Trên thực tế, một quy trình thiết kế kết cấu công trình xây dựng hoàn chỉnh thường bao gồm rất, rất nhiều công đoạn và chi tiết khác nhau. Tùy theo quy mô, điều kiện thực tế cũng như cách thức triển khai công việc của mỗi đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu khác nhau mà quy trình có thể có những thay đổi ít nhiều. Tuy nhiên, nhìn chung quy trình này vẫn sẽ bao gồm 7 bước cơ bản sau đây:

Bước 1. Xác định rõ phương án kết cấu

– Để có thể thiết kế kết cấu công trình, các kỹ sư trước hết cần nghiên cứu bản vẽ các mặt đứng chính, mặt đứng hông, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, mặt bằng tầng hầm, tầng trệt, …, từ đó mới có thể xác định tương đối chính xác các kích thước chính trong công trình. Bên cạnh đó, cũng cần có sự tìm hiểu kỹ lưỡng về kích thước cũng như sự bố trí hệ thống thang bộ, thang máy, hệ thống điện, hệ thống cấp, thoát nước, các bộ phận ngầm, các đường ống kỹ thuật, …

– Nghiên cứu hồ sơ địa chất của công trình bao gồm việc tìm hiểu và phân tích mặt cắt địa chất, tính chất, chỉ tiêu cơ lý các lớp đất bên dưới công trình.

– Dự kiến hệ chịu lực chính của công trình bao gồm khung, khung kết hợp vách cứng, lõi cứng, … Tiếp đến là việc bố trí một cách sơ bộ các bộ phận nhận tải trọng truyền lên hệ chịu lực chính của công trình như: hệ dầm, sàn, khu vực thang máy, thang bộ, lỗ thông tầng, hồ nước mái, … Sau đó, người kỹ sư sẽ lựa chọn vật liệu chịu lực cho công trình (bêtông cốt thép, thép, gỗ…)

Bước 2. Lựa chọn sơ bộ kích thước cho các cấu kiện chính của hệ chịu lực

Ở bước tiếp theo này, người kỹ sư sẽ phải tiến hành lựa chọn sơ bộ độ dày của các loại sàn, kích thước tiết diện của hệ dầm, cột, vách của các loại cấu kiện có vai trò truyền tải trọng về hệ chịu lực chính .

Bước 3. Xác định tải trọng truyền lên các bộ phận chịu lực cũng như hệ chịu lực chính.

Bước 4. Tính toán chi tiết nội lực của hệ chịu lực chính và các cấu kiện ứng với khả năng tải trọng có thể gây nguy hiểm nhất đến hệ chịu lực chính của công trình.

Bước 5. Tính toán cốt thép cho hệ chịu lực chính cũng như cho từng cấu kiện.

Bước 6. Kiểm tra kết cấu công trình theo các trạng thái giới hạn.

Bước 7. Tiến hành thiết lập bản vẽ kết cấu, đồng thời lập bảng thống kê vật liệu sử dụng.

Trên đây là 7 bước chính nhất trong quy trình thiết kế kết cấu công trình cơ bản nhất mà người kỹ sư thiết kế cần phải tiến hành để tạo ra được một phương án kết cấu tối ưu, an toàn, và hiệu quả dành cho khách hàng của mình. Trên nguyên tắc, việc thiết kế kết cấu công trình sẽ cần phải thực sự thoả các yêu cầu sau đây, bao gồm: Người thiết kế phải thiết lập được sơ đồ kết cấu, xác định chính xác kích thước tiết diện, đồng thời bố trí và cấu tạo cốt thép sao cho đảm bảo tối đa độ bền, sự ổn định và bất biến hình trong không chỉ không gian tổng thể mà còn đối với riêng từng bộ phận của công trình từ khi thi công xây dựng cho tới giai đoạn sử dụng lâu dài về sau.

Biến dạng co ngắn cột là hiện tượng phụ thuộc vào thời gian. Nó tăng dần trong một thời gian dài và đạt đến giá trị lớn nhất sau khoảng 05 năm kể từ khi xây dựng và có thể gây ảnh hưởng lớn đến công trình.

Vấn đề này đã được nghiên cứu và thực nghiệm trên thế giới từ những năm 70 của thế kỷ trước. Những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng co ngắn cột bao gồm: Biến dạng đàn hồi do cột chịu tải trọng nén: phụ thuộc vào: – Cường độ bê tông; – Thời gian chất tải; – Độ lớn của tải trọng. Co ngót bê tông: – Độ ẩm môi trường xung quanh; – Kích thước cấu kiện; – Thành phần bê tông và % cốt thép.

Biến dạng do bê tông co ngót không phụ thuộc vào tải trọng. Từ biến:

– Độ ẩm môi trường xung quanh; – Kích thước cấu kiện; – Thành phần bê tông và % cốt thép;

– Cường độ bê tông;

– Độ lớn của tải trọng;

– Thời gian chất tải. Giá trị biến dạng co ngắn cột cần được tính đến từ khi thiết kế công trình nhằm hai mục đích chính:

– Thiết kế các cấu kiện chịu lực có kể đến ảnh hưởng của co ngắn cột;

– Tính toán giá trị bù lại sự co ngắn nhằm đảm bảo dầm, sàn được đưa về vị trí nằm ngang.

Đối với dạng công trình có tính đặc thù như nhà cao tầng, một trong những công việc đầu tiên và cần thiết nhất là lựa chọn kết cấu chịu lực để thiết kế, bao gồm: thiết kế kết cấu khung chịu lực, thiết kế kết cấu ống/trụ chịu lực, thiết kế kết cấu khung vách, … Trên thực tế, việc tìm kiếm và đựa ra giải pháp kết cấu chịu lực cũng như lựa chọn vị trí lõi thang máy và lõi thang bộ sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến mặt bằng thiết kế kiến trúc của toàn bộ công trình, mà từ vấn đề này đôi khi có thể phát sinh rất nhiều xung đột và sự bất đồng giữa kiến trúc sư và kỹ sư kết cấu, do đó thường sẽ phải tốn khá nhiều thời gian để có thể đi đến một phương án thống nhất dung hòa giữa hai bộ môn.

Việc lựa chọn kết cấu hệ chịu lực hợp lý về mặt cấu tạo (phù hợp hơn cả vẫn là hệ kết cấu đối xứng cả 2 phương) sẽ đảm bảo các cấu kiện kết cấu của công trình được phân bổ nội lực đồng đều, nhờ đó tận dụng hết khả năng chịu lực của vật liệu thiết kế kết cấu với có hệ số an toàn cao không chỉ dưới tác động của các loại tải trọng cơ bản mà còn có khả năng tự phân bổ lại nội lực một cách an toàn dưới tác động của nhiều tổ hợp lực đặc biệt như động đất, gió, cháy nổ, …

Bên cạnh việc đảm bảo sự an toàn tuyệt đối cho toàn bộ kết cấu hệ chịu lực của công trình, đối với người kỹ sư kết cấu, vấn đề tiết kiệm chi phí thi công trong việc chọn lựa các phương án thiết kế kết cấu từ khâu chọn mác bê tông, cường độ thép, giải pháp móng hay biện pháp thi công tầng hầm cũng là một mối quan tâm cực kỳ lớn. Bởi lẽ, các giải pháp kết cấu khác nhau có thể dẫn đến sự chênh lệch về chi phí từ vài chục cho đến vài trăm tỉ đồng đối với các dự án tổ hợp nhà cao tầng.

Trong các dạng công trình xây dựng phổ biến hiện nay như biệt thự, nhà phố, nhà hàng, khách sạn, nhà xưởng, … thì khâu tư vấn thiết kế kết cấu đối với các công trình nhà cao tầng như chung cư, cao ốc, khu phức hợp, … nhìn chung khá phức tạp, đòi hỏi không chỉ kinh nghiệm, chuyên môn vững vàng mà còn cả sự chuyên nghiệp từ bộ phận tư vấn thiết kế kết cấu công trình.

Phương pháp móng cọc khoan nhồi hiện nay được áp dụng chủ yếu đối với các công trình nhà cao tầng (thường cao trên 10 tầng). Tuy nhiên, phương pháp cọc khoan nhồi lại có chi phí thi công khá tốn kém (cao hơn nhiều so với phương án cọc ép) nên chủ đầu tư, kỹ sư thiết kế kết cấu cũng như các bên liên quan thường cân nhắc hết sức kỹ lưỡng khi quyết định áp dụng giải pháp móng này. Trên thực tế, móng cọc khoan nhồi sẽ là giải pháp không thể thay thế đối với trường hợp phương án cọc ép hoặc cọc ép không thể đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật.

Đối với các công trình nhà cao tầng, tải trọng truyền xuống một cột thường rất lớn, và nếu áp dụng móng cọc ép thì số lượng cọc cần sử dụng sẽ là rất nhiều và kích thước đài cọc cũng rất lớn. Nếu mặt bằng móng đủ rộng để có thể bố trí đài cọc và không ảnh hưởng đến các hạng mục hạ tầng, phương án móng cọc ép là hoàn toàn hợp lý. Tuy nhiên, các công trình nhà cao tầng hiện đại hiện nay với tầng hầm, bể nước ngầm, hệ thống cấp thoát nước, bể phốt, cùng hạ tầng kỹ thuật khác chiếm khoảng không gian khá đáng kể nên việc áp dụng móng cọc ép là gần như không thể. Vì lẽ đó, phương án móng cọc khoan nhồi là giải pháp duy nhất với sức chịu tải cao hơn và diện tích móng cũng nhỏ hơn nhiều.

Tùy thuộc từng điều kiện địa chất, điều kiện kỹ thuật và thi công cụ thể mà người kỹ sư thiết kế kết cấu dựa trên những thông số kỹ thuật cụ thể và các tính toán chính xác sẽ đưa ra một giải pháp móng và hệ chịu lực chính tối ưu cho từng công trình. Tuy nhiên, để có thể làm được điều này, ngoài việc tính toán chính xác, nghiên cứu hồ sơ địa chất kỹ lưỡng, người kỹ sư cũng cần có rất nhiều kinh nghiệm thực tế cũng như chuyên môn vững vàng mới có thể tìm ra được một phương án tối ưu, an toàn và tiết kiệm.

Công tác khảo sát địa chất công trình có ý nghĩa rất quan trọng trong việc cung cấp các thông tin thiết yếu nhằm:

– Đánh giá chi tiết mức độ thích hợp của môi trường và địa điểm đối với công trình dự kiến được xây dựng.

– Xác định các biến đổi của môi trường địa chất do hoạt động kinh tế – công trình của con người, và ảnh hưởng của những biến đổi này đối với bản thân công trình cũng như các công trình lân cận.

– Lựa chọn, thiết kế giải pháp móng tối ưu,hợp lý và tiết kiệm cho công trình.

– Đề xuất biện pháp thi công thích hợp và hữu hiệu nhất, đồng thời dự đoán trước được những khó khăn, trở ngại có thể phát sinh trong thời gian thi công.

– Đánh giá chính xác mức độ an toàn của các công trình đang tồn tại, thiết kế cải tạo nâng cấp công trình hiện có đồng thời nghiên cứu các trường hợp đã xảy ra gây hư hỏng công trình.

Ưu đểm của việc khảo sát địa chất công trình

– Xác định một cách chính xác độ dài cọc cần đúc và điều kiện ép cọc hợp lý.

– Tính toán trước sức chịu tải của cọc trên đất nền theo thời gian.

– Tránh rủi ro tải trọng giả cũng như đảm bảo không lãng phí khoản chỉ cho nền móng dư thừa do thiết kế quá dư tải trọng cần thiết.

Khảo sát địa chất công trình khi nào, ở đâu?

Theo nguyên tắc thiết kế kết cấu công trình, công tác khảo sát địa chất cần được tiến hành trước khi thiết kế phần nền móng công trình. Và quá trình này phải được thực hiện trên phần diện tích đất dự kiến xây dựng công trình, cũng như tại nơi bố trí các công trình quan trọng, nơi đặt móng nhà, đài nước.

Thiết kế kế cấu cần phải xác định được các yêu cầu trong xây dựng và phục vụ mục đích cơ bản mà nó sẽ được sử dụng, điều này có nghĩa là cấu trúc phải có khả năng bảo vệ người cư ngụ khỏi thời tiết (nóng, mưa và lạnh), các mối nguy hiểm tự nhiên (lũ lụt, động đất và bão), tiếng ồn, động vật, v.v. Nó có nghĩa là nó phải có khả năng mang lại sự an toàn cho cấu trúc cũng như cho người cư ngụ từ tất cả các khía cạnh. Cấu trúc phải duy trì ổn định trong các mối nguy hiểm hoàn toàn tự nhiên như động đất, lũ lụt, lốc xoáy, v.v. Cấu trúc cũng không được gây ra cảm giác không an toàn cho người cư ngụ.
Việc thiết kết  kế cấu nên được thực hiện theo cách mà nó mang lại một cái nhìn dễ chịu. Tòa nhà phải cung cấp một môi trường dễ chịu bên trong cũng như bên ngoài.
Quy hoạch chức năng của một tòa nhà cũng bao gồm việc sắp xếp phòng hợp lý để đáp ứng nhu cầu của khách hàng, ánh sáng, thông gió tốt, tầm nhìn không bị cản trở trong trường hợp hội trường cộng đồng, nhà hát, v.v. Khi thiết kế chức năng của cấu trúc được thực hiện, quá trình thiết kế kết cấu bắt đầu.

Như chúng ta đã biết trong công tác tư vấn thiết kế xây dựng nói chung, thiết kế kết cấu luôn là công việc phải chịu vô số những áp lực và trách nhiệm nghề nghiệp. Không giống như kiến trúc sư có thể bay bổng và tự do sáng tạo với những ý tưởng đọc đáo của riêng mình, đặc thù trong công việc của một người kỹ sư tư vấn thiết kế kết cấu luôn là những con số và bảng tính hết sức phức tạp để có thể tìm ra những kết quả chính xác và phù hợp nhất. Đó không chỉ là sự an toàn về mặt tài sản mà còn là cả tính mạng của người sử dụng công trình. Và điều này càng trở nên quan trọng hơn nữa đối với những công trình nhà cao tầng, cao ốc, …

Công tác chuẩn bị móng

Do quá trình đô thị hóa nhanh chóng và những đòi hỏi kỹ thuật khắt khe về mức độ an toàn, tính thẩm mỹ hay công năng sử dụng được đặt ra hết sức cụ thể cho từng công trình, tư vấn thiết kế kết cấu là một bước chuẩn bị quan trọng không thể bỏ qua đối với bất kỳ công trình nhà cao tầng nào. Công trình có chiều cao càng lớn (có thể lên đến vài chục tầng) thì vấn đề kết cấu càng trở nên quan trọng.

Lựa chọn kết cấu chịu lực
Đối với dạng công trình có tính đặc thù như nhà cao tầng, một trong những công việc đầu tiên và cần thiết nhất là lựa chọn kết cấu chịu lực để thiết kế, bao gồm: thiết kế kết cấu khung chịu lực, thiết kế kết cấu ống/trụ chịu lực, thiết kế kết cấu khung vách, … Trên thực tế, việc tìm kiếm và đựa ra giải pháp kết cấu chịu lực cũng như lựa chọn vị trí lõi thang máy và lõi thang bộ sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến mặt bằng thiết kế kiến trúc của toàn bộ công trình, mà từ vấn đề này đôi khi có thể phát sinh rất nhiều xung đột và sự bất đồng giữa kiến trúc sư và kỹ sư kết cấu, do đó thường sẽ phải tốn khá nhiều thời gian để có thể đi đến một phương án thống nhất dung hòa giữa hai bộ môn.

Việc lựa chọn kết cấu hệ chịu lực hợp lý về mặt cấu tạo (phù hợp hơn cả vẫn là hệ kết cấu đối xứng cả 2 phương) sẽ đảm bảo các cấu kiện kết cấu của công trình được phân bổ nội lực đồng đều, nhờ đó tận dụng hết khả năng chịu lực của vật liệu thiết kế kết cấu với có hệ số an toàn cao không chỉ dưới tác động của các loại tải trọng cơ bản mà còn có khả năng tự phân bổ lại nội lực 1 cách an toàn dưới tác động của nhiều tổ hợp lực đặc biệt như động đất, gió, cháy nổ, …

Vấn đề chi phí thi công
Bên cạnh việc đảm bảo sự an toàn tuyệt đối cho toàn bộ kết cấu hệ chịu lực của công trình, đối với người kỹ sư kết cấu, vấn đề tiết kiệm chi phí thi công trong việc chọn lựa các phương án thiết kế kết cấu từ khâu chọn mác bê tông, cường độ thép, giải pháp móng hay biện pháp thi công tầng hầm cũng là một mối quan tâm cực kỳ lớn. Bởi lẽ, các giải pháp kết cấu khác nhau có thể dẫn đến sự chênh lệch về chi phí từ vài chục cho đến vài trăm tỉ đồng đối với các dự án tổ hợp nhà cao tầng.

Trong các dạng công trình xây dựng phổ biến hiện nay như biệt thự, nhà phố, nhà hàng, khách sạn, nhà xưởng, … thì khâu tư vấn thiết kế kết cấu đối với các công trình nhà cao tầng như chung cư, cao ốc, khu phức hợp, … nhìn chung khá phức tạp, đòi hỏi không chỉ kinh nghiệm, chuyên môn vững vàng mà còn cả sự chuyên nghiệp từ bộ phận tư vấn thiết kế kết cấu công trình.

Về màu sắc, bạn có thể căn cứ vào những yếu tố xung quanh như: yếu tố phong thủy, diện tích, màu gạch lát nền, màu trần nhà và diện tích căn phòng để mang đến không gian hoàn hảo, hiệu quả cao cho ngôi nhà. Nếu nhà có diện tích nhỏ thì bạn nên chọn gạch ốp tường màu sáng để giúp căn phòng rộng rãi thoải mái hơn nhờ màu gạch.

Chọn loại gạch phù hợp với từng không gian và từng kiểu kiến trúc. Ví dụ như không gian phòng khách, phòng ngủ, nhà bếp, nhà vệ sinh sẽ lựa chọn loại gạch phù hợp khác nhau cũng như kiến trúc hiện đại, cổ điển, cổ điển cũng sẽ có sự lựa chọn gạch khác nhau nhưng cách ốp gạch trên tường ở các không gian không khác nhau nhiều. Và đương nhiên bạn có thể chọn ốp tường trong một không gian nhất định như chỉ ốp ở không gian phòng khách thì bạn có thể áp dụng cách ốp gạch tường phòng khách bằng những điều chúng tôi cung cấp.

Chọn gạch ốp tường lưu ý đến những vấn đề phong thủy, chọn màu sắc phù hợp với mệnh của gia chủ.

Hiệu quả của việc sử dụng dầm giằng để kết nối các móng đơn:

  Trường hợp này đã nghiên cứu 1 hệ móng gồm 9 móng đơn. Những phân tích theo phương pháp PTHH phi tuyến- ba phương  đã được sử dụng để giải quyết vấn đề.  Có thể rút ra được kết luận như sau:

1) Việc sử dụng các dầm  giằng làm giảm đáng kể độ lún,có một số móng giảm đến hơn 50%. Lực cắt ở cột biên đã tăng lên 20% -27%.  Việc sử dụng dầm giằng giảm mômen lớn nhất đến 60% cho các móng biên và tăng mômen lớn nhất  đến 203% đối với móng giữa.

2) Việc đặt dầm giằng trực tiếp lên nền đất làm giảm 1 ít độ lún của các móng.

3) Tăng tỷ lệ giữa bề rộng của dầm giằng với bề rộng móng (b/B) tăng từ 0,333 lên 0,666 làm giảm rất độ lún  trong móng đồng thời làm tăng lực cắt. Còn giá trị moment thì giảm ở trong vùng diện tích của móng nhưng tăng trong khu vực của dầm – giằng.

4) Dầm giằng có tác dụng rất lớn để làm giảm đến mức tối thiểu các ảnh hưởng bất lợi của đất nền bên dướicho một hoặc nhiều móngmà nền đất đó bị giảm khả năng  chịu lực vì lý do môi trường. Những lý do này có thể làquá trình thấm nước của môi trường đất hoặc một loại nước thải nào đó trong đất gây ra những khu vực đất rất yếu. Tổng độ lún và lún lệch hiện nay là 1 ví dụ: lún lệch giảm từ 2,80 mm xuống còn 0,133 mm. Mômen tại vị trí móng giữa tăng đáng kể lên hơn 200%. Biện phápphòng ngừa kết cấu bị phá họai cần được thực hiện bằng cách tăng cốt thép chịu uốn và chịu cắt khi yêu cầu phaỉ tính đến những các sự cố trong tương lai.  Tuy nhiên,việc giảm thiểu lún lệch sẽ có tác dụng ngăn chặn quá trình phát sinh thêm moment  trong các cột, dầm và sàn của phần kết cấu phần bên trên.

Bằng kinh nghiệm công tác và hoạt động lâu năm trong lĩnh vực tư vấn thiết kế kết cấu công trình, đặc biệt là các công trình dân dụng với hàng loạt các dự án lớn nhỏ trải dài tại khắp các tỉnh/thành trên cả nước, dưới đây Tư vấn thiết kế kết cấu sẽ giới thiệu tới bạn một số sai sót hết sức phổ biến có thể xảy ra trong quá trình lên phương án kết cấu cho công trình, đặc biệt là đối với các kỹ sư chưa có nhiều kinh nghiệm làm việc thực tế.

– Sai sót về kích thước

Trong khâu thiết kế kỹ thuật, việc tính toán thiết kế kết cấu cho toàn bộ công trình thường được chia nhỏ ra thành những phần khác nhau như tính toán cho phần móng, phần thân và phần mái. Trên thực tế, công việc này sẽ được phân ra cho nhiều kỹ sư cùng đảm nhận đối với các công trình có quy mô lớn. Và các kỹ sư này tiến hành công việc thiết kế của mình một cách độc lập. Sau khi những phần thiết kế đơn lẻ này cơ bản được hoàn thành, chúng sẽ được ráp nối thông qua các bản vẽ không chính thức, các bản vẽ in tạm, nhỏ, khó đọc. Và nếu sự phối hợp giữa các kỹ sư thiết kế không chặt chẽ trong quá trình khớp nối này, thì rất có thể những sai sót, nhầm lẫn đáng tiếc sẽ xuất hiện.

– Sai sót sơ đồ tính toán.

Trong quá trình tính toán kết cấu, việc sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu là 1 gần như không thể thiếu, và về cơ bản, sơ đồ tính toán kết cấu sẽ được tạo ra cực kỳ giống công trình thực cả về kích thước, hình dáng lẫn vật liệu sử dụng cho kết cấu. Thế nhưng, việc quá tin tưởng và phụ thuộc vào các phần mềm kết cấu này cũng rất dễ dẫn đến những sai lầm đáng tiếc trong tính toán thiết kế nếu người kỹ sư thiếu đi sự cẩn trọng và tỉ mỉ cần thiết.

– Sai sót về tải trọng.

Trên thực tế, khâu tính toán tải trọng tác dụng lên kết cấu công trình cũng thường gây ra những sai sót và nhầm lẫn, trong đó, sai sót chủ yếu tập trung ở việc lựa chọn giá trị tải trọng cũng như lấy hệ số tổ hợp của tải trọng. Một ví dụ đơn giản cho loại sai sót này đó là việc người kỹ sư không phân biệt giá trị tải trọng tiêu chuẩn và giá trị tải trọng tính toán tùy theo từng trường hợp cụ thể.