NGHIÊN CỨU - ỨNG DỤNG

Thiết kế, vật liệu xây dựng nhà vùng gió bão

14/03/2011 - 10:19 SA

Đối với những khu vực thường xuyên bị bão và lốc xoáy tấn công, các công trình nhà ở thường bị phá hoại theo nhiều hướng tác động khác nhau.

Để có thể có được một kết cấu vững chắc và an toàn cho nhà ở vùng gió bão, chịu được những tác động trực tiếp của xoáy và lốc, rất cần ứng dụng thêm các kiểu thiết kế và vật liệu phù hợp.

Nhà cửa có nguy cơ bị hư hại nếu nằm trong vùng thường xảy ra gió bão. Cấp độ gió bão với vận tốc lớn có thể gây hư hại đến kết cấu công trình. Nguy cơ hư hại lớn hơn khi nhà có cấu trúc nhẹ, xuống cấp hoặc tường yếu. Nhà xây không được gia cường hoặc thi công kém cũng góp phần tăng nguy cơ này.

Những khu vực dân cư đô thị hay nông thôn tại các vùng có không gian thoáng, ven biển, ven sông là những nơi có nguy cơ hư hại cao khi gió bão. Một số địa hình hay bố trí khối kiến trúc có thể gây hiệu ứng “phễu gió”, hành lang gió làm tăng vận tốc gió, tăng nguy cơ hư hại cao hơn cho các công trình nhà. Mưa bão kèm theo lũ lụt, sạt lở đất hay sóng dâng là nguy cơ lớn đe dọa cuộc sống con người và gây tổn hại công trình.

Tại sao nhà đổ trong các cơn cuồng phong?

Khi nhà nằm trong đường đi của gió, tường chính diện hướng gió có xu hướng cản gió và áp lực gió tại đây tăng cao. Khi tốc độ gió là 250 km/h thì áp lực gió lên đến 300kg/m2. Lực này có thể làm đổ tường, phá vỡ cửa, cột hay hệ thống gia cường, thậm chí đẩy đổ toàn bộ công trình nhà. Cuồng phong có thể tấn công ngôi nhà không chỉ từ một hướng, do hướng gió bão luôn thay đổi.

Trong ngôi nhà có 4 tường và 2 mái, có thể xác định được áp suất đặt lên tường chính diện hướng gió, lực hút tại tường khuất gió, hai tường bên và hai mặt mái (trừ phi mái dốc đối diện hướng gió và có độ dốc lớn hơn 300, khi đó nó cũng chịu áp suất).

TS. Tạ Minh Hoàng

Nếu có khoảng trống ở tường chính diện hướng gió, áp suất lớn sẽ được hình thành trong nhà, và ở đó nó sẽ thổi qua các khu vực, tới tận tường phía sau. Áp suất bên trong được trợ giúp bởi lực hút bên ngoài (áp lực âm) ở toàn bộ tường và mái, trừ tường chính diện gió. Khi đó cả ngôi nhà sẽ bị thổi tung như một quả bóng vỡ. Toàn bộ mái sẽ bị bốc lên và thổi tung đi.

Khi gió tấn công còn xảy ra xoáy lốc.

Khi gió tấn công còn xảy ra xoáy lốc. Do gió luôn tìm cách thoát khỏi vật cản là tường chính diện, nó sẽ chạy quanh các góc nhà, phần nhô ra và tạo các xoáy lốc nhỏ. Đó là các cột không khí xoáy hình chóp ngược với lực hút mạnh ở đỉnh chóp. Nếu áp suất tại mặt chính diện gió là 300 km/h thì áp suất hút tại đỉnh lốc xoáy thường lớn hơn 600 kg/m2. Các lốc xoáy này thường không có áp suất ổn định, nó chỉ xuất hiện tại một diện tích nhỏ và sau đó tan biến nhanh chóng khi thoát khỏi các khu vực nhô ra (các góc, mái hiên, máng nước, nóc nhà, bờ mái...). Các lốc xoáy này sẽ giật tung các phần nhô ra, giật tung ngói, các tấm lợp, thổi tung máng nước...

Do gió không thổi ổn định một chiều cố định mà thay đổi hướng tức gió giật, khi đó liên kết tấm lợp mái có thể yếu đi và góc các tấm mái sẽ bị thổi tốc lên, tạo điều kiện hình thành các lốc xoáy và cứ như thế lần lượt bị thổi tung các tấm lợp mái.

Các mảnh vật liệu bị gió cuốn với tốc độ lớn trở thành các viên đạn bắn phá tiếp các bộ phận khác của ngôi nhà và do vậy cũng cực kỳ nguy hiểm cho người.

Lượng mưa lớn trút xuống trong mưa bão có thể gây xói đổ các tường xây chất lượng thấp, thậm chí làm trơ móng nhà. Mưa đá có thể phá vỡ các mái nhà.

Mưa bão lớn có thể gây lũ lụt và sạt lở đất, cuồng phong có thể làm nước biển dâng cao. Các tác động này có thể có hại lớn hơn nhiều so với mưa do tạo thành thác nước hay bùn đổ vào nhà. Tác động này có vẻ chậm hơn so với tốc độ gió nhưng đều có tác động phá hoại như nhau là hủy hoại ngôi nhà.

Một số giải pháp giúp giảm thiểu hư hại

Thiết kế: Việc lựa chọn vị trí cho công trình nhà có nhiều cây cao xung quanh, hoặc sau vật cản hướng gió chính (núi hay công trình khác) hay chiều cao thích hợp có thể giảm được áp lực gió tác động đến công trình nhà. Do vậy cần tránh các vị trí mà ở đó vận tốc gió có thể tăng hơn bình thường như tại các khe núi, hành lang gió, tránh xây các khối nhà song song có thể gây hiệu ứng “phễu gió” với vận tốc gió lớn.

Thiết kế nhà cần được tính chịu được áp lực gió sao cho sức bền gió của công trình phải chịu được các vận tốc gió. Trong khu vực thiết kế như vậy công trình sẽ không bị xô đổ hay bị thổi bay. Thông thường bộ phận xung yếu nhất của ngôi nhà thường là mái và các bộ phận của mái do nằm trên cao hay nhô ra. Trong gió bão, mái thường bị tốc do độ dốc mái hay phần mái hiên chìa chưa thích hợp. Nếu muốn có hiên rộng để tránh nắng và mưa hắt thì có thể thiết kế hiên không liền mái để mái nhà không bị hư hại khi bão lớn.

Nước ta thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa, bờ biển dài và núi non, sông ngòi nhiều do vậy ngoài khả năng chịu gió bão lớn khi thiết kế còn phải tính đến cả khả năng chống bị ngập lụt cho công trình nhà. Khi bị ngâm nước, khả năng chịu tải tác động của vật liệu và kết cấu công trình suy giảm.

l Vật liệu: Vật liệu và kết cấu phải chịu được các tải tác động theo thiết kế dựa trên cường độ nén, uốn, hệ số hóa mềm (suy giảm cường độ sau khi ngâm nước)... Các vật liệu thông dụng (như bê tông, bê tông cốt thép, kim loại, tre, gỗ, vật liệu compozit, gạch ngói, tấm lợp...) đều chứng tỏ khả năng bền gió bão khi được thi công đúng. Tuy nhiên để xác định khả năng bền của chúng với gió bão cần kiểm tra thêm một số thuộc tính của vật liệu theo một số các tiêu chuẩn (khả năng bền gió, bền gió tốc, bền va đập do rác bão...).

l Thi công: Ngôi nhà có khả năng bền vững hay không để chống chọi với gió bão phụ thuộc không nhiều vào vật liệu sử dụng mà phụ thuộc vật liệu đã được sử dụng theo cách như thế nào tức kỹ thuật thi công. Sự thật là ngôi nhà được xây dựng tốt và đúng kỹ thuật sẽ đem lại mức độ an toàn cao hơn.

Nhà ở dạng Modun Container cho vùng bão lũ - Hoa Kỳ

Những hư hại của các bộ phận kết cấu nhà (móng, tường, khung, mái...) do liên kết kém không chịu được tác động của gió bão. Do vậy, các liên kết tốt giữa móng và tường, tường với tường, tường với cửa sổ, của đi, tường và mái, các bộ phận của mái với nhau... quyết định tính toàn vẹn của công trình trước gió bão.

l Phòng chống và gia cường: Phòng chống và gia cường công trình nhà thường là biện pháp cuối cùng góp phần giảm nguy cơ hư hại trong gió bão và ngập lụt. Biện pháp thông thường để gia tăng khả năng chịu đựng của các bộ phận nhà là chằng mái, đặt vật nặng hoặc dùng vữa trát gia cường bờ mái, nóc mái, gia cố chống đỡ tường, giằng chống cửa sổ, cửa đi cho chắc hoặc dùng các tấm ván đóng che cửa kính...Các biện pháp này giúp gia cường chống áp lực đẩy và nâng gây tốc của gió, chống va đập của rác cuốn do gió lốc.

Tuy nhiên trong các trường hợp ngập lụt thì các biện pháp gia cường giằng chống nói trên ít có khả năng cải thiện sự suy giảm khả năng chịu lực của vật liệu và kết cấu trong công trình. Khả năng bền vững của công trình khi ngập nước chủ yếu phụ thuộc cường độ và hệ số hóa mềm của bản thân vật liệu, kết cấu.

Mẫu nhà di động Blob Vb3 (Hoa Kỳ)

Kiểm tra bền gió bão đối với công trình và vật liệu

Yêu cầu kỹ thuật đối với cửa sổ, tường, cửa đi và hệ thống chống va đập do rác bão (ASTM E1996 - 09 Standard Specification for Performance of Exterior Windows, Curtain Walls, Doors, and Impact Protective Systems Impacted by Windborne Debris in Hurricanes).

Xác định độ bền gió của mái ngói và bê tông với vận tốc gió 31 - 58 m/s.(ASTM C1569 - 03(2009) Standard Test Method for Wind Resistance of Concrete and Clay Roof Tiles (Wind Tunnel Method)).

Xác định độ bền gió cuốn của tấm lợp bitum (ASTM D7158-08b Standard Test Method for Wind Resistance of Sealed Asphalt Shingles (Uplift Force/Uplift Resistance Method).

Xác định độ bền gió của tấm lợp bitum với nhiều yếu tố: nhiệt độ, thời gian, độ dốc, rác bay... (ASTM D3161 - 09 Standard Test Method for Wind-Resistance of Asphalt Shingles).

Xác định độ bền gió của mái ngói và bê tông. ASTM C1570 - 03(2009) Standard Test Method for Wind Resistance of Concrete and Clay Roof Tiles(Air Permeability Method).

Yêu cầu kỹ thuật đối với kính phẳng nhiều lớp an toàn đối với bão, bền gió, bền nổ, đạn và cách âm... (ASTM C1172 - 09 Standard Specification for Laminated Architectural Flat Glass).

Yêu cầu kỹ thuật đối với kính phẳng tổng hợp (glass clad polycarbonate -GCP) an toàn bền gió, bão, nổ... (ASTM C1349 - 04 Standard Specification for Architectural Flat Glass Clad Polycarbonate).

Nhằm giảm thiểu nguy cơ hư hại công trình nhà trong vùng thiên tai (gió, bão, ngập lụt) cần có sự liên kết chặt chẽ tất cả các công đoạn liên quan đến công trình nhà: thiết kế - lựa chọn vật liệu - thi công - sử dụng (phòng chống và gia cường) nhằm có những giải pháp đúng đắn góp phần an toàn cho người sử dụng và nâng cao tuổi thọ công trình nhà. Cần thiết phải rà soát và biên soạn các tiêu chuẩn liên quan cũng như việc xây dựng cẩm nang hướng dẫn xây dựng nhà cho các vùng thường xuyên có thiên tai, và nhanh chóng đưa vào áp dụng.

TA_Theo TS. Tạ Minh Hoàng
Viện Vật liệu xây dựng – BXD
Nguồn ảnh: Tác giả và Internet
Theo tạp chí Kiến trúc Việt Nam số 12/2010