Tăng cường độ dẻo và khả năng tiêu tán năng lượng
Phân biệt rõ các loại bản đồ về động đất
♦ Động đất tại Myanmar hôm 28/3 đã ảnh hưởng tới các nước láng giềng Thái Lan, Campuchia, Lào và Việt Nam, ông có thể lý giải rõ hơn về hiện tượng này?
- Trước hết, chúng ta cần hiểu rõ nguồn gốc gây ra động đất để có thể đưa ra những đánh giá chính xác hơn. Thực tế, động đất có thể được phân thành một số loại gồm: động đất do hoạt động của các mảng kiến tạo; động đất do hoạt động núi lửa, vụ nổ ở sâu trong lòng đất; động đất kích thích do sự thay đổi cấu trúc địa tầng…
Động đất tại Myanmar hôm 28/3 vừa qua là dạng động đất phổ biến thường gặp, nguyên nhân là do hoạt động của các mảng kiến tạo. Myanmar nằm trên vùng tiếp giáp của 2 mảng kiến tạo lớn là mảng Ấn Độ và mảng Á - Âu. Khu vực đứt gãy này vẫn đang hoạt động kiến tạo mạnh dẫn đến xảy ra nhiều trận động đất.
Thực tế trong lịch sử khu vực này cũng đã ghi nhận nhiều trận động đất rất mạnh, tương đương, thậm chí mạnh hơn trận động đất vừa qua. Dạng động đất này có đặc trưng là lượng năng lượng giải phóng rất lớn, do đó gây ra tác động đến phạm vi rộng lớn. Qua các phương tiện thông tin, chúng ta cũng thấy tại Việt Nam, với khoảng cách đến chấm tâm xấp xỉ 1.000 km vẫn bị ảnh hưởng bởi dư chấn do trận động đất này.
Trong lịch sử, cũng từng xuất hiện rất nhiều trận động đất có phạm vi ảnh hưởng lớn như vậy, thường là các trận động đất có mức độ tàn phá lớn giống như động đất tại Thổ Nhĩ Kỳ - Syria năm 2023.
Tiếp đến là sự lan truyền của sóng động đất trong môi trường, ngoài việc phụ thuộc vào năng lượng của sóng động đất thì sự lan truyền này phụ thuộc nhiều vào điều kiện và tính chất của nền đất.
Các nghiên cứu cho thấy mảng kiến tạo Á - Âu là mảng có địa tầng ổn định, đặc biệt là từ khu vực Myanmar trải dài sang phía Đông tới Biển Đông, đó là điều kiện thuận lợi cho việc lan truyền sóng động đất.
Thực tế quan sát trên bản đồ phân bố động đất toàn cầu, cũng như bản đồ nguy cơ động đất, ta có thể nhận thấy Myanmar nằm trong vùng có nguy cơ động đất mạnh và rất mạnh, với nhiều trận động đất có cường độ lớn đã được ghi nhận tại đây. Do đó, theo góc độ xem xét từ bản đồ nguy cơ địa chấn toàn cầu, việc xuất hiện trận động đất mạnh như vậy tại khu vực Myanmar có thể là kịch bản đã nằm trong dự báo nguy cơ động đất.
Cuối cùng, trận động đất vừa qua rất mạnh, được ghi nhận với cường độ 7,7 độ Richter, gia tốc đỉnh ước tính trên dưới 20% gia tốc trọng trường, vận tốc đỉnh đo được trên 50 cm/s, bán kính khu vực bị phá hoại được ước tính trong khoảng 300 - 700 km, việc sóng động đất lan truyền trong phạm vi bán kính hàng trăm, thậm chí đến hàng nghìn km là điều dễ hiểu.
Thái Lan, Campuchia, Lào và Việt Nam nằm trong phạm vi đó nên đã cảm nhận được rất rõ trận động đất này. Và thực tế là, trong lịch sử Việt Nam cũng từng bị ảnh hưởng bởi dư chấn các trận động đất mạnh tương tự như vậy từ phía Bắc Lào hay từ Trung Quốc với mức độ có thể nhỏ hơn nhưng việc cảm nhận được dư chấn là khá rõ rệt.
♦ Theo ông, các loại bản đồ như Bản đồ nguy cơ động đất hay Bản đồ rủi ro động đất có ý nghĩa gì trong việc dự báo, phòng ngừa động đất ở mỗi địa phương, quốc gia, trong khu vực và trên thế giới? Và đứng dưới góc độ quản lý xây dựng hạ tầng và quản lý xã hội, loại bản đồ nào được đặt lên hàng đầu?
- Đây là một câu hỏi rất hay và rất sâu sắc về vấn đề động đất, cả trong lĩnh vực nghiên cứu và lĩnh vực quản lý. Hiện nay có một số dạng bản đồ thường gặp: Một, Bản đồ về vị trí các trận động đất đang khá phổ biến trên internet, nội dung bản đồ thường ở dạng thống kê nhằm thể hiện vị trí các trận động đất có cường độ từ 3,5 hoặc 4 độ Richter trở lên. Với đặc điểm đó, trên thế giới chúng ta nhìn thấy rõ hầu hết các trận động đất được thống kê đều phân bố tập trung ở khu vực Vành Đai lửa Thái Bình Dương và khu vực Vành đai Anpơ. Thực tế bản đồ này mang tính chất tham khảo nhiều hơn là phục vụ mục đích nghiên cứu.
Hai, Bản đồ nguy cơ động đất (Hazard map) là bản đồ hiển thị các khu vực có nhiều khả năng xảy ra động đất mạnh, được xây dựng dựa trên dữ liệu lịch sử, điều kiện địa chất và các hoạt động địa chấn của khu vực. Các thông tin chính có thể xác định từ bản đồ nguy cơ địa chấn gồm: Vùng rủi ro, dữ liệu động đất trong lịch sử (Gia tốc đỉnh), tính chất nền đất, cho phép dự đoán cường độ động đất có thể gặp phải trong tương lai.
Bản đồ này thường chỉ ra các mức độ nguy cơ khác nhau: thấp, trung bình hoặc cao, có ý nghĩa quan trọng trong hỗ trợ quy hoạch và xây dựng kế hoạch ứng phó khẩn cấp. Nghĩa là loại bản đồ này hoàn toàn dựa theo các yếu tố tự nhiên, chỉ đánh giá tần suất và cường độ động đất mà không liên quan đến hậu quả động đất.
Hiện trên thế giới đã và đang tiếp tục triển khai chương trình xây dựng bản đồ nguy cơ địa chấn toàn cầu (GSHAP - Global Seismic Hazard map), phổ biến là ở dạng thể hiện gia tốc đỉnh của động đất với tần suất lặp lại 10% trong 50 năm (chu kỳ lặp lại 475 năm). Theo bản đồ này, Việt Nam nằm ở khu vực có nguy cơ địa chấn trung bình và thấp.
Ba, Bản đồ rủi ro động đất là sự tương tác giữa nguy cơ động đất và mức độ ảnh hưởng đến đời sống xã hội (bao gồm con người, cơ sở hạ tầng…), nghĩa là hậu quả tiềm tàng của động đất trong một khu vực, bao gồm cả khả năng thiệt hại về người và tài sản, cơ sở hạ tầng xã hội.
Ngoài phụ thuộc vào nguy cơ động đất, rủi ro động đất còn phụ thuộc vào điều kiện cơ sở hạ tầng, mật độ dân số và khả năng ứng phó trong cộng đồng. Việc tra cứu bản đồ rủi ro động đất có thể thông qua tổ chức GEM (Global Earthquake Model).
Để dễ dàng phân biệt bản đồ nguy cơ động đất và bản đồ rủi ro động đất, có thể lấy ví dụ như: Tại vùng núi khu vực các tỉnh Điện Biên, Sơn La có nguy cơ động đất cao (được xem là cao nhất lại Việt Nam) nhưng dân cư và mật độ xây dựng thưa thớt sẽ có rủi ro thấp. Ngược lại, tại các thành phố lớn, dân cư đông đúc, mật độ xây dựng dày đặc, nguy cơ động đất có thể thấp hơn, nhưng rủi ro động đất lại cao hơn.
Như vậy, Bản đồ nguy cơ động đất có ý nghĩa nhiều hơn với các nhà khoa học, đặc biệt là trong công tác đánh giá và định lượng về nguy cơ, xác suất xảy ra động đất, cung cấp các dữ liệu rõ ràng về nguy cơ có thể xảy ra động đất nhằm phục vụ công tác quy hoạch.
Với các nhà quản lý xây dựng hạ tầng và quản lý xã hội, bản đồ rủi ro động đất cần được đặt lên hàng đầu. Theo đó, giải pháp cải thiện chất lượng kết cấu công trình, nâng cao khả năng kháng chấn cho kết cấu sẽ góp phần quan trọng vào việc giảm mức độ rủi ro do động rất gây ra.
Xu hướng thiết kế kháng chấn cho kết cấu công trình
♦ Có quan điểm cho rằng, công trình càng cứng thì khả năng kháng chấn càng cao, công trình càng an toàn khi chịu động đất. Quan điểm của ông về vấn đề này?
- Thực ra đây là một quan niệm phổ biến ở góc độ nhìn nhận đơn thuần về sự làm việc của kết cấu công trình. Trong lịch sử, quan niệm này cũng từng giữ vai trò chủ đạo trong triết lý thiết kế kháng chấn cho công trình, vào giai đoạn khoảng cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20.
Tuy nhiên, khoa học kỹ thuật phát triển giúp cho việc phân tích kết cấu trở nên dễ dàng hơn, do đó, ở góc độ nhìn nhận của người làm phân tích kết cấu, tôi nhận thấy: Thứ nhất, công trình có độ cứng lớn có khả năng chịu được tác động mạnh trong một số trường hợp, nhưng không có nghĩa là chúng luôn có khả năng chống động đất tốt.
Thứ hai, về mặt dao động, khi công trình có độ cứng lớn, chu kỳ dao động của kết cấu sẽ nhỏ. Dưới tác dụng của động đất, kết cấu công trình sẽ bị rung lắc dữ dội hơn. Hai vấn đề có thể xảy ra ở đây là: Một, kết cấu không có độ đàn hồi, không có độ dẻo cần thiết để hấp thụ và tiêu tán năng lượng nên khi kết cấu bị dao động mạnh, có thể dẫn đến phá hoại; Hai, ngay cả khi không bị phá hoại, công trình rung lắc dữ dội sẽ ảnh hưởng lớn đến con người và thiết bị bên trong công trình.
Thứ ba, theo góc nhìn từ phổ phản ứng của động đất, năng lượng của sóng động đất thường tập trung rất lớn tại các chu kỳ dao động nhỏ (dưới 0,5 s). Do đó, độ cứng của công trình lớn dẫn đến chu kỳ dao động của kết cấu trùng với vùng năng lượng trội của sóng động đất, kết quả dễ xảy ra cộng hưởng, làm cho kết cấu chịu tác động rất lớn từ động đất.
Thứ tư, quan niệm thiết kế hiện đại tiếp cận vấn đề thiết kế kháng chấn theo quan điểm tăng cường yếu tố dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng. Theo đó, kết cấu được thiết kế có độ dẻo nhất định, có thể là từ bản thân kết cấu hoặc từ các thiết bị phụ trợ, giúp kéo dài chu kỳ dao động của kết cấu để tránh xa vùng năng lượng trội của sóng động đất, từ đó loại bỏ khả năng xảy ra dao động cộng hưởng, đồng thời có khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng dao động rất hiệu quả, giúp kết cấu an toàn hơn.
Thực tế hiện nay, quan niệm thiết kế công trình có độ dẻo nhất định đang là xu hướng phổ biến trên toàn thế giới.
♦ Vậy, ông đánh giá thế nào về khả năng kháng chấn cho kết cấu công trình tại Việt Nam hiện nay. Theo ông, xu hướng thiết kế kháng chấn cho kết cấu công trình, đặc biệt là các nhà cao tầng tại Việt Nam thời gian tới là gì?
- Thực tế, hệ thống tiêu chuẩn thiết kế công trình chống động đất ở Việt Nam ra đời khá sớm, trước đây là Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 375:2006 về thiết kế công trình chịu động đất, hiện nay là Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9386:2012 về Thiết kế công trình chịu động đất. Có nghĩa là, các công trình tại Việt Nam hiện nay đều được thiết kế kháng chấn tuân thủ theo tiêu chuẩn.
Tuy nhiên, các quy định về tính toán động đất theo các tiêu chuẩn của chúng ta có nhiều nội dung cần thảo luận, trong đó có những vấn đề chưa thực sự hợp lý, cần phải có các nghiên cứu phát triển thêm nhằm sát với thực tế về điều kiện động đất tại Việt Nam và đáp ứng kịp thời xu hướng phát triển trong lĩnh vực xây dựng.
Theo tôi, các công trình được thiết kế theo các tiêu chuẩn hiện hành tại Việt Nam đang quá an toàn, nghĩa là độ cứng của kết cấu lớn hơn nhiều so với nhu cầu thiết kế. Hệ quả là, kết cấu công trình “cứng” hơn nhiều so với mức cần thiết nên dễ gặp phải vấn đề như bị rung lắc dữ dội hơn dẫn đến bị phá hoại, ảnh hưởng đến con ngời và thiết bị bên trong công trình như đã nói ở trên, đồng thời chi phí xây dựng công trình tốn kém hơn.
Trong thực tế, hầu hết các công trình được thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế chống động đất ở nước ta đều chưa có sự cố nghiêm trọng nào xảy ra. Ngược lại, các công trình nhỏ, đặc biệt là nhà ở hộ gia đình tại các khu vực xảy ra động đất đều chịu ảnh hưởng, thậm chí có hiện tượng sụp đổ. Căn cứ theo tiêu chuẩn thiết kế, những công trình này không cần tính toán với tải trọng động đất, nhưng có những yêu cầu, chỉ dẫn cụ thể về việc cấu tạo kháng chấn. Việc thi công công trình không tuân thủ theo các chỉ dẫn có thể dẫn đến các rủi ro tiềm ẩn như vậy.
Tôi cho rằng, xu hướng thiết kế kháng chấn cho kết cấu công trình tại Việt Nam trong thời gian tới không nằm ngoài xu thế chung của thế giới, đặc biệt là các nhà cao tầng và các cơ sở hạ tầng giao thông quan trọng, đó là: Tăng cường độ dẻo và khả năng tiêu tán năng lượng.
Với xu hướng đó, các nguyên lý thiết kế kết cấu theo khả năng, thiết kế kết cấu theo hiệu năng, hoặc sử dụng các thiết bị phụ trợ trong thiết kế kháng chấn sẽ trở thành xu thế phổ biến. Trong đó, giải pháp sử dụng các thiết bị phụ trợ có thể được áp dụng rất linh hoạt, trong cả thiết kế công trình xây mới cũng như cải tạo các công trình hiện có. Theo tìm hiểu của tôi tại Canada, các dự án về cải tạo công trình đang được triển khai mạnh mẽ theo xu hướng này, tức là lắp đặt thêm các thiết bị phụ trợ nhằm tăng cường khả năng kháng chấn cho kết cấu công trình hiện hữu.
Cần hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế chống động đất
♦ Xu hướng này đặt ra vấn đề gì trong việc hoàn thiện các tiêu chuẩn, quy chuẩn thiết kế chống động đất của Việt Nam, thưa ông?
- Như đã trao đổi ở trên, hiện tại tiêu chuẩn thiết kế chống động đất ở Việt Nam còn có những nội dung chưa thực sự hợp lý, cần có các nghiên cứu chuyên sâu để phát triển thêm.
Hiện tại Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 của ta đang là bản dịch từ Tiêu chuẩn Eurocode8 với giá trị gia tốc đỉnh được xây dựng cho từng khu vực tại Việt Nam. Theo đó, Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 sử dụng phổ phản ứng loại I của Tiêu chuẩn Eurocode8, tương đương với vùng động đất mạnh, áp dụng chung cho các khu vực tại Việt Nam. Điều này chưa thực sự hợp lý, vì Tiêu chuẩn Eurocod8 có quy định hai loại phổ phản ứng khác nhau, áp dụng theo từng điều kiện cụ thể, ngoài ra mỗi quốc gia tại châu Âu đều có phụ lục hướng dẫn tính toán riêng, rất cụ thể cho từng khu vực.
Trong lĩnh vực giao thông, Tiêu chuẩn TCVN 11823-1:2017 Thiết kế cầu đường bộ được xây dựng dựa trên Tiêu chuẩn AASHTO (Mỹ) phiên bản cũ. Theo đó, cách tính tải trọng động đất của Tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 rất khác so với Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012, dẫn đến sự chưa thống nhất trong tính toán tải trọng động đất giữa lĩnh vực xây dựng nhà và lĩnh vực xây dựng cầu.
Mặt khác, phổ phản ứng gia tốc xác định theo hai tiêu chuẩn này cũng đang có sự khác nhau nhiều, đặc biệt là về hình dạng phổ phản ứng gia tốc và sự suy giảm năng lượng sóng động đất ở các chu kỳ lớn. Do đó, việc thống nhất cách xác định tải trọng động đất cho hai tiêu chuẩn này cần thiết được tiến hành. Đặc biệt là trong bối cảnh bùng nổ về phát triển cơ sở hạ tầng tại nước ta hiện nay.
Trong thiết kế các công trình thực tế, ví dụ đối với các đập thủy điện ở Việt Nam, thường được thiết kế có khả năng chịu được động đất cao nhất, lên tới 7 - 8 độ Richter. Về mặt lý thuyết chung và phù hợp với xu hướng thiết kế của thế giới, các đập ngăn nước tại hồ chứa thủy điện thường được thiết kế với xác suất động đất nhỏ nhất (chu kỳ lặp lại khoảng 2.500 năm) bởi mức độ rủi ro động đất (nếu có) của các công trình như vậy thường có hậu quả vô cùng nặng nề. Trong thực tế, với các công trình như vậy, hệ thống quan trắc cảnh báo luôn được chú trọng, theo dõi toàn thời gian giúp các nhà quản lý có thể kiểm soát được các vấn đề phát sinh do ảnh hưởng của các rung chấn.
Gần đây, các công trình cầu có quy mô lớn cũng được tính toán thiết kế chống động đất với yêu cầu cao hơn, đảm bảo an toàn hơn khi tham số động đất được xét đến với xác suất xuất hiện trong khoảng 1.000 năm và/hoặc 2.500 năm. Tuy nhiên, việc tính toán như vậy đa số áp dụng theo hệ thống tiêu chuẩn nước ngoài, đặc biệt là Nhật Bản do tiêu chuẩn thiết kế chống động đất của Việt Nam chưa hoàn thiện.
Bên cạnh đó, QCVN 02:2022/BXD về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng ra đời có quy định quan trọng về việc sử dụng số liệu động đất với chu kỳ lặp là 500 năm (xác suất xảy ra là 10% trong 50 năm) và 2.500 năm (xác suất xảy ra là 2% trong 50 năm). Tuy nhiên, xu hướng phát triển về kinh tế xã hội trong thời gian tới sẽ xuất hiện các công trình cần thiết kế với số liệu động đất có chu kỳ lặp lại khác nữa, do đó, việc xây dựng bộ dữ liệu với chu kỳ lặp là 1.000 năm (xác suất xảy ra là 5% trong 50 năm) cần thiết được thực hiện.
Một hạn chế rất lớn của các nhà nghiên cứu tại Việt Nam hiện nay là khả năng tiếp cận nguồn dữ liệu bản ghi gia tốc động đất tại các trạm đo ở Việt Nam. Việc sớm xây dựng nền tảng dữ liệu trực tuyến để các nhà nghiên cứu dễ dàng tiếp cận sẽ góp phần tập hợp được trí tuệ tập thể, thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về động đất và giải pháp thiết kế kháng chấn phù hợp với điều kiện thực tiễn tại Việt Nam.
Theo xu hướng phát triển hiện nay, với các dự án đang được triển khai xây dựng gồm có: hệ thống trụ điện gió, hệ thống metro, hệ thống đường sắt tốc độ cao, và đặc biệt là công trình điện hạt nhân. Việc thiết kế chống động đất cho các công trình như vậy đặt ra yêu cầu rất cao, gần như không cho phép có sai sót. Việc nghiên cứu, phát triển các kỹ thuật thiết kế kháng chấn cần được thúc đẩy mạnh mẽ hơn để có thể đáp ứng được nhu cầu thực tiễn, trong đó các giải pháp sử dụng thiết bị phụ trợ trong công tác thiết kế kháng chấn xứng đáng được quan tâm sâu sắc hơn nữa.
Ví dụ, với hệ thống các trụ điện gió, kết cấu có độ mảnh lớn, trọng lượng tập trung ở trên cao, các thiết bị giảm chấn dạng điều chỉnh khối lượng và/hoặc các thiết bị tiêu tán năng lượng dạng kim loại tỏ ra là phù hợp với đặc điểm và tính chất của công trình.
Với hệ thống cầu đường sắt tốc độ cao, yêu cầu về sự êm thuận của kết cấu đặt ra rất cao, do đó việc cải tiến hệ thống gối cầu để tăng độ biến dạng linh hoạt, tăng khả năng phục hồi của thiết bị, bổ sung các hệ thống giảm chấn thủy lực và/hoặc thiết bị điều chỉnh khối lượng nhằm dập tắt dao động theo cả phương ngang và phương đứng cho kết cấu hiện đang là xu hướng thiết kế kháng chấn được quan tâm nhiều.
Với các công trình đặc biệt như điện hạt nhân, các kết cấu lò phản ứng hạt nhân, phương án sử dụng gối cách chấn mang lại hiệu quả cao trong thiết kế chống động đất. Theo tìm hiểu của tôi, giải pháp gối cách chấn được đánh giá rất giàu tiềm năng và hiện đang ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy điện hạt nhân tại Nhật Bản và Mỹ.
Không chỉ đối với các công trình có quy mô lớn, hệ thống công trình nhỏ và thấp tầng hơn, ví dụ các nhà xưởng công nghiệp hoặc các nhà ga hàng không có sử dụng kết cấu thép vượt nhịp lớn, yêu cầu về thiết kế chống động đất cũng đòi hỏi cần có các giải pháp phù hợp. Với những công trình như vậy, giải pháp sử dụng gối cách chấn và giải pháp sử dụng hệ kết cấu thanh giằng thường được xem xét áp dụng.
Như vậy có thể thấy, yêu cầu về thiết kế chống động đất được đặt ra đối với hầu hết các dạng công trình, mức độ cao hay thấp phụ thuộc vào tính chất và tầm quan trọng của từng loại công trình. Các kỹ thuật thiết kế kháng chấn hiện đang phát triển khá mạnh mẽ, nhiều kỹ thuật giàu tiềm năng ứng dụng cho các công trình tại Việt Nam.
Tuy nhiên, vấn đề đầu tiên và quan trọng nhất đó là, cần nhất quán về quan điểm, phương pháp tính toán động đất bằng cách xây dựng bộ tiêu chuẩn chất lượng, thống nhất phương pháp tính toán tải trọng động đất làm cơ sở để tham chiếu tính toán thiết kế đối với từng loại kết cấu công trình (giống như hệ thống tiêu chuẩn của Mỹ và châu Âu hiện nay).
Các giải pháp thiết kế kháng chấn, đến cuối cùng đều phải căn cứ vào tính chất cụ thể của kết cấu công trình và tính chất thực tế của sóng động đất ở khu vực, thay vì đang vận dụng một cách máy móc hệ thống tiêu chuẩn nước ngoài. Những vấn đề ấy cần tiếp tục được quan tâm và thúc đẩy mạnh mẽ hơn nữa bởi cơ quan quản lý, các chuyên gia đầu ngành và các nhà nghiên cứu giàu kinh nghiệm.
♦ Trân trọng cảm ơn ông!
