Hành trình hàng nghìn năm phòng chống động đất của Nhật Bản với công nghệ xây dựng thông minh cho kiến trúc cao tầng

Sau trận động đất mạnh 7,6 độ xảy ra tại tỉnh Ishikawa ở phía tây bờ biển Nhật Bản vào ngày 2/1 vừa qua, cảnh tượng các tòa nhà biến thành đống đổ nát đã được truyền tải khắp thế giới. Mặc dù mức độ thiệt hại chưa được xác định rõ, nhưng ít nhất 270 ngôi nhà trong khu vực đã bị phá hủy và con số này có thể còn lớn hơn.

Theo giáo sư Robert Geller, một chuyên gia về địa chấn học tại Đại học Tokyo, Ishikawa cho biết, những ngôi nhà cổ truyền với mái ngói đất sét nung có tình trạng tồi tệ nhất. Tuy nhiên "hầu hết các ngôi nhà cho một gia đình, ngay cả khi bị hư hại, cũng không bị sập hoàn toàn". 

Trụ sở chính công ty dệt may Komatsu Matere được thiết kế với một "tấm màn" bằng sợi carbon bao quanh phòng ngừa động đất.

Sử dụng vòng bi linh hoạt - Yếu tố quan trọng bảo vệ các tòa nhà cao tầng khỏi thiên tai

Đối với một quốc gia thường xuyên xảy ra động đất nhất thế giới như Nhật Bản, các kiến trúc sư, kỹ sư và nhà quy hoạch đô thị đã nỗ lực để đối phó với các trận động đất lớn trong các đô thị bằng cách kết hợp kiến thức truyền thống, sự đổi mới hiện đại và áp dụng chặt chẽ các quy tắc xây dựng.

Các công nghệ xây dựng đã tiến bộ đáng kể từ đại thảm họa động đất Kanto tàn phá Tokyo năm 1923. Các công nghệ này bao gồm "bộ giảm chấn" quy mô lớn, như con lắc bên trong các tòa nhà cao tầng, cũng như hệ thống lò xo hoặc ổ bi cho phép các tòa nhà lắc độc lập với nền móng.

Tuy nhiên, những đổi mới chủ yếu tập trung vào một ý tưởng đơn giản đó là “độ linh hoạt”. Ví dụ, nhiều tòa nhà, đặc biệt là bệnh viện và các công trình quan trọng khác, được xây dựng trên vòng bi cao su để có khả năng lắc lư trong trường hợp động đất.

Hệ thống cách ly địa chấn tại cơ sở nghiên cứu của công ty kỹ thuật Shimizu Corporation (Tokyo).

Trả lời báo CNN, ông Miho Mazereeuw, Phó giáo sư kiến trúc và đô thị tại Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) cho biết, "Bạn sẽ thấy rất nhiều tòa nhà, đặc biệt là bệnh viện và các công trình quan trọng, nằm trên những vòng bi cao su này để tòa nhà có khả năng lắc lư. Thay vì chống lại chuyển động của Trái đất, bạn hãy để tòa nhà chuyển động theo nó”, ông Mazereeuw nói.

Ở Nhật Bản, nguyên tắc này đã được áp dụng trong nhiều thế kỷ. Nhiều ngôi chùa gỗ truyền thống của đất nước vẫn tồn tại sau các trận động đất. Một ví dụ nổi tiếng là ngôi chùa Toji ở gần Kyoto, cao 55 mét và được xây dựng vào thế kỷ 17. Ngôi chùa này vẫn nguyên vẹn sau trận động đất kinh hoàng ở Kobe vào năm 1995, trong khi nhiều tòa nhà lân cận đã sụp đổ.

Trước năm 1060, Nhật Bản áp đặt một giới hạn cao độ nghiêm ngặt cho các tòa nhà là 31m phòng nguy cơ động đất. Sau đó, tiêu chuẩn được nâng lên và các tòa nhà cao hơn được phép xây dựng. Ngày nay, Nhật Bản có hơn 270 tòa nhà cao hơn 150 mét, nhiều hơn bất kỳ quốc gia nào khác trên thế giới.

Bộ luật "shin-taishin” đã thay đổi toàn bộ cục diện

Trong suốt thế kỷ 20, các quy định xây dựng tiếp tục được nâng cấp và hoàn thiện hơn. Một bước ngoặt quan trọng xảy ra khi Luật "shin-taishin" hoặc "Bản sửa đổi tiêu chuẩn xây dựng chống động đất mới" được ban hành vào năm 1981. Đây là phản ứng trực tiếp sau trận động đất ngoài khơi Miyagi xảy ra vào năm 1978.

Luật này đặt ra các yêu cầu cao hơn về khả năng chịu tải của các tòa nhà mới, tiêu chuẩn về "độ trôi" (số tầng có thể dịch chuyển so với nhau) lớn hơn và nhiều vấn đề khác. Các tiêu chuẩn mới này đã cho thấy hiệu quả đáng kể, khiến những ngôi nhà được xây dựng trước năm 1981 trở nên khó bị sập và phải trả phí bảo hiểm đắt hơn nhiều.

Cuộc thử nghiệm thực sự đầu tiên về các quy định này diễn ra vào năm 1995 sau trận động đất lớn Hanshin đã gây ra sự tàn phá trên diện rộng ở phía nam tỉnh Hyogo. Kết quả rõ ràng cho thấy 97% các tòa nhà bị sập đã được xây dựng trước năm 1981.

Các tòa tháp "trọc trời" tại Tokyo, Nhật Bản.

Giáo sư Geller, Đại học Tokyo cho biết: "Có rất nhiều tòa nhà cao tầng và đã có rất nhiều nỗ lực để thiết kế chúng sao cho an toàn, nhưng những thiết kế đó chủ yếu dựa trên mô phỏng máy tính. Chúng ta có thể không biết liệu những mô phỏng đó có chính xác hay không cho đến khi một trận động đất lớn xảy ra."

Do đó, câu hỏi đã gây đau đầu cho các kỹ sư và nhà địa chấn học ở Nhật Bản từ lâu là: Điều gì sẽ xảy ra nếu một trận động đất lớn trực tiếp tấn công một thành phố như Tokyo, điều mà các quan chức ở thủ đô Nhật Bản đã cảnh báo có khả năng xảy ra với tỷ lệ 70% trong vòng 30 năm tới?

"Tokyo có thể khá an toàn. Nhưng không có cách nào biết chắc chắn điều đó cho đến khi trận động đất lớn tiếp theo thực sự xảy ra", ông Geller nói thêm. Bởi vậy, hiện tại các chuyên gia Nhật Bản vẫn đang miệt mài nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng nhà cửa để đối phó với sự phẫn nộ của mẹ thiên nhiên.