Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Trung tâm thương mại Pearl Plaza" do sinh viên Trần Công Hậu thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Hậu và phản biện của PGS. Châu Đình Thành tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2018, bảo vệ ngày 19/07/2022). Công trình thuộc nhóm công trình công cộng phức hợp thương mại và dịch vụ quy mô lớn được xây dựng tại khu vực đô thị có mật độ cao.

Bối cảnh thực tiễn của đồ án xuất phát từ nhu cầu thiết kế một công trình nhà cao tầng hiện đại tại Thành phố Hồ Chí Minh, đòi hỏi giải pháp kết cấu vừa đảm bảo khả năng chịu lực dưới các tác động tải trọng đứng và tải trọng ngang (gió động, động đất), vừa đáp ứng không gian kiến trúc thông thoáng cho mục đích thương mại.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - thiết kế của đồ án bao gồm các nội dung trọng tâm sau:

  1. Tiếp nhận và phân tích hồ sơ kiến trúc công trình Trung tâm thương mại Pearl Plaza; xác định các thông số hình học, mặt bằng công năng các tầng và cấp công trình.
  2. Thiết lập hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng, lựa chọn vật liệu xây dựng (bê tông, cốt thép) và đề xuất phương án kết cấu chịu lực theo phương đứng và phương ngang.
  3. Xác định và tổng hợp các loại tải trọng tác động lên công trình, bao gồm tĩnh tải, hoạt tải sử dụng, thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió, cùng tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản ứng.
  4. Xây dựng mô hình tính toán tổng thể, phân tích dao động công trình và tiến hành kiểm tra các điều kiện an toàn theo trạng thái giới hạn thứ hai (kiểm tra chống lật, gia tốc đỉnh, chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng và hiệu ứng P-Delta).
  5. Thực hiện tính toán và bố trí cốt thép chi tiết cho các cấu kiện kết cấu chính: cầu thang bộ, sàn tầng điển hình, hệ thống dầm, cột chịu nén lệch tâm xiên, vách lõi chịu lực bằng phương pháp ứng suất đàn hồi, và hệ kết cấu móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép.
  6. Nghiên cứu chuyên đề nâng cao: Phân tích và thiết kế phương án sàn phẳng hộp rỗng Ubot Beton theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 1992, ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm SAFE.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối của công trình Trung tâm thương mại Pearl Plaza.
  • Phạm vi không gian: Công trình cấp II, quy mô gồm 22 tầng nổi và 02 tầng hầm; chiều cao tổng thể công trình là 85 m; diện tích sàn tầng điển hình đạt 2340 m²; địa điểm xây dựng tại Quận Bình Thạnh, Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi nội dung kỹ thuật: Thiết kế chi tiết cấu kiện phần thân tập trung vào tầng điển hình (Tầng 17), tính toán hệ kết cấu móng cọc ngàm vào địa tầng thực tế, và tính toán so sánh chuyên đề sàn hộp rỗng Ubot.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng quy trình tính toán dựa trên hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng hiện hành tại Việt Nam cùng tiêu chuẩn quốc tế cho phần chuyên đề:

  • TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 229-1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn.
  • TCVN 9386-2012: Thiết kế công trình chịu động đất.
  • TCVN 5574-2018: Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCVN 9362-2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình.
  • TCVN 10304-2014: Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • Eurocode 1992 (EC2): Thiết kế kết cấu bê tông cho chuyên đề sàn hộp rỗng Ubot Beton.

Vật liệu sử dụng trong thiết kế kết cấu:

  • Bê tông: Sử dụng các cấp độ bền B30 và B35.
  • Cốt thép: Nhóm thanh tròn trơn CB240-T và cốt thép có gờ CB400-V, SD-390.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế:

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng mô hình hóa không gian 3D để phân tích động lực học công trình, xác định chu kỳ, tần số và các dạng mode dao động riêng; xuất nội lực dầm, cột, vách lõi và mô hình dải strip sàn trong phần mềm chuyên dụng (SAP2000, SAFE).
  • Phương pháp giải tích truyền thống: Áp dụng trong tính toán bản thang bộ nhằm kiểm soát chính xác độ võng dài hạn của bê tông theo thời gian thay vì mô hình phần mềm; áp dụng phương pháp giải tích quy đổi bài toán nén uốn lệch tâm xiên về lệch tâm phẳng đối với cột bê tông cốt thép; phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi để chia nhỏ phần tử và tính toán cốt thép cho vách lõi.
  • Nguồn dữ liệu đầu vào: Hồ sơ thiết kế kiến trúc Trung tâm thương mại Pearl Plaza (mặt đứng, mặt bằng hầm, mặt bằng tầng thương mại, mặt bằng tầng điển hình) và báo cáo số liệu khảo sát địa chất công trình tại khu đất xây dựng ở Quận Bình Thạnh.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kết cấu chịu lực của công trình Pearl Plaza được lựa chọn dựa trên phân tích hình học và tải trọng công trình:

  • Phương án chịu tải trọng đứng: Sử dụng hệ sàn dầm trực giao cho phương án cơ bản và hệ sàn phẳng hộp rỗng Ubot Beton cho phương án chuyên đề.
  • Phương án chịu tải trọng ngang: Lựa chọn hệ kết cấu khung - vách lõi bê tông cốt thép tương tác, tận dụng độ cứng lớn của lõi thang máy và vách cứng để giảm chuyển vị ngang dưới tác động của gió và động đất.

Phân loại và xác định tải trọng tác động:

  1. Tải trọng đứng:
    • Tĩnh tải: Bao gồm trọng lượng bản thân các cấu kiện kết cấu, tĩnh tải các lớp hoàn thiện sàn (gạch lát, vữa lót, trần treo) và tĩnh tải tường xây phân bố trên dầm hoặc sàn.
    • Hoạt tải: Phân chia theo công năng sử dụng gồm phần ngắn hạn, phần dài hạn và toàn phần. Tại sàn tầng điển hình (Tầng 17), hoạt tải được phân loại theo hai mức cường độ: khu vực hoạt tải $< 2\text{ kN/m}^2$ và khu vực hoạt tải $> 2\text{ kN/m}^2$.
  2. Tải trọng ngang:
    • Tải trọng gió: Xác định thành phần tĩnh theo TCVN 2737-1995 dọc theo hai phương chính X và Y của công trình; tính toán thành phần động của gió theo TCVN 229-1999 dựa trên các mode dao động cơ bản của kết cấu.
    • Tải trọng động đất: Tính toán theo phương pháp phổ phản ứng đàn hồi tuân thủ TCVN 9386-2012, xác định lực cắt đáy và phân bố lực động đất lên từng tầng.

Bảng tổng hợp kiểm tra các chỉ tiêu trạng thái giới hạn thứ hai (SLS) của công trình:

Chỉ tiêu kiểm tra Công thức / Giá trị tính toán Giá trị giới hạn cho phép Kết luận
Điều kiện chống lật $H / B = 85 / 50 = 1.70$ $\le 5.0$ Đạt yêu cầu ổn định
Gia tốc đỉnh công trình ($a_d$) $118\text{ mm/s}^2$ $[a_d] \le 150\text{ mm/s}^2$ Đạt yêu cầu tiện nghi
Chuyển vị đỉnh công trình theo phương X $\Delta_x = 38.4\text{ mm}$ Thỏa mãn giới hạn cho phép Đạt yêu cầu độ cứng
Chuyển vị lệch tầng tương đối $\Delta_x = 5.94\text{ mm}$ $[\Delta_x, \Delta_y] \le 25\text{ mm}$ Đạt yêu cầu biến dạng
Hiệu ứng P-Delta $\theta = \frac{P_{TOT} \cdot d_r}{V_{TOT} \cdot h} \le 0.1$ $\theta \le 0.1$ Bỏ qua ảnh hưởng bậc hai

Nội dung chính theo từng chương

Chương I. Giới thiệu tổng quan và kiến trúc công trình

Chương này trình bày lý lịch tổng quát của dự án Trung tâm thương mại Pearl Plaza tại Quận Bình Thạnh, TP. Hồ Chí Minh. Công trình được phân cấp Cấp II với quy mô xây dựng gồm 22 tầng nổi, 02 tầng hầm và tổng chiều cao đạt 85 m. Mặt bằng sàn tầng điển hình có diện tích 2340 m². Tác giả thể hiện đầy đủ hệ thống bản vẽ kiến trúc gồm phối cảnh tổng thể, mặt đứng công trình, mặt bằng các tầng hầm phục vụ đỗ xe và kỹ thuật, mặt bằng sàn các tầng thương mại dịch vụ tại khối đế và mặt bằng bố trí không gian tầng điển hình của khối tháp.

Chương II. Thiết kế kết cấu

Chương II là phần trọng tâm của đồ án, trình bày quy trình tính toán chi tiết cho từng cấu kiện kết cấu từ phần thân đến phần móng:

  1. Hệ thống tải trọng và phân tích tổng thể: Xác lập cơ sở tính toán tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió (thành phần tĩnh theo hai phương X, Y và thành phần động qua các dạng dao động riêng), tải trọng động đất theo phổ phản ứng và thực hiện kiểm tra an toàn chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng, gia tốc đỉnh và chống lật.
  2. Thiết kế kết cấu cầu thang bộ: Lựa chọn sơ đồ tính bản thang hai vế truyền lực vào dầm chiếu nghỉ và dầm chiếu tới. Tác giả sử dụng phương pháp giải tích thay vì mô hình trong Sap2000 để tính toán độ võng dài hạn của bản thang và bố trí cốt thép chịu lực cho bản thang và dầm chiếu tới.
  3. Thiết kế kết cấu sàn tầng điển hình (Tầng 17): Tách dải strip rộng 1m theo hai phương X và Y từ biểu đồ mômen M1-1 và M2-2; tính toán diện tích cốt thép lớp trên và lớp dưới; kiểm tra độ võng dài hạn của sàn có xét đến hiện tượng co ngót và từ biến của bê tông.
  4. Thiết kế kết cấu dầm tầng điển hình (Tầng 17): Thiết lập mặt bằng kết cấu dầm gồm dầm chính có tiết diện $300 \times 700\text{ mm}$ và dầm phụ tiết diện $250 \times 500\text{ mm}$. Dựa vào biểu đồ bao mômen uốn để tính toán cốt thép dọc, và biểu đồ lực cắt $Q$ để tính toán cốt đai chịu cắt theo điều kiện $Q \le Q_u = Q_b + Q_{sw}$.
  5. Thiết kế cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm xiên: Quy trình thực hiện qua 4 bước:
    • Bước 1: Kiểm tra điều kiện tính toán gần đúng cột lệch tâm xiên theo tỷ số $0.5 \le C_X / C_Y \le 2$.
    • Bước 2: Tính toán độ ảnh hưởng của uốn dọc theo hai phương tác dụng.
    • Bước 3: Quy đổi bài toán nén lệch tâm xiên về bài toán nén lệch tâm phẳng tương đương.
    • Bước 4: Phân loại trường hợp tính toán (lệch tâm bé hoặc lệch tâm lớn) để xác định diện tích cốt thép $A_s$. Cốt thép cột sau tính toán được kiểm tra hàm lượng: $1% \le \mu = \frac{A_s}{b \cdot h_0} \le 4%$, đáp ứng yêu cầu kháng chấn theo TCVN 9386-2012.
  6. Thiết kế vách lõi bê tông cốt thép bằng phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi: Quy trình gồm 6 bước: (01) Chia vách thành nhiều phần tử nhỏ, (02) Xác định hệ trục quán tính chính, (03) Tính toán đặc trưng vật liệu và nội lực phần tử theo công thức $N_i = \frac{N}{n} \pm \frac{M_{x,y}}{\sum (y_i^2, x_i^2)} \cdot (y_i, x_i)$, (04) Phân phối nội lực kéo/nén cho từng phần tử, (05) Tính toán diện tích cốt thép vùng chịu kéo $A_{sc}$ và vùng chịu nén $A_s$, (06) Thể hiện bản vẽ bố trí cốt thép vách lõi.
  7. Thiết kế kết cấu móng công trình: Lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép.
    • Thông số cọc: Đường kính cọc $D = 800\text{ mm}$, cao độ đáy cọc tại mức $-66.6\text{ m}$, mũi cọc ngàm vào lớp đất chịu lực số 3 một đoạn sâu $25\text{ m}$, bố trí cốt thép dọc gồm $20\phi25$.
    • Xác định sức chịu tải đặc trưng của cọc: $R_{c,k} = \min(R_{c,u1}, R_{c,u2}, R_{c,u3})$, trong đó $R_{c,u1}$ tính theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, $R_{c,u2}$ tính theo cường độ vật liệu làm cọc, và $R_{c,u3}$ tính theo chỉ số thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT.
    • Kiểm tra an toàn: Kiểm tra phản lực đầu cọc dưới đài móng, kiểm tra ổn định nền đất, kiểm tra độ lún công trình, kiểm tra xuyên thủng đáy đài móng. Tính cốt thép đài móng M3 và móng lõi thang máy thông qua việc kẻ dải strip hai phương để xác định mômen uốn.

Chuyên đề nâng cao: Thiết kế sàn hộp rỗng Ubot Beton

Chương chuyên đề nghiên cứu giải pháp sàn nhẹ bê tông cốt thép giảm trọng lượng bản thân cho công trình:

  • Lịch sử phát triển các công nghệ sàn rỗng: Khảo cứu sự hình thành từ sàn BubbleDeck (Đan Mạch - 1990), sàn Cobiax (Thụy Sĩ - 1980) đến sàn hộp định hình Ubot Beton (Italia - 2001).
  • Cơ sở thiết kế: Áp dụng tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 1992.
  • Phương pháp tính toán: Xác định kích thước mũ cột (chống chọc thủng) và kích thước hệ dầm biên; nhập các hệ số quy đổi độ cứng tương đương cho sàn hộp rỗng; xây dựng mô hình không gian 3D trên phần mềm SAFE; trích xuất biểu đồ mômen dải strip theo phương X và phương Y để tính toán và bố trí cốt thép sàn.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn việc tính toán thiết kế kỹ thuật cho công trình nhà cao tầng Pearl Plaza với các kết quả cụ thể:

  1. Đã thiết lập mô hình kết cấu tổng thể hệ khung - vách lõi làm việc an toàn dưới các tổ hợp tải trọng tĩnh, gió động và động đất. Các thông số biến dạng và ổn định tổng thể đều thỏa mãn giới hạn cho phép của tiêu chuẩn thiết kế: tỷ số chống lật $H/B = 1.7 < 5$, gia tốc đỉnh $a_d = 118\text{ mm/s}^2 < 150\text{ mm/s}^2$, chuyển vị lệch tầng $\Delta_x = 5.94\text{ mm} < 25\text{ mm}$, và hệ số P-Delta $\theta \le 0.1$.
  2. Đã tính toán và định cỡ tiết diện hợp lý cho hệ kết cấu tầng điển hình: Dầm chính $300 \times 700\text{ mm}$, dầm phụ $250 \times 500\text{ mm}$; cốt thép cột được kiểm soát hàm lượng hợp lý từ $1%$ đến $4%$ đảm bảo khả năng dẻo kháng chấn theo TCVN 9386-2012.
  3. Đã đưa ra giải pháp móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 800\text{ mm}$ ngàm vào tầng địa chất tốt (lớp 3) ở độ sâu chôn cọc $-66.6\text{ m}$ với cốt thép dọc $20\phi25$, giải quyết bài toán chịu tải trọng lớn của khối tháp 22 tầng và 2 tầng hầm.
  4. Về mặt giải pháp kỹ thuật, đồ án đã áp dụng thành công phương pháp ứng suất đàn hồi để tính toán vách lõi phức tạp và triển khai chuyên đề sàn phẳng Ubot Beton theo Eurocode 1992, chứng minh tính khả thi trong việc giảm tải trọng bản thân và tăng khẩu độ không gian cho sàn tầng thương mại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế trong phạm vi đồ án:

  • Việc tính toán thiết kế chi tiết cấu kiện dầm và sàn mới tập trung giải quyết cho một tầng đại diện là tầng điển hình (Tầng 17), chưa thể hiện hết toàn bộ các tầng có chuyển đổi công năng kiến trúc phức tạp ở khối đế thương mại.
  • Phương án sàn phẳng hộp rỗng Ubot Beton mới dừng lại ở phạm vi nghiên cứu chuyên đề thiết kế kỹ thuật trên mô hình SAFE theo Eurocode 1992, chưa đi sâu vào phân tích so sánh định lượng về chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (khối lượng bê tông, cốt thép tiết giảm và giá thành thi công) so với sàn dầm truyền thống.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Mở rộng phân tích ứng xử phi tuyến của hệ khung vách chịu động đất mức độ cao bằng phương pháp Push-over.
  • Đánh giá chi tiết biện pháp thi công tầng hầm (semi-topdown hoặc top-down) kết hợp bài toán quan trắc lún và chuyển vị thực tế của hố đào sâu 2 tầng hầm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho sinh viên ngành Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Bê tông cốt thép, Kết cấu nhà cao tầng, Nền móng:

  • Cung cấp quy trình mẫu rõ ràng về các bước tính toán cột chịu nén lệch tâm xiên bằng phương pháp quy đổi lệch tâm phẳng.
  • Cung cấp phương pháp phân chia phần tử và tính toán cốt thép vách lõi bê tông cốt thép dựa trên phân bố ứng suất đàn hồi.
  • Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 229-1999 và kiểm tra trạng thái giới hạn thứ hai cho công trình cao tầng.
  • Cung cấp quy trình thiết kế và mô hình hóa sàn phẳng nhẹ Ubot Beton trong phần mềm SAFE theo tiêu chuẩn Eurocode 1992.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công trình Trung tâm thương mại Pearl Plaza có quy mô hình học và các thông số kiến trúc cơ bản như thế nào?
    Công trình là công trình cấp II, gồm 22 tầng nổi và 02 tầng hầm, chiều cao tổng thể đạt 85 m, diện tích sàn tầng điển hình là 2340 m², được xây dựng tại Quận Bình Thạnh, TP. Hồ Chí Minh.

  2. Kết quả kiểm tra trạng thái giới hạn thứ hai (SLS) của công trình đạt các giá trị cụ thể nào?
    Công trình đạt tỷ số chống lật $H/B = 85/50 = 1.7$ (giới hạn $\le 5$); gia tốc đỉnh $a_d = 118\text{ mm/s}^2$ (giới hạn $\le 150\text{ mm/s}^2$); chuyển vị đỉnh $\Delta_x = 38.4\text{ mm}$; chuyển vị lệch tầng lớn nhất $\Delta_x = 5.94\text{ mm}$ (giới hạn $\le 25\text{ mm}$); và hệ số P-Delta $\theta \le 0.1$.

  3. Quy trình tính toán cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm xiên trong đồ án được thực hiện như thế nào?
    Quy trình gồm 4 bước: (1) Kiểm tra điều kiện tính gần đúng theo tỷ số $0.5 \le C_X/C_Y \le 2$; (2) Tính toán ảnh hưởng uốn dọc theo hai phương; (3) Quy đổi bài toán lệch tâm xiên về bài toán lệch tâm phẳng tương đương; (4) Phân loại trường hợp tính toán để xác định cốt thép $A_s$, đồng thời kiểm tra hàm lượng cốt thép nằm trong khoảng $1% \le \mu \le 4%$ theo TCVN 9386-2012.

  4. Giải pháp móng cọc khoan nhồi của công trình có những thông số kỹ thuật chính nào?
    Móng sử dụng cọc khoan nhồi đường kính $D = 800\text{ mm}$, cao độ đáy cọc chôn sâu $-66.6\text{ m}$, mũi cọc cắm sâu $25\text{ m}$ vào lớp đất số 3, cốt thép dọc cọc bố trí $20\phi25$. Sức chịu tải đặc trưng của cọc được xác định theo giá trị nhỏ nhất giữa ba phương pháp: cơ lý đất nền ($R_{c,u1}$), cường độ vật liệu ($R_{c,u2}$) và số đập SPT ($R_{c,u3}$).

  5. Chuyên đề sàn hộp rỗng Ubot Beton được tính toán dựa trên tiêu chuẩn nào và giải quyết bài toán mô hình ra sao?
    Chuyên đề được thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocode 1992, sử dụng phần mềm SAFE để lập mô hình 3D, nhập hệ số quy đổi độ cứng của sàn hộp, thiết kế dầm biên và mũ cột chịu chọc thủng, từ đó trích xuất nội lực dải strip theo hai phương X và Y để bố trí cốt thép.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Trung tâm thương mại Pearl Plaza" của sinh viên Trần Công Hậu là một công trình thiết kế kết cấu công trình dân dụng cao tầng hoàn chỉnh, tuân thủ chặt chẽ hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng Việt Nam và quốc tế. Tác giả đã giải quyết đồng bộ từ việc xác định tải trọng tĩnh, gió động, động đất, kiểm tra an toàn biến dạng tổng thể đến tính toán chi tiết các cấu kiện dầm, sàn, cột lệch tâm xiên, vách lõi và móng cọc khoan nhồi sâu $-66.6\text{ m}$. Bên cạnh phương án kết cấu truyền thống, việc nghiên cứu chuyên đề sàn hộp rỗng Ubot Beton theo Eurocode 1992 đã mang lại giải pháp kết cấu hiện đại, đáp ứng tốt yêu cầu không gian cho công trình thương mại quy mô lớn.