Thiết kế hình dáng công trình kiến trúc chống chịu gió bão

Tác động của các hiện tượng thời tiết cực đoan đối với các công trình kiến trúc ở các khu vực ven biển đã thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học trong nhiều thập kỷ qua. Đến nay, sự quan tâm đã lớn hơn rất nhiều do sự thay đổi bất thường của các hiện tượng thời tiết cực đoan, với sự gia tăng cường độ và tần suất xảy ra bão ở khu vực ven biển gây ra thiệt hại về người và có thể gây ra thảm họa cho tài sản và cơ sở hạ tầng.

Chủ đề nóng hổi sau bão Yagi tràn vào các tỉnh phía Bắc đầu tháng 9/2024 là cần phải xây dựng các công trình ven biển như thế nào để chịu đựng được các trận cuồng phong của thiên nhiên.

Thiết kế kiến trúc công trình chống chịu gió bão ngày càng được chú trọng, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng của các hiện tượng thời tiết cực đoan như bão, lốc xoáy và giông bão mạnh. Những công trình này không chỉ cần đảm bảo tính an toàn trong điều kiện gió lớn mà còn phải duy trì hiệu suất cao, giảm thiểu hư hại cũng như tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc xây dựng các công trình có khả năng chống chịu gió mạnh chính là thiết kế hình dạng kiến trúc sao cho tối ưu hóa khả năng khí động học.

1. Tác động của gió lên công trình kiến trúc

Khi một luồng gió mạnh thổi qua các công trình kiến trúc, lực gió tạo ra áp lực lên bề mặt của công trình. Các luồng gió này có thể gây ra hiện tượng "gió xoáy" khi không khí di chuyển quanh các góc và cạnh sắc nhọn của toà nhà. Khi gió tạo ra các vòng xoáy phía sau công trình, nó không chỉ gây ra áp lực biến thiên theo thời gian mà còn có thể khiến công trình bị lung lay, rung động. Những rung động này, nếu không được kiểm soát, sẽ dẫn đến sự “mỏi” của vật liệu, gây hư hại hoặc thậm chí sụp đổ.

Vì vậy, thiết kế công trình kiến trúc chống chịu gió bão không chỉ là việc tạo ra các cấu trúc vững chắc, mà còn là việc tối ưu hóa hình dạng để giảm thiểu các lực tác động từ gió, bao gồm cả áp lực trực tiếp và hiện tượng xoáy gió.

Sự biến đổi của đường cong vận tốc trung bình theo chiều cao có thể khác nhau trên các điều kiện địa hình khác nhau tùy thuộc vào tác động ma sát và độ dài từ bề mặt trái đất. Hình 1 trình bày sơ đồ các đường cong gió trung bình khác nhau trên các điều kiện địa hình khác nhau của khu vực đô thị đông đúc, địa hình ngoại ô và trên mặt biển. Trong Hình 1, vận tốc gió ở khu vực rộng thoáng như mặt biển sẽ cao hơn ở trung tâm thành phố đông đúc.

* Gió gradient là gió sinh ra từ lực gradient áp suất theo phương ngang tác động lên không khí, thường dẫn đến một dòng chảy êm dịu trong khí quyển.

Tối ưu hóa khí động học của các tòa nhà

Để cải thiện tính an toàn và khả năng phục vụ của các tòa nhà cao tầng trong điều kiện gió mạnh, tối ưu hóa khí động học hình dạng tòa nhà được coi là phương pháp hiệu quả nhất. Tối ưu hóa khí động học nhằm mục đích giải quyết vấn đề từ nguồn gốc trái ngược với tối ưu hóa cấu trúc nhằm mục đích tăng sức cản của cấu trúc chống lại gió [3]. Khí động học liên quan đến việc nghiên cứu không khí chuyển động và cách nó tương tác với các vật thể rắn xung quanh.

Theo Tanaka và cộng sự [4], kiến trúc dạng tự do được thể hiện trong việc xây dựng các tòa nhà cao tầng hiện đại ngày nay không chỉ có lợi thế là phản ánh ý tưởng của kiến trúc sư mà còn có lợi thế là giảm tác động của gió lên kết cấu do tác động khí động học. Một số thay đổi khí động học trong thiết kế kiến trúc là một trong những phương pháp thiết kế hiệu quả có thể làm giảm đáng kể tác động của lực gió ngang và do đó, chuyển động của tòa nhà [5].

Bằng cách thay đổi mô hình dòng chảy xung quanh tòa nhà do những thay đổi khí động học của hình dạng tòa nhà (tức là lựa chọn hình dạng tòa nhà phù hợp), phản ứng của gió có thể được điều chỉnh khi so sánh với hình dạng tòa nhà ban đầu. Đối với tải trọng gió và chuyển động kết quả liên quan đến các tòa nhà cao và thanh mảnh, hình dạng là yếu tố quan trọng và là yếu tố chi phối trong thiết kế kiến trúc. Thử nghiệm đường hầm gió là phương pháp phổ biến nhất để đánh giá hành vi khí động học của tòa nhà cao tầng.

Trong khi các hình dạng bất thường đặt ra thách thức cho các kỹ sư kết cấu trong việc phát triển khung kết cấu, chúng có thể có lợi trong việc giảm tác động của tải trọng gió và phản ứng của tòa nhà [6]. Các ví dụ được sử dụng trong các tòa nhà cao tầng hiện đại là các góc vát hoặc bo tròn, các hình dạng hợp lý, các hình dạng thuôn nhọn, xoắn, giật cấp, các lỗ mở xuyên qua tòa nhà (Hình 2).

2. Các nguyên tắc Khí động học trong thiết kế công trình

Khí động học là một trong những yếu tố chủ chốt trong việc thiết kế công trình kiến trúc chống chịu gió bão. Việc sử dụng các nguyên tắc khí động học không chỉ giúp giảm lực tác động của gió lên tòa nhà mà còn giúp công trình bền vững hơn, tiết kiệm năng lượng và cải thiện tính ổn định trong thời gian dài. Dưới đây là một số nguyên tắc khí động học quan trọng trong thiết kế công trình chống chịu gió:

2.1. Bề mặt cong hoặc bo tròn

Một trong những yếu tố chính trong thiết kế khí động học là sử dụng bề mặt cong hoặc bo tròn để giảm thiểu lực cản của gió. Khi gió thổi vào một công trình có bề mặt sắc cạnh và góc nhọn, gió sẽ bị "phá vỡ" khi va chạm vào các góc, tạo ra sự chênh lệch áp suất và gây nên các xoáy gió mạnh. Những xoáy này không chỉ làm tăng lực cản mà còn tạo ra hiện tượng rung động nguy hiểm cho công trình.

Ngược lại, khi tòa nhà có bề mặt bo tròn hoặc cong, luồng gió có thể di chuyển mượt mà hơn, làm giảm lực cản và áp lực tác động. Các công trình có bề mặt tròn hoặc bo cong như tòa nhà The Gherkin ở London là một ví dụ điển hình. Hình dáng bề mặt trơn tru của tòa nhà này giúp giảm sự hình thành các vòng xoáy khí sau khi gió đi qua, từ đó giảm thiểu áp lực gió lên công trình. (Hình 3).

Tác động của Bề mặt cong:

+ Giảm lực cản do gió.

+ Hạn chế sự xuất hiện của các vòng xoáy gió sau công trình.

+ Cải thiện tính ổn định của công trình, đặc biệt trong các môi trường đô thị nhiều luồng gió mạnh và thay đổi.

The Gherkin hay còn gọi là 30 St Mary Axe, là tòa nhà chọc trời nổi bật tại London, cao 180m với 41 tầng, hoàn thành năm 2003. Thiết kế của Norman Foster nhấn mạnh vào tính bền vững với hệ thống thông gió tự nhiên, giúp tiết kiệm năng lượng đến 50% so với các tòa nhà cùng kích thước. Mặt kính xoắn ốc không chỉ tối ưu hóa ánh sáng tự nhiên mà còn giúp giảm lực cản của gió, tăng khả năng chống chịu trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. The Gherkin là biểu tượng kiến trúc xanh và hiện đại của London.

2.2. Hình thon dần theo chiều cao

Các công trình với hình dáng thon dần từ dưới lên trên cũng là một nguyên tắc quan trọng trong thiết kế khí động học. Điều này đặc biệt phổ biến trong các tòa nhà cao tầng và chọc trời, nơi gió ở tầng cao có xu hướng mạnh hơn nhiều so với mặt đất.

Khi công trình có hình dạng thon gọn dần theo chiều cao, diện tích bề mặt tiếp xúc với luồng gió giảm dần khi lên cao, giúp giảm tải trọng gió. Điều này không chỉ giúp công trình đối phó tốt hơn với lực tác động của gió mạnh mà còn giảm hiện tượng "xoáy gió" nguy hiểm có thể xảy ra ở phần đỉnh tòa nhà. Ví dụ như tòa nhà Burj Khalifa ở Dubai – tòa nhà cao nhất thế giới, có thiết kế với phần trên thu nhỏ hơn phần dưới để giảm thiểu ảnh hưởng của gió lớn ở độ cao.

Lợi ích của hình thon dần:

+ Giảm diện tích tiếp xúc với luồng gió, đặc biệt ở các độ cao lớn.

+ Hạn chế nguy cơ lung lay và giảm tải trọng gió lên công trình.

+ Giúp làm dịu sự chuyển động của gió xung quanh công trình, từ đó giảm thiểu hiện tượng rung động.

Burj Khalifa, cao 828m, được thiết kế để chống chịu gió bão hiệu quả nhờ hình dạng xoắn ốc giảm lực cản và hiện tượng cộng hưởng gió. Cấu trúc lõi bê tông cốt thép trung tâm, cùng các cánh tỏa ra, tăng cường độ ổn định. Móng sâu và nền đá chắc chắn giúp tòa nhà vững vàng trước gió bão tốc độ lên đến 240 km/h. Hệ thống kính bên ngoài cũng chịu được áp lực gió mạnh, đảm bảo an toàn cho người sử dụng, biến Burj Khalifa thành một công trình có khả năng chống gió vượt trội.

2.3. Thiết kế xoắn

Hình thức công trình dạng xoắn có vai trò quan trọng trong việc chống gió bão. Đầu tiên, thiết kế này giúp giảm áp lực gió bằng cách phân tán lực đều trên bề mặt, từ đó giảm nguy cơ hư hại. Thứ hai, nó tăng tính ổn định của công trình nhờ vào việc thay đổi trọng tâm và bố trí khối lượng, giúp chống lại tác động của gió mạnh. Hơn nữa, hình dạng xoắn còn cải thiện khả năng thoát nước nhờ vào các khe hở tự nhiên, giảm nguy cơ ngập lụt trong thời tiết xấu. Thiết kế này cũng tối ưu hóa lưu thông không khí, tăng cường hiệu suất năng lượng và giảm tải cho hệ thống điều hòa. Cuối cùng, ngoài lợi ích kỹ thuật, công trình dạng xoắn còn mang lại giá trị thẩm mỹ, tạo nên điểm nhấn ấn tượng cho đô thị.

Ví dụ điển hình của thiết kế này là tòa nhà Turning Torso, biểu tượng kiến trúc hiện đại ở Malmö, Thụy Điển. Công trình nổi bật không chỉ bởi hình dáng xoắn độc đáo mà còn nhờ khả năng chống gió bão xuất sắc, thiết kế hình xoắn ốc giúp giảm áp lực gió, phân tán lực một cách đồng đều trên toàn bộ bề mặt, từ đó giảm thiểu nguy cơ hư hại do gió mạnh. Ngoài ra, cấu trúc cao và mảnh mai của Turning Torso được tối ưu hóa để chịu được các tác động của gió, nhờ vào việc sử dụng các vật liệu bền vững và kỹ thuật xây dựng tiên tiến. Hệ thống khung và các điểm neo vững chắc giúp tăng cường tính ổn định, bảo vệ tòa nhà khỏi các cơn bão và hiện tượng thời tiết cực đoan. Chính nhờ những yếu tố này, Turning Torso không chỉ là một tác phẩm nghệ thuật mà còn là một công trình an toàn trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

2.4. Thiết kế vát hoặc giật cấp

Một kỹ thuật khác thường được sử dụng trong các công trình lớn để chống chịu gió là thiết kế vát hoặc cấp. Thiết kế này giúp phá vỡ sự liên tục của luồng gió khi di chuyển quanh tòa nhà. Bằng cách tạo ra các góc vát hoặc các tầng lệch nhau, các luồng gió mạnh không thể di chuyển liên tục mà sẽ bị phân tán, làm giảm lực gió tác động lên một điểm cố định.

Ví dụ điển hình của thiết kế này là tòa nhà Taipei 101, tòa nhà chọc trời cao 509 mét ở Đài Loan. Công trình không chỉ nổi tiếng với thiết kế độc đáo và chiều cao ấn tượng, mà còn với khả năng chống chịu trước các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như gió bão và động đất. Công trình này sử dụng các tầng lệch và thiết kế vát để giúp giảm thiểu tác động của gió, đặc biệt là trong các cơn bão lớn. Nằm trong khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng bởi bão lớn, tòa nhà được trang bị một hệ thống con lắc khổng lồ, nặng 660 tấn, gọi là "damper," treo ở giữa tầng 87 và 92. Con lắc này hoạt động như một bộ giảm chấn, giúp giảm bớt dao động của tòa nhà khi có gió mạnh hoặc động đất, đảm bảo sự ổn định và an toàn cho cấu trúc. Ngoài ra, vật liệu xây dựng cao cấp, khung thép chắc chắn, cùng thiết kế khí động học thông minh giúp Taipei 101 có thể chống chịu sức gió lên tới 216 km/h. Tòa nhà là biểu tượng của sự tiến bộ trong kỹ thuật xây dựng hiện đại tại khu vực dễ bị ảnh hưởng bởi thiên tai.

Lợi ích của Thiết kế vát hoặc lệch tầng:

+ Phân tán lực gió, tránh tập trung lực vào một điểm cụ thể.

+ Giảm hiện tượng xoáy gió phía sau tòa nhà.

+ Cải thiện sự ổn định của công trình trong điều kiện gió mạnh.

2.5. Sử Dụng Các Mặt Thoáng hoặc Khe Hở

Sử dụng các mặt thoáng hoặc khe hở trên bề mặt công trình là một trong những phương pháp giúp giảm tải trọng gió một cách hiệu quả. Thay vì tạo ra các bức tường kín hoàn toàn, việc chừa các khoảng hở có kiểm soát cho phép gió có thể lưu thông qua công trình mà không tạo ra áp lực lớn lên bề mặt của tòa nhà. Phương pháp này thường được sử dụng ở những công trình xây dựng tại các khu vực có gió mạnh hoặc có nguy cơ xảy ra bão thường xuyên.

Ví dụ, công trình Marina Bay Sands ở Singapore, với các phần hở giữa các tòa tháp giúp gió có thể đi qua thay vì bị cản lại. Điều này không chỉ giảm tải trọng gió lên công trình mà còn tạo ra không gian thoáng đãng cho kiến trúc tổng thể.

Lợi ích của các khe hở:

+ Giảm áp lực gió bằng cách cho phép gió lưu thông qua công trình.

+ Hạn chế hiện tượng tụ áp lực gió ở một khu vực cụ thể.

+ Tăng tính thẩm mỹ và tạo không gian mở cho công trình.

3. Kết Luận

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng của các hiện tượng thời tiết cực đoan, thiết kế kiến trúc chống bão trở thành một yêu cầu cấp bách. Những cơn bão mạnh, đi kèm với gió lớn và mưa xối xả, có thể gây thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình xây dựng, làm gián đoạn đời sống của con người và gây tổn thất kinh tế.

Một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế kiến trúc chống bão là việc tận dụng các hình dạng khí động học để giảm thiểu tác động của gió. Những hình dạng này giúp giảm sức cản của gió, phân tán lực tác động lên công trình và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng do gió mạnh. Các nghiên cứu cho thấy rằng những công trình có hình dạng tròn, mái dốc hoặc cong thường có khả năng chống chịu bão tốt hơn so với những công trình có hình dạng góc cạnh, do các hình dạng này giúp dòng chảy của gió được lưu thông mượt mà hơn, giảm áp lực và lực nâng lên các bề mặt của công trình.

Vai trò của các hình dạng khí động học trong khả năng chống bão không thể bị xem nhẹ. Hình dạng khí động học của công trình ảnh hưởng trực tiếp đến cách mà lực gió tác động lên nó. Các thiết kế có hình dạng trơn tru, không có góc cạnh sắc nhọn, giúp giảm thiểu sự hình thành của các vùng áp suất thấp và lực gió tập trung. Các công trình cao tầng có hình dạng thuôn dần lên cao, vặn xoắn, hay tạo các khoảng hở giúp phân tán lực gió, giảm gió xoáy xung quanh và chân công trình, giảm nguy cơ hư hại. Các công trình được thiết kế với các yếu tố khí động học hiệu quả có khả năng đối phó tốt hơn với sức ép của gió và giảm thiểu thiệt hại do bão.

Thiết kế kiến trúc chống chịu gió bão là một yếu tố quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng của các hiện tượng thời tiết cực đoan. Việc áp dụng các nguyên tắc khí động học vào thiết kế hình dạng công trình không chỉ giúp giảm thiểu tác động của gió mạnh mà còn nâng cao tính thẩm mỹ và hiệu suất năng lượng của công trình. Các công trình tiêu biểu như Burj Khalifa, Taipei 101 hay The Gherkin đều cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa hình dạng kiến trúc để đảm bảo an toàn và bền vững trong môi trường có gió lớn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Aly Mousaad Aly, Faiaz Khaled and Hamzeh Gol-Zaroudi, Aerodynamics of Low-Rise Buildings: Challenges and Recent Advances in Experimental and Computational Methods, DOI: 10.5772/intechopen.92794

2. Ar. Vikas Kumar Nirmal, Wind and Architecture: Design to the flow, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), Volume: 04 Issue: 11 | Nov -2017

3. Xie J. (2014): Aerodynamic Optimization of Supertall buildings and its effectiveness assessment. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics (130):88-98

4. Tanaka H., Tamuro Y., Ohtake K., Nakai M., Kim Y.C., and Bandi E.K. (2013): Aerodynamic and flow characteristics of tall buildings with various unconventional configurations. International Journal of High-Rise Buildings 2(3):213-228

5. Ilgin E.H. and Gunel M.H. (2007): The role of aerodynamic modifications in the form of tall buildings against wind excitation. METU JFA 24(2):17-25

6. Ali M.M., and Moon K.S. (2007): Structural developments in tall buildings: Current trends and future prospects. Architectural Science Review 50(3):205-223

Bài viết có bổ sung ảnh đại diện minh họa (Nguồn ảnh: https://mrvivu.com)!