Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Chung cư Xuân La" được thực hiện bởi sinh viên Võ Thiện Nhân (MSSV: 11149093), dưới sự hướng dẫn của TS. Phan Đức Hùng tại Khoa Xây dựng & Cơ học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (giao nhiệm vụ ngày 01/03/2015, hoàn thành ngày 02/07/2015).

Công trình thuộc loại công trình dân dụng cao tầng, được xây dựng tại phường Xuân La, quận Tây Hồ, Thủ đô Hà Nội. Quy mô công trình gồm 18 tầng với cơ cấu chức năng:

  • 01 tầng hầm phục vụ để xe và hệ thống kỹ thuật;
  • 02 tầng dịch vụ công cộng và văn phòng làm việc;
  • 13 tầng căn hộ ở;
  • 01 tầng thượng và 01 tầng kỹ thuật.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án bao gồm ba phần chính:

  1. Kiến trúc: Nghiên cứu hồ sơ kiến trúc và thể hiện lại hệ thống bản vẽ kiến trúc công trình (gồm 04 bản vẽ A1).
  2. Kết cấu: Lựa chọn giải pháp kết cấu hợp lý; tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình; tính toán thiết kế cầu thang bộ và bể nước mái; lập mô hình không gian, phân tích nội lực và thiết kế hệ khung trục 2 và khung trục B chịu tải trọng đứng và ngang (gồm 18 bản vẽ A1).
  3. Nền móng: Phân tích tài liệu khảo sát địa chất; tính toán, thiết kế chi tiết và so sánh 02 phương án móng khả thi (móng cọc ép bê tông cốt thép và móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép) để lựa chọn phương án tối ưu.

Phạm vi tài liệu gồm 01 tập Thuyết minh tính toán (264 trang), 01 tập Phụ lục và 22 bản vẽ kỹ thuật khổ A1.

Tiêu chuẩn kỹ thuật và phương pháp tính toán

Đồ án áp dụng hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam và các phương pháp cơ học công trình:

  • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737:1995 dùng để xác định tĩnh tải lớp hoàn thiện, tường xây, hoạt tải sử dụng theo công năng từng phòng, và tải trọng gió. Do công trình có chiều cao trên 40m và nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất, tải trọng ngang bao gồm thành phần tĩnh của gió, thành phần động của gió (xác định qua tần số dao động riêng, hệ số động lực) với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, cùng tải trọng động đất phân tích theo phổ phản ứng đàn hồi.
  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép: Tính toán cấu kiện chịu uốn, chịu nén lệch tâm phẳng và lệch tâm xiên theo trạng thái giới hạn 1 (cường độ) và trạng thái giới hạn 2 (độ võng, bề rộng khe nứt).
    • Bê tông cấp độ bền B25: Cường độ tính toán chịu nén $R_b = 14.5\text{ MPa}$, cường độ tính toán chịu kéo $R_{bt} = 1.05\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 30,000\text{ MPa}$.
    • Cốt thép nhóm AI ($\phi < 10\text{ mm}$): Cường độ tính toán chịu kéo và nén $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$, cốt đai $R_{sw} = 175\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 210,000\text{ MPa}$.
    • Cốt thép nhóm AIII ($\phi \ge 10\text{ mm}$): Cường độ tính toán chịu kéo và nén $R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 200,000\text{ MPa}$.
  • Tiêu chuẩn thiết kế nền móng: TCVN 10304:2014 dùng để xác định sức chịu tải của cọc đơn theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT - Phụ lục G3), kiểm tra độ lún móng khối quy ước và kiểm tra xuyên thủng đài cọc.
  • Công cụ và phương pháp phân tích:
    • Phần mềm ETABS: Mô hình hóa không gian 3D toàn bộ hệ kết cấu chịu lực (cột, dầm, vách, lõi), phân tích dao động riêng (modal analysis), xác định nội lực khung dưới các tổ hợp tĩnh tải, hoạt tải, gió tĩnh, gió động (phương X, Y) và động đất.
    • Phần mềm SAFE: Mô hình hóa bản sàn tầng điển hình và đài móng cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn, phân tích dải Strip theo hai phương X và Y để xuất mômen uốn và diện tích cốt thép.
    • Phương pháp giải tích kết hợp tra bảng đàn hồi: Áp dụng cho các ô bản sàn đơn lẻ (dạng bản kê 4 cạnh - ô bản số 9), bản thang bộ, bản nắp, bản thành và bản đáy bể nước mái.
    • Phương pháp vùng biên chịu mômen: Áp dụng trong tính toán cốt thép chịu lực cho vách cứng và lõi thang máy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu vị trí địa lý, quy mô 18 tầng của Chung cư Xuân La và đề xuất các giải pháp kết cấu chính:

  • Hệ kết cấu sàn: Lựa chọn sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối (hệ dầm kết hợp bản sàn) nhờ ưu điểm tính toán rõ ràng, biện pháp thi công phổ biến và phù hợp điều kiện kỹ thuật trong nước.
  • Hệ kết cấu chịu lực chính: Sử dụng hệ khung bê tông cốt thép kết hợp lõi thang máy ở trung tâm và hệ vách cứng ở biên, giúp tối ưu hóa khả năng kháng uốn và kháng xoắn của công trình dưới tác động của tải trọng ngang.
  • Sơ bộ tiết diện cấu kiện:
    • Chiều dày sàn tầng điển hình chọn sơ bộ $h_s = 140\text{ mm}$ (dựa trên ô sàn S23 kích thước $7.7\text{ m} \times 8.0\text{ m}$), sàn tầng hầm chọn $h_s = 300\text{ mm}$.
    • Tiết diện dầm chính sơ bộ $300 \times 800\text{ mm}$, dầm phụ $200 \times 500\text{ mm}$.
    • Tiết diện cột tầng dưới $550 \times 550\text{ mm}$, giảm dần tiết diện theo chiều cao công trình (6 tầng giảm một lần).
    • Vách thang máy dày $300\text{ mm}$, vách phẳng biên dày $350\text{ mm}$.
  • Tải trọng tác động: Phân loại chi tiết tĩnh tải hoàn thiện, hoạt tải các phòng (phòng khách/ngủ: $1.5\text{ kN/m}^2$, vệ sinh: $2.0\text{ kN/m}^2$, hành lang/sảnh/cầu thang: $3.0\text{ kN/m}^2$) và áp lực gió tiêu chuẩn vùng Hà Nội ($W_0 = 95\text{ daN/m}^2$).

Chương 2: Tính toán sàn tầng điển hình

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết bản sàn tầng điển hình:

  • Xác định kích thước các ô sàn từ S1 đến S23. Tỷ số cạnh $L_2/L_1$ và tỷ số chiều cao dầm trên chiều dày sàn $h_d/h_b = 600/140 = 4.29 > 3$, xác định các ô bản làm việc theo dạng bản kê 4 cạnh liên kết ngàm (ô bản số 9).
  • Tính toán chi tiết tĩnh tải hoàn thiện (gạch ceramic, vữa lót, trần, thiết bị kỹ thuật), tĩnh tải tường xây phân bố đều quy đổi lên từng ô sàn ($g_t^{tt}$), và hoạt tải tính toán ($p^{tt}$).
  • Ứng dụng phần mềm SAFE để mô hình hóa toàn bộ mặt bằng sàn với vật liệu bê tông B25, khai báo tải trọng và các tổ hợp (COMB1: $1.0\text{TT} + 1.0\text{HT}$; COMB2: $0.91\text{TT} + 0.83\text{HT}$).
  • Chia các dải Strip bề rộng 1m theo phương X và phương Y, trích xuất biểu đồ mômen uốn dải trên gối và nhịp, tính toán diện tích cốt thép yêu cầu ($A_s$), lựa chọn cốt thép bố trí ($A_{s,bt}$), kiểm tra hàm lượng cốt thép $\mu%$ ($\mu_{min} = 0.05% \le \mu \le \mu_{max}$) và xuất độ võng sàn từ SAFE để kiểm tra điều kiện chuyển vị cho phép.

Chương 3: Tính toán – thiết kế cầu thang

Chương 3 trình bày tính toán cầu thang bộ dạng bản nghiêng 3 vế:

  • Xác định thông số hình học và tải trọng phân bố trên 1 mét dài: Tĩnh tải các lớp cấu tạo bản nghiêng (bậc xây gạch, vữa lót, bản bê tông, trát trần) quy đổi theo chiều dày tương đương $\delta_{tdi}$, tĩnh tải bản chiếu nghỉ và hoạt tải sử dụng ($3.0\text{ kN/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1.2$).
  • Thiết lập sơ đồ tính cho từng vế thang (Vế 1, Vế 2, Vế 3) với sơ đồ thanh dầm chịu uốn hai đầu liên kết gối/ngàm.
  • Xác định biểu đồ nội lực mômen ($M$) và lực cắt ($Q$), tính toán cốt thép chịu lực cho bản thang và dầm chiếu nghỉ (dầm phụ nhịp $4\text{ m}$).

Chương 4: Tính toán – thiết kế bể nước mái

Chương 4 thiết kế kết cấu bể nước đặt trên mái phục vụ cấp nước sinh hoạt và cứu hỏa:

  • Bản nắp bể: Tính toán chịu tĩnh tải trọng lượng bản thân, lớp chống thấm và hoạt tải sửa chữa mái. Áp dụng sơ đồ ô bản kê 4 cạnh liên kết ngàm, tra bảng nội lực và tính cốt thép chịu uốn.
  • Bản thành bể: Chịu đồng thời hai trường hợp tải trọng bất lợi: Áp lực thủy tĩnh của nước từ mặt trong thành bể và áp lực gió hút từ mặt ngoài. Xác định nội lực mômen theo phương ngang và phương đứng, tính toán bố trí cốt thép 2 lớp.
  • Bản đáy bể: Chịu tĩnh tải bản thân và toàn bộ áp lực cột nước trong bể. Tra bảng nội lực ô bản và tính thép đáy.
  • Hệ dầm nắp và dầm đáy: Tính toán nội lực mômen, lực cắt do tải trọng từ bản truyền vào để bố trí cốt thép dọc và cốt thép đai.
  • Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ 2: Kiểm tra độ võng và kiểm tra giới hạn bề rộng khe nứt cho bản đáy bể nhằm đảm bảo yêu cầu chống thấm tuyệt đối.

Chương 5: Tính toán - thiết kế hệ khung

Chương 5 là nội dung trọng tâm về phân tích động lực học và thiết kế kết cấu chịu lực phần thân:

  • Lập mô hình không gian 3D trên ETABS, khai báo đặc trưng hình học, trọng lượng bản thân và vật liệu B25, thép AIII/AI.
  • Xác định các thành phần tải trọng ngang:
    • Tải gió tĩnh theo phương X và phương Y.
    • Thành phần động của tải gió: Phân tích tần số dao động riêng, chu kỳ $T$, tâm khối lượng (Center Mass), tâm cứng (Center Rigidity), hệ số động lực $\xi_j$, xác định giá trị gió động $W_{Fj}$ ứng với mode dao động 1 (phương X) và mode dao động 2 (phương Y).
    • Tải trọng động đất: Xác định các tham số mô tả phổ phản ứng đàn hồi, tổng trọng lượng hữu hiệu của các mode dao động và tải trọng động đất tác dụng lên các tầng ứng với các mode dao động 1, 4, 7, 10 (phương X) và mode 2, 5, 8, 11 (phương Y).
  • Thiết lập tổ hợp tải trọng và tổ hợp bao (COMBBAO), kiểm tra chuyển vị đỉnh công trình và chuyển vị ngang tỉ đối giữa các tầng.
  • Trích xuất nội lực và thiết kế chi tiết hệ khung trục 2 và khung trục B:
    • Dầm khung: Tính toán cốt thép dọc chịu mômen uốn tại gối và nhịp; tính cốt thép đai chịu lực cắt; cấu tạo bố trí cốt thép đai kháng chấn trong vùng tới hạn; quy định chiều dài neo và nối cốt thép.
    • Cột khung: Tính toán cốt thép dọc chịu nén uốn lệch tâm xiên theo các cặp nội lực nguy hiểm nhất $(N, M_x, M_y)$; tính cốt đai và cấu tạo kháng chấn đảm bảo hiệu ứng bó lõi bê tông.
    • Vách cứng (trục 2, B và C): Áp dụng phương pháp vùng biên chịu mômen để tính cốt thép tập trung ở hai đầu vách chịu kéo/nén lớn nhất, bố trí cốt thép phân bố thân vách và cốt thép đai vách.

Chương 6: Tính toán thiết kế móng

Chương 6 thực hiện thiết kế địa kỹ thuật và kết cấu móng:

  • Đánh giá chỉ tiêu cơ lý địa chất công trình và bảng chỉ số SPT.
  • Phương án 1 - Móng cọc ép BTCT:
    • Xác định sức chịu tải cọc đơn theo cường độ vật liệu và theo đất nền (TCVN 10304:2014 theo chỉ tiêu cơ lý và SPT). Kiểm tra cọc trong giai đoạn cẩu lắp và dựng cọc.
    • Sơ bộ số lượng cọc và bố trí cọc cho các đài móng: Móng cột M1 (point 43), móng vách M2, móng vách M3, móng lõi thang máy (MLT).
    • Kiểm tra phản lực đầu cọc ($P_{max} \le 1.2R_{ct}$, $P_{min} \ge 0$), kiểm tra ứng suất gây lún và độ lún móng khối quy ước, kiểm tra xuyên thủng đài cọc.
    • Sử dụng phần mềm SAFE chia dải Strip để tính toán nội lực và bố trí cốt thép đài móng.
  • Phương án 2 - Móng cọc khoan nhồi BTCT:
    • Xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi theo vật liệu và theo đất nền.
    • Thiết kế móng đơn M1, móng vách M2, M3 và móng lõi thang (MLT) trên nền cọc khoan nhồi; kiểm tra tải trọng đầu cọc, độ lún, chống chọc thủng và tính thép đài bằng SAFE.
  • So sánh và lựa chọn phương án móng: Tổng hợp khối lượng vật liệu, phân tích điều kiện kỹ thuật, điều kiện thi công tại đô thị (tiếng ồn, độ rung, ảnh hưởng công trình lân cận), và hiệu quả kinh tế để chọn phương án tối ưu cho công trình.

Kết quả tính toán và giải pháp kỹ thuật

Đồ án đã hoàn thiện đầy đủ hồ sơ thiết kế kỹ thuật từ kiến trúc, kết cấu phần thân đến kết cấu nền móng công trình Chung cư Xuân La. Các kết quả tính toán chủ yếu gồm:

Hạng mục cấu kiện Tiết diện & Quy cách lựa chọn Giải pháp vật liệu Phương pháp / Công cụ tính
Bản sàn điển hình Chiều dày $h_s = 140\text{ mm}$ Bê tông B25, thép AI/AIII Phần mềm SAFE (phân tích Strip X/Y)
Dầm khung chính Tiết diện $300 \times 600\text{ mm}$ Bê tông B25, cốt thép AIII Mô hình 3D ETABS, tổ hợp COMBBAO
Dầm khung phụ Tiết diện $220 \times 400\text{ mm}$ Bê tông B25, cốt thép AIII Mô hình 3D ETABS, tổ hợp COMBBAO
Cột khung điển hình Tiết diện $550 \times 550\text{ mm}$ Bê tông B25, cốt thép AIII Nén uốn lệch tâm xiên, cấu tạo kháng chấn
Vách & Lõi thang Vách thang: 300 mm; Vách biên: 350 mm Bê tông B25, cốt thép AIII Phương pháp vùng biên chịu mômen
Bể nước mái Thành, nắp, đáy BTCT toàn khối Bê tông B25, thép AI/AIII Tra bảng ô bản số 9, kiểm tra nứt đáy
Móng phương án 1 Móng cọc ép BTCT (M1, M2, M3, MLT) Bê tông B25, cốt thép AIII TCVN 10304:2014, mô hình đài trên SAFE
Móng phương án 2 Móng cọc khoan nhồi BTCT Bê tông B25, cốt thép AIII TCVN 10304:2014, mô hình đài trên SAFE

Đánh giá so sánh hai phương án móng:

  • Phương án cọc ép BTCT: Thuận lợi về kiểm soát chất lượng đúc sẵn, giá thành rẻ hơn; tuy nhiên bị hạn chế về độ sâu ngấu vào tầng chịu lực tốt và tạo áp lực hông lớn khi ép cọc gần công trình lân cận.
  • Phương án cọc khoan nhồi BTCT: Sức chịu tải cọc đơn rất lớn, giảm thiểu số lượng cọc trong mỗi đài móng, hạ mũi cọc sâu vào tầng địa chất tốt mà không gây rung động chấn động xung quanh; tuy nhiên chi phí thi công cao hơn và quy trình kiểm soát chất lượng bê tông thân cọc phức tạp hơn.

Hạn chế và hướng mở rộng

Dựa trên phạm vi và nội dung thuyết minh đã thực hiện, đồ án có một số hạn chế kỹ thuật:

  • Đồ án tập trung đi sâu tính toán và triển khai chi tiết cốt thép cho 02 khung đại diện (khung trục 2 và khung trục B) từ mô hình không gian tổng thể; các khung còn lại chưa được xuất bản vẽ chi tiết riêng lẻ trong phần thuyết minh.
  • Phân tích tương tác giữa kết cấu phần thân và nền móng (Soil-Structure Interaction - SSI) chưa được mô hình hóa đồng thời; chân cột và vách tại mặt ngàm đáy tầng hầm/đỉnh đài được giả thiết là liên kết ngàm tuyệt đối.
  • Thuyết minh chưa đi sâu vào biện pháp kỹ thuật thi công hố đào sâu cho tầng hầm (như tường vây barette, hệ giằng shoring hay phương pháp semi-topdown).

Các hướng mở rộng phù hợp bao gồm việc khảo sát dao động phi tuyến của hệ khung - vách dưới tác động động đất mạnh theo thời gian (Time-history analysis) và tính toán biện pháp thi công tầng hầm kết hợp quan trắc dịch chuyển đất nền.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này cung cấp nguồn tư liệu học thuật và thực hành kỹ thuật có giá trị cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp: Tham khảo khung sườn chuẩn mực, trình tự logic của một đồ án tốt nghiệp thiết kế nhà cao tầng hoàn chỉnh từ bước sơ bộ tiết diện, tính tải trọng, mô hình hóa kết cấu đến thiết kế nền móng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Tham khảo quy trình ứng dụng song hành hai phần mềm ETABS và SAFE theo tiêu chuẩn Việt Nam, đặc biệt là quy trình tính toán gió động, phân tích phổ phản ứng động đất và phương pháp vùng biên tính thép vách cứng.
  • Phần nội dung tiêu biểu đáng tham khảo:
    • Quy trình bóc tách tải trọng và chia dải Strip tính thép sàn trong SAFE (Chương 2).
    • Thuật toán và bảng tính thành phần động của tải gió và tải trọng động đất (Chương 5).
    • Phương pháp kiểm tra sức chịu tải, ứng suất lún và tính toán đài móng vách, đài móng lõi thang máy (Chương 6).

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Chung cư Xuân La sử dụng hệ kết cấu chịu lực chính nào?

Công trình sử dụng hệ kết cấu khung bê tông cốt thép toàn khối kết hợp với lõi thang máy ở trung tâm và hệ vách cứng ở biên. Giải pháp này giúp công trình tiếp nhận hiệu quả cả tải trọng đứng (trọng lượng bản thân, tải tường, hoạt tải) và tải trọng ngang (gió động, động đất).

2. Tại sao công trình phải tính toán thành phần động của tải gió và tải trọng động đất?

Theo TCVN 2737:1995 và tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, công trình Chung cư Xuân La có chiều cao trên 40m (18 tầng) và xây dựng tại khu vực Tây Hồ - Hà Nội nên bắt buộc phải tính toán thành phần động của tải gió (dựa trên chu kỳ dao động riêng và hệ số động lực) cùng phổ phản ứng đàn hồi của tải trọng động đất.

3. Phần mềm nào được sử dụng để phân tích nội lực trong đồ án?

Đồ án sử dụng phần mềm ETABS để xây dựng mô hình không gian 3D toàn bộ công trình, phân tích dao động và xuất nội lực khung, dầm, cột, vách; và phần mềm SAFE để mô hình hóa, chia dải Strip tính toán nội lực sàn tầng điển hình và hệ đài móng cọc.

4. Phương pháp nào được sử dụng để tính cốt thép cho vách cứng và lõi thang máy?

Tác giả sử dụng phương pháp vùng biên chịu mômen. Phương pháp này đưa nội lực mômen uốn và lực dọc của vách về các cặp lực kéo - nén tập trung ở hai vùng biên vách để tính toán bố trí cốt thép dọc chịu lực tập trung, kết hợp với cốt đai kháng chấn và cốt thép phân bố thân vách.

5. Những vị trí móng nào được tính toán chi tiết trong Chương 6?

Trong cả hai phương án móng cọc ép và cọc khoan nhồi, tác giả đều thực hiện tính toán, kiểm tra và thiết kế chi tiết cho 4 vị trí đài móng đại diện: Móng cột M1 (point 43), móng vách M2, móng vách M3 và móng lõi thang máy (MLT).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Chung cư Xuân La" của sinh viên Võ Thiện Nhân là một công trình học thuật chuyên ngành Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp được thực hiện bài bản và toàn diện. Thuyết minh trình bày mạch lạc toàn bộ chu trình thiết kế một tòa nhà 18 tầng, từ phân tích kiến trúc, tính toán các cấu kiện phụ (cầu thang, bể nước mái), mô hình hóa hệ kết cấu không gian chịu tải trọng động lực học, đến thiết kế và so sánh các phương án móng sâu. Các số liệu, bảng biểu và quy trình tính toán đều bám sát hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam.