Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Xây dựng của tác giả Phạm Sỹ Nguyên (Trường Đại học Hải Phòng, khóa K21) thực hiện đề tài thiết kế công trình "Văn phòng cho thuê TP. Đà Nẵng". Công trình được định vị xây dựng tại khu vực trung tâm thành phố Đà Nẵng, phục vụ nhu cầu làm việc của Sở Kế hoạch và Đầu tư tỉnh cùng một số sở, ban ngành chưa có trụ sở làm việc riêng, đồng thời cung cấp diện tích văn phòng cho thuê chất lượng cao nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của địa phương.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được phân chia theo ba hợp phần chuyên môn chính:
- Thiết kế kiến trúc (chiếm 10% khối lượng đồ án): Do ThS. Trịnh Duy Thành hướng dẫn. Nhiệm vụ gồm nghiên cứu mặt bằng tổng thể, tổ chức công năng các tầng, thiết kế mặt đứng, mặt cắt, giải pháp giao thông đứng - ngang, thoát hiểm, chiếu sáng, thông gió và hạ tầng kỹ thuật phụ trợ.
- Thiết kế kết cấu (chiếm 45% khối lượng đồ án): Do ThS. Trịnh Duy Thành hướng dẫn. Nhiệm vụ gồm lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực chính, sơ bộ kích thước cấu kiện (sàn, dầm, cột), xác định và quy đổi các loại tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió), mô hình hóa tính toán nội lực khung ngang trục 2 bằng phần mềm chuyên dụng và thiết kế các cấu kiện phụ trợ, móng công trình.
- Thiết kế thi công: Do ThS. Nguyễn Đức Lợi hướng dẫn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Công trình dân dụng nhiều tầng kết cấu bê tông cốt thép toàn khối, quy mô 9 tầng nổi và 1 tầng kỹ thuật mái.
- Phạm vi không gian: Công trình có kích thước mặt bằng hình chữ nhật với chiều rộng 17,6 m và chiều dài 51,6 m; tổng chiều cao công trình đạt 32,4 m tính từ cốt $\pm 0,00$ (hoặc 31,5 m so với cốt mặt đất tự nhiên tại cao trình -0,450 m).
- Phạm vi kỹ thuật trong văn bản: Tập trung phân tích chuyên sâu giải pháp kiến trúc tổng thể và tính toán chi tiết khung phẳng trục 2 từ tầng 1 đến tầng mái.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn, kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử của hệ khung không gian/khung phẳng chịu tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang.
1. Quy chuẩn vật liệu sử dụng
| Loại vật liệu |
Thông số kỹ thuật và cường độ tính toán trong đồ án |
| Bê tông |
Cấp độ bền B25: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = R_{bn} = 14,5\text{ MPa}$ ($145\text{ kG/cm}^2$); Cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$. |
| Cốt thép CI |
Cường độ chịu kéo/nén tính toán $R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$; Cường độ chịu cắt $R_{sw} = 175\text{ MPa}$; Mô đun đàn hồi $E_s = 21 \times 10^4\text{ MPa}$. |
| Cốt thép CII |
Cường độ chịu kéo/nén tính toán $R_s = R_{sc} = 280\text{ MPa}$ ($2800\text{ kG/cm}^2$); Cường độ tính toán $R_{sw} = 225\text{ MPa}$; Mô đun đàn hồi $E_s = 21 \times 10^4\text{ MPa}$. |
2. Phương pháp xác định tải trọng và tính toán nội lực
- Phương pháp truyền tải bản sàn: Phân loại bản sàn thành bản kê 4 cạnh ($l_2/l_1 \le 2$) và bản loại dầm ($l_2/l_1 > 2$). Diện truyền tải quy đổi thành dạng hình tam giác, hình thang và hình chữ nhật truyền trực tiếp vào hệ dầm khung và dầm dọc.
- Phương pháp tính toán sơ bộ tiết diện:
- Tiết diện sàn: Xác định theo tỷ lệ nhịp $h_s = (1/m) \cdot l_s$ với $m = 35 \div 42$ cho bản kê 4 cạnh và $m = 30 \div 35$ cho bản loại dầm.
- Tiết diện dầm: Dầm chính $h_d = (1/12 \div 1/8)L$, dầm phụ $h_d = (1/15 \div 1/12)B_d$, bề rộng dầm $b = (1/4 \div 1/2)h_d$.
- Tiết diện cột: Xác định theo công thức nén đúng tâm có xét mô men $F_c = k \cdot N / R_b$, trong đó $k = 1,1 \div 1,2$, $N = q \cdot S \cdot n$ ($q = 1,0 \div 1,8\text{ T/m}^2$).
- Công cụ mô hình hóa nội lực: Sử dụng phần mềm SAP2000 v14.0 thiết lập mô hình mặt phẳng X-Z tại vị trí trục 2 ($Y=0$) với hệ đơn vị kN, m, °C.
Thiết kế kiến trúc và giải pháp kỹ thuật công trình
1. Phân chia công năng và chiều cao tầng
Công trình được thiết kế với hình khối đối xứng, phân định rõ ràng các khu chức năng theo chiều cao:
- Tầng 1 (cao 2,7 m): Bố trí đại sảnh với cửa kính quay tự động, khu vực đỗ xe ô tô và xe máy của cán bộ, nhân viên, cùng hệ thống bể nước ngầm, trạm bơm và trạm xử lý nước thải.
- Tầng 2 đến tầng 9 (mỗi tầng cao 3,3 m): Khu văn phòng làm việc chính. Mặt bằng được tổ chức linh hoạt, sử dụng vách ngăn thạch cao tạm thời để dễ dàng phân chia không gian; khu vệ sinh được gom về đầu hồi công trình nhằm tối ưu tuyến ống kỹ thuật.
- Tầng kỹ thuật và mái (cao 3,3 m): Bố trí phòng máy thang máy, bể chứa nước sinh hoạt và cứu hỏa, hệ thống điều khiển kỹ thuật điện - nước; sê nô mái vươn conson 0,8 m tạo điểm nhấn kiến trúc kết hợp lớp vật liệu chống nóng.
2. Giao thông, thoát hiểm, thông gió và chiếu sáng
- Giao thông nội bộ: Hành lang trung tâm rộng 3,0 m liên kết với sảnh thang máy và 2 cầu thang bộ hai vế (chiều rộng vế thang 1,42 m; kích thước bậc $300 \times 165\text{ mm}$; chiếu nghỉ kích thước $1,8 \times 4,2\text{ m}$).
- Mặt đứng và chiếu sáng: Sử dụng mảng kính lớn khung nhôm kết hợp đá ốp granit, tận dụng tối đa ánh sáng tự nhiên từ 4 mặt thoáng do công trình tiếp giáp đường giao thông và đất lưu không.
- Thông gió: Tận dụng thông gió tự nhiên xuyên phòng qua hệ thống cửa sổ mở rộng kết hợp cơ chế nhân tạo.
3. Hệ thống cơ điện và cấp thoát nước
- Cấp điện: Nguồn điện lấy từ lưới điện thành phố dẫn bằng cáp ngầm vào trạm biến áp Kios $560\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$; mạng dây dẫn trong nhà dùng cáp ruột đồng cách điện PVC 2 lớp luồn ống nhựa $\Phi 15$ đi ngầm; trang bị máy phát điện dự phòng.
- Cấp thoát nước: Nước cấp từ bể ngầm bơm lên bể mái; hệ thống nước cứu hỏa đi riêng tới các ụ chữa cháy. Trạm xử lý nước thải đặt tại tầng 1 với lưu lượng thoát nước bẩn thiết kế $40\text{ l/s}$; hệ thống thoát nước mưa trên mái thu gom riêng qua sê nô thoát thẳng ra cống thành phố.
4. Hồ sơ bản vẽ kiến trúc kèm theo
- KT-01: Mặt bằng tầng 1 - 2, mặt bằng tổng thể.
- KT-02: Mặt bằng các tầng, mặt đứng trục A-D, mặt cắt A-A.
- KT-03: Mặt đứng trục 1-12, mặt cắt B-B, chi tiết cầu thang và khu vệ sinh.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Giới thiệu chung về công trình (Phần 1 - Kiến trúc)
Chương này tổng kết toàn bộ giải pháp quy hoạch, kiến trúc và hạ tầng kỹ thuật:
- Xác định quy chuẩn xây dựng: Toàn bộ hạng mục nằm trong chỉ giới đường đỏ, cốt san nền phù hợp khu vực, đảm bảo yêu cầu phòng cháy chữa cháy và xe cứu thương tiếp cận.
- Thiết lập giải pháp mặt đứng hiện đại với mảng kính lấy sáng, sê nô mái nhô ra 0,8 m.
- Xác định sơ bộ hệ kết cấu chịu lực toàn công trình: Hệ khung bê tông cốt thép B25, cốt thép CII, giải pháp móng sâu (móng cọc bê tông cốt thép đổ toàn khối do địa chất không cho phép dùng móng nông).
Chương II: Lựa chọn giải pháp kết cấu, tính toán nội lực (Phần 2 - Kết cấu)
1. Lựa chọn hệ kết cấu và phương án sàn
Tác giả so sánh các sơ đồ kết cấu nhà nhiều tầng (hệ tường, hệ khung, khung - vách, khung - lõi, khung - vách - lõi, hệ ống, hệ hộp) và đưa ra các quyết định:
- Hệ chịu lực chính: Chọn hệ khung bê tông cốt thép toàn khối, tận dụng lõi thang máy tham gia chịu tải trọng. Với tỷ lệ kích thước mặt bằng $51,6 / 17,6 > 2$, kết cấu được mô hình hóa theo dạng hệ khung phẳng, trong đó khung ngang đóng vai trò chịu lực chính.
- Phương án sàn: Chọn phương án sàn sườn toàn khối (hệ dầm và bản sàn đổ liền khối) nhờ ưu điểm dễ thi công, phổ biến và liên kết nút cứng tốt. Bố trí dầm phụ chia nhỏ nhịp 7,2 m của các ô sàn.
2. Kích thước sơ bộ cấu kiện
Bản sàn
Chọn chiều dày bản sàn $h_s = 12\text{ cm}$ cho toàn bộ các ô sàn tầng điển hình (bản kê 4 cạnh ô lớn nhất $4,75 \times 4,2\text{ m}$; bản loại dầm $3 \times 7,8\text{ m}$).
Hệ thống dầm
| STT |
Loại dầm |
Nhịp tính toán $L$ (m) |
Chiều cao $h_d$ (m) |
Bề rộng $b$ (m) |
| 1 |
Dầm ngang chính |
7,2 |
0,65 |
0,30 |
| 2 |
Dầm hành lang |
3,2 |
0,40 |
0,30 |
| 3 |
Dầm dọc trục |
4,4 |
0,30 |
0,25 |
| 4 |
Dầm dọc trục |
4,2 |
0,30 |
0,25 |
| 5 |
Dầm chiếu nghỉ / chiếu tới thang |
- |
0,40 |
0,20 |
Hệ thống cột
Tiết diện cột bê tông cốt thép được tính toán giảm dần theo 3 cấp chiều cao nhằm tối ưu hóa vật liệu:
- Cấp I (Tầng 1 đến Tầng 3)
- Cấp II (Tầng 4 đến Tầng 6)
- Cấp III (Tầng 7 đến Tầng 9)
| Vị trí cột |
Tiết diện Cấp I (T1-T3) |
Tiết diện Cấp II (T4-T6) |
Tiết diện Cấp III (T7-T9) |
| Cột C1 (Biên trục A, D) |
$35 \times 40\text{ cm}$ |
$35 \times 35\text{ cm}$ |
$35 \times 30\text{ cm}$ |
| Cột C2 (Giữa trục B, C) |
$35 \times 65\text{ cm}$ |
$35 \times 60\text{ cm}$ |
$35 \times 55\text{ cm}$ |
3. Thiết lập tải trọng tính toán
Tĩnh tải
Bao gồm trọng lượng bản thân các lớp cấu tạo kiến trúc:
- Sàn làm việc, hành lang: Lớp gạch lát, vữa lót, bản sàn BTCT, trần thạch cao khung xương kim loại.
- Sàn vệ sinh: Tổng tĩnh tải $418,1\text{ kG/m}^2$ (bổ sung vữa ngâm xi măng chống thấm, trần nhôm).
- Sàn mái: Tổng tĩnh tải $403,1\text{ kG/m}^2$ (2 lớp gạch lá nem, bê tông nhẹ tạo dốc, chống thấm).
- Tường xây: Tường dày 220 mm trát 2 mặt; tường dày 110 mm trát 2 mặt ($288\text{ kG/m}^2$).
Hoạt tải sử dụng tiêu chuẩn và tính toán
| Loại phòng / Khu vực |
Hoạt tải tiêu chuẩn ($p^{tc}$) |
Hệ số vượt tải $n$ |
Hoạt tải tính toán ($p^{tt}$) |
| Phòng họp |
$300\text{ daN/m}^2$ |
1,2 |
$360\text{ daN/m}^2$ |
| Phòng làm việc |
$200\text{ daN/m}^2$ |
1,2 |
$240\text{ daN/m}^2$ |
| Phòng vệ sinh |
$200\text{ daN/m}^2$ |
1,2 |
$240\text{ daN/m}^2$ |
| Hành lang, cầu thang |
$300\text{ daN/m}^2$ |
1,2 |
$360\text{ daN/m}^2$ |
4. Phân tích nội lực khung trục 2 trên SAP2000 v14.0
Tác giả tính toán khung ngang trục 2 với nhịp hình học $L_{AB} = 6,745\text{ m}$, $L_{BC} = 3,380\text{ m}$, chiều cao cột tầng 1 $h_{t1} = 3,45\text{ m}$ (chiều sâu chôn móng $h_m = 0,5\text{ m}$ từ cốt mặt đất tự nhiên). Tải trọng được quy đổi thành dạng phân bố đều và lực tập trung đặt tại các nút khung.
Các trường hợp tải trọng (Load Cases) được khai báo và xuất biểu đồ nội lực trong file SAP2000:
- Tĩnh tải (TT): Trọng lượng kết cấu, sàn và tường xây. Xuất biểu đồ lực dọc (Axial Force Diagram), lực cắt (Shear Force 2-2 Diagram) và mô men uốn (Moment 3-3 Diagram).
- Hoạt tải chất lệch tầng 1 (HT1) và tầng 2 (HT2): Khảo sát các tổ hợp hoạt tải nhằm tìm giá trị mô men và lực cắt nguy hiểm nhất tại các tiết diện dầm, cột.
- Tải trọng gió (GX, GXX): Tác động ngang theo hai chiều đón gió và hút gió.
5. Hồ sơ bản vẽ kết cấu kèm theo
- KC-01: Mặt bằng kết cấu móng công trình.
- KC-02, KC-03: Kết cấu khung ngang trục 2.
- KC-04: Kết cấu sàn tầng 2.
- KC-05: Kết cấu cầu thang bộ trục 11-12, C-D'.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
1. Kết quả tính toán chính
- Xác lập phương án kết cấu tối ưu cho công trình văn phòng 9 tầng: Sử dụng hệ khung phẳng bê tông cốt thép đổ toàn khối kết hợp dầm phụ, bản sàn dày 12 cm, đáp ứng yêu cầu chịu lực và tạo không gian linh hoạt cho văn phòng.
- Giảm tải trọng bản thân công trình thành công nhờ phân cấp tiết diện cột theo 3 giai đoạn chiều cao (từ $35 \times 65\text{ cm}$ ở các tầng dưới giảm về $35 \times 55\text{ cm}$ ở các tầng trên đối với cột giữa; từ $35 \times 40\text{ cm}$ giảm về $35 \times 30\text{ cm}$ đối với cột biên).
- Thiết lập quy trình quy đổi tải trọng bản sàn phức tạp (tam giác, hình thang từ các ô sàn S1 đến S10) sang tải trọng phân bố và tập trung trên dầm khung ngang trục 2 một cách chi tiết.
- Hoàn thành mô hình phân tích kết cấu trên phần mềm SAP2000 v14.0, trích xuất đầy đủ biểu đồ bao nội lực $M, Q, N$ phục vụ công tác bố trí cốt thép dầm, cột và móng.
2. Đóng góp về mặt giải pháp kỹ thuật
- Kết hợp giải pháp kiến trúc hiện đại (mặt dựng kính, đá granit, sê nô conson 0,8 m) với giải pháp kết cấu khung chịu lực khẩu độ nhịp dầm chính $7,2\text{ m}$ và $7,8\text{ m}$, giải phóng không gian làm việc rộng rãi.
- Tích hợp hệ thống hạ tầng kỹ thuật đồng bộ: Trạm biến áp $560\text{ kVA}$, trạm xử lý nước thải cục bộ $40\text{ l/s}$ trước khi xả ra môi trường, đảm bảo các tiêu chuẩn môi trường và phòng cháy chữa cháy của đô thị.
Hạn chế và phạm vi ứng dụng
- Phạm vi mô hình hóa: Đồ án tập trung tính toán chi tiết nội lực trên mô hình khung phẳng 2D (khung ngang trục 2 đại diện) thay vì mô hình không gian 3D tổng thể cho toàn bộ 12 trục của tòa nhà.
- Dữ liệu địa chất móng: Văn bản chỉ nêu định hướng sử dụng giải pháp móng sâu (móng cọc BTCT) do móng nông không khả thi; các bảng tính toán chi tiết sức chịu tải của cọc và lún móng chưa được trình bày sâu trong phần trích lục.
- Phạm vi tính toán gió: Tải trọng gió được đưa vào mô hình dưới dạng lực tác dụng lên khung phẳng trục X-Z, chưa xét đến các hiệu ứng xoắn không gian phức tạp của công trình cao tầng.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Công nghệ Kỹ thuật Xây dựng: Làm tài liệu tham khảo trực tiếp cho đồ án tốt nghiệp công trình dân dụng nhiều tầng bê tông cốt thép, từ khâu xác định nhiệm vụ kiến trúc, sơ bộ tiết diện đến tính toán tĩnh tải, hoạt tải và gió.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu trẻ: Tham khảo phương pháp chuyển đổi tải trọng sàn dạng hình thang/tam giác thành tải phân bố tương đương và quy trình khai báo, gán tải trọng, trích xuất biểu đồ nội lực ($M_{3-3}, Q_{2-2}, N$) trong phần mềm SAP2000 v14.0.
- Phần đáng tham khảo nhất: Bảng số liệu tính toán chi tiết tĩnh tải đơn vị các lớp hoàn thiện sàn/mái/tường và quy trình phân cấp tiết diện cột theo chiều cao công trình.
Câu hỏi thường gặp
1. Công trình sử dụng loại vật liệu bê tông và cốt thép nào cho kết cấu chịu lực?
Toàn bộ kết cấu chịu lực chính của công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B25 (cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14,5\text{ MPa}$ hay $145\text{ kG/cm}^2$, cường độ chịu kéo $R_{bt} = 1,05\text{ MPa}$). Cốt thép chịu lực dùng hai loại: thép nhóm CI ($R_s = R_{sc} = 225\text{ MPa}$) và thép nhóm CII ($R_s = R_{sc} = 280\text{ MPa}$, cường độ tính toán quy đổi $2800\text{ kG/cm}^2$).
2. Tiết diện cột được thay đổi như thế nào dọc theo chiều cao 9 tầng của tòa nhà?
Tiết diện cột được phân thành 3 cấp:
- Cột biên C1 (trục A, D): Tầng 1-3 là $35 \times 40\text{ cm}$; Tầng 4-6 là $35 \times 35\text{ cm}$; Tầng 7-9 là $35 \times 30\text{ cm}$.
- Cột giữa C2 (trục B, C): Tầng 1-3 là $35 \times 65\text{ cm}$; Tầng 4-6 là $35 \times 60\text{ cm}$; Tầng 7-9 là $35 \times 55\text{ cm}$.
3. Kích thước bản sàn và dầm chính chịu lực được chọn là bao nhiêu?
Chiều dày bản sàn sườn toàn khối chọn thống nhất $h_s = 12\text{ cm}$. Dầm ngang chính (nhịp $7,2\text{ m}$) có tiết diện $30 \times 65\text{ cm}$; dầm hành lang (nhịp $3,2\text{ m}$) có tiết diện $30 \times 40\text{ cm}$; dầm dọc (nhịp $4,4\text{ m}$ và $4,2\text{ m}$) có tiết diện $25 \times 30\text{ cm}$.
4. Phần mềm nào được sử dụng để phân tích nội lực khung và gồm những trường hợp tải trọng nào?
Tác giả sử dụng phần mềm SAP2000 v14.0 để phân tích mô hình khung phẳng trục 2 trên mặt phẳng X-Z. Các trường hợp tải trọng khai báo gồm: Tĩnh tải (TT), Hoạt tải lệch tầng 1 (HT1), Hoạt tải lệch tầng 2 (HT2), Tải trọng gió thuận (GX) và Tải trọng gió ngược (GXX).
5. Hệ thống cấp điện và công suất trạm xử lý nước thải của tòa nhà được thiết kế ra sao?
Công trình lấy điện từ trạm biến áp Kios công suất $560\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$ qua đường cáp ngầm, mạng điện sử dụng dây đồng bọc PVC đi ngầm ống $\Phi 15$. Nước thải sinh hoạt được xử lý qua trạm xử lý nước thải đặt tại tầng 1 với lưu lượng tính toán $40\text{ l/s}$ trước khi đấu nối vào hệ thống thoát nước thành phố.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Văn phòng cho thuê TP. Đà Nẵng" của sinh viên Phạm Sỹ Nguyên là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho tòa nhà văn phòng 9 tầng kết cấu bê tông cốt thép toàn khối. Tác giả đã giải quyết đồng bộ từ quy hoạch không gian kiến trúc, bố trí công năng linh hoạt, thiết kế hệ thống cơ điện - cấp thoát nước đến tính toán chi tiết kết cấu khung ngang trục 2 bằng phần mềm SAP2000 v14.0. Hồ sơ tính toán cung cấp đầy đủ số liệu tải trọng, phương án phân cấp tiết diện cột và bảng vẽ kỹ thuật, phản ánh đúng tiêu chuẩn thiết kế xây dựng hiện hành.
