Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng về dân số tại các đô thị lớn tạo ra áp lực nặng nề lên hạ tầng xã hội, kéo theo nhu cầu cấp thiết về nhà ở và không gian làm việc. Đề tài khóa luận tốt nghiệp thực hiện thiết kế công trình chung cư cao tầng nhằm giải quyết nhu cầu sinh hoạt của người dân và mặt bằng hoạt động cho các cá nhân, doanh nghiệp vừa và nhỏ tại thành phố Hà Nội, đóng góp vào sự phát triển cơ sở hạ tầng đô thị.

Nhiệm vụ và mục tiêu thiết kế được tác giả xác định cụ thể qua 4 phần công việc chính:

  1. Thiết kế kiến trúc công trình: Thỏa mãn dây chuyền công năng nhà ở chung cư kết hợp thương mại dịch vụ, bảo đảm thông gió, chiếu sáng tự nhiên và vi khí hậu.
  2. Thiết kế kết cấu công trình: Xác định giải pháp kết cấu chịu lực, mô hình hóa và tính toán nội lực dưới tác dụng của tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió; tính toán cốt thép cho các cấu kiện phần thân (cột, dầm, sàn) và phần ngầm (móng).
  3. Thiết kế biện pháp thi công: Lập biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công cho giai đoạn phần ngầm và phần thân công trình.
  4. Lập tổng dự toán công trình: Xác định chi phí xây dựng và hiệu quả đầu tư dự án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tòa nhà chung cư cao tầng HPC Landmark 105.
  • Phạm vi không gian: Khu đất xây dựng tại mặt đường Tố Hữu, Phường La Khê, Quận Hà Đông, thành phố Hà Nội. Công trình có diện tích xây dựng $1347\text{ m}^2$, quy mô 11 tầng, tổng chiều cao $40,8\text{ m}$ (gồm 1 tầng trệt làm dịch vụ cao $4,5\text{ m}$ và 10 tầng trên làm căn hộ ở, mỗi tầng cao $3,3\text{ m}$).
  • Phạm vi thời gian và điều kiện tự nhiên: Dữ liệu khí tượng thủy văn khu vực Hà Nội với nhiệt độ trung bình năm $28^\circ\text{C}$, chênh lệch nhiệt độ giữa tháng cao nhất (tháng 6) và thấp nhất (tháng 1) là $11^\circ\text{C}$; độ ẩm trung bình $80% - 85%$; hai hướng gió chủ đạo là Đông Nam và Đông Bắc, vận tốc gió cực đại $26\text{ m/s}$, vùng áp lực gió IVB. Địa chất công trình thuộc loại đất trung bình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng:

  • Tiêu chuẩn tính toán tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 đối với tĩnh tải, hoạt tải sử dụng và tải trọng gió.
  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép: TCXDVN 356-2005 về quy phạm thiết kế bê tông và bê tông cốt thép.
  • Tiêu chuẩn nhà cao tầng: TCVN 198-1997 về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.
  • Phương pháp tính toán cấu kiện nén lệch tâm xiên: Vận dụng phương pháp biến đổi trạng thái nén lệch tâm xiên về nén lệch tâm phẳng tương đương theo đề xuất của GS. Nguyễn Đình Cống (phát triển dựa trên nguyên tắc tính toán của tiêu chuẩn BS 8110 của Anh và ACI 318 của Mỹ).

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp giải pháp kiến trúc và công năng mặt bằng dựa trên hệ lưới cột $8\text{ m}$ và $9\text{ m}$.
  • Phương pháp mô hình hóa không gian 3D: Sử dụng phần mềm ETABS phiên bản 9.4 để phân tích động lực học công trình, xác định nội lực các phần tử thanh và tấm dưới các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng không gian.
  • Phương pháp tính toán trạng thái giới hạn: Tính toán tiết diện chịu nén lệch tâm xiên cho cột, tiết diện chịu uốn đặt cốt đơn cho dầm, tính toán bản sàn làm việc một phương và hai phương, tính toán móng cọc chịu tải trọng nén và chọc thủng.
  • Nguồn dữ liệu: Hồ sơ kiến trúc công trình, số liệu khảo sát địa chất công trình tại La Khê - Hà Đông, các bảng tra tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Lựa chọn vật liệu kết cấu

  • Bê tông: Cấp độ bền B25 có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14,5\text{ MPa}$ ($1450\text{ T/m}^2$), cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$ ($105\text{ T/m}^2$), mô đun đàn hồi $E_b = 30 \times 10^3\text{ MPa}$.
  • Cốt thép: Thép nhóm CII có cường độ chịu kéo và chịu nén tính toán $R_s = R_{sc} = 280\text{ MPa}$ ($2800\text{ T/m}^2$), cường độ chịu cắt tính toán $R_{sw} = 225\text{ MPa}$.

Sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện

  • Vách/lõi cứng: Chiều dày vách chọn sơ bộ là $300\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện TCVN 198-1997: không nhỏ hơn $150\text{ mm}$ và không nhỏ hơn $1/20$ chiều cao tầng, tức $165\text{ mm}$).
  • Hệ dầm: Chiều cao dầm chính chọn theo công thức $h_d = (\frac{1}{8} \div \frac{1}{12})l_d$, bề rộng $b_d = (0,3 \div 0,5)h_d$. Dầm phụ chọn $h_d = (\frac{1}{12} \div \frac{1}{20})l_d$. Dầm bo sàn mái cao $0,7\text{ m}$ tạo độ cứng trong mặt phẳng ngang khi truyền tải trọng gió.
  • Bản sàn: Chiều dày bản sàn chọn theo công thức $h_s = \frac{D}{m}l$. Sàn phòng ngủ, khách, bếp chọn $h_s = 10\text{ cm}$; sàn khu vệ sinh, hành lang, mái chọn $h_s = 12\text{ cm}$ để bảo đảm độ cứng vách cứng tuyệt đối trong mặt phẳng sàn.
Loại cấu kiện Tên cấu kiện Nhịp $L_{\max}$ (m) Kích thước tiết diện chọn $b \times h$ (cm)
Cột Cột góc C1, C3, giữa C2, C5 - $40 \times 40$
Dầm chính Dc1 7,0 $25 \times 60$
Dầm chính Dc2 4,0 $20 \times 35$
Dầm chính Dc3 6,5 $30 \times 65$
Dầm phụ Dp1 7,8 $25 \times 40$
Dầm phụ Dp2 4,0 $15 \times 25$
Dầm phụ Dp3 5,1 $15 \times 30$
Vách lõi Vách thang máy/bộ - Chiều dày $30\text{ cm}$
Bản sàn Phòng ngủ, khách, bếp - Chiều dày $10\text{ cm}$
Bản sàn Vệ sinh, hành lang, mái - Chiều dày $12\text{ cm}$

Tải trọng và tổ hợp tải trọng

  • Áp lực gió tiêu chuẩn: Công trình xây dựng tại Hà Đông thuộc vùng gió IVB, áp lực gió $W_0 = 155\text{ daN/m}^2 = 0,155\text{ T/m}^2$.
  • Tĩnh tải hoàn thiện: Sàn phòng và hành lang $1,60\text{ kN/m}^2$; sàn vệ sinh $1,75\text{ kN/m}^2$; sàn mái bê tông cốt thép $4,74\text{ kN/m}^2$.
  • Hoạt tải tiêu chuẩn: Phòng ngủ, phòng khách $0,15\text{ T/m}^2$ ($n=1,3 \rightarrow p_{tt} = 0,195\text{ T/m}^2$); vệ sinh $0,15\text{ T/m}^2$ ($p_{tt} = 0,20\text{ T/m}^2$); hành lang, cầu thang, bếp, phòng giặt $0,30\text{ T/m}^2$ ($p_{tt} = 0,36\text{ T/m}^2$); khu dịch vụ tầng 1 là $0,40\text{ T/m}^2$ ($p_{tt} = 0,48\text{ T/m}^2$); mái không sử dụng $0,08\text{ T/m}^2$ ($p_{tt} = 0,10\text{ T/m}^2$).
  • Tổ hợp tải trọng: Thiết lập 10 tổ hợp tải trọng (gồm 9 tổ hợp cơ bản kết hợp giữa tĩnh tải, hoạt tải và các phương gió tĩnh X, -X, Y, -Y kèm hệ số giảm tải $0,9$ cùng 1 tổ hợp bao để phục vụ tính toán cốt thép).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: KIẾN TRÚC CÔNG TRÌNH

Chương này phân tích tổng quan công trình và các giải pháp kiến trúc:

  • Công trình gồm 11 tầng, chiều cao tổng thể $40,8\text{ m}$, diện tích $1347\text{ m}^2$, tọa lạc tại mặt đường Tố Hữu, La Khê, Hà Đông.
  • Giải pháp mặt bằng: Tầng 1 làm khu dịch vụ thương mại cao $4,5\text{ m}$, sảnh chính bố trí giữa khối nhà kết nối lối đi bộ và nhà để xe. Các tầng từ 2 đến 11 là khu căn hộ ở cao $3,3\text{ m}$, lưới cột thay đổi đối xứng $8\text{ m}$ và $9\text{ m}$.
  • Giải pháp mặt đứng và kỹ thuật hạ tầng: Sử dụng hình khối hiện đại kết hợp vách kính, dầm bo mái $0,7\text{ m}$; thông gió tự nhiên qua cửa sổ nhôm kính đầu hành lang kết hợp điều hòa không khí nhân tạo; cấp nước trực tiếp từ mạng lưới thành phố bơm lên bể nước mái và thoát nước theo trục kỹ thuật về bể tự hoại ngầm.

CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP KẾT CẤU VÀ TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN

Chương 2 trình bày cơ sở lựa chọn sơ đồ kết cấu và xác định các thông số tải trọng:

  • Đánh giá 4 hệ kết cấu cơ bản của nhà nhiều tầng (hệ khung, hệ tường, hệ lõi, hệ hộp) và các hệ hỗn hợp. Lựa chọn hệ hỗn hợp khung cột bê tông cốt thép kết hợp lõi chịu lực theo sơ đồ khung - giằng nhằm tăng độ cứng ngang và giảm tải trọng ngang truyền vào cột.
  • Tính toán kích thước sơ bộ của cột biên C1, cột giữa C2, cột góc C3; xác định bề dày vách lõi $300\text{ mm}$; phân loại dầm chính, dầm phụ và bản sàn làm việc một phương/hai phương.
  • Xác định tĩnh tải các lớp hoàn thiện, tải trọng tường gạch $110\text{ mm}$ và $220\text{ mm}$, hoạt tải các phòng và tính toán áp lực gió tĩnh theo TCVN 2737-1995 vùng gió IVB ($W_0 = 155\text{ daN/m}^2$). Lập 10 tổ hợp tải trọng trong mô hình ETABS 9.4.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ KẾT CẤU CÁC CẤU KIỆN CHÍNH PHẦN THÂN CÔNG TRÌNH

Nội dung chương tập trung vào cơ sở lý thuyết và thực hành tính toán cốt thép cho hệ cột và dầm:

  • Thiết kế cột: Ứng dụng lý thuyết tính toán cột chữ nhật chịu nén lệch tâm xiên theo GS. Nguyễn Đình Cống, quy đổi nội lực ($N, M_x, M_y$) về bài toán nén lệch tâm phẳng tương đương.
  • Kết quả tính toán điển hình cho cột C5 tầng trệt ($b \times h = 400 \times 400\text{ mm}$, chiều cao tính toán $l_0 = 0,7h = 3,15\text{ m}$): Sau khi kiểm tra 3 cặp nội lực nguy hiểm ($M_{x\max} - N_{tu}$, $M_{y\max} - N_{tu}$, $N_{\max} - M_{tu}$), cặp nội lực 3 có $N = -320,67\text{ T}$ cho diện tích cốt thép yêu cầu lớn nhất $A_{st} = 50,65\text{ cm}^2$. Tác giả chọn bố trí $18\phi20$ có tổng diện tích $A_s = 56,55\text{ cm}^2$ (đạt hàm lượng cốt thép hợp lý), cốt đai chọn $\phi8$ khoảng cách $s = 200\text{ mm}$ (đoạn nối chồng $a = 200\text{ mm}$).
  • Thiết kế dầm: Áp dụng lý thuyết cấu kiện chịu uốn tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn ở trạng thái phá hoại dẻo, thỏa mãn điều kiện hạn chế chiều cao vùng nén $\xi \le \xi_R = 0,595$ và tính toán cốt đai chịu cắt.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SÀN

  • Trình bày cơ sở lý thuyết cấu tạo và phương pháp tính toán bản sàn toàn khối.
  • Phân loại bản sàn thành sàn làm việc hai phương (tỷ số nhịp $l_2/l_1 \le 2$) và sàn làm việc một phương ($l_2/l_1 > 2$).
  • Tính toán mô men uốn và bố trí cốt thép cho các ô sàn điển hình S1, S2, S3 trên mặt bằng kết cấu.

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ KẾT CẤU PHẦN MÓNG

  • Phân tích điều kiện địa chất công trình và các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền.
  • Đề xuất phương án móng cọc bê tông cốt thép, xác định sức chịu tải của cọc đơn theo đất nền và theo vật liệu.
  • Tính toán kích thước đài cọc, bố trí số lượng cọc trong đài móng dưới chân cột và vách lõi; kiểm tra ứng suất đáy móng, độ lún công trình và kiểm tra điều kiện chọc thủng đài cọc trên tiết diện nghiêng và tiết diện thẳng đứng.

CHƯƠNG 6: THI CÔNG PHẦN NGẦM

  • Phân tích đặc điểm mặt bằng thi công chật hẹp trong đô thị, điều kiện vận chuyển bê tông và đất đào vào ban đêm.
  • Biện pháp thi công cọc: Chọn máy ép cọc Robot và cần trục phục vụ cẩu lắp đoạn cọc; quy định quy trình ép cọc và xử lý sự cố thi công cọc, công tác đập đầu cọc.
  • Biện pháp đào đất và thi công đài giằng: Lựa chọn máy đào đất, lập biện pháp thi công bê tông lót, thiết kế ván khuôn và hệ cột chống cho đài giằng móng.
  • Công tác bê tông móng: Sử dụng xe trộn bê tông KAMAZ-5511, trạm bơm bê tông và máy đầm dùi; phân chia khu vực đổ bê tông và công tác lấp đất hoàn trả mặt bằng.

CHƯƠNG 7: THI CÔNG PHẦN THÂN

  • Biện pháp ván khuôn: Thiết kế tổ hợp ván khuôn thép định hình Hòa Phát và hệ giáo chống cho sàn, dầm, cột tầng điển hình.
  • Gia công và lắp dựng cốt thép: Quy trình cắt uốn cốt thép cột, vách, dầm, sàn; quy cách nối buộc và định vị cốt đai.
  • Thi công bê tông và hoàn thiện: Công nghệ đổ và đầm bê tông cột vách trước, dầm sàn sau; quy trình bảo dưỡng ẩm bê tông; công tác xây trát, lắp đặt cửa và hệ thống đường ống kỹ thuật ngầm.
  • Tổ chức mặt bằng và công tác trắc địa: Bố trí cần trục tháp, phân chia phân đoạn thi công; thiết lập lưới trục trắc địa công trình, phương pháp chuyển trục và chuyển độ cao lên từng tầng nhà.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật cụ thể:

  • Xác lập đầy đủ hệ thống kích thước cấu kiện chịu lực cho tòa nhà 11 tầng: vách lõi $300\text{ mm}$, cột điển hình $400 \times 400\text{ mm}$, hệ dầm chính ($25\times60\text{ cm}$, $20\times35\text{ cm}$, $30\times65\text{ cm}$) và bản sàn $10 - 12\text{ cm}$.
  • Giải quyết bài toán nén lệch tâm xiên của cột tầng dưới cùng với lực nén lớn nhất $N = -320,67\text{ T}$, xác định chính xác lượng cốt thép chịu lực $18\phi20$ ($A_s = 56,55\text{ cm}^2$), cốt đai $\phi8a200$.
  • Thiết lập hoàn chỉnh quy trình thi công xây dựng phần ngầm (ép cọc Robot, ván khuôn đài giằng) và phần thân (ván khuôn thép Hòa Phát, xe trộn KAMAZ-5511, công tác trắc địa chuyển trục/độ cao).

Giải pháp và đóng góp của đồ án:

  • Vận dụng mô hình khung - giằng kết hợp vách lõi và hệ khung không gian, giúp giảm đáng kể mô men và tải trọng ngang tác dụng lên hệ khung cột bê tông cốt thép.
  • Đưa ra giải pháp tổ chức thi công khả thi trong điều kiện công trường đô thị chật hẹp, chịu khống chế về giờ vận chuyển xe cơ giới ban đêm và quy định bảo đảm an toàn vệ sinh môi trường.
  • Hệ thống hóa toàn diện các bước thiết kế từ kiến trúc, kết cấu đến tổ chức công nghệ thi công cho một công trình cao tầng cụ thể.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Việc tính toán cốt thép cột chịu nén lệch tâm xiên mới chỉ áp dụng theo phương pháp gần đúng (chuyển đổi về bài toán lệch tâm phẳng tương đương) mà chưa áp dụng phương pháp biểu đồ tương tác phi tuyến chính xác.
  • Do phạm vi đồ án tốt nghiệp kỹ sư, tính toán tải trọng gió mới dừng lại ở phân tích thành phần gió tĩnh theo TCVN 2737-1995, chưa đi sâu vào phân tích động học chi tiết của dao động công trình dưới tác dụng của thành phần gió động và tải trọng động đất.

Hướng phát triển:

  • Ứng dụng các phần mềm chuyên dụng để tính toán cốt thép cột theo biểu đồ bao tương tác không gian $(N-M_x-M_y)$.
  • Nghiên cứu bổ sung tính toán thành phần động của tải trọng gió và tải trọng động đất theo các tiêu chuẩn hiện hành cho các công trình có quy mô chiều cao lớn hơn.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên ngành Kỹ thuật công trình xây dựng, Xây dựng dân dụng và công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học Bê tông cốt thép, Đồ án Thi công hoặc Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Quy trình và ví dụ số liệu thực tế tính toán cột chữ nhật chịu nén lệch tâm xiên theo phương pháp của GS. Nguyễn Đình Cống.
    • Phương pháp sơ bộ tiết diện cấu kiện nhà nhiều tầng (cột, dầm, vách, sàn) theo các tiêu chuẩn Việt Nam.
    • Các bảng biểu tính toán tải trọng hoàn thiện sàn, tải trọng tường xây và quy trình tổ chức thi công phần ngầm, phần thân.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công trình chung cư HPC Landmark 105 có quy mô tầng và chiều cao như thế nào? Công trình gồm 11 tầng với tổng chiều cao $40,8\text{ m}$. Trong đó tầng trệt dùng làm dịch vụ cao $4,5\text{ m}$, 10 tầng trên làm khu phòng ở cao $3,3\text{ m}$/tầng.

  2. Giải pháp kết cấu chịu lực chính được lựa chọn cho tòa nhà là gì? Tác giả lựa chọn hệ hỗn hợp khung cột chịu lực, dầm bê tông cốt thép kết hợp với lõi chịu tải trọng ngang hoạt động theo sơ đồ khung - giằng.

  3. Vật liệu bê tông và cốt thép sử dụng trong tính toán kết cấu phần thân là loại nào? Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B25 ($R_b = 14,5\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$, $E_b = 30 \times 10^3\text{ MPa}$) và cốt thép nhóm CII ($R_s = R_{sc} = 280\text{ MPa}$, $R_{sw} = 225\text{ MPa}$).

  4. Tiết diện và lượng cốt thép được bố trí cho cột C5 tầng trệt là bao nhiêu? Cột C5 có tiết diện vuông $400 \times 400\text{ mm}$, được bố trí $18\phi20$ ($A_s = 56,55\text{ cm}^2$) và cốt đai $\phi8$ với khoảng cách đai $200\text{ mm}$.

  5. Phương pháp ép cọc và loại ván khuôn được chỉ định trong phần biện pháp thi công là gì? Phần ngầm sử dụng máy ép cọc Robot kết hợp cẩu phục vụ cọc; phần thân sử dụng hệ ván khuôn thép định hình Hòa Phát kết hợp giàn giáo cột chống.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Đình Hiếu đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật và biện pháp thi công cho tòa nhà chung cư cao tầng HPC Landmark 105 quy mô 11 tầng tại Hà Đông, Hà Nội. Tác giả đã vận dụng đúng đắn các tiêu chuẩn xây dựng TCVN 2737-1995, TCXDVN 356-2005 và công cụ ETABS 9.4 để tính toán an toàn cho hệ kết cấu khung - giằng bê tông cốt thép. Bản khóa luận là tài liệu tham khảo chi tiết, có giá trị ứng dụng cao cho sinh viên ngành kỹ thuật công trình xây dựng trong việc giải quyết bài toán thiết kế cấu kiện và tổ chức thi công thực tế.