Tòa nhà gỗ 10 tầng có thể chịu động đất

Trong gần hai thập kỷ, Đại học California San Diego sở hữu một công cụ quan trọng để hiểu rõ động đất. Đó là giàn thép 12,1 x 7,6 m, sử dụng hệ thống thủy lực để mô phỏng chuyển động địa chấn. Nhưng trong 9 tháng qua, chiếc bàn vẫn đứng yên do các nhà nghiên cứu đang chuẩn bị cho một thí nghiệm chưa có tiền lệ. Đó là kiểm tra tòa nhà gỗ 10 tầng trong dự án mang tên TallWood, Popular Science hôm 7/3 đưa tin.

Theo nhà nghiên cứu chính Shiling Pei, mục tiêu của dự án TallWood là chứng minh những tòa nhà gỗ có thể chịu rung lắc mạnh mà không mất độ liền khối của kết cấu. Với lượng khí thải carbon thấp hơn bê tông hoặc thép, gỗ trở thành lựa chọn ngày càng phổ biến trong những năm gần đây như một vật liệu xây dựng bền vững. Ngoài ra, độ dẻo dai của cấu trúc khiến gỗ đặc biệt phù hợp để chịu động đất, ví dụ cành cây có thể uốn cong mà không bị gãy. “Sử dụng công nghệ hiện nay, chúng ta có thể xây dựng một tòa nhà 10 tầng bền bỉ sau những trận động đất. Kế hoạch của chúng tôi là để tòa nhà trải qua 40 trận động đất và hy vọng công trình sẽ không bị hư hỏng về mặt cấu trúc”, Pei chia sẻ.

Pei, giáo sư kỹ thuật môi trường ở Trưởng Mỏ Colorado, chuyên nghiên cứu hệ thống gỗ và giảm thiểu nguy cơ thông qua kỹ thuật, khiến ông rất hợp với dự án này. Nhưng Pei chỉ là một thành viên trong nhóm chuyên gia liên ngành làm việc trong dự án từ năm 2016, theo chương trình Cơ sở hạ tầng nghiên cứu kỹ thuật nguy cơ tự nhiên (NHERI) của Quỹ Khoa học Quốc gia. Nhóm bao gồm các giáo sư đến từ 6 trường đại học, hơn hai chục đối tác công nghiệp, Cơ quan Lâm nghiệp Mỹ và nhiều cơ quan chính phủ khác.

Thành viên nhóm nghiên cứu lần đầu tiên đưa ra thiết kế gỗ để thử nghiệm năm 2017, xây một tòa nhà gỗ hai tầng cho bàn rung. Tòa nhà trụ thành công qua khoảng 30 “trận động đất”, bao gồm chuyển động phỏng theo trận động đất Northridge mạnh 6,7 độ, xảy ra gần 3 thập kỷ trước ở California.

Dự án TallWood 10 tầng dựa trên nghiên cứu đó. Ở trung tâm của tòa nhà là hệ thống gỗ khối, có nghĩa nó bao gồm nhiều lớp gỗ chồng lên nhau thành tấm cứng, có thể ghép thành hình dạng mong muốn. Trong khi tòa nhà được xây dựng dành riêng cho bàn rung, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể mô phỏng thiết kế trong thực tế nếu thành công.

Mấu chốt đối với thiết kế chịu động đất là “tường nhảy” (rocking wall) có khả năng dịch chuyển. Thay vì xây cố định với nền móng dầm thép tạo ra lực đỡ từ mặt đất cho bàn rung, loại tường này nằm bên trên nền móng, cố định vị trí bằng thanh thép chạy dọc toàn bộ công trình. Thanh thép đóng vai trò như dây cao su, giữ bức tường tại chỗ nhưng cũng cung cấp độ linh hoạt. Nếu động đất xảy ra, tường nhảy sẽ rung lắc và thậm chí nhấc khỏi nền móng trong khi thanh thép ngăn chúng xê dịch quá nhiều. Thiết kế này nhằm bảo vệ tòa nhà khỏi hư hỏng kết cấu thường thấy sau động đất, đe dọa khiến công trình sụp đổ hoặc khó sửa chữa.

Các đặc điểm khác như trụ cột và tấm chịu uốn cũng góp phần phân tán năng lượng trong khi bọc thép giúp giảm thiểu hư hỏng về kết cấu. Theo Jeffrey Berman, giáo sư kỹ thuật dân dụng ở Đại học Washington, cho biết thiết kế có thể chịu nhiều chuyển động.

Tòa nhà TallWood cũng có nhiều bộ phận trông liên quan tới kết cấu như cửa ra vào, cửa sổ, cầu thang, trần và tường phụ. Keri Ryan, kỹ sư động đất ở Đại học Nevada Reno, giải thích các đặc điểm như vậy sẽ cung cấp bức tranh đầy đủ hơn về cách tòa nhà gỗ thực sự chịu áp lực từ động đất. Hy vọng của nhóm nghiên cứu là dự án sẽ hé lộ công trình bằng gỗ lớn có thể chịu được động đất, thậm chí thể hiện tốt hơn tòa nhà xây bằng bê tông, gạch hoặc thép, đồng thời có ích cho môi trường.

Công tác xây dựng tòa nhà TallWood đã hoàn thành đầu năm nay, nhưng nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục hoàn thiện, bao gồm lắp hơn 700 cảm biến để ghi chép dữ liệu về sự xê dịch. Họ cũng lắp hàng chục camera để theo dõi tòa nhà từ nhiều góc do nó sẽ trống không trong động đất mô phỏng. Bước cuối cùng trước khi kiểm tra TallWood bắt đầu là tiến hành thử nghiệm nhỏ hơn trên bàn rung để đảm bảo hệ thống thủy lực hoạt động tốt sau hàng tháng tạm ngừng. Thử nghiệm chính thức sẽ bắt đầu cuối mùa xuân năm nay. Hàng trăm điểm dữ liệu sẽ được so sánh với mô hình của nhóm nghiên cứu để xem xét có cần bất kỳ điều chỉnh nào hay không.

An Khang (Theo Popular Science)