Phương pháp nào mà có thể một kiến trúc xây dựng vững vàng như vậy ? Các chuyên gia nhận xét về thiết kế và cách xây dựng cầu cong như thế nào ? Cách xây dựng cầu cong có phải bắt nguồn từ thời xưa ?
1. Phương Pháp Xây Dựng Cầu Cong
Phương pháp nào mà có thể một kiến trúc xây dựng vững vàng như vậy?
Tìm hiểu về thiết kế cầu cong?
Theo Science ABC, khi bạn nhìn vào một cây cầu cong, bạn sẽ bị ấn tượng bởi kiến trúc hình bán nguyệt. Chúng được gọi như vậy vì cây cầu có cấu trúc cơ bản là hai mố trụ cầu ở hai bên đầu cầu được nối với nhau bằng một vòm cong. Không giống như các cây cầu thẳng (chúng cần rất nhiều mống trụ cầu để hỗ trợ trọng tải), với những cây cầu cong, đường vòm giúp tiêu tán lực trọng tải ra bên ngoài một cách hiệu quả, điều này giúp cây cầu chịu ít lực hơn thông thường.
Các chuyên gia nhận xét về thiết kế và cách xây dựng cầu cong như thế nào?
Các chuyên gia xây dựng nói rằng họ đã xây dựng được một cây cầu “hoàn hảo”, có thể chống chịu được bất cứ thứ gì mà Mẹ Thiên Nhiên dội lên chúng.
Người thiết kế cây cầu ấy là những nhà nghiên cứu tại Đại học Warwick, nói rằng họ đang giữ trong thành thành tố quan trọng trong thiết kế mới này, một chu trình thiết kế mang tên định hình (form finding) để tạo nên một cấu trúc kiến trúc không có điểm yếu nào.
Cây cầu được thiết kể bởi những nhà nghiên cứu tại Đại học Warwick sẽ không có điểm yếu nào.
Điều này có thể lần đầu tiên dẫn lỗi cho những thiết kế và xây dựng cầu đường, nhà cửa khác trong tương lai có thể chịu được tải trọng lớn và cũng có thể “không còn điểm yếu” như cây cầu kia. Những công trình kiến trúc ấy sẽ có một độ an toàn cao hơn, bền hơn với thời gian và việc tu dưỡng, bảo trì sẽ được giảm thiểu.
“Thiết kể cổ điển theo chiều hướng vật lý tự nhiên không thể bì được với thiết kế kĩ thuật này được”, giáo sư Wanda Lewis tại Đại học Công Nghệ Warwick phát biểu. “Vấn đề thẩm mỹ rất quan trọng trong bất cứ một thiết kế nào, vì thế chúng tôi đã xem xét rất nhiều hình dáng khác nhau để tạo ra một thiết kế cầu hiệu quả mà lại rất vừa mắt”.
Trong 25 năm, giáo sư Lewis đã nghiên cứu những hình dáng khác nhau trong tự nhiên: có thể chỉ đơn giản như cấu trúc hình dáng của những cái cây hay chiếc lá hay chỉ là đường cong của một cái vỏ sò. Trong tất cả những sự vật tự nhiên này, giáo sư Lewis thấy rằng chúng đều có một khuôn mẫu chịu lực riêng, điều đó khiến cho chúng có thể chống chịu được lực rất lớn mà không hề hấn gì, như cách mà một cái cây có thể chịu được sức gió dưới một cường độ nhất định.
Cầu Gateshead Millennium bắc qua sống Tyne.
Để làm được điều đó, giáo sư Lewis đã phát triển một mẫu thử thuật toán dựa theo quy chuẩn thiết kế tự nhiên và thử nghiệm khuôn mẫu chịu lực riêng của từng công trình. Quy chuẩn thiết kế ấy lại được dựa trên những thử nghiệm vật lý thực tế về chịu lực, ví dụ như việc thử trên một miếng vải hay một dây xích. Những vật thử ấy được đặt dưới áp lực lớn, rồi lại được trả lại trạng thái ban đầu của chúng, rồi trạng thái ấy được “đóng băng” lại, trở thành một hình dạng lộn ngược lại, cứng cáp hơn.
Giáo sư Lewis tìm ra những tọa độ chính xác của hình dáng này qua việc tính toán những hiệu ứng lực hấp dẫn giả lập đã được đặt lên chúng. Sản phẩm cuối cùng sẽ là một hình dáng tự nhiên, sẽ có thể chống chịu được lực lớn rất dễ dàng.
2. Cách xây dựng cầu cong có phải bắt nguồn từ thời xưa?
Phong cách thiết kế và xây dựng cầu này có từ rất lâu đời và chúng ta có thể nhìn thấy chúng ở rất nhiều nơi trên thế giới. Những cây cầu cổ xưa thường được xây dựng từ gạch hay đá, nhưng trong thời kỳ hiện đại, sắt và bê tông chịu lực đã được sử dụng để đảm bảo cây cầu có thể chịu đựng và nâng đỡ được áp lực và trọng tải lớn.
Cấu trúc cầu cong tại sao lại là "dạng vòm" ?
Cầu Bixby Creek của Hoa Kỳ
Giả sử có một người (chúng ta hãy gọi anh ta là A) đang đứng ở đâu đó giữa một chiếc cầu dạng vòm. A sẽ gây ra một trọng tải và lực nhất định lên mặt cầu do trọng lượng của anh ta.
Những viên đá tạo nên chiếc cầu sẽ bị áp chặt lại với nhau (điều này phụ thuộc vào chất lượng của công trình xây cầu). Do đó, khi A gây áp lực xuống cây cầu từ phía trên, những viên đá bên dưới anh ta (gọi là viên đá chính) sẽ chèn ép và gạt những viên đá xung quanh sang hai bên, và những viên đá xung quanh viên đá này lại tiếp tục đẩy các viên đá bên cạnh chúng nữa, và quá trình này tiếp tục đối với tất cả những viên đá tiếp theo. Bằng cách này, lực trọng tải được truyền ra đều dọc theo đường cong của chiếc cầu sang hai bên trước khi nó chạm đến các mống trụ cầu.
Các công trình cầu cong làm cách nào để tiêu tán trọng tải ?
Các mống trụ nằm hai bên của cây cầu cong giúp hoàn thiện điều này. Do các mống trụ cầu được nối với lòng đất (thường là nơi rất cứng và chắc chắn), chúng sẽ có khả năng xử lý những lực cực kỳ lớn giúp cho cây cầu luôn vững chắc. Tuy nhiên, vì bất cứ lực nào cũng có phản lực tương đương (theo quy luật của Newton), nền đất xung quanh các mống trụ cầu bị ép lại khi phải chịu lực nén từ cây cầu truyền đến mống trụ cầu, và dĩ nhiên, nó sẽ tạo phản lực lại đối với mống trụ cầu. Sau khi mống trụ cầu nhận lực, nó sẽ tác động lên các viên đá làm nên cây cầu tương tự như trên: hòn đá này đẩy các hòn đá xung quanh chúng và cứ như vậy cho đến khi lự từ trụ cầu tác động đến giữa cây cầu. Và cuối cùng, chúng sẽ tác động lên viên đá chính – nơi trực tiếp chịu lực trọng tải.
Tuy nhiên, đến lúc này, lực tác động đã được phân tán và triệt tiêu rất nhiều rồi.
3. Ưu điểm khi xây dựng cầu theo kiểu cong?
Cầu Richmond, cây cầu lâu đời nhất tại Úc, được làm từ các vật liệu thô cơ bản (1825)
Nhờ các nguyên liệu cấu thành nên chúng, ví dụ như gạch hoặc đá, những cây cầu cong đều rất xuất sắc trong việc xử lý các áp lực. Chúng cũng góp phần trong việc chống đỡ những áp lực. Tuy vậy, đường cong của cây cầu và khả năng tiêu tán lực trọng tải dọc theo đường cong của cầu đã làm giảm đáng kể hiệu quả của lực căng bên trong cây cầu. Nói cách khác, bạn sẽ không muốn làm một cây cầu có vòm quá cao hay quá cong, vì đường cong càng cao sẽ làm tăng lực căng bên trong cây cầu và làm cây cầu yếu hơn.
Vì đây là hình dạng giúp cây cầu tiêu tán lực tác động, nên những cây cầu cong không cần đến bất cứ kiến trúc hay cáp nào khác để hỗ trợ. Hơn nữa, những cây cầu này không tốn nhiều chi phí để xây dựng cầu, cũng không tốn nhiều loại nguyên liệu, chỉ cần gạch và đá. Những cây cầu này cũng rất bền; rất nhiểu cây cầu được xây dựng từ thời các đế chế La Mã vẫn còn nguyên vẹn đến ngày nay! Một số cây cầu hiện đại cũng có hình vòm, nhưng chúng được xây dựng từ các nguyên liệu tốt hơn, khỏe hơn, và dĩ nhiên sẽ phức tạp hơn so với các cây cầu cổ xưa.
Biên tập viên - Công ty cổ phần Ben
