Có — nhưng không phải kiểu “lung lay là sắp đổ”
Các tòa nhà cao tầng rất chịu ảnh hưởng của gió lớn, đặc biệt khi có bão/giông mạnh. Nhưng chúng được thiết kế để “chịu và dao động có kiểm soát”, chứ không phải cứng tuyệt đối.
Nói ngắn gọn:
- Nhà thấp tầng: chủ yếu lo tải trọng đứng và mưa.
- Nhà cao tầng: ngoài trọng lượng bản thân, gió mới là một trong những tải trọng quyết định.
Vấn đề chính khi gió thổi mạnh vào nhà cao tầng
1. Tòa nhà bị lắc / dao động
Nhà càng cao, càng mảnh thì càng dễ bị gió làm dao động.
- Không nhất thiết nguy hiểm về kết cấu ngay
- Nhưng có thể gây:
- khó chịu cho người bên trong
- chóng mặt, buồn nôn
- cảm giác sợ hãi
- đồ đạc rung nhẹ
Thực tế, trong nhiều tòa nhà cao, giới hạn “thoải mái cho con người” đến trước giới hạn “sập”.
Tức là nhà chưa hề nguy hiểm, nhưng người ở đã thấy rất khó chịu.
2. Gió tạo ra lực ngang rất lớn
Khác với trọng lượng ép xuống, gió đẩy ngang vào công trình.
Điều này gây ra:
- uốn cong toàn bộ tòa nhà
- tạo mô-men lớn ở chân đế
- làm tải trọng dồn vào:
- lõi bê tông
- cột
- dầm
- hệ giằng
- móng
Càng cao thì “cánh tay đòn” càng lớn, nên lực gió ở phần trên tạo tác động rất mạnh xuống chân công trình.
3. Hiện tượng rung cộng hưởng / vortex shedding
Đây là điểm quan trọng.
Khi gió đi qua tòa nhà, nó không chỉ “đẩy một chiều”, mà còn có thể tạo các xoáy khí luân phiên hai bên.
Các xoáy này có thể làm nhà rung qua lại theo nhịp.
Nếu tần số gió kích thích gần với tần số riêng của tòa nhà, dao động có thể tăng mạnh.
Đây là lý do:
- hình dạng tòa nhà rất quan trọng
- nhiều tòa không làm mặt ngoài quá phẳng, quá đều
- đôi khi phải bo góc, xoắn nhẹ, thay đổi tiết diện để “phá nhịp gió”
4. Áp lực lên mặt dựng, kính, mái, chi tiết bên ngoài
Không chỉ khung nhà, mà lớp ngoài cũng là vấn đề lớn.
Gió mạnh có thể gây:
- kính chịu áp lực lớn
- bong tấm ốp mặt ngoài
- hỏng mái che, biển hiệu
- nước mưa bị thổi ngược qua khe hở
- vật bên ngoài rơi xuống
Trong bão lớn, đôi khi phần nguy hiểm không phải nhà sập, mà là:
- kính vỡ
- vật liệu mặt ngoài rơi
- đồ vật bị gió cuốn
5. Hiệu ứng gió ở chân tòa nhà
Một tòa nhà cao có thể làm gió xung quanh chân đế mạnh hơn do dòng khí bị dồn xuống và tăng tốc.
Hậu quả:
- người đi bộ rất khó chịu
- cửa ra vào khó mở
- khu vực xung quanh có luồng gió giật mạnh
Nên khi thiết kế còn phải tính cả môi trường gió ở tầng trệt, không chỉ bản thân công trình.
Vậy nhà cao tầng có “quá vững chắc” trước giông bão không?
Có vững, nhưng không phải bất khả xâm phạm
Nếu là tòa nhà hiện đại, thiết kế đúng tiêu chuẩn, thi công tốt, bảo trì tốt thì:
- không dễ sập chỉ vì gió to bình thường
- kể cả bão mạnh, mục tiêu là công trình vẫn an toàn kết cấu
Nhưng “vững chắc” không có nghĩa là:
- không rung
- không có rủi ro với kính/mặt dựng
- không cần sơ tán trong điều kiện cực đoan
- không thể hư hỏng nếu thiết kế kém hoặc bão vượt chuẩn thiết kế
Kỹ sư làm gì để chống gió?
1. Làm hệ kết cấu chịu lực ngang mạnh
Ví dụ:
- lõi bê tông cốt thép dày
- khung cứng
- hệ giằng
- outrigger
- tube structure
Mục tiêu: tăng độ cứng và kiểm soát dao động.
2. Dùng bộ giảm chấn
Một số tòa nhà siêu cao có:
- tuned mass damper: một khối nặng rất lớn đặt gần đỉnh
- khi nhà lắc, khối này dao động ngược lại để giảm rung
Đây là cách rất nổi tiếng ở các siêu cao ốc.
3. Tối ưu hình dạng khí động học
Ví dụ:
- bo góc
- vát cạnh
- thu nhỏ dần lên cao
- xoắn thân
- chia khối không đều
Mục đích: làm gió “khó bắt nhịp” với tòa nhà.
4. Thử mô hình trong hầm gió
Với nhà cao tầng lớn, người ta thường làm mô hình và thử trong wind tunnel để xem:
- lực gió tổng thể
- dao động
- áp suất lên mặt ngoài
- gió ở khu vực người đi bộ
5. Thiết kế mặt dựng chịu áp lực và kín nước
Kính, khung nhôm, gioăng, neo giữ… đều phải tính tải gió rất kỹ.
Khi nào gió thật sự nguy hiểm?
Nguy hiểm hơn nếu:
- nhà quá cao và quá mảnh
- thiết kế cũ hoặc không theo chuẩn tốt
- thi công kém
- bảo trì kém
- mặt dựng xuống cấp
- gặp bão cực đoan vượt mức thiết kế
Ngoài ra còn có các tình huống như:
- công trình đang xây dở
- cần cẩu trên cao
- thiết bị gắn ngoài trời chưa cố định tốt
Những thứ này đôi khi còn dễ gặp sự cố hơn phần khung chính của tòa nhà.
Một cách hiểu rất trực quan
Hãy nghĩ thế này:
- Cây cổ thụ sống qua gió bão không phải vì nó cứng như đá
- mà vì nó đủ chắc nhưng vẫn biết “nhún”
Nhà cao tầng cũng vậy.
Một tòa nhà tốt không phải là tòa “không hề động”, mà là tòa:
- dao động trong giới hạn cho phép
- không hỏng kết cấu
- không gây khó chịu quá mức
- không làm lớp ngoài bị phá hủy
Kết luận
Trả lời ngắn:
- Có, nhà cao tầng gặp vấn đề với gió lớn.
- Nhưng chúng được thiết kế để chịu gió, thường rất an toàn nếu đúng chuẩn.
- Điều đáng lo không chỉ là “sập”, mà còn là:
- dao động gây khó chịu
- cộng hưởng khí động
- hư hỏng mặt dựng/kính
- vật rơi
- gió mạnh ở chân tòa nhà
Nếu muốn, mình có thể nói tiếp theo hướng:
- vì sao nhà cao tầng lại được phép lắc,
- hoặc so sánh nhà bê tông với nhà thép khi gặp gió/bão.