm tra chuyển vị: Thiết lập các tổ hợp tải trọng cơ bản (Tĩnh tải, Hoạt tải, Gió X, Gió Y, Động đất X, Động đất Y). Kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình và kiểm tra dao động tổng thể.
  • Tính toán cấu kiện:
    • Dầm sàn tầng điển hình (Tầng 10): Tính toán cốt thép dọc theo biểu đồ bao mômen, bố trí cốt treo gia cường tại vị trí dầm phụ gác lên dầm chính, tính cốt đai kháng chấn trong vùng tới hạn theo quy định TCVN 9386:2012.
    • Cột khung trục 2 và trục C: Tính toán cốt thép dọc chịu nén uốn lệch tâm xiên, thiết kế cốt đai dày chống nở hông.
    • Vách cứng V2: Tính toán khả năng chịu lực theo phương pháp vùng biên chịu mômen.

Chương 6. Thiết kế móng

Chương 6 tập trung giải quyết bài toán nền móng công trình:

  • Địa chất công trình: Tổng hợp các lớp đất từ hố khoan khảo sát và các chỉ tiêu cơ lý, giá trị chỉ số SPT ($N_{SPT}$).
  • Tính toán cọc khoan nhồi: Lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi ngàm vào tầng đất tốt; xác định sức chịu tải của cọc đơn theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo kết quả thí nghiệm SPT; xác định sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc.
  • Thiết kế chi tiết các đài móng:
    • Móng cột M1: Kiểm tra phản lực đầu cọc ($P_{max}, P_{min} \le P_{cp}$), kiểm tra áp lực đất dưới mũi cọc theo khối móng quy ước, tính toán cốt thép đài móng bằng Robot và kiểm tra điều kiện chống đâm thủng (xuyên thủng).
    • Móng vách thang bộ M2: Bố trí hệ cọc, kiểm tra tải trọng đầu cọc, tính lún khối móng quy ước, kiểm tra xuyên thủng và thiết kế cốt thép đài móng.
    • Móng lõi thang máy (MLTM): Tính toán hệ đài móng lớn dưới lõi thang máy, kiểm toán ứng suất đáy đài, lực tác dụng lên từng cọc, kiểm tra xuyên thủng và tính thép đài.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Xác định đầy đủ các giá trị nội lực nguy hiểm nhất tác dụng lên hệ khung – vách – lõi thông qua 40 mode dao động và tổ hợp tải trọng tĩnh, gió động và động đất.
  • Hoàn thành thiết kế kích thước tiết diện và bố trí cốt thép cho toàn bộ các cấu kiện điển hình: sàn dày $150\text{ mm}$ thỏa mãn độ võng dài hạn ($34,38\text{ mm} < 50\text{ mm}$) và bề rộng khe nứt ($a_{crc,ld} \le 0,3\text{ mm}$); dầm chính $400 \times 600\text{ mm}$; dầm phụ $300 \times 500\text{ mm}$; cột $1000 \times 1000\text{ mm}$; dầm chiếu nghỉ thang bộ dùng thép đai $\phi 8a200$.
  • Thiết kế hoàn chỉnh giải pháp móng cọc khoan nhồi cho các cụm kết cấu quan trọng (M1, M2, MLTM) đảm bảo điều kiện chịu lực đầu cọc, độ lún công trình và an toàn xuyên thủng đài móng.

2. Đóng góp và giải pháp tác giả đề xuất

  • Vận dụng phối hợp hiệu quả giữa phần mềm tính toán kết cấu hiện đại (Robot Structural Analysis 2018) và tiêu chuẩn kháng chấn Việt Nam (TCVN 9386:2012) để mô hình hóa tác động động đất dạng phổ phản ứng cho công trình cao tầng tại Long An.
  • Đề xuất chi tiết cấu tạo kháng chấn cho hệ dầm – cột (vùng tới hạn, đoạn nối neo cốt thép) và cốt treo gia cường tại nút giao dầm chính – dầm phụ.
  • Đưa ra giải pháp sử dụng tường vây tầng hầm vừa đóng vai trò kết cấu chắn giữ đất trong quá trình thi công vừa làm tường chịu lực vĩnh cửu giai đoạn khai thác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi tính toán của đồ án tập trung giải quyết chuyên sâu cho các cấu kiện điển hình (sàn điển hình tầng căn hộ, cầu thang điển hình, khung trục 2, cột trục C, vách V2 và 3 loại đài móng M1, M2, MLTM). Mô hình phân tích động đất dừng lại ở phương pháp phân tích phổ phản ứng tuyến tính đàn hồi, chưa xét đến phân tích phi tuyến phi đàn hồi theo lịch sử thời gian (Time-History Analysis) hay phân tích tĩnh phi tuyến (Pushover).
  • Hướng phát triển: Nghiên cứu mở rộng tính toán chi tiết cho toàn bộ các khung trục không điển hình, kiểm tra tương tác động lực học đất – kết cấu (Soil-Structure Interaction – SSI) cho móng cọc khoan nhồi dưới tác động động đất mạnh, và tối ưu hóa hàm lượng cốt thép toàn công trình.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị cao đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng: Cung cấp quy trình hoàn chỉnh từ bước sơ bộ tiết diện, tính toán tải trọng gió động (TCXD 229:1999), tải trọng động đất (TCVN 9386:2012) bằng phương pháp phổ phản ứng đến thiết kế sàn, cột, vách và móng cọc khoan nhồi.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Tham khảo phương pháp mô hình hóa công trình cao tầng trên phần mềm Robot Structural Analysis, các bảng tính kiểm tra võng, nứt sàn theo TCVN 5574:2012 và quy trình kiểm toán đài móng nhiều cọc.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình ITASCO TOWER được xây dựng tại khu vực nào và có các thông số tải trọng gió, động đất ra sao?
Công trình được thiết kế xây dựng tại huyện Đức Huệ, tỉnh Long An. Vị trí này thuộc phân vùng áp lực gió IA với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 45\text{ daN/m}^2$, dạng địa hình B. Về tải trọng động đất, địa điểm có gia tốc nền tham chiếu $a_{gR} = 0,05347g$, nền đất loại C ($S = 1,6$), gia tốc nền thiết kế tính toán là $a_g = 0,06416g$ (nằm trong dải $0,04g \le a_g \le 0,08g$), bắt buộc phải áp dụng thiết kế kháng chấn với hệ số ứng xử $q = 3,9$.

2. Bản sàn tầng điển hình có chiều dày bao nhiêu và kết quả kiểm tra độ võng, vết nứt như thế nào?
Bản sàn tầng điển hình được chọn sơ bộ và thiết kế với chiều dày $h_s = 150\text{ mm}$ bằng bê tông B30. Kết quả tính toán cho thấy chuyển vị ngắn hạn lớn nhất là $14\text{ mm} < [f_{gh}] = 25\text{ mm}$. Độ võng dài hạn có xét nứt và từ biến là $f_1 = 34,38\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng giới hạn $[f_{gh}] = L/150 = 50\text{ mm}$. Bề rộng khe nứt dài hạn lớn nhất $a_{crc,ld} \le 0,3\text{ mm}$, đáp ứng trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH II).

3. Tại sao trong tính toán thành phần động của gió chỉ chọn 2 dạng dao động?
Trong quá trình khảo sát 40 mode dao động của công trình bằng Robot Structural Analysis, tần số dao động thỏa mãn điều kiện $f_s < f_L$ tương ứng với 3 mode đầu tiên. Tuy nhiên, qua quan sát chuyển vị dao động, Mode 2 là dạng dao động xoắn nên bị loại bỏ theo tiêu chuẩn. Vì vậy, tác giả chọn Mode 1 (chuyển vị tịnh tiến theo phương Y, tần số $0,31\text{ Hz}$) và Mode 3 (chuyển vị tịnh tiến theo phương X) để tính toán thành phần gió động.

4. Đồ án sử dụng giải pháp móng gì và tính toán những loại đài móng cụ thể nào?
Công trình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng đất chịu lực tốt. Các đài móng được thiết kế chi tiết gồm có: móng M1 (móng cọc dưới chân cột khung), móng M2 (móng đài cọc dưới vách thang bộ) và móng lõi thang máy (MLTM - móng bè cọc dưới khu vực lõi thang máy trung tâm). Các móng đều được kiểm tra điều kiện chịu tải của cọc, lún khối móng quy ước và chống xuyên thủng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư ITASCO TOWER" của sinh viên Nguyễn Hữu Nghĩa do PGS.TS Nguyễn Trung Kiên hướng dẫn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế kiến trúc và kết cấu cho công trình cao 17 tầng có 2 tầng hầm. Bản thuyết minh trình bày chặt chẽ cơ sở lý thuyết, quy chuẩn thiết kế Việt Nam và ứng dụng thành công phần mềm Robot Structural Analysis trong việc mô hình hóa không gian chịu tải trọng tĩnh và tải trọng động (gió động, động đất). Các kết quả tính toán chi tiết từ sàn, cầu thang, khung dầm cột, vách cứng đến móng cọc khoan nhồi đều đảm bảo an toàn chịu lực và khả năng sử dụng bình thường theo các trạng thái giới hạn quy chuẩn.