Khoa Học Công Trình – 10 vạn câu hỏi vì sao
Hơn 100 năm trước, ở thành phố Chicago nước Mỹ xuất hiện toà nhà Công ty bảo hiểm nhà ở cao 10 tầng. Ai có thể nghĩ rằng, cái toà nhà mà bây giờ xem ra thì nhỏ bé không đáng kể ấy lại là tiêu chí đầu tiên của các kiến trúc cao tầng ở thành phố hiện đại.
Bắt đầu từ đó, các kiến trúc cao tầng đua nhau xây dựng ở khắp nơi trên thế giới như măng mọc sau mưa xuân, ngoài ra còn xuất hiện các toà nhà chọc trời siêu cấp hơn 100 tầng, chiều cao vượt quá 400m.
Vậy tại sao các kiến trúc cao tầng có thể ngày càng được xây cao hơn thế? Điều này không thể tách rời với sự phát triển nhanh chóng về các mặt cơ học kết cấu kiến trúc, khoa học vật liệu xây dựng và các thiết bị cơ điện, v.v.
Xây dựng kiến trúc cao tầng, điều quan trọng nhất là tính ổn định của toà nhà, mà tính ổn định đó lại có quan hệ mật thiết với độ lớn nhỏ, sâu cạn của móng nền nhà. Theo tính toán tỷ số giữa chiều cao của toà nhà và chiều rộng của móng càng nhỏ, thì tính ổn định của toà nhà càng lớn.
Trong môn học kiến trúc, tỷ số đó gọi là “tỷ số cao rộng”, tỷ số cao rộng của các kiến trúc cao tầng nói chung là từ 6:1 đến 8:1, còn muốn xây dựng toà nhà chọc trời siêu cấp thì bắt buộc phải đột phá sự hạn chế của tỷ số đó.
Vì giá cả đất đai của các thành phố lớn rất đắt, nhà cửa dày đặc, để phát huy tối đa hiệu suất sử dụng trên một đơn vị diện tích đất, chỉ có thể “chiếm trời” mà không “chiếm đất”, nghĩa là dùng biện pháp tăng thêm số tầng mà thôi, đó là nguyên do tại sao người ta thiết kế xây dựng kiến trúc siêu cao tầng.
Tuy nhiên, trong điều kiện “tỷ số cao rộng” vượt quá xa hệ số an toàn như vậy, muốn bảo đảm tính ổn định tuyệt đối cho toà nhà chọc trời siêu cấp, rõ ràng là không thể không áp dụng kỹ thuật mới.
Các kiến trúc sư dám thiết kế những toà nhà chọc trời siêu cấp một đến hai trăm tầng, các công trình sư thổ mộc dám đảm nhận xây dựng những toà nhà chọc trời như thế là vì trong tay họ đã nắm chắc hai “tuyệt chiêu” lớn, đó là hệ thống kết cấu khung nhà bằng thép có cường độ siêu cao và vật liệu tổng hợp làm thân tường có cường độ siêu cao.
Kết cấu truyền thống của các kiến trúc cao tầng là dựng lên từng tầng, từng tầng khung thép ở trên móng, rồi dùng tấm bêtông cốt thép đúc sẵn, tấm thép hoặc tường bao thủy tinh công nghiệp lắp vào khung thép đó để làm thân tường.
Kết cấu này nếu dùng cho toà nhà chọc trời siêu cấp có “tỷ số cao rộng” đặc biệt lớn, đều không đủ cường độ và độ cứng.
Kết cấu tương đối lý tưởng là khung dạng ống, tức là dùng các ống thép giống như các cột đặt sát nhau tạo thành khung tường ngoài vây quanh nhà, nhìn toàn khối giống như một giếng thẳng đứng ở trung tâm.
Điều đặc biệt tốt của kết cấu khung dạng ống này là có thể chuyển dịch trọng lượng và ứng lực của toà nhà ra các cột ống tường ngoài ở chung quanh, có thể chịu được trọng lực thẳng của toà nhà và lực đẩy nằm ngang do gió bão và động đất gây nên.
Ngoài ra còn có một loại gọi là hệ thống kết cấu khung dầm xà bên ngoài, hệ thống này cũng kết hợp với kiến trúc siêu cao tầng.Nhà càng cao, sức đẩy của gió theo chiều ngang của toà nhà cũng càng lớn.
Phần các tầng trên cao của toà nhà chọc trời chịu sức gió mạnh hơn nhiều so với các tầng ở dưới thấp, xung lực của gió tăng lên theo cấp số nhân tuỳ theo chiều cao của công trình kiến trúc, ví dụ xung lực của gió ở mái toà nhà 100 tầng mạnh gấp bốn lần so với sức gió thổi vào mái toà nhà 30 tầng.
Do vậy cần phải xét đến vấn đề tăng độ cứng của vật liệu xây tường của toà nhà, khiến cho nó có tính năng chống uốn mạnh hơn.
Tuy nhiên, nếu dùng biện pháp tăng chiều dày của tường để tăng cường độ của công trình thì cũng không được, vì nếu tăng chiều dày của tường thì tổng trọng lượng của công trình sẽ tăng lên rất nhiều ảnh hưởng đến việc xây dựng chiều cao.
Biện pháp mới là, cho một loại vật liệu dẻo nhẹ có tính đàn hồi cực lớn vào giữa hai tấm thép mỏng, ép thành một vật liệu tấm tổng hợp đồng nhất.
Dùng loại vật liệu mới nhẹ, vừa cứng lại dẻo dai này để làm thân tường, toà nhà chọc trời sẽ có được khả năng chống uốn và chống động đất rất tốt, giảm được biên độ dao động của mái, khiến cho công trình kiến trúc vững vàng như bàn thạch.
Xây dựng móng của kiến trúc cao tầng đương nhiên là từ các tri thức và thông tin trong các lĩnh vực khoa học mà các kiến trúc sư có được sức tưởng tượng vượt quá người bình thường và có dũng khí thách thức với độ cao mới.
Một kiến trúc sư thiên tài của Mỹ đã đề xuất một đề án thiết kế, là muốn xây dựng ở Chicago một toà nhà chọc trời 528 tầng, cao 1609 m. Toà nhà to lớn này sau khi xây dựng xong, diện tích có thể dùng để ở là 1,7 triệu m2, có thể chứa 13 vạn người ở.
Tuy nhiên “toà nhà khổng lồ” đó vẫn chưa phải là chiều cao tuyệt đối của nhà chọc trời, một kĩ sư người Anh lại đề xuất một phương án thiết kế kiến trúc gọi là “thành phố tháp”, nó có 850 tầng, cao đến 3200 m, có thể cho 50 vạn người ở, toà nhà như vậy, tương đương với một thành phố cỡ trung bình.
Do vậy ta có thể thấy rằng sự phát triển của khoa học xây dựng cũng giống như các khoa học kỹ thuật khác, là mãi mãi không hề dừng lại.