Lực bên là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa lực bên

Lực bên là lực tác dụng theo phương ngang, vuông góc với phương trọng lực, lên bề mặt và kết cấu công trình. Trong tính toán kết cấu, lực bên gây ra ứng suất cắt ngang và moment uốn ngang, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định, chịu lún và dao động của toàn bộ công trình.

Các nguồn lực bên phổ biến bao gồm tải trọng gió, lực động đất, tải trọng thủy lực (dòng chảy, sóng biển) và tải trọng do va chạm. Mỗi loại lực sinh ra cơ chế tác động khác nhau, nhưng đều mang bản chất là lực ngang, có thể thay đổi theo thời gian và không gian.

Khái niệm này không chỉ áp dụng cho tòa nhà cao tầng mà còn cho cầu, tháp ăng-ten, bồn chứa áp lực và các kết cấu hở như giàn khoan. Việc hiểu đúng và định nghĩa chính xác lực bên là bước đầu tiên để xây dựng mô hình tính toán và thiết kế biện pháp chống chịu phù hợp.

Phân loại lực bên

• Lực gió: Áp suất không khí động và tĩnh tác dụng lên mặt đứng hoặc bề mặt nghiêng của kết cấu. Tải trọng gió được tính theo tiêu chuẩn ASCE 7-16, Eurocode EN 1991-1-4, với công thức cơ bản dựa trên áp suất động $q = \tfrac12\,\rho\,V^2$ và hệ số lực bên Cd.
• Lực động đất: Lực quán tính sinh ra khi nền đất dao động, tính bằng $F = m\,a$, trong đó a là gia tốc nền. Tiêu chuẩn FEMA P-751, UBC, Eurocode 8 quy định hệ số phản ánh mức độ ràng buộc giữa kết cấu và nền móng.
• Lực thủy động lực: Dòng chảy và sóng biển tác dụng lên thành đập, cầu, giàn khoan. Áp lực nước được mô hình hóa qua công thức Bernoulli cho dòng chảy cứng hoặc định luật Stokes cho sóng yếu, tiêu chuẩn EN 1991-1-4 cũng cung cấp hướng dẫn sơ bộ.
• Lực do va chạm: Tác động ngang đột ngột khi phương tiện đâm va vào kết cấu (cột cầu, tường chắn). Tính toán theo tiêu chuẩn AASHTO yêu cầu xét lực đập $F = m\,\Delta v / \Delta t$, với hệ số giảm chấn và năng lượng hấp thụ.

Mô hình toán học và công thức

Áp suất gió tại một điểm trên bề mặt thường được tính bằng:

$q(z) = \tfrac12\,\rho\,V(z)^2\,C_{pe}(z)\,C_{d}$

Trong đó:

• ρ là mật độ không khí (~1.225 kg/m³);
• V(z) là vận tốc gió ở độ cao z, thường điều chỉnh theo hàm logarit hoặc luật mũ;
• Cpe(z) là hệ số áp dụng bề mặt (external pressure coefficient) phụ thuộc hình dáng kết cấu;
• Cd là hệ số lực bên (drag coefficient).

Với lực động đất, mô hình đơn giản nhất dùng phân tích tĩnh dựa trên hệ số phản ứng R và hệ số trọng tải ngang C_s:

$F_{seismic} = C_s\,W,\quad C_s = \frac{S_a}{R\,g}$

Trong đó W là trọng lượng bản thân kết cấu và tải trọng cố định; Sa là gia tốc nền mục tiêu; g gia tốc trọng trường.

Tác động lên kết cấu

Lực bên sinh ra:

• Ứng suất cắt tại móng: Lực ngang truyền qua hệ móng, cần thiết kế độ cắt và độ bền chịu nén ngang.
• Moment uốn ngang: Tạo ra ứng suất uốn tại tiết diện thân cột, dầm, cột; đòi hỏi kiểm tra giới hạn đàn hồi và ổn định (buckling).
• Dao động và cộng hưởng: Với công trình cao tầng, tần số dao động riêng có thể trùng với phổ năng lượng gió, dẫn đến cộng hưởng và tăng biên độ rung.

Để tránh hiện tượng lật, cần tính mômen ổn định $M_{res} = W\,e$ so sánh với mômen lật $M_{overturn} = F\,h$, trong đó e là đường kính móng hoặc trọng tâm chống lật và h là chiều cao tác dụng lực.

Phương pháp đo lường và thử nghiệm

Đo lường lực bên trên công trình thường sử dụng cảm biến chuyên dụng và mô hình thí nghiệm quy mô. Cảm biến gia tốc (accelerometer) gắn vào các tầng cao đo dao động do gió hoặc động đất; load cell gắn trên kết cấu khung thu thập lực cắt và moment uốn tại các mối nối.

Trong phòng thí nghiệm, hầm gió (wind tunnel) mô phỏng tải gió thực tế lên mô hình thu nhỏ với tỉ lệ 1/50–1/100. Dữ liệu áp suất phân bố trên bề mặt mẫu được thu bằng tấm áp suất (pressure taps) và PIV (Particle Image Velocimetry) theo dõi dòng khí xung quanh.

• Shake table: kiểm tra phản ứng kết cấu với dao động giả lập động đất.
• Hydraulic actuator: sinh tải ngang tuần tự lên cấu kiện để đo ứng suất cắt và mômen uốn.
• Fiber Bragg Grating (FBG): cảm biến quang học đo biến dạng bề mặt trong thời gian thực.

Kết hợp phân tích thử nghiệm và số liệu môi trường thực tế (reanalysis data, SCADA) giúp hiệu chỉnh mô hình toán học, tăng độ tin cậy của dự báo.

Tiêu chuẩn thiết kế

Thiết kế kết cấu chịu lực bên phải tuân theo các tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia, trong đó phổ biến nhất là:

Mỗi tiêu chuẩn quy định phương pháp tính toán áp suất gió, hệ số phản ứng động đất, biên độ dao động cho phép và hệ số an toàn. Các thông số như tốc độ gió thiết kế V50, gia tốc cơ bản PGA, hệ số tương tác đất-kết cấu I, đều có giá trị đặc thù theo vùng địa lý.

Giải pháp giảm thiểu

Giảm thiểu tác động của lực bên đòi hỏi giải pháp kết cấu và công nghệ vật liệu kết hợp:

• Giằng chéo (Braced Frame): Tăng cường độ cứng ngang bằng hệ thống dầm chéo, truyền tải lực cắt về móng.
• Khung chịu moment (Moment Frame): Các mối nối dầm-cột thiết kế để chịu uốn, tạo đàn hồi và phân bố ứng suất đều.
• Bộ giảm chấn (Dampers): Viscous damper, yield damper, tuned mass damper (TMD) hấp thụ năng lượng dao động, giảm biên độ rung.
• Móng sâu và móng bè: Chống trượt và lật, ổn định toàn bộ công trình khi chịu tải ngang lớn.
• Hình dáng khí động học: Tiết diện vuông bo góc hoặc bề mặt vát góc giảm áp suất tĩnh và động.

Ví dụ, tòa tháp Taipei 101 sử dụng TMD khối thép 660 tấn treo ở độ cao 88–92 tầng, giảm dao động do gió đến 30–40%.

Phân tích và mô phỏng

Phân tích số đóng vai trò then chốt trong thiết kế kết cấu chịu lực bên:

• Phần tử hữu hạn (FEA): Mô hình hóa 3D toàn bộ công trình, gắn tải phân bố hoặc dao động chân móng để tính ứng suất, biến dạng và mômen.
• CFD (Computational Fluid Dynamics): Mô phỏng dòng khí quanh khối nhà, phân tích áp suất bề mặt và lực cắt tổng hợp.
• Phân tích quán tính động: Tính toán phản ứng dưới tải động đất theo phương pháp specral response hoặc time-history.

SAP2000, ETABS, ANSYS và OpenFOAM là các phần mềm phổ biến cho FEA và CFD. Kết hợp hai công cụ cho phép đánh giá tương tác khí – kết cấu (FSI – Fluid-Structure Interaction), thiết lập điều kiện ranh giới chính xác và xác thực mô hình bằng dữ liệu thử nghiệm.

Nghiên cứu tương lai

Các hướng nghiên cứu đang mở rộng và nâng cao khả năng chống chịu lực bên:

1. Vật liệu thông minh (Smart Materials): Bọt kim loại, bê tông tự lành, composite giúp tự điều chỉnh cứng/dẻo theo tải.
2. Hệ thống giám sát thông minh: Internet of Things (IoT) và cảm biến không dây thu thập dữ liệu thời gian thực, AI phân tích sớm dấu hiệu quá tải hoặc hư hỏng.
3. Thiết kế tối ưu hóa đa mục tiêu: Sử dụng thuật toán di truyền, topology optimization để giảm lực cắt và mômen uốn với lượng vật liệu tối thiểu.
4. Phương pháp giảm chấn phân tán: Hệ thống phân tán damper nhỏ gọn (MR damper, piezoelectric damper) gắn rải rác trên cao độ.

Ứng dụng thực tế của nghiên cứu tương lai sẽ giúp công trình thích ứng linh hoạt với điều kiện môi trường thay đổi, giảm chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ kết cấu.