Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế công trình

Đồ án tốt nghiệp "Tòa nhà Kinghouse (Kinghouse Apartment)" do sinh viên Nguyễn Khánh Ân thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đào Duy Kiên tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, khóa 2018). Đề tài xuất phát từ thực tiễn quá trình đô thị hóa và gia tăng dân số nhanh chóng tại các đô thị lớn, dẫn đến quỹ đất xây dựng ngày càng thu hẹp. Việc phát triển công trình nhà ở cao tầng dạng chung cư là giải pháp kỹ thuật và xã hội phù hợp nhằm tối ưu hóa diện tích đất, đáp ứng nhu cầu an cư của người dân và góp phần hoàn thiện cảnh quan kiến trúc đô thị.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Về kiến trúc: Khảo sát, tổng hợp quy mô và giải pháp kiến trúc tổng thể của công trình; phân chia công năng các tầng, tổ chức hệ thống giao thông đứng, giao thông ngang và tích hợp các giải pháp kỹ thuật hạ tầng (cấp thoát nước, chiếu sáng, thông gió, phòng cháy chữa cháy).
  2. Về kết cấu: Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống kết cấu chịu lực bê tông cốt thép toàn khối của công trình bao gồm các cấu kiện: sàn, dầm, cột, vách thang máy, cầu thang bộ và hệ thống kết cấu móng.
  3. Về trình bày: Lập thuyết minh chi tiết phương pháp tính toán, phân tích nội lực, kiểm tra các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn xây dựng hiện hành và triển khai hồ sơ bản vẽ kỹ thuật phục vụ thi công.

Đối tượng và phạm vi thiết kế của đồ án:

  • Đối tượng thiết kế: Khối chung cư cao tầng kết hợp thương mại dịch vụ Kinghouse Apartment.
  • Phạm vi không gian: Công trình tọa lạc tại đường 904, phường Hiệp Phú, thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh; phía Tây giáp Xa lộ Hà Nội, phía Nam tiếp giáp đường 904, phía Đông và phía Bắc tiếp giáp các khu công trình dân dụng lân cận.
  • Quy mô công trình: Tòa nhà gồm 15 tầng nổi và 01 tầng hầm, chiều cao đỉnh mái đạt 56,0 m (chưa kể tầng hầm); diện tích sàn xây dựng khoảng 16.000 m² trên khu đất giả định 3.000 m². Mặt bằng tầng điển hình có kích thước biên 35,6 m × 22,2 m, diện tích xây dựng khoảng 790 m². Cấp công trình được phân loại là công trình dân dụng cấp II căn cứ theo Thông tư số 06/2021/TT-BXD.
  • Phạm vi thời gian thực hiện: Nhiệm vụ đồ án được giao từ ngày 01/09/2022, hoàn thành nghiệm thu và bảo vệ vào tháng 02/2023.

Cơ sở lý thuyết, tiêu chuẩn và phương pháp tính toán

Thiết kế kết cấu tòa nhà Kinghouse được xây dựng trên hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành, kết hợp tham chiếu tiêu chuẩn quốc tế:

  • Tiêu chuẩn kết cấu và nền móng: TCVN 5574:2018 (Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế); TCVN 10304:2014 (Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế); TCVN 195:1997 (Nhà cao tầng – Thiết kế cọc khoan nhồi); TCVN 9362:2012 (Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình); TCVN 9393:2012 và TCVN 9394:2012 về thi công, nghiệm thu và thí nghiệm cọc; EN 1992:2004 (Eurocode 2).
  • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737:1995 (Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế); TCXD 229:1999 (Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió); TCVN 9386:2012 và TCXDVN 375:2006 (Thiết kế công trình chịu động đất); QCVN 02:2009/BXD (Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng).
  • Quy chuẩn chuyên ngành: QCVN 06:2020/BXD (An toàn cháy cho nhà và công trình); QCVN 04:2015/BXD (Nhà ở và công trình công cộng); QCVN 03:2012/BXD (Nguyên tắc phân loại, phân cấp công trình dân dụng).

Mô hình tính toán kết cấu dựa trên các giả thuyết cơ học công trình:

  • Sàn các tầng được xem là màng cứng tuyệt đối trong mặt phẳng nằm ngang (rigid diaphragm), có độ cứng vô cùng lớn đối với biến dạng trong mặt phẳng và bỏ qua biến dạng dọc trục của bản sàn.
  • Các liên kết giữa dầm, sàn, cột và vách lõi được mô hình hóa là liên kết cứng toàn khối. Toàn bộ chân cột và chân vách được ngàm cứng tại mặt trên của hệ đài móng.
  • Chuyển vị ngang của các phần tử chịu lực thẳng đứng tại cùng một cao trình tầng được giả định đồng nhất theo chuyển vị của sàn tầng đó.

Phương pháp tính toán và công cụ hỗ trợ:

  • Tác giả sử dụng phương pháp giải tích cho các cấu kiện đơn lẻ (bản thang bộ, dầm chiếu tới, sơ bộ kích thước tiết diện) và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) để phân tích không gian hệ kết cấu chịu lực phức tạp.
  • Bộ phần mềm chuyên dụng hỗ trợ thiết kế gồm: ETABS phiên bản 17.1 (mô hình hóa không gian 3D khung – vách – lõi, phân tích dao động riêng, xác định nội lực dưới tác động của tĩnh tải, hoạt tải, gió tĩnh, gió động và động đất); SAFE phiên bản 2016 (phân tích nội lực bản sàn tầng điển hình theo dải Strip A/B và tính toán nội lực phản lực hệ đài móng cọc); AutoCAD 2020 (khai triển bản vẽ kỹ thuật) và Microsoft Excel (lập bảng tính tự động kiểm tra tiết diện cốt thép).

Nguyên lý thiết kế kiểm tra theo hai trạng thái giới hạn:

  • Trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH I): Kiểm tra độ bền chịu lực, khả năng chống phá hoại giòn hoặc phá hoại dẻo của các tiết diện bê tông cốt thép, đảm bảo công trình không bị mất ổn định tổng thể dưới các tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất.
  • Trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH II): Đảm bảo các điều kiện sử dụng bình thường, bao gồm việc khống chế chuyển vị ngang đỉnh công trình, chuyển vị lệch tầng tương đối (drift), gia tốc đỉnh cực đại dưới tác dụng của gió động, độ võng dài hạn và khả năng hình thành, mở rộng vết nứt của cấu kiện uốn.

Vật liệu sử dụng trong thiết kế:

  • Bê tông: Bê tông cấp độ bền B30 được chọn cho toàn bộ cấu kiện chịu lực chính (cột, dầm, sàn, vách, đài móng, cọc); bê tông cấp độ bền B12 dùng cho lớp bê tông lót móng dày 100 mm.
  • Cốt thép: Sử dụng hai nhóm thép theo TCVN 1651:2008 gồm CB300-V (cường độ tính toán chịu kéo $R_s = 260\text{ MPa}$, dùng cho cốt đai và cốt thép phân bố có đường kính nhỏ hơn 10 mm) và CB400-V (cường độ tính toán chịu kéo $R_s = 350\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 2 \times 10^5\text{ MPa}$, dùng cho cốt thép dọc chịu lực có đường kính từ 10 mm trở lên).
Cấu kiện Cấp độ bền bê tông Nhóm cốt thép dọc Chiều dày lớp bê tông bảo vệ ($a$)
Sàn nhà B30 CB400-V / CB300-V 30 mm
Dầm khung B30 CB400-V 40 mm
Cột, Vách lõi B30 CB400-V 40 mm
Cầu thang bộ B30 CB300-V / CB400-V 20 mm
Đài móng, Cọc khoan nhồi B30 CB400-V 50 mm
Bê tông tiếp xúc đất có lót B30 CB400-V 35 mm

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan công trình

Chương 1 trình bày tổng quan về giải pháp kiến trúc và hệ thống kỹ thuật của tòa nhà Kinghouse Apartment. Tòa nhà có quy mô 15 tầng nổi và 1 tầng hầm với diện tích xây dựng tầng điển hình 790 m². Công năng được phân bổ cụ thể: tầng hầm phục vụ đỗ xe máy và ô tô; tầng 1 và tầng 2 bố trí sảnh đón, khu sinh hoạt cộng đồng và khu trung tâm thương mại, siêu thị; tầng 3 đến tầng 15 là khu căn hộ cao cấp (8 căn hộ/tầng, diện tích từ 100 m² đến 120 m²); tầng mái bố trí khu kỹ thuật, bể nước và sân giải trí. Hệ thống giao thông gồm 4 thang máy tốc độ cao và 2 thang bộ thoát hiểm đặt tại lõi trung tâm. Các hệ thống hạ tầng kỹ thuật được tích hợp đồng bộ: nguồn điện hai lộ (lưới điện thành phố và máy phát điện dự phòng); hệ thống cấp nước phân vùng từ bể ngầm bơm lên bể mái; hệ thống thoát nước mưa và nước thải tách riêng; hệ thống thông gió kết hợp tự nhiên và cưỡng bức tại tầng hầm; hệ thống báo cháy tự động và chữa cháy họng nước vách tường kết hợp trữ lượng nước chữa cháy tại bể mái.

Chương 2: Tổng quan kết cấu công trình

Nội dung chương tập trung luận chứng và lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực. Tác giả lựa chọn phương án kết cấu chịu lực ngang là hệ sàn dầm truyền thống (sàn sườn toàn khối) do ưu điểm dễ thi công, sơ đồ truyền lực rõ ràng, chiều dày bản sàn nhỏ giúp giảm tải trọng tĩnh. Hệ kết cấu chịu lực thẳng đứng là hệ khung – vách – lõi bê tông cốt thép, tận dụng độ cứng uốn rất lớn của vách buồng thang máy để kiểm soát biến dạng ngang do gió và động đất. Phương án móng sâu sử dụng cọc khoan nhồi đường kính D1000 cắm vào tầng đất chịu lực tốt dưới cao trình hầm -3,0 m.

Kích thước tiết diện các cấu kiện chịu lực chính được sơ bộ:

  • Bản sàn: Sàn tầng hầm dày 200 mm; sàn tầng 1 đến tầng mái dày 150 mm (nhịp lớn nhất $7{,}04\text{ m} \times 7{,}6\text{ m}$).
  • Hệ dầm: Dầm chính kích thước $300 \times 600\text{ mm}$; dầm phụ kích thước $300 \times 450\text{ mm}$.
  • Hệ vách: Vách lõi thang máy dày 300 mm, thỏa mãn điều kiện $t \ge h_t/20 = 3400/20 = 170\text{ mm}$ và $t \ge 200\text{ mm}$ theo TCVN 198:1997.
  • Hệ cột: Tiết diện cột được xác định sơ bộ theo công thức diện tích truyền tải $A_0 \ge k_t \cdot N / (R_b + \mu \cdot R_s)$ với tải trọng phân bố sàn tương đương $q = 12 \div 15\text{ kN/m}^2$, hệ số $k_t = 1{,}1$ cho cột giữa và $1{,}25$ cho cột biên.

Chương 3: Tải trọng và tác động

Chương này thực hiện thu thập và lập bảng thông số toàn bộ các tải trọng tác dụng lên công trình:

  • Tĩnh tải thẳng đứng: Trọng lượng bản thân kết cấu do phần mềm tự động tính; tĩnh tải hoàn thiện sàn gồm gạch ceramic, vữa lót, vữa tạo dốc, lớp chống thấm và trần MEP (tĩnh tải hoàn thiện sàn tầng hầm: $0{,}21\text{ kN/m}^2$; sàn điển hình: $1{,}86\text{ kN/m}^2$; sàn vệ sinh: $1{,}23\text{ kN/m}^2$; sàn mái: $1{,}12\text{ kN/m}^2$); tĩnh tải tường gạch xây trên dầm và sàn dày 100 mm và 200 mm.
  • Hoạt tải sử dụng: Tra cứu theo TCVN 2737:1995 (khu căn hộ, phòng khách, phòng ngủ: $1{,}5\text{ kN/m}^2$; ban công, hành lang: $3{,}0\text{ kN/m}^2$; phòng kỹ thuật: $4{,}0\text{ kN/m}^2$; nhà để xe: $5{,}0\text{ kN/m}^2$).
  • Tải trọng gió: Công trình thuộc vùng áp lực gió II-A với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$, dạng địa hình B. Phân tích gió động theo TCXD 229:1999 xét dao động công trình với chu kỳ dao động mode 1 là $T_1 = 1{,}634\text{ s}$ theo phương X và mode 3 là $T_3 = 1{,}390\text{ s}$ theo phương Y. Độ giảm loga dao động $\delta = 0{,}3$, hệ số khối lượng tham gia dao động Mass Source $= 1{,}0\text{TT} + 0{,}5\text{HT}$.
  • Tải trọng động đất: Tính toán theo phương pháp phổ phản ứng dao động quy định trong TCVN 9386:2012. Công trình đặt tại thành phố Thủ Đức có gia tốc nền cực đại tham chiếu $a_{gR}/g = 0{,}073$, hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1{,}25$, gia tốc thiết kế $a_g = 0{,}09125g$. Nền đất thuộc loại C ($S = 1{,}15$; $T_B = 0{,}2\text{ s}$; $T_C = 0{,}6\text{ s}$; $T_D = 2{,}0\text{ s}$). Hệ kết cấu khung – vách có hệ số ứng xử cơ bản $q_0 = 3{,}6$, $k_w = 1{,}0$, suy ra hệ số ứng xử thiết kế $q = 3{,}6$.
  • Tổ hợp tải trọng: Xây dựng 23 tổ hợp tải trọng tính toán (TTGH I) và các tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn (TTGH II), bao gồm tổ hợp cơ bản (tĩnh tải kết hợp hoạt tải và tải gió) cùng tổ hợp đặc biệt (tĩnh tải, hoạt tải kết hợp tác động động đất theo tỷ lệ $100% E_X + 30% E_Y$ hoặc $100% E_Y + 30% E_X$).

Chương 4: Kiểm tra trạng thái giới hạn 2

Tác giả tiến hành kiểm tra các điều kiện an toàn sử dụng của kết cấu nhà cao tầng dựa trên kết quả trích xuất từ phần mềm ETABS:

  1. Kiểm tra ổn định chống lật: Tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng công trình $H/B = 56{,}0 / 22{,}2 = 2{,}52 < 5$. Theo mục 2.3 TCXD 198:1997, công trình có tỷ số $H/B \le 5$ nên không cần kiểm tra điều kiện chống lật.
  2. Kiểm tra gia tốc đỉnh: Giới hạn gia tốc cực đại tại đỉnh công trình dưới tác dụng của tải trọng gió theo TCXD 198:1997 là $[a_y] = 150\text{ mm/s}^2$. Chuyển vị đỉnh do tải trọng gió động phương X gây ra là $A = 9{,}216\text{ mm}$, chu kỳ dao động mode 1 $T_1 = 1{,}634\text{ s}$ (tần số góc $\omega = 2\pi / T_1 = 3{,}845\text{ rad/s}$). Gia tốc đỉnh tính toán đạt $a_{yX} = A \cdot \omega^2 = 9{,}216 \times (3{,}845)^2 = 136{,}26\text{ mm/s}^2 < 150\text{ mm/s}^2$, thỏa mãn điều kiện gia tốc đỉnh cho phép.
  3. Kiểm tra chuyển vị đỉnh: Đối với kết cấu khung – vách, chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh nhà phân tích theo mô hình đàn hồi không được vượt quá $[u] = H/750 = 56000 / 750 = 74{,}67\text{ mm}$. Kết quả phân tích tổ hợp S2 trong ETABS cho chuyển vị đỉnh thực tế lớn nhất là $U_x = 26{,}67\text{ mm} < 74{,}67\text{ mm}$, đạt yêu cầu an toàn.
  4. Kiểm tra chuyển vị lệch tầng tương đối (drift): Theo TCVN 9386:2012, chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng dưới tác động động đất phải thỏa mãn điều kiện $d_r \cdot \nu \le 0{,}005h$. Với công trình cấp II có hệ số chiết giảm $\nu = 0{,}5$, giới hạn chuyển vị lệch tầng là $[\text{Drift}] = 0{,}005 \times 3400 / 0{,}5 = 34\text{ mm}$ (hoặc tỷ số $d_r/h \le 0{,}01$). Giá trị Max Drift tính toán lớn nhất tại các tầng đều nhỏ hơn ngưỡng cho phép (tầng mái đạt $0{,}0019$, tầng điển hình đạt $0{,}0025$), kết luận chuyển vị lệch tầng đạt yêu cầu.
  5. Kiểm tra hiệu ứng P-Delta (hiệu ứng hình học bậc hai): Tính toán hệ số nhạy chuyển vị tương đối $\theta = (P_{tot} \cdot d_r) / (V_{tot} \cdot h)$. Kết quả trích xuất cho thấy hệ số $\theta$ tại tất cả các tầng đều nhỏ hơn $0{,}10$. Theo quy định của TCVN 9386:2012, kết cấu không cần phải xét đến hiệu ứng P-Delta trong các bước phân tích nội lực tiếp theo.

Chương 5: Thiết kế cầu thang tầng điển hình

Chương 5 tính toán cầu thang bộ hai vế dạng bản nghiêng đổ toàn khối. Kích thước hình học: chiều rộng vế thang, bậc thang rộng 300 mm, cao 150 mm. Tác giả tách bản thang thành sơ đồ dầm đơn giản kê lên dầm chiếu nghỉ và dầm chiếu tới. Xác định tải trọng phân bố trên bản thang nghiêng và bản chiếu nghỉ (bao gồm tĩnh tải bản bê tông, vữa lát, đá granit, lan can tay vịn và hoạt tải $3{,}0\text{ kN/m}^2$). Dựa trên biểu đồ mô men uốn lớn nhất tại nhịp và gối, tính toán cốt thép dọc chịu uốn cho bản thang, kiểm tra hàm lượng cốt thép hợp lý và bố trí cốt thép phân bố chống nứt. Tiếp đó, nội lực phản lực từ bản thang được truyền vào dầm chiếu tới và dầm chiếu nghỉ; chương tiến hành thiết kế cốt thép dọc và cốt thép đai chịu xoắn, chịu cắt cho các dầm đỡ này.

Chương 6: Thiết kế sàn điển hình

Sàn tầng 3 đến tầng 15 dày 150 mm được mô hình hóa và phân tích chi tiết bằng phần mềm SAFE v2016. Tác giả khai báo đầy đủ các trường hợp tải trọng tĩnh tải hoàn thiện, hoạt tải toàn phần, hoạt tải dài hạn và ngắn hạn. Mô hình phân tích nội lực sử dụng lưới phần tử hữu hạn kết hợp công cụ phân dải Strip Design (dải Strip A theo phương X và dải Strip B theo phương Y, chia thành dải trên cột Column Strip và dải giữa nhịp Middle Strip). Kết quả tính toán cung cấp biểu đồ bao mô men uốn tại các tiết diện gối và nhịp, làm căn cứ chọn thép bản sàn (thép lớp dưới chịu mô men dương nhịp, thép lớp trên chịu mô men âm gối). Chương thực hiện quy trình kiểm tra trạng thái giới hạn 2 cho sàn: kiểm tra điều kiện hình thành vết nứt, kiểm tra bề rộng vết nứt ngắn hạn và dài hạn theo TCVN 5574:2018, tính toán độ võng thực tế của ô sàn nhịp lớn nhất thông qua độ cong của bản có xét đến hiện tượng nứt bê tông và từ biến dài hạn, đối chiếu với giới hạn độ võng cho phép $[f] = L/200$.

Chương 7: Thiết kế khung

Chương 7 triển khai tính toán chi tiết cấu kiện dầm, cột và vách lõi thang máy:

  • Thiết kế dầm khung: Chọn dầm chính tiết diện $300 \times 600\text{ mm}$ tại trục nguy hiểm nhất. Dựa trên tổ hợp bao nội lực (mô men uốn $M_{max}, M_{min}$ và lực cắt $Q_{max}$), tính cốt thép dọc chịu kéo, chịu nén và cốt thép đai chống cắt. Cấu tạo kháng chấn tuân thủ yêu cầu dẻo cấp trung bình: bố trí đai dày tại vùng đầu dầm trong đoạn $2h$ với bước đai $s \le h/4$ và $s \le 100\text{ mm}$, khống chế tỷ lệ neo nối và quy định vị trí nối cốt thép ngoài vùng khớp dẻo.
  • Thiết kế cột: Tính toán cột chịu nén uốn xiên hai phương dưới tác dụng đồng thời của lực dọc $N$ và mô men $M_x, M_y$. Bố trí cốt thép dọc đối xứng, kiểm tra hàm lượng cốt thép trong khoảng $1{,}0% \le \mu \le 3{,}0%$. Thiết kế cốt đai cột tăng cường tại đoạn chân cột và đỉnh cột để chống nở hông và tăng độ dẻo kháng chấn.
  • Thiết kế vách và lõi thang máy: Tính toán vách thang máy dạng hộp P1 và vách chữ U P2. Sử dụng mô hình thanh tương đương (Pier/Spandrel) trong ETABS để trích xuất lực dọc $N$, lực cắt $V$ và mô men uốn $M$. Thiết kế cốt thép vùng biên chịu lực (boundary elements) tập trung chịu kéo/nén lớn do mô men lật và cốt thép thân vách phân bố đều hai lớp dạng lưới, thỏa mãn yêu cầu neo cốt thép và kháng chấn theo TCVN 9386:2012.

Chương 8: Thiết kế móng

Chương 8 phân tích điều kiện địa chất công trình dựa trên số liệu hình trụ hố khoan khảo sát và bảng thống kê cơ lý đất nền:

  • Địa tầng gồm nhiều lớp đất: từ các lớp bùn sét, sét pha dẻo mềm phía trên đến các lớp cát pha, cát hạt mịn chặt vừa đến chặt ở độ sâu lớn. Giá trị xuyên tiêu chuẩn SPT ($N$) tăng dần theo chiều sâu.
  • Lựa chọn giải pháp móng: Do tải trọng công trình 16 tầng rất lớn, phương án móng nông không khả thi; tác giả chọn phương án móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$, cao độ đáy đài đặt tại $-3{,}0\text{ m}$.
  • Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi $D1000$: Tính toán sức chịu tải thiết kế theo 4 phương pháp độc lập:
    1. Theo cường độ vật liệu bê tông cốt thép cọc: $R_v = \gamma_{cb} \cdot (\varphi \cdot R_b \cdot A_b + R_{sc} \cdot A_s)$.
    2. Theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (phương pháp giải tích ma sát bên $f_i$ và sức kháng mũi $q_p$).
    3. Theo chỉ tiêu cường độ chống cắt của đất ($c, \varphi$).
    4. Theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT ($N_{SPT}$) theo chỉ dẫn của TCVN 10304:2014 và TCVN 195:1997. Sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc được chọn lựa trên cơ sở giá trị nhỏ nhất giữa các phương pháp tính toán đất nền, đảm bảo hệ số an toàn quy định.
  • Thiết kế đài móng M1 và đài móng M2:
    • Xác định số lượng cọc trong đài dựa trên tổng tải trọng đứng tiêu chuẩn $N_0^{tc}$ và sức chịu tải của cọc.
    • Kiểm tra phản lực đầu cọc lớn nhất và nhỏ nhất ($P_{max} \le 1{,}2 R_{ck}$, $P_{min} > 0$ chống nhổ).
    • Kiểm tra điều kiện ổn định và tính lún của móng cọc theo mô hình khối móng quy ước (kiểm tra ứng suất đáy móng quy ước $\sigma_{tc} \le R_{tc}$ và độ lún cuối cùng $S \le [S] = 8\text{ cm}$).
    • Kiểm tra điều kiện xuyên thủng đài móng do cột và cọc gây ra.
    • Tính toán cốt thép chịu uốn của đài móng theo hai phương dựa trên mô men do phản lực đầu cọc tác dụng lên công son mép cột.

Kết quả và kiểm tra kỹ thuật

Các kết quả phân tích và kiểm tra các trạng thái giới hạn của công trình tòa nhà Kinghouse được tổng hợp qua bảng số liệu sau:

Hạng mục kiểm tra Tiêu chuẩn áp dụng Giá trị tính toán Giới hạn cho phép Kết luận
Ổn định chống lật ($H/B$) TCXD 198:1997 $H/B = 2{,}52$ $\le 5{,}0$ Thỏa mãn (Không cần kiểm tra)
Gia tốc đỉnh do gió ($a_y$) TCXD 198:1997 $136{,}26\text{ mm/s}^2$ $\le 150\text{ mm/s}^2$ Thỏa mãn
Chuyển vị ngang đỉnh ($U_x$) TCXD 198:1997 $26{,}67\text{ mm}$ $\le 74{,}67\text{ mm}$ ($H/750$) Thỏa mãn
Tỷ số trượt lệch tầng ($d_r/h$) TCVN 9386:2012 $0{,}0019 \div 0{,}0025$ $\le 0{,}01$ Thỏa mãn
Hệ số nhạy P-Delta ($\theta$) TCVN 9386:2012 $\theta_{max} < 0{,}10$ $\le 0{,}10$ Bỏ qua hiệu ứng bậc hai
Phản lực đầu cọc đài M1 TCVN 10304:2014 $P_{max} < 1{,}2 R_{ck}$ $P_{min} > 0$ Đảm bảo khả năng chịu lực
Độ lún khối móng quy ước TCVN 9362:2012 $S < 8{,}0\text{ cm}$ $[S] = 8{,}0\text{ cm}$ Thỏa mãn điều kiện biến dạng
Xuyên thủng đáy đài móng TCVN 5574:2018 $P_{xt} \le B_{xt}$ Theo góc tháp $45^\circ$ Chiều cao đài móng đủ chịu cắt

Về mặt đóng góp giải pháp kỹ thuật, đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh chu trình thiết kế một công trình nhà ở cao cấp quy mô 16 tầng trong đô thị:

  • Thiết lập quy trình phân tích động lực học kết cấu hoàn chỉnh trên ETABS, bao gồm tách và phân tích các dạng dao động riêng, tính toán chính xác thành phần gió động theo TCXD 229:1999 và phổ phản ứng động đất theo TCVN 9386:2012 ứng với gia tốc nền thực tế tại thành phố Thủ Đức.
  • Ứng dụng thành công mô hình phần tử hữu hạn SAFE v2016 trong phân tích sàn dầm theo phương pháp dải Strip, kiểm soát chính xác trạng thái võng nứt phi tuyến của bản sàn có xét đến biến dạng dài hạn.
  • Đề xuất phương án móng cọc khoan nhồi D1000 hợp lý trên nền địa chất phức tạp, so sánh đối chiếu sức chịu tải cọc theo 4 phương pháp tính toán tiêu chuẩn nhằm chọn thông số thiết kế an toàn và kinh tế.
  • Bố trí cấu tạo chi tiết kháng chấn cho hệ khung – vách lõi bê tông cốt thép tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên lý dẻo hóa khớp dẻo theo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện hành.

Hạn chế và hướng phát triển

Dựa trên phạm vi và nội dung được trình bày trong thuyết minh đồ án, công trình tồn tại các hạn chế kỹ thuật sau:

  • Giả thiết sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng nằm ngang (rigid diaphragm) chưa xét đến hiện tượng tập trung ứng suất và biến dạng cục bộ tại các vị trí sàn bị khoét lỗ lớn quanh khu vực hộp kỹ thuật và lõi thang máy.
  • Mô hình phân tích kết cấu bên trên (ETABS) và hệ móng (SAFE) được thực hiện độc lập, liên kết chân cột và chân vách được giả định là ngàm cứng lý tưởng tại mặt đài, chưa xét đến bài toán tương tác động lực học đồng thời giữa đất nền – móng – kết cấu công trình (Soil-Structure Interaction - SSI).
  • Các số liệu địa chất, chỉ tiêu cơ lý và tải trọng cọc khoan nhồi dừng lại ở mức tính toán lý thuyết theo báo cáo khảo sát và tiêu chuẩn thiết kế; đồ án chưa có điều kiện đối chứng với số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế ngoài hiện trường cũng như quan trắc lún công trình thực tế.

Hướng phát triển và mở rộng của đề tài:

  • Phân tích chi tiết biện pháp kỹ thuật thi công tầng hầm trong đô thị, bao gồm thiết kế hệ tường vây bê tông cốt thép (diaphragm wall), hệ giằng shoring hoặc neo đất (soil anchor) nhằm kiểm soát chuyển vị đất nền xung quanh hố đào sâu.
  • Áp dụng các mô hình phi tuyến hình học và vật liệu tiên tiến (Nonlinear Time-History Analysis) để mô phỏng chính xác hơn ứng xử của kết cấu khung – vách chịu động đất cường độ mạnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp "Tòa nhà Kinghouse" là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo cao đối với:

  • Sinh viên chuyên 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 Nền móng hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng công trình cao tầng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu mới vào nghề cần tài liệu tham khảo về quy trình thực hành tính toán tải trọng gió động theo TCXD 229:1999, tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 và quy trình kiểm tra các chỉ tiêu trạng thái giới hạn thứ hai (gia tốc đỉnh, chuyển vị đỉnh, drift tầng, hệ số nhạy P-Delta) trên phần mềm ETABS.
  • Người làm đề tài tham khảo phương pháp chia dải Strip A/B để trích xuất nội lực và tính toán cốt thép sàn, kiểm tra võng nứt bản sàn trên phần mềm SAFE v2016.
  • Kỹ sư địa kỹ thuật tham khảo quy trình so sánh sức chịu tải cọc khoan nhồi đường kính lớn theo 4 phương pháp (cường độ vật liệu, chỉ tiêu cơ lý, cường độ chống cắt và SPT) và các bước kiểm tra khối móng quy ước, kiểm tra xuyên thủng đài cọc.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công trình Kinghouse không cần thực hiện kiểm tra điều kiện ổn định chống lật?

Căn cứ theo mục 2.3 của tiêu chuẩn TCXD 198:1997, công trình nhà cao tầng chỉ bắt buộc phải kiểm tra khả năng ổn định chống lật khi tỷ số giữa chiều cao công trình ($H$) và chiều rộng mặt bằng ($B$) lớn hơn 5 ($H/B > 5$). Đối với tòa nhà Kinghouse, tổng chiều cao công trình là $H = 56{,}0\text{ m}$ và bề rộng mặt bằng công trình là $B = 22{,}2\text{ m}$, do đó tỷ số hình học đạt $H/B = 56{,}0 / 22{,}2 = 2{,}52 < 5$. Vì tỷ số này nhỏ hơn ngưỡng quy định nên công trình được kết luận đảm bảo ổn định chống lật tổng thể và không cần tiến hành kiểm tra chi tiết bước này.

2. Các tham số đầu vào được tác giả sử dụng để xác định tải trọng động đất tác dụng lên công trình là gì?

Theo TCVN 9386:2012, các thông số đầu vào được tác giả tra cứu và thiết lập bao gồm: vị trí xây dựng tại thành phố Thủ Đức (kinh độ 106.851), tỷ số gia tốc nền cực đại tham chiếu $a_{gR}/g = 0{,}073$; hệ số tầm quan trọng của công trình dân dụng cấp II $\gamma_1 = 1{,}25$, dẫn đến gia tốc nền thiết kế $a_g = 0{,}09125g$. Nền đất thuộc loại C với các tham số phổ $S = 1{,}15$, chu kỳ $T_B = 0{,}2\text{ s}$, $T_C = 0{,}6\text{ s}$, $T_D = 2{,}0\text{ s}$. Hệ kết cấu khung – vách có hệ số ứng xử cơ bản $q_0 = 3{,}6$, hệ số $k_w = 1{,}0$, suy ra hệ số ứng xử thiết kế $q = 3{,}6$. Khối lượng tham gia dao động (Mass Source) được xác định bằng tĩnh tải cộng $30%$ hoạt tải ($\text{TT} + 0{,}3\text{HT}$).

3. Kết quả kiểm tra gia tốc đỉnh của tòa nhà Kinghouse dưới tác động của gió động có đạt yêu cầu quy chuẩn không?

Kết quả kiểm tra hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép. Theo TCXD 198:1997, giới hạn gia tốc cực đại tại đỉnh công trình dưới ảnh hưởng của gió động để đảm bảo điều kiện tiện nghi cho người sử dụng là $[a_y] = 150\text{ mm/s}^2$. Từ kết quả phân tích mô hình ETABS, biên độ chuyển vị ngang đỉnh lớn nhất do thành phần gió động gây ra theo phương X là $A = 9{,}216\text{ mm}$, ứng với chu kỳ dao động mode 1 là $T_1 = 1{,}634\text{ s}$ (tần số góc $\omega = 3{,}845\text{ rad/s}$). Gia tốc đỉnh cực đại tính toán là $a_{yX} = A \cdot \omega^2 = 9{,}216 \times (3{,}845)^2 = 136{,}26\text{ mm/s}^2$, nhỏ hơn giới hạn cho phép $150\text{ mm/s}^2$.

4. Tiết diện sơ bộ ban đầu của các cấu kiện dầm, sàn và vách lõi được lựa chọn như thế nào?

Dựa trên nhịp kết cấu lớn nhất ($7{,}04\text{ m} \times 7{,}6\text{ m}$) và yêu cầu chiều cao thông thủy kiến trúc, kích thước sơ bộ được chọn như sau:

  • Chiều dày bản sàn: Sàn tầng 1 đến tầng mái dày 150 mm; sàn tầng hầm chịu tải trọng xe cơ giới dày 200 mm.
  • Tiết diện dầm chính: $300 \times 600\text{ mm}$ (thỏa mãn khoảng chiều cao $h_d = L/16 \div L/12 = 470 \div 630\text{ mm}$).
  • Tiết diện dầm phụ: $300 \times 450\text{ mm}$ (thỏa mãn khoảng chiều cao $h_d = L/20 \div L/16 = 380 \div 470\text{ mm}$).
  • Chiều dày vách thang máy: Chọn dày 300 mm, thỏa mãn cả hai điều kiện theo TCVN 198:1997 là $t \ge 200\text{ mm}$ và $t \ge h_t/20 = 3400/20 = 170\text{ mm}$.

5. Phương án móng cọc khoan nhồi được tính toán sức chịu tải dựa trên những phương pháp nào?

Sức chịu tải thiết kế của cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$ đ