"Bức tường gió" ở Đại học Quốc tế Florida được tái dựng giúp những kỹ sư kiểm tra độ kiên cố của công trình xây dựng trước sức gió lên tới 257km/h.
Trong một nhà kho chứa máy bay ở Miami, các kỹ sư tái dựng một số trận gió bão mạnh nhất thế giới từng ập vào đất liền. Những cơn gió cấp 5 có thể làm vỡ căn nhà thử nghiệm trong chớp mắt.
Thử nghiệm khả năng chịu gió bão của một ngôi nhà. (Video: Palm Beach Post)
Khi các kỹ sư xây dựng cơ sở thử nghiệm Bức tường gió (Wall of Wind) cách đây 10 năm ở Đại học Quốc tế Florida, họ lấy cảm hứng từ bão Andrew, một cơn bão "quái vật" tàn phá miền nam Florida năm 1992. Cơ sở này được thiết kế để kiểm tra khả năng chịu sức gió mạnh tới 257 km/h của các công trình. Tuy nhiên, ngày nay những cơn bão mạnh hơn đang xuất hiện ngày càng nhiều như bão Dorian tàn phá khu dân cư ở Bahamas với sức gió 296 km/h vào năm 2019 và bão Patricia kèm gió mạnh 346 km/h, phá hủy vùng ven biển Mexico năm 2015.
Các nghiên cứu cho thấy bão nhiệt đới đang tăng dần về cường độ do biến đổi khí hậu cũng như nhiệt độ đại dương và khí quyển cao dần. Thiết kế nhà ở và cơ sở hạ tầng để chống chọi với các cơn bão tương lai như Dorian đòi hỏi nhiều cơ sở mô phỏng gió bão mới. Hiện nay, chỉ có duy nhất cơ sở thử nghiệm ở Đại học Quốc tế Florida có khả năng tạo ra gió bão cấp 5, cấp bão mạnh nhất theo thang phân loại của Mỹ.
Ở một mặt của cơ sở là bức tường cong gắn 12 chiếc quạt khổng lồ, mỗi chiếc cao bằng một người lớn. Khi kết hợp các quạt với nhau, bức tường có thể tái tạo cơn bão 257 km/h. Những tia nước mô phỏng nước mưa bị gió tạt. Mặt kia của cơ sở mở ra cánh đồng lớn, nơi các kỹ sư có thể quan sát công trình sụp đổ như thế nào và mảnh vỡ bay tán loạn ra sao. Việc mô phỏng bão mạnh cho phép họ tìm hiểu điểm yếu trong thiết kế và xây dựng, theo dõi thiệt hại trên khắp tòa nhà và thử nghiệm giải pháp tiên tiến trong điều kiện gần với bão thực tế. Camera và cảm biến ghi hình mỗi mili giây khi ngôi nhà, vật liệu lợp mái và nhiều bộ phận khác vẫn trụ vững hoặc bị gió quật vỡ nát.
10 năm nghiên cứu tại cơ sở này đã giúp các nhà xây dựng và thiết kế giảm thiểu nguy cơ thiệt hại. Trong một thử nghiệm phá hủy, nhóm nghiên cứu ở Đại học Quốc tế Florida nhận thấy, chỉ cần gió quét qua điểm yếu nhất, công trình thường bị hư hỏng trong chưa đầy một giây.
Mái nhà dễ bị ảnh hưởng bởi lực nâng lên trong cơn bão.
Khi bão Dorian tràn qua Bahamas, nhiều ngôi nhà kém kiên cố biến thành đống đổ nát, tạo ra vấn đề khác. Sau khi một ngôi nhà sụp đổ, những ngôi nhà gần đó được xây dựng để chịu sức gió cao hơn dễ bị ảnh hưởng bởi mảnh vỡ bay tán loạn. Thử nghiệm của nhóm nghiên cứu cho thấy mảnh vỡ từ một ngôi nhà có thể va đập vào ngôi nhà gần đó như thế nào trong điều kiện gió thổi liên tục ở 209 - 225 km/h.
Mái nhà thường là phần yếu nhất. Mái nhà dễ bị ảnh hưởng bởi lực nâng lên trong cơn bão, vì vậy gió va đập vào bề mặt ngôi nhà cần có đường thoát ra. Khi gió quét qua vật thể trên đường đi, nó có thể gây ra thiệt hại. Thiết kế mới hướng tới cải thiện khả năng chịu gió mạnh của ngôi nhà. Ví dụ, cơn bão có thể tạo gió lốc cuốn bay vật liệu và nhấc bổng cả mái nhà. Một giải pháp là sử dụng turbine gió dọc theo rìa mái nhà để phân tán sức gió, đồng thời sản xuất năng lượng. Hình dáng của ngôi nhà cũng có thể tạo ra điểm yếu hoặc góp phần làm chệch hướng gió. Phần lớn nhà chọc trời hiện nay đều tránh xây góc nhọn. Kết quả thử nghiệm cho thấy rìa hình thang hoặc hình tròn sẽ giúp giảm áp lực gió lên tòa nhà.
Thí nghiệm mà các nhà nghiên cứu ở Đại học Quốc tế Florida tiến hành cho thấy hệ thống phụ như bộ phận kim loại giữa tường và mái bị lắp cao hoặc thấp có thể khiến căn nhà đổ nát ở sức gió thấp như thế nào, dù được thiết kế để chịu bão cấp 5.
Trong khi các kỹ sư thu thập dữ liệu thông qua thử nghiệm, bản chất của bão cũng thay đổi dần do hành tinh ấm lên. Nhiệt độ cao hơn do lượng phát thải khí nhà kính tăng từ hoạt động của con người, khiến không khí chứa nhiều hơi ẩm hơn và đại dương ấm lên cung cấp thêm năng lượng cho bão. Nghiên cứu cho thấy những con bão ngày càng mạnh hơn mang nhiều nước hơn và di chuyển chậm hơn đang tàn phá các khu vực mà chúng đi qua với sức gió, sóng trào, ngập lụt và mảnh vỡ. Đó là lý do nhóm nghiên cứu ở Đại học Quốc tế Florida đang hợp tác với 8 trường đại học khác để thiết kế cơ sở mới nhằm thử nghiệm công trình xây dựng trong điều kiện gió mạnh 322 km/h, kèm theo một bể chứa nước để kiểm tra tác động của sóng trào cao 6 m.
Máy tính có thể lập mô hình kết quả, nhưng các mô hình vẫn cần kiểm định bằng thí nghiệm thực tế. Bằng cách kết hợp ảnh hưởng của sức gió, sóng trào và mưa lũ, nhóm nghiên cứu có thể quan sát cách mọi thành phần tương tác trong cơn bão tương tác khi ảnh hưởng tới cư dân và môi trường xây dựng.