Việc thép bị uốn cong thay vì gãy vỡ khiến nó trở nên rất phù hợp cho những khu vực thường xuyên xảy ra động đất. Những vật liệu giòn chỉ đơn giản là nứt vỡ khi chịu lực, nhưng thép lại có khả năng giãn dài và hấp thụ năng lượng rung chấn thông qua hiện tượng mà các kỹ sư gọi là chảy dẻo được kiểm soát. Các thiết kế công trình hiện đại đang tận dụng tính chất này bằng cách sử dụng các hệ thống như khung chống mô-men và các hệ giằng lệch tâm giúp phân tán lực khi mặt đất chuyển động. Chẳng hạn như hệ thống cách ly nền – được đặt giữa công trình và móng của nó. Những hệ thống này đã được chứng minh là có thể giảm chuyển động ngang khoảng ba phần tư tại những khu vực hay xảy ra động đất như Nhật Bản và một số vùng ở California, nơi các tòa nhà đã sống sót qua những trận động đất mạnh nhờ vào những đổi mới này.
Các khung thép có độ dẻo dai thực tế có thể hấp thụ và phân tán năng lượng khi xảy ra động đất, nhờ đó ngăn ngừa sự sụp đổ hoàn toàn ngay lập tức. Khái niệm dư thừa có nghĩa là xây dựng thêm các tuyến hỗ trợ dự phòng để toàn bộ công trình vẫn đứng vững ngay cả khi một số bộ phận bị hư hỏng. Theo nghiên cứu được công bố trong tài liệu P-750 của FEMA, các tòa nhà được làm bằng khung thép linh hoạt này có khả năng sụp đổ thấp hơn khoảng một phần ba so với những tòa nhà được xây bằng bê tông cứng nhắc. Mạng lưới an toàn loại này trở nên đặc biệt quan trọng tại các khu vực xung quanh Vành đai Lửa Thái Bình Dương, nơi các công trình thường xuyên phải đối mặt với các dư chấn lặp lại sau các trận động đất lớn.
| Tiêu chí | Cấu trúc thép | Cấu trúc bê tông |
|---|---|---|
| Trọng lượng | nhẹ hơn 60% | Nặng, làm tăng tải trọng động đất |
| Khả năng sửa chữa | Hư hỏng cục bộ; dễ sửa chữa | Thường xảy ra phá hủy nghiêm trọng |
| Tiêu Tan Năng Lượng | Cao (thông qua biến dạng dẻo) | Thấp (gãy giòn) |
Tính chất nhẹ của thép giúp giảm lực quán tính trong quá trình rung lắc, trong khi độ cứng nhắc của bê tông thường dẫn đến những thiệt hại tốn kém và không thể phục hồi. Các đánh giá sau động đất tại Thổ Nhĩ Kỳ (2023) cho thấy các tòa nhà khung thép chịu chi phí sửa chữa thấp hơn 40% so với các công trình bằng bê tông tương đương.
The FEMA P-750 các hướng dẫn xác nhận ưu thế vượt trội của thép, chứng minh rằng các khung dẻo dai được thiết kế cẩn thận có thể giảm xác suất sụp đổ từ 1 trên 50 xuống còn 1 trên 167 đối với các trận động đất lớn. Điều này phù hợp với các tiêu chuẩn toàn cầu như ASCE 7-22, vốn ưu tiên khả năng giảm chấn trễ của thép cho các cơ sở hạ tầng quan trọng tại các khu vực hay xảy ra động đất.
Các tòa nhà bằng thép chống động đất ngày nay thường sử dụng phương pháp được gọi là thiết kế dựa trên hiệu suất, hay còn viết tắt là PBD. Cách tiếp cận này đảm bảo rằng các công trình thực sự có thể hoạt động như yêu cầu khi xảy ra động đất, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn nhất định và duy trì hoạt động ổn định. Các quy chuẩn xây dựng truyền thống chỉ đơn thuần hướng dẫn kỹ sư từng bước cần làm, trong khi PBD lại tiếp cận theo một góc độ khác. Phương pháp này xem xét mức độ hư hại nào là chấp nhận được trong các trận động đất, đồng thời vẫn cho phép công trình tiếp tục vận hành bình thường. Hãy nghĩ đến những nơi như bệnh viện, nơi người dân cần được chăm sóc ngay cả sau khi động đất xảy ra, hoặc các trung tâm dữ liệu phải giữ cho máy chủ luôn hoạt động bất kể tình huống nào. Các nghiên cứu từ nhiều công ty kỹ thuật cho thấy việc áp dụng PBD có thể giảm chi phí sửa chữa khoảng 40 phần trăm so với các kỹ thuật cũ. Số tiền tiết kiệm được đến từ việc lựa chọn vật liệu thông minh hơn mà không làm giảm tiêu chuẩn an toàn, điều này thật sự ấn tượng nếu cân nhắc đến mức độ nghiêm trọng của các sự kiện liên quan đến động đất.
Cách các công trình chịu lực động đất phụ thuộc rất nhiều vào việc duy trì các đường truyền tải liên tục từ mái xuống đến nền móng. Các công trình bằng thép đáp ứng yêu cầu này chủ yếu thông qua hệ khung kháng mô-men kết hợp với các tường chống cắt được bố trí tại những vị trí then chốt trong toàn bộ kết cấu nhằm kiểm soát chuyển động rung ngang. Đặc biệt đối với các công trình cao tầng, ngày càng có sự quan tâm gia tăng đến các phương pháp lai ghép, trong đó các khung giằng truyền thống hoạt động phối hợp cùng các tường thép bản phẳng. Những tổ hợp này có thể tăng độ cứng kết cấu từ 25% đến 35%, điều này tạo nên sự khác biệt lớn trong các trận động đất mạnh. Tuy nhiên, việc thiết kế chi tiết đúng kỹ thuật rất quan trọng, bởi vì ngay cả những sai sót nhỏ trong cách nối giữa các thành phần cũng có thể làm giảm hiệu quả của chúng khi xảy ra động đất thực tế.
Thiết kế chống động đất hiệu quả cần cân bằng ba nguyên tắc:
Độ dẻo dai vốn có của thép cho phép biến dạng dẻo được kiểm soát tại các mối nối, hấp thụ năng lượng động đất mà không bị phá hủy đột ngột. Một phân tích năm 2023 về các công trình được cải tạo cho thấy việc sử dụng các thanh chống chịu uốn hạn chế mất ổn định làm tăng khả năng tiêu tán năng lượng lên 50% so với các thiết kế thông thường.
Các tính năng tiên tiến như các bộ phận cầu chì có thể thay thế chắc chắn giúp công trình kiên cố hơn trước động đất, nhưng khoảng hai phần ba các nhà thầu vẫn phản đối vì họ cho rằng điều này làm tăng chi phí không cần thiết. Tuy nhiên, nếu nhìn vào bức tranh tổng thể hơn, nghiên cứu về chi phí vòng đời đã chỉ ra một điều thú vị liên quan đến việc đầu tư đúng mức vào các chi tiết chống động đất cho các công trình bằng thép. Các con số cho thấy việc chi thêm tiền ban đầu thực tế có thể tiết kiệm được gấp bốn lần về sau, khi không cần phải xây dựng lại lớn sau khi xảy ra động đất. Điều này tạo nên một lập luận khá thuyết phục để phát triển một số phương pháp tiêu chuẩn nhằm tính toán những lợi ích này, để các kỹ sư và những người ra quyết định về ngân sách cuối cùng có thể thống nhất quan điểm về những yếu tố thực sự quan trọng trong các dự án xây dựng.
Các cấu trúc thép phụ thuộc vào các mối nối và liên kết được thiết kế chính xác để duy trì độ bền trong các sự kiện động đất. Các khung chống mô-men với các liên kết dầm-cột cứng phân bố lực đều, trong khi các chi tiết gia cố tại các điểm nối ngăn ngừa hư hỏng cục bộ. Các mối nối thép được thiết kế đúng cách có thể giảm chi phí sửa chữa sau động đất tới 40% so với các thiết kế thông thường.
Các liên kết bulông tiên tiến hiện nay tích hợp các bề mặt trượt quan trọng và bulông cường độ cao được kéo căng trước, cho phép chuyển động kiểm soát mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Các cấu hình lai ghép hàn-bulông kết hợp tốc độ lắp ráp nhanh với độ bền động đất, đạt thời gian thi công nhanh hơn 25% đồng thời đáp ứng các yêu cầu hiệu suất theo ASCE 7-22.
Việc cải tạo năm 2022 nút giao thông I-395 tại California đã thay thế các kết nối dạng chốt và thanh treo giòn bằng hệ thống dầm hộp thép sử dụng các liên kết dẻo hấp thụ năng lượng. Dự án trị giá 85 triệu đô la này đã chịu được bảy dư chấn có độ lớn từ 4,0 trở lên vào năm 2023 mà không bị hư hại cấu trúc nào, chứng minh tỷ lệ chi phí - lợi ích của các biện pháp cải tạo thép tiên tiến trong cơ sở hạ tầng trọng yếu.
Các bộ giảm chấn ma sát Pall lắp đặt trong các giằng hình chữ V hấp thụ tới 35% năng lượng động đất ở các tòa nhà trung tầng. Khi kết hợp với các bộ giảm chấn nhớt-dẻo trong vách lõi, các hệ thống này giảm chuyển vị lệch tầng giữa các tầng từ 50–70% dựa trên dữ liệu thử nghiệm từ bàn rung của các viện nghiên cứu hàng đầu.
Khác với các giằng chống thông thường dễ bị phá hủy đột ngột khi chịu nén, các giằng chống mất ổn định (BRBs) sử dụng lõi thép được bao bọc trong ống đổ đầy bê tông. Thiết kế này làm tăng khả năng tiêu tán năng lượng lên 300% đồng thời duy trì các vòng trễ ổn định, như đã được xác nhận trong hướng dẫn FEMA P-795.
Tòa nhà 55 tầng Toranomon-Azabudai ở Tokyo sử dụng hệ thống giảm chấn khối lượng điều chỉnh 1.200 tấn hoạt động phối hợp cùng các bộ giảm chấn tường nhớt. Cách tiếp cận lai này đã đạt được mức giảm dao động do gió và động đất kỷ lục 60% trong cơn bão số 14 năm 2023 (Nanmadol).
Hơn 78% các tòa nhà chọc trời khung thép được xây dựng kể từ năm 2020 tại các khu vực có nguy cơ động đất đã tích hợp một dạng công nghệ giảm chấn nào đó, tăng từ mức 42% vào năm 2010. Dự báo thị trường bộ giảm chấn động đất toàn cầu sẽ đạt 4,2 tỷ USD vào năm 2028, được thúc đẩy bởi các quy định xây dựng nghiêm ngặt hơn tại các khu vực dễ xảy ra động đất.
Các hợp kim nhớ hình dạng niken-titan được biết đến với tên gọi NiTi SMAs đang làm thay đổi cách chúng ta xây dựng các công trình thép chịu động đất vì chúng có thể trở lại hình dạng ban đầu sau khi bị biến dạng. Khi các tòa nhà rung chuyển trong các trận động đất, những vật liệu đặc biệt này hấp thụ một phần năng lượng đó và sau đó bật trở lại vị trí ban đầu khi mọi thứ ổn định, điều này đồng nghĩa với việc giảm thiểu đáng kể thiệt hại lâu dài. Các nghiên cứu cho thấy khi kỹ sư tích hợp công nghệ SMA vào các mối nối dầm-cột, những kết nối này có thể chịu được lực ngang lớn hơn khoảng 12 phần trăm so với các mối nối thép thông thường. Điều làm nên sự thú vị thực sự của chúng là khả năng phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ, cho phép một số bộ phận của tòa nhà về cơ bản tự sửa chữa sau khi xảy ra hư hại nhẹ. Điều này giải quyết một trong những điểm yếu lớn nhất trong các công trình nằm gần các đứt gãy hoạt động.
Các khung thép được thiết kế để tự căn chỉnh thường tích hợp cáp căng sau hoặc các dầm giảm chấn ma sát, giúp công trình trở về vị trí ban đầu sau khi bị rung lắc do động đất. Công nghệ này làm giảm đáng kể độ lệch dư, lên tới khoảng 80% trong một số trường hợp, nhờ đó các tòa nhà không bị nghiêng như ta thường thấy ở các phương pháp xây dựng cũ. Lấy ví dụ gần đây tại Tokyo, nơi các kỹ sư đã thử nghiệm phương pháp này trên một tòa nhà 40 tầng vào năm ngoái. Sau khi xảy ra động đất, cấu trúc hầu như không dịch chuyển và vẫn có thể sử dụng được khoảng 92% công năng như trước sự kiện. Hiệu suất như vậy là hợp lý khi xem xét các tiêu chuẩn xây dựng hiện nay, vốn tập trung không chỉ vào việc giữ cho công trình đứng vững mà còn đảm bảo người dân có thể quay lại bên trong nhanh chóng sau thảm họa, thay vì chỉ đơn thuần tránh sập hoàn toàn.
Việc sử dụng các bộ phận có thể thay thế để hấp thụ năng lượng trong các trận động đất, như những thanh chống uốn đặc biệt hoặc đầu dầm hy sinh, giúp tập trung sửa chữa vào những khu vực cụ thể sau khi xảy ra động đất. Hãy hình dung nó giống như hộp cầu chì trong nhà bạn—những bộ phận này chịu phần lớn hư hại để có thể được thay thế trong khoảng ba ngày, thay vì phải chờ hàng tuần hoặc thậm chí hàng tháng để sửa chữa theo phương pháp truyền thống. Hầu hết các tòa nhà hiện đại có khoảng một phần tư đến một phần ba hệ thống chống đỡ bên hông bao gồm các thành phần có thể thay thế này mà vẫn duy trì được độ bền kết cấu cho toàn bộ công trình. Cách tiếp cận này giúp tiết kiệm cả thời gian và chi phí khi thảm họa xảy ra, vì kỹ sư không cần phải phá dỡ toàn bộ các khu vực chỉ để sửa chữa những phần bị hư hỏng.
Các hệ thống thép tự phục hồi có mức giá cao hơn khoảng 18 đến 22 phần trăm so với các lựa chọn truyền thống khi nhìn ở khía cạnh ban đầu. Tuy nhiên, khi xem xét theo thời gian, các nghiên cứu cho thấy chi phí bảo trì giảm khoảng 40 phần trăm trong suốt năm mươi năm. Một số người nhận xét rằng chi phí bổ sung này đang kìm hãm việc áp dụng tại các khu vực nghèo hơn, nơi mà vấn đề tài chính mang tính quyết định ngay từ đầu. Mặt khác, các công ty bảo hiểm đang bắt đầu áp dụng mức giảm giá từ 15 đến 20 phần trăm đối với các tòa nhà được trang bị những vật liệu thông minh này vì chúng thực sự giảm rủi ro hiệu quả hơn. Gần đây đã diễn ra nhiều cuộc thảo luận về việc cập nhật quy chuẩn xây dựng nhằm yêu cầu sử dụng công nghệ này tại các khu vực dễ xảy ra động đất, ngay cả khi điều đó đồng nghĩa với việc phải trả thêm chi phí ban đầu. Câu hỏi còn lại là lợi ích về an toàn có vượt trội hơn các yếu tố tài chính tại những khu vực then chốt này hay không.
Các đánh giá rủi ro động đất hiện nay phân loại các khu vực thành những hạng mục nguy hiểm khác nhau dựa trên dự báo chuyển động mặt đất và hồ sơ lịch sử động đất. Khi xem xét những khu vực có nguy cơ nghiêm trọng như đứt gãy San Andreas nổi tiếng của California hoặc vùng núi lửa hoạt động quanh Indonesia được biết đến với tên Vành Đai Lửa, phần lớn các kỹ sư thường chọn xây dựng bằng thép vì khả năng uốn dẻo tốt hơn và hấp thụ chấn động hiệu quả hơn. Nghiên cứu gần đây năm 2024 đã chỉ ra một điều thú vị là các công trình khung thép nằm ở những khu vực được gọi là Vùng 4, nơi động đất xảy ra thường xuyên nhất, chịu ít hư hại hơn khoảng bốn mươi phần trăm so với các công trình bê tông cùng quy mô khi được thử nghiệm dưới các cơn động đất mô phỏng cường độ 7 độ. Tất cả những phát hiện này thực sự định hình việc lựa chọn vật liệu trong các dự án xây dựng. Chúng ta thực tế đã chứng kiến mức sử dụng thép tăng khoảng 18 phần trăm mỗi năm tại các thành phố lớn như Tokyo và LA kể từ đầu thập kỷ này.
Các trận động đất Thổ Nhĩ Kỳ - Syria năm 2023 (7,8 độ Richter) đã bộc lộ những điểm yếu nghiêm trọng trong xây dựng sử dụng nhiều bê tông, với 92% các tòa nhà sập sử dụng khung bê tông không dẻo. Ngược lại, trận động đất Tōhoku năm 2011 tại Nhật Bản (9,1 độ Richter) đã chứng minh độ bền vững của thép — chỉ 0,3% các tòa nhà cao tầng khung thép ở Sendai cần phải phá dỡ. Những bài học chính:
Các nền kinh tế mới nổi đối mặt với những thách thức riêng biệt, khi cần cân bằng giữa ngân sách hạn chế và yêu cầu an toàn chống động đất. Một phương pháp hiệu quả về chi phí bao gồm:
Một đánh giá năm 2023 về các hệ thống giảm chấn thông minh nhấn mạnh rằng các quốc gia đang phát triển như Chile và Nepal hiện đang áp dụng các thanh chống uốn cong được giới hạn bằng thép đơn giản hóa với chi phí thấp hơn 60% so với các hệ thống truyền thống. Phương pháp này cho phép các thành phố như Kathmandu cải tạo hơn 150 công trình quan trọng mỗi năm trong khi vẫn duy trì 85% ngân sách xây dựng ban đầu.
Thép được ưa chuộng do tính dẻo dai và khả năng hấp thụ, tiêu tán năng lượng trong các sự kiện động đất, ngăn ngừa sập đổ và giảm thiểu thiệt hại.
Các công trình bằng thép nhẹ hơn 60%, dễ sửa chữa hơn và tiêu tán năng lượng tốt hơn bê tông, vốn thường bị hư hỏng không thể phục hồi.
Các liên kết tiên tiến như các mối nối bulông và hàn đảm bảo độ nguyên vẹn dưới tác động của lực, tăng cường độ bền trong và sau các trận động đất.
Các vật liệu thông minh như hợp kim nhớ hình cung cấp khả năng tự sửa chữa, giảm chi phí bảo trì dài hạn và nâng cao độ vững chắc của cấu trúc.
Bản quyền © 2025 thuộc về Công ty TNHH XNK Bao-Wu (Thiên Tân). - Chính sách bảo mật
EN
