Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình đô thị hóa tại Thành phố Hồ Chí Minh, sự gia tăng dân số cơ học nhanh chóng đã dẫn đến tình trạng khan hiếm quỹ đất xây dựng nhà ở khu vực trung tâm, kéo theo giá bất động sản tăng cao. Để giải quyết áp lực về nhu cầu nhà ở và không gian làm việc, việc đầu tư xây dựng các khu chung cư cao tầng kết hợp quy hoạch mở rộng không gian đô thị ra các khu vực vùng ven là giải pháp tất yếu. Song song đó, sự phát triển của công trình cao tầng tạo tiền đề cho việc ứng dụng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ tính toán kết cấu hiện đại nhằm nâng cao độ an toàn và chất lượng sử dụng của công trình.
Đồ án tốt nghiệp thực hiện thiết kế công trình Chung cư Morning Star với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được giao như sau:
- Kiến trúc: Thể hiện lại các bản vẽ kiến trúc công trình có sự điều chỉnh về kích thước nhịp và chiều cao tầng cho phù hợp với yêu cầu tính toán kết cấu.
- Kết cấu:
- Tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình theo phương án kết cấu sàn sườn toàn khối.
- Tính toán và thiết kế các cấu kiện phụ trợ gồm cầu thang bộ điển hình và bể nước mái.
- Xây dựng mô hình không gian 3D, phân tích nội lực và thiết kế hệ khung chịu lực (khung trục 2 và khung trục B / khung trục 3 và khung trục C).
- Nền móng:
- Tổng hợp và đánh giá các chỉ tiêu cơ lý từ hồ sơ khảo sát địa chất công trình.
- Đề xuất và thiết kế phương án móng cọc khoan nhồi khả thi, kiểm tra sức chịu tải, độ lún và khả năng chống chọc thủng.
- Hồ sơ thiết kế hoàn thiện:
- 01 tập Thuyết minh tính toán chi tiết và 01 tập Phụ lục dữ liệu.
- 21 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (gồm 02 bản vẽ Kiến trúc, 17 bản vẽ Kết cấu và 04 bản vẽ Nền móng).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Toàn bộ hệ thống kết cấu chịu lực của công trình Chung cư Morning Star bao gồm kết cấu sàn, cầu thang, bể nước mái, hệ thống khung - vách bê tông cốt thép và kết cấu móng cọc khoan nhồi.
- Quy mô công trình: Công trình gồm 15 tầng nổi, 2 tầng hầm và 1 tầng mái; tổng chiều cao công trình là 55,35 m (tính từ mặt đất tự nhiên); diện tích mặt bằng sàn tầng điển hình là $50 \times 48\text{ m}^2$.
- Phạm vi không gian: Địa điểm xây dựng tại Quận Bình Thạnh, Thành phố Hồ Chí Minh (thuộc vùng áp lực gió II-A, địa hình dạng B).
- Thời gian thực hiện: Đề tài được giao ngày 22/02/2016 và hoàn thành bảo vệ vào tháng 07/2018 (niên khóa 2014 – 2018).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành và các phương pháp cơ học kết cấu, cơ học đất để tính toán và kiểm tra toàn bộ các cấu kiện:
| Loại vật liệu |
Cấp độ bền / Nhóm thép |
Cường độ tính toán chịu nén ($R_b, R_{sc}$) |
Cường độ tính toán chịu kéo ($R_{bt}, R_s$) |
Cường độ cốt đai ($R_{sw}$) |
Mô đun đàn hồi ($E_b, E_s$) |
| Bê tông |
Cấp B25 |
$14,5\text{ MPa}$ |
$1,05\text{ MPa}$ |
— |
$30.000\text{ MPa}$ |
| Cốt thép $\varnothing \le 10\text{ mm}$ |
Nhóm AI |
$225\text{ MPa}$ |
$225\text{ MPa}$ |
$175\text{ MPa}$ |
$210.000\text{ MPa}$ |
| Cốt thép $\varnothing > 10\text{ mm}$ |
Nhóm AIII |
$365\text{ MPa}$ |
$365\text{ MPa}$ |
— |
$200.000\text{ MPa}$ |
- Phương pháp và công cụ nghiên cứu:
- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng các phần mềm máy tính chuyên dụng để giải bài toán cơ học kết cấu phức tạp.
- Phần mềm ETABS: Mô hình hóa kết cấu khung không gian 3D (cột, dầm mô hình bằng phần tử Line; vách, sàn mô hình bằng phần tử Area). Khảo sát 12 dạng dao động riêng, xuất nội lực và chuyển vị dưới các tổ hợp tĩnh tải, hoạt tải, gió tĩnh, gió động và động đất.
- Phần mềm SAFE: Mô hình dải Strip sàn tầng điển hình để phân tích nội lực, tính thép và kiểm tra độ võng thực tế; mô hình hóa đài móng trên hệ lò xo đàn hồi đại diện cho phản lực đầu cọc.
- Phần mềm SAP2000 / SAP: Phân tích các cấu kiện tổng quát và cấu kiện phụ trợ.
- Nguồn dữ liệu: Hồ sơ bản vẽ kiến trúc công trình Chung cư Morning Star và số liệu báo cáo khảo sát địa chất thực tế tại khu vực xây dựng quận Bình Thạnh, TP. Hồ Chí Minh.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 giới thiệu khái quát về công trình Chung cư Morning Star. Khu đất xây dựng có địa hình bằng phẳng, tiếp giáp trục giao thông chính tại quận Bình Thạnh, hạ tầng kỹ thuật điện nước hoàn chỉnh và không có chướng ngại vật ngầm. Công trình gồm 15 tầng nổi, 2 tầng hầm và 1 tầng mái với chiều cao tổng thể 55,35 m. Mặt bằng sàn tầng điển hình có kích thước $50 \times 48\text{ m}^2$.
Tác giả lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực chính là hệ khung - vách bê tông cốt thép đổ toàn khối nhằm đảm bảo độ cứng chống lại tải trọng ngang lớn (do chiều cao vượt quá 40 m). Giải pháp nền móng được xác định là móng sâu sử dụng cọc khoan nhồi hạ vào tầng đất tốt. Toàn bộ vật liệu kết cấu gồm bê tông B25, cốt thép AI cho đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10 mm và AIII cho đường kính lớn hơn 10 mm.
Chương 2: Phần tính toán – Thiết kế bản sàn
Chương này tập trung xác định tải trọng, chọn sơ bộ tiết diện, tính toán nội lực và bố trí cốt thép cho sàn tầng điển hình:
- Sơ bộ kích thước: Bản sàn dày sơ bộ $h_b = 130\text{ mm}$, hệ dầm kích thước $h_d = 700\text{ mm}$, $b_d = 350\text{ mm}$.
- Tải trọng tác dụng: Tổng tĩnh tải các lớp hoàn thiện sàn (gạch ceramic 20 mm, vữa lót 20 mm, trát trần 15 mm, hệ thống đường ống treo) là $1,46\text{ kN/m}^2$. Tải trọng tường xây gạch ống được quy đổi thành tải phân bố trên dầm ảo hoặc gán trực tiếp lên dầm. Hoạt tải tiêu chuẩn xác định theo TCVN 2737:1995: khu vực phòng ngủ, phòng khách, bếp, vệ sinh là $1,95\text{ kN/m}^2$; khu vực sảnh, hành lang, cầu thang là $3,60\text{ kN/m}^2$; mái bằng không sử dụng là $0,975\text{ kN/m}^2$.
| STT |
Các lớp cấu tạo sàn |
Chiều dày (mm) |
Trọng lượng riêng ($\text{kN/m}^3$) |
Hệ số vượt tải $n$ |
Tĩnh tải tính toán ($\text{kN/m}^2$) |
| 1 |
Lớp gạch Ceramic |
20 |
22 |
1,1 |
0,48 |
| 2 |
Lớp vữa lót |
20 |
18 |
1,2 |
0,44 |
| 3 |
Hệ thống đường ống treo |
— |
— |
1,2 |
0,22 |
| 4 |
Lớp vữa trát trần |
15 |
18 |
1,2 |
0,32 |
| Tổng |
Tổng tĩnh tải cấu tạo |
— |
— |
— |
$1,46\text{ kN/m}^2$ |
- Phân tích nội lực và kiểm tra: Mô hình hóa bản sàn trong phần mềm SAFE theo phương pháp dải (Design Strip) cho hai phương X và Y. Độ võng lớn nhất của bản sàn tính được là $24,66\text{ mm}$, nhỏ hơn độ võng giới hạn cho phép theo TCVN 5574:2012 ($f_{\text{gh}} = 25\text{ mm}$).
- Bố trí cốt thép: Kết quả tính toán cốt thép ô sàn $S_1$ cho thấy mô men $M_1 = 23,05\text{ kNm}$ chọn thép $\varnothing10a80$; mô men $M_2 = 15,05\text{ kNm}$ chọn thép $\varnothing10a150$.
Chương 3: Tính toán – Thiết kế cầu thang bộ điển hình
Cầu thang bộ được thiết kế theo dạng bản chịu lực một phương, sơ đồ tính là dầm gãy khúc liên kết tựa vào bản sàn và vách lõi thang:
- Thông số hình học: Chiều cao tầng điển hình, kích thước bậc thang gồm chiều cao $150\text{ mm}$, chiều rộng $300\text{ mm}$, góc nghiêng bản thang là $26^\circ56'$.
- Tải trọng tính toán: Tĩnh tải bản thang $g^{\text{tt}}{\text{bt}} = 570\text{ daN/m}^2$; tĩnh tải bản chiếu nghỉ $g^{\text{tt}}{\text{bcn}} = 415\text{ daN/m}^2$; tải trọng lan can $g_{\text{tc}} = 25\text{ daN/m}^2$. Hoạt tải tiêu chuẩn $p_c = 300\text{ daN/m}^2$ với hệ số vượt tải $n = 1,2$ cho hoạt tải tính toán $p = 360\text{ daN/m}^2$. Tổng tải trọng tính toán tác dụng lên chiếu nghỉ là $q_1 = 775\text{ daN/m}^2$.
- Bố trí cốt thép:
- Cốt thép chịu lực nhịp bản thang ($M = 21,75\text{ kNm}$): bố trí thép $\varnothing10a200$.
- Cốt thép dầm chiếu nghỉ ($M = 21,25\text{ kNm}$): bố trí thép $\varnothing10a140$.
- Thép cấu tạo phân bố: sử dụng $\varnothing6a250$.
Chương 4: Tính toán – Thiết kế hệ khung
Chương 4 là phần nội dung trọng tâm của đồ án, thực hiện tính toán kết cấu khung - vách không gian 3D chịu tác động của tải trọng đứng và tải trọng ngang:
- Kích thước sơ bộ: Dầm chính tiết diện $h \times b = 600 \times 600\text{ mm}$; dầm phụ $500 \times 300\text{ mm}$; chiều dày vách cứng $350\text{ mm}$; chiều dày bản sàn trong mô hình tổng thể $h_s = 180\text{ mm}$.
- Tính toán tải trọng gió: Công trình có chiều cao $55,35\text{ m} > 40\text{ m}$ nên phải tính toán cả thành phần tĩnh và thành phần động của gió theo TCXD 229:1999:
- Áp lực gió tiêu chuẩn tại TP.HCM: $W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$.
- Phân tích động lực học bằng ETABS với 12 Mode dao động. Tần số dao động riêng cơ bản của công trình: Mode 1 theo phương X có tần số $f_1 = 1,2801\text{ s}^{-1} < f_L = 1,3\text{ s}^{-1}$ (với $\delta = 0,3$). Do đó cần tính thành phần động có xét đến xung vận tốc gió và lực quán tính của công trình cho 3 dạng dao động đầu tiên (loại bỏ Mode 2 do là dạng dao động xoắn). Mode 3 dao động theo phương Y.
- Xác định các hệ số tương quan không gian $\nu_1$ (dựa trên bảng tra tham số $\rho, \chi$), hệ số động lực $\xi$ để tính lực gió động $W_{P(ji)} = M_j \xi_i \psi_i y_{ji}$ tại từng tầng.
- Tổ hợp tải trọng: Tổ hợp nội lực gió được thiết lập trong ETABS theo dạng cộng (ADD): $W_X = W_{TX} + W_{DX}$ và $W_Y = W_{TY} + W_{DY}$, trong đó gió tĩnh gán tại tâm hình học và gió động gán tại tâm khối lượng tầng.
- Tải trọng động đất: Tính toán theo TCVN 9386:2012 bằng phương pháp phổ phản ứng dao động với giá trị phổ thiết kế $S_d$.
- Thiết kế cấu kiện: Kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình, tính toán cốt thép cho hệ dầm, cột và vách cứng khung trục 3 và khung trục C (và khung trục D, khung trục 5).
Chương 5: Tính toán thiết kế móng
Chương 5 phân tích điều kiện địa chất và tính toán phương án móng cọc khoan nhồi:
- Phương án móng: Lựa chọn móng cọc khoan nhồi tiết diện tròn liên kết với đài móng BTCT đặt dưới chân cột và vách cứng.
- Tính toán sức chịu tải: Xác định cường độ sức kháng thân cọc và sức kháng mũi cọc đối với các lớp đất dính và đất rời theo các chỉ tiêu cơ lý từ báo cáo địa chất, từ đó tính ra sức chịu tải thiết kế của cọc đơn.
- Kiểm tra móng và đài cọc:
- Mô hình đài cọc bằng phần mềm SAFE với liên kết lò xo đàn hồi đại diện cho cọc.
- Kiểm tra lực truyền lớn nhất và nhỏ nhất lên đầu cọc, đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép ($P_{\text{max}} \le 1,2 R_{\text{đk}}$).
- Kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền dưới đáy khối móng quy ước, kiểm tra độ lún tuyệt đối và chênh lệch lún.
- Kiểm tra điều kiện chịu chọc thủng đài cọc và tính toán diện tích cốt thép chịu uốn cho đài cọc theo hai phương X, Y.
Chương 6: Tính toán – Thiết kế bể nước
Chương 6 trình bày việc thiết kế bể nước mái phục vụ sinh hoạt và phòng cháy chữa cháy:
- Kích thước và vật liệu: Sơ bộ kích thước hình học thành bể, đáy bể, nắp bể; sử dụng bê tông cấp bền B25 và cốt thép AI, AIII.
- Tải trọng và mô hình: Tải trọng gồm trọng lượng bản thân các bản BTCT, lớp chống thấm, áp lực nước tác dụng lên thành và đáy bể. Mô hình hóa kết cấu bể nước mái bằng phần tử tấm vỏ trong phần mềm ETABS.
- Tính toán cốt thép và nứt: Xác định biểu đồ mô men cho bản nắp, bản thành, bản đáy, dầm nắp và dầm đáy; tính diện tích cốt thép yêu cầu; tiến hành kiểm tra điều kiện bề rộng khe nứt cho bản đáy và thành bể để đảm bảo yêu cầu chống thấm.
Kết quả và đóng góp
- Hệ thống số liệu kỹ thuật chính:
| Cấu kiện / Hạng mục |
Thông số hình học & Tải trọng |
Kết quả kiểm tra nội lực / Chuyển vị |
Cốt thép bố trí |
| Bản sàn tầng điển hình |
Chiều dày $h_b = 130\text{ mm}$ |
Chuyển vị võng $f = 24,66\text{ mm} < f_{\text{gh}} = 25\text{ mm}$ |
$M_1 = 23,05\text{ kNm} \rightarrow \varnothing10a80$ $M_2 = 15,05\text{ kNm} \rightarrow \varnothing10a150$ |
| Cầu thang bộ |
Bậc $150 \times 300\text{ mm}$, nghiêng $26^\circ56'$ |
$M_{\text{nhịp}} = 21,75\text{ kNm}$ $M_{\text{dầm CN}} = 21,25\text{ kNm}$ |
Bản thang: $\varnothing10a200$ Dầm chiếu nghỉ: $\varnothing10a140$ Cấu tạo: $\varnothing6a250$ |
| Hệ khung không gian |
Dầm $600\times600$, $500\times300\text{ mm}$ Vách $350\text{ mm}$, cao $55,35\text{ m}$ |
Tần số Mode 1: $f_1 = 1,2801\text{ s}^{-1} < 1,3\text{ s}^{-1}$ Chuyển vị đỉnh thỏa mãn điều kiện ổn định |
Tính toán bố trí thép dầm, cột, vách cứng khung trục 3 và C |
| Móng cọc khoan nhồi |
Cọc chịu lực sâu, đài BTCT |
Phản lực đầu cọc, ứng suất nền, độ lún và chọc thủng thỏa mãn |
Bố trí thép đài theo mô hình SAFE |
| Bể nước mái |
Mô hình vỏ ETABS, áp lực nước |
Kiểm tra bền và bề rộng khe nứt bản đáy, bản thành thỏa mãn |
Thép bản nắp, thành, đáy và hệ dầm nắp/đáy |
- Đóng góp kỹ thuật của đồ án:
- Thiết lập quy trình tính toán kết cấu nhà cao tầng toàn diện, kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích lý thuyết và mô phỏng số học bằng phần mềm phần tử hữu hạn (ETABS, SAFE).
- Ứng dụng đầy đủ phương pháp tính thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999 (phân tích dạng dao động riêng, hệ số xung, hệ số tương quan không gian) và tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 cho công trình cao trên 50 m.
- Cung cấp bộ hồ sơ kỹ thuật hoàn chỉnh gồm 01 thuyết minh tính toán và 21 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 phục vụ thi công.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Đồ án tập trung tính toán chi tiết cho một số khung trục đại diện (khung trục 2 và khung trục B / khung trục 3 và khung trục C) và các cấu kiện điển hình (sàn, thang, đài cọc), chưa xuất bản vẽ chi tiết cho toàn bộ 100% cấu kiện của toàn bộ 15 tầng.
- Mô hình ETABS tổng thể giả thiết liên kết ngàm tuyệt đối tại chân cột và vách với đài móng, chưa mô phỏng bài toán tương tác đồng thời giữa đất nền, móng và kết cấu thượng tầng (Soil - Structure Interaction).
- Dạng dao động thứ 2 (dao động xoắn) được loại bỏ trong bước tính gió động để đơn giản hóa quá trình tính toán theo tiêu chuẩn.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng mô hình phân tích phi tuyến tĩnh (Pushover) hoặc phi tuyến động theo thời gian (Time-history analysis) để đánh giá chi tiết hơn mức độ an toàn của công trình dưới tác động của động đất mạnh.
- Nghiên cứu ứng dụng các phương án kết cấu sàn dự ứng lực (bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau) hoặc giải pháp vách composite liên hợp thép - bê tông nhằm tối ưu hóa không gian kiến trúc và giảm trọng lượng công trình.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng: Nắm vững trình tự thực hiện đồ án tốt nghiệp công trình nhà cao tầng từ giai đoạn sơ bộ kích thước, gán tải trọng, lập mô hình 3D, tổ hợp nội lực đến thiết kế cốt thép và nền móng.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Tham khảo quy trình phân tích thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999 kết hợp ETABS và phương pháp thiết kế sàn, đài móng cọc khoan nhồi trên SAFE.
- Các phần nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình tính toán gió động (xác định 12 mode dao động, thông số $\rho, \chi, \nu, \xi$ và tổ hợp gió tĩnh - gió động) tại Chương 4; phương pháp mô hình hóa và kiểm tra độ võng dải Strip sàn tầng điển hình trên SAFE tại Chương 2.
Câu hỏi thường gặp
1. Công trình Chung cư Morning Star có quy mô và chiều cao thiết kế là bao nhiêu?
Công trình gồm 15 tầng nổi, 2 tầng hầm và 1 tầng mái. Chiều cao tổng thể công trình là 55,35 m tính từ mặt đất tự nhiên. Diện tích mặt bằng sàn tầng điển hình là $50 \times 48\text{ m}^2$.
2. Tại sao công trình phải tính toán thành phần động của tải trọng gió và căn cứ vào tiêu chuẩn nào?
Theo TCVN 2737:1995 và TCXD 229:1999, các công trình có chiều cao lớn hơn 40 m bắt buộc phải tính toán thành phần động của tải trọng gió. Với chiều cao 55,35 m và tần số dao động riêng cơ bản Mode 1 ($f_1 = 1,2801\text{ s}^{-1}$) nhỏ hơn giới hạn $f_L = 1,3\text{ s}^{-1}$ (ứng với $\delta = 0,3$), công trình phải tính thành phần động có xét xung vận tốc gió và lực quán tính.
3. Vật liệu bê tông và cốt thép được lựa chọn sử dụng trong đồ án có các thông số kỹ thuật nào?
Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$, $E_b = 30.000\text{ MPa}$). Cốt thép gồm 2 nhóm: nhóm AI cho $\varnothing \le 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$) và nhóm AIII cho $\varnothing > 10\text{ mm}$ ($R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$).
4. Kết quả kiểm tra độ võng của bản sàn tầng điển hình trong SAFE có thỏa mãn tiêu chuẩn không?
Có. Kết quả chuyển vị võng lớn nhất của bản sàn tính toán bằng phần mềm SAFE là $24,66\text{ mm}$, nhỏ hơn giá trị độ võng giới hạn cho phép theo TCVN 5574:2012 ($f_{\text{gh}} = 25\text{ mm}$).
5. Phương án kết cấu móng và phần mềm được sử dụng để thiết kế móng trong đồ án là gì?
Đồ án lựa chọn phương án móng cọc khoan nhồi liên kết đài móng bê tông cốt thép. Việc phân tích nội lực đài móng và kiểm tra phản lực đầu cọc được thực hiện trên phần mềm SAFE thông qua mô hình lò xo phản lực đàn hồi tại các vị trí đầu cọc.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Chung cư Morning Star" của sinh viên Nguyễn Xuân Nguyễn đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ thiết kế kiến trúc, kết cấu và nền móng cho công trình nhà cao tầng 15 tầng tại TP. Hồ Chí Minh. Tác giả đã vận dụng chính xác các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCVN 2737:1995, TCXD 229:1999, TCVN 5574:2012, TCVN 9386:2012) kết hợp với các công cụ mô phỏng kết cấu tiên tiến (ETABS, SAFE) để xử lý bài toán tải trọng tĩnh và động phức tạp. Kết quả nghiên cứu cung cấp một bộ hồ sơ thuyết minh và 21 bản vẽ kỹ thuật A1 đạt chuẩn, thể hiện rõ tính khả thi và an toàn chịu lực của hệ thống kết cấu khung - vách và móng cọc khoan nhồi.