Hôm vừa rồi có dư chấn nhẹ. Nhiều bạn của mình ở chung cư cao tầng cảm thấy nhà lắc lư rõ ràng, còn người ở nhà mặt đất thì chẳng thấy gì. Vậy vì sao lại như vậy? Và rung lắc đó có đáng lo không?

Mình từng làm kỹ sư thiết kế cấu kiện kháng động đất, nên xin chia sẻ để mọi người hiểu rõ hơn và yên tâm hơn.

Mỗi tòa nhà đều có một tần số dao động riêng. Giống như cây thước cứng sẽ rung nhanh hơn cây thước dẻo, cây thước dài sẽ rung chậm hơn cây thước ngắn cùng loại, như nhà cao và nhà thấp.Tương tự cây thước dài, tòa nhà càng cao thì tần số dao động riêng càng thấp, còn dư chấn thường là sóng dài, tần số thấp. Nên nhà cao tầng, và nhất là các tầng trên cùng, rất dễ bị cộng hưởng với dư chấn có cùng tần số. Đó là lý do vì sao bạn thấy rung, còn người ở nhà mặt đất lại không. Ngoài ra, càng ở tầng cao thì càng cảm nhận rõ rung lắc do hiện tượng trễ dao động. Khi mặt đất rung, chân đế tòa nhà nhận dao động đầu tiên, sau đó chùm lực mới truyền dần lên trên. Do độ cao và độ mảnh của kết cấu, tầng trên không chỉ đến chậm hơn mà còn dao động mạnh hơn, gây cảm giác chao đảo rõ rệt. Hiện tượng này gọi là "chuyển vị đỉnh" (top displacement) và vẫn được tính đến trong giới hạn an toàn của thiết.

Còn nhà mặt đất thì sao? Do kết cấu thấp nên độ cứng càng cao, tần số dao động riêng cũng càng cao, nên nó khó bị rung bởi sóng dài có tần số thấp, vì vậy bạn gần như không cảm nhận được dư chấn. Tuy nhiên, nếu xảy ra chấn động mạnh và kéo dài, thì kiểu kết cấu “cứng” này lại dễ nứt gãy hơn so với cái "mềm" của nhà cao tầng. Mọi người có thể hình dung cây thước ngắn và cứng thì khó uốn, nhưng hễ uốn là gãy. Cây thước dài mà cứng thì khỏi nói luôn! Vì thế, nhiệm vụ của thiết kế kháng chấn là để làm cho nhà cao tầng trở nên mềm dẻo và linh hoạt hơn.

Tuy nhiên, việc nhà rung không có nghĩa là sắp sập. Trên thực tế, hầu hết các tòa nhà cao tầng hiện nay được thiết kế với các khớp dẻo và khe kháng chấn để chịu được dao động nhẹ khi có địa chấn. Trong thiết kế đó, kỹ sư không cố gắng làm cho nhà “bất động” trước mọi rung động. Ngược lại, công trình được phép dao động trong giới hạn an toàn đã tính toán trước, và chính sự rung nhẹ đó là điều giúp công trình bảo vệ chúng ta và chính kết cấu của nó. Ở phần sau, hãy cùng tìm hiểu cách toà nhà lắc lư để che chở cho con người như thế nào.

Về cách người ta thiết kế kháng động đất, mọi người có thể hình dung như thế này: khi một võ sĩ đấm vào bao cát, bao cát sẽ đẩy ra xa, lắc mạnh, nhưng không cảm thấy đau. Đó là vì nó mềm, có độ đàn hồi, lực đấm sẽ được hấp thụ một phần vào găng tay và bao cát, giảm bớt lực va đập. Nếu thay bao cát bằng một cục đá cứng, có thể nó không nhúc nhích, nhưng tay của bạn cũng tiêu đời luôn. Cấu kiện kháng chấn được thiết kế có vai trò là cái găng tay, đứng mũi chịu sào, chấp nhận gánh bớt năng lượng dao động để toà nhà được an toàn. Ví dụ này giống với hệ thống chống sốc trên ô tô, hoặc các đồ điện tử luôn được bao bởi mút xốp khi vận chuyển.

Tòa nhà cũng giống vậy. Khi nó được thiết kế đúng, nó sẽ có khả năng xuôi theo chuyển động của trận động đất bằng cách lắc nhẹ để bảo vệ những cây cột cứng cáp bên trong, thay vì đứng yên chịu trận. Cảm giác rung đó là dấu hiệu cho thấy hệ kết cấu đang hoạt động đúng . Như bao cát mềm hấp thụ đòn, chứ không phải là có gì sai.

Mọi người vẫn quen thuộc với câu nói "Năng lượng không tự sinh ra, cũng không tự mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác". Khi tiếp nhận xung chấn từ nền đất (một dạng năng lượng), toàn bộ năng lượng này được truyền vào toà nhà dưới dạng năng lượng dao động, thậm chí khi đã mặt đất đã ngừng rung lên, toà nhà vẫn có thể tiếp tục rung lắc bằng năng lượng còn sót lại trong hệ (Dissipate energy). Quá trình này toà nhà tiếp tục rung lắc, các tầng có thể trượt nhẹ lên nhau nhưng vẫn trong chuyển vị cho phép, thì công trình vẫn được an toàn, chỉ những “bao cát” là biến dạng. Lúc này thay vì truyền toàn bộ năng lượng vào dầm, cột hoặc những cấu kiện quan trọng khác để phá huỷ công trình, thì phần lớn năng lượng được truyền vào những "bao cát" này và chuyển hoá thành biến dạng đàn hồi, biến dạng có thể hồi phục lại được, hoặc biến dạng dẻo có kiểm soát.

Tóm lại, nếu bạn cảm thấy nhà lắc nhẹ vài giây rồi dừng, thì đó là phản ứng bình thường. Tòa nhà không phải đang “yếu”, mà đang “đỡ đòn” giùm bạn.

Dù khoa học kết cấu có phát triển đến đâu, dù các công trình được thiết kế kháng chấn với hệ số động đất được nhân lên đến mức an toàn, và dù Việt Nam cũng không nằm trong vùng tâm chấn mạnh của địa cầu, thì mình nghĩ mỗi người chúng ta đều cần trang bị kiến thức để ứng phó với các tình huống khẩn cấp. Đã gọi là thiên tai, có chữ “thiên” do trời, thì luôn có yếu tố bất ngờ và không lường trước được. Bài viết này không phải để mọi người xem thường động đất, mà là để nâng cao tinh thần bình tĩnh để xử lý tình huống khi biết rằng toà nhà đã được thiết kế để phần nào che chở bạn. Chúc mọi người ngày mới bình an!

Đình Phi