Công nghệ xây dựng chống động đất độc đáo ở Nhật Bản

Nhật Bản là nơi "gặp gỡ" của nhiều mảng kiến tạo lớn nhỏ khác nhau như mảng Thái Bình Dương, Á-Âu, Bắc Mỹ, Philippines. Đây là lý do có quá nhiều núi lửa và suối nước nóng ở trên khắp đất nước Nhật Bản.

Và với việc nằm ngay trên Vành đai lửa Thái Bình Dương nên mỗi thế kỷ, Nhật Bản đều phải hứng chịu một vài trận động đất mạnh có sức tàn phá kinh hoàng. Trong lịch sử của mình, đất nước mặt trời mọc đã phải trải qua khoảng 200 trận động đất kèm theo sóng thần diễn ra bên dưới hoặc ngay sát Thái Bình Dương.

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.

Các tòa cao ốc có thể chuyển động

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 chúng là những cấu trúc vững chắc và bất di bất dịch do con người xây dựng nên.

Nó 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 vì ở Nhật Bản, các tòa cao ốc có thể chuyển động.

Những khối nhà chọc trời ở Nhật Bản không phải tòa nhà thông thường.

Trận động đất năm 2011 ở Nhật Bản được cho là tàn khốc nhất trong thời gian gần đây. Trận động đất kinh hoàng gần 9 độ richter ở Nhật Bản ngày 11/3/2011 là kết quả của những đợt dịch chuyển địa chất khổng lồ xung quanh "Vành đai lửa" Thái Bình Dương.

Sức mạnh tổng lực phát ra từ trận động đất mạnh gần 9 độ richter ở Nhật Bản ngày 11/3/2011 tương đương với sức nổ của 6,7 nghìn tỉ khối lượng chất nổ TNT và gấp khoảng 1.000 lần sức hủy diệt của tất cả vũ khí hạt nhân trên thế giới cộng lại.

Trận động đất này một lần nữa cho thấy "Vành đai lửa" Thái Bình Dương luôn tiềm ẩn những thảm họa khó lường. Nhưng đó chỉ là một trong rất nhiều địa chấn xảy ra ở Nhật Bản mỗi năm.

Theo các chuyên gia, lý do Nhật Bản thường xuyên hứng chịu động đất là bởi vị trí của quốc gia này. Nhật Bản nằm dọc Vành đai lửa Thái Bình Dương. Đây là khu vực thường xuyên xảy ra động đất và phun trào núi lửa.

"Vành đai lửa" này là một khu vực hay xảy ra động đất và các hiện tượng phun trào núi lửa bao quanh vòng lòng chảo Thái Bình Dương. Nó có hình dạng tương tự vành móng ngựa và dài khoảng 40.000km, gắn liền với một dãy liên tục các rãnh đại dương, vòng cung quần đảo, các dãy núi lửa và sự chuyển động của các mảng kiến tạo. Đôi khi nó còn được gọi là vành đai địa chấn Thái Bình Dương.

Khoảng 71% trận động đất có cường độ mạnh nhất thế giới diễn ra tại vành đai lửa. Nó đi qua quần đảo Samoa, Indonesia và cả Peru. Các trận động đất thường xuyên xảy ra ở Nhật Bản vì đây là một trong những khu vực có hoạt động địa chấn tích cực nhất. 20% các trận động đất mạnh từ 6,0 độ richter trở lên xảy ra trên thế giới là ở Nhật Bản.

Theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS), trên thực tế, 81% các trận động đất mạnh nhất thế giới xảy ra trong Vành đai lửa Thái Bình Dương. Do Nhật Bản nằm trên một mảng kiến tạo nên các mảng thường xuyên phân tách và va chạm dẫn đến những trận động đất và núi lửa phun trào.

Có 2 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 có thể gặp khoảng 3 đến 4 lần 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. Do đó, tòa nhà cần 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 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. Ziggy Lubkowski, chuyên gia địa chấn Đại học London, cho biết: "Bạn thiết kế các tòa nhà để bảo vệ sự sống của con người. Đó là yêu cầu tối thiểu".

Những công nghệ hấp thu năng lượng và giảm chấn

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. Điều này chủ yếu xảy ra trong quy trình gọi là cô lập địa chấn.

Đường cao tốc Kyushu bị hư hại vì trận động đất mạnh 6,4 độ Richter năm 2016.

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.

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.

Lubokowski phân tích: "Một tòa nhà cao có thể di chuyển 1,5 mét nhưng nếu bạn đặt bộ giảm xóc ở mức độ nào đó - ví dụ như cứ mỗi 2 tầng lầu 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. 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".

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.

Kiến trúc lưới được sử dụng ở Đại học Hakodate Future, do Riken Yamamoto thiết kế.

Lubkowski nói: "Điều lý tưởng mà chúng tôi muốn là khiến tòa nhà bình thường nhất có thể. Nếu 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.

Norhihiro Ejiri, Giám đốc đại diện Công ty Kỹ thuật Kết cấu Ejiri, bình luận: "Luôn có xung đột lớn giữa chúng tôi. 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".

Tháp Skytree Tower ở Tokyo là cấu trúc cao thứ 2 thế giới. Nó được xây dựng theo phong cách "tân vị lai", kết hợp với những yếu tố của kiến trúc 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.

Jun Sato, người nghiên cứu phát triển giải pháp kỹ thuật địa chấn vừa hiệu quả vừa trang nhã, nói: "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. 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 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. 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 giầm giảm lực mà ta sử dụng, các toà nhà sẽ đạt được khả năng đó", Lubkowski bình luận.

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 công trình Naoshima Pavillion, Kagawa (do Sou Fujimoto thiết kế) - có thể góp thêm vào kho tư liệu kiến thức của các kỹ sư.

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.

Trong vòng 1 thế kỷ qua, Nhật Bản hứng chịu trên 24 trận động đất có cường độ mạnh. Năm 1923 ở Tokyo, trận động đất 7,9 độ richter làm hơn 140.000 người thiệt mạng. Hay trận động đất năm 1995 ở tỉnh Hyogo làm 6.427 người chết, hơn 40.000 người bị thương và gần 400.000 ngôi nhà bị sập, bị cháy hoặc hư hại.

Ngày nay, công nghệ xây dựng đã phát triển vượt bậc, cho phép nước Nhật có một hệ thống cơ sở hạ tầng hiện đại bậc nhất thế giới. Các tòa cao ốc có khả năng chịu động đất lớn đã không còn hiếm.