Những tòa cao ốc biết 'nhảy múa' ở Nhật

other Bản quyền hình ảnh other

Những tòa cao ốc ở Tokyo, Osaka và Yokohama chiếm phần lớn cảnh quan thành phố quanh chúng.

Những toà tháp tạo cho ta ấn tượng rằng chúng là những cấu trúc vững chắc và bất di bất dịch do con người xây dựng nên.

Sự bất lợi của các ngôi nhà nhỏ

Những ngôi nhà đẹp nhất nước Anh

Tòa nhà lớn nhất thế giới và tiểu đô thị bên trong

Bản quyền hình ảnh Getty Images

Những cao ốc này là ảnh nền cố định trong đời sống đô thị hàng ngày ở Nhật Bản, giống như bất cứ thành phố phát triển lớn nào trên thế giới. Khi con người và hệ thống giao thông hối hả đi vòng quanh, các tòa nhà tĩnh lặng và đứng yên - chúng là điểm chốt gắn kết cả thành phố sôi động lại gần nhau.

Mãi đến khi có động đất, người ta mới nhận ra góc nhìn này là ảo giác. Bởi ở Nhật Bản, các tòa cao ốc có thể chuyển động.

Mối đe dọa thường xuyên

Bản quyền hình ảnh Getty Images

Trận động đất năm 2011 ở vùng Tokohu được cho là tàn khốc nhất trong thời gian gần đây. Nhưng đó chỉ là một trong rất nhiều địa chấn xảy ra ở Nhật Bản mỗi năm.

Quần đảo Nhật Bản nằm dọc theo Vành đai Lửa Thái Bình Dương, bên rìa các mảng kiến tạo Á-Âu, Philippine và Thái Bình Dương. Ở khu vực rìa, một mảng kiến tạo bị chèn bên dưới mảng kia, tạo ra áp lực cực lớn, được tích tụ dần dần. Động đất là sự giải phóng, khiến dao động đủ mạnh có thể san bằng cả thành phố thông thường.

Vì sao các sân ga Nhật Bản lắp đèn màu xanh

Nhật Bản khai khoáng từ núi lửa ở đáy đại dương

Người rèn kiếm 'samurai' đang thiết kế tàu vũ trụ

Trong hình trên, ta có thể thấy đường cao tốc Kyushu bị hư hại vì trận động đất mạnh 6,4 độ Richter năm 2016.

Thiết lập chuẩn mực

Bản quyền hình ảnh Getty Images

Nhưng những khối nhà cao ốc ở Nhật Bản không phải tòa nhà thông thường. Tất cả các tòa nhà - thậm chí dù nhỏ hay chỉ là công trình tạm thời - đều phải có khả năng chống động đất ở quốc gia này, Jun Sato, kỹ sư kết cấu và là phó giáo sư tại Đại học Tokyo nói.

Những căn hầm được xây để chống ngày tận thế

Sân bay 'ma' thời hiện đại của Berlin

Người Pháp tạo ra chuẩn đo lường mét thế nào

Có hai mức độ chống động đất mà các kỹ sư phải thực hiện.

Ở mức đầu tiên, tòa nhà phải chịu được các trận động đất cỡ nhỏ, loại động đất mà một tòa nhà có thể gặp khoảng ba đến bốn lần trong suốt thời hạn sử dụng của nó ở Nhật Bản. Với các trận động đất này, việc xảy ra hư hại khiến cần phải sửa chữa đều là không thể chấp nhận được. Tòa nhà nên được thiết kế tốt đến mức nó có thể trải qua động đất mà không hề hấn gì.

Mức độ thứ hai là tòa nhà có thể chịu được các trận động đất cực mạnh, vốn hiếm khi xảy ra hơn. Chuẩn mực này được thiết lập dựa trên Trận động đất lớn Kanto năm 1923. Đây là trận động đất lớn mạnh 7,9 độ Richter, phá hủy Tokyo và Yokohama, khiến hơn 140.000 người thiệt mạng.

Với những trận động đất mạnh hơn mức này thì mục tiêu không còn là bảo tồn các tòa nhà nữa; bất cứ hư hại gì cũng đều được chấp nhận, miễn là nó không gây thương vong cho con người.

"Bạn thiết kế các tòa nhà để bảo vệ sự sống của con người," Ziggy Lubkowski, một chuyên viên địa chấn tại Đại học University College London cho biết. "Đó là yêu cầu tối thiểu."

'Giảm xóc'

Bản quyền hình ảnh Getty Images

Để chịu đựng được các lực cực mạnh từ trận động đất, tòa nhà phải hấp thu càng nhiều năng lượng địa chấn càng tốt.

"Khi một cấu trúc có thể hấp thu toàn bộ năng lượng [từ trận động đất], nó sẽ không sập," Sato nói.

Điều này chủ yếu xảy ra trong quy trình có tên là cô lập địa chấn. Tòa nhà hay cấu trúc được xây trên một hình thức như vòng bi, hoặc thiết bị giảm chấn - đôi khi chỉ đơn giản như các khối cao su dày 30-50cm - để chống lại những dịch chuyển do động đất gây ra. Dù các cột tòa nhà được đóng xuống móng ở đâu, chúng cũng nằm trên các tấm cao su đó.

Chống động đất từ chân đến đỉnh cao ốc

Bản quyền hình ảnh Getty Images

Sự thích nghi từ nền móng tòa nhà là một trong những cách cơ bản khiến các tòa nhà được xây dựng để có thể đứng vững trong động đất. Nhưng bộ giảm dao động xuyên suốt chiều cao tòa nhà cũng có thể tăng cường khả năng chịu đựng được các trận động đất.

"Một tòa nhà cao có thể di chuyển 1,5m nhưng nếu bạn đặt bộ giảm xóc ở mức độ nào đó - ví dụ như cứ mỗi hai tầng lầu một lần từ chân đến đỉnh tòa nhà - bạn có thể giảm dao động đến mức nhỏ hơn rất nhiều, chống hư hại cho siêu cấu trúc," Lubokowsky cho biết.

Bộ giảm xóc có vẻ ngoài giống như bơm xe đạp, chỉ khác là bên trong nó đầy chất lỏng thay vì không khí.

"Khi bạn nén chiếc bơm, nó đẩy lại bằng chất lỏng. Nó không đẩy rất mạnh nhưng nó sẽ di chuyển một chút. Quá trình này có thể giảm dao động trong tòa nhà."

Ở đây ta thấy một kiến trúc sư đang trình diễn một bộ giảm xóc bằng dầu sử dụng ở Cao ốc Roppongi Hills Mori Tower tại Tokyo.

Trang nhã và an toàn

Các thiết bị phức tạp hấp thu năng lượng từ động đất và giảm rung lắc không chỉ là cách duy nhất giúp tòa nhà chịu được các trận động đất.

Trong số các phương pháp khác còn có nhờ vào cấu trúc và thiết kế của chính tòa nhà. "Điều lý tưởng mà chúng tôi muốn là khiến tòa nhà bình thường nhất có thể," Lubkowski nói. "Nếu bạn có mỗi tầng lầu có độ cao chính xác bằng nhau và toàn bộ các cột chịu lực nằm cách nhau ở những khoảng cách đều đặn như một mạng lưới thì tòa nhà sẽ chống đỡ tốt hơn khi động đất."

Nhưng thông thường nhà thiết kế của các tòa cao ốc ngoạn mục lại miễn cưỡng thỏa hiệp như vậy, và xung đột giữa chuẩn chống địa chấn do kỹ sư yêu cầu và tầm nhìn sáng tạo của kiến trúc sư thường xảy ra.

"Luôn có xung đột lớn giữa chúng tôi," Norhihiro Ejiri, giám đốc đại diện của Công ty Kỹ sư Kết cấu Ejiri nói. "May mắn là ở Nhật Bản, kiến trúc sư cũng được đào tạo về động đất, vì vậy kỹ sư và nhà thiết kế có thể thảo luận với nhau và có tiếng nói chung."

Cao ốc Skytree Tower ở Tokyo là tòa nhà cao thứ hai thế giới. Nó được xây dựng theo phong cách "tân vị lai", kết hợp với những yếu tố của chùa Nhật Bản truyền thống, và có một trụ cột trung tâm kết nối với bộ giảm xóc địa chấn, để cả hai bộ phận này có thể cùng hấp thụ năng lượng do động đất gây ra.

Lưới bảo vệ

Bản quyền hình ảnh Jun Sato

Sato đã làm việc nhằm phát triển giải pháp kỹ thuật địa chấn vừa hiệu quả vừa trang nhã. "Khi tôi thảo luận thiết kế cấu trúc với kiến trúc sư, tôi luôn tìm cách để phối hợp hài hòa các yếu tố chống địa chấn vào thiết kế tổng thể tòa nhà," ông nói.

"Đôi khi tôi có thể tìm được cách nhúng những yếu tố đó vào thiết kế bản vẽ mặt sàn tầng lầu, đôi khi tôi có thể tạo ra các yếu tố trong suốt hoặc mờ, đôi khi tôi có thể nhìn bản vẽ phác thảo cấu trúc hình học của họ để từ đó phát triển các yếu tố địa chấn."

Chẳng hạn, sử dụng cấu trúc lưới có thể tránh tình trạng oằn khung hỗ trợ tòa nhà. Nếu một phần bị oằn thì phần kế bên sẽ vẫn giúp chặn tình trạng bị uốn cong và việc hấp thụ năng lượng sẽ được phân ra các phần khác. Kết quả là, cấu trúc lưới - trông cũng rất đẹp - giúp gia cố các tòa nhà. Ở đây, ta thấy một kiến trúc lưới được sử dụng ở Đại học Hakodate Future, do Riken Yamamoto thiết kế.

Cải tiến mẫu thiết kế

Bản quyền hình ảnh Jun Sato

Mục tiêu xây dựng các tòa nhà có khả năng chịu được các trận động đất không hề tĩnh tại.

Các nhà nghiên cứu ước tính mức độ động đất sẽ ảnh hưởng đến tòa nhà thông qua quan sát các lỗi hiện thời. Tuy nhiên, độ mạnh của các trận động đất trong vùng có vẻ như ngày càng tăng, vì vậy việc dự đoán ngày càng khó khăn hơn, Ejiri nói.

Liệu các tòa nhà trong tương lai có thể chống được những trận động đất dữ dội nhất mà không hề hấn gì?

"Đúng, những tòa nhà như vậy có thể thành hiện thực. Nhờ hệ thống cách ly nền, vòng bi, thanh giằng, hệ thống rầm giảm lực mà ta sử dụng, các toà nhà sẽ đạt được khả năng đó," Lubkowski nói.

Câu trả lời nằm ở việc thường xuyên thử nghiệm những công nghệ đã biết mà ta phải ổn định tòa nhà, trong khi tiếp tục thử nghiệm thêm nhiều thiết kế sáng tạo, như cấu trúc lưới. Đôi khi những cấu trúc thử nghiệm nhỏ, như lưới đa diện phức hợp được thiết kế để tránh tình trạng uốn cong ở tòa nhà Naoshima Pavillion, Kagawa (do Sou Fujimoto thiết kế) - có thể góp thêm vào kho tư liệu kiến thức cho của các kỹ sư.

Hướng về tương lai

Bản quyền hình ảnh Getty Images

Vì thảm họa tự nhiên thường không đoán trước được, người ta không thể biết liệu một thiết kế có chịu đựng được trận động đất kế tiếp hay không cho đến sau khi trận động đất đó thực sự xảy ra.

Các kỹ sư và kiến trúc sư chỉ có thể nhận biết chắc chắn về khả năng trụ vững của thiết kế họ tạo ra khi thiên tai đã xảy ra rồi.

Bài tiếng Anh đã đăng trên BBC Future.

Chủ đề liên quan

Tin liên quan