Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long đang trải qua quá trình đô thị hóa mạnh mẽ với hơn 80% các dự án trụ sở tài chính - thương mại đòi hỏi giải pháp thiết kế kết cấu kiên cố nhằm thích ứng với điều kiện địa chất nền đất yếu đặc thù. Xây dựng công trình cao tầng tại khu vực đất trũng ngập nước của tỉnh Hậu Giang đặt ra thách thức lớn về bài toán kiểm soát độ lún lệch, đảm bảo an toàn chịu tải trọng gió và tối ưu hóa chi phí vật liệu bê tông cốt thép toàn khối. Đề tài tập trung nghiên cứu, tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống kết cấu không gian cho công trình Ngân hàng Thương mại Cổ phần Kỹ Thương Việt Nam (Techcombank) chi nhánh Ngã Bảy, đáp ứng trọn vẹn các yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn cấp I và điều kiện sử dụng bình thường theo trạng thái giới hạn cấp II.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai trên khu đất có diện tích 504,6 m2 tại đường 30 tháng 4, thành phố Ngã Bảy, tỉnh Hậu Giang với thời điểm hoàn thành tính toán vào năm 2022. Công trình có diện tích xây dựng tầng trệt là 361 m2 (mật độ xây dựng đạt 71,5%), tổng diện tích sàn xây dựng lên đến 4.552 m2, hệ số sử dụng đất đạt 9,05 lần và chiều cao đỉnh mái đạt 37,7 m. Quy mô công trình bao gồm 11 tầng (1 tầng bán hầm làm bãi xe và khu kỹ thuật, 1 tầng trệt làm sảnh giao dịch và kho quỹ, 8 tầng văn phòng làm việc và 1 tầng mái kỹ thuật). Về mặt phân cấp kỹ thuật, công trình thuộc cấp công trình cấp 2, bậc chịu lửa bậc 2 theo quy chuẩn hiện hành, với niên hạn sử dụng yêu cầu trên 100 năm. Kết quả nghiên cứu không chỉ đảm bảo an toàn tuyệt đối cho trụ sở giao dịch tài chính mà còn mang lại giải pháp kết cấu kinh tế, giúp tiết kiệm khoảng 10% khối lượng cốt thép so với các phương án thiết kế truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo phương pháp trạng thái giới hạn được quy định tại tiêu chuẩn TCVN 5574:2018, kết hợp với các nguyên lý xác định tải trọng và tác động theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995. Hệ thống kết cấu được phân tích đồng thời theo hai trạng thái: trạng thái giới hạn về độ bền (chống phá hoại giòn hoặc dẻo dưới tác dụng của tổ hợp nội lực cực trị) và trạng thái giới hạn về điều kiện sử dụng (kiểm soát độ võng đàn hồi dài hạn và độ mở rộng vết nứt cho phép dưới tác động thường xuyên của tải trọng). Đồng thời, lý thuyết tính toán cơ học đất và móng cọc sâu theo TCVN 10304:2014 được tích hợp để giải quyết bài toán tương tác giữa nền đất và móng cọc bê tông cốt thép.

Mô hình nghiên cứu không gian ba chiều (3D) được thiết lập nhằm mô phỏng chính xác sự làm việc đồng thời của hệ kết cấu khung không gian bao gồm dầm, cột, vách cứng và hệ bản sàn toàn khối. Trong khuôn khổ lý thuyết này, 4 khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa:

  • Bản sàn một phương: Cấu kiện dạng bản làm việc chịu uốn chủ yếu theo phương cạnh ngắn khi tỷ lệ hai cạnh ô sàn vượt quá 2 lần.
  • Bản sàn hai phương: Bản sàn kê bốn cạnh làm việc chịu uốn đồng thời theo cả hai phương khi tỷ số cạnh dài trên cạnh ngắn nhỏ hơn hoặc bằng 2.
  • Hệ số độ tin cậy tải trọng: Hệ số an toàn từ 1,05 đến 1,3 nhằm bao hàm khả năng sai lệch bất lợi của tĩnh tải kết cấu và hoạt tải sử dụng.
  • Sức chịu tải của cọc đơn: Giá trị cực hạn của lực dọc truyền qua thân cọc và mũi cọc vào nền đất được xác định qua chỉ tiêu cơ lý và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn hiện trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của nghiên cứu bao gồm số liệu khảo sát địa chất từ các hố khoan tại hiện trường thành phố Ngã Bảy, chuỗi số liệu khí tượng thủy văn tỉnh Hậu Giang với lượng mưa trung bình năm đạt khoảng 1.800 mm/năm và độ ẩm trung bình 82%, cùng bản vẽ thiết kế kiến trúc chi tiết. Về cơ sở pháp lý, nghiên cứu căn cứ vào Luật Xây dựng số 50/2014/QH13, QCVN 03:2012 và Quyết định số 10/2002/QĐ-NHNT quy định tiêu chuẩn kỹ thuật kho tiền ngân hàng.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ hệ thống chịu lực của 11 tầng công trình. Phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích được áp dụng để tính toán chi tiết tại các cấu kiện nguy hiểm nhất:

  • Mẫu ô sàn đại diện: Ô sàn một phương S5 tầng 2 chịu hoạt tải hành lang 480 daN/m2 và ô sàn hai phương S1 tầng 2 có nhịp lớn nhất đạt 7,5 m.
  • Mẫu cấu kiện thẳng đứng và dầm: Cột chịu lực C5 tại trục C tầng 2 với lực dọc lớn nhất, dầm chính B4 tầng 3 vượt nhịp lớn, và vách cứng thang máy trục D chịu lực cắt ngang chủ yếu.
  • Mẫu kết cấu nền móng: Đài móng cọc ép M2 và M3 tại vị trí chân cột có tải trọng nén lớn nhất.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích số thông qua phần mềm ETABS phiên bản 18 và SAP2000 phiên bản 21 kết hợp bảng tính tự động Excel là nhằm giải quyết bài toán phần tử hữu hạn phức tạp của hệ khung không gian, giúp xác định đường bao nội lực chính xác và rút ngắn thời gian tính toán so với phương pháp tra bảng thủ công. Toàn bộ quy trình nghiên cứu và mô phỏng được thực hiện đồng bộ trong năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán và mô phỏng hệ kết cấu công trình Ngân hàng Techcombank Ngã Bảy đã mang lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, việc lựa chọn chiều dày sàn điển hình hs = 16 cm (tương đương tỷ lệ 1/46,8 chiều dài nhịp ngắn L1 = 7,5 m) đáp ứng hoàn toàn điều kiện chịu lực với tổng tĩnh tải sàn hoàn thiện đạt 579,64 daN/m2 và hoạt tải sử dụng từ 240 đến 480 daN/m2. Cốt thép sàn bố trí phi 6 khoảng cách 150 mm (diện tích As = 2,1 cm2/m) thỏa mãn điều kiện hàm lượng cốt thép hợp lý (0,1% < mu < mu_max), giúp giảm 18% độ võng giữa nhịp so với phương án sàn dày 14 cm.

Thứ hai, giải pháp phân cấp cấp độ bền bê tông phát huy hiệu quả kinh tế rõ rệt: sử dụng bê tông B20 (cường độ chịu nén Rb = 11,5 MPa) cho hệ dầm - sàn và nâng lên bê tông B25 (Rb = 14,5 MPa) cho hệ cột - vách giúp tăng khả năng chịu nén của cột biên và cột giữa thêm 26%, đáp ứng tốt lực dọc nén nén lớn tại khung trục 1 và trục C.

Thứ ba, phân tích tải trọng gió tĩnh ở vùng IIA với áp lực tiêu chuẩn Wo = 83 daN/m2 trên tổng chiều cao 37,7 m cho thấy hệ vách cứng bê tông cốt thép trục D tiếp nhận hơn 42% tổng lực cắt ngang đáy, giúp khống chế độ chuyển vị ngang đỉnh công trình chỉ ở mức 1/750 chiều cao toàn nhà, vượt xa mức an toàn cho phép là 1/500.

Thứ tư, phương án móng cọc ép bê tông cốt thép đưa mũi cọc xuyên qua tầng đất bùn sét yếu để cắm sâu vào lớp đất thứ 4 mang lại hiệu quả chịu tải tối ưu. Độ lún tuyệt đối tính toán của đài cọc M2 là 2,17 cm và đài cọc M3 là 2,29 cm, thấp hơn nhiều so với độ lún giới hạn 8,0 cm theo tiêu chuẩn xây dựng.

Thảo luận kết quả

Sự ổn định tổng thể của công trình đạt được là nhờ cơ chế phân bổ tải trọng hợp lý giữa hệ khung không gian dầm cột và hệ lõi vách cứng thang máy. Dưới tác động của tải trọng ngang do gió, lõi vách cứng đóng vai trò làm trục chịu cắt chính, triệt tiêu hiện tượng xoắn công trình và giảm mômen uốn chân cột từ 20% đến 25% so với mô hình khung thuần túy. So sánh với các nghiên cứu kết cấu nhà cao tầng trên nền đất yếu miền Tây, việc cắm sâu mũi cọc vào lớp đất cát mịn thứ 4 với chỉ số SPT cao đã loại bỏ hoàn toàn nguy cơ lún lệch và hiện tượng chọc thủng đài móng.

Toàn bộ hệ thống dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa qua bảng tổng hợp nội lực chân cột và các biểu đồ chuyên dụng:

  • Biểu đồ đường bao mômen M3-3 và M2-2 của hệ khung trục 1 và trục C, thể hiện rõ vùng mômen âm lớn nhất tại nút khung và mômen dương giữa nhịp dầm.
  • Biểu đồ lực cắt và lực dọc dọc theo chiều cao 11 tầng, minh chứng cho sự suy giảm tải trọng nén từ tầng bán hầm lên tầng mái.
  • Biểu đồ nén lún e-p của lớp đất thứ 4, cung cấp cơ sở trực quan xác nhận độ lún tắt dần theo thời gian và duy trì trạng thái ổn định lâu dài.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán kết cấu, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm đảm bảo chất lượng công trình:

  • Kiểm soát chỉ tiêu chất lượng bê tông và cốt thép đầu vào: Tiến hành thí nghiệm nén mẫu kiểm tra cường độ bê tông B20 (Rb = 11,5 MPa) và B25 (Rb = 14,5 MPa) tại hiện trường đạt độ tin cậy tối thiểu 95%; đồng thời kiểm định giới hạn chảy của thép thanh CB240T và CB300V trong vòng 7 ngày kể từ khi tập kết vật liệu. Chủ thể thực hiện là Đơn vị tư vấn giám sát và Ban quản lý dự án.
  • Thực hiện công tác thử tĩnh cọc tại hiện trường: Tổ chức ép cọc thử và nén tĩnh cọc với tải trọng thử bằng 200% sức chịu tải thiết kế trên tối thiểu 1% tổng số lượng cọc trước khi thi công đại trà 15 ngày, nhằm xác định chính xác cao trình dừng ép thực tế và sức kháng mũi cọc do Nhà thầu thi công nền móng thực hiện dưới sự phê duyệt của Kỹ sư trưởng.
  • Thi công hệ thống chống thấm chuyên dụng cho các cấu kiện ngầm và mái: Bổ sung phụ gia chống thấm tinh thể thẩm thấu cho sàn tầng bán hầm dày 300 mm và bản đáy bể nước mái nhằm đạt cấp chống thấm W6 đến W8; duy trì chế độ bảo dưỡng ẩm liên tục trong tối thiểu 14 ngày đối với các cấu kiện bê tông khối lớn do Đội ngũ kỹ thuật thi công hiện trường đảm nhiệm.
  • Thiết lập hệ thống quan trắc lún và nghiêng công trình định kỳ: Lắp đặt mốc quan trắc chuẩn tại các đài móng M2, M3 ngay sau khi đổ bê tông đài; thực hiện đo đạc định kỳ 15 ngày một lần trong suốt quá trình xây dựng 11 tầng và 3 tháng một lần trong 24 tháng đầu vận hành nhằm đảm bảo độ lún tích lũy không vượt quá 3,0 cm do Đơn vị trắc địa chuyên trách thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình dân dụng: Cung cấp quy trình tính toán hoàn chỉnh từ khâu xác định tải trọng tĩnh, hoạt tải văn phòng theo TCVN 2737:1995 đến bố trí cốt thép dầm, cột, sàn, vách theo TCVN 5574:2018; ứng dụng trực tiếp cho các dự án văn phòng và tòa nhà chi nhánh ngân hàng hiện đại.
  • Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo mẫu mực về kỹ năng lập mô hình không gian phần tử hữu hạn trên phần mềm ETABS 18, SAP2000 v21 và phương pháp lập bảng tính giải tích tối ưu trên Excel cho đồ án tốt nghiệp.
  • Nhà thầu thi công và kỹ sư giám sát nền móng tại khu vực miền Tây Nam Bộ: Nắm bắt các thông số thực tế về giải pháp móng cọc ép trên nền đất yếu Hậu Giang, sơ đồ kiểm tra cẩu lắp vận chuyển cọc và kỹ thuật gia cố đài móng chống xuyên thủng.
  • Chủ đầu tư và các đơn vị quản lý dự án bất động sản thương mại: Tham khảo phương án quy hoạch tổng mặt bằng, giải pháp tối ưu hệ số sử dụng đất 9,05 lần và thiết kế kết cấu kho tiền ngân hàng đạt chuẩn an toàn phòng cháy và an ninh tài chính.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao công trình cao tầng tại Ngã Bảy chỉ cần xác định thành phần tĩnh của tải trọng gió?
Theo quy định tại tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, công trình dân dụng có chiều cao dưới 40 m không bắt buộc phải tính toán thành phần động của tải trọng gió. Với tổng chiều cao đỉnh mái là 37,7 m, công trình Techcombank Ngã Bảy chỉ cần xác định thành phần tĩnh với áp lực gió Wo = 83 daN/m2 tại phân vùng áp lực gió IIA, giúp đơn giản hóa bài toán tính toán mà vẫn đảm bảo an toàn tuyệt đối.

Căn cứ nào quyết định việc phân chia ô sàn làm việc một phương hay hai phương?
Nghiên cứu căn cứ vào tỷ số giữa cạnh dài L2 và cạnh ngắn L1 của từng ô bản. Khi tỷ số L2/L1 lớn hơn 2 (như ô sàn S5 hành lang), sàn làm việc chịu uốn theo một phương chính và được tính như dầm rộng 1 m. Khi tỷ số này nhỏ hơn hoặc bằng 2 (như ô sàn S1 nhịp 7,5 m), sàn làm việc hai phương và được tính toán theo bảng tra mômen của sơ đồ 9 ngàm bốn cạnh.

Việc sử dụng hai cấp độ bền bê tông B20 và B25 mang lại lợi ích gì?
Bê tông B20 (Rb = 11,5 MPa) được áp dụng cho dầm và sàn nhằm tối ưu hóa chi phí vật liệu và hạn chế ứng suất co ngót nhiệt. Ngược lại, bê tông B25 (Rb = 14,5 MPa) được bố trí cho cột và vách cứng giúp tăng khả năng chịu nén thêm 26%, từ đó thu nhỏ kích thước tiết diện cột tầng bán hầm và giải phóng diện tích sử dụng cho bãi đỗ xe.

Giải pháp móng cọc ép xử lý bài toán địa chất đất yếu tại Hậu Giang như thế nào?
Do tầng đất bề mặt tại Hậu Giang chủ yếu là bùn sét mềm có sức chịu tải kém, nghiên cứu áp dụng móng cọc ép bê tông cốt thép đâm xuyên qua các lớp đất yếu để tựa mũi cọc vào lớp đất thứ 4 có cường độ cơ lý cao. Kết quả tính toán cho thấy độ lún lớn nhất của móng chỉ đạt 2,29 cm, loại trừ hoàn toàn nguy cơ lún nứt công trình.

Khu vực kho tiền ngân hàng được thiết kế kết cấu đặc thù ra sao?
Kho tiền tại tầng 1 tuân thủ nghiêm ngặt Quyết định số 10/2002/QĐ-NHNT của Ngân hàng Nhà nước. Kết cấu xung quanh kho tiền được đổ bê tông cốt thép toàn khối dày trên 200 mm có khả năng chịu lực va đập lớn, kết hợp hệ thống cửa thép kiên cố và lớp bảo vệ chống cháy nhằm ngăn chặn hoàn toàn rủi ro xâm nhập và hỏa hoạn.

Kết luận

  • Hoàn thành toàn diện phương án thiết kế kết cấu bê tông cốt thép không gian cho công trình 11 tầng Ngân hàng Techcombank Ngã Bảy với tổng diện tích sàn 4.552 m2 theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 và TCVN 2737:1995.
  • Tối ưu hóa thành công chiều dày sàn điển hình 16 cm và phân bổ hợp lý cấp độ bền bê tông B20, B25, giúp nâng cao hiệu quả chịu lực và tiết kiệm khoảng 10% chi phí cốt thép.
  • Giải quyết triệt để bài toán xây dựng trên nền đất yếu khu vực Đồng bằng sông Cửu Long bằng hệ móng cọc ép sâu, khống chế độ lún thực tế dưới 2,3 cm.
  • Ứng dụng thành công phần mềm ETABS 18 và SAP2000 v21 trong việc phân tích phản lực tải trọng ngang và tương tác khung vách chịu lực.
  • Thiết lập giải pháp thiết kế công năng hoàn chỉnh kết hợp an toàn kho quỹ, đóng góp điểm nhấn kiến trúc và hạ tầng tài chính hiện đại cho thành phố Ngã Bảy.

Đóng góp chính của luận văn là cung cấp quy trình thiết kế mẫu mực, chuẩn hóa từ cơ sở lý thuyết đến thực hành tính toán cho các công trình cao tầng có tầng bán hầm xây dựng trên nền đất mềm yếu. Kế hoạch tiếp theo đề xuất triển khai hệ thống quan trắc chuyển vị thực tế trong suốt chu kỳ 24 tháng vận hành; các kỹ sư và chuyên gia thiết kế có thể ứng dụng ngay bộ số liệu và sơ đồ tính này cho các công trình có quy mô tương đương.