Vai trò của kết cấu thép trong công trình khi xảy ra động đất

Thép – vật liệu có khả năng chống chịu động đất

Động đất là hiện tượng thiên nhiên nguy hiểm gây ra những đợt rung lắc mạnh làm phá hủy cấu trúc của nhiều vật chất. Trong khi, các tòa nhà và đặc biệt là các tòa nhà cao tầng được xây dựng để chịu tải trọng thẳng đứng  thì với sự chuyển động ngang, động đất có thể làm hỏng nền móng của các công trình này chỉ trong vài phút và dễ dàng hất tung các tòa nhà bởi lực đến từ tâm trái đất, gây thương tích nghiêm trọng và tử vong cho người sinh sống trong đó. Vì vậy, việc xây dựng một công trình có thể chịu được sóng địa chấn được xuất phát từ những vật liệu phù hợp với những đặc tính của điều kiện khí hậu trên. Trong đó, thép là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để xây dựng các tòa nhà chống động đất.

Theo Hiệp hội Thép Thế giới, các tòa nhà dẻo sẽ an toàn hơn trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt như động đất bởi chúng tiêu tán năng lượng từ sóng địa chấn. Một tòa nhà thường có các bộ phận dẻo có thể chịu biến dạng dẻo mà không bị hư hỏng cấu trúc hoàn toàn khi xảy ra các rung chấn. Thép là loại vật liệu phổ biến nhất cho các bộ phận như vậy.

Hơn nữa, do định luật quán tính nên công trình càng nhẹ thì lực sóng địa chấn tác dụng lên công trình càng ít. Đó là lý do tại sao các tòa nhà cao phải được làm bằng vật liệu nhẹ và linh hoạt như thép có thể “uốn cong” khi có động đất. Trung bình, các tòa nhà thép nhiều tầng nhẹ hơn 60 đến 70% và bền hơn 10 lần so với các tòa nhà khung bê tông có cùng kích thước.

Tại những quốc gia thường xuyên xảy ra động đất, chẳng hạn như Nhật Bản, tỉ lệ các tòa nhà kết cấu thép đang tăng lên hàng năm. Vì vậy, theo các chuyên gia, một công trình tốt để đối phó với động đất là những tòa nhà kết cấu thép.

Tại sao kết cấu thép có khả năng chống động đất?

Dưới đây là lý do thép xây dựng có khả năng chống chịu tốt trong hoàn cảnh có động đất:

Độ bền: Thép là vật liệu cực kỳ bền, có khả năng chống ăn mòn, chống cháy và sâu bệnh. Do đó, kết cấu thép có khả năng tồn tại lâu hơn nhiều so với các vật liệu xây dựng khác và cần ít bảo trì hơn theo thời gian.

Thi công nhanh chóng và dễ dàng: Kết cấu thép có thể được đúc sẵn ngoài công trường giúp cho thời gian xây dựng nhanh hơn và dễ dàng hơn so với kết cấu truyền thống. Điều này đặc biệt có lợi ở những khu vực thường xuyên xảy ra động đất - nơi cần phải xây dựng nhanh nhà ở khẩn cấp và các công trình khác, đáp ứng được nhu cầu về nơi trú ẩn an toàn cho người dân.

Sức mạnh và độ cứng: Thép là vật liệu cực kỳ chắc chắn và cứng, có thể chịu được lực địa chấn đáng kể. Điều này khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong các công trình chịu được động đất vì nó cung cấp khả năng chống chịu cần thiết để chống lại các sự kiện địa chấn.

Độ dẻo: Thép có khả năng biến dạng dưới ứng suất và trở lại hình dạng ban đầu sau khi giảm bớt ứng suất. Đặc tính này được gọi là độ dẻo – yếu tố quan trọng trong các sự kiện địa chấn. Khi một trận động đất xảy ra, các công trình chịu đựng những chuyển động ngang và dọc đáng kể. Độ dẻo vượt trội của thép giúp hấp thụ những chuyển động này, ngăn ngừa hư hỏng cấu trúc. Bên cạnh đó, thép cũng có cấu trúc phân tử, có thể uốn cong và biến dạng mà không bị gãy - một đặc tính cho phép các kết cấu thép chịu được sự biến dạng có kiểm soát trong các trận động đất. Điều này rất quan trọng vì nó giúp tiêu tán năng lượng địa chấn được tạo ra, giảm thiểu thiệt hại tiềm tàng và những sự cố thảm khốc.

Tính linh hoạt trong thiết kế: Kết cấu thép mang lại mức độ linh hoạt cao trong thiết kế giúp chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong nhiều loại và phong cách xây dựng khác nhau. Vật liệu này cho phép các kiến trúc sư và kỹ sư thiết kế các công trình vừa có tính thẩm mỹ vừa có khả năng chống động đất.

Kỹ thuật nào giúp kết cấu thép chống động đất tốt nhất?

Hiện nay, khi số lượng trận động đất ở nhiều nơi trên thế giới ngày càng gia tăng, các công trình cũng phải sử dụng một số kỹ thuật xây dựng nhất định để có thể chống chịu được những tác động của hiện tượng thời tiêt cực đoan này. Khi nói đến các chiến lược xây dựng tốt cho các công trình chống động đất, dưới đây là một số yếu tố được các kiến trúc sư, tập đoàn chú trọng xây dựng và phát triển sử dụng:

Cốt thép

Giằng thép là một kỹ thuật xây dựng phổ biến để tăng cường các tòa nhà và kết cấu thép. Động đất khiến các công trình bị dịch chuyển, yếu đi và sụp đổ nếu nền móng không được chống đỡ đúng cách. Các công trình bằng thép có một tập hợp các bộ phận chéo giúp chống lắc và giảm chấn động để giữ nguyên cấu trúc chính thông qua việc sử dụng giằng thép. Theo đó, có thể thiết kế vị trí và độ dày giằng thép khác nhau tùy thuộc vào kích thước và hình dạng của tòa nhà, bởi một số công trình xây dựng yêu cầu giằng dày hơn để chịu được chấn động đáng kể.

Nền móng linh hoạt

Việc sử dụng nền móng linh hoạt là một phương pháp xây dựng đã được chứng minh là đặc biệt hiệu quả trong việc xây dựng các công trình chống chịu động đất. Vì động đất buộc các tòa nhà phải lắc lư nên đây là nguyên nhân tại sao cần phát triển các công trình có thể hấp thụ tác động của các địa chấn. Trong đó, nền và móng được làm từ thép không chỉ chống đỡ chịu lực đặc biệt tốt cho toàn bộ công trình mà còn giúp định vị các cấu trúc chính khi có động đất, làm giảm tác động của địa chấn và thiệt hại do trận động đất gây ra.

Kết cấu tản nhiệt thép

Giảm thiểu thiệt hại là rất quan trọng để giữ cho các công trình đứng vững trong và sau trận động đất, vì vậy các công trình thép tiêu tán năng lượng đã được chứng minh là rất thành công trong việc ngăn chặn sự sụp đổ của công trình. Trong một trận động đất, các kết cấu thép tiêu tán có thể bị uốn cong để không bị căng hoặc bị phá hủy, giúp hướng tác động ra khỏi nền thép để các tòa nhà chống chịu được những tác động của địa chấn.

Một số công trình điển hình

Kim tự tháp Transamerica, San Francisco

Kim tự tháp Transamerica là một công trình kiến trúc mang tính biểu tượng của những năm 70 ở San Francisco, California, nằm gần các đứt gãy San Andreas và Hayward. Năm 1989, trận động đất ở Loma Prieta đã tấn công khu vực này với cường độ 6.9 Mw và khiến tầng trên cùng của kim tự tháp lắc lư khoảng 30cm trong hơn một phút, nhưng toà nhà vẫn đứng vững và không bị hư hại.

Khả năng chống động đất này có được nhờ nền móng bằng thép và bê tông sâu 1585m được thiết kế để di chuyển với tải trọng địa chấn. Tải trọng dọc và ngang được hỗ trợ bởi một hệ thống giàn độc đáo nằm trên tầng một, với các khung bên trong kéo tới tầng 45 của toà nhà. Sự kết hợp phức tạp của hệ thống cấu trúc này giúp cho toà nhà có khả năng chống lại các chuyển động xoắn và cho phép hấp thụ một lượng lớn lực cắt ngang ở nền.

Tháp Taipei 101, Đài Loan

Tháp Taipei 101 có một vũ khí bí mật để giữ an toàn đó là một quả cầu thép khổng lồ lắc lư như con lắc để đối trọng với động đất và bão. Được treo lơ lửng trên các tầng trên của tòa nhà, quả bóng nặng 660 tấn, rộng 5,5 mét là một “bộ giảm chấn khối lượng được điều chỉnh”. Thiết kế của nó hạn chế sự chuyển động của tòa tháp cao 508 mét. Hàng chục cột thép cũng như tám cột lớn đổ bê tông bên trong Taipei 101 tạo nên một khung vững chắc, được gia cố bằng các giàn khung. Các kỹ sư đã gia cố nền móng của nó bằng cách đóng hàng trăm cọc đóng sâu vào nền đá bên dưới.

Tòa nhà Capitol, bang Utah (Mỹ)

Tòa nhà Capitol được thiết kế để chịu được các trận động đất có cường độ lên tới 7,3 độ richter trong khi vẫn giữ nguyên vẻ cổ điển của tòa nhà. Hệ thống cách ly nền có 281 lớp bằng cao su chì được gắn vào nền tòa nhà với sự trợ giúp của các tấm thép giúp mọi tác động mạnh đều được hấp thụ, không gây hư hại hay sụp đổ cho công trình.

Hiện nay, kết cấu thép được sử dụng phổ biến nhằm mang lại nhiều lợi ích ở những khu vực dễ xảy ra động đất, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các dự án xây dựng. Kết cấu thép cung cấp sức mạnh và độ cứng cần thiết để chống lại các sự kiện địa chấn, đồng thời mang lại sự linh hoạt, độ bền trong thiết kế và hiệu quả trong chi phí. Khi được thiết kế và xây dựng hợp lý, kết cấu thép có thể giúp giảm thiểu thiệt hại và bảo vệ tính mạng trong quá trình hoạt động.