Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển kinh tế - xã hội cùng tốc độ gia tăng dân số nhanh chóng tại khu vực Dĩ An, tỉnh Bình Dương đã tạo ra áp lực lớn lên quỹ đất và nhu cầu nhà ở, không gian làm việc và dịch vụ thương mại. Việc đầu tư xây dựng các tổ hợp công trình cao tầng tích hợp đa chức năng (thương mại kết hợp căn hộ ở) là giải pháp quy hoạch không gian đô thị hiệu quả, vừa tối ưu hóa diện tích sử dụng đất, vừa đáp ứng điều kiện an sinh xã hội và dịch vụ công cộng hiện đại.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện nhiệm vụ thiết kế toàn diện công trình Trung tâm Thương mại An Bình với 3 nhóm nhiệm vụ nghiên cứu và tính toán kỹ thuật cụ thể:

  1. Phần Kiến trúc: Thể hiện lại và hiệu chỉnh hồ sơ bản vẽ kiến trúc công trình đảm bảo công năng sử dụng, thẩm mỹ, các giải pháp kỹ thuật công trình (điện, cấp thoát nước, thông gió, chiếu sáng, phòng cháy chữa cháy, chống sét, thoát rác) và biện pháp chống thấm chuyên dụng cho tầng hầm.
  2. Phần Kết cấu: Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực hợp lý; tính toán thiết kế sàn tầng điển hình bằng phần mềm chuyên dụng; tính toán thiết kế các kết cấu phụ trợ (cầu thang bộ 2 vế, bể nước mái); thiết lập mô hình không gian tổng thể để phân tích tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải, gió tĩnh, gió động, động đất) và tính toán thiết kế cốt thép cho hệ khung trục 3 và trục C.
  3. Phần Nền móng: Tổng hợp và xử lý số liệu địa chất công trình; tính toán sức chịu tải của cọc và thiết kế chi tiết 2 phương án nền móng khả thi (phương án móng cọc ép bê tông cốt thép và phương án móng cọc khoan nhồi) cho các vị trí chân cột, vách biên và lõi thang máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Tổ hợp công trình Trung tâm Thương mại An Bình thuộc công trình dân dụng cấp II (theo quy chuẩn số tầng $9 \le \text{số tầng} \le 19$).
  • Phạm vi không gian: Công trình xây dựng tại thị xã Dĩ An, tỉnh Bình Dương. Quy mô gồm 1 tầng hầm (cao độ $-3.600\text{ m}$), 1 tầng trệt, 16 tầng lầu và 1 tầng mái. Chiều cao tổng thể công trình là $58.40\text{ m}$ (tính từ cốt $\pm0.000\text{ m}$), diện tích mặt bằng xây dựng $40\text{ m} \times 37\text{ m} = 1.480\text{ m}^2$.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được giao nhiệm vụ ngày 18/09/2015 và hoàn thành nghiệm thu vào ngày 07/01/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam trong toàn bộ quá trình tính toán:

  • TCVN 5574:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng và tác động (tính toán tĩnh tải, hoạt tải và thành phần tĩnh/động của tải trọng gió).
  • TCVN 9386:2012: Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất (phân tích phản ứng công trình theo phổ dao động).
  • TCVN 10304:2014: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc (xác định sức chịu tải của cọc theo vật liệu và đất nền).
  • TCVN 198:1997: Tiêu chuẩn thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép toàn khối.
  • TCVN 2622-1995: Tiêu chuẩn phòng cháy, chống cháy cho nhà và công trình.
  • TCVN 46-84: Tiêu chuẩn chống sét cho công trình xây dựng.

Phương pháp tính toán và công cụ hỗ trợ

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình hóa không gian 3 chiều kết cấu công trình bằng phần mềm ETABS nhằm phân tích dao động riêng, xác định chu kỳ, tần số và nội lực trong các phần tử khung, vách, lõi dưới tác động của tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang (gió, động đất).
  • Mô hình dải bản (Strip Method): Sử dụng phần mềm SAFE để mô hình hóa và phân tích nội lực, tính toán cốt thép và kiểm tra độ võng của sàn tầng điển hình, cũng như mô hình tính toán phản lực đầu cọc và đài móng.
  • Phương pháp giải tích giải tích kết cấu và cơ học đất: Tính toán thủ công và bảng tính Excel các cấu kiện cầu thang bộ, bể nước mái, sức chịu tải đơn cọc (theo chỉ tiêu cơ lý, SPT, thí nghiệm xuyên tĩnh $q_c$) và kiểm tra lún móng khối quy ước.

Nguồn dữ liệu

  • Hồ sơ bản vẽ kiến trúc công trình Trung tâm Thương mại An Bình.
  • Hồ sơ khảo sát địa chất công trình tại Dĩ An, Bình Dương bao gồm hình trụ hố khoan, các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền và kết quả thí nghiệm SPT.
  • Số liệu khí hậu tự nhiên tỉnh Bình Dương (nhiệt độ trung bình $26^\circ\text{C} - 27^\circ\text{C}$, áp lực gió khu vực).

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp triển khai

1. Giải pháp vật liệu kết cấu

  • Bê tông: Sử dụng bê tông cấp độ bền B25 cho toàn bộ kết cấu chịu lực (cột, dầm, sàn, vách, cầu thang, bể nước, móng) với cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14.5\text{ MPa}$, cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1.05\text{ MPa}$, môđun đàn hồi $E_b = 30 \times 10^3\text{ MPa}$.
  • Cốt thép:
    • Cốt thép phân bố và đai có đường kính $d < 10\text{ mm}$: Thép AI có cường độ tính toán $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$, $R_{sw} = 175\text{ MPa}$, $E_s = 21 \times 10^4\text{ MPa}$.
    • Cốt thép dọc chịu lực có đường kính $d \ge 10\text{ mm}$: Thép AIII có cường độ tính toán $R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$, $R_{sw} = 290\text{ MPa}$, $E_s = 20 \times 10^4\text{ MPa}$.

2. Sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện

  • Hệ sàn: Chọn giải pháp sàn sườn bê tông cốt thép đổ toàn khối. Bản sàn tầng điển hình có chiều dày sơ bộ $h_s = 120\text{ mm}$ (xác định theo ô sàn lớn nhất $8.0\text{ m} \times 5.0\text{ m}$).
  • Hệ dầm:
    • Dầm chính: Tiết diện $b \times h = 300 \times 700\text{ mm}$ (vượt nhịp $L = 8.0\text{ m}$).
    • Dầm phụ: Tiết diện $b \times h = 200 \times 400\text{ mm}$ (vượt nhịp $L = 8.0\text{ m}$).
  • Hệ vách và lõi cứng: Chiều dày vách biên và vách lõi thang máy chọn $t = 300\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện $t \ge h_t/20 = 3200/20 = 160\text{ mm}$ và $t \ge 150\text{ mm}$).
  • Hệ cột: Kích thước cột từ tầng trệt lên tầng mái thay đổi theo diện tích truyền tải, sơ bộ tiết diện từ $600 \times 600\text{ mm}$, $750 \times 750\text{ mm}$ đến $800 \times 800\text{ mm}$.
Cấu kiện Vị trí / Ký hiệu Kích thước tiết diện ($b \times h$ hoặc dày $t$) Chiều dài nhịp / Chiều cao
Bản sàn Ô sàn điển hình $h_s = 120\text{ mm}$ Kích thước ô lớn nhất $8.0\text{ m} \times 5.0\text{ m}$
Dầm chính Khung trục $300 \times 700\text{ mm}$ Nhịp $L = 8.0\text{ m}$
Dầm phụ Hệ dầm sàn $200 \times 400\text{ mm}$ Nhịp $L = 8.0\text{ m}$
Vách & Lõi Vách biên, thang máy $t = 300\text{ mm}$ Chiều cao tầng $h_t = 3.2\text{ m}$
Cột C1 Cột góc $600 \times 600\text{ mm}$ Chiều cao tầng $h_t = 3.2\text{ m}$
Cột C2 Cột giữa $800 \times 800\text{ mm}$ Chiều cao tầng $h_t = 3.2\text{ m}$
Cột C3 Cột biên $750 \times 750\text{ mm}$ Chiều cao tầng $h_t = 3.2\text{ m}$

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Kiến trúc

Chương 1: Tổng quan về kiến trúc công trình

Chương này mô tả chi tiết công năng, mặt bằng và hệ thống hạ tầng kỹ thuật của công trình:

  • Mặt bằng & Phân khu chức năng: Mặt bằng hình chữ nhật đối xứng diện tích $1.480\text{ m}^2$. Tầng hầm (cao độ $-3.600\text{ m}$) dùng làm bãi đỗ xe, trạm xử lý nước thải, phòng kỹ thuật; Tầng trệt và tầng 1 bố trí trung tâm thương mại; Tầng 2 đến 16 bố trí các căn hộ ở gia đình; Tầng mái đặt phòng kỹ thuật thang máy và bể nước mái. Giao thông đứng gồm 3 buồng thang máy và 2 cầu thang bộ thoát hiểm.
  • Hệ thống kỹ thuật: Hệ thống cấp điện từ 2 nguồn (lưới điện TP.HCM và máy phát điện dự phòng đặt dưới hầm); cấp nước mạng thành phố qua bể ngầm bơm lên bể mái; thoát nước mưa qua ống đứng đường kính $d = 140\text{ mm}$; thoát nước thải sinh hoạt tách riêng qua bể xử lý; PCCC theo TCVN 2622-1995; chống sét theo TCVN 46-84.
  • Quy trình chống thấm tầng hầm: Sử dụng hợp chất gốc Polymer-silicate 2 thành phần BestSeal AC402 quét mặt ngoài sàn và tường hầm (định mức $1.5\text{ kg/m}^2/\text{lớp}$, thi công 2-3 lớp vuông góc, lớp vữa/bê tông lót bảo vệ dày $50\text{ mm}$) và sơn lót BestProtect EP711 (định mức $0.20\text{ kg/m}^2$) chống thấm bảo vệ mặt trong.

Phần 2: Kết cấu

Chương 2: Lựa chọn giải pháp kết cấu

  • Phân tích và lựa chọn hệ kết cấu chịu lực thẳng đứng và chịu tải ngang: Sử dụng hệ kết cấu kết hợp khung - vách - lõi cứng bê tông cốt thép toàn khối, tăng cường độ cứng tổng thể và khả năng kháng xoắn cho công trình 18 tầng.
  • Lựa chọn giải pháp sàn dầm (sàn sườn) toàn khối nhằm đảm bảo độ cứng uốn và liên kết các khung - vách làm việc đồng thời. Thiết lập bảng kích thước tiết diện sơ bộ cho hệ dầm chính, dầm phụ, cột và vách lõi.

Chương 3: Thiết kế sàn tầng điển hình

  • Chọn sàn tầng 8 làm tầng điển hình để tính toán. Tải trọng tác dụng bao gồm tĩnh tải cấu tạo sàn (gạch lát, vữa lót, bản BTCT $120\text{ mm}$, vữa trần, đường ống thiết bị, tường xây) và hoạt tải sử dụng theo TCVN 2737:1995.
  • Thiết lập mô hình sàn trên phần mềm SAFE, phân chia dải strip theo phương X và phương Y, xuất biểu đồ mômen uốn, tính toán diện tích cốt thép yêu cầu và kiểm tra độ võng của ô sàn đảm bảo giới hạn cho phép.

Chương 4: Thiết kế cầu thang bộ

  • Thiết kế cầu thang bộ dạng 2 vế chịu lực gồm bản thang nghiêng, bản chiếu nghỉ, bản chiếu tới và dầm chiếu tới.
  • Xác định tĩnh tải (trọng lượng bản thân bản bê tông, bậc gạch, vữa trát, lớp hoàn thiện, lan can) và hoạt tải tiêu chuẩn; lập sơ đồ tính toán dầm đơn giản cho vế thang 1, vế thang 2 và bản chiếu tới; xuất mômen tính toán cốt thép dọc, cốt đai cho dầm chiếu tới và kiểm tra võng bản thang.

Chương 5: Thiết kế bể nước mái

  • Tính toán kích thước hình học bể nước mái phục vụ sinh hoạt và cứu hỏa. Sơ bộ chiều dày bản nắp, bản thành và bản đáy.
  • Tính toán nội lực bản nắp, bản thành, bản đáy theo sơ đồ bản kê 4 cạnh hoặc ngàm dầm; tính toán cốt thép và thực hiện kiểm tra nứt, kiểm tra độ võng cho bản đáy và bản thành.
  • Tính toán hệ dầm đỡ bể nước gồm dầm nắp (DN1, DN2 tiết diện $200 \times 400\text{ mm}$) và dầm đáy (DD1, DD2 tiết diện $300 \times 600\text{ mm}$; DD3, DD4 tiết diện $200 \times 500\text{ mm}$), tính cốt thép dọc, cốt đai, cốt treo dầm phụ và thép gia cường lỗ mở kỹ thuật.

Chương 6: Thiết kế hệ khung

  • Mô hình hóa 3D: Xây dựng mô hình hình học toàn bộ công trình trong ETABS.
  • Tải trọng gió: Xác định thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 dựa trên tần số và các dạng dao động riêng (Mode dao động). Quy đổi gió động thành lực tập trung đặt tại tâm cứng từng tầng.
  • Tải trọng động đất: Xác định lực động đất theo TCVN 9386:2012 với các mode dao động đại diện (Mode 1, Mode 4, Mode 7 theo phương X; Mode 3, Mode 6, Mode 9 theo phương Y), xác định khối lượng tham gia hữu hiệu và tổ hợp tác động động đất.
  • Kiểm tra ổn định tổng thể: Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh công trình, chuyển vị lệch tầng giữa các tầng và kiểm tra gia tốc đỉnh đảm bảo yêu cầu an toàn.
  • Tính toán cốt thép khung đại diện: Thực hiện tổ hợp tải trọng và thiết kế cốt thép dầm, cốt thép dọc cột (chịu nén uốn lệch tâm xiên), cốt đai cột và cốt thép vách cho khung phẳng trục C và khung phẳng trục 3.

Chương 7: Thiết kế móng

  • Đánh giá chỉ tiêu cơ lý địa tầng đất nền tại khu vực xây dựng Dĩ An, Bình Dương.
  • Lựa chọn tải trọng tính toán và tải trọng tiêu chuẩn tại chân cột, chân vách và lõi thang từ mô hình ETABS.
  • Phương án 1 - Móng cọc ép BTCT: Xác định sức chịu tải của cọc đơn (theo vật liệu $R_v$, chỉ tiêu đất nền, sức kháng mũi xuyên tĩnh $q_c$, SPT); kiểm tra cọc trong quá trình cẩu lắp, dựng cọc; thiết kế chi tiết đài cọc và bố trí cọc cho cột biên C27, C6, vách biên P1, cột giữa C17, C23-C21, móng lõi thang; kiểm tra phản lực đầu cọc, kiểm tra xuyên thủng đài cọc và tính lún móng khối quy ước.
  • Phương án 2 - Móng cọc khoan nhồi: Tính toán sức chịu tải cọc nhồi đường kính lớn theo TCVN 10304:2014; bố trí cọc và thiết kế đài móng cọc khoan nhồi cho cột C27, C6, vách P1, cột C17, C23 và móng lõi thang; kiểm tra điều kiện lún và tính toán cốt thép đài móng.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả tính toán chính

  • Hoàn thành đầy đủ hồ sơ thiết kế kỹ thuật từ kết cấu phần trên đến phần ngầm:
    • Hệ sàn tầng điển hình dày $120\text{ mm}$ đáp ứng đầy đủ điều kiện chịu lực và độ võng dưới tải trọng sử dụng.
    • Hệ thống cấu kiện dầm khung ($300 \times 700\text{ mm}$), cột (tối đa $800 \times 800\text{ mm}$), vách lõi ($300\text{ mm}$) đảm bảo chuyển vị ngang đỉnh và độ lệch tầng nằm trong giới hạn cho phép của TCVN 198:1997 dưới tác động của tổ hợp tải trọng gió động và động đất.
    • Xác định được sức chịu tải cọc thiết kế và bố trí số lượng cọc, kích thước đài cọc hợp lý cho 2 phương án móng:
Hạng mục kiểm tra / Thiết kế Thông số & Phương pháp tính toán Kết quả đạt được
Phân tích động học công trình Phần mềm ETABS (TCVN 2737:1995 & TCVN 9386:2012) Xuất các mode dao động riêng (Mode 1, 4, 7 phương X; Mode 3, 6, 9 phương Y)
Kiểm tra chuyển vị ngang & Lệch tầng Tác động của gió động và tải trọng động đất Chuyển vị ngang và chuyển vị lệch tầng thỏa mãn giới hạn tiêu chuẩn
Thiết kế sàn điển hình Phần mềm SAFE, dải strip phương X và Y Bố trí thép sàn B25, thép AI/AIII thỏa mãn nứt và võng
Phương án móng cọc ép Cọc ép BTCT theo TCVN 10304:2014 Hoàn thiện thiết kế đài và cọc cho cột C27, C6, C17, C23, P1, lõi thang
Phương án móng cọc khoan nhồi Cọc khoan nhồi theo TCVN 10304:2014 Bố trí số lượng cọc nhồi và chiều dày đài móng tối ưu chịu lực

2. Đóng góp và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất quy trình thi công chống thấm chi tiết và phân lớp rõ ràng cho sàn, tường tầng hầm bằng vật liệu BestSeal AC402 và BestProtect EP711, xử lý triệt để nguy cơ thấm nước đối với công trình ngầm.
  • Xây dựng quy trình tính toán hoàn chỉnh kết hợp giữa các công cụ phần mềm hiện đại (ETABS, SAFE) và tính toán lý thuyết theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành, cung cấp giải pháp so sánh kỹ thuật giữa hai phương án móng cọc ép và móng cọc khoan nhồi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Theo giới hạn nhiệm vụ của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng, tác giả chỉ đi sâu vào tính toán và thể hiện chi tiết cốt thép cho 2 khung phẳng đại diện (khung trục C và khung trục 3) thay vì triển khai chi tiết cho toàn bộ các trục khung trong không gian công trình. Đồ án tập trung vào tính toán thiết kế kỹ thuật, chưa bao gồm phần lập tiến độ và biện pháp tổ chức thi công chi tiết tại hiện trường.
  • Hướng phát triển tiếp:
    • Nghiên cứu so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa phương án sàn sườn truyền thống và phương án sàn phẳng bê tông cốt thép ứng lực trước đối với nhịp $8.0\text{ m}$.
    • Mở rộng phân tích tương tác động lực học giữa kết cấu bên trên, hệ đài móng và nền đất (Soil-Structure Interaction) khi chịu tải trọng động đất mạnh.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp và các kỹ sư kết cấu mới ra trường:

  • Chương 3 và Chương 6: Đáng tham khảo về phương pháp xây dựng mô hình ETABS, SAFE, quy trình gán tải trọng gió động, tải trọng động đất theo TCVN 9386:2012 và cách lấy nội lực để thiết kế cột chịu nén lệch tâm xiên, vách chịu cắt - uốn.
  • Chương 5: Cung cấp quy trình bài bản từ xác định tải trọng, tính toán nứt, võng bản đáy, bản thành đến tính cốt treo cho dầm bể nước mái.
  • Chương 7: Cung cấp biểu mẫu tính toán sức chịu tải cọc theo nhiều phương pháp (chỉ tiêu cơ lý, SPT, thí nghiệm xuyên $q_c$) và quy trình kiểm tra đài móng chịu chọc thủng, nén thủng theo TCVN 10304:2014.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Trung tâm Thương mại An Bình có quy mô và công năng bố trí như thế nào?
Công trình gồm 1 tầng hầm (cao độ $-3.600\text{ m}$, diện tích $1.480\text{ m}^2$) làm bãi xe và phòng kỹ thuật; 1 tầng trệt và tầng 1 làm trung tâm thương mại; tầng 2 đến tầng 16 làm căn hộ sinh hoạt; tầng mái đặt phòng kỹ thuật thang máy và bể nước. Tổng chiều cao công trình đạt $58.40\text{ m}$ (chưa kể tầng hầm).

2. Giải pháp kết cấu chịu lực chính của phần thân công trình được lựa chọn là gì?
Công trình sử dụng hệ kết cấu hỗn hợp khung - vách - lõi cứng bê tông cốt thép đổ toàn khối. Hệ sàn sử dụng sàn sườn (dầm - bản toàn khối) dày $120\text{ mm}$, dầm chính kích thước $300 \times 700\text{ mm}$ và dầm phụ $200 \times 400\text{ mm}$ vượt nhịp $8.0\text{ m}$.

3. Tác giả đã sử dụng những phần mềm chuyên dụng nào trong việc tính toán kết cấu?
Phần mềm ETABS được dùng để mô hình hóa kết cấu không gian 3D, phân tích dao động, tính toán tải trọng gió động, động đất và nội lực khung - vách - cột. Phần mềm SAFE được dùng để phân tích mômen, tính thép và kiểm tra độ võng của hệ sàn tầng điển hình, cũng như phân tích phản lực đầu cọc và đài móng.

4. Hai phương án móng nào được tác giả nghiên cứu thiết kế trong đồ án?
Tác giả đã tính toán thiết kế chi tiết 2 phương án theo TCVN 10304:2014:

  1. Phương án móng cọc ép bê tông cốt thép.
  2. Phương án móng cọc khoan nhồi. Cả hai phương án đều được tính toán sức chịu tải theo vật liệu, đất nền (SPT, $q_c$), kiểm tra phản lực cọc, chống xuyên thủng và độ lún khối móng quy ước cho các vị trí cột C27, C6, C17, C23, vách P1 và lõi thang máy.

5. Vật liệu chống thấm nào được chỉ định thi công cho tầng hầm công trình?
Tầng hầm sử dụng hợp chất chống thấm Polymer-silicate 2 thành phần BestSeal AC402 quét phủ ngoài sàn và tường tầng hầm (định mức $1.5\text{ kg/m}^2/\text{lớp}$) và lớp phủ bề mặt trong bằng BestProtect EP711 (định mức $0.20\text{ kg/m}^2$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Trung tâm Thương mại An Bình" của sinh viên Trương Đình Tín là một hồ sơ thiết kế kỹ thuật công trình cao tầng hoàn chỉnh, bao quát đầy đủ từ kiến trúc, kết cấu phần thân đến giải pháp nền móng. Công trình được tính toán dựa trên các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam, kết hợp hiệu quả giữa mô hình hóa số bằng phần mềm chuyên dụng (ETABS, SAFE) và phương pháp tính toán giải tích. Đồ án cung cấp khối lượng dữ liệu tính toán chi tiết, có giá trị ứng dụng thực tiễn cao và là tài liệu tham khảo chất lượng cho công tác đào tạo, thiết kế kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng cao tầng.