KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC

171

PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH TÁC ĐỘNG CỦA LỐC XOÁY LÊN CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ QUAN ĐIỂM PHÒNG CHỐNG

NGUYÊN NGỌC TINH * NGUYÊN QUỐC LÂM **

ABSTRACT

As in many countries in the world, tornadoes are dangerous hydrometeorological phenomena in Vietnam. In addition to velocity pressures, a tornado also causes a rapid change in atmospheric pressure, which can, in cases of closed or partially vented structures, produce direct differential pressure loading. In this paper, the authors present a review of worldwide and Vietnamese occurrence of tornadoes and a qualitative analysis of forces on building during tornadoes.

Key words: Tornadoes; Wind; Pressure; Buildings.

1. Mơ đâu

Lốc xoáy (vòi rồng - tornado) là một trong những hiện tượng thuỷ văn kỳ thú nhất trong tự nhiên, trong lốc xoáy vận tốc gió rất lớn (60 - 500 km/h) cũng như áp suất không khí thay đổi rất nhanh trong một phạm vi nhỏ. Những nơi lốc xoáy đi qua thường gây tác hại rất lớn, lốc xoáy phá hoại bất cứ những gì nằm trên đường đi của nó, một trong những đối tượng bị lốc xoáy phá hoại thường xuyên trên trái đất là những công trình xây dựng do con người tạo ra. Có thể nói lốc xoáy là một trong những loại hình thiên tai khủng khiếp nhất trên trái đất. Vì vậy nghiên cứu những tác động của lốc xoáy lên công trình xây dựng là mục đích của nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó Việt Nam. Lốc xoáy ở Việt Nam tuy không nhiều và dữ dội như một số nơi trên thế giới nhưng theo số liệu từ tài liệu tham khảo, [1], [2] và [3] thì lốc xoáy ở nước ta là rất đáng kể và xác suất xuất hiện của chúng lớn hơn hầu hết các nước trên thế giới chỉ sau miền trung – tây nước Mỹ và trung tâm Ác-hen-ti-na. Những năm gần đây các phương tiện thông tin nước ta đã đưa nhiều tin tức về sự tàn phá thảm khốc do lốc xoáy gây ra ở khắp mọi miền đất nước.

* TS, Trưởng phòng quản lý hoạt động xây dựng tỉnh Quảng Bình ** ThS, Trường Đại học Duy Tân

Bộ Giáo dục và Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân

172

2. Lôc xoay va sư pha hoai của lôc xoay

2.1 Khái niệm về lốc xoáy

Lốc xoáy là vùng gió xoáy trong phạm vi hẹp đường kính điển hình vào khoảng 100 – 300 m, nhưng cường độ rất mạnh (từ 60 Km/h đến 500 Km/h), xẩy ra trên đất liền hoặc trên biển do đám mây dông phát triển đặc biệt tạo ra – hình 1; hình 3, trong mây hình thành những cột xoáy không khí cực mạnh có trục nằm ngang.

Hình 1. Hình ảnh về lốc xoáy

Trong quá trình phát triển cột xoáy không khí chuyển dần từ nằm ngang sang thẳng đứng, rồi nhô ra khỏi chân mây và nhô dần tới mặt đất hoặc mặt biển (thường gọi là vòi rồng). Đôi khi cùng một khối mây dông có thể xuất hiện 2 hoặc 3 vòi rồng cùng một lúc. Trong lốc xoáy áp suất khí quyển rất thấp, trị số khí áp thấp nhất ở vùng trung tâm có thể xuống tới 800 hPa (áp suất khí quyển bình thường là 1010 hPa - 1hPa = 10daN/m2). Trong lốc, gió xoáy thường ngược chiều kim đồng hồ (giống như bão nhiệt đới). Phần tử không khí trong lốc vừa chuyển động tịnh tiến vừa quay tròn quanh tâm. Tâm của lốc thường đi theo đường thẳng, quãng đường đi của tâm lốc từ 500 m đến vài chục ki-lô-mét rồi mới tiêu tan. Kèm theo lốc thường có mưa rào, mưa dông lớn, một số trường hợp có mưa đá, đôi khi còn có hiện tượng mưa với các vật do lốc cuốn theo như: đất đá, cát bụi, cá v.v… .

Điều khác nhau giữa lốc xoáy và bão là lốc xoáy tuy cũng là cột gió xoáy song trên diện hẹp, với cường độ gió mạnh hơn hẳn bão, còn bão là cột gió xoáy với bán kính rộng hơn nhiều so với lốc (hàng trăm ki-lô-mét) và cường độ gió thấp hơn. Lốc xoáy có thể xảy ra ở bất kỳ vùng nào (đồng bằng, miền núi, miền biển…), miễn là vùng có dông. Còn bão xảy ra chủ yếu trên đại dương, từ đó tràn vào đất liền.

2.2 Thang cường độ lốc Fujita

Năm 1981 ở Mỹ người ta đề xuất một thang cường độ lốc được gọi là thang cường độ Fujita. Thang này được thành lập theo sự ước định hiện trường đã xảy ra do

KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC

173

lốc xoáy. Tuy nhiên các vết tích hiện trường không thể mô tả tính chất vật lý của lốc xoáy vì chúng đa dạng cả về cường độ lẫn đường kính (quy mô) của nó.

Thang cường độ lốc Fujita được chia thành 6 cấp (từ F0 - F5)

Bang 1. Thang cường độ lốc Fujita

Câp Tôc độ Biêu hiên

F0 60-110 km/h Cành cây nhỏ gãy, biển báo giao thông bị cong

F1 110-170 km/h Mái ngói bị tốc, xe hơi bị đẩy ngang

F2 170-240 km/h Cây ngã, xe nhỏ bị đẩy đi, nhà gỗ bị đổ

F3 240-320 km/h Tường đổ, xe tải và tàu hoả bị lật, vật nhẹ bị bốc lên cao

F4 320-410 km/h Nhà gạch bị đổ, xe hơi bị bốc lên cao, vật nặng bị mang đi

F5 410-500 km/h Nhà đổ, xe lớn và tàu hoả bị bay, mọi vật trên mặt đất bị cuốn đi

2.3 Nguyên nhân hình thành lốc xoáy

Lốc xoáy (vòi rồng) sinh ra do mây vũ tích (thường có trong cơn dông) phát triển mạnh, song không phải cứ có mây vũ tích là có thể sinh ra lốc xoáy. Để mây vũ tích phát triển và sinh ra lốc xoáy thì điều kiện đầu tiên là tầng kết khí quyển phải là dạng tầng kết không ổn định đối lưu mạnh, hoặc không ổn định có điều kiện.

Trước khi xuất hiện lốc xoáy thường quan sát thấy mây đối lưu phát triển mạnh, sau đó có một cột mây dày đặc hình phễu hạ từ đám mây đối lưu mạnh xuống dần dưới thấp. Do vậy, mây đối lưu phát triển mạnh là điều kiện tiên quyết để hình thành lốc xoáy[4].

2.4 Tình hình lốc xoáy ở một số nước trên thế giới

Lốc xoáy xuất hiện ở nhiều nơi trên thế giới, nhất là ở những vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Lốc xoáy có thể xuất hiện trên biển hoặc trên đất liền. Lốc xoáy thường xuất hiện trong mùa mưa bão khoảng từ tháng 4 đến tháng 11. Mỹ là nước chịu nhiều lốc xoáy nhất hành tinh, xem hình 2. Hàng năm ở Mỹ có khoảng 1.000 trận lốc xoáy quét theo một hành lang được gọi là “Tornado Alley” gồm miền Trung nước Mỹ, tại đây xác suất xuất hiện lốc xoáy vào khoảng 5 x 10-4/năm/km2 [3]. Hằng năm tại Mỹ lốc xoáy gây đã thiệt hại nặng nề, hàng trăm người chết, hàng ngàn người bị thương và thiệt hại về vật chất lên đến hàng trăm triệu đô la [5].

Ở Mỹ cường độ lốc xoáy cũng mạnh nhất thế giới, vận tốc gió cực đại xuất hiện trong lốc xoáy ở Mỹ có thể vượt quá 500km/h. Tốc độ gió lớn nhất từng được ghi nhận trên bề mặt địa cầu là 521km/h, tốc độ này người ta đã đo được vào ngày 3/5/1999 khi một trận lốc xoáy cấp F5 quét qua bang Oklahoma, gây thiệt hại nghiêm trọng cho bang - Trung tâm dự báo thời tiết quốc gia Mỹ đã khẳng định thông tin này.

Ngoài Mỹ là nước chịu nhiều lốc nhất, thì các nước khác như: Châu Âu, Nhật

Bộ Giáo dục và Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân

174

Bản, Băng-la-đét, Uc, Nam phi, Ac- hen- ti-na… cũng bị lốc xoáy tàn phá.

Hình 2. Mật độ phân bố khả năng xuất hiện lốc xoáy trên thế giới

Hằng năm ở châu Âu người ta đã quan sát được 329 cơn lốc xoáy xuất hiện trên đất liền và gần bờ biển, từ số liệu này người ta đã đánh giá là thực tế có thể xảy ra lớn hơn hai lần con số trên (khoảng 697 cơn lốc) [6]. Trong các quốc gia châu Âu thì Anh, Hà Lan và Đức là những quốc gia có nhiều lốc xoáy hơn cả. Hình 2.[3] cho ta thấy hình ảnh về sự phân bố lốc xoáy trên thế giới (những vùng chưa thể hiện là do hiếm có lốc xoáy hoặc không có số liệu).

2.5 Lốc xoáy ở Việt Nam

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, có hai mùa rõ rệt, mùa khô và mùa mưa. Những tháng cuối mùa khô, đầu mùa mưa (khoảng từ tháng 4 đến tháng 5), ở Nam Bộ mùa mưa muộn hơn ở phía Bắc (từ tháng 5 đến tháng 8) là những tháng “giao thời về hoàn lưu khí quyển dễ có điều kiện xuất hiện lốc xoáy, đặc biệt ở vùng núi do tác dụng của địa hình.

Lốc xoáy ở Việt Nam xuất hiện ở các nơi từ cực Bắc đến cực Nam, song tần suất xuất hiện ở các vùng khác nhau. Số liệu lốc xoáy thu thập được từ 1993 đến 2000 trên lãnh thổ Việt Nam được ghi trong bảng 2 và từ 2001 đến 2006 ghi trong bảng 3 sau đây

Bang 2. Lốc xoáy xuất hiện trong các tháng từ năm 1993 đến 2000 [1]

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Tổng số 5 4 21 91 79 26 25 27 18 16 3 2 317

Bang 3. Lốc xoáy xuất hiện trong các tháng từ năm 2001 – 2006 [2]

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Tổng số 1 4 22 78 68 15 15 14 8 6 3 1 235

KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC

175

Hình 3. Vòi rồng tại Vũng Tàu ngày 10-7-2009 - ảnh Nguyễn Hà Trang

Từ bảng 2 và bảng 3 cho thấy hàng năm chúng ta đã ghi nhận được khoảng 40 cơn lốc xoáy xuất hiện trên lãnh thổ Việt Nam (từ số liệu này có thể đánh giá là thực tế số lốc xoáy đã xảy ra gần gấp rưỡi con số trên). Như vậy với diện tích khoảng 330.000km2, tính trung bình tần suất xuất hiện lốc xoáy trên 1km2 ở Việt Nam là 1,2 x 10-4 năm/km2. So sánh với số liệu từ tài liệu tham khảo [3], tần suất này lớn hơn hầu hết các quốc gia khác trên thế giới, chỉ sau miền trung – tây nước Mỹ (5 x 10-4 năm/km2) và trung tâm Ác-hen-ti-na (từ 1 x 10-4 năm/km2 đến 2 x 10-4 năm/km2).

2.6 Cường độ lốc xoáy ở Việt Nam

Lốc xoáy ở Việt Nam không dữ dội như ở Mỹ và một số nơi khác trên thế giới. Song theo số liệu thống kê thực tế thì cường độ của lốc là đáng kể, cần phải quan tâm khi xây dựng các công trình quan trọng và đặc biệt quan trọng. Hiện nay chưa đủ số liệu để xem xét và xác định một cách đầy đủ nhưng theo sự miêu tả hư hại do lốc gây ra thì đa số các trận lốc xảy ra ở Việt Nam đều với cường độ cấp F1 (tức 110 km – 170 km/h, nó làm mái ngói bị tốc, xe hơi bị đẩy ngang hay lật) và cấp F2 (tức 170 – 240 km/h, cây đổ, xe hơi bị đưa đi một khoảng ngắn, nhà gỗ bị đổ) [1],[2]. Còn đối với mức F3 (tức 240 – 320 km/h, tường đổ, xe tải và tàu hoả bị lật, đồ vật bị bốc cao), ít khi xảy ra ở Việt Nam, song theo số liệu ghi nhận được trong thời gian qua thì cũng đã xảy ra vài lần [1].

2.7 Sự phá hoại của lốc xoáy

Có thể nói lốc xoáy là một trong những loại hình thiên tai khủng khiết nhất trên trái đất. Sự tàn phá của lốc xoáy thực sự là ghê gớm, lốc xoáy phá hoại bất cứ thứ gì

Bộ Giáo dục và Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân

176

nằm trên đường đi của chúng. Lốc xoáy làm đổ nhà, làm bật gốc cây cối, đẩy bay xe ô tô, lật đổ cả tàu hỏa… và có thể hút cả nước. Hiện nay các phương tiện thông tin đại chúng thường xuyên đưa tin về lốc xoáy và tác hại thảm khốc của chúng ở khắp cả nước. Điển hình như ngày 21 tháng 11 năm 2006 tại thành phố Hạ Long chỉ trong 20 phút lốc xoáy dữ dội phá sập toàn bộ 4 dàn cần cẩu loại tải trọng 50 tấn tại cảng Cái Lân - hình 4, làm chết 17 người, 50 người bị thương, thiệt hại ước tính 120 tỷ đồng.

Hình 4. Lốc xoáy đánh sập cần cẩu loại tải trọng 50 tấn tại cảng Cái Lân

3. Tac động của lôc xoay lên công trình xây dưng va quan điêm phòng chông

3.1 Sự tác động của lốc xoáy lên công trình và quan điểm phòng chống

Lốc xoáy tồn tại trong nó một trong những cường độ gió mạnh nhất trong tự nhiên, mạnh hơn rất nhiều so với bão, mặt khác sự giảm áp suất không khí đột ngột trong phạm vi hẹp cũng gây ra ảnh hưởng rất đáng kể. So với bão ngoài tác động do gió cực lớn, lốc xoáy còn gây tác động mạnh lên mọi vật thể do sự thay đổi áp suất đột ngột. Vì vậy tác động của lốc xoáy đối với mọi vật nói chung là cực kỳ phức tạp và rất khó lường. Khi cơn lốc tràn qua thì áp suất khí quyển xung quanh công trình giảm xuống một cách nhanh chóng (sau đó lại nhanh chóng tăng trở lại áp suất khí quyển). Trường hợp công trình kín (không có lỗ hở), áp suất không khí bên trong bằng áp suất khí quyển trước khi lốc tràn qua, vì vậy trong thời gian lốc xoáy đi qua sự khác nhau giữa áp suất bên trong và bên ngoài chính bằng độ giảm áp suất không khí trong lốc xoáy, đây cũng chính là áp lực tác động lên kết cấu bao che. Tuy nhiên trong thực tế hầu như không có công trình nào kín hoàn toàn, mà hầu hết các công trình đều có các lỗ cửa, khe hở… Trong trường hợp này khi áp suất bên ngoài thay đổi thì áp suất bên trong nhà cũng thay đổi khi lốc xoáy tràn qua do không khí thoát ra ngoài làm giảm áp suất không khí bên trong nhà, tuy nhiên áp suất chênh lệch cũng lên đến hàng chục hPa, việc xác định áp suất chênh lệch tác động lên kết cấu bao che tương đối phức tạp [7],[8].

Lốc xoáy tác động lên công trình do hai yếu tố đó là gió mạnh và sự thay đổi áp suất đột ngột. Vì vậy lực tác động lên công trình do lốc xoáy tại những vị trí khác nhau

KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC

177

trên công trình khác nhau cả về hướng và độ lớn, khác nhau về nguyên nhân. Mức độ phức tạp của sự tác động phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của công trình, công trình có kích thước càng lớn các lực tác động vào công trình càng phức tạp và ngược lại. Khi lốc xoáy đi qua áp suất thay đổi đột ngột gây ra áp lực chênh lệch rất lớn có hướng từ trong ra ngoài (và có thể từ ngoài vào trong tuỳ theo kích thước và vị trí của công trình so với lốc xoáy) tác động lên kết cấu bao che. Mặt khác lực tác động lên công trình do gió mạnh và do lực hút ngang của lốc xoáy cũng có hướng khác nhau, cụ thể là tại thời điểm xuất hiện áp lực gió lớn nhất thì gần như đồng thời xuất hiện lực hút lớn nhất tác động lên công trình nhưng có phương vuông góc với phương áp lực gió và hướng vào tâm lốc xoáy[8] – hình 5, về độ lớn hai lực này là tương đương nhau (nếu hai cạnh công trình bằng nhau). Như vậy các cấu kiện cột, lõi của công trình là các cấu kiện chịu lực nén và uốn đồng thời theo hai phương với những giá trị đáng kể như nhau.

Hình 5. Vị trí nguy hiểm của lốc xoáy đối với công trình (lốc xoáy được thể hiện bằng đường tròn tâm 0, bán kính Rm là bán kính tại đó vận tốc gió lớn nhất)

Một vấn đề cần quan tâm là lực hút thẳng đứng (lực tốc mái) xuất hiện do áp suất thay đổi khi lốc xoáy đi qua là rất đáng kể. Lực hút này cùng với lực hút khí động do dòng khí nằm ngang tạo ra một lực hút tổng ở mái nhà là rất lớn có thể lên đến hàng trăm daN/m2[8].

Tất cả những điều này đem lại những nguy hiểm cho hầu hết các công trình hiện hữu khi bị lốc xoáy tấn công đồng thời cũng gây rất nhiều khó khăn cho người thiết kế công trình chịu được lốc xoáy.

Tuy nhiên chúng ta không nên quá lo lắng cho ngôi nhà của chính mình hoặc nơi mình sinh sống bởi vì xác suất để lốc xoáy đánh vào một vị trí nào đó là rất thấp. Vì vậy nếu thiết kế tất cả các công trình đều có khả năng chống lại tác động của lốc xoáy sẽ đem lại sự tốn kém không cần thiết và cũng không đủ khả năng. Một điều khá rõ ràng đó là nếu xây dựng tất cả các công trình đều chịu được tác động của lốc xoáy thì tốn kém về kinh tế sẽ lớn hơn nhiều lần thiệt hại do lốc xoáy gây ra. Với lý do này, yêu cầu thiết kế chống lại tác động của lốc xoáy không có trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình thông dụng ở các nước trên thế giới.

Mặc dù vậy trong một số trường hợp sự sụp đổ công trình kéo theo những thảm họa không thể khắc phục được (hoặc không thể tha thứ ) thì việc thiết kế chống lại tác động của lốc xoáy dứt khoát phải được tính đến, ví dụ như nhà máy điện hạt nhân, kho

Bộ Giáo dục và Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân

178

chứa chất hoá học độc hại. Ở nước Mỹ, các nhà máy điện hạt nhân chỉ được đưa vào hoạt động khi thiết kế và xây dựng đã tính đến tác động của lốc xoáy và phải có giấy phép của cơ quan có thẩm quyền về việc này.

Đến đây có thể thấy rằng việc phòng chống thiệt hại do lốc xoáy diễn ra trong hai trường hợp, thứ nhất là trong tình hình thực tế hiện nay làm sao để giảm thiểu thiệt hại khi lốc xoáy xuất hiện, thứ hai là các biện pháp phòng chống lốc xoáy trong thiết kế và xây dựng công trình.

3.2 Giảm thiểu thiệt hại khi lốc xoáy xuất hiện

Lốc xoáy đánh vào một nơi nào đó là không dự báo được, lốc xoáy xuất hiện rất bất ngờ và biến mất cũng rất nhanh. Thời gian tồn tại của nó chỉ trong khoảng 20 phút đến vài tiếng đồng hồ, tốc độ di chuyển của nó tương đương vận tốc của một chiếc ô tô. Diện tích phá hoại của lốc xoáy không lớn chỉ vào khoảng vài ki-lô-mét vuông và kéo dài thành vệt theo đường đi của nó, bề rộng của vệt bằng bán kính ảnh hưởng của lốc xoáy vào khoảng 100-300 m. Áp suất ở tâm lốc xoáy hạ xuống rất thấp vào khoảng 950 hPa, giảm so với áp suất không khí bình thường 60 hPa (tương đương 600 daN/m2). Tốc độ gió lớn nhất trong lốc xoáy có thể lên đến 300 km/h lớn hơn gió trong bão rất nhiều. Người ta có thể nhìn thấy cột xoáy lốc ở những nơi trống trải và chỉ cảm nhận được lốc xoáy khi nó đi qua ở nơi bị khuất tầm nhìn.

Hiện nay đa số các công trình ở nước ta chỉ được thiết kế để chịu được áp lực gió 125 daN/m2 - tương đương vận tốc gió 162.57 km/h (gió bão cấp 14). Với đặc điểm như vậy, hầu hết các công trình được xây dựng hiện nay đều không an toàn khi bị lốc xoáy tràn qua, đặc biệt là nhà ở của nhân dân ở vùng nông thôn.

Như vậy những loại công trình nào dễ bị lốc xoáy phá hoại và lốc xoáy phá hoại công trình như thế nào? Có thể nói rằng lốc xoáy phá hoại tất cả những gì nằm trên đường đi của chúng như cây cối, xe ô tô, tàu hỏa,… và đặc biệt là các công trình do con người xây dựng nên.

(1) Loại công trình đầu tiên cần phải nhắc đến là nhà sàn của đồng bào dân tộc và nhà ở truyền thống của nhân dân vùng nông thôn Việt Nam (nhà 3 gian, tường xây gạch, mái lợp ngói hoặc tôn). Đây là những công trình phổ biến nhất trên lãnh thổ Việt Nam và cũng là những công trình dễ bị phá hoại nhất khi lốc xoáy đi qua.

Chúng ta có thể hình dung lốc xoáy tàn phá những công trình này như sau: đầu tiên là phần mái của nhà bị bay tốc lên do gió mạnh kết hợp với lực hút do chênh lệch áp suất giữa trong và ngoài nhà, sau khi phần mái bị phá hoại, các bức tường tro trọi tiếp tục bị gió cực mạnh tấn công ngay tức thì và sụp đổ trong chốc lát – hình 6 . Đáng tiếc đối tượng sống trong những ngôi nhà này lại là những người nghèo, có thu nhập thấp và chiếm tỷ lệ dân số cao trong xã hội. Hàng năm các phương tiện truyền thông nước ta thường xuyên đưa tin nhà dân ở các vùng nông thôn bị lốc xoáy tàn phá rất nghiêm trọng.

KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC

179

Hình 6. Cảnh tan hoang sau lốc xoáy (Đại Hồng - Đại Lộc - Quảng Nam)

(2) Một loại công trình nữa cũng rất dễ bị tổn thương bởi lốc xoáy mặc dù được thiết kế và xây dựng với công nghệ hiện đại, đó là nhà công nghiệp, nhà kho... có kết cấu khung thép hoặc bê tông cốt thép, bao che bằng tôn. Loại công trình này dễ bị lốc xoáy phá hoại ở chổ kích thước tương đối lớn của chúng đồng nghĩa với thể tích khối không khí trong nhà là rất lớn trong khi đó kết cấu bao che của công trình tương đối kín vì vậy khi lốc xoáy tấn công không khí không kịp thoát ra ngoài gây ra sự chênh lệch áp suất. Mặt khác do kích thước lớn nên tác động của lốc xoáy lên công trình rất phức tạp, sự chênh lệch áp suất ở vị trí lốc xoáy bắt đầu tần công có hướng từ trong ra ngoài làm cho không khí ở đây thoát ra ngoài, nhưng đồng thời tại đầu xa kia của công trình thì áp suất chênh lệch lại có hướng từ ngoài vào trong và vì vậy không khí lại đi vào làm cho áp suất trong nhà không giảm đi nhiều, như vậy áp suất chênh lệch tại nơi bị lốc xoáy tấn công vẫn rất lớn (có thể lên đến hàng trăm daN/m2 ), kết quả là kết cấu bao che bị phá tung lên, ngay lập tức gió cực mạnh phát huy tác dụng và công trình bị phá hoại hoàn toàn.

(3) Đối với các công trình có kết cấu bê tông cốt thép đổ toàn khối thì điểm yếu dễ bị lốc xoáy phá hoại là hệ thống cửa, đặc biệt là cửa kính. Cửa kính bị phá hoại trong hai trường hợp đó là do chênh lệch áp suất hoặc do những vật bay phát sinh trong lốc xoáy đánh vào – hình 7. Nếu mái của công trình lợp ngói hoặc tôn thì nguy cơ bị bay mái là rất lớn.

Hình 7. Cửa sổ bị phá hoại do chênh lệch áp suất trong và ngoài nhà

Bộ Giáo dục và Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân

180

Trong trường hợp kết cấu bao che không bị phá hoại thì thông qua đó lực tác động tổng thể lên công trình là rất lớn theo (hai hướng) có thể làm sập đổ hoàn toàn khung chịu lực chính của công trình, đặc biệt đối với công trình cao.

(4) Ngoài ra các công trình có chiều cao lớn như tháp truyền hình, cột điện cao thế, cần cẩu ở bến cảng, cầu dây văng... cũng là những công trình dễ bị gió cực mạnh của lốc xoáy phá hoại.

Như vậy khi lốc xoáy xuất hiện hành động bảo vệ tài sản (nhà cửa) gần như là không thể vì không có thời gian và cũng không nên. Quan trọng nhất khi lốc xoáy xuất hiện là hành vi bảo vệ tính mạng con người. Con người bị lốc xoáy tấn công do hai nguyên nhân, nguyên nhân trực tiếp là gió cực mạnh và lực hút của nó (đã có trường hợp con người bị lốc xoáy cuốn đi rất xa) và nguyên nhân gián tiếp đó là công trình sụp đổ hoặc các vật bay phát sinh ngẫu nhiên trong lốc xoáy như gạch, gỗ, tôn... đánh vào người. Vì vậy khi có lốc xoáy xuất hiện chúng ta cần phải tìm nơi ẩn nấp an toàn sao cho tránh được cả hai nguyên nhân trực tiếp và gián tiếp như đã phân tích ở trên. Tốt nhất là chạy ra khỏi nơi bị lốc xoáy tấn công (nếu có thể) hoặc nấp vào một nơi thấp nhất trên mặt đất như hố, rãnh... trên đầu đội mũ bảo vệ hoặc tương tự.

3.3 Một số biện pháp hữu hiệu khi thiết kế và xây dựng công trình chịu lốc xoáy

Như đã trình bày xác suất để lốc xoáy đánh vào một vị trí nào đó trong một năm là rất thấp. Tuy nhiên những công trình của chúng ta thời gian tồn tại của nó kéo dài hàng chục năm, thậm chí hơn 100 năm vì vậy xác suất này tăng lên đáng kể nếu tính trong cả cuộc đời tồn tại của nó. Ngoài ra có những vùng do đặc điểm địa hình và khí hậu đặc thù thường xuyên xuất hiện lốc xoáy hơn các vùng khác. Trong thực tế cuộc sống của chúng ta có những công trình trong quá trình tồn tại (hữu ích) của nó không được phép bị phá hoại, bởi vì nếu những công trình này bị phá hoại thì hậu quả của nó là khôn lường và không thể tha thứ như : nhà máy điện hạt nhân, kho chứa chất hóa học độc hại... .

Sau đây là một số biện pháp chung hữu hiệu khi thiết kế và xây dựng công trình chịu lốc xoáy.

- Trước hết nếu có thể, nên thiết kế công trình theo hướng giảm tải trọng do lốc xoáy gây ra, ví dụ như tránh các kết cấu bao che kín cả công trình; tạo thuận lợi cho việc cân bằng áp suất trong và ngoài công trình như bố trí cửa thông gió … .

- Cần thiết kế đảm bảo sao cho kết cấu bao che tại tất cả các vị trí trên công trình chịu được áp lực cục bộ do gió mạnh và do áp suất chênh lệch gây ra, đặc biệt là đối với lực hút thẳng đứng (lực tốc mái). Bởi vì nếu điều này xảy ra tại một vị trí nào đó thì công trình được xem như đã bị phá hoại và đặc trưng của gió sẽ thay đổi sơ đồ tác dụng lực dẫn đến công trình dễ bị sụp đổ hoàn toàn.

- Tăng cường hệ giằng không gian đủ cứng cho toàn nhà, đặc biệt là đối với công trình có kích thước lớn. Hệ giằng đủ cứng sẽ phân phối lực tác động tại những vị trí xung yếu nhất đến những nơi có lực tác động bé hơn, đảm bảo việc huy động toàn bộ khả năng chịu lực của công trình.

KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC

181

- Đối với công trình bê tông cốt thép dầm sàn đổ toàn khối, hệ sàn cứng ngang đem lại sự tối ưu cho hệ giằng cứng cần thiết nói trên.

- Đối với những công trình kết cấu thép có kết cấu bao che bằng tôn như nhà công nghiệp, nhà kho… thì hệ giằng không gian đủ cứng để truyền lực là hết sức cần thiết.

- Đối với những công trình có kết cấu nhẹ cần phải quan tâm đến liên kết giữa mái và hệ khung, giữa hệ khung và đất. Phần trên của công trình đủ cứng song chân cột không bám chặt vào đất, do lực nâng từ dưới lên rất lớn do đó sinh ra sự cố.

4. Kết luân

Lốc xoáy ở Việt Nam thực sự đáng quan tâm, do đặc điểm địa hình cũng như thời tiết ở nước ta có những vùng thường xuyên có lốc xoáy. Hiện nay các phương tiện thông tin đại chúng thường xuyên đưa tin về lốc xoáy và tác hại thảm khốc của chúng ở khắp mọi miền đất nước. Kết quả phân tích tác động của lốc xoáy giúp độc giả giải thích được một phần về sự phá hoại kỳ lạ của lốc xoáy và từ đó đưa ra quan điểm phòng chống giúp người dân bình tĩnh hơn trong việc đối phó với lốc xoáy khi nó xuất hiện.

Bộ Giáo dục và Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân

182

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Đình Quang, Sơ bộ đánh giá phân bố không-thời gian của lốc xoáy ở các tỉnh miền núi phía Bắc, Tạp chí Khí tượng thuỷ văn, 2002, no.1, tr 8-12.

[2] Nguyễn Xuân Chính, Hướng dẫn xây dựng phòng chống thiên tai, Đề tài do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Viện Quy hoạch Đô thị nông thôn - Bộ Xây dựng và Viện Quy hoạch Thuỷ lợi - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn thực hiện, 2006.

[3] A. M. Goliger and R. V. Milford, A review of worldwide occurrence of tornadoes, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volumes 74-76, 1 April 1998, Pages 111-121.

[4] Nguyễn Văn Phó, Tác động của lốc lên công trình và phòng chống lốc cho công trình xây dựng, Đề tài nghiên cứu cấp bộ - Bộ Xây dựng, Hà nội. 2002, Mã số RD.19-01.

[5] E. Simiu, R. H. Scanlan, Wind effects on structures , John Wile and Sons - 1978.

[6] Nikolai Dotzek, An updated estimate of tornado occurrence in Europe, Atmospheric Research, Volumes 67-68, July-September 2003, Pages 153-161.

[7] Nguyễn Ngọc Tình, Lực tác động lên ngôi nhà do thay đổi áp suất không khí khi lốc xoáy đi qua, Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam. 2006, no.5,tr 91-100.

[8] Nguyễn Ngọc Tình, Nghiên cứu tác động của lốc xoáy lên công trình xây dựng và đễ xuất phương pháp tính có xét đến điều kiện Việt Nam, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, 2007.