Vai trò của kết cấu thép trong xây dựng chịu thảm họa

Tại sao kết cấu thép vượt trội trong khả năng chống thảm họa

Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao giúp phản ứng nhanh chóng và dự đoán được dưới tải trọng cực lớn

Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng của thép đóng vai trò lớn trong khả năng chịu đựng thảm họa của các công trình xây dựng. Khung thép có thể chịu được các lực ngang mạnh, chẳng hạn như những lực xuất hiện trong các trận động đất, mà không làm nền móng phải chịu tải vượt mức quy định. Khi mặt đất rung chuyển, việc sử dụng vật liệu nhẹ hơn giúp giảm lực truyền qua toàn bộ công trình, song vẫn đảm bảo mọi bộ phận liên kết chặt chẽ với nhau. Điều gì khiến thép đặc biệt phù hợp cho mục đích này? Các phân tử của thép được sắp xếp khá đồng đều và nhất quán trong toàn bộ vật liệu, nhờ đó kỹ sư có thể dự đoán chính xác phản ứng của nó dưới tác dụng của ứng suất. Độ tin cậy cao này giúp các công trình duy trì hiệu năng tốt bất kể khi đối mặt với chấn động, gió mạnh hay các mối nguy khác đe dọa đến an toàn và ổn định trong các dự án xây dựng trên toàn thế giới.

Tính dẻo và tiêu tán năng lượng: cách thép biến dạng một cách an toàn trong các sự kiện địa chấn

Tính dẻo của thép nghĩa là nó có thể biến dạng một cách kiểm soát được trong các trận động đất mà không bị gãy đột ngột, nhờ đó mang lại lợi thế an toàn đáng kể so với các vật liệu xây dựng giòn. Khi chịu tác động của rung lắc, các kết cấu thép trải qua những chu kỳ trễ (hysteresis) mà các kỹ sư gọi là chu kỳ uốn và phục hồi nhiều lần, từ đó chuyển đổi năng lượng nguy hiểm từ động đất thành nhiệt vô hại thay vì để năng lượng này phá hủy công trình. Các nghiên cứu dựa trên thiệt hại thực tế do động đất gây ra cho thấy các tòa nhà sử dụng thép thường chỉ cần khoảng 60% khối lượng công việc sửa chữa sau động đất so với các tòa nhà xây bằng bê tông, theo kết quả công bố trên các tạp chí chuyên ngành về kỹ thuật chống động đất. Vì thép có khả năng chịu đựng loại uốn lặp đi lặp lại này mà không sụp đổ, nên nhiều kiến trúc sư và kỹ sư ưu tiên lựa chọn vật liệu này khi thiết kế công trình tại những khu vực thường xuyên hoặc dễ xảy ra động đất mạnh.

Hiệu năng của Kết cấu Thép trong Thiết kế Chống Động đất

Hệ Khung Chống Mô-men xoắn so với Hệ Khung Giằng dưới Các Tình huống Tải Động đất Kết hợp

Các tòa nhà bằng thép giúp giảm thiểu thiệt hại do động đất chủ yếu thông qua hai loại hệ thống chịu lực ngang: khung chống uốn (MRFs) và khung giằng đồng tâm (CBFs). Với hệ thống MRFs, các dầm được liên kết chắc chắn với cột để có thể uốn cong một cách kiểm soát được khi xảy ra rung lắc. Hệ thống này hoạt động hiệu quả đối với các tòa nhà tầm trung, nơi kiến trúc sư cần độ linh hoạt về không gian vì số lượng điểm tựa nhìn thấy được ít hơn. CBFs áp dụng một cách tiếp cận khác bằng cách lắp đặt các thanh thép chéo xuyên qua khung. Điều này làm tăng đáng kể độ cứng của khung đối với chuyển động sang hai bên, nên nhiều công trình tại khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của động đất mạnh ưa chuộng phương pháp này. Một số kỹ sư kết hợp cả hai hệ thống nhằm tăng cường khả năng bảo vệ trong các tình huống chuyển động mặt đất phức tạp từ nhiều hướng. Việc bổ sung tính dư thừa này mang lại sự an tâm cho chủ sở hữu công trình, bởi cấu trúc của họ có khả năng chịu đựng các ứng suất bất ngờ tốt hơn so với các thiết kế chỉ sử dụng một hệ thống duy nhất.

Các khung chống uốn (MRF) cung cấp khả năng biến dạng dẻo cao hơn 25% nhưng yêu cầu chi tiết liên kết nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn AISC 341-22. Các khung giằng tập trung (CBF) giảm độ trượt giữa các tầng lên đến 40%, tuy nhiên vị trí đặt thanh giằng có thể gây hạn chế trong việc bố trí mặt bằng sàn (FEMA P-2098, 2023).

Các đổi mới: Liên kết tự căn chỉnh và bộ giảm chấn bằng thép nhằm giảm độ trượt dư

Việc giảm độ trôi dư là rất quan trọng khi các tòa nhà cần được đưa trở lại sử dụng sau các thảm họa. Các mối nối thép được thiết kế để tự căn chỉnh vị trí (self-center) phát huy hiệu quả vượt trội trong trường hợp này. Những hệ thống này sử dụng hoặc các thanh cáp căng sau (post-tensioned tendons) hoặc các hợp kim đặc biệt có khả năng ghi nhớ hình dạng (shape-memory alloys) nhằm đưa lại cấu trúc về trạng thái cân bằng ban đầu sau khi chúng đã chảy dẻo dưới tác dụng của tải trọng. Kết quả thử nghiệm cho thấy các phương pháp này có thể giảm độ chuyển vị dư khoảng 60–80% theo nghiên cứu công bố năm ngoái trên Tạp chí Kỹ thuật Kết cấu (Journal of Structural Engineering) của Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Hoa Kỳ (ASCE). Bên cạnh những đổi mới này, nhiều loại bộ giảm chấn bằng thép cũng góp phần nâng cao hiệu năng. Các thanh chống chịu uốn (buckling restrained braces – BRBs) và các thiết bị tiêu tán năng lượng do cắt chảy (shear-yielding devices) khác hấp thụ chấn động trong suốt các trận động đất đồng thời duy trì tính toàn vẹn kết cấu. Lấy ví dụ về công trình cải tạo gần đây tại Osaka: các kỹ sư ở đó đã lắp đặt các thanh chống chịu uốn (BRBs), giúp kiểm soát chuyển vị của tòa nhà trong giới hạn an toàn trong các mô phỏng thử nghiệm. Kết quả đạt được? Độ trôi cực đại chỉ ở mức 1,8% và độ chuyển vị dư giảm xuống còn 0,2%. Mức độ hiệu năng như vậy mang lại sự khác biệt lớn đối với các cộng đồng đang nỗ lực phục hồi sau thảm họa mà không làm vượt quá ngân sách.

Độ bền của kết cấu thép trước các sự kiện gió mạnh và bão

Hành vi động lực học của các tòa nhà thép mảnh dưới tác động của gió xoáy: bằng chứng từ các nghiên cứu điển hình tại Nhật Bản và vùng Bờ Vịnh Hoa Kỳ

Các tòa nhà thép thường chịu được bão tốt hơn vì chúng có khả năng uốn dẻo một cách linh hoạt trong khi hấp thụ năng lượng một cách dự báo được. Khi đối mặt với những cơn gió cực mạnh, các kết cấu mảnh này thực tế dao động một cách kiểm soát thay vì đột ngột vỡ ra. Chúng chuyển toàn bộ lực từ gió thành các dao động mà tòa nhà có thể quản lý một cách an toàn. Bằng chứng từ các khu vực như vùng hay bị bão ở Nhật Bản và dọc theo Bờ Vịnh Hoa Kỳ đã xác nhận điều này khá rõ ràng. Các kỹ sư tại những nơi này đã nhiều lần quan sát thấy rằng, nếu được xây dựng đúng cách, khung thép vẫn nguyên vẹn ngay cả khi tốc độ gió đạt trên 150 dặm/giờ — tương đương với cấp bão hạng 4. Có một số lý do khiến thép chịu được các lực như vậy rất tốt, bắt đầu từ...

• Tính linh hoạt của vật liệu , được hỗ trợ bởi tỷ lệ cường độ trên khối lượng cao của thép, cho phép chuyển động ngang an toàn mà không làm mất ổn định
• Tản năng lượng ở cấp khung , trong đó các mối nối và các cấu kiện biến đổi lực gió thành các dao động được giảm chấn
• Khả năng thích ứng khí động học , với các tiết diện thanh mảnh và lớp bao che được tối ưu nhằm giảm thiểu lực cản gió và ngăn ngừa sụp đổ lan truyền

Hàng thập kỷ bằng chứng thực tế cho thấy tỷ lệ sống sót trên 90% đối với các công trình xây dựng bằng thép tuân thủ quy chuẩn trong các khu vực có bão xoáy—xác nhận thép là tiêu chuẩn tham chiếu cho cơ sở hạ tầng có khả năng chống chịu gió.

Giải quyết vấn đề dễ cháy trong các hệ thống kết cấu thép

Mặc dù thép vượt trội về khả năng chống chịu động đất và gió, tính chất cơ học của nó suy giảm khi nhiệt độ vượt quá 550°C (1022°F), lúc đó thép có thể mất tới một nửa khả năng chịu tải. Thiết kế hiện đại nhằm nâng cao khả năng chống cháy cho thép khắc phục hạn chế này thông qua các chiến lược thụ động và chủ động được tích hợp chặt chẽ:

• Bảo vệ chống cháy thụ động (PFP) , chẳng hạn như lớp phủ phồng nở, khi bị đốt nóng sẽ nở ra tạo thành các lớp than cách nhiệt—làm chậm tốc độ tăng nhiệt trong các cấu kiện kết cấu
• Hệ thống hoạt động , bao gồm cả các thiết bị báo khói phát hiện sớm và hệ thống phun nước chữa cháy, nhằm hạn chế sự lan rộng của ngọn lửa trong giai đoạn đầu tiên
• Phân chia không gian , sử dụng tường, sàn và vách ngăn khoang có khả năng chịu lửa, giúp khống chế đám cháy và duy trì tính liên tục về mặt kết cấu

Cùng nhau, những biện pháp này làm kéo dài thời gian đến khi xảy ra hư hỏng nghiêm trọng: các dầm thép được bảo vệ thường chịu được tác động của lửa theo tiêu chuẩn trong khoảng 60–120 phút, so với chỉ 15 phút đối với các phần không được bảo vệ. Mặc dù không có vật liệu kết cấu nào là chống cháy hoàn toàn, nhưng khả năng tương thích cao của thép với các giải pháp kỹ thuật phòng cháy chữa cháy vững chắc và tuân thủ quy chuẩn xây dựng đã biến một điểm yếu về mặt nhiệt thành một rủi ro có thể kiểm soát một cách đáng tin cậy.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao thép lại được ưu tiên trong thiết kế công trình chịu động đất?

Thép được ưu tiên vì có độ dẻo cao và khả năng tiêu tán năng lượng tốt, cho phép nó biến dạng một cách an toàn trong suốt các trận động đất mà không sụp đổ. Đặc tính này, kết hợp với phản ứng dự đoán được dưới tải ứng suất, khiến các công trình bằng thép trở nên bền bỉ trong điều kiện địa chấn.

Thép góp phần nâng cao khả năng chống gió và bão như thế nào?

Các kết cấu thép có khả năng uốn dẻo động học, chuyển đổi lực gió thành các dao động ở mức độ kiểm soát được, giúp chúng duy trì nguyên vẹn trong các sự kiện gió mạnh như bão và áp thấp nhiệt đới. Tính thích ứng khí động học và độ linh hoạt của chúng góp phần giảm thiểu lực cản gió và ngăn ngừa sập đổ.

Các biện pháp nào được áp dụng để bảo vệ kết cấu thép khỏi cháy?

Để bảo vệ kết cấu thép khỏi cháy, các kiến trúc sư áp dụng các giải pháp phòng cháy thụ động như lớp phủ phồng nở và triển khai các hệ thống chủ động như báo khói và hệ thống phun nước chữa cháy. Việc phân vùng (compartmentalization) cũng góp phần hạn chế phạm vi lan rộng của đám cháy, đảm bảo kết cấu thép duy trì nguyên vẹn trong thời gian dài hơn khi bị phơi nhiễm lửa.