Các giải pháp chống động đất và tư duy võ thuật tự vệ

Thật  thú vị khi nhận ra rằng các giải pháp giảm thiệt hại cho công trình do  động đất gây ra có sự tương tự kỳ lạ với tư duy tự vệ của võ thuật. Tác  giả xin gửi đến bạn đọc sự liên quan kỳ thú này. Nội dung cơ bản của bài  viết này đã được tác giả đăng trên một số diễn đàn trước đây, tuy nhiên  không cụ thể và chi tiết bằng bài viết này.

Trong  võ thuật, trước đòn tấn công của đối phương, một võ sĩ thực thụ sẽ đưa  ra ba giải pháp. Trong thiết kế chống động đất cũng vậy, người thiết kế  sẽ đưa ra ba giải pháp tương ứng với ba giải pháp này của võ thuật để  giảm thiệt hại về người và về của trong công trình khi động đất xảy ra.  Các giải pháp này là:

1. Thượng sách:  Tránh đòn (hay né đòn). Đây là giải pháp tốt nhất để ứng phó với mọi  đòn tấn công. Bản chất của giải pháp này là không để năng lượng từ đòn  tấn công của đối phương tác động lên cơ thể mình, do đó ta không bị bất  cứ ảnh hưởng gì từ đòn tấn công. Khi không thể thực hiện được giải pháp  này, người ta mới phải sử dụng các giải pháp khác.

Trong  thiết kế chống động đất cũng vậy. Khi động đất xảy ra, biện pháp tốt  nhất để giảm thiệt hại cho công trình là cách li công trình ra khỏi  nguồn cơ năng do sóng động đất mang đến, tức là “né đòn”. Giúp công  trình “né đòn” bằng cách nào? Tất nhiên ta không thể yêu cầu công trình  luyện tập bộ pháp, thân pháp… thường xuyên để thực hiện việc “né đòn”  khi động đất xảy ra. Tuy nhiên, ta có thể cách li công trình khỏi nguồn  cơ năng động đất bằng cách tách rời nó ra khỏi mặt đất. Dễ nhận thấy  rằng khi động đất xảy ra, những người ngồi trên máy bay đang bay không  bị ảnh hưởng gì vì họ không tiếp xúc với đất, nơi luồng cơ năng động đất  đang chực chờ để phá hoại mọi thứ. Đối với công trình cũng vậy, ta có  thể treo công trình lên các khinh khí cầu, hoặc gắn cánh để nó tự bay,  hoặc vô hiệu hóa trọng lực để công trình lơ lửng bên trên mặt đất… Những  giải pháp này có lẽ là công nghệ của tương lai. Hiện nay, người ta cách  li công trình theo cách đơn giản hơn, và tất nhiên là không triệt để.

Qua  quan sát, người ta nhận thấy rằng nguồn cơ năng do sóng động đất mang  đến mặt đất chủ yếu dưới dạng thành phần dao động song song với mặt đất.  Thành phần dao động theo phương đứng (vuông góc với mặt đất) thường nhỏ  hơn nhiều so với thành phần dao động theo phương ngang (song song với  mặt đất). Do cấu tạo của công trình, ảnh hưởng của thành phần dao động  theo phương ngang cũng lớn hơn ảnh hưởng của thành phần dao động theo  phương đứng. Chính vì lí do này, hiện nay người ta tập trung vào việc  cách li công trình với thành phần dao động theo phương ngang, vì thế  không nhất thiết phải tách công trình ra khỏi mặt đất mà vẫn giúp công  trình “né đòn” một cách hiệu quả. Thuật ngữ chuyên ngành gọi giải pháp  này là “Cô lập móng” – Base Isolation.

Các  loại thiết bị dành cho giải pháp cô lập móng là những gối tựa có độ  cứng lớn theo phương đứng (để nâng đỡ được sức nặng của công trình)  nhưng rất mềm theo phương ngang. Thay vì được đặt trực tiếp lên móng,  công trình sẽ được đặt trên các gối tựa này. Nhờ sự mềm mại uyển chuyển  của “lớp đệm” này, phần cơ năng từ sóng theo phương ngang của động đất  (chủ yếu được mang đi bởi các thành phần sóng tần số cao) sẽ không  truyền được lên công trình. Do đó, sự hư hỏng của công trình và trang  thiết bị bên trong nó được giảm thiểu, tính mạng con người bên trong  công trình không bị đe dọa. Nói cách khác, các thiết bị cô lập móng về  cơ bản đã giúp công trình “né đòn” được.

Các  thiết bị cô lập móng hiện nay rất phong phú nhưng có thể xếp vào hai  nhóm chính: gối ma sát (Friction bearings) và gối cao su (Rubber  bearings). Cấu tạo chi tiết và cơ chế làm việc của các loại gối này sẽ  được giới thiệu ở các bài sau.

2. Trung sách: Đỡ đòn. Khi không thể tránh đòn được, người võ sĩ nghĩ đến giải pháp  này. Thực chất của giải pháp này là sử dụng các bộ phận ít nguy hiểm của  cơ thể như tay, chân, vai… để chịu đòn và làm chệch hướng đòn tấn công,  bảo vệ các bộ phận trọng yếu của cơ thể.

Khi  thiết kế chống động đất cho các công trình cũng vậy, người kỹ sư am  hiểu về kết cấu và nghệ thuật chống động đất sẽ biết cách hướng nguồn cơ  năng truyền từ động đất sang công trình vào các bộ phận không quan  trọng của nó. Cụ thể, người kỹ sư sẽ chủ động cho phép các bộ phận không  trọng yếu làm việc ngoài miền đàn hồi (dẻo). Chính nhờ sự làm việc dẻo  của các cấu kiện này, một phần cơ năng được chuyển thành nhiệt năng, vì  vậy biến dạng trong các bộ phận quan trọng (thế năng) và dao động trong  kết cấu (động năng) được giảm thiểu. Để thấy được hiệu ứng chuyển hóa từ  cơ năng (gồm động năng và thế năng) sang nhiệt năng do biến dạng dẻo ta  có thể quan sát hiện tượng sau đây.

Lấy  một sợi kẽm (hoặc một thanh sắt, nếu bạn đủ mạnh) và bẻ qua bẻ lại nó.  Sau vài lần bẻ, bạn sẽ phát hiện rằng chổ bị bẻ cong nhất của sợi kẽm  nóng lên, trong khi những chổ khác thì không. Tại sao vậy? tại vì chổ  cong nhất của sợi kẽm (biến dạng lớn), vật liệu đã làm việc ngoài miền  đàn hồi. Ứng xử trễ (hysteresis) của vật liệu khi làm việc ngoài miền  đàn hồi đã chuyển hóa một phần lớn cơ năng sang nhiệt năng nên chổ cong  nhất đó nóng lên. Các chổ khác vì biến dạng nhỏ nên còn làm việc trong  miền đàn hồi vì vậy sự chuyển hóa năng lượng này không diễn ra.

Để  đỡ được đòn thì tay, chân (các bộ phận đỡ đòn) phải có khả năng chịu  đựng cao, tức là không bị gãy lìa khi đỡ đòn. Kết cấu cũng vậy, để việc  “đỡ đòn” có hiệu quả thì các bộ phận đỡ đòn phải có đủ độ dẻo dai để  thực hiện việc chuyển hóa năng lượng. Muốn vậy thì các bộ phận này phải  được thiết kế với độ dai (ductility) cao. Kiểm soát không cho các cấu  kiện bị phá hoại dòn trong thiết kế một phần là để phục vụ cho mục đích  này.

Ai  cũng thấy rằng giải pháp đỡ đòn cho kết cấu theo kiểu truyền thống này  là việc làm tương đối mạo hiểm. Bởi vì triết lý trong việc thiết kế kết  cấu theo giải pháp này là “bảo vệ công trình bằng cách cho nó được phá  hoại”! Hiện nay, người ta sử dụng giải pháp thông minh hơn bằng việc đưa  vào kết cấu các bộ phận chuyển hóa năng lượng, thay vì sử dụng chính  các bộ phận của kết cấu. Các bộ phận được đưa thêm vào này gọi là các  dampers. Các dampers sẽ chuyển hóa cơ năng sang nhiệt năng dưới dạng  công của lực cản nhớt (viscous dampers) hoặc công của lực ma sát  (friction dampers).

Cũng  trong giải pháp đỡ đòn, có một cách rất mạo hiểm đó là giải pháp đấu  nội lực trong các tác phẩm của Kim Dung. Đây là hình thức đối kháng trực  tiếp ở đó người võ sĩ sử dụng nguồn năng lượng của mình để tiếp đón  nguồn năng lượng của đối phương. Giải pháp này cũng tồn tại trong nghệ  thuật chống động đất. Người thiết kế gắn vào công trình các bộ phận,  thường là các kích thủy lực. Khi động đất có khuynh hướng đẩy công trình  về bên phải thì các kích này sẽ tạo lực để đẩy ngược lại về bên trái và  ngược lại. Trong giải pháp này đòi hỏi phải có hệ thống tiếp nhận thông  tin của chuyển động nền và phản ứng của kết cấu để dự đoán xem là động  đất sẽ đẩy công trình theo hướng nào, mạnh yếu ra sao…, hệ thống xử lý  và ra quyết định để tạo lực đối kháng tương ứng, và hệ thống năng lượng  dồi dào để tạo ra lực đối kháng. Giải pháp này gọi là điều khiển chủ  động kết cấu (active structural control).

3. Hạ sách: chịu đòn. Đây là giải pháp tệ hại nhất khi không thể thực hiện được hai  giải pháp trước. Trong giải pháp này người võ sĩ để cho đòn tấn công  của đối phương tác động trực tiếp vào cơ thể mình theo ý của họ. Tuy  nhiên, để giảm ảnh hưởng, người võ sĩ thường “gồng mình lên” để chịu  đòn. Trong quá trình luyện tập, người võ sĩ hiểu rằng tình huống này  hoàn toàn có thể xảy ra trong thực tế nên họ cũng chú trọng đến việc  luyện tập cho cơ thể mình có khả năng chịu đòn tốt, bên cạnh việc luyện  tập cách tấn công, tránh đòn và đỡ đòn. Trong thiết kế chống động đất  cũng vậy, có một giải pháp hạn chế thiệt hại là cho công trình “chịu  đòn”. Để công trình chịu đòn tốt, người ta phải tập Thiết Bố Sam cho  công trình bằng cách tăng cường độ, thêm thép, tăng tiết diện… của các  cấu kiện chịu lực. Tuy nhiên, giải pháp này gây ra rất nhiều “tác dụng  phụ” không mong muốn cho công trình như tốn kém, tăng độ cứng (kéo theo  tăng lực động đất tương đương), làm cho công trình trở nên thô kệch…

Hiện  nay có rất, rất, rất nhiều công trình được thiết kế chống động đất theo  giải pháp hạ sách này. Thậm chí kể cả khi sử dụng hạ sách này người ta  cũng không sử dụng đến nơi đến chốn. Thí dụ, thay vì tập Thiết Bố Sam,  mang giáp, đeo nón bảo hiểm cho công trình thì người ta lại ốp thép vào  ống chân, cẳng tay của chúng. Hậu quả là “tiền mất, tật mang”. Điều này  xảy ra đơn giản chỉ vì các kỹ sư không chịu “luyện võ” trước khi “hạ  sơn” và vì chủ đầu tư không biết chọn những kỹ sư “có võ” để thiết kế  các công trình của họ.

Đào Đình Nhân (Nguồn http://edcons.edu.vn)