Việc thép uốn cong thay vì gãy vụn khi bị tác động khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các khu vực hay xảy ra động đất. Bê tông thường dễ nứt và vỡ dưới áp lực, nhưng kết cấu thép lại có khả năng co giãn và phân tán lực ra toàn bộ khung. Các tòa nhà làm bằng thép thực sự có thể dịch chuyển sang ngang khoảng 10 đến 15 phần trăm chiều cao của chúng trong các đợt rung chấn trước khi xảy ra hư hại nghiêm trọng. Chính sự linh hoạt này cứu sống nhiều người vì nó ngăn các công trình sụp đổ hoàn toàn một cách đột ngột khi mặt đất rung chuyển xung quanh.
Các kết cấu thép hiện đại sử dụng các hệ thống tiêu tán năng lượng như bộ giảm chấn dẻo và giằng chống mất ổn định. Các thành phần này hoạt động như những bộ phận hy sinh, hấp thụ tới 70% lực động đất trước khi lực này truyền đến các bộ phận chịu tải chính. Bằng cách tập trung hư hại vào các bộ phận có thể thay thế được, các thiết kế này đảm bảo toàn vẹn tổng thể của kết cấu ngay cả khi xảy ra biến dạng vĩnh viễn.
Các cấu trúc thép được bảo vệ thêm thông qua các kỹ thuật như khung giằng và hệ thống cách ly nền, về cơ bản là tách biệt công trình khỏi chuyển động của mặt đất. Khi triển khai thực tế, các kỹ sư thường lắp đặt những thiết bị gọi là gối tựa đàn hồi hoặc bộ cách ly con lắc ma sát, cho phép các tòa nhà dịch chuyển độc lập tương đối so với chuyển động bên dưới. Theo phần lớn các nghiên cứu đã ghi nhận, điều này có thể giảm lực ngang tác động trong động đất từ khoảng một nửa đến ba phần tư. Ngoài ra còn có các phương pháp kết hợp (hybrid), trong đó tích hợp nhiều phương pháp khác nhau, ví dụ như khung giằng lệch tâm, giúp đạt được sự cân bằng giữa độ cứng cần thiết để ổn định và khả năng biến dạng linh hoạt khi cần thiết. Các hệ thống này giúp kiểm soát mức độ hư hại xảy ra khi chịu chấn động mạnh.
Động đất Northridge năm 1994 đã làm nổi bật khả năng chống chịu của thép—các công trình khung moment bằng thép đã được gia cố hoạt động tốt hơn đáng kể so với các cấu trúc bê tông. Tương tự, tòa tháp Toranomon Hills cao 346 mét ở Tokyo đã sống sót qua trận động đất Tohoku năm 2011 mà không bị tổn hại nào nhờ hệ thống thanh chéo bằng thép và các thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh, mặc dù trải qua dịch chuyển mặt đất lên tới 6,5 mét.
Một nghiên cứu về hiệu suất động đất năm 2023 cho thấy các công trình bằng thép phục hồi nhanh gấp ba lần so với bê tông sau các trận động đất lớn. Mặc dù gỗ có độ linh hoạt nhất định nhờ trọng lượng nhẹ, nhưng lại thiếu độ bền chảy ổn định (275–450 MPa) của thép, khiến thép hiệu quả hơn 40% trong việc chịu tải trọng dọc trục và tải trọng ngang kết hợp ở các tòa nhà nhiều tầng.
Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng của thép có nghĩa là các tòa nhà có thể đứng vững trước những cơn gió thổi trên 150 dặm một giờ, gần bằng mức chúng ta thấy trong các cơn bão cấp 4, mà không bị hư hại nghiêm trọng nào đối với kết cấu công trình. Điều làm cho thép trở nên đặc biệt chính là khả năng uốn cong khi áp lực tăng lên thay vì gãy vỡ hoàn toàn. Hành động uốn cong này thực sự giúp hấp thụ một phần lực và ngăn các mối nối bị phá hủy hoàn toàn. Khi xem xét các con số về hiệu suất thực tế, các tấm thép đã được phát hiện có khả năng chống lại sự xuyên thủng do mảnh vỡ bay khoảng 72 phần trăm tốt hơn so với các vật liệu xây dựng thông thường khác, theo nghiên cứu được Viện An toàn Gió công bố vào năm 2022. Đối với bất kỳ ai sống ở khu vực mà bão lũ thường xuyên xảy ra, sự khác biệt về mức độ bảo vệ này rất quan trọng đối với an toàn.
Sau cơn bão Michael (2018), 92% các tòa nhà khung thép ở Panama City, Florida, vẫn hoạt động bình thường bất chấp gió mạnh tới 160 dặm/giờ và sự tàn phá lan rộng. Tại các khu vực dễ xảy ra lốc xoáy như quận Moore, Oklahoma, các công trình bằng thép có tỷ lệ hư hỏng mái thấp hơn 40% so với các công trình khung gỗ, theo Đánh giá Hiệu suất Công trình năm 2021 của FEMA.
Mái thép có thể chỉ nặng khoảng 2,1 pound trên mỗi foot vuông so với mức nặng nề 6,5 pound của mái bê tông, nhưng điều mà nó thiếu về trọng lượng lại được bù đắp bằng độ bền vượt trội trước các lực nâng. Thép thực tế có thể chịu lực tốt gấp ba lần trong những điều kiện này nhờ khả năng truyền tải lực hiệu quả và duy trì sự neo giữ chắc chắn. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng khi sử dụng các hệ thống liên kết tiên tiến, các mối nối sẽ ít bị tách rời hơn 58 phần trăm trong điều kiện gió gây ứng suất, theo các thí nghiệm trong hầm khí động học. Điều này có nghĩa là các tòa nhà vẫn giữ được sự ổn định ngay cả khi thiên nhiên phô diễn những điều tồi tệ nhất.
Để tối đa hóa khả năng chống gió, các công trình thép hiện đại tích hợp các yếu tố thiết kế khí động học:
Kết hợp với phần mềm mô phỏng dự đoán, những tính năng này cho phép kết cấu thép vượt quá yêu cầu tải trọng gió ASCE 7-22 từ 15–25% tại các khu vực ven biển.
Thép không cháy và nóng chảy ở khoảng 1.300 độ C, một nhiệt độ rất cao. Điều đó có nghĩa là nó sẽ không bắt lửa hay giải phóng khí độc khi xảy ra hỏa hoạn. Theo một nghiên cứu từ NIST năm 2022, các tòa nhà sử dụng khung thép chịu được lâu hơn khoảng 42 phần trăm so với những tòa nhà dùng khung gỗ. Khoảng thời gian thêm này có thể tạo nên sự khác biệt lớn trong tình huống sơ tán khẩn cấp. Mặc dù thép bắt đầu mất độ bền khi nhiệt độ đạt khoảng 530 độ C, nhưng các quy định xây dựng hiện đại đã có cách xử lý vấn đề này. Họ tích hợp các hệ thống dự phòng và chia công trình thành các khu vực riêng biệt, để ngay cả khi một phần bị hư hại, các khu vực khác vẫn đủ ổn định giúp mọi người thoát ra an toàn.
Những lớp phủ đặc biệt này sẽ bị phồng lên khi nhiệt độ cao, tạo ra lớp than bảo vệ này làm chậm tốc độ nóng lên của thép. Kết hợp chúng với các vật liệu chống cháy dựa trên xi măng và các yếu tố cấu trúc như sợi và cột thực sự có thể vượt qua những thử nghiệm cháy ASTM E119 khó khăn kéo dài từ 2 đến 4 giờ trước khi xảy ra bất kỳ sự uốn cong nào. Một số nghiên cứu gần đây cho thấy thép được phủ đúng cách duy trì khoảng 90% khả năng giữ ở nhiệt độ khoảng 800 độ C, trong khi thép không được bảo vệ thường giảm chỉ đến 35% khả năng trong cùng một điều kiện theo những phát hiện được công bố trong Tạp chí Kỹ thuật phòng cháy năm ngoái.
Khi gỗ đạt tới nhiệt độ khoảng 300 độ C, nó bắt đầu cháy và phát ra khí dễ cháy khiến lửa lan nhanh hơn. Những khí này thực sự chịu trách nhiệm cho khoảng 2/3 số vụ cháy nhà chết người theo dữ liệu của Hiệp hội Bảo vệ Khí cứu Quốc gia năm ngoái. Thay đổi vật liệu tạo ra sự khác biệt lớn ở đây. Thép không cung cấp nguồn nhiên liệu giống như gỗ, có nghĩa là ngọn lửa không dễ dàng đi qua các cấu trúc. Các thử nghiệm cho thấy thép làm chậm đáng kể tốc độ lan rộng của lửa, giảm tỷ lệ lây lan khoảng 83 phần trăm theo nghiên cứu của Quỹ Nghiên cứu Bảo vệ Hỏa hoạn. Mặc dù các lớp gỗ than có thể bảo vệ chống lại tổn thương nhiệt ngay lập tức trong một thời gian, thép có hành vi dễ đoán hơn nhiều khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Tính dự đoán này cho phép các kỹ sư cấu trúc lên kế hoạch hệ thống hỗ trợ tốt hơn trong toàn bộ các tòa nhà. Kết quả là, các tòa nhà cao được làm bằng khung thép ít có nguy cơ sụp đổ trong các vụ cháy dữ dội hơn. Các nghiên cứu của Ủy ban chống cháy ACI cho thấy rằng những thiết kế như vậy làm giảm gần 91 phần trăm nguy cơ sụp đổ so với các công trình bằng gỗ truyền thống.
Khả năng thích ứng của thép mang lại không gian cho các kỹ sư để điều chỉnh thiết kế theo từng loại thảm họa có thể xảy ra ở các khu vực khác nhau. Lấy ví dụ ở những nơi dễ bị ngập lụt, các giá đỡ bằng thép được nâng cao hơn mức nước lũ thông thường. Các tòa nhà dọc theo bờ biển thường sử dụng các hợp kim đặc biệt chống gỉ sét do không khí mặn. Một số nghiên cứu gần đây đánh giá mức độ kiên cố của công trình trong thảm họa cho thấy khi khung thép được thiết kế riêng biệt cho từng vị trí địa lý, chi phí sửa chữa có thể giảm khoảng 40 phần trăm so với phương pháp xây dựng thông thường. Những cách tiếp cận tùy chỉnh này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giúp đáp ứng quy định xây dựng và tăng khả năng chống chịu lâu dài trước mọi tác động từ thiên nhiên.
Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và các kỹ thuật mô hình hóa tính toán khác giúp các kỹ sư hình dung cách các tòa nhà bằng thép phản ứng khi đối mặt với những thách thức lớn như động đất hoặc gió bão mạnh khoảng 150 dặm/giờ. Những mô hình này giúp phát hiện các khu vực có vấn đề từ rất sớm, trước khi bắt đầu xây dựng thực tế. Nghiên cứu gần đây năm 2024 cho thấy việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào phần mềm mô phỏng thực sự làm tăng độ chính xác dự đoán khoảng 28 phần trăm so với các phương pháp cũ. Ứng dụng thực tiễn cho phép các kỹ sư kết cấu điều chỉnh kích thước dầm, tinh chỉnh chi tiết nối ghép và thiết kế lại hệ thống giằng theo những gì họ học được. Kết quả? Các tòa nhà hoạt động tốt hơn trong điều kiện chịu tải cụ thể tại vị trí của chúng, dù là ở vùng hoạt động địa chấn hay các khu vực ven biển dễ xảy ra bão.
Độ linh hoạt của thép cho phép xử lý tải trọng theo nhiều cách khác nhau trên các phần tử kết cấu khác nhau như khung giằng, các liên kết cứng và các bản bụng. Những thành phần này phối hợp với nhau để tiếp nhận và phân bố lực khi thảm họa xảy ra. Điều làm cho thép thực sự nổi bật là khả năng uốn cong một chút trước khi gãy, mang lại cho kỹ sư một khoảng dự phòng sai số. Một nghiên cứu gần đây từ năm ngoái cho thấy sau các trận động đất lớn, các tòa nhà bằng thép vẫn giữ được khoảng 89 phần trăm sức chịu lực ban đầu, trong khi các công trình bê tông chỉ duy trì được khoảng 67 phần trăm. Các kỹ sư thiết kế các hệ thống dự phòng này theo những quy tắc thiết kế nhất định, để nếu một bộ phận bị hư hại, các bộ phận khác sẽ tự động tham gia nhằm giữ cho công trình không sập. Cách tiếp cận này giúp giải thích tại sao rất nhiều công trình hiện đại lại phụ thuộc vào thép dù chi phí ban đầu cao hơn.
Điều gì khiến thép trở thành lựa chọn hiệu quả cho các khu vực hay xảy ra động đất?
Thép rất hiệu quả ở những khu vực hay xảy ra động đất nhờ tính dẻo dai, cho phép nó uốn cong và hấp thụ lực địa chấn, ngăn ngừa sập đổ đột ngột.
Kết cấu thép hoạt động như thế nào trong các cơn bão?
Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng của thép giúp các tòa nhà chịu được gió mạnh và tác động từ mảnh vỡ, duy trì hoạt động ngay cả sau các cơn bão nghiêm trọng.
Thép có phải là vật liệu chống cháy không?
Có, thép về bản chất có khả năng chống cháy và không bắt lửa, làm cho nó trở thành lựa chọn an toàn hơn so với các vật liệu như gỗ.
Thép có thể được tùy chỉnh theo các mối nguy hiểm khu vực cụ thể không?
Thiết kế thép có thể được điều chỉnh phù hợp với các mối đe dọa khu vực cụ thể, tăng cường khả năng chống chịu trước các thảm họa địa phương như lũ lụt và gỉ sét ở khu vực ven biển.
Bản quyền © 2025 thuộc về Công ty TNHH XNK Bao-Wu (Thiên Tân). - Chính sách bảo mật
EN
