Một thế kỷ thay đổi kiến trúc công trình để chống động đất của Nhật Bản

Nhà chức trách Nhật Bản cho biết ít nhất 270 ngôi nhà bị phá hủy trong trận động đất vừa qua ở Ishikawa, trong khi trận động đất cùng cường độ ở Kashmir năm 2005 đã đánh sập hơn 30.000 tòa nhà.

Cảnh tượng các tòa nhà biến thành đống đổ nát đã được chiếu khắp thế giới sau trận động đất mạnh 7,6 độ xảy ra ở tỉnh Ishikawa bên bờ biển phía tây Nhật Bản hôm 2/1. Mức độ thiệt hại đầy đủ vẫn chưa được biết. Nhà chức trách cho biết ít nhất 270 ngôi nhà trong khu vực đã bị phá hủy, tuy nhiên con số cuối cùng có thể còn cao hơn nhiều.

Các báo cáo như vậy nói lên những thiệt hại mà nhiều cư dân trong khu vực phải đối mặt. Nhưng nếu so sánh thì những trận động đất có cường độ tương tự ở những nơi khác trên thế giới thường có sức tàn phá lớn hơn nhiều, chẳng hạn như trận động đất mạnh 7,6 độ đánh sập hơn 30.000 tòa nhà ở vùng Kashmir năm 2005.

Trong khi đó, Ishikawa có thể đã vượt qua động đất tương đối nhẹ nhàng – theo Robert Geller, giáo sư danh dự về địa chấn học tại Đại học Tokyo.

“Các tòa nhà hiện đại dường như thể hiện rất tốt”, ông Geller nói với CNN một ngày sau trận động đất ở Ishikawa, đồng thời lưu ý rằng những ngôi nhà cũ “với mái ngói đất sét nung” dường như ở tình trạng tệ nhất. “Hầu hết các ngôi nhà dành cho một gia đình, ngay cả khi bị hư hại, cũng không bị sập hoàn toàn”.

Tính linh hoạt mang lại cơ hội sống sót cao nhất

Có một câu ngạn ngữ ở Nhật Bản ý nói rằng, “động đất không giết người, mà là các tòa nhà”. Và tại một trong những 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 từ lâu đã cố gắng đối phó các trận động đất lớn ở các đô thị bằng cách kết hợp trí tuệ cổ xưa, sự đổi mới hiện đại và các quy tắc xây dựng liên tục được nâng cao.

Một tòa nhà ở Osaka, Nhật Bản đã được gia cố để bảo vệ khỏi động đất. Ảnh: Alamy

Từ “bộ giảm chấn” quy mô lớn, lắc lư như con lắc bên trong các tòa nhà chọc trời, đến hệ thống lò xo hoặc ổ bi cho phép các tòa nhà lắc lư độc lập với nền móng, công nghệ xây dựng đã tiến bộ vượt bậc kể từ trận động đất lớn Kanto san phẳng phần lớn Tokyo và Yokohama cách đây trên 100 năm.

Nhưng những đổi mới chủ yếu tập trung vào một ý tưởng đơn giản: tính linh hoạt mang lại cho các công trình cơ hội tồn tại lớn nhất.

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 thể lắc lư”.

“Về mặt khái niệm, tất cả đều quay trở lại ý tưởng rằng, thay vì chống lại chuyển động của Trái đất, bạn hãy để tòa nhà chuyển động theo nó”, ông Mazereeuw nói.

Nguyên tắc này đã được áp dụng ở Nhật Bản trong nhiều thế kỷ. Ví dụ, nhiều ngôi chùa bằng gỗ truyền thống của đất nước vẫn sống sót sau các trận động đất, ngay cả khi các công trình kiến trúc hiện đại bị phá huỷ. Ngôi chùa Toji cao 55 mét, được xây dựng vào thế kỷ 17 gần Kyoto là ngôi chùa nổi tiếng vẫn còn nguyên vẹn sau trận động đất Kobe khủng khiếp năm 1995, trong khi nhiều tòa nhà gần đó sụp đổ.

Ngôi chùa 5 tầng từ thế kỷ 17 ở chùa Toji ở Kyoto. Ảnh: Alamy

Kiến trúc truyền thống của Nhật Bản có nhiều điểm tương đồng với kiến trúc của nước láng giềng Hàn Quốc và Trung Quốc, mặc dù nó khác nhau ở chỗ phản ánh rủi ro động đất cao hơn ở đất nước này.

Đặc biệt, tỷ lệ tồn tại vượt trội của các ngôi chùa từ lâu đã được ghi nhận là nhờ “shinbashira” – những cây cột trung tâm làm từ thân cây và được các kiến trúc sư Nhật Bản sử dụng trong ít nhất 1.400 năm qua.

Cho dù được neo xuống đất, tựa trên dầm hay treo lơ lửng từ trên cao, những cột này có thể uống cong, dẻo trong khi các tầng riêng lẻ của tòa nhà di chuyển theo hướng ngược lại với các tầng lân cận. Kết quả là chuyển động lắc lư thường được so sánh với chuyển động của một con rắn đang trườn – giúp chống lại lực chấn động. Chuyển động đó được hỗ trợ bởi các khớp nối lồng vào nhau, các giá đỡ lỏng cũng như những mái hiên rộng.

Học từ những thảm kịch

Các tòa nhà ở Nhật Bản ngày nay có thể không hoàn toàn giống những ngôi chùa, nhưng những tòa nhà chọc trời thì chắc chắn là như vậy.

Cho đến những năm 1060, Nhật Bản vẫn áp đặt giới hạn chiều cao nghiêm ngặt là 31 mét do nguy hiểm động đất, nhưng sau đó các kiến trúc sư đã được phép xây dựng nhà cao hơn. Ngày nay, Nhật Bản có trên 270 tòa nhà cao hơn 150 mét, nhiều thứ năm trên thế giới.

Bằng cách sử dụng khung thép để tăng thêm tính linh hoạt cho kết cấu bê tông cứng, các nhà thiết kế nhà cao tầng càng được khuyến khích hơn nhờ sự phát triển của các đối trọng quy mô lớn và hệ thống “cách ly chân đế” (như các vòng bi cao su nói trên) hoạt động như bộ giảm xóc.

Công ty bất động sản là chủ đầu tư tòa nhà cao nhất Nhật Bản, mới khai trương tại khu Azabudai Hills ở Tokyo vào tháng 7 năm ngoái, tuyên bố rằng các tính năng thiết kế chống động đất của toà nhà – bao gồm cả bộ giảm chấn quy mô lớn – sẽ “cho phép các doanh nghiệp tiếp tục hoạt động” trong trường hợp xảy ra địa chấn mạnh tương đương trận động đất Tohoku có cường độ 9,1 độ năm 2011.

Tòa tháp tại khu Azabudai Hills ở Tokyo hiện là tòa nhà chọc trời cao nhất Nhật Bản, được ứng dụng các công nghệ an toàn, thích nghi với động đất. Ảnh: Getty Images

Nhưng đối với nhiều nơi ở Nhật Bản không có tòa nhà chọc trời, như Wajima, khả năng chống động đất chủ yếu là bảo vệ các tòa nhà thông thường, như nhà cửa, trường học, thư viện và cửa hàng. Và về mặt này, thành công của Nhật Bản phụ thuộc nhiều vào chính sách cũng như công nghệ.

Thứ nhất, các trường kiến trúc Nhật Bản đã đảm bảo rằng sinh viên được trang bị nền tảng về cả thiết kế và kỹ thuật.

Ông Mazereeuw cho biết: “Không giống như hầu hết các quốc gia, các trường kiến trúc Nhật Bản kết hợp kiến trúc với kỹ thuật kết cấu. Hai ngành này luôn gắn liền với nhau”.

Qua nhiều năm, các quan chức Nhật Bản cũng đã tìm cách rút kinh nghiệm từ mọi trận động đất lớn mà đất nước phải đối mặt, thông qua việc tiến hành khảo sát chi tiết và cập nhật các quy định xây dựng cho phù hợp.

Phó giáo sư Mazereeuw cho biết quá trình này bắt nguồn từ ít nhất là vào thế kỷ 19. Ông dẫn chứng, sự phá hủy hàng loạt đối với các tòa nhà bằng gạch và đá kiểu châu Âu trong trận động đất Mino-Owari năm 1891 và trận động đất Kanto năm 1923 đã dẫn đến các luật mới về quy hoạch thành phố và nhà đô thị.

Bước ngoặt – bộ luật “shin-taishin”

Sự phát triển của các quy định xây dựng tiếp tục diễn ra trong suốt thế kỷ 20. Nhưng phải đến khi một bộ luật được đưa ra vào năm 1981 có tên là “shin-taishin” hay “Bản sửa đổi tiêu chuẩn xây dựng chống động đất mới” – một phản ứng trực tiếp đối với trận động đất ngoài khơi Miyagi 3 năm trước đó – thì đó mới là một bước ngoặt.

Đặt ra các yêu cầu cao hơn về khả năng chịu tải của các tòa nhà mới và 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 đã tỏ ra hiệu quả đến mức những ngôi nhà được xây dựng theo tiêu chuẩn trước năm 1981 trở nên khó bắn và có phí bảo hiểm đắt hơn đáng kể.

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

Hệ thống cách ly địa chấn tại cơ sở nghiên cứu của công ty kỹ thuật Shimizu Corporation ở Tokyo. Ảnh: Bloomberg/Getty

Đổi mới và chuẩn bị

Trận động đất năm 1995 đã khơi dậy một nỗ lực trên toàn Nhật Bản nhằm trang bị thêm cho các tòa nhà cũ theo tiêu chuẩn năm 1981. Kể từ đó, sự đổi mới đã tiếp tục diễn ra trong nhiều thập kỷ, với việc các kiến trúc sư Nhật Bản thường dẫn đầu về thiết kế địa chấn.

Chẳng hạn, một trong những kiến trúc sư nổi tiếng nhất đất nước Kengo Kuma đã hợp tác với công ty dệt may Komatsu Matere vào năm 2016 để phát triển một “tấm rèm” bao gồm hàng nghìn thanh sợi carbon bện để neo trụ sở chính của công ty – chỉ cách tâm chấn của trận động đất hôm 2/1 khoảng 120km – xuống đất như một cái lều. Gần đây hơn, ông Kuma cũng thiết kế một trường mẫu giáo ở phía nam tỉnh Kochi với hệ thống tường kiểu bàn cờ chống động đất.

Ở những nơi khác, các kiến trúc sư hàng đầu của Nhật Bản như Shigeru Ban và Toyo Ito đã đi tiên phong trong việc sử dụng gỗ ghép nhiều lớp (CLT)

Cột chống địa chấn được sử dụng trong thiết kế nhà gỗ cổ ở Miyama, tỉnh Kyoto. Ảnh: Getty Images

Mô hình máy tính tiên tiến cũng cho phép các nhà thiết kế mô phỏng điều kiện động đất và xây dựng phù hợp.

Giáo sư Geller của 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 khiến các kỹ sư và nhà địa chấn học Nhật Bản đau đầu từ lâu vẫn là: Điều gì sẽ xảy ra nếu một trận động đất lớn tấn công trực tiếp vào một thành phố như Tokyo, điều mà các quan chức ở thủ đô Nhật Bản đã cảnh báo có tới 70% khả năng xảy ra trong 30 năm tới?

“Tokyo có lẽ 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.