Nghiên cứu biện pháp chống rơi cầu qua khảo sát hậu quả trận động đất Kumamoto ở Nhật Bản

PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh Trường Ðại học Giao thông vận tải\ Người phản biện: TS. Đào Duy Lâm PGS. TS. Nguyễn Viết Trung

TÓM TẮT: Trận động đất tại tỉnh Kumamoto, Nhật Bản tháng 4/2016 đã tàn phá rất nhiều công trình. Sau khi tiến hành khảo sát hư hỏng công trình trong trận động đất này, nhiều bài học kinh nghiệm trong thiết kế chống động đất nói riêng và chống sập đổ nói chung đã được đúc kết. Thiết bị chống rơi cầu là một thiết bị rất đơn giản, chi phí thấp nhưng nó đã cứu được rất nhiều công trình cầu ở tỉnh Kumamoto không bị sập đổ. Nếu áp dụng triệt để thiết bị chống rơi cầu trong thiết kế công trình cầu ở Việt Nam, sẽ phòng tránh được rủi ro sập đổ cầu có thể xảy ra không chỉ trong động đất mà cả trong quá trình thi công hay khai thác công trình.

TỪ KHÓA: Thiết bị chống rơi cầu, sập đổ, động đất.

ABSTRACT: The earthquake in Kumamoto Prefecture of Japan in April 2016 destroyed a lot of construction works. After conducting survey construction works damaged in the earthquake, many lessons learned in designing earthquake resistant in particular and anti-collapse in general have been concluded. Anti-collapse device is a very simple device and low cost, but it has saved a lot of bridges in Kumamoto from collapse. If applied strictly this anti-collapse device design in bridge constructions of Vietnam, it will prevent bridge from collapsed risks that can occur not only due to earthquakes but also due to process of construction or service.

 KEYWORDS: equipment against falling demand, collapse, earthquake.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Kumamoto là một tỉnh nằm ở cuối phía Nam của Nhật Bản, nơi có một hệ thống đứt gãy với các nhánh hoạt động theo hai hướng. Theo thời gian, các trận động đất xảy ra với tâm chấn di chuyển từ phía Tây sang Đông. Động đất Kumamoto tháng 4/2016 bao gồm một loạt các trận động đất, trong đó trận động đất chính xảy ra vào lúc 01h25 ngày 16/4/2016 với cường độ 7,0Mw. Theo Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), tâm chấn của trận động đất nằm gần TP. Kumamoto trên đảo Kyushu, Nhật Bản và ở độ sâu chỉ 10km. Trước đó, một cơn tiền chấn 6,2 độ Mw xảy ra lúc 21h26 ngày 14/4/2016 tại độ sâu 11km.

Hai trận động đất liên tiếp này đã làm chết ít nhất 42 người, làm bị thương khoảng 3.000 người, gây thiệt hại nghiêm trọng đến cơ sở hạ tầng của tỉnh Kumamoto. Hàng loạt công trình công cộng bị hư hỏng nặng nề, các trạm điện ngừng hoạt động, các cầu bị sập và mặt đất bị nứt toạc thành những khe rộng. Cư dân gần một con đập đã phải sơ tán vì chính quyền quan ngại đập bị vỡ.

Sau trận động đất ở tỉnh Kumamoto 3 tháng, tháng 7/2016, tác giả đã tiến hành nghiên cứu khảo sát hư hỏng công trình do trận động đất. Kết quả khảo sát cho thấy, nhiều cây cầu bị hư hại trong trận động đất Kumamoto, nhưng hầu hết chúng không bị thiệt hại nghiêm trọng. Có được điều này là nhờ nỗ lực trong thiết kế kháng chấn trong hai thập kỷ qua kể từ trận động đất Kobe năm 1995, tiêu chuẩn thiết kế của Nhật Bản đã được cập nhật nhiều lần, một số thiết bị đơn giản và hữu hiệu đã được đưa vào trong thiết kế. Một thiết bị đơn giản mà rất hữu hiệu trong việc chống sập đổ đã được ghi nhận trong lần khảo sát hậu quả động đất này, đó là thiết bị chống rơi cầu, đã cứu được rất nhiều công trình không bị sập đổ ở tỉnh Kumamoto. Bài báo trình bày hiệu quả của thiết bị chống rơi cầu trong trận động đất tại tỉnh Kumamoto và đặt vấn đề áp dụng nó để phòng tránh sập đổ cho các công trình cầu ở Việt Nam.

Hình 1.1: Vị trí tỉnh Kumamoto và cảnh hư hỏng nhà dân trong trận động đất tháng 4/2016

2. HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ CHỐNG RƠI CẦU ĐỐI VỚI CÁC CÔNG TRÌNH CẦU BỊ HƯ HỎNG TRONG TRẬN ĐỘNG ĐẤT KUMAMOTO, NHẬT BẢN

2.1. Cầu Okirihata

Khu vực Nishihara nằm trên đới đứt gãy Futagawa trượt đi khoảng 2m tại mặt đất. Các hoạt động của đứt gãy Futagawa gây ra thiệt hại nghiêm trọng đến cầu đường như cầu Okirihata, đường giao thông trên đập Okirihata, hầm Tawarayama. Cầu Okirihata, cầu Kuwatsuru, cầu Oginosaka và cầu Tawarayama bị hư hỏng nặng sau chấn lớn. Do sạt lở đất ở khu vực gần cầu, mặt đất bị dịch chuyển và biến dạng (Hình 2.1b), làm các dầm bị dịch chuyển mạnh (1,2m). Tuy nhiên, kết quả khảo sát cho thấy, mặc dù các dầm bị dịch chuyển lớn, các thiết bị chống rơi cầu bị hư hỏng nặng, nhưng các thiết bị đã kiềm chế sự dịch chuyển của dầm cầu giúp cho dầm không bị rơi xuống (Hình 2.1d).

Hình 2.1: Hư hỏng cầu Okirihata

2.2. Cầu cạn Kiyamagawa

Khảo sát cầu Kiyamagawa nằm trên đường cao tốc Kyushu cho thấy, cầu đã bị hư hỏng nhưng không bị sập đổ. Nhờ có thiết bị liên kết giữa các dầm giản đơn (Hình 2.2b), dịch chuyển của các dầm bị kiềm hãm lại, do đó cầu đã ít bị thiệt hại hơn và công tác phục hồi của cầu này sẽ cần ít thời gian và nguồn lực hơn.

Hình 2.2: Cầu cạn Kiyamagawa

2.3. Cầu Shirakawa

Khảo sát cầu Shinakawa cho thấy, mặc dù vị trí cầu này gần cầu Okirihata đã bị hư hỏng nặng, nhưng cầu Shinakawa hầu như không bị hư hại. Thiết bị liên kết giữa dầm và mố (Hình 2.3b) đã giữ cho cầu không bị dịch chuyển.

Hình 2.3: Cầu Shinakawa

3. MỘT SỐ VÍ DỤ SẬP ĐỔ CẦU Ở VIỆT NAM

Sập đổ cầu là một trong những hiện tượng rủi ro, sập đổ một bộ phận hoặc toàn bộ công trình do các các yếu tố khách quan như động đất, lũ lụt hay các yếu tố chủ quan như sai sót thiết kế, sai sót thi công, thiếu sót trong quá trình khai thác.

Trong lịch sử ở nước ta chưa có một sự cố sập đổ cầu nào do động đất gây ra, tuy nhiên nhiều công trình cầu đã bị sập đổ do sai sót trong thiết kế, thi công hay thiết sót trong quá trình khai thác. Ngày 18/4/2010, bốn dầm thuộc cầu cạn Pháp Vân kéo dài (Hà Nội) bị đổ sập (Hình 3.1). Rất may sự cố xảy ra vào giờ nghỉ trưa, không có công nhân thi công nên không có thiệt hại về người. 

Hình 3.1: Hiện trường rơi dầm cầu cạn Pháp Vân kéo dài (Hà Nội) [6]

Ngày 12/3/2016, một chiếc sà lan chở cát đã tông phải trụ cầu Cơn Độ (Hà Tĩnh) khiến cầu bị sập (Hình 3.2). May mắn lúc đó không có người hay phương tiện nào trên cầu.

Hình 3.2: Hiện trường sập cầu Cơn Độ (Hà Tĩnh) [6]

Ngày 20/3/2016, cầu Ghềnh (Đồng Nai) bị tàu 800 tấn đâm vào trụ giữa làm trụ này bị phá hủy hoàn toàn (Hình 3.3), đồng thời cũng làm cho hai nhịp số 2 và số 3 sập xuống nước, cắt đứt tuyến đường sắt Bắc - Nam. Đây được xem là sự cố chưa từng xảy ra trong lịch sử ngành Đường sắt Việt Nam, khiến giao thông đường sắt cũng như đường thủy bị đình trệ, gây thiệt hại nặng nề cho cả nền kinh tế và làm cuộc sống người dân bị đảo lộn.

Hình 3.3: Hiện trường sập cầu Ghềnh (Đồng Nai) [6]

Ngày 9/8/2016, hai nhịp cầu Ô Rô nối vào đường Hồ Chí Minh bị sập hoàn toàn xuống sông sau khi được thông xe đầu năm (Hình 3.4). Cầu Ô Rô dài 84m, ngang 3,5m.  Sau khi cầu sập, người dân muốn vào đường Hồ Chí Minh phải đi theo con lộ bê tông cũ đã hư hỏng, cách vị trí cầu sập hơn 3km.

Hình 3.4: Hiện trường sập cầu Ô Rô (Cà Mau) [6]

Người kỹ sư luôn phải tìm cách phòng tránh các rủi ro sập đổ có thể xảy ra qua việc tìm hiểu nguyên nhân. Những biện pháp phòng tránh hợp lý sẽ được đưa ra sau những sự cố sập đổ, kể cả thay đổi tiêu chuẩn thiết kế cũng như hoàn thiện phương pháp phân tích, phương pháp tính toán để tăng độ chính xác, giảm thiểu các rủi ro đối với công trình. Tuy nhiên, điều quan trọng là trước những nguy cơ rủi ro sập đổ, nếu áp dụng những thiết bị phòng chống thích hợp hay áp dụng phương pháp thiết kế có nhiều tính dư hơn, thì kết cấu có thể sẽ bị hư hỏng ở một mức độ nào đó, nhưng sẽ không bị sập đổ, giảm thiểu được rất nhiều thiệt hại về con người và kinh tế.

4. ỨNG DỤNG THIẾT BỊ CHỐNG RƠI CẦU CHO PHÒNG CHỐNG SẬP ĐỔ CẦU Ở VIỆT NAM

Kết quả khảo sát khu vực Kumamoto cho thấy, nhờ có một số thiết bị liên kết giữa dầm cầu với mố cầu, giữa các dầm cầu với nhau mà đã kiềm hãm chuyển vị tương đối giữa kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới, đồng thời hấp thụ và phân tán lực ngang do động đất gây ra tác dụng lên các kết cấu, qua đó ngăn chặn được kết cấu cầu rơi khỏi trụ cũng như mất khả năng chống đỡ. Thiết bị chống rơi cầu là những thiết bị bảo vệ cuối cùng của hệ thống chống sập đổ, khi cầu gặp động đất bất ngờ. Dưới những tác động địa chấn, những thiết bị chống rơi cầu hợp lí có thể đảm bảo chắc chắn cho sự an toàn của kết cấu, tăng tính nguyên vẹn và tính cứng của kết cấu, làm cho lực địa chấn được phân tán tốt giữa các trụ. Nói cách khác, thiết bị chống rơi cầu có thể giúp ngăn ngừa sập đổ dầm từ hoạt động địa chấn một cách hiệu quả.

Đặc điểm của thiết bị chống rơi cầu là một thiết bị đàn hồi nhưng không làm giảm chức năng quay và truyền chuyển vị của gối cầu. Bên cạnh đó, hệ thiết bị chống rơi cầu không được gây trở ngại đến công tác kiểm tra, sửa chữa duy tu bảo dưỡng gối và mố trụ cầu.

* Một số dạng thiết bị chống rơi cầu cơ bản:

- Thiết bị chống rơi cầu bằng thanh PC hoặc thiết bị giảm chấn liên kết kết cấu phần trên với kết cấu phần dưới hoặc giữa các dầm với nhau (Hình 4.1);

- Thiết bị chống rơi cầu bằng dây xích (Hình 4.2);

- Thiết bị chống rơi cầu bằng hệ kết cấu ngăn chặn sự dịch chuyển (Hình 4.3);

- Thiết bị chống rơi cầu bằng thanh neo và ụ bê tông chặn (Hình 4.4).

Hình 4.1: Thiết bị chống rơi cầu bằng thanh PC hoặc thiết bị giảm chấn

Hình 4.2: Thiết bị chống rơi cầu bằng dây xích

Hình 4.3: Thiết bị chống rơi cầu bằng hệ kết cấu ngăn chặn sự dịch chuyển

Hình 4.4: Thiết bị chống rơi cầu bằng thanh neo và ụ bê tông chặn

Nguyên tắc thiết kế thiết bị chống rơi cầu đảm bảo thiết bị phải có sức kháng lớn hơn lực động đất thiết kế và chuyển vị nhỏ hơn chuyển vị thiết kế cho phép. Cụ thể là:

H_F = 1,5xR_d                                                                  (1) [3]

Trong đó:

H_F - Giá trị lực động đất thiết kế (kN).

R_d - Phản lực thẳng đứng do tác động của tĩnh tải (kN).

S_F = C_F x S_E                                                                   (2) [3]

Trong đó:

S_F - Chuyển vị lớn nhất;

S_E - Khoảng cách từ mép dầm tới mép ngoài của tường thân mố hay thân trụ, hoặc khoảng cách giữa hai mép dầm trong trường hợp kết cấu dầm treo;

C_F - Hệ số chuyển vị thiết kế của kết cấu chống sập đổ cho công trình cầu, thường được lấy bằng 0,75 theo tiêu chuẩn.

Thiết bị chống rơi cầu không chỉ áp dụng hiệu quả trong các trường hợp động đất mà còn có thể áp dụng trong những trường hợp sập đổ cầu nói chung. Do đó, thiết bị chống rơi cầu này sẽ rất hữu hiệu khi áp dụng để phòng tránh rơi cầu không chỉ do động đất mà còn do va xô hay các tải trọng bất thường khác, sẽ tránh cho kết cấu bị sập, gọi là “chống thảm họa”. Tuy nhiên, khi thiết kế thiết bị này để chống lực va xô, cần thay lực thiết kế địa chấn là lực va xô hay các lực tác động bất thường khác.

5. KẾT LUẬN

Trận động đất tại tỉnh Kumamoto, Nhật Bản ngày 14/4/2016 đã tàn phá rất nhiều công trình. Nhưng qua khảo sát hậu quả trận động đất này, chúng ta có thể học hỏi được nhiều bài học kinh nghiệm trong thiết kế chống động đất nói riêng và chống sập đổ nói chung. Thiết bị chống rơi cầu là một thiết bị rất đơn giản, chi phí thấp nhưng hiệu quả chống sập đổ của nó đã cứu được rất nhiều công trình cầu ở tỉnh Kumamoto, giúp cho chi phí sửa chữa giảm xuống và đặc biệt là cứu được sinh mạng con người. Nếu áp dụng triệt để thiết bị chống rơi cầu trong thiết kế công trình cầu ở Việt Nam, nó sẽ phòng tránh được rủi ro sập đổ cầu có thể xảy ra trong quá trình thi công hay khai thác công trình.

Tài liệu tham khảo

[1]. Japan Road Association (2002), Design Specification for Highway Bridges, Part V: Seismic Design, (tiếng Nhật).

[2]. Japan Society of Civil Engineers, Kansai Branch (2001), Report on unseating prevention system of bridges with shock absorber installed  (tiếng Nhật).

[3]. Japan Society of Civil Engineers (2002), Manual for Unseating prevention system design (tiếng Nhật).

[4]. Takeno S, Izuno K, Demand strength for unseating prevention cables of bridges based on relative velocity response spectra, Proceeding of the JSCE Earthquake Engineering Symposium, 2001: 26: 1165-1168 (tiếng Nhật).

[5]. Takeno S, Izuno K., Estimation of relative velocity response considering pounding between adjacent bridges during earthquake, Journal of Structural Mechanics and Earthquake Engineering, JSCE 2001: 668/I-54: 163-175 (tiếng Nhật).