Thử nghiệm công trình chống thiên tai: bàn rung, hầm gió và máng sóng

Người ta biết một công trình có chịu được động đất, bão hay sóng hay không bằng cách thử trước: đặt mô hình hoặc cả ngôi nhà thật lên bàn rung để tái hiện trận động đất đã ghi được, thổi gió vào mô hình thu nhỏ trong hầm gió, cho sóng đánh vào đoạn đê trong máng sóng dài hàng trăm mét. Kết quả thử nghiệm là nền móng của quy chuẩn xây dựng: những con số kỹ sư dùng hằng ngày phần lớn đến từ các phòng thí nghiệm như vậy và từ việc khảo sát nhà đổ sau thiên tai thật.

Vì sao không chỉ tính toán trên giấy

Tính toán kết cấu dựa trên giả thiết: vật liệu đạt cường độ, liên kết làm đúng, tải trọng giống như mô hình. Thiên tai thật thì không lịch sự như vậy. Gió bão không thổi đều mà giật từng cơn, xoáy quanh góc mái. Động đất rung theo ba phương cùng lúc, lặp lại hàng chục chu kỳ, làm vật liệu mỏi dần. Sóng đập vào tường không chỉ đẩy mà còn hút ngược, rút đất dưới chân móng.

Có ba lý do khiến giới xây dựng vẫn tốn rất nhiều tiền cho thử nghiệm:

• Kiểm tra giả thiết: một cách tính chỉ đáng tin khi đã đối chiếu với vật thật bị phá hoại có kiểm soát.
• Tìm ra kiểu hư hỏng không ai ngờ: nhiều điểm yếu chỉ lộ ra khi công trình bị rung hoặc thổi tới mức gãy, ví dụ một bản mã mỏng, một hàng đinh quá thưa.
• Chứng nhận sản phẩm: cửa chống bão, tấm lợp, gối cách chấn, tấm chắn lũ đều phải qua phép thử chuẩn trước khi được bán cho công trình.

Bàn rung: tái hiện động đất trong nhà xưởng

Bàn rung là một mặt sàn thép lớn đặt trên hệ kích thuỷ lực. Máy tính điều khiển các kích đẩy kéo theo đúng bản ghi gia tốc nền của một trận động đất có thật, nên mô hình đặt phía trên chịu rung y như trong trận ấy. Bàn nhỏ chỉ chứa được mô hình tỉ lệ một phần mười, một phần hai mươi. Bàn lớn chứa được nhà thật kích thước đầy đủ.

E-Defense ở Nhật Bản

Bàn rung nổi tiếng nhất là E-Defense ở thành phố Miki, tỉnh Hyōgo, do Viện Nghiên cứu quốc gia về Khoa học Trái Đất và Phòng chống thiên tai của Nhật Bản vận hành, đưa vào sử dụng năm 2005. Mặt bàn rộng khoảng 20 x 15 mét, chở được khối lượng tới khoảng 1.200 tấn và rung theo cả ba phương. Ở đây người ta đã cho rung những ngôi nhà gỗ hai tầng, nhà bê tông nhiều tầng và khung thép kích thước thật bằng bản ghi của trận động đất Kobe năm 1995.

Một cách thử hay được nhắc lại: dựng hai ngôi nhà giống hệt nhau, một nhà theo kiểu cũ, một nhà đã gia cố, rồi rung cùng lúc. Hình ảnh một nhà đổ, một nhà đứng thuyết phục người dân và chính quyền địa phương bỏ tiền gia cố nhà cũ hơn mọi bản báo cáo.

Thử đến khi sập

Khác với kiểm tra chất lượng thông thường, nhiều thí nghiệm bàn rung cố ý tăng cường độ cho tới khi công trình sụp. Mục tiêu là biết còn bao nhiêu dư địa trước khi đổ và đổ theo kiểu nào. Kiểu đổ quan trọng ngang với sức chịu: một ngôi nhà nứt nát nhưng còn đứng cho người chạy ra khác hẳn một ngôi nhà gãy gập đột ngột ở tầng trệt.

Hầm gió: xem gió ôm lấy công trình thế nào

Hầm gió dùng quạt lớn thổi luồng khí qua mô hình đặt trên một bàn xoay. Với công trình xây dựng, người ta dùng loại hầm gió lớp biên: đường hầm dài, sàn rải những khối nhám để tạo ra luồng gió chậm sát đất và nhanh dần lên cao, giống gió thật thổi qua thành phố hay đồng trống.

Mô hình nhà cao tầng thường thu nhỏ khoảng 1:300 đến 1:500, mặt ngoài khoan hàng trăm lỗ nhỏ nối với cảm biến áp suất. Xoay bàn từng góc là đo được áp lực gió từ mọi hướng, kể cả ảnh hưởng của các toà nhà xung quanh cũng được dựng thành mô hình. Kết quả cho kỹ sư biết chỗ nào của mặt kính, mái, ban công chịu hút mạnh nhất, toà nhà đung đưa bao nhiêu và người ở tầng cao có thấy khó chịu không.

Hình dáng thon dần, giật cấp của tháp Burj Khalifa ở Dubai là ví dụ thường được dẫn: các vòng thử hầm gió giúp nhóm thiết kế điều chỉnh hướng và bậc giật cấp để các xoáy gió không hình thành đồng loạt ở cùng một chu kỳ, giảm rung lắc cho cả toà tháp.

Thổi gió bão vào nhà thật và bắn vật bay

Mô hình thu nhỏ không trả lời được câu hỏi về đinh vít, tấm lợp hay khe cửa. Vì vậy có những cơ sở thử với nhà thật:

• Trung tâm nghiên cứu của IBHS (Viện Bảo hiểm vì An toàn Nhà và Doanh nghiệp, Mỹ) ở bang South Carolina, mở năm 2010, có buồng thử với khoảng một trăm quạt lớn, đủ chỗ đặt một ngôi nhà hai tầng. Ở đây người ta thổi gió giật vào nhà thật để xem mái bị bóc từ đâu, rồi thử lại với cách bắt vít, dán mép khác.
• Wall of Wind ở Đại học Quốc tế Florida dùng một dãy quạt cỡ lớn tạo gió tương đương bão mạnh nhất, kèm phun nước như mưa bão, để thử mái, cửa và vỏ công trình.

Một phép thử ít người biết nhưng rất quan trọng là bắn vật bay. Trong bão, thứ phá cửa kính đầu tiên thường không phải gió mà là mảnh tôn, cành cây, thanh gỗ bị gió cuốn. Tiêu chuẩn thử cửa chống bão ở Mỹ dùng súng khí nén bắn một thanh gỗ khoảng 4 kg vào cửa với vận tốc khoảng 15 m/s, sau đó cho cửa chịu hàng nghìn chu kỳ áp lực đẩy, hút. Cửa phải giữ được, không thủng lỗ để gió lọt vào. Lý do rất đơn giản: một ô kính vỡ ở phía đón gió làm áp suất trong nhà tăng vọt, cộng với lực hút phía trên mái là đủ nhấc cả mái lên.

Máng sóng và mô hình sông biển

Với đê biển, kè và nhà ven biển, phòng thí nghiệm dùng máng sóng: một kênh dài có máy tạo sóng ở một đầu. Máng sóng lớn ở Hannover (Đức) dài khoảng ba trăm mét, sâu khoảng bảy mét, tạo được sóng cao trên hai mét đánh vào mô hình đê gần kích thước thật. Ở Đại học bang Oregon (Mỹ) có bể sóng dùng để mô phỏng sóng thần tràn qua mô hình một khu phố ven biển.

Ở Việt Nam, Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam có Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển, nơi dựng mô hình vật lý đoạn sông, cửa biển, đê kè để xem dòng chảy và sóng tác động ra sao trước khi xây công trình thật. Các trường đại học xây dựng, thuỷ lợi cũng có phòng thí nghiệm kết cấu để thử cột, dầm, tường gạch dưới tải lặp.

So sánh các loại thử nghiệm

Bài học thật: khảo sát sau thiên tai

Phòng thí nghiệm lớn đến đâu cũng chỉ là thiên tai giả lập. Nguồn dữ liệu quý nhất vẫn là những đoàn khảo sát đi vào vùng thiệt hại ngay sau thiên tai: chụp ảnh, đo đạc, ghi lại nhà nào đổ, nhà nào đứng, vì sao. Nhật Bản sửa tiêu chuẩn chịu động đất sau các trận lớn; nhiều quy định về liên kết mái ở Mỹ ra đời sau khi các kỹ sư đi dọc vùng bão quét và thấy cùng một kiểu hư hỏng lặp đi lặp lại.

Ở Việt Nam, sau mỗi mùa bão, các đoàn khảo sát của cơ quan chuyên môn và tổ chức phi chính phủ cũng ghi nhận một quy luật quen thuộc: nhà tốc mái thường hỏng từ mái hiên, mép mái và đầu hồi; nhà tường gạch không có giằng đổ trước. Những quan sát đó được đưa vào các mẫu nhà an toàn và tài liệu hướng dẫn cho thợ địa phương.

Góc nhìn hôm nay: đọc kết quả thử nghiệm thế nào

Với người dân, giá trị của các phòng thí nghiệm nằm ở những thứ rất cụ thể:

• Khi mua cửa, tấm lợp, vật liệu cho vùng bão, hỏi nhà cung cấp sản phẩm đã được thử theo tiêu chuẩn nào, có phiếu kết quả của đơn vị thử nghiệm độc lập không.
• Khi xây nhà, quy chuẩn và tiêu chuẩn xây dựng hiện hành chính là kết quả cô đọng của hàng chục năm thử nghiệm. Làm theo kỹ sư có chuyên môn và quy chuẩn là đang hưởng lợi từ những ngôi nhà đã bị rung sập trong phòng thí nghiệm thay cho nhà mình.
• Muốn tìm hiểu thêm, có thể xem các đoạn phim thử nghiệm do E-Defense, IBHS và các trường đại học công bố, đọc tài liệu của Hội Kết cấu và Công nghệ xây dựng Việt Nam hay giáo trình kết cấu chịu động đất, chịu gió của các trường xây dựng.

Điều đáng nhớ nhất: công trình an toàn hiếm khi nhờ một vật liệu thần kỳ. Phần lớn các thử nghiệm đều đi đến cùng một kết luận rằng chỗ hỏng đầu tiên là chỗ liên kết, và một liên kết làm đúng thường rẻ hơn nhiều so với cái giá phải trả khi nó hỏng.