Gối cách chấn là những khối cao su nhiều lớp hoặc gối trượt đặt giữa móng và thân công trình, cho phép mặt đất rung qua lại bên dưới trong khi toà nhà phía trên chỉ lắc chậm và nhẹ. Thiết bị giảm chấn thì làm việc khác: nó nằm trong kết cấu, hút bớt năng lượng rung như bộ giảm xóc của xe máy. Hai công nghệ này giúp bệnh viện, trung tâm chỉ huy, nhà cao tầng không chỉ đứng vững mà còn dùng được ngay sau động đất.
Ba cách để toà nhà đối phó với rung động
Kỹ sư kết cấu có ba hướng tiếp cận, thường được kết hợp với nhau:
- Chịu chấn: làm kết cấu đủ khoẻ và đủ dẻo để chịu lực rung. Đây là cách của hầu hết nhà cửa, đúng theo tiêu chuẩn thiết kế chịu động đất.
- Giảm chấn: lắp thiết bị hấp thụ năng lượng vào khung nhà để biên độ rung giảm đi.
- Cách chấn: tách toà nhà khỏi nền đất bằng một lớp "mềm" để rung động từ đất truyền lên ít đi.
Cách chịu chấn có một nhược điểm: nhà được thiết kế để hư hỏng có kiểm soát. Dầm cột được phép nứt, thép được phép chảy dẻo để tiêu tán năng lượng, miễn là nhà không sập. Sau một trận động đất mạnh, nhà đứng đó nhưng có thể phải sửa lâu, thiết bị bên trong đổ vỡ. Với bệnh viện hay trung tâm điều hành cứu hộ, như vậy là chưa đủ.
Cách chấn đáy hoạt động thế nào
Mỗi toà nhà có một chu kỳ dao động riêng, giống như con lắc có nhịp đung đưa riêng. Nhà bê tông thấp tầng thường có chu kỳ khoảng một vài phần mười giây, trùng với dải chu kỳ mà nhiều trận động đất rung mạnh nhất. Khi hai nhịp gần nhau, nhà rung cộng hưởng, lực tăng lên nhiều lần.
Gối cách chấn kéo dài chu kỳ của cả toà nhà lên khoảng hai đến ba giây, ra xa dải rung mạnh. Toà nhà khi đó giống như đứng trên một tấm thảm mềm: đất giật nhanh bên dưới, phía trên chỉ trôi chậm qua lại. Gia tốc truyền lên các tầng có thể giảm đi nhiều lần so với nhà ngàm chặt vào đất.
Cái giá phải trả là chuyển vị lớn ở tầng cách chấn. Toà nhà có thể dịch ngang vài chục xen-ti-mét so với mặt đất. Vì vậy công trình cách chấn luôn có:
- Một khe hở chạy vòng quanh nhà, đủ rộng để nhà dịch chuyển mà không đâm vào tường chắn đất hay vỉa hè.
- Ống nước, ống gas, cáp điện đi qua tầng cách chấn bằng đoạn nối mềm, có thể co giãn theo.
- Cầu thang, lối vào, thang máy được tách khe với phần đất xung quanh.
Các loại gối cách chấn
Gối cao su nhiều lớp
Gồm các lớp cao su mỏng xen với các tấm thép mỏng, ép lưu hoá thành một khối. Các tấm thép giữ cho gối rất cứng theo phương đứng, đỡ được cả trọng lượng toà nhà mà không lún, nhưng theo phương ngang thì gối mềm, có thể xô lệch nhiều. Một gối cỡ lớn trông như một cái trống thấp đường kính gần một mét.
Gối cao su lõi chì
Phát minh ở New Zealand vào thập niên 1970, gối có thêm một lõi chì ở giữa. Khi bị xô lệch, chì biến dạng dẻo và sinh nhiệt, hút bớt năng lượng rung, giúp nhà không trôi qua lại quá xa. Chì còn có ưu điểm tự hồi phục cấu trúc sau khi biến dạng. Toà nhà William Clayton ở Wellington, hoàn thành đầu thập niên 1980, được coi là công trình đầu tiên trên thế giới dùng loại gối này.
Gối con lắc ma sát
Thay vì cao su, đây là một con trượt nằm trong mặt lõm hình chảo bằng thép phủ vật liệu chống ma sát. Khi đất rung, toà nhà trượt trên mặt cong như một quả lắc, rồi trọng lượng của chính nó kéo nó về giữa. Chu kỳ dao động chỉ phụ thuộc bán kính mặt cong, không phụ thuộc trọng lượng nhà. Loại gối này phổ biến ở Mỹ và châu Âu, kể cả cho cầu.
Thiết bị giảm chấn
| Loại | Nguyên lý | Hay dùng cho |
|---|---|---|
| Giảm chấn chất lỏng nhớt | Pít-tông đẩy dầu qua lỗ nhỏ, biến năng lượng rung thành nhiệt | Nhà cao tầng, cầu, gia cố công trình cũ |
| Giảm chấn thép chảy dẻo | Tấm hoặc thanh thép được thiết kế để chảy dẻo trước, bảo vệ khung chính, thay được sau động đất | Khung thép, nhà văn phòng |
| Giảm chấn ma sát | Các tấm kẹp trượt lên nhau dưới lực siết định trước | Gia cố nhà cũ, nhà công nghiệp |
| Khối lượng điều chỉnh (TMD) | Một khối nặng treo hoặc đặt trên tầng cao, dao động ngược pha với toà nhà | Tháp cao, chủ yếu giảm rung do gió |
Ví dụ nổi tiếng nhất của bộ giảm chấn khối lượng là quả cầu thép nặng khoảng 660 tấn treo giữa các tầng trên cao của tháp Taipei 101 ở Đài Loan, khách tham quan nhìn thấy được. Cần nói rõ: loại này hiệu quả nhất với dao động do gió bão, giúp người ở tầng cao không bị chóng mặt khi bão thổi qua; với động đất, nó chỉ hỗ trợ một phần.
Những công trình đã chứng minh
- Bệnh viện Đại học Nam California (USC University Hospital) ở Los Angeles, xây trên gối cách chấn, vẫn hoạt động bình thường sau trận Northridge năm 1994, trong khi một số bệnh viện khác trong vùng phải sơ tán bệnh nhân vì hư hỏng.
- Toà thị chính San Francisco, toà nhà mái vòm xây đầu thế kỷ 20, bị hư hại trong trận Loma Prieta năm 1989 và được gia cố bằng cách đặt toàn bộ toà nhà lên gối cách chấn, hoàn thành cuối thập niên 1990. Đây là ví dụ cách chấn giúp giữ lại công trình di sản mà không phải đục phá mặt tiền.
- Tại Nhật Bản, sau trận Kobe 1995, số công trình cách chấn tăng rất nhanh, từ bệnh viện, trụ sở chính quyền tới chung cư.
Khi nào đáng dùng, khi nào không
Cách chấn không phải lời giải cho mọi ngôi nhà:
- Hợp: công trình phải hoạt động ngay sau động đất (bệnh viện, trung tâm dữ liệu, trung tâm chỉ huy), công trình chứa thiết bị đắt hoặc hiện vật quý (bảo tàng), công trình di sản cần gia cố mà không muốn đụng tới mặt ngoài.
- Kém hiệu quả: nhà rất cao và mảnh vốn đã có chu kỳ dài; nhà đặt trên nền đất rất mềm, nơi chính nền đất rung với chu kỳ dài; nhà nhỏ thấp tầng, nơi chi phí gối và tầng kỹ thuật không tương xứng.
Ở Việt Nam, phần lớn lãnh thổ có mức động đất thấp đến trung bình và nhà cao tầng chủ yếu được thiết kế khống chế bởi tải trọng gió, nên cách chấn đáy còn rất ít gặp. Tuy vậy với công trình đặc biệt quan trọng ở vùng có động đất mạnh hơn như Tây Bắc, đây là phương án đáng được xem xét. Việc chọn và thiết kế hệ cách chấn, giảm chấn là việc chuyên sâu, cần kỹ sư kết cấu có kinh nghiệm và thường phải kèm thử nghiệm gối theo tiêu chuẩn.
Góc nhìn hôm nay
Ý tưởng tách nhà khỏi đất không mới. Người xưa ở nhiều nơi đặt chân cột gỗ lên đá kê thay vì chôn xuống đất, nên khi đất rung cột có thể xê dịch trên đá thay vì gãy ở chân; nhiều nhà nghiên cứu ví đó như một dạng cách chấn mộc mạc. Công nghệ hiện đại chỉ làm việc đó chính xác hơn, tính được bao nhiêu xen-ti-mét là đủ và bao nhiêu là quá.
Muốn tìm hiểu thêm, có thể tìm các đoạn phim thử bàn rung so sánh nhà cách chấn và nhà thường, đọc tài liệu về cách chấn của Hiệp hội Cách chấn Nhật Bản, hoặc giáo trình động lực học công trình của các trường đại học xây dựng.
Câu hỏi thường gặp
Gối cách chấn là gì?
Gối cách chấn là thiết bị đặt giữa móng và thân công trình, thường làm bằng nhiều lớp cao su xen thép hoặc là gối trượt mặt cong. Gối rất cứng theo phương đứng để đỡ toà nhà nhưng mềm theo phương ngang. Nhờ đó rung động từ đất truyền lên toà nhà giảm đi đáng kể.
Cách chấn và giảm chấn khác nhau thế nào?
Cách chấn tách toà nhà khỏi nền đất để rung động truyền lên ít hơn. Giảm chấn để rung động truyền lên bình thường nhưng dùng thiết bị trong kết cấu hút bớt năng lượng. Nhiều công trình dùng cả hai cùng lúc.
Quả cầu trong tháp Taipei 101 dùng để làm gì?
Đó là bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh, một quả cầu thép khoảng 660 tấn treo ở các tầng trên cao. Nó dao động ngược pha với toà tháp, giảm đung đưa khi có gió bão mạnh. Với động đất, nó chỉ góp một phần nhỏ.
Nhà ở Việt Nam có cần gối cách chấn không?
Phần lớn nhà ở Việt Nam không cần, vì mức động đất ở hầu hết lãnh thổ thấp đến trung bình và nhà thấp tầng chống động đất tốt bằng giằng, khung đúng quy chuẩn. Cách chấn đáng cân nhắc cho công trình đặc biệt quan trọng như bệnh viện ở vùng động đất mạnh hơn.
Vì sao nhà cách chấn phải có khe hở xung quanh?
Khi động đất, nhà đặt trên gối cách chấn có thể dịch ngang vài chục xen-ti-mét so với mặt đất. Khe hở quanh nhà giúp nó không va vào tường chắn đất hay công trình bên cạnh. Ống nước, cáp điện qua khe cũng phải dùng đoạn nối mềm.
