Thép trong toà nhà cao tầng: khung, lõi cứng và cách nhà chống gió lay

Trong một toà nhà cao tầng, thép làm hai việc chính: tạo thành bộ khung cột và dầm gánh sức nặng của các tầng, và cùng bê tông tạo thành lõi cứng giữ cho toà nhà không lắc quá mức khi gió mạnh hay động đất. Tường kính bên ngoài gần như không đỡ gì cả, nó chỉ treo vào khung như một chiếc áo. Bí quyết của nhà cao tầng không chỉ là thép chắc, mà là đặt thép đúng chỗ, đúng hình dạng.

Ba lực mà một toà tháp phải chống lại

• Trọng lực: sức nặng của chính toà nhà, người, đồ đạc, nước trong bể. Lực này đè thẳng xuống, các cột ở tầng dưới cùng phải gánh tất cả các tầng phía trên.
• Gió: càng lên cao gió càng mạnh. Gió đẩy ngang vào mặt toà nhà, như bàn tay đẩy vào một cây sào cắm đứng. Với nhà rất cao, gió thường là thứ khó tính hơn cả trọng lực.
• Động đất: mặt đất rung lắc qua lại, chân toà nhà bị kéo theo còn phần trên muốn đứng yên, tạo ra những lực ngang dữ dội.

Nhà thấp vài tầng chủ yếu lo trọng lực. Nhà càng cao, lực ngang càng trở thành chuyện chính. Hầu hết các ý tưởng hay trong thiết kế nhà chọc trời là để trả lời câu hỏi: làm sao để nó không đổ, không gãy, và không lắc tới mức người bên trong say sóng.

Từ tường gạch dày tới bộ khung thép

Trước khi có khung thép, nhà cao được xây bằng tường gạch chịu lực: tường vừa là vỏ vừa là cột. Muốn xây cao, tường tầng dưới phải dày thêm mãi, chiếm hết chỗ và chặn hết ánh sáng. Có những toà nhà gạch cao hơn chục tầng ở cuối thế kỷ 19 mà tường tầng trệt dày gần hai mét.

Toà nhà Home Insurance ở Chicago (Mỹ), hoàn thành năm 1885, cao 10 tầng, thường được coi là toà nhà chọc trời đầu tiên vì sức nặng của nó do một bộ khung kim loại bên trong gánh, chứ không phải do tường. Tường chỉ còn là lớp vỏ. Từ ý tưởng ấy, nhà cao lên nhanh chóng: tường mỏng đi, cửa sổ to ra, và cuối cùng cả mặt ngoài có thể là kính.

Vì sao dầm thép có hình chữ I

Bạn sẽ thấy ở công trình những thanh thép có mặt cắt như chữ I in hoa (hoặc chữ H). Đó không phải ngẫu nhiên.

Nhớ lại khi một thanh dầm bị uốn: mặt trên bị nén mạnh nhất, mặt dưới bị kéo mạnh nhất, còn phần giữa gần như "thảnh thơi". Vậy thì đặt nhiều thép ở trên và dưới (hai bản cánh), còn ở giữa chỉ cần một bản mỏng nối chúng (bản bụng). Cùng một lượng thép, dầm chữ I cứng hơn rất nhiều so với một thanh thép đặc vuông vức.

Nguyên lý này bạn có thể kiểm tra bằng chiếc thước kẻ ở phần "Thử làm" phía dưới.

Lõi cứng: xương sống của toà tháp

Đi vào một toà nhà cao, bạn sẽ thấy thang máy, cầu thang bộ, đường ống đều tập trung ở giữa mỗi tầng. Khu này được bao bằng những bức tường bê tông cốt thép rất dày chạy suốt từ móng lên đỉnh, gọi là lõi. Lõi giống như một cái ống khổng lồ, rỗng ở giữa nhưng cực kỳ cứng, chống lại gió đẩy ngang.

Các sàn tầng nối lõi với hàng cột ngoài. Ở những toà rất cao, cứ vài chục tầng người ta lại làm một tầng kỹ thuật có những dầm thép khổng lồ chìa từ lõi ra tới cột ngoài, như cánh tay giang ra, để lõi và cột ngoài cùng nhau chống lật. Kỹ sư gọi là dầm "outrigger", theo tên thanh gỗ chìa ra giữ thăng bằng cho thuyền độc mộc.

Thép, bê tông, hay cả hai?

Kiểu kết cấu	Ưu điểm	Điều cần lo
Khung thép	Nhẹ, dựng nhanh, các cấu kiện làm sẵn ở nhà máy rồi bắt bu lông, hàn tại chỗ	Phải bọc chống cháy, chống gỉ; thép đắt
Bê tông cốt thép	Chịu lửa tốt, nặng nên ít rung, vật liệu sẵn có	Đổ từng tầng nên lâu hơn; nặng nên móng phải lớn
Kết hợp (lõi bê tông, khung thép hoặc cột thép bọc bê tông)	Lấy ưu điểm của cả hai	Thiết kế và thi công phức tạp hơn

Nhiều toà tháp cao nhất thế giới hiện nay dùng kiểu kết hợp hoặc bê tông cốt thép cường độ cao. Ở Việt Nam, đa số nhà cao tầng dùng bê tông cốt thép với lõi cứng ở giữa, trong đó thép nằm bên trong dưới dạng hàng nghìn tấn thanh thép có gân. Toà Landmark 81 ở Thành phố Hồ Chí Minh, cao khoảng 461 m, là toà nhà cao nhất Việt Nam.

Nhà cao lắc lư, và như thế là đúng

Nghe có vẻ đáng sợ, nhưng nhà cao tầng được thiết kế để uốn nhẹ theo gió rồi trở về, như thân cây tre. Một thứ cứng ngắc không chịu uốn sẽ dễ gãy hơn. Thép có tính dẻo dai: nó cong được một chút mà không gãy, rồi bật lại. Đây là một lý do thép được tin dùng ở vùng động đất.

Vấn đề là cảm giác của người ở trên cao. Nếu đỉnh nhà lắc qua lại đều đều, người ở tầng trên có thể chóng mặt, nước trong cốc sóng sánh. Một số toà tháp vì thế treo ở gần đỉnh một khối nặng khổng lồ gọi là bộ giảm chấn. Nổi tiếng nhất là quả cầu thép nặng khoảng 660 tấn treo trong toà Taipei 101 (Đài Loan). Khi toà nhà nghiêng về một phía, quả cầu do quán tính lại đung đưa ngược chiều, kéo toà nhà về, làm dịu bớt rung lắc. Quả cầu này đã trở thành điểm tham quan.

Ngoài ra, hình dáng toà nhà cũng được "gọt" cho gió: góc vát, thắt dần lên đỉnh, hay xoay nhẹ từng tầng để gió không tạo được những luồng xoáy đều đặn làm nhà rung.

Thép sợ lửa: lớp áo chống cháy

Thép không cháy, nhưng khi bị nung nóng, nó yếu đi nhanh. Ở khoảng 550–600 °C, nhiệt độ mà một đám cháy văn phòng có thể đạt tới, thép kết cấu chỉ còn khoảng một nửa sức chịu lực. Vì vậy cột và dầm thép trong nhà phải được bọc chống cháy: bọc bê tông, phun một lớp vữa xốp đặc biệt, ốp tấm chống cháy, hoặc sơn một loại sơn khi gặp lửa sẽ phồng lên thành lớp xốp cách nhiệt.

Đây cũng là lý do quy định phòng cháy với nhà cao tầng rất nghiêm: thang thoát hiểm kín khói, cửa chống cháy, hệ thống phun nước tự động. Khi ở trong nhà cao tầng, đừng chèn đồ chặn cửa thoát hiểm, đừng dùng thang máy khi có cháy.

Thử làm: hình dạng quan trọng hơn bạn nghĩ

1. Thước kẻ nằm và thước kẻ đứng.

1. Đặt một chiếc thước nhựa dài 30 cm nằm dẹt, hai đầu tựa lên hai chồng sách cách nhau khoảng 25 cm. Đặt một hộp bút ở giữa. Thước võng xuống rõ.
2. Giờ dựng thước đứng nghiêng (cạnh mỏng hướng lên), nhờ bạn giữ cho thước không đổ, rồi ấn nhẹ ở giữa. Thước gần như không võng.
3. Cùng một chiếc thước, cùng một lượng nhựa, chỉ khác cách đặt. Vật liệu nằm càng xa phần giữa theo hướng uốn thì càng cứng. Dầm chữ I tận dụng đúng điều này.

2. Tháp ống hút và bài thử "động đất".

1. Dùng ống hút giấy hoặc que kem và băng dính, dựng một tháp vuông bốn tầng, mỗi tầng một khung vuông.
2. Đặt tháp lên một tấm bìa trên bàn, lắc tấm bìa qua lại. Tháp vuông dễ xô lệch thành hình bình hành.
3. Thêm một thanh chéo vào mỗi mặt của từng tầng (tạo thành các tam giác). Lắc lại: tháp đứng vững hơn hẳn.
4. Thử dán một cục đất nặn nhỏ vào đỉnh tháp bằng một sợi chỉ treo lơ lửng bên trong. Quan sát xem tháp lắc có bớt đi không. Đó là phiên bản tí hon của bộ giảm chấn.

Ghi lại: tháp nào đứng được lâu nhất, thanh chéo đặt ở đâu là hiệu quả nhất. Kỹ sư kết cấu cũng làm đúng những phép thử như thế, chỉ là bằng máy tính và trong ống thổi gió.

Câu hỏi thường gặp

Nhà cao tầng dùng thép để làm gì?

Thép tạo khung cột và dầm gánh sức nặng các tầng, và nằm trong bê tông của lõi, sàn, cột để chịu lực kéo. Nhờ thép, toà nhà vừa chịu được trọng lượng lớn vừa chống được gió và động đất.

Vì sao dầm thép có hình chữ I?

Khi dầm bị uốn, mặt trên và mặt dưới chịu lực lớn nhất, phần giữa chịu ít. Hình chữ I dồn nhiều thép lên trên và xuống dưới, nối bằng một bản mỏng ở giữa, nên rất cứng mà tốn ít thép.

Nhà cao tầng có bị lắc khi gió to không?

Có, nhưng rất nhẹ và đã được tính trước. Toà nhà được thiết kế để uốn nhẹ rồi trở về như thân cây, nhờ đó không gãy. Một số toà còn có bộ giảm chấn để người bên trong không cảm thấy chòng chành.

Toà nhà chọc trời đầu tiên là toà nào?

Toà Home Insurance ở Chicago, hoàn thành năm 1885, cao 10 tầng, thường được coi là toà nhà chọc trời đầu tiên vì sức nặng của nó do khung kim loại gánh thay cho tường gạch.

Vì sao phải bọc thép chống cháy?

Thép không cháy nhưng yếu đi nhanh khi nóng. Ở khoảng 550 đến 600 °C, thép chỉ còn khoảng một nửa sức chịu lực. Lớp bọc chống cháy giúp khung nhà đứng vững đủ lâu để mọi người thoát ra và lính cứu hoả làm việc.