Nhật Bản chống động đất như thế nào?

Cảnh tượng các tòa nhà biến thành đống đổ nát đã được công bố khắp thế giới sau khi trận động đất mạnh 7,5 độ Richter xảy ra ở tỉnh Ishikawa trên bờ biển phía Tây Nhật Bản hôm 1/1. Mức độ thiệt hại vẫn chưa được xác định, nhưng 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 vì nó chưa bao gồm thiệt hại tại thành phố Wajima - thành phố với hơn 27.000 dân , chỉ cách tâm chấn trận động đất 32 km - nơi các quan chức sở cứu hỏa cho biết khoảng 200 tòa nhà đã bị thiêu rụi.

Các báo cáo này nói lên những bi kịch mà nhiều cư dân trong khu vực phải đối mặt. Nhưng những trận động đất có cường độ tương tự ở những nơi khác trên thế giới - như trận động đất mạnh 7,6 độ Richter gây ra sự sụp đổ của hơn 30.000 tòa nhà ở Kashmir (Ấn Độ) vào năm 2005 - thường có sức tàn phá lớn hơn nhiều.

Ông Robert Geller - Giáo sư danh dự về địa chấn học tại Đại học Tokyo cho biết, ngược lại, Ishikawa có thể đã vượt qua một cách nhẹ nhàng. Các tòa nhà hiện đại dường như hoạt động rất tốt, trong khi những ngôi nhà cũ với mái ngói đất sét ở tình trạng tồi tệ hơn.

Một câu ngạn ngữ về thiết kế địa chấn cho rằng, động đất không giết người, nhưng các tòa nhà thì có. Và tại một trong những quốc gia thường xuyên xảy ra động đất nhất thế giới, các kiến trúc sư, kỹ sư và nhà quy hoạch đô thị từ lâu đã cố gắng chống lại các trận động đất lớn ở các thị trấn và thành phố bằng cách kết hợp trí tuệ cổ xưa, sự đổi mới hiện đại và các quy tắc xây dựng ngày càng phát triển.

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 đã tiến bộ vượt bậc kể từ trận động đất lớn Kanto, san phẳng phần lớn Tokyo và Yokohama cách đây nhiều năm.

Nguyên tắc này đã được áp dụng ở Nhật Bản trong nhiều thế kỷ. Nhiều ngôi chùa bằng gỗ truyền thống của đất nước vẫn trụ vững sau các trận động đất, trong khi các công trình kiến trúc hiện đại thì không. Lấy ví dụ về kiến trúc cao 55 mét của chùa Toji được xây dựng vào thế kỷ 17 gần Kyoto – khi ngôi chùa nổi tiếng vẫn còn nguyên vẹn sau trận động đất lớn Hanshin năm 1995, trong khi nhiều tòa nhà gần đó sụp đổ.

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 tỷ lệ xảy ra 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.

Cho dù được neo xuống đất, tựa trên dầm hay treo lơ lửng từ trên cao, những cột trụ này uốn cong trong khi các tầng riêng lẻ của tòa nhà di chuyển theo hướng ngược lại với các tầng lân cận. Chuyển động lắc lư được tạo ra giúp chống lại lực chấn động và được hỗ trợ bởi các khớp nối lồng vào nhau và các giá đỡ lỏng lẻo cũng như mái hiên rộng.

Bài học sau thảm họa

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. Mặc dù Nhật Bản áp đặt giới hạn chiều cao nghiêm ngặt là 31 mét cho đến những năm 1960, nhưng do sự nguy hiểm của thiên tai, các kiến trúc sư đã được phép xây dựng cao hơn. Ngày nay, Nhật Bản có hơn 270 tòa nhà cao hơn 150 mét (nhiều thứ năm trên thế giới), theo dữ liệu từ Hội đồng Nhà cao tầng và Môi trường sống đô thị.

Bằng cách sử dụng khung thép để tăng thêm tính linh hoạt cho 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.

Nhưng đối với nhiều nơi không có tòa nhà chọc trời ở Nhật Bản như Wajima, khả năng chống động đất chủ yếu là bảo vệ các tòa nhà thấp tầng, 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.

Các trường kiến trúc Nhật Bản đã đảm bảo rằng, sinh viên được trang bị nền tảng về cả thiết kế và kỹ thuật kết cấu. Trong 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 phù hợp.

Bà Mazereeuw - người chỉ đạo Phòng thí nghiệm Rủi ro Đô thị của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) - cho biết, quá trình này bắt nguồn từ ít nhất là vào thế kỷ 19, giải thích sự phá hủy trên diện rộng các tòa nhà bằng gạch và đá kiểu châu Âu trong trận động đất Mino-Owari năm 1891 và trận động đất lớn Kanto năm 1923 đã dẫn đến các luật mới về quy hoạch thành phố và các tòa nhà đô thị.

Sự phát triển từng phần của các quy định xây dựng tiếp tục diễn ra trong suốt thế kỷ 20. Nhưng một bộ luật được đưa ra vào năm 1981 có tên “Bản sửa đổi tiêu chuẩn xây dựng chống động đất mới” đã chứng tỏ một bước ngoặt.

Bộ luật đặt ra các yêu cầu cao hơn về khả năng chịu tải của các tòa nhà mới và yêu cầu “độ trôi” lớn hơn (số tầng có thể dịch chuyển so với nhau), trong số 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 bán hơn với chi phí bảo hiểm đắt hơn đáng kể.

Thử nghiệm thực sự đầu tiên về các quy định 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, theo Cơ quan Giảm nhẹ và Phục hồi thiên tai toàn cầu.

Đổi mới và chuẩn bị

Trận động đất năm 1995 đã khơi dậy một nỗ lực trên toàn quốc nhằm trang bị thêm các tòa nhà cũ theo tiêu chuẩn năm 1981 - một quá trình mà các quan chức thành phố đã khuyến khích thông qua các khoản trợ cấp. 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 được bện bằng hàng nghìn thanh sợi carbon để neo trụ sở chính của công ty - chỉ cách tâm chấn của trận động đất mới nhất hôm 1/1/2024 137 km - xuống đất như một cái lều. Gần đây hơn, anh đồng thiết kế một tòa nhà mẫu giáo ở phía Nam tỉnh Kochi, nơi có 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), một loại gỗ kỹ thuật mới mà những người ủng hộ nó tin rằng có thể thay đổi cách xây dựng các tòa nhà cao tầng.

Mô hình máy tính tiên tiến cũng cho phép các nhà thiết kế mô phỏng điều kiện động đất và xây dựng phù hợp. Tuy nhiên, rất may, giới hạn của hầu hết các tòa nhà có khả năng chống chọi với thiên tai vẫn chưa bao giờ được thử nghiệm trong thực tế.

Giáo sư Geller 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 sẽ không biết liệu những mô phỏng đó có chính xác hay không cho đến khi một trận động đất lớn xảy ra. Nếu chỉ cần một trong những tòa nhà cao tầng đó sụp đổ thì thiệt hại sẽ rất lớn”.

“Ông Miho Mazereeuw – Phó Giáo sư kiến trúc và đô thị tại MIT cho biết: “Chúng ta sẽ thấy rất nhiều tòa nhà, đặc biệt là bệnh viện và các công trình quan trọng, nằm trên những vòng bi cao su để bản thân 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, chúng ta để tòa nhà chuyển động theo nó”.