Tweet
Bài 3: Toà nhà cao nhất Nhật Bản: Landmark Tower
Toà nhà cao nhất Nhật Bản có tên là Landmark Tower được hoàn thành vào tháng 7 năm 1993 (sau 5 năm chuẩn bị và hơn 3 năm thi công) tại thành phố cảng Yokohama (cách thủ đô Tokyo khoảng 30 km về phía tây nam). Theo như bản đồ phân vùng động đất của Nhật Bản thì những thành phố lớn như Tokyo, Osaka, Nagoya, và Yokohama đều thuộc vùng động đất lớn nhất (trong tổng số 4 vùng được phân định). Do vậy vấn đề thiết kế chống động đất cho những công trình xây dựng ở các vùng này phải được xem xét rất nghiêm ngặt.
Toà nhà Landmark Tower cao 296 m, gồm 70 tầng trên mặt đất và 3 tầng hầm. Ba tầng hầm được sử dụng chủ yếu làm nơi đậu xe, từ tầng 1 đến tầng 48 được sử dụng làm nơi shopping và văn phòng, và những tầng còn lại ở trên được sử dụng làm khách sạn. Riêng một phần của tầng thứ 7 được sử dụng làm nơi khám chữa bệnh và của tầng thứ 69 làm nơi để du khách ngắm phong cảnh xung quanh (sky garden). Hình dáng tiết diện ngang của toà nhà có dạng hình vuông và được kéo dài nhô ra ở 4 góc theo hướng đường chéo [1]. Kích thước của tiết diện ngang này được giảm dần dần từ móng lên đến tầng thứ 48, rồi sau đó không thay đổi. Bề rộng của móng là 72 m và từ tầng 49 trở lên là 55 m. Chiều sâu đặt móng là 24 m.
Về kết cấu thì từ tầng 8 trở xuống được sử dụng kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép (SRC structure), còn từ tầng 9 trở lên được sử dụng kết cấu thép (steel structure). Hệ thống kết cấu chịu lực chính từ tầng 9 trở lên (kết cấu thép) bao gồm một hệ vỏ bao bọc ở mặt ngoài và một hệ lõi ở bên trong (double tube structure). Tiết diện mặt cắt ngang của cột thép được sử dụng là hình chữ H, chữ nhật, và hình tròn với bề dầy thành lớn nhất bằng 10 cm. Tiết diện mặt cắt ngang của dầm được sử dụng là hình chữ H với tổng chiều cao của dầm biến đổi từ 60 cm - 130 cm.
Đối với công trình này thì tải trọng tính toán do gió gây ra lớn hơn một chút do động đất gây ra (xem bài 2). Để đảm bảo cho công trình chịu được những lực gió và động đất này thì những hệ thanh giằng (brace) đã được sử dụng cho cả hai hệ ống vỏ và ống trong chạy suốt từ tầng 52 đến tầng 67. Ngoài ra để đảm bảo yêu cầu chịu lực tác dụng theo phương đứng và hạn chế chuyển vị theo phương ngang ở trên đỉnh mái của toà nhà thì kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép đã được sử dụng suốt từ tầng 8 trở xuống. Hơn nữa vì moment lật lớn có thể xuất hiện nên hệ thống kết cấu ống vỏ ngoài của một số tầng ở phần dưới công trình đã không được sử dụng, vì nếu sử dụng thì phải sử lý vấn đề lực kéo lớn phát sinh khá phức tạp.
Để giảm bớt rung động do tải trọng gió bão gây ra thì hai hệ thống giảm chấn bằng con lắc bê tông khối lớn (tuned mass dampers) đã được đặt ở tầng trên cùng của toà nhà và được điều khiển tự động bằng hệ thống máy tính. Đối với nhà cao tầng (khoảng từ 15 tầng trở lên) thì việc sử dụng những thiết bị giảm chấn không làm tăng giá thành là mấy, nhưng hiệu quả để giảm bớt rung động (hấp thụ năng lượng) lại khá cao. Có thể nói Nhật Bản là nước đang sử dụng kết cấu có gắn thiết bị giảm chấn và thiết bị cách li chấn động (steel damper, lead damper, oil damper, fluid viscous damper, tuned mass damper, friction damper, lead-plug isolator, rubber isolator, ...) nhiều nhất trên thế giới, và hiện nay xu hướng này ở Nhật Bản ngày càng tăng rất mạnh không chỉ đối với những toà nhà xây dựng mới mà cả những toà nhà cũ được gia cường lại. (Về vấn đề này nếu có điều kiện tôi sẽ viết thêm sau)
Hình dáng kết cấu của toà nhà này nhìn chung được thiết kế dựa theo hình dáng kết cấu của những ngôi chùa cổ 5 tầng bằng gỗ của Nhật Bản. Những ngôi chùa cổ này được thiết kế sao cho giữa các tầng có sự dịch chuyển. Và như vậy cũng giống như những toà nhà cao tầng, những ngôi chùa này có chu kỳ dao động riêng khá lớn (khoảng từ 2 giây trở lên) và có mức độ giảm chấn khá cao (high damping). Trong sử sách ghi chép thì không thấy nói chúng bị sụp đổ do tác dụng của động đất mạnh, mà chỉ thấy ghi chép là bị cháy do hoả hoạn gây ra.
So với nhiều toà nhà trọc trời khác trên thế giới thì chiều cao của toà nhà Landmark Tower (296 m) mới chỉ ở mức độ khá khiêm tốn. Chẳng hạn như toà tháp đôi Petronas Twin Towers ở Kuala Lumpur cao 452 m, gồm 88 tầng, hoàn thành vào năm 1997; Sears tower ở Chicago cao 442 m, 110 tầng, hoàn thành vào năm 1974; Jin Mao Building ở Thượng Hải cao 421 m, gồm 88 tầng, hoàn thành vào năm 1998; Two International Finance ở Hồng Kông cao 415 m, gồm 88 tầng, hoàn thành vào năm 2003; Empire State Building ở New York cao 381 m, 102 tầng, hoàn thành vào năm 1931;... Nhưng điều khác biệt là toà nhà Landmark Tower này đã được xây dựng trong vùng có mức độ gió bão và động đất rất lớn, trong khi đó những toà nhà cao tầng khác có chiều cao hơn nó lại được xây dựng ở những vùng có mức độ gió bão và động đất ít hơn nhiều.
Mặc dù toà nhà cao tầng nhất Nhật Bản này đã được thiết kế kháng chấn rất nghiêm ngặt và được trang bị những thiết bị hiện đại nhất, nhưng nhiều người Nhật Bản vẫn phải đặt câu hỏi rằng liệu toà nhà đó có thể chống chọi lại được những trận động đất rất lớn nhất có thể xảy ra trong chu kỳ sử dụng của nó không? Điều này có thể sẽ được trả lời trong tương lai khi mà những nhà nghiên cứu về động đất của Nhật Bản đã và đang khuyến cáo rằng xác suất để xảy ra những trận động đất lớn (lớn hơn M8 theo Richter scale) ở gần những thành phố lớn của họ trong tương lai gần là rất cao (khoảng 50% trong vòng 30 năm và hơn 80% trong vòng 50 năm tới).
Nếu những gì mà người Nhật đã và đang làm về vấn đề thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng được kiểm nghiệm là đúng thì có lẽ trên vùng đất hoa anh đào này sẽ còn có nhiều hơn nữa những toà nhà cao hơn [2] và đẹp hơn sẽ lại được mọc lên, để "tham vọng" được ghi vào danh sách những toà nhà chọc trời trên thế giới mà hiện nay nhiều nước đang chạy đua rất ráo riết!
TS. Đinh Văn Thuật
Uni. of Tokyo
5.9.2004
[1] Trang webs tham khảo:
http://www.landmark.ne.jp/office.htm/english/index.html
http://www.japan-guide.com/e/e3200.html
[2] Ý tưởng xây dựng toà nhà cao 1000 m của công ty Takenaka "A superhigh-rise structure sky city 1000": http://www.takenaka.co.jp/takenaka_e...sky/63_sky.htm)
Công ty Takenaka Corporation là một trong 5 công ty xây dựng lớn nhất của Nhật Bản: Kajima, Obayashi, Shimizu, Taisaei, và Takenaka (viết theo thứ tự vần chữ cái đầu).
Toà nhà cao nhất Nhật Bản có tên là Landmark Tower được hoàn thành vào tháng 7 năm 1993 (sau 5 năm chuẩn bị và hơn 3 năm thi công) tại thành phố cảng Yokohama (cách thủ đô Tokyo khoảng 30 km về phía tây nam). Theo như bản đồ phân vùng động đất của Nhật Bản thì những thành phố lớn như Tokyo, Osaka, Nagoya, và Yokohama đều thuộc vùng động đất lớn nhất (trong tổng số 4 vùng được phân định). Do vậy vấn đề thiết kế chống động đất cho những công trình xây dựng ở các vùng này phải được xem xét rất nghiêm ngặt.
Toà nhà Landmark Tower cao 296 m, gồm 70 tầng trên mặt đất và 3 tầng hầm. Ba tầng hầm được sử dụng chủ yếu làm nơi đậu xe, từ tầng 1 đến tầng 48 được sử dụng làm nơi shopping và văn phòng, và những tầng còn lại ở trên được sử dụng làm khách sạn. Riêng một phần của tầng thứ 7 được sử dụng làm nơi khám chữa bệnh và của tầng thứ 69 làm nơi để du khách ngắm phong cảnh xung quanh (sky garden). Hình dáng tiết diện ngang của toà nhà có dạng hình vuông và được kéo dài nhô ra ở 4 góc theo hướng đường chéo [1]. Kích thước của tiết diện ngang này được giảm dần dần từ móng lên đến tầng thứ 48, rồi sau đó không thay đổi. Bề rộng của móng là 72 m và từ tầng 49 trở lên là 55 m. Chiều sâu đặt móng là 24 m.
Về kết cấu thì từ tầng 8 trở xuống được sử dụng kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép (SRC structure), còn từ tầng 9 trở lên được sử dụng kết cấu thép (steel structure). Hệ thống kết cấu chịu lực chính từ tầng 9 trở lên (kết cấu thép) bao gồm một hệ vỏ bao bọc ở mặt ngoài và một hệ lõi ở bên trong (double tube structure). Tiết diện mặt cắt ngang của cột thép được sử dụng là hình chữ H, chữ nhật, và hình tròn với bề dầy thành lớn nhất bằng 10 cm. Tiết diện mặt cắt ngang của dầm được sử dụng là hình chữ H với tổng chiều cao của dầm biến đổi từ 60 cm - 130 cm.
Đối với công trình này thì tải trọng tính toán do gió gây ra lớn hơn một chút do động đất gây ra (xem bài 2). Để đảm bảo cho công trình chịu được những lực gió và động đất này thì những hệ thanh giằng (brace) đã được sử dụng cho cả hai hệ ống vỏ và ống trong chạy suốt từ tầng 52 đến tầng 67. Ngoài ra để đảm bảo yêu cầu chịu lực tác dụng theo phương đứng và hạn chế chuyển vị theo phương ngang ở trên đỉnh mái của toà nhà thì kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép đã được sử dụng suốt từ tầng 8 trở xuống. Hơn nữa vì moment lật lớn có thể xuất hiện nên hệ thống kết cấu ống vỏ ngoài của một số tầng ở phần dưới công trình đã không được sử dụng, vì nếu sử dụng thì phải sử lý vấn đề lực kéo lớn phát sinh khá phức tạp.
Để giảm bớt rung động do tải trọng gió bão gây ra thì hai hệ thống giảm chấn bằng con lắc bê tông khối lớn (tuned mass dampers) đã được đặt ở tầng trên cùng của toà nhà và được điều khiển tự động bằng hệ thống máy tính. Đối với nhà cao tầng (khoảng từ 15 tầng trở lên) thì việc sử dụng những thiết bị giảm chấn không làm tăng giá thành là mấy, nhưng hiệu quả để giảm bớt rung động (hấp thụ năng lượng) lại khá cao. Có thể nói Nhật Bản là nước đang sử dụng kết cấu có gắn thiết bị giảm chấn và thiết bị cách li chấn động (steel damper, lead damper, oil damper, fluid viscous damper, tuned mass damper, friction damper, lead-plug isolator, rubber isolator, ...) nhiều nhất trên thế giới, và hiện nay xu hướng này ở Nhật Bản ngày càng tăng rất mạnh không chỉ đối với những toà nhà xây dựng mới mà cả những toà nhà cũ được gia cường lại. (Về vấn đề này nếu có điều kiện tôi sẽ viết thêm sau)
Hình dáng kết cấu của toà nhà này nhìn chung được thiết kế dựa theo hình dáng kết cấu của những ngôi chùa cổ 5 tầng bằng gỗ của Nhật Bản. Những ngôi chùa cổ này được thiết kế sao cho giữa các tầng có sự dịch chuyển. Và như vậy cũng giống như những toà nhà cao tầng, những ngôi chùa này có chu kỳ dao động riêng khá lớn (khoảng từ 2 giây trở lên) và có mức độ giảm chấn khá cao (high damping). Trong sử sách ghi chép thì không thấy nói chúng bị sụp đổ do tác dụng của động đất mạnh, mà chỉ thấy ghi chép là bị cháy do hoả hoạn gây ra.
So với nhiều toà nhà trọc trời khác trên thế giới thì chiều cao của toà nhà Landmark Tower (296 m) mới chỉ ở mức độ khá khiêm tốn. Chẳng hạn như toà tháp đôi Petronas Twin Towers ở Kuala Lumpur cao 452 m, gồm 88 tầng, hoàn thành vào năm 1997; Sears tower ở Chicago cao 442 m, 110 tầng, hoàn thành vào năm 1974; Jin Mao Building ở Thượng Hải cao 421 m, gồm 88 tầng, hoàn thành vào năm 1998; Two International Finance ở Hồng Kông cao 415 m, gồm 88 tầng, hoàn thành vào năm 2003; Empire State Building ở New York cao 381 m, 102 tầng, hoàn thành vào năm 1931;... Nhưng điều khác biệt là toà nhà Landmark Tower này đã được xây dựng trong vùng có mức độ gió bão và động đất rất lớn, trong khi đó những toà nhà cao tầng khác có chiều cao hơn nó lại được xây dựng ở những vùng có mức độ gió bão và động đất ít hơn nhiều.
Mặc dù toà nhà cao tầng nhất Nhật Bản này đã được thiết kế kháng chấn rất nghiêm ngặt và được trang bị những thiết bị hiện đại nhất, nhưng nhiều người Nhật Bản vẫn phải đặt câu hỏi rằng liệu toà nhà đó có thể chống chọi lại được những trận động đất rất lớn nhất có thể xảy ra trong chu kỳ sử dụng của nó không? Điều này có thể sẽ được trả lời trong tương lai khi mà những nhà nghiên cứu về động đất của Nhật Bản đã và đang khuyến cáo rằng xác suất để xảy ra những trận động đất lớn (lớn hơn M8 theo Richter scale) ở gần những thành phố lớn của họ trong tương lai gần là rất cao (khoảng 50% trong vòng 30 năm và hơn 80% trong vòng 50 năm tới).
Nếu những gì mà người Nhật đã và đang làm về vấn đề thiết kế kháng chấn cho nhà cao tầng được kiểm nghiệm là đúng thì có lẽ trên vùng đất hoa anh đào này sẽ còn có nhiều hơn nữa những toà nhà cao hơn [2] và đẹp hơn sẽ lại được mọc lên, để "tham vọng" được ghi vào danh sách những toà nhà chọc trời trên thế giới mà hiện nay nhiều nước đang chạy đua rất ráo riết!
TS. Đinh Văn Thuật
Uni. of Tokyo
5.9.2004
[1] Trang webs tham khảo:
http://www.landmark.ne.jp/office.htm/english/index.html
http://www.japan-guide.com/e/e3200.html
[2] Ý tưởng xây dựng toà nhà cao 1000 m của công ty Takenaka "A superhigh-rise structure sky city 1000": http://www.takenaka.co.jp/takenaka_e...sky/63_sky.htm)
Công ty Takenaka Corporation là một trong 5 công ty xây dựng lớn nhất của Nhật Bản: Kajima, Obayashi, Shimizu, Taisaei, và Takenaka (viết theo thứ tự vần chữ cái đầu).
Ghi chú