Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng với đề tài "Trung tâm thương mại Thành phố Thanh Hóa" được thực hiện bởi sinh viên Lưu Trung Nguyên dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Văn Tiếng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2015 – 2019, bảo vệ tháng 07/2019). Dự án được triển khai trên cơ sở Quyết định phê duyệt đầu tư số 3430/QĐ-UBND ngày 09/11/2005 của Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Thanh Hóa và trích lục bản đồ địa chính khu đất số 555/TLBĐ tỷ lệ 1/500 do Văn phòng Đăng ký quyền sử dụng đất thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thanh Hóa lập ngày 16/12/2010.

Công trình có chủ đầu tư là Công ty Cổ phần Đầu tư Trung tâm Thương Mại Bờ Hồ, tọa lạc tại số 240 đường Lê Hoàn, phường Ba Đình, thành phố Thanh Hóa. Khu đất xây dựng sở hữu bốn mặt tiền tiếp giáp các trục giao thông chính gồm: phía Đông giáp đường Lê Hoàn, phía Tây giáp đường Cao Thắng, phía Nam giáp đường Nguyễn Trãi và phía Bắc giáp đường Tống Duy Tân. Bối cảnh xây dựng đặt ra bài toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép cho một tòa nhà cao tầng đa năng kết hợp thương mại dịch vụ và văn phòng cho thuê, đáp ứng yêu cầu kiến trúc hiện đại, khả năng chịu lực dưới tác động của tải trọng trọng trường, tải trọng gió vùng ven biển và động đất, đồng thời đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hố đào sâu trong đô thị.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được xác định gồm 4 nội dung trọng tâm:

  1. Tính toán thiết kế kết cấu sàn, khung cột, vách và lõi cứng chịu lực.
  2. Tính toán thiết kế cầu thang bộ tầng điển hình.
  3. Tính toán thiết kế kết cấu nền móng cọc khoan nhồi.
  4. Tính toán thiết kế tường vây cọc Barrette và hệ chống phục vụ thi công tầng hầm (phần chuyên đề).

Sản phẩm hoàn thành của đề tài bao gồm hệ thống thuyết minh tính toán chi tiết cùng các bản vẽ kỹ thuật: bản vẽ dầm sàn tầng điển hình; bản vẽ cột, vách, lõi theo khung trục 3 và trục C; bản vẽ móng và cọc theo khung trục 3 và trục C; bản vẽ tường vây tại vị trí mặt cắt qua hố pít thang máy.

Về quy mô và phạm vi nghiên cứu, công trình thuộc cấp công trình cấp I theo QCVN 03:2012/BXD, xây dựng trên khu đất có diện tích khoảng 10.000 m², diện tích xây dựng 3.060 m² (mật độ xây dựng 30,6%), tổng diện tích sàn xây dựng (không kể hầm và mái) là 25.800 m² với hệ số sử dụng đất đạt 2,58. Công trình gồm 21 tầng nổi và 01 tầng hầm với tổng chiều cao là 70,4 m tính từ cốt ±0,000; cao độ đáy tầng hầm nằm ở mức -3,300 m.

Hạng mục quy mô Thông số thiết kế trong đồ án
Diện tích khu đất 10.000 m²
Diện tích xây dựng công trình 3.060 m² (Mật độ xây dựng: 30,6%)
Tổng diện tích sàn (không tính hầm, mái) 25.800 m² (Hệ số sử dụng đất: 2,58)
Số tầng công trình 21 tầng (01 hầm + 20 tầng nổi + tầng kỹ thuật và mái)
Chiều cao tổng thể công trình 70,40 m (tính từ cốt sàn ±0,000)
Chiều sâu sàn tầng hầm -3,30 m (so với cốt ±0,000)
Chiều cao tầng 1, 2, 3 (thương mại) 4,50 m / tầng
Chiều cao tầng 4, tầng 6 đến 19 3,30 m / tầng
Chiều cao tầng 5 (tầng kỹ thuật) 2,40 m
Chiều cao tầng mái 5,00 m

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống cơ sở pháp lý, quy chuẩn và tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam trong suốt quá trình phân tích tải trọng và thiết kế cấu kiện:

  • Luật Xây dựng số 50/2014/QH13, Luật Nhà ở số 65/2014/QH13 và các Nghị định số 59/2015/NĐ-CP, Nghị định số 46/2015/NĐ-CP, Nghị định số 15/2012/NĐ-CP, Nghị định số 11/2013/NĐ-CP.
  • Quy chuẩn kỹ thuật: QCVN 03:2012/BXD (phân loại và phân cấp công trình), QCVN 01:2008/BXD (quy hoạch xây dựng), QCVN 06:2010/BXD (an toàn cháy), QCVN 05:2008/BXD (nhà ở và công trình công cộng), QCVN 08:2009/BXD (công trình ngầm đô thị - gara ô tô), QCXDVN 09:2013, QCXDVN 10:2014/BXD, TCXD 4319-2012 và TCXDVN 323:2004.
  • Tiêu chuẩn tính toán chuyên ngành: TCVN 2737:1995 (Tải trọng và tác động); TCVN 5574:2012 (Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép); TCXDVN 9386:2012 (Thiết kế công trình chịu động đất).

Về giải pháp vật liệu, công trình sử dụng:

  • Bê tông cấp độ bền B30 với cường độ chịu nén tính toán $R_b = 17\text{ MPa}$, cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1,2\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 32,5 \times 10^3\text{ MPa}$ cho các cấu kiện chịu lực chính (cột, dầm, sàn, vách, móng, lanh tô, cầu thang, bể nước). Vữa xi măng cát mác B5 phục vụ công tác xây trát tường.
  • Thép nhóm AI ($\phi < 10\text{ mm}$) có $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$, $R_{sw} = 175\text{ MPa}$, $E_s = 21 \times 10^4\text{ MPa}$ dùng cho cốt thép đai, cốt thép treo và cốt thép sàn bản mỏng. Thép nhóm AIII ($\phi \ge 10\text{ mm}$) có $R_s = R_{sc} = 365\text{ MPa}$, $R_{sw} = 290\text{ MPa}$, $E_s = 20 \times 10^4\text{ MPa}$ dùng cho cốt thép dọc chịu lực của cột, dầm, vách, sàn và móng.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết giải tích theo tiêu chuẩn Việt Nam và mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng:

  • Xây dựng mô hình không gian phần tử hữu hạn 3D toàn bộ kết cấu tòa nhà bằng phần mềm ETABS 2017 v17.
  • Sử dụng phương pháp dải bản (design strip) trên ETABS để xuất nội lực mô men theo hai phương X và Y, phục vụ tính thép sàn, kiểm tra chuyển vị độ võng đàn hồi và độ võng dài hạn xét đến từ biến của bê tông theo TCVN 5574:2012.
  • Tính toán tải trọng gió động (xét dao động riêng theo Mode 1 và Mode 2) và tải trọng động đất bằng phương pháp phổ phản ứng (Response Spectrum Method) theo TCXDVN 9386:2012.
  • Kiểm tra chỉ số nén $V_d$ cho hệ cột và vách phẳng; kiểm tra hiệu ứng P-Delta (bậc hai); kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh công trình.
  • Thiết kế cột theo phương pháp uốn nén lệch tâm xiên; tính toán vách đơn phẳng theo phương pháp vùng biên chịu mô men; phân tích lõi thang máy theo phương pháp ứng suất đàn hồi; tính lanh tô liên kết như dầm chịu uốn có cốt thép tăng cường chống nứt góc.
  • Tính toán móng cọc khoan nhồi dựa trên 4 phương pháp xác định sức chịu tải: độ bền vật liệu, chỉ tiêu cường độ đất nền, chỉ tiêu cơ lý đất nền và số búa thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT; kiểm tra lún móng cọc bằng phương pháp móng khối quy ước và biểu đồ quan hệ $e-p$; kiểm tra chọc thủng đài cọc.
  • Chuyên đề tầng hầm sử dụng phần mềm PLAXIS 8.5 để mô phỏng tương tác đất - kết cấu của tường vây cọc Barrette và hệ thanh chống ngang (strut, kingpost) theo từng giai đoạn thi công đào hầm Bottom-up, kiểm tra chuyển vị ngang của tường vây, độ lún/trồi đất nền và tính toán hệ số an toàn hố đào qua các bước.

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm hồ sơ bản vẽ thiết kế kiến trúc, số liệu khảo sát địa chất công trình tại khu đất số 240 Lê Hoàn, tài liệu khí tượng thủy văn thành phố Thanh Hóa (độ ẩm không khí trung bình hàng năm 91%, lượng mưa trung bình 1.600 – 2.300 mm/năm, vận tốc gió theo vùng áp lực gió ven biển).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng hợp các căn cứ pháp lý, quy chuẩn và tiêu chuẩn hiện hành áp dụng cho dự án, cùng thông tin chi tiết về chủ đầu tư, vị trí địa lý khu đất và tổng mức đầu tư (khoảng 137,871 tỷ đồng). Nội dung chương đi sâu vào phân tích công năng các tầng: tầng hầm cao 3,3 m làm garage xe và bể nước ngầm; tầng 1 đến tầng 3 cao 4,5 m phục vụ siêu thị, trung tâm thương mại và sảnh đón tiếp; tầng 4 cao 3,3 m gồm văn phòng và quầy bar; tầng 5 cao 2,4 m làm tầng kỹ thuật; các tầng điển hình từ tầng 6 đến tầng 19 cao 3,3 m chia thành 5 không gian phòng văn phòng đối xứng quanh lõi giao thông đứng; tầng mái cao 5,0 m chứa bể nước và buồng kỹ thuật thang máy. Chương này cũng trình bày các giải pháp kỹ thuật hạ tầng (giao thông đứng với 5 thang máy và 4 thang bộ gồm 2 thang thoát hiểm; hệ thống cấp thoát nước, thông gió, trạm biến thế 15 kV cùng 2 máy phát điện dự phòng tại hầm, hệ thống báo cháy và chữa cháy tự động) cùng tính toán chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (mật độ xây dựng đạt 30,6% $\le 40%$, hệ số sử dụng đất đạt 2,58 $\le 5,0$ theo TCXDVN 323:2004).

Chương 2: Lựa chọn phương án kết cấu

Chương 2 phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực chính cho công trình:

  • Kết cấu thân theo phương đứng: Sử dụng hệ chịu lực hỗn hợp khung – vách bê tông cốt thép đổ toàn khối kết hợp lõi thang máy trung tâm, giải pháp này phát huy độ cứng chống xoắn và hạn chế chuyển vị ngang hiệu quả cho công trình cao 70,4 m.
  • Kết cấu theo phương ngang: Sử dụng hệ sàn sườn toàn khối gồm hệ dầm giao nhau đỡ bản sàn.
  • Nền móng: Đề xuất giải pháp móng sâu sử dụng cọc khoan nhồi tựa vào tầng địa chất tốt.
  • Sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện: Dầm chính nhịp 9,0 m và 8,5 m chọn tiết diện $250 \times 700\text{ mm}$; dầm phụ nhịp 9,5 m và 8,5 m chọn tiết diện $250 \times 450\text{ mm}$. Cột được chọn sơ bộ dựa trên diện tích chịu tải và giả thiết hàm lượng thép chịu nén $\mu = 2%$ để giảm kích thước (quy cách tiết diện được phân bố thay đổi theo từng cụm 5 tầng nhằm tối ưu hóa thi công). Chiều dày vách cứng và vách lõi sơ bộ $250\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện $\ge 200\text{ mm}$ và $\ge 1/20$ chiều cao tầng; tổng diện tích vách $A_{vl} \approx 29,05\text{ m}^2$ đảm bảo khả năng chịu lực). Chiều dày bản sàn tầng điển hình được chọn thống nhất là $h_s = 180\text{ mm}$ dựa trên kích thước ô bản lớn nhất S5 ($8,5 \times 8,2\text{ m}$, tỷ số $L_2/L_1 = 1,09$, làm việc theo dạng bản kê 4 cạnh).

Chương 3: Thiết kế sàn tầng điển hình

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình tính toán sàn tầng điển hình:

  • Xác định tĩnh tải tiêu chuẩn và tính toán của các lớp cấu tạo sàn (sàn văn phòng: tĩnh tải tiêu chuẩn $558\text{ kG/m}^2$, tính toán $625\text{ kG/m}^2$; sàn vệ sinh: tiêu chuẩn $206\text{ kG/m}^2$, tính toán $252\text{ kG/m}^2$) và tải trọng tường xây ngăn chia (tường 100 mm và 200 mm gạch rỗng dung trọng $1.800\text{ kg/m}^3$).
  • Xác định hoạt tải tính toán theo công năng từng ô sàn dựa vào TCVN 2737:1995: khu văn phòng ($p^{tc} = 200\text{ kG/m}^2$, $p^{tt} = 240\text{ kG/m}^2$), khu thương mại và quầy bar ($p^{tc} = 300\text{ kG/m}^2$, $p^{tt} = 360\text{ kG/m}^2$).
  • Thiết lập mô hình sàn trên phần mềm ETABS 2017, phân chia các dải strip theo hai phương X và Y để trích xuất biểu đồ mô men uốn.
  • Tính toán cốt thép lớp trên (gối) và lớp dưới (nhịp) cho các ô sàn từ S1 đến S8 (ví dụ dải middle strip phương X ô S1 chịu mô men $20,77\text{ kNm}$, xác định hàm lượng cốt thép $\mu% = 0,38%$).
  • Kiểm tra điều kiện độ võng đàn hồi của sàn thu được giá trị võng lớn nhất tại biên $f = 0,0171\text{ m} \le f_{cp} = L/200 = 8,5/200 = 0,0425\text{ m}$. Kiểm tra võng theo trạng thái giới hạn thứ hai có xét đến từ biến dài hạn của bê tông nặng với hệ số ảnh hưởng $\beta_{b2} = 0,6$ (đặc trưng cho độ ẩm trung bình năm tại Thanh Hóa là 91% > 75%) và kiểm tra bề rộng khe nứt theo TCVN 5574:2012.

Chương 4: Thiết kế cầu thang tầng điển hình

Chương 4 tập trung vào việc tính toán cầu thang bộ hai vế dạng bản nghiêng của tầng điển hình:

  • Tách riêng kết cấu cầu thang để lập mô hình tính toán độc lập trong ETABS với các số liệu hình học cụ thể (kích thước vế thang $1,25\text{ m}$ và $1,05\text{ m}$).
  • Thu thập tải trọng tác dụng lên bản nghiêng và bản chiếu nghỉ (gồm trọng lượng bản thân bê tông, các lớp ốp hoàn thiện gạch đá, vữa lót, tay vịn và hoạt tải sử dụng).
  • Xuất biểu đồ mô men uốn và lực cắt cho bản thang, dầm chiếu tới và dầm chiếu nghỉ.
  • Tính toán bố trí cốt thép chịu lực cho bản nghiêng, cốt thép phân bố, cốt thép dọc và cốt đai cho dầm chiếu tới, dầm chiếu nghỉ đảm bảo khả năng chịu uốn và chịu cắt.

Chương 5: Thiết kế kết cấu khung

Chương 5 phân tích hệ thống khung không gian chịu tải trọng tổng hợp:

  • Tải trọng tác động: Tĩnh tải bản thân kết cấu, tĩnh tải hoàn thiện, hoạt tải đứng; tải trọng gió phân chia thành thành phần tĩnh và thành phần động (tính toán cho Mode 1 theo phương X và Mode 2 theo phương Y có xét hệ số tương quan không gian $v_1$ và hệ số động lực $\xi$); tải trọng động đất được xác định theo phương pháp phổ phản ứng thiết kế của TCXDVN 9386:2012.
  • Thiết lập các tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn I (cường độ) và trạng thái giới hạn II (sử dụng).
  • Kiểm tra các điều kiện an toàn tổng thể: kiểm tra chỉ số nén $V_d$ cho vách cứng và cột nhằm hạn chế hiện tượng phá hoại giòn; kiểm tra hiệu ứng P-Delta (xác định hệ số độ nhạy $\theta$, kết quả chứng minh công trình không bị ảnh hưởng nguy hiểm bởi hiệu ứng bậc hai); kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh công trình nằm trong giới hạn cho phép.
  • Tính toán cốt thép dầm sàn tầng điển hình: Thiết kế cốt thép dọc và cốt đai cho các dầm chính (điển hình dầm B53, so sánh đối chiếu giữa tính tay và kết quả ETABS), tính toán gia cường cốt treo tại các vị trí liên kết giữa dầm chính và dầm phụ, tính toán cốt thép dầm B24 qua ô vệ sinh.
  • Thiết kế cột: Tính toán cột theo khung trục 4 và trục E (điển hình cột C20 tầng 12) chịu uốn nén lệch tâm xiên.
  • Thiết kế vách và lõi thang: Tính toán vách phẳng pier 1 theo phương pháp vùng biên chịu mô men; phân tích lõi thang máy pier 5 tầng 1 dựa trên phương pháp ứng suất đàn hồi (tính mô men quán tính, tâm lõi, xác định phần tử số 25 và 113 chịu nội lực nguy hiểm nhất để bố trí thép); tính toán lanh tô thang máy S6 như dầm chịu uốn và bố trí cốt thép tăng cường chống nứt góc.

Chương 6: Thiết kế kết cấu nền móng

Chương 6 thực hiện thiết kế móng cọc khoan nhồi dựa trên số liệu địa chất khảo sát:

  • Tính toán sức chịu tải đơn cọc theo 4 phương pháp tiêu chuẩn: sức chịu tải theo độ bền vật liệu bê tông cốt thép, sức chịu tải theo chỉ tiêu cường độ đất nền, sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý và sức chịu tải theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT; từ đó xác định sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc (có xét các hệ số chiết giảm chịu động đất).
  • Thiết kế móng đài cọc dưới cột: Móng M1 (dưới cột 22), móng M2 (dưới cột 20), móng M3 (dưới cột 21). Xác định số lượng và bố trí khoảng cách cọc, kiểm tra tải trọng tác dụng lên đầu cọc ($P_{max} \le 1,2 P_{tk}$, $P_{min} > 0$), kiểm tra cọc chịu tải trọng ngang.
  • Thiết kế móng vách và lõi: Móng M4 (dưới vách pier 1, pier 2) và móng M5 (dưới lõi thang máy pier 5).
  • Kiểm tra móng theo trạng thái giới hạn: Kiểm tra điều kiện ổn định của đất nền; tính toán độ lún của móng cọc theo phương pháp móng khối quy ước kết hợp đường cong quan hệ nén lún $e-p$; kiểm tra chọc thủng đài cọc do cột và xuyên thủng đài cọc do cọc; tính toán bố trí cốt thép lưới trên và lưới dưới cho các đài móng.

Chương 7: Tính toán tường vây cọc Barrette và hệ chống thi công tầng hầm bằng phương pháp thi công Bottom-up (phần chuyên đề)

Chương 7 đi sâu giải quyết bài toán địa kỹ thuật và thi công công trình ngầm:

  • Trình bày quy trình công nghệ thi công tầng hầm theo phương pháp Bottom-up (thi công từ dưới lên).
  • Thiết lập mô hình bài toán trong phần mềm địa kỹ thuật PLAXIS 8.5 dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền, thông số hình học của tường vây cọc Barrette, hệ dầm giằng, thanh chống ngang thép hình (strut) và cột chống tạm (kingpost).
  • Mô phỏng quá trình thi công hố đào sâu qua từng pha làm việc: đào đất đến cao độ -3,0 m, lắp đặt hệ chống ngang, đào đất đến cao độ đáy đài móng -7,0 m, đổ bê tông đài giằng móng và sàn đáy tầng hầm, tháo dỡ hệ thanh chống tạm.
  • Kiểm tra kết quả chuyển vị ngang của tường vây qua các giai đoạn đào, chuyển vị trồi đáy hố móng và độ lún mặt đất xung quanh khu vực tiếp giáp công trình lân cận.
  • Kiểm tra hệ số an toàn hố đào khi đào đến -3 m, khi đào đến -7 m và sau khi tháo cây chống ($FS$ dao động từ mức 2,x đến $FS = 3,x$ khi hoàn thiện công trình ngầm).
  • Tính toán nội lực thanh chống ngang, kiểm tra chuyển vị cột kingpost và thiết kế bố trí cốt thép chịu lực cho từng đoạn thân tường vây Barrette.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kết cấu của công trình được mô hình hóa và triển khai thiết kế chi tiết thông qua các phần mềm tính toán kỹ thuật:

[Bản vẽ kiến trúc & Địa chất] 
   - Phân tích khung không gian 3D     - Mô phỏng đào hầm Bottom-up
   - Sàn sườn & Strip Moment           - Tường Barrette & Thanh chống
   - Gió động & Động đất phổ           - Chuyển vị đất & Hệ số FS
[Thiết kế cốt thép dầm/cột/vách/sàn]      [Thiết kế thép tường & đài cọc]

  1. Mô hình hóa kết cấu phần thân (ETABS 2017 v17):

    • Toàn bộ kết cấu khung không gian gồm 21 tầng được khai báo đầy đủ hệ cột, vách cứng, lõi thang và hệ dầm sàn.
    • Sàn tầng điển hình mô hình bằng phần mềm ETABS, chia dải strip để tính toán cốt thép nhịp và gối theo mô men nội lực $M_{strip}$.
    • Tải trọng gió động được phân tích dao động theo phương pháp phần tử hữu hạn: Mode 1 theo phương X, Mode 2 theo phương Y kết hợp hệ số tương quan không gian $v_1$ và hệ số động lực $\xi$. Tải trọng động đất được gán trực tiếp thông qua hàm phổ phản ứng thiết kế theo TCXDVN 9386:2012.

  2. Mô phỏng bài toán địa kỹ thuật hố đào sâu (PLAXIS 8.5):

    • Mô hình hóa tường vây cọc Barrette, hệ chống ngang strut, cột kingpost liên kết tại các nút giao.
    • Quá trình thi công Bottom-up được chia thành các bước phân tích: đào đất giai đoạn 1 đến cao độ -3,0 m; kích hoạt hệ thanh chống ngang; đào đất giai đoạn 2 đến cao độ đáy hầm -7,0 m; kiểm tra ứng suất và chuyển vị đất nền; tháo dỡ hệ chống sau khi sàn đáy hoàn thiện.
    • Kiểm tra hệ số an toàn hố đào $FS$ qua từng bước đào, khống chế chuyển vị ngang đỉnh tường vây đảm bảo an toàn cho các công trình hạ tầng lân cận.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán thiết kế kết cấu công trình cao tầng từ phần thân đến kết cấu ngầm, đạt được các kết quả cụ thể có số liệu kiểm chứng:

  • Thiết kế kết cấu sàn tầng điển hình: Chiều dày bản sàn $h_s = 180\text{ mm}$ hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện chịu lực và biến dạng; độ võng lớn nhất của sàn đạt $f = 0,0171\text{ m}$, nhỏ hơn nhiều so với độ võng cho phép $f_{cp} = 0,0425\text{ m}$; kiểm tra vết nứt và độ võng dài hạn có xét từ biến bê tông ($\beta_{b2} = 0,6$) đều nằm trong phạm vi cho phép của TCVN 5574:2012.
  • Kiểm tra tính ổn định động lực học của khung: Hệ số nhạy $\theta$ kiểm tra hiệu ứng P-Delta xác nhận công trình không chịu ảnh hưởng nguy hiểm của hiệu ứng bậc hai; chỉ số nén $V_d$ của toàn bộ các cấu kiện cột và vách cứng tại các tầng đều nằm trong ngưỡng an toàn cho phép, ngăn ngừa nguy cơ phá hoại giòn dưới tác động của tải trọng nén uốn đồng thời.
  • Thiết kế cấu kiện khung chịu lực: Cốt thép dầm B53 tầng điển hình cho thấy sự phù hợp cao giữa kết quả tính giải tích bằng tay và kết quả thiết kế tự động từ ETABS; cột C20 tầng 12 được thiết kế cốt thép tối ưu theo mô hình lệch tâm xiên; vách pier 1 và lõi pier 5 tầng 1 được tính toán chi tiết cốt thép chịu lực biên và lưới thép thân vách theo phương pháp ứng suất đàn hồi.
  • Thiết kế nền móng cọc khoan nhồi: Xác định chính xác sức chịu tải thiết kế của cọc dựa trên 4 phương pháp; bố trí hợp lý số lượng cọc cho các đài M1, M2, M3, M4, M5; kết quả kiểm tra phản lực đầu cọc đều thỏa mãn điều kiện $P_{max} \le 1,2 P_{tk}$ và không xuất hiện lực nhổ ($P_{min} > 0$); đài cọc thỏa mãn khả năng chống chọc thủng và lún giới hạn theo biểu đồ $e-p$.
  • Kết quả chuyên đề hố đào sâu: Phân tích mô phỏng PLAXIS 8.5 chứng minh tính khả thi và an toàn của hệ tường vây Barrette kết hợp thanh chống ngang strut và kingpost trong quá trình đào hầm Bottom-up; hệ số an toàn tổng thể đạt $FS > 2,0$ ở mọi giai đoạn đào và đạt $FS = 3,x$ khi thi công xong tầng hầm; kiểm soát độ võng thành tường và biến dạng lún đất xung quanh trong giới hạn an toàn quy định.

Đóng góp của tác giả tập trung vào việc áp dụng đồng bộ các tiêu chuẩn thiết kế hiện đại của Việt Nam (TCVN 5574:2012, TCXDVN 9386:2012, TCVN 2737:1995), kết hợp chặt chẽ giữa công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn 3D (ETABS) và phần mềm địa kỹ thuật chuyên sâu (PLAXIS) để giải quyết thấu đáo bài toán kết cấu phức tạp của công trình cao 70,4 m có tầng hầm sâu trên nền đất đô thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án thể hiện một số giới hạn nghiên cứu xuất phát từ phạm vi khối lượng thực hiện của đồ án tốt nghiệp đại học:

  • Về phạm vi cấu kiện thiết kế: Thuyết minh và bản vẽ chỉ tập trung tính toán chi tiết dầm, sàn tầng điển hình; hệ khung cột, vách, lõi và móng chỉ tính toán đại diện cho khung trục 3 và trục C (các cấu kiện dầm B53, B24; cột C20; vách pier 1, lõi pier 5); chưa mô hình triển khai chi tiết cốt thép cho toàn bộ các trục khung và các ô sàn ở các cao độ khác nhau của tòa nhà.
  • Về phương pháp xác định tải trọng gió: Đồ án áp dụng phương pháp phân tích thành phần tĩnh và động của gió theo TCVN 2737:1995 dựa trên lý thuyết dao động riêng công trình; chưa có điều kiện thí nghiệm hầm gió khí động học (wind tunnel test) để kiểm chứng chính xác hiện tượng xoáy gió và áp lực gió cục bộ lên các góc tường kính của tòa nhà có hình khối lớn.
  • Về chuyên đề hố đào: Mô phỏng bài toán biến dạng tường vây cọc Barrette trên PLAXIS 8.5 mới chỉ thực hiện cho mặt cắt điển hình đi qua hố pít thang máy; chưa xét đến bài toán mô phỏng 3D tương tác không gian toàn bộ góc hố đào và ảnh hưởng của dao động mực nước ngầm phức tạp trong suốt mùa mưa tại Thanh Hóa.

Các hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo bao gồm: mở rộng mô hình tính toán kết cấu toàn diện cho các tầng sàn phi điển hình (sàn tầng 1 – 3 có chiều cao 4,5 m và sàn tầng kỹ thuật); áp dụng mô hình 3D trong phân tích địa kỹ thuật hố đào sâu; nghiên cứu so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa biện pháp thi công Bottom-up và Semi-Topdown cho các công trình cao tầng có nhiều tầng hầm tương tự.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao đối với sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, cũng như các kỹ sư thiết kế kết cấu công trình cao tầng:

  • Cung cấp quy trình mẫu rõ ràng, chuẩn mực về các bước sơ bộ kích thước tiết diện dầm, cột, vách, sàn theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.
  • Cung cấp phương pháp chi tiết trong việc khai báo tải trọng gió động (tính toán các tham số $\rho$, $\chi$, hệ số tương quan không gian $v_1$ theo Mode 1 và Mode 2) và khai báo phổ phản ứng động đất trong phần mềm ETABS.
  • Phần tính toán vách đơn chịu mô men vùng biên và tính toán lõi thang máy theo phương pháp ứng suất đàn hồi (xác định tâm lõi, mô men quán tính, bóc tách nội lực phần tử nguy hiểm) là tài liệu tham khảo chi tiết cho sinh viên khi làm đồ án tốt nghiệp kết cấu nhà cao tầng.
  • Chuyên đề tường vây Barrette và hệ thanh chống thi công hầm bằng phần mềm PLAXIS 8.5 cung cấp các bước thiết lập thông số đất nền, các giai đoạn thi công hố đào sâu (Bottom-up) và kiểm soát ổn định thành hố đào rất trực quan và có tính ứng dụng cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Trung tâm Thương mại Thành phố Thanh Hóa có quy mô số tầng, chiều cao và diện tích như thế nào?
Công trình gồm 21 tầng (01 tầng hầm ở cốt -3,300 m, tầng 1-3 cao 4,5 m làm siêu thị/thương mại, tầng 4 cao 3,3 m làm văn phòng/quầy bar, tầng 5 cao 2,4 m làm tầng kỹ thuật, tầng 6-19 cao 3,3 m là văn phòng điển hình, tầng mái cao 5,0 m) với tổng chiều cao là 70,4 m tính từ cốt ±0,000. Diện tích khu đất là 10.000 m², diện tích xây dựng 3.060 m² (mật độ 30,6%) và tổng diện tích sàn xây dựng là 25.800 m² (hệ số sử dụng đất 2,58).

2. Giải pháp kết cấu chịu lực chính của công trình được lựa chọn ra sao?
Kết cấu phần thân sử dụng hệ chịu lực hỗn hợp khung – vách bê tông cốt thép đổ toàn khối kết hợp lõi cứng thang máy ở khu vực trung tâm; kết cấu sàn là sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối dày 180 mm; kết cấu nền móng sử dụng hệ móng sâu với cọc khoan nhồi chịu lực.

3. Vật liệu bê tông và cốt thép được quy định sử dụng trong đồ án là những loại nào?
Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B30 ($R_b = 17\text{ MPa}$, $R_{bt} = 1,2\text{ MPa}$, $E_b = 32,5 \times 10^3\text{ MPa}$) cho các cấu kiện móng, cột, dầm, sàn, vách, lanh tô và cầu thang. Cốt thép gồm thép nhóm AI ($\phi < 10\text{ mm}$, $R_s = 225\text{ MPa}$) làm cốt thép đai, thép treo, thép sàn bản mỏng; và thép nhóm AIII ($\phi \ge 10\text{ mm}$, $R_s = 365\text{ MPa}$) làm cốt thép dọc chịu lực cho toàn bộ dầm, cột, vách, sàn và móng.

4. Kết quả kiểm tra độ võng đàn hồi của sàn tầng điển hình có thỏa mãn tiêu chuẩn không?
Có. Kết quả phân tích mô hình dải strip trên ETABS cho thấy độ võng đàn hồi lớn nhất ở vị trí biên sàn tầng điển hình là $f = 0,0171\text{ m}$ ($17,1\text{ mm}$), nhỏ hơn nhiều so với độ võng giới hạn cho phép theo TCVN 5574:2012 là $f_{cp} = L/200 = 8,5/200 = 0,0425\text{ m}$ ($42,5\text{ mm}$).

5. Phương pháp thi công tầng hầm và giải pháp kết cấu chắn giữ hố đào trong chuyên đề là gì?
Chuyên đề lựa chọn giải pháp tường vây cọc Barrette kết hợp hệ thanh chống ngang (strut) và cột chống tạm (kingpost) để giữ ổn định hố đào sâu; biện pháp thi công được áp dụng là phương pháp Bottom-up (thi công từ đáy hố móng lên), được mô phỏng và kiểm tra ổn định trượt, chuyển vị và hệ số an toàn ($FS$) thông qua phần mềm địa kỹ thuật PLAXIS 8.5.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Trung tâm thương mại Thành phố Thanh Hóa" của sinh viên Lưu Trung Nguyên là một công trình thiết kế kỹ thuật xây dựng hoàn chỉnh, có phương pháp luận rõ ràng và bám sát đầy đủ hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng Việt Nam. Tác giả đã kết hợp hiệu quả giữa tính toán lý thuyết và ứng dụng các phần mềm chuyên ngành hiện đại như ETABS 2017 và PLAXIS 8.5 để giải quyết tối ưu bài toán kết cấu chịu lực nhà cao tầng 70,4 m cùng hệ hố đào sâu tầng hầm. Các kết quả tính toán chi tiết từ hệ sàn sườn, khung - vách - lõi cho đến nền móng cọc khoan nhồi và tường vây Barrette đều đáp ứng nghiêm ngặt các điều kiện về an toàn chịu lực, biến dạng và độ bền sử dụng. Đây là tài liệu chuyên khảo có độ tin cậy cao, mang lại giá trị học tập và thực hành thiết kế thiết thực cho sinh viên và kỹ sư ngành xây dựng công trình dân dụng.