Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tốc độ đô thị hóa tại Thành phố Hồ Chí Minh tạo ra nhu cầu ngày càng lớn đối với nhà ở chung cư cao tầng, đặt ra yêu cầu thiết kế kết cấu đảm bảo an toàn, kinh tế và phù hợp với điều kiện địa chất tại chỗ. Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Cao Tuấn (MSSV: 20149009, khóa 2020–2024, ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) thực hiện toàn bộ công tác thiết kế kiến trúc, kết cấu và nền móng cho Khu nhà ở Gò Sao – Block C1 (Tháp C1), tọa lạc tại số 9A đường Thạnh Xuân 13, Phường Thạnh Xuân, Quận 12, TP. Hồ Chí Minh.

Nhiệm vụ đồ án bao gồm:

  1. Tổng quan kiến trúc công trình và thể hiện các bản vẽ kiến trúc.
  2. Mô hình, phân tích, tính toán, thiết kế cầu thang điển hình.
  3. Mô hình, phân tích, tính toán, thiết kế sàn tầng điển hình theo phương án sàn phẳng – dầm biên.
  4. Mô hình, phân tích, tính toán, thiết kế khung, bao gồm hệ dầm tầng điển hình, vách phẳng trục 1 và trục B, lõi thang máy.
  5. Mô hình, phân tích, tính toán, thiết kế móng cọc ly tâm cho công trình.

Đối tượng nghiên cứu là công trình chung cư cao tầng gồm 18 tầng nổi và 1 tầng hầm, chiều cao công trình 67 m (chưa kể tầng hầm), diện tích sàn xây dựng 36.232 m², được phân loại công trình cấp 2 theo Phụ lục A QCVN 03:2022. Phạm vi không gian giới hạn trong một tháp đơn (Block C1) thuộc tổng thể khu dân cư Gò Sao, khu đất rộng 86.000 m², diện tích xây dựng 6.585 m². Thời gian thực hiện từ ngày 09/01/2024 đến ngày 14/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng

STT Ký hiệu Nội dung
1 QCVN 02:2022 Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng
2 TCVN 2737:2023 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế
3 TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế
4 TCVN 9386:2012 Thiết kế công trình chịu động đất
5 TCVN 9362:2012 Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình
6 TCVN 10304:2014 Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế
7 TCXD 198:1997 Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối
8 QCVN 03:2022 Phân cấp công trình phục vụ thiết kế xây dựng
9 QCVN 06:2022 An toàn cháy cho nhà và công trình
10 TCVN 7888:2014 Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước
11 TCVN 4453:1995 Kết cấu bê tông toàn khối – Thi công và nghiệm thu
12 TCVN 9351:2012 Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT
13 BS EN 1992 (Eurocode 2) Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

Phương pháp tính toán

Đồ án áp dụng đồng thời phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp giải tích để xác định nội lực. Kết cấu được tính toán theo hai trạng thái giới hạn: Trạng thái giới hạn 1 (Ultimate Limit State – ULS) kiểm tra điều kiện bền và ổn định; Trạng thái giới hạn 2 (Serviceability Limit State – SLS) kiểm tra chuyển vị, độ võng, vết nứt trong điều kiện sử dụng bình thường. Tải trọng động đất được tính theo phương pháp phổ phản ứng dao động theo TCVN 9386:2012, khai báo trực tiếp trên phần mềm ETABS.

Phần mềm hỗ trợ

ETABS (mô hình và phân tích kết cấu tổng thể), SAFE (phân tích và tính toán cốt thép sàn), REVIT, AutoCAD, Microsoft Excel, Microsoft Word.

Vật liệu sử dụng

  • Bê tông cấu kiện chịu lực: cấp độ bền B30; bê tông lót: cấp độ bền B12.
  • Cốt thép CB240-T (Ø < 10): Rs = Rsc = 210 MPa, Rsw = 170 MPa, Es = 200.000 MPa.
  • Cốt thép CB400-V (Ø ≥ 10): Rs = Rsc = 350 MPa, Rsw = 280 MPa, Es = 200.000 MPa.

Nguồn dữ liệu

Hồ sơ kiến trúc và hồ sơ khảo sát địa chất công trình (bao gồm kết quả hố khoan HK8 với mặt cắt địa chất và chỉ số SPT).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan công trình (Phần Kiến trúc)

Chương này giới thiệu mục đích xây dựng, đặc điểm khu vực và giải pháp kiến trúc tổng thể. Block C1 có 18 tầng nổi, 1 tầng hầm, chiều cao 67 m. Mỗi tầng điển hình (tầng 3–18) bố trí 28 căn hộ với các loại diện tích 48 m², 49 m², 57 m², 65 m² và 79 m². Tầng hầm dùng để xe; tầng 1–2 là Shophouse và khu sinh hoạt cộng đồng; tầng kỹ thuật/mái bố trí 4 bồn nước Inox 30.000 lít của Tân Á Đại Thành. Giao thông đứng gồm 6 thang máy và 2 cầu thang bộ. Hệ thống kỹ thuật bao gồm cấp điện hai nguồn (lưới thành phố và máy phát dự phòng), cấp nước kết hợp nguồn ngầm và nước máy bơm lên bồn mái, thoát nước mưa và nước thải riêng biệt, hệ thống phòng cháy chữa cháy theo QCVN 06:2022.

Chương 2: Tổng quan kết cấu công trình

Phương án kết cấu được phân tích và lựa chọn qua so sánh hệ thống. Về phương ngang, phương án sàn phẳng + dầm biên được chọn cho phần thân (tầng 2–18), sàn phẳng không dầm cho phần ngầm. Về phương đứng, hệ vách + lõi được chọn do công trình 18 tầng, cao 67 m, có tiết diện mặt bằng dạng chữ L dễ gây xoắn, cần khả năng chống xoắn cao. Chiều dày sàn sơ bộ: 250 mm cho tầng hầm và tầng 1, 200 mm cho tầng 2–18 (sàn vệ sinh hạ –50 mm). Kích thước dầm chính sơ bộ 600×300 mm, dầm phụ 500×250 mm. Chiều dày vách chọn 300 mm đáp ứng điều kiện TCXD 198:1997 (tw ≥ 200 mm; tw ≥ h/20 = 160 mm; Fvcl ≥ 0,015Fs với Fs = 2.067,7 m²).

Chương 3: Tải trọng và tác động

Tải trọng đứng gồm tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn (tính theo từng loại mặt sàn: tầng điển hình, vệ sinh, hầm, khu đi bộ), tải tường phân bố trên sàn và trên dầm, hoạt tải theo TCVN 2737:2023 (căn hộ, sảnh, WC, bãi xe, cửa hàng, mái, hoạt tải chữa cháy 21 kN/m²). Tải trọng bồn nước mái: tổng tích nước V = 120 m³, tải tập trung P = 1.200 kN, quy đổi thành hoạt tải phân bố q = 5,36 kN/m².

Tải trọng gió tính theo TCVN 2737:2023, vùng gió II (W₀ = 95 daN/m²), địa hình loại C. Công trình có chu kỳ dao động T = 2,457 s (phương X) và T = 2,124 s (phương Y), cả hai đều lớn hơn 1 s nên hệ số hiệu ứng giật Gf được xác định theo CT13 TCVN 2737:2023 bao gồm thành phần cộng hưởng. Bề rộng đón gió phương X: 41,76 m; phương Y: 89,54 m; hệ số khí động tổng: cx = 0,312 và cy = 0,362.

Tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012: địa điểm Quận 12, agR/g = 0,0813; hệ số tầm quan trọng γI = 1; gia tốc nền thiết kế ag = 0,785 m/s². Đất nền loại C (Vs,30 = 180–360 m/s, NSPT = 15–50, Cu = 70–250 Pa), tham số phổ S = 1,6; TB = 0,2 s; TC = 0,6 s; TD = 2 s. Hệ số ứng xử q = 2 (hệ vách + lõi, cấp dẻo kết cấu trung bình). Phương pháp phổ phản ứng được áp dụng, khai báo trong ETABS theo TCVN 9386:2012. Tổ hợp tải trọng xây dựng theo TCVN 2737:2023 và TCVN 9386:2012, gồm các tổ hợp TTGH1 (COMBO1 đến COMBO17) và TTGH2.

Chương 4: Thiết kế cầu thang

Cầu thang bộ có tổng số 18 bậc, chiều cao tầng 3,2 m, kích thước mỗi bậc: hb = 178 mm, lb = 250 mm, góc nghiêng α ≈ 35,5°. Nhịp tính toán bản thang L₀ = 3.375 mm (L₁ = 1.300 mm, L₂ = 2.075 mm). Dầm chiếu tới sơ bộ 500×250 mm; dầm chiếu nghỉ 300×200 mm. Chương trình bày cơ sở tính toán nội lực bản thang và bản chiếu nghỉ, tính cốt thép dọc và cốt thép đai cho dầm chiếu nghỉ 200×300 mm, kiểm tra chuyển vị cho phép.

Chương 5: Kiểm tra ổn định tổng thể

Kết quả ETABS được sử dụng để kiểm tra các chỉ tiêu: chống lật, chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh, chuyển vị lệch tầng do gió (phương X và Y) và do động đất (phương X và Y), và hiệu ứng P-Delta (hệ số nhạy theo hai phương). Chuyển vị đỉnh lớn nhất theo phương X là 41 mm (thành phần tĩnh) và theo phương Y là 41 mm, chuyển vị thành phần động phương X là Ux = 10 mm, phương Y là Uy = 14 mm.

Chương 6: Thiết kế sàn tầng điển hình

Sàn phẳng + dầm biên dày 200 mm được mô hình và phân tích trên SAFE. Cốt thép sàn xuất theo dải Strip phương X và phương Y tại hai vùng đặc trưng (vị trí I và II). Kiểm tra trạng thái giới hạn II bao gồm độ võng ngắn hạn, độ võng dài hạn và bề rộng vết nứt ngắn hạn/dài hạn tại từng vị trí. Tham số bê tông được quy đổi từ TCVN 5574:2018 sang Eurocode 2 để sử dụng trong SAFE.

Chương 7: Thiết kế khung

Dầm tầng điển hình được thiết kế theo sơ đồ chịu lực kết hợp bao momen và bao lực cắt, có xét tới cấu tạo kháng chấn (neo và nối cốt thép), tính toán dầm chịu xoắn. Vách hai khung vuông góc (trục 1 và trục B) được thiết kế theo phương pháp vùng biên chịu momen, xuất nội lực từ Pier được gán cho từng vách trong ETABS. Vách lõi thang máy (LT2-1) được chia thành các phần tử để tính cốt thép theo nội lực tại tầng 1. Thông số nội lực các vách (trục 1, trục B, lõi thang) được lập bảng đầy đủ.

Chương 8: Thiết kế móng

Nền móng sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng lực trước đường kính D600 theo TCVN 7888:2014. Địa chất được xác định qua hố khoan HK8, đất nền loại C. Sức chịu tải cọc được tổng hợp từ ba cơ sở: theo vật liệu, theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo chỉ số SPT, đồng thời kiểm tra sức chịu tải khi có tải trọng động đất. Móng được thiết kế cho 2 khung vuông góc (trục 1 và trục B) và móng lõi thang, bao gồm các loại đài móng DM-8, DM-10 (và DM-10a, DM-15, DM-18 trong phụ lục). Quy trình thiết kế từng đài móng gồm: kiểm tra phản lực đầu cọc, kiểm tra ổn định nền và độ lún, kiểm tra xuyên thủng, tính thép đài theo dải Strip xuất từ mô hình. Độ cứng lò xo cọc được tính riêng trong Phụ lục 3.

Chương 9: Công tác cốp pha

Tính toán kiểm tra điều kiện trạng thái giới hạn 1 và 2 cho cốp pha bốn loại cấu kiện điển hình:

Cấu kiện Kích thước điển hình
Móng DM-8: 4.700 × 4.220 × 1.600 mm
Sàn Chiều dày h = 200 mm
Dầm biên 300 × 600 mm
Vách b × L × H = 300 × 3.000 × 3.200 mm

Vật liệu cốp pha sử dụng ván khuôn Tekcom và thép hộp. Cốp pha sàn và dầm tính toán đà phụ, đà chính (thép hộp), cây chống và trụ giàn giáo nêm. Cốp pha vách kiểm tra thêm điều kiện ty giằng (ty ren) sườn ngang.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thiết kế chính:

  • Hệ kết cấu vách + lõi được xác nhận phù hợp cho công trình 18 tầng, chiều cao 67 m, có mặt bằng chữ L.
  • Phương án sàn phẳng + dầm biên (dày 200 mm, phần thân) được lựa chọn trên cơ sở phân tích 3 phương án sàn theo 10 tiêu chí kỹ thuật và thi công.
  • Gia tốc nền thiết kế ag = 0,785 m/s², thuộc nhóm động đất mạnh (ag ≥ 0,08g), bắt buộc tính toán và cấu tạo kháng chấn.
  • Chuyển vị đỉnh thành phần động: Ux = 10 mm (phương X), Uy = 14 mm (phương Y).
  • Cọc bê tông ly tâm D600 được bố trí cho đài móng DM-8, DM-10, DM-10a, DM-15, DM-18; sức chịu tải thiết kế được tổng hợp từ ba phương pháp.
  • Toàn bộ sản phẩm gồm 01 thuyết minh, 01 phụ lục (4 phụ lục chi tiết) và 43 bản vẽ khổ A1 (6 bản kiến trúc KT-01→KT-06; 35 bản kết cấu KC-01→KC-36; 1 bản thi công TC-01).

Đóng góp so với nghiên cứu trước: Đồ án thực hiện tích hợp toàn bộ quy trình thiết kế từ kiến trúc, kết cấu đến nền móng và công tác cốp pha trong một công trình thực tế, áp dụng đồng thời TCVN 2737:2023 (phiên bản mới nhất) và TCVN 9386:2012 để tính gió và động đất cho công trình tại Quận 12, TP. Hồ Chí Minh — khu vực có gia tốc nền thuộc nhóm yêu cầu thiết kế kháng chấn đầy đủ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Phạm vi đồ án giới hạn trong thiết kế một tháp đơn (Block C1) thuộc tổng thể khu dân cư Gò Sao, chưa xét đến tương tác giữa các khối nhà trong cùng dự án. Thiết kế kết cấu chỉ bao gồm 2 khung vuông góc đại diện (trục 1 và trục B) cùng lõi thang; các khung và đài móng còn lại được xử lý ở mức phụ lục. Các hệ thống kỹ thuật cơ điện (MEP) được đề cập ở mức kiến trúc mà không có tính toán chi tiết. Đồ án không trình bày phương án thi công và tiến độ xây dựng. Hướng mở rộng có thể bao gồm phân tích phi tuyến hình học và vật liệu, thiết kế đầy đủ toàn bộ hệ thống móng, hoặc áp dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương song song để so sánh kết quả.

Thiết kế và triển khai

(Mục này áp dụng vì đồ án thuộc loại thiết kế hệ thống kỹ thuật công trình xây dựng, có quy trình mô hình hóa, phân tích và kiểm tra bằng phần mềm chuyên ngành.)

Kiến trúc mô hình tính toán:

Mô hình tổng thể được dựng trong ETABS với giả thuyết sàn là phần tử tuyệt đối cứng trong mặt phẳng, liên kết giữa các cấu kiện là liên kết cứng, cột và vách ngàm tại chân (mức tầng hầm). Mô hình sàn chi tiết được dựng trong SAFE để xuất nội lực theo dải Strip phương X và Y. Móng được mô hình bằng lò xo cọc có độ cứng tính riêng (Phụ lục 3).

Quy trình kiểm tra:

  • Kiểm tra ổn định tổng thể (chống lật, chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh, chuyển vị lệch tầng, P-Delta) được thực hiện tự động qua kết quả xuất từ ETABS trước khi tiến hành thiết kế chi tiết từng cấu kiện.
  • Thiết kế cốp pha được kiểm tra theo cả TTGH1 (khả năng chịu lực) và TTGH2 (biến dạng) cho bốn loại cấu kiện đặc trưng.
  • Kết quả tính thép sàn, dầm, vách và móng được trình bày dưới dạng bảng số liệu và đối chiếu với yêu cầu hàm lượng thép tối thiểu/tối đa theo TCVN 5574:2018.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng và Kỹ thuật Xây dựng đang thực hiện đồ án tốt nghiệp thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép toàn khối, đặc biệt khi áp dụng TCVN 2737:2023 (phiên bản 2023 có nhiều thay đổi so với phiên bản cũ) và TCVN 9386:2012.
  • Kỹ sư thiết kế cần tham khảo quy trình lựa chọn phương án sàn, phân tích tải trọng gió theo công thức hiệu ứng giật Gf, và tổ hợp tải trọng có xét đến tải trọng chữa cháy.
  • Người làm đề tài về thiết kế móng cọc ly tâm có thể tham khảo Chương 8 (quy trình xác định sức chịu tải từ ba phương pháp, kiểm tra ảnh hưởng động đất lên cọc) và Phụ lục 3 (tính độ cứng lò xo cọc).
  • Sinh viên tìm hiểu tính toán cốp pha có thể tham khảo Chương 9 với quy trình đầy đủ cho cả bốn loại cấu kiện (móng, sàn, dầm, vách) sử dụng ván khuôn Tekcom và thép hộp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn phương án sàn phẳng + dầm biên thay vì sàn dầm thông thường cho phần thân công trình?

Qua phân tích 3 phương án (sàn dầm, sàn phẳng, sàn phẳng + dầm biên) theo 10 tiêu chí — trong đó có chiều cao tầng điển hình 3,2 m, nhịp sàn lớn nhất 10 m, yêu cầu tối ưu không gian và lắp đặt hệ thống ME đơn giản — phương án sàn phẳng + dầm biên đáp ứng nhiều tiêu chí nhất. Sàn phẳng không dầm được chọn riêng cho phần ngầm (tầng hầm).

2. Công trình có phải tính toán kháng chấn không, và gia tốc nền thiết kế cụ thể là bao nhiêu?

Có. Theo Phụ lục H TCVN 9386:2012, Quận 12, TP. Hồ Chí Minh có agR/g = 0,0813; với hệ số tầm quan trọng γI = 1, gia tốc nền thiết kế ag = 0,785 m/s². Do ag ≥ 0,08g, công trình thuộc nhóm động đất mạnh, bắt buộc tính toán đầy đủ và cấu tạo kháng chấn (bao gồm chi tiết neo, nối cốt thép dầm theo Chương 7).

3. Hệ số ứng xử q trong tính toán tải trọng động đất của đồ án là bao nhiêu và cơ sở xác định?

Hệ số ứng xử q = 2, xác định theo mục 5.2 TCVN 9386:2012 theo công thức q = q₀ × kw = 2 × 1 = 2, trong đó q₀ là giá trị cơ bản phụ thuộc loại hệ kết cấu (hệ vách + lõi, cấp dẻo kết cấu trung bình) và kw là hệ số phản ánh dạng phá hoại trong hệ có tường.

4. Đồ án thiết kế những loại đài móng nào và dựa trên phương pháp tính sức chịu tải cọc nào?

Đồ án thiết kế chi tiết đài móng DM-8 và DM-10 trong thuyết minh chính, bổ sung DM-10a, DM-15 và DM-18 trong Phụ lục 4. Sức chịu tải cọc ly tâm D600 được xác định theo ba phương pháp độc lập: theo vật liệu (TCVN 7888:2014), theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (TCVN 10304:2014), và theo chỉ số SPT; sau đó kiểm tra thêm sức chịu tải khi có ảnh hưởng của tải trọng động đất. Sức chịu tải thiết kế được tổng hợp và so sánh giữa các phương pháp.

5. Chiều dày vách được chọn bao nhiêu và thoả mãn điều kiện nào theo TCXD 198:1997?

Chiều dày vách chọn 300 mm, thoả mãn đồng thời ba điều kiện: tw ≥ 200 mm, tw ≥ ht/20 = 3.200/20 = 160 mm, và Fvcl ≥ 0,015 × Fs (trong đó diện tích sàn mỗi tầng Fs = 2.067,7 m²). Bề rộng 300 mm cũng đồng nhất với chiều rộng dầm biên (300 mm), tạo điều kiện thi công cốp pha thuận lợi.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Khu nhà ở Gò Sao – Block C1" thực hiện đầy đủ vòng thiết kế từ kiến trúc, phân tích tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải, gió theo TCVN 2737:2023, động đất theo TCVN 9386:2012), đến thiết kế kết cấu chịu lực (cầu thang, sàn, dầm, vách, lõi thang máy) và nền móng cọc ly tâm, khép lại bằng kiểm tra cốp pha thi công. Hệ kết cấu vách + lõi được lựa chọn và kiểm tra ổn định tổng thể qua 6 nhóm chỉ tiêu, trong khi hệ thống phần mềm ETABS và SAFE được sử dụng xuyên suốt để hỗ trợ phân tích nội lực và xuất kết quả. Sản phẩm của đồ án gồm 43 bản vẽ khổ A1, 01 thuyết minh và 04 phụ lục tính toán chi tiết, phản ánh khối lượng công việc thiết kế tương đương một phần hồ sơ kỹ thuật thi công thực tế.