Ngày 11/9/2001, cả thế giới sửng sốt khi những chiếc máy bay chở hàng trăm người lao vào tòa tháp đôi của Trung tâm Thương mại Thế giới. Trước sự kiện đó, ít ai có thể hình dung nổi hai tòa nhà chọc trời cao 110 tầng mang tính biểu tượng của Mỹ lại có thể sụp đổ, nghiền nát và phá hủy những công trình khác xung quanh nó.
Nhưng đồng thời, sự kiện ấy cũng khiến các kỹ sư kết cấu đặt ra một câu hỏi ngược lại. Khi ấy, các máy bay thương mại lao vào các tòa nhà với tốc độ gần tối đa, xé toạc những mảng lớn của tường bao bên ngoài và gây hư hại nghiêm trọng cho công trình bên trong. "Chẳng phải như vậy đã đủ để khiến các tòa nhà sụp đổ ngay lập tức hay sao? Làm thế nào mà các tòa tháp của Trung tâm Thương mại Thế giới lại có thể đứng vững trước cuộc tấn công, dù chỉ trong một khoảng thời gian ngắn?", Donald Dusenberry - kỹ sư tư vấn và từng giữ chức chủ tịch Viện Kỹ thuật Kết cấu thuộc Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Mỹ - đặt câu hỏi gợi mở trong bài viết trên tờ Scientific American.
Kết cấu nào giúp tòa nhà không sụp đổ ngay?
Thực tế, hai tòa tháp đôi của Trung tâm Thương mại Thế giới không hề được xây dựng để chống chịu những hư hại mà chúng đã phải trải qua. Vào thời điểm được thiết kế, các kỹ sư chỉ tính đến tình huống tệ nhất là có thể có một máy bay nào đó đi chệch hướng và vô tình va phải một trong hai tòa tháp. Nếu tình huống như vậy xảy ra, các kỹ sư cũng cho rằng hỏa hoạn sẽ chỉ giới hạn trong một tầng và hệ thống phun nước chữa cháy của tòa nhà sẽ hoạt động tốt.
Lửa và khói bốc lên từ tòa tháp phía bắc của Trung tâm Thương mại Thế giới sau vụ khủng bố. Ảnh: AP
Thế nhưng những gì xảy ra trên thực tế lại hoàn toàn khác. Nhiều bộ phận kết cấu quan trọng của tòa nhà đã bị phá hủy ngay lập tức, các đám cháy lớn cũng đồng thời bùng lên ở nhiều tầng còn hệ thống phun nước chữa cháy thì bị hư hỏng. Tuy nhiên, các tòa nhà vẫn đứng vững, dù chỉ trong thời gian ngắn, chủ yếu nhờ kết cấu của chúng có các cơ chế chịu lực dự phòng.
Nếu đã nhìn thấy những bức ảnh hai tòa tháp trước ngày 11/9, chúng ta sẽ thấy tường bao bên ngoài tòa nhà có những ô cửa sổ hẹp, hai bên là các cột thép được bố trí rất sát nhau. Ngoài ra còn có những dầm lớn ở các tầng, tạo thành một mạng lưới thép dày đặc bao phủ bề mặt tòa nhà.
Theo kỹ sư Donald Dusenberry, phần lớn công đoạn hàn được thực hiện bên ngoài công trường. Những tấm kết cấu cao ba tầng và rộng ba cột, tạo thành một phần của mạng lưới thép, được chế tạo tại nhà máy rồi vận chuyển đến khu Manhattan. Để tăng cường độ bền, các tấm này được bố trí so le, giống như những mảnh ghép của một bức tranh xếp hình, sao cho phần trên và phần dưới của chúng không hoàn toàn thẳng hàng ở cùng một mặt sàn.
Bốn mặt của mỗi tòa nhà tạo thành một ống kết cấu có các khe cửa sổ. Hệ thống này được thiết kế để truyền trực tiếp trọng lượng của tòa nhà và mọi thứ bên trong xuống móng. Các bức tường đóng vai trò như những dầm đứng khổng lồ, có chiều rộng và chiều cao tương đương với tòa nhà, đồng thời có khả năng uốn theo phương ngang để hấp thụ tải trọng do gió gây ra. Khi máy bay phá hủy các hàng cột và dầm trên tường bao bên ngoài, phần mạng lưới kết cấu nằm phía trên khu vực bị hư hại tạo thành những dầm ngang có chiều sâu tương đương nhiều tầng, giúp bắc qua khoảng trống lớn do vụ va chạm tạo ra. Đồng thời, những phần tường bao bị hư hại vẫn được treo một phần vào kết cấu phía trên.
Sức chịu lực của hệ thống các cấu kiện kết cấu được bố trí sát nhau giúp cho các bức tường hơi võng xuống mà không bị phá hủy hoàn toàn. Trong trạng thái đó, các tòa tháp vẫn đứng vững đủ lâu để nhiều người ở phía dưới các tầng bị máy bay đâm vào, cũng như những người trong các tòa nhà xung quanh, có thể thoát ra ngoài.
Ảnh chụp từ trên cao tòa nhà Lầu Năm Góc. Ảnh: Wikimedia Commons
Cuối cùng, khi các đám cháy dữ dội bên trong tòa tháp làm yếu hệ thống sàn vốn có nhiệm vụ đỡ các tường bao bên ngoài, tòa nhà bắt đầu sụp đổ, các bức tường bị mất ổn định và oằn đi, phần phía trên của tòa nhà bắt đầu rơi xuống thành những khối lớn. Trong quá trình rơi, chúng xuyên thủng các tầng phía dưới, tương tự một đầu rìu bổ xuyên qua gỗ để chẻ đôi.
Bên cạnh tòa tháp đôi, Lầu Năm Góc cũng bị một máy bay khác tấn công vào ngày 11/9. Tuy nhiên, có lẽ ít người biết rằng một số khu vực bị hư hại vẫn đứng vững trong khoảng 20 phút trước khi sụp đổ. Lầu Năm Góc cao năm tầng và đã bị một máy bay phá hủy phần kết cấu ở tầng một, làm mất nhiều cột ở tầng này và một số cột ở tầng phía trên. Tuy vậy, công trình vẫn đứng đủ lâu để tất cả những người ở ba tầng phía trên có thể sơ tán trước khi sụp đổ.
Kỹ sư Donald Dusenberry cho biết, Lầu Năm Góc có khung bê tông cốt thép với hệ thống sàn "hai chiều": các dầm chạy theo cả hai hướng giữa các cột, tạo ra một cơ chế phụ trợ để nâng đỡ trọng lượng công trình. Khi các cột bị phá hủy, phần công trình phía trên bắt đầu võng xuống. Tuy nhiên, hệ thống dầm sàn đan chéo nhau hoạt động giống như một tấm lưới đã giúp nâng đỡ khu vực nằm phía trên phần bị hư hại.
Về cơ bản, tất cả các cột bê tông, trong đó có cột của Lầu Năm Góc, đều có các thanh thép ở bên trong phối hợp với bê tông để chịu trọng lượng công trình. Các cột bê tông cũng có những thanh thép ngang bao quanh và gia cố các thanh thép đứng, đồng thời giữ cho bê tông ở giữa không bị biến dạng. Theo cách xây dựng phổ biến vào những năm 1940 - thời điểm Lầu Năm Góc được xây dựng, các thanh thép ngang được uốn thành dạng xoắn ốc, quấn liên tục quanh các thanh thép đứng dọc theo toàn bộ chiều cao của mỗi cột.
"Cách bố trí cốt thép này tạo ra độ dẻo dai cho các cột, giúp cho chúng dù có bị biến dạng rất mạnh cũng không bị phá hoại đột ngột", kỹ sư Donald Dusenberry cho biết. Được bao bọc chặt chẽ bên trong các khung thép dọc và ngang, phần bê tông ở giữa nhiều cột bị hư hại vẫn giữ nguyên vị trí, ngay cả khi các cột đã bị uốn cong như một quả chuối, trong đó phần giữa cong ra ngoài tới mức gấp ba lần đường kính của lồng cốt thép. Ngay cả với mức biến dạng lớn như vậy, nhiều cột bị hư hại nghiêm trọng vẫn tiếp tục chịu được tải trọng, nhờ đó giảm bớt số diện tích sàn phải hoạt động như một "tấm lưới" để nâng đỡ phần công trình phía trên.
Giống như hai tòa tháp của Trung tâm Thương mại Thế giới, một phần của Lầu Năm Góc cuối cùng cũng bị sụp đổ vì nhiệt độ cao từ đám cháy dữ dội - yếu tố làm suy yếu thêm các cột và dầm quan trọng. Tuy nhiên, phần bị sụp có diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với toàn bộ khu vực bị chiếc máy bay phá hủy kết cấu.
Bài học cho tương lai
"Sự kiện 11/9 cho thấy trong tương lai, các mối nguy hiểm có thể cùng xảy ra theo những cách vượt xa các giả định được tích hợp trong quy chuẩn, tiêu chuẩn và thông lệ thiết kế hiện hành. Các kỹ sư và kiến trúc sư phải tạo ra những công trình an toàn, có khả năng chống chịu và thích ứng, đồng thời đáp ứng các mục tiêu về độ tin cậy và hiệu năng được quy định trong các bộ quy chuẩn, tiêu chuẩn", các nhà nghiên cứu của Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Mỹ nhận định trong một bài viết trên tạp chí Civil Engineering.
Khu Lower Manhattan nhìn từ dưới cầu Brooklyn, thành phố New York. Ảnh: Christian David/Wikimedia Commons
Nhiều nghiên cứu do các tổ chức như Viện Kỹ thuật Kết cấu thuộc Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Mỹ (SEI/ASCE), Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) và Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang Mỹ (FEMA) thực hiện đã ghi nhận những đặc điểm như tính dự phòng (redundancy) và độ dẻo (ductility) có thể giúp công trình chống chịu tốt hơn trước những tác động cực đoan.
"Không thể quy giản những gì xảy ra ngày 11/9 thành một bài học kết cấu duy nhất. Bài học của tương lai là: Khả năng chống chịu của công trình phải phụ thuộc vào việc tất cả các hệ thống của tòa nhà hoạt động phối hợp được với nhau trong điều kiện khắc nghiệt", nhóm tác giả viết trong bài báo trên tạp chí Civil Engineering.
Một trong những ví dụ rõ nét nhất về tư duy thiết kế dựa trên hệ thống này là tòa nhà 7 World Trade Center được xây dựng lại sau sự kiện ngày 11/9. Trước vụ việc, các hệ thống kết cấu có hiệu suất cao thường được ưu tiên hơn vì có thể đáp ứng chính xác các yêu cầu của quy chuẩn với lượng vật liệu kết cấu tối thiểu. Sau 11/9, giới chuyên môn đã chú trọng trở lại vào độ vững chắc của kết cấu (robustness) hay khả năng chịu đựng hư hại, phân phối lại tải trọng và ngăn chặn những hỏng hóc cục bộ phát triển thành sự cố thảm khốc của công trình.
23 thay đổi lớn về quy chuẩn, dựa trên kết quả điều tra Trung tâm Thương mại Thế giới, cũng đã được phê duyệt để đưa vào Bộ Quy chuẩn Quốc tế năm 2009 của Hội đồng Quy chuẩn Quốc tế (ICC). Ngoài ra, kể từ năm 2008, quy chuẩn của thành phố New York đã yêu cầu thẩm tra thiết kế kết cấu bởi chuyên gia độc lập đối với một số nhóm công trình nhất định.
Một vấn đề được giới kỹ thuật đặc biệt quan tâm là nguy cơ sụp đổ, hư hại cục bộ nhưng dẫn đến sự sụp đổ lan rộng của toàn công trình. Do đó, bên cạnh việc lường trước những hư hại nghiêm trọng sẽ dẫn đến sụp đổ, như điều đã xảy ra vào ngày 11/9, các kỹ sư cũng cố gắng ngăn chặn tình trạng sụp đổ dây chuyền bắt nguồn từ những sự cố có quy mô nhỏ hơn nhiều, chẳng hạn như một vụ cháy thông thường, một vụ nổ hoặc cú va chạm của một phương tiện giao thông đi lạc hướng.
Trong những tháng sau sự kiện 11/9, một số người từng dự đoán kỷ nguyên của các tòa nhà chọc trời sẽ kết thúc. Song, 25 năm qua cho thấy, các tòa nhà cao tầng không hề biến mất, thậm chí các thành phố trên khắp thế giới còn tiếp tục xây dựng những công trình siêu cao tầng. "Không công trình nào có thể được thiết kế để chống lại mọi sự kiện có thể xảy ra", các nhà nghiên cứu cho biết. Nhưng "các kỹ sư và những đối tác khác trong ngành xây dựng không thụ động trước những sự cố. Chúng tôi vẫn đang tiếp tục nghiên cứu, học hỏi và cải tiến", Donald Dusenberry viết.
Kim Dung tổng hợp
---
Nguồn tham khảo:
What Structural Engineers Learned from 9/11. Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/what-structural-engineers-learned-from-9-11/
The evolution of tall building design after 9/11. ASCE. https://www.asce.org/publications-and-news/civil-engineering-source/civil-engineering-magazine/issues/magazine-issue/article/2026/09/the-evolution-of-tall-building-design-after-911