Tại sao công trình xây dựng bằng thép lại vượt trội hơn bê tông về khả năng chịu động đất và khả năng chịu tải gió?

Mọi người thường cho rằng bê tông đồng nghĩa với độ bền. Bê tông mang cảm giác chắc chắn, trông có vẻ bất động và vào một ngày yên tĩnh, nó dường như là thứ an toàn nhất mà bạn có thể đứng cạnh. Tuy nhiên, ngay khoảnh khắc đặt một công trình bê tông vào trong trận động đất hay cơn bão, bạn sẽ bắt đầu nhận ra chỗ nào trong lập luận ấy trở nên thiếu thuyết phục. Một tòa nhà bằng thép không chỉ tồn tại qua những điều kiện ấy trên lý thuyết. Lý do khiến nó hoạt động tốt hơn trong các sự kiện cực đoan thực tế nằm ở một vài đặc tính vật lý — những đặc tính khó nhận ra cho đến khi bạn quan sát cả hai loại vật liệu này chịu tác động của một tình huống nghiêm trọng.

Cách thép xử lý chuyển động mặt đất bằng cách di chuyển cùng với nó

Hãy suy ngẫm về những gì xảy ra khi mặt đất rung chuyển. Nếu bạn xây dựng một công trình cực kỳ cứng và cứng nhắc, công trình đó sẽ không có cách nào giải phóng năng lượng truyền lên từ nền móng. Mỗi vết nứt và mỗi cú chấn động đều lan thẳng lên toàn bộ kết cấu cho đến khi một bộ phận nào đó gãy đứt. Thép lại có hành vi khác biệt vì nó sở hữu tính dẻo — một đặc tính cho phép thép giãn ra, uốn cong và biến dạng một chút trước khi bị phá hủy. Điều này có nghĩa là trong một sự kiện địa chấn, kết cấu thép hấp thụ năng lượng thông qua biến dạng đàn hồi chứ không phải bằng cách vỡ vụn. Bê tông có độ bền nén cao, nhưng lại giòn. Dưới tác động của cùng một mức độ rung lắc, bê tông thường xuất hiện các vết nứt và bong tróc, từ đó làm lộ cốt thép và khởi phát một chuỗi hư hại rất khó kiểm soát.

Một chi tiết quan trọng khác là cách các lực truyền qua một tòa nhà bằng thép. Các mối nối giữa dầm và cột thường được hàn hoặc bắt bu-lông theo cách cho phép xoay nhẹ mà không làm mất đi độ ổn định tổng thể. Những mối nối này hoạt động gần như các bản lề, giúp giảm tải ứng suất cục bộ thay vì tập trung ứng suất. Trong khung bê tông chịu mô-men, các mối nối mang tính nguyên khối, do đó ứng suất cứ tích tụ dần cho đến khi tiết diện đạt tới giới hạn chịu đựng của nó. Đó chính là sự khác biệt giữa một khung kết cấu 'khiêu vũ cùng mặt đất' và một khung 'đấu tranh chống lại mặt đất'.

Vai trò của trọng lượng khi gió thổi

Tải gió không chỉ liên quan đến mức độ mạnh mà luồng không khí đẩy vào công trình. Nó còn phụ thuộc vào khối lượng của công trình và cách khối lượng đó tương tác với lực ngang. Một kết cấu nặng hơn sẽ có quán tính lớn hơn; khi một cơn gió mạnh ập tới, quán tính này khiến công trình tiếp tục chuyển động theo hướng mà gió đẩy, từ đó có thể làm gia tăng dao động nếu độ giảm chấn không đủ. Một công trình bằng thép nhẹ hơn so với công trình bê tông có cùng kích thước, điều này thực tế lại mang lại lợi thế trong điều kiện gió mạnh. Khối lượng nhỏ hơn đồng nghĩa với động lượng thấp hơn khi gió bắt đầu tác động lên mặt đứng. Kết hợp điều này với độ cứng cao mà một khung thép được giằng tốt có thể đạt được, toàn bộ công trình sẽ có độ võng nhỏ hơn và trở về vị trí cân bằng nhanh hơn.

Bê tông rất nặng. Khối lượng này thực sự có ích trong một số tình huống nhất định, ví dụ như chống lại lực nâng lên, nhưng khi gió giật mạnh với tốc độ 150 dặm/giờ, chính trọng lượng đó lại trở thành vấn đề. Một kết cấu bê tông có thể phát sinh hiện tượng trôi lệch và cộng hưởng gây khó chịu nếu không được điều chỉnh một cách hoàn hảo. Thép mang lại cho bạn nhiều tính linh hoạt hơn để gia cứng khung tại những vị trí cần thiết, bổ sung các thanh chống và điều chỉnh đáp ứng động học mà không phải đối đầu với trọng lượng chết.

Tại sao các vật liệu giòn gặp khó khăn trong cả hai tình huống

Để hiểu vì sao công trình xây dựng bằng thép vượt trội hơn bê tông, bạn cần xem xét các dạng phá hoại. Thép thường cảnh báo trước khi bị phá hoại: bạn quan sát thấy biến dạng, nghe thấy tiếng động và còn thời gian để phản ứng. Ngược lại, bê tông phá hoại đột ngột: một khi vết nứt lan rộng qua tiết diện then chốt, toàn bộ cấu kiện có thể mất khả năng chịu lực gần như tức thời. Trong trận động đất, sự khác biệt này là rất lớn. Một khung thép có thể nghiêng hoặc dịch chuyển nhưng vẫn đứng vững đủ lâu để mọi người thoát ra ngoài. Trong khi đó, một vách chống cắt bằng bê tông khi xuất hiện vết nứt xuyên suốt sẽ mất phần lớn khả năng chịu lực ngang ngay tại thời điểm đó, dẫn đến nguy cơ sụp đổ cục bộ mà gần như không có cảnh báo.

Điều này cũng đúng trong các sự kiện gió. Các cơn giật gió mang tính lặp đi lặp lại. Chúng tác động liên tục vào công trình. Thép có thể chịu được hàng triệu chu kỳ tải mà không bị phá hủy do mỏi vì mức ứng suất luôn duy trì dưới giới hạn bền mỏi. Bê tông, đặc biệt khi đã xuất hiện các vết nứt vi mô do chịu tải trước đó, có thể suy giảm dần theo thời gian dưới tác động lặp lại của các chu kỳ gió. Một vết nứt nhỏ ban đầu sẽ trở thành đường dẫn nước, sau đó ăn mòn bắt đầu xảy ra và cuối cùng làm giảm tiết diện chịu lực. Tổn thương mang tính tích lũy, khiến việc kiểm tra và sửa chữa trở nên rất khó khăn.

Cách các kết cấu thép tiêu tán năng lượng một cách tự nhiên

Có điều gì đó trong cách lắp ráp một tòa nhà bằng thép tạo ra khả năng giảm chấn vốn có. Các mối nối bulông có một lượng ma sát nhỏ. Hệ khung giằng gồm các thanh chịu kéo và nén, và mỗi chu kỳ tải gây tiêu tán một lượng nhỏ năng lượng thông qua hiện tượng trễ đàn hồi (hysteresis). Mặc dù những hiệu ứng này không nổi bật, nhưng chúng cộng dồn lại với nhau. Khi xảy ra động đất, năng lượng đó buộc phải được giải phóng ở đâu đó. Trong kết cấu bê tông, phần lớn năng lượng được chuyển thành nứt vỡ vật liệu — đây là dạng hư hại vĩnh viễn. Còn trong tòa nhà bằng thép, nhiều năng lượng hơn được tiêu tán ngay trong chính hệ thống kết cấu, do đó khung chịu ít tổn thương tích lũy hơn.

Gió cũng hành xử tương tự. Các cơn gió mạnh tác động và giải phóng tải trọng lên lớp bao che, và năng lượng đó truyền qua các thanh chống ngang (girts) và thanh chống dọc (purlins) vào khung chính. Một công trình xây dựng bằng thép có hệ giằng được thiết kế đúng cách sẽ chuyển đổi tải trọng này thành một chu kỳ ứng suất thấp lặp đi lặp lại, mà vật liệu có thể chịu đựng một cách tự nhiên. Các cấu kiện bê tông, đặc biệt là những cấu kiện mỏng, không thích hợp với tải trọng ngang lặp đi lặp lại. Liên kết giữa cốt thép và bê tông dần suy giảm theo thời gian, đồng thời độ cứng của tiết diện cũng thay đổi dần trong nhiều năm.

Lợi thế của tính linh hoạt trong thiết kế và chi tiết liên kết

Một khác biệt thực tiễn là mức độ dễ dàng khi bổ sung các thành phần chịu động đất hoặc gió cụ thể vào khung thép. Bạn có thể thiết kế cấu hình giằng chống phù hợp chính xác với hướng gió quan trọng đối với địa điểm của bạn. Bạn có thể lắp đặt các khung kháng uốn theo một hướng và các khoang giằng theo hướng khác. Bạn cũng có thể sử dụng các bộ cách ly nền kết hợp với kết cấu thượng tầng bằng thép để đạt được hiệu quả xuất sắc, bởi vì trọng lượng nhẹ giúp các bộ cách ly hoạt động hiệu quả. Bê tông thường giới hạn bạn trong một tập hợp nhỏ các hệ thống chịu lực ngang, và việc điều chỉnh chúng sau này sẽ rất phức tạp và tốn kém. Với công trình xây dựng bằng thép, các chi tiết liên kết được tiêu chuẩn hóa và bạn có thể kiểm tra chúng bằng các phép tính đơn giản, trực quan. Điều này đồng nghĩa với việc thiết kế có thể được điều chỉnh chính xác hơn nhằm phù hợp với mức độ nguy cơ thực tế, từ đó vừa nâng cao độ an toàn vừa tối ưu chi phí xây dựng.

Điều này có ý nghĩa gì đối với chủ sở hữu tại các khu vực có nguy cơ động đất và gió mạnh

Nếu bạn đang xem xét xây dựng tại một khu vực thường xuyên phải đối mặt với động đất hoặc gió mạnh, việc lựa chọn vật liệu kết cấu không phải là một quyết định nhỏ. Một công trình bằng thép mang lại cho bạn một hệ thống có tính dự báo cao, dẻo dai và nhẹ, có khả năng chịu tải ngang mà không tích lũy tổn thương tiềm ẩn. Việc sửa chữa thường đơn giản hơn vì bạn có thể thay thế hoặc gia cường từng cấu kiện riêng lẻ mà không cần phá dỡ các phần bê tông khối lượng lớn. Hơn nữa, hành vi dài hạn của công trình—đặc biệt dưới tác động lặp lại của tải trọng—cũng ổn định và nhất quán hơn.

Điều này không có nghĩa là bê tông không có vai trò nào cả. Tuy nhiên, khi câu hỏi cụ thể liên quan đến hiệu năng trong các tình huống chịu tải động đất và tải gió, các bằng chứng hiện có nghiêng mạnh về phía thép. Khối lượng nhỏ hơn, độ dẻo cao hơn, các liên kết chắc chắn hơn và cơ chế phá hoại mang tính cảnh báo thay vì bất ngờ. Sự kết hợp này rất khó để đạt được bởi các vật liệu khác, và đây cũng chính là lý do vì sao nhiều dự án tại các khu vực có nguy cơ cao hiện nay mặc định sử dụng công trình thép làm kết cấu chính.