Houston, chúng ta có một vấn đề. "Thành phố vũ trụ" tự hào có 50 tòa nhà cao hơn 150 mét. Chúng được thiết kế để chống chọi với bão, mà Texas dễ bị ảnh hưởng. Nhưng vào ngày 16 tháng 5 năm 2024, một cơn bão derecho—một cơn bão gió lớn, kéo dài liên quan đến mưa rào hoặc giông bão di chuyển nhanh—đã gây ra thiệt hại bất ngờ cho nhiều tòa nhà cao tầng ở trung tâm thành phố. Tác động kinh tế xã hội là đáng kể, do gián đoạn giao thông, các doanh nghiệp tạm thời đóng cửa và nhu cầu sửa chữa.
Tín dụng: Pixabay/CC0 Public Domain
Tại sao thiệt hại về mặt kết cấu lại lớn hơn nhiều so với dự kiến? Một nghiên cứu mới trên Frontiers in Built Environment hiện đã đưa ra câu trả lời cho câu đố này. Những phát hiện của nghiên cứu này mang lại bài học cho thiết kế tương lai của các tòa nhà cao tầng và quy hoạch các trung tâm thành phố, không chỉ ở Houston.
Tiến sĩ Amal Elawady, phó giáo sư tại Đại học Quốc tế Florida và là một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết: "Ở đây chúng tôi chỉ ra rằng một loại gió mạnh cục bộ có tên là 'gió giật xuống', được tạo ra trong cơn bão derecho vào tháng 5, có thể tác động đáng kể đến các tòa nhà cao tầng và mặt tiền do những đặc điểm riêng biệt của chúng so với bão".
Gió giật xuống là luồng gió mạnh thổi xuống theo mọi hướng khi chạm đất—và đó là lý do tại sao gió thường mạnh hơn nhiều ở tầng trệt của các tòa nhà cao tầng.
Elawady dẫn đầu một dự án nghiên cứu sử dụng cơ sở thử nghiệm "Bức tường gió" thuộc Cơ sở hạ tầng nghiên cứu kỹ thuật rủi ro thiên nhiên để nghiên cứu tác động của gió giật xuống các tòa nhà cao tầng và thấp tầng so với bão.
Một cơn gió dữ
Tại đây, các tác giả đã phân tích tác động của cơn bão derecho tháng 5 lên năm tòa nhà mang tính biểu tượng ở Houston: Tòa nhà Chevron Building Auditorium, Trung tâm thương mại CenterPoint Energy Plaza, Tòa nhà El Paso Energy, Trung tâm thương mại RRI Energy Plaza và Tháp Wedge International.
Được xây dựng từ năm 1962 đến năm 2003, những tòa nhà cao tầng này cao từ 158 đến 226 mét. Tất cả đều tuân thủ tiêu chuẩn xây dựng quy định rằng các tòa nhà cao tầng phải được thiết kế để chịu được sức gió lên đến 67 mét một giây, tương ứng với bão cấp 4.
Tốc độ gió đo được ở trung tâm thành phố Houston trong cơn bão derecho không đạt gần đến tiêu chuẩn xây dựng này, vì chúng đạt đỉnh ở mức 40 mét/giây. Tuy nhiên, như minh họa trong nghiên cứu, các tấm ốp mặt tiền trên những tòa nhà cao tầng này đã bị bong ra trong khi lớp ốp bị hư hỏng, đặc biệt là ở các góc và tầng thấp hơn. Nhiều cửa sổ bị nứt hoặc vỡ, làm rơi các mảnh vỡ nguy hiểm xuống đường phố.
Ngược lại, những tòa nhà cao tầng này chỉ chịu thiệt hại tối thiểu trong cơn bão Beryl đổ bộ vào Houston vào ngày 8 tháng 7 năm 2024. Tốc độ gió tối đa đo được ở trung tâm thành phố Houston trong cơn bão Beryl là 36 mét/giây, tương đương với gió derecho.
Nhìn xem gió thổi theo hướng nào
Các nhà nghiên cứu tiến hành mô phỏng các luồng gió mạnh và bão tại cơ sở thử nghiệm Wall of Wind, nơi có 12 quạt phản lực có thể tạo ra tốc độ gió lên tới 70 mét mỗi giây. Những luồng gió này được thổi vào một mô hình thu nhỏ đang quay tượng trưng cho một tòa nhà cao tầng theo tỷ lệ 1:350. Một mô hình thu nhỏ giống hệt đứng ở khoảng cách tăng dần từ 0,14 đến 0,70 mét so với mô hình đầu tiên, để mô phỏng sự can thiệp từ các tòa nhà lân cận.
Các tác giả đã so sánh hai điều kiện khác nhau về sự thay đổi của tốc độ gió trung bình theo thời gian: tốc độ trung bình không đổi đặc trưng của bão và tốc độ lúc đầu tăng nhanh, đạt đến mức ổn định, rồi giảm dần, đặc trưng của gió giật xuống. Kết quả cho thấy có lực hút lớn hơn nhiều ở hai bên tòa nhà trong các sự kiện gió giật xuống so với bão.
"Khi gió mạnh thổi qua một thành phố, chúng có thể nảy lên do sự giao thoa giữa các tòa nhà cao tầng. Điều này làm tăng áp lực lên tường và cửa sổ, khiến thiệt hại nghiêm trọng hơn so với khi các tòa nhà bị cô lập", Omar Metwally, một nghiên cứu sinh tiến sĩ và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết.
"Ngoài ra, gió giật xuống tạo ra lực cục bộ mạnh có thể vượt quá giá trị thiết kế thông thường của bão, đặc biệt là ở các tầng thấp của các tòa nhà cao tầng."
Hiệu ứng kép này của sự can thiệp và sự bùng nổ xuống các tòa nhà cao tầng có khả năng sẽ sớm trở thành một vấn đề thậm chí còn tồi tệ hơn, vì biến đổi khí hậu do con người gây ra đã và đang ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng đến Houston. Vịnh Mexico đang ấm lên ở mức 0,19°C mỗi thập kỷ, gấp đôi tốc độ của đại dương toàn cầu. Nhiệt độ cao hơn được dự đoán sẽ mang lại thời tiết khắc nghiệt thường xuyên hơn và nghiêm trọng hơn.
"Việc tính đến những tác động độc đáo của gió giật xuống và gió dông trong derechos là điều cần thiết trong quy hoạch đô thị và thiết kế xây dựng, để bảo vệ các tòa nhà cao tầng khỏi bị hư hại. Các hướng dẫn xây dựng hiện tại cho mặt tiền nên được đánh giá lại để phản ánh điều này", Metwally kết luận.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
