NASA đã tìm ra công nghệ chống động đất cho các tòa nhà như thế nào?

Thông thường, các kỹ sư công nghệ của NASA sẽ tập trung vào việc nâng cao an toàn cho con người khi khám phá vũ trụ.

Nhưng giờ đây, cơ quan vũ trụ này nói rằng họ đã tìm ra cách khiến cho động đất trở nên an toàn hơn với những người dưới mặt đất.

NASA đã phát triển một công nghệ ổn định mới, với tên gọi LOX Damper, vào năm 2013 sau khi làm việc với một tên lửa rung lắc dữ dội. Sau khi thử nghiệm, họ thấy rằng tên lửa Ares, một thiết bị phóng phi hành đoàn, sẽ lắc rất mạnh khi bay lên và có thể gây tổn hại cho phi hành gia trên tàu. Bởi vậy một nhóm nghiên cứu của NASA đã tiến hành thí nghiệm với việc kiểm soát phần nặng nhất của tên lửa – nhiên liệu. Và nó khiến họ nghĩ rằng: Nếu công nghệ này có hiệu quả với tên lửa, tại sao không thử lên các tòa nhà?

Để hiểu xem có gì đặc biệt ở công nghệ mới này, bạn nên biết rằng cách tiếp cận thông thường để chống rung lắc là bằng cách thêm khối lượng vào một đối tượng. Hàng trăm tòa nhà trên khắp thế giới đang sử dụng một hệ thống tên gọi là van điều tiết khối lượng (TMD). Một thiết bị cực nặng, gọi là quả nặng thứ hai, được gắn vào một tòa nhà để chống lại chuyển động của nó. Một trong những tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới, Taipei 101 tại Đài Loan, có một quả cầu thép nặng 730 tấn cố định bởi cáp thép.

Tòa nhà Comcast Center tại Philadelphia, thì có một bồn nước với dung tích hàng ngàng gallon. Những hệ thống này phản ứng với chuyển động bằng cách di chuyển tới hướng ngược lại. Thế nên khi có động đất hay gió mạnh khiến cho tòa nhà xoay sang phải, hệ thống TMD sẽ phản ứng lại bằng cách xoay sang trái – giảm thiểu tối đa các chuyển động.

Quả cầu thép 730 tấn của tòa nhà Taipei 101, Đài Loan.

Nhưng TMD cũng có những hạn chế. Đầu tiên, chúng cực kì đắt đỏ. (Trang bị thêm cho tòa Theme Building tại Sân bay quốc tế Los Angeles, cần tới 600 tấn thép và tiêu tốn khoảng 12,3 triệu USD.) Và TMD cũng rất lớn, khiến cho những tòa nhà sử dụng chúng "mất đi những bất động sản quan trọng", theo Rob Berry, quản lí dự án của NASA cho nhóm phát triển công nghệ này.

Trong trường hợp của tên lửa Ares nặng 300 tấn, một hệ thống TMD là phi thực tế. Tăng thêm khối lượng có thể khiến cho việc cất cánh thành không tưởng. Berry và nhóm của ông bắt buộc phải sáng tạo. Họ nhận ra rằng khiến cho nhiên liệu tên lửa chuyển động theo hướng ngược lại với rung động cũng sẽ thực hiện những chức năng y như việc gắn thêm khối lượng. Bởi vậy họ đã xác định tần số rung lắc của tên lửa – và thay đổi tần số của chất lỏng để khớp với nó.

Phiên bản cuối cùng của LOX Damper nặng chưa tới 45kg và được lắp đặt tại buồng nhiên liệu chính của tên lửa. Điều này làm thay đổi phản ứng cơ bản của tên lửa, cho kết quả rung lắc ít hơn tới 20 lần. Và thế là ta đã có một tên lửa an toàn với con người.

Và cách tương tự vậy cũng có thể áp dụng với các tòa nhà, Berry giải thích.

"Tất cả mọi thứ với khối lượng và độ cứng đều có một tần số tự nhiên, (nên) một tòa nhà sẽ luôn muốn chuyển động", ông nói.

"Ví dụ một tòa nhà muốn chuyển động với tần số 2,5 herzt. Họ sẽ cài đặt tần số đó cho hệ thống van điều tiết khối lượng. Và điều đó sẽ triệt tiêu một vài phản ứng của tòa nhà".

Nhưng những ngoại lực khiến cho tòa nhà rung lắc không thể áp vào những tính toán này được – tất cả đều nằm ở tần số chuyển động của tòa nhà. Để thử nghiệm công nghệ mới, nhóm phát triển của NASA đã làm ra một thiết bị mới tên gọi điều tiết khối lượng gây rối (DTM), được thiết kế chuyên biệt cho các tòa nhà. Sau một cuộc thử nghiệm tại Trung tâm hàng không vũ trụ Marshall tại Alabama, và đã chứng thực thành công, NASA "đã tìm tới những công ty kỹ thuật và thiết kế" để nói cho họ về cơ hội mới của mình, theo lời Berry.

Phiên bản mới nhất của thiết bị này chỉ tương đương với kích cỡ của một lon cà phê. Nó có thể được đặt ở bể bơi của tòa nhà, ống nước, hay thậm chí là hệ thống tưới nước. Sau khi các kĩ sư xác định tần số mà tòa nhà sẽ chuyển động trong những sự kiện như động đất hay gió mạnh, thiết bị DTM sẽ được cài đặt để khớp với tần số đó. Việc này sẽ giống như gắn một cục nặng vào tòa nhà và chống nó chuyển động một cách hiệu quả, giống như buộc gạch vào đuôi chó vậy.

Mục tiêu của các kỹ sư của B2 là giảm thiểu chuyển động của tòa nhà khi có gió lớn.

Các tòa nhà hiện tại có thể trang bị thêm những thiết bị này, và cả hệ thống cũng có thể bao gồm cả một thiết kế mới. Tòa nhà B2 tại Pacific Park, Brooklyn, Newyork, sẽ là bất động sản thương mại đầu tiên được lắp đặt DTM. Quyết định này đến từ sau khi công ty xây dựng Thornton Tomasetti đã tới thăm Marshall để quan sát tòa nhà thử nghiệm.

"Thornton Tomasetti đã thấy được tính đơn giản và hiệu quả của nó và họ đã quyết định kết hợp nó vào tòa nhà B2 của mình", Berry nói.

Mục tiêu của các kỹ sư của B2 là giảm thiểu chuyển động của tòa nhà khi có gió lớn. Nhưng nếu chủ tòa nhà quyết định rằng họ muốn kết cấu phải ổn định hơn nữa và chống chịu được động đất, họ có thể cài đặt DTM để điều chỉnh lại tần số.

Lắp đặt công nghệ của NASA cũng đồng nghĩa với việc tòa nhà có thể chống lại những chuyển động từ cuộc động đất bất ngờ. Với hệ thống TMD truyền thống, tòa nhà sẽ phải chịu đựng toàn bộ ngoại lực trong khoảng bốn tới năm giây để cục nặng thứ hai có thể bắt đầu chuyển động. Một vài giây ngắn ngủi đó thôi cũng có thể đem tới sự hủy diệt.

Tuy vẫn chưa có cách ngăn chặn hoàn toàn động đất. Nhưng rõ ràng ta có thể làm nhiều điều hơn nữa để bảo vệ các tòa nhà khỏi sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo dưới lớp vỏ Trái đất. Nhờ ơn NASA, các kỹ sư giờ đã có thêm một lựa chọn.