Khi một trụ cầu biến mất: Điều gì thực sự khiến cầu Francis Scott Key sụp đổ?

Khi một trụ cầu biến mất: Điều gì thực sự khiến cầu Francis Scott Key sụp đổ?

CivilAxis Research Review #001

Ngày 26 tháng 3 năm 2024, cây cầu Francis Scott Key tại Baltimore (Hoa Kỳ) sụp đổ chỉ trong vài giây sau khi tàu container Dali va chạm với một trụ chính.

Đối với nhiều người, đây là một tai nạn hàng hải nghiêm trọng.

Nhưng đối với cộng đồng kỹ sư kết cấu, sự kiện này nhanh chóng trở thành một “bài toán” cần được giải đáp.

Bởi lẽ, những vụ va chạm với công trình không phải chưa từng xảy ra. Điều khiến vụ việc này trở nên đặc biệt là quy mô của sự sụp đổ: chỉ sau khi một trụ cầu bị mất khả năng làm việc, nhiều nhịp cầu đã lần lượt đổ xuống sông.

Điều gì đã xảy ra bên trong hệ kết cấu?

Để trả lời câu hỏi đó, trước hết cần nhìn lại những gì đã được cơ quan điều tra chính thức xác nhận.

Những gì chúng ta biết đến thời điểm hiện tại

Theo National Transportation Safety Board (NTSB), tàu Dali đã gặp sự cố mất điện nhiều lần trước khi va chạm, dẫn đến mất khả năng điều khiển. Thủy thủ đoàn đã kịp phát tín hiệu khẩn cấp (mayday), giúp lực lượng chức năng phong tỏa giao thông trên cầu trước khi va chạm xảy ra. Cuộc điều tra vẫn đang được tiếp tục để làm rõ toàn bộ chuỗi nguyên nhân và các yếu tố liên quan.

Những dữ kiện này giúp giải thích vì sao vụ va chạm xảy ra.

Tuy nhiên, chúng chưa giải thích được vì sao toàn bộ hệ kết cấu lại sụp đổ nhanh đến vậy.

Chính khoảng trống này đã trở thành chủ đề của nhiều nghiên cứu kỹ thuật sau sự cố.

Các nghiên cứu tập trung vào điều gì?

Sau sự cố, nhiều nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình số để mô phỏng lại quá trình sụp đổ của cây cầu.

Một nghiên cứu đăng trên Engineering Structures (Elsevier - ScienceDirect) không đặt mục tiêu xác định trách nhiệm của các bên liên quan. Thay vào đó, nhóm tác giả tập trung vào một câu hỏi mang tính kỹ thuật hơn:

Điều gì xảy ra với hệ kết cấu khi một điểm tựa quan trọng đột ngột biến mất?

Kết quả cho thấy, sau khi trụ cầu mất khả năng chịu lực, tải trọng phải được phân phối lại sang các cấu kiện còn lại. Nếu hệ kết cấu không có đủ đường truyền lực thay thế (alternative load paths), sự mất cân bằng nội lực có thể lan rộng và phát triển thành sụp đổ dây chuyền (progressive collapse).

Nói cách khác, nghiên cứu hướng sự chú ý từ độ bền của từng cấu kiện sang cách toàn bộ hệ kết cấu phản ứng trước một hư hỏng cục bộ.

Và đây cũng là lúc một khái niệm quan trọng xuất hiện: structural redundancy.

Structural Redundancy - Khả năng dự phòng của kết cấu

Trong kỹ thuật kết cấu, structural redundancy mô tả khả năng của một hệ kết cấu tiếp tục làm việc khi một cấu kiện hoặc điểm tựa không còn hoạt động.

Nếu tồn tại nhiều đường truyền lực, nội lực có thể được phân phối sang các cấu kiện khác, giúp giới hạn phạm vi hư hỏng.

Ngược lại, nếu phần lớn tải trọng phụ thuộc vào một số cấu kiện quan trọng, việc mất đi các cấu kiện này có thể dẫn đến mất ổn định của toàn hệ.

Đây không phải là một khái niệm mới.

Trong nhiều năm qua, các nghiên cứu về progressive collapse đều nhấn mạnh rằng khả năng chống chịu của công trình không chỉ phụ thuộc vào sức chịu tải của từng cấu kiện mà còn phụ thuộc vào mức độ dự phòng của toàn bộ hệ kết cấu.

Nếu vậy, liệu những nguyên tắc này đã được đưa vào các tiêu chuẩn thiết kế hay chưa?

Các tiêu chuẩn hiện đại nói gì?

Câu trả lời là có.

Trong Eurocode EN 1991-1-7 - Actions on Structures: Accidental Actions, các tác động bất thường như va chạm tàu, va chạm phương tiện và hư hỏng cục bộ đều được xem xét nhằm hạn chế nguy cơ sụp đổ không tương xứng (disproportionate collapse).

Tương tự, AASHTO LRFD Bridge Design Specifications cũng quy định Extreme Event Limit States, yêu cầu đánh giá các trường hợp đặc biệt như động đất, va chạm phương tiện hoặc va chạm tàu đối với các công trình có nguy cơ chịu các tác động này.

Điều đó cho thấy tư duy thiết kế đã có sự thay đổi.

Thay vì chỉ hỏi:

“Kết cấu có đủ khả năng chịu tải không?”

Các tiêu chuẩn hiện đại còn đặt thêm một câu hỏi khác:

“Nếu một hư hỏng cục bộ xảy ra, liệu công trình có thể ngăn chặn sự lan truyền của hư hỏng đó hay không?”

Đây chính là nền tảng của khái niệm robustness và resilience trong thiết kế kết cấu hiện đại.

Từ nghiên cứu đến thực tiễn

Đối với kỹ sư thiết kế, những bài học này không đồng nghĩa với việc mọi công trình đều phải được thiết kế để chịu được mọi kịch bản cực đoan. Điều đó là không khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế.

Thay vào đó, điều quan trọng là hiểu rõ cách hệ kết cấu làm việc, xác định các cấu kiện giữ vai trò then chốt và đánh giá khả năng phân phối lại nội lực khi xảy ra những tình huống bất thường.

Đây cũng là lý do các công cụ phân tích kết cấu hiện đại ngày càng hỗ trợ nhiều hơn cho việc đánh giá load path, critical members và system behavior, bên cạnh các kiểm tra truyền thống về nội lực hay chuyển vị.

Góc nhìn từ CivilAxis

Mỗi sự cố kỹ thuật đều để lại những bài học có giá trị cho cộng đồng kỹ sư.

Đối với sự cố Francis Scott Key, bài học lớn nhất có lẽ không nằm ở bản thân vụ va chạm, mà ở cách chúng ta nhìn nhận một công trình.

Một cây cầu không chỉ là tập hợp của các dầm, cột hay liên kết. Đó là một hệ thống, nơi mọi cấu kiện cùng tham gia truyền lực và cùng quyết định khả năng chống chịu của toàn bộ công trình.

Khi các nghiên cứu và tiêu chuẩn đều đang chuyển dần từ tư duy “thiết kế đủ bền” sang “thiết kế đủ chống chịu”, việc hiểu rõ hành vi của toàn hệ kết cấu sẽ ngày càng trở thành một năng lực cốt lõi của người kỹ sư.

Và có lẽ, câu hỏi đáng để mỗi kỹ sư tự đặt ra sau sự cố này không phải là:

“Vì sao cây cầu đó lại sập?”

Mà là:

“Nếu một cấu kiện quan trọng trong công trình mình đang thiết kế đột ngột mất khả năng làm việc, điều gì sẽ xảy ra tiếp theo”.