Không chỉ là một điểm đến du lịch nổi tiếng, Tháp Skytree còn được xem là một hình mẫu của Nhật Bản về các giải pháp chống động đất và ứng phó với thảm họa. Phóng viên TTXVN tại Nhật Bản thực hiện chùm 2 bài "Công nghệ xây dựng chống động đất" để làm rõ lý do khiến Skytree ghi dấu ấn trong vai trò này.
Khung cảnh sông Sumida nhìn từ tháp Skytree. Ảnh: Nguyễn Tuyến/Pv TTXVN tại Nhật Bản
Bài 1: Biểu tượng của sự độc đáo, hiện đại và an toàn
Với vị trí của Tokyo nằm trong Vành đai lửa Thái Bình Dương thường xuyên xảy ra động đất, chống động đất là mối quan tâm hàng đầu trong quá trình thiết kế Tháp Skytree.
Tháp Tokyo Skytree được Kỷ lục Guinness Thế giới công nhận là tòa tháp cao nhất thế giới vào năm 2011.
Năm 2023 đánh dấu 100 năm trận động đất lớn Kanto vào ngày 1/9/1923. Trận động đất xảy ra ngay tại trung tâm của khu vực đô thị Tokyo, khiến hơn 100.000 người tử vong và gây thiệt hại lớn cho các tuyến đường huyết mạch như nguồn cung cấp điện và nước cũng như đường bộ.
Sau trận động đất, Nhật Bản đã đi trước các quốc gia khác trong việc đưa các tiêu chuẩn địa chấn cho các tòa nhà vào luật pháp và quốc gia này cũng đã đạt những tiến bộ đáng kể trong các công nghệ chống động đất. Vì mọi công trình ở Tokyo đều được yêu cầu tuân thủ thiết lập khẩn cấp về an toàn cụ thể này, nên Skytree cũng thực hiện tiêu chí như vậy.
Shinbashira – Trụ trung tâm giảm rung chấn
Từ thời xa xưa, những ngôi chùa bằng gỗ chắc chắn đáng ngạc nhiên của Nhật Bản đã dựa vào shinbashira (trụ trung tâm) để hấp thụ tác động của động đất và giữ cho ngôi chùa đứng vững. Hầu như không có ghi chép lịch sử nào về một ngôi chùa nhiều tầng bị đổ trong một trận động đất. Một lý do chính khiến ngôi chùa có khả năng chống động đất là trụ trung tâm, đứng độc lập ở trung tâm của cấu trúc và đung đưa như một con lắc để làm giảm xung lực ngang mà một trận động đất truyền đến tòa tháp.
Tokyo Skytree có lẽ là tòa nhà hiện đại đầu tiên dựa trên ý tưởng thiết kế này, sử dụng shinbashira để chống động đất. Ở trung tâm của tòa tháp là một trụ thép hình ống gia cố dài 375m, đường kính 8m và nặng 11.000 tấn. Đại diện công ty Tobu Tower Skytree, ông Masayuki Yamamoto, cho biết ở phần dưới của ống thép, độ dày thành ống là 40 cm và phần trên bắt đầu từ độ cao 100 m lên đến đỉnh có độ dày thành lên tới 60 cm. Shinbashira là một trụ lõi đứng giữa Tokyo Skytree nhưng độc lập với tòa tháp và không hỗ trợ trọng lượng của tòa tháp.
Phần dưới cùng của trụ này - lên đến 125 m - được cố định chắc chắn vào cấu trúc xung quanh. Trong khi đó, ở 2/3 trên cùng, lên đến độ cao 375 m, không được cố định vào chính tòa tháp, mà được kết nối bằng một ống có dầu bên trong, được gọi là bộ giảm chấn dầu. Bộ giảm chấn dầu hoạt động như một tấm đệm để ngăn cột lõi đập vào thân tháp khi nó rung chuyển.
Hệ thống kiểm soát rung động này có hiệu quả trong phạm vi rộng và nhiều loại động đất. Phần không gắn kết của shinbashira có thể lắc lư tự do và chuyển động lắc lư này được hấp thụ bởi bộ giảm chấn dầu giữa shinbashira và các dầm xung quanh. Khi động đất gây ra rung lắc theo chiều ngang, shinbashira sẽ lắc lư ở tần số khác với tòa tháp, chống lại sự rung lắc và đưa cấu trúc trở lại trạng thái ổn định. Shinbashira có thể giảm tối đa 50% phản ứng gia tốc trong quá trình động đất và tối đa 30% trong gió mạnh.
Trả lời phỏng vấn của phóng viên TTXVN, kỹ sư cấp cao thiết kế kết cấu cho Tokyo Skytree, ông Atsuo Konishi, cho biết Shinbashira có chức năng giảm rung lắc và nếu so với lúc shinbashira không rung lắc, thì thiết kế này có thể hấp thu tối đa một nửa lực rung lắc của bên ngoài. Theo ông Konishi, khu vực này được dự tính có thể xảy ra động đất có độ lớn tới 7,9. Cơ chế chống động đất của Skytree được thiết kế để có thể chịu được một trận động đất xảy ra ngay bên dưới cấu trúc này, tức là cao hơn mức giả định được quy định trong Đạo luật tiêu chuẩn xây dựng. Với giả định sức gió trung bình ở độ cao 600 m là 80 m/s, Tokyo Skytree được thiết kế để chịu được cường độ gió này. Đáng chú ý là sức gió trung bình 80 m/s được ước tính chỉ xuất hiện một lần trong 2000 năm.
Kỹ sư cấp cao thiết kế kết cấu Tokyo Skytree, ông Atsuo Konishi, đang giới thiệu về các tính năng chống động đất của Skytree. Ảnh: Phạm Tuân/Pv TTXVN tại Nhật Bản
Shinbashira đã được thử nghiệm trước khi Tokyo Skytree hoàn thành. Khi trận động đất lớn ở Đông Nhật Bản xảy ra ngày 11/3/2011, tòa tháp vẫn đang trong quá trình xây dựng, nhưng công nghệ giảm rung lắc đã hoạt động theo đúng kế hoạch và tất cả các công nhân, kỹ sư xây dựng tại công trường đều an toàn vào ngày hôm đó. Công trình cũng không bị hư hại và chỉ một tuần sau đó, ngày 18/3, các công nhân đã gắn thanh thu lôi vào đỉnh tháp, đưa Skytree lên độ cao tối đa là 634 m.
Cấu trúc giàn tam giác giảm rung lắc
Được quy hoạch là trung tâm phát sóng kỹ thuật số trên mặt đất của Nhật Bản, Skytree bao gồm hai đài quan sát. Tòa tháp tạo thành hình tam giác ở chân tháp, dần dần biến thành hình tròn khi cao dần lên. Các đường nét kết cấu đơn giản, trông hơi lồi hoặc lõm tùy thuộc vào hướng nhìn.
Cấu trúc giàn tam giác của tháp Skytree giúp giảm rung lắc. Ảnh: Nguyễn Tuyến/Pv TTXVN tại Nhật Bản
Không giống như hầu hết các tòa tháp ở nước ngoài, được làm bằng bê tông, thân của Tokyo Skytree là khung thép. Lý do là vì các tòa tháp bê tông rất nặng, có thể bị tác động lực lớn trong động đất và gió không thể thổi qua các khối bê tông này.
Thân tháp có cấu trúc giàn gồm các bộ phận ống thép, theo chiều dọc, đường chéo và chiều ngang, được nối với nhau theo hình tam giác. Cấu trúc này được thiết kế thông qua các tính toán cẩn thận để có thể chịu được sự rung lắc của tòa tháp do động đất và bão gây ra. Kỹ sư Atsuo Konishi cho biết so với kết nối hình vuông 4 cạnh, kết nối theo hình tam giác có 3 cạnh sẽ phân bổ lực đều hơn, giúp kết cấu vững vàng hơn, giảm nguy cơ bị vỡ.
Tất nhiên, nền móng phù hợp là một yếu tố quan trọng tạo nên sức chống chịu của tòa tháp. Thành phần ngầm của tòa tháp cũng được thiết kế khéo léo. Tháp Skytree nằm trên bờ sông Sumida, nơi lớp bề mặt đất khá mềm. Bên dưới mỗi chân của tòa tháp là một cụm cọc tường với các nút bê tông cốt thép, được Nikken Sekkei (đơn vị thiết kế xây dựng Skytree) so sánh với hệ thống rễ của một cây khổng lồ, "tích hợp nguyên khối" với mặt đất.
Tòa tháp có 3 vị trí chân đỡ như vậy. Mỗi một chân đỡ là một kết cấu gồm 3 khối ống thép kết nối với nhau, trong đó mỗi khối ống được tích hợp từ 3 ống thép với ống lớn nhất có đường kính 2,3 m. Các khối cọc này có độ sâu 50 m, chạm tới phần đất cứng. Ba chân đỡ tạo thành một hình tam giác được nối bằng ba bức tường cọc dài, sâu 35 m. Các chân đỡ được đặt giống như những cánh hoa để tích hợp với cả tòa tháp và mặt đất. Một cụm cọc khác được nhúng vào tâm của hình tam giác, bên dưới tâm của tòa tháp. Nhờ kết cấu giàn ống thép vững chãi như vậy, tháp Skytree có thể chịu được rung lắc lớn.
Với độ nổi tiếng và những trải nghiệm độc đáo mà công trình này đem lại cho khách du lịch, Tokyo Skytree luôn là một trong những địa điểm thu hút lượng khách tham quan hàng đầu Nhật Bản. Để giữ vững được danh tiếng này, Tokyo Skytree đã được xây dựng bằng các công nghệ và kỹ thuật không chỉ bảo vệ tòa nhà khỏi bị phá hủy mà còn đảm bảo an toàn tối đa cho con người trong trường hợp xảy ra thảm họa.
Bài cuối: Công trình lưỡng dụng