Với gần một phần ba số lượng sóng thần lớn được ghi nhận xảy ra ở Nhật Bản, hiện tượng này được phản ánh rộng rãi trong văn hóa và lịch sử của khu vực. Do đó, từ “sóng thần” trong tiếng Nhật có nghĩa là “sóng cảng”, được công nhận trên toàn cầu vì một sự kiện có thể xảy ra dọc theo bất kỳ bờ biển nào.
Sóng thần tiếp giáp với các bến cảng có thể rất tàn phá do một số yếu tố, bao gồm sự hiện diện của tàu và container có thể trôi vào đất liền, làm hỏng các công trình gần đó. Nhiều bến cảng cũng có hình dạng cả trên mặt đất (địa hình) và dưới mặt nước (đo độ ngang), có thể buộc sóng thần đến tăng cao hơn khi nó bị ép vào một không gian nhỏ hơn.
Nguy cơ về những tác động tàn phá tiềm tàng từ sóng thần không chỉ giới hạn ở Nhật Bản hoặc các bến cảng. Các bang và tỉnh ven biển Thái Bình Dương của Hoa Kỳ và Canada có cả nguy cơ và lịch sử sóng thần. Chúng bao gồm sóng thần chết người ở Vịnh Liuya, Alaska, năm 1958; Prince William Sound, Alaska, năm 1964; và Hilo, Hawaii, vào năm 1946. Một cơn sóng thần chết người cũng xảy ra trên bờ biển Đại Tây Dương của Hoa Kỳ ở Cape Hatteras, Bắc Carolina, vào năm 1883.
Các sự kiện gây ra sóng thần phổ biến nhất là động đất bên dưới hoặc gần đáy đại dương, nhưng sóng thần có thể được tạo ra bởi hoạt động núi lửa, sạt lở đất, sụt giảm dưới đáy biển và thậm chí cả tác động của thiên thạch. Trận động đất Tohoku 9.0 vào tháng 3 năm 2011, được coi là một trong những trận động đất mạnh nhất từng được ghi nhận, xảy ra ở bờ biển phía đông của Nhật Bản và gây ra một cơn sóng thần lớn giết chết hàng ngàn người và gửi sóng nước cao 30 feet qua phần lớn vùng nông thôn, phá hủy toàn bộ thị trấn và san phẳng hàng trăm tòa nhà thấp tầng. Sóng thần đã gây ra thảm họa hạt nhân Fukushima Daiichi.
Sóng thần là những sự kiện hiếm gặp nhưng tàn khốc; Do đó, các chiến lược để giảm thiểu rủi ro thường liên quan đến việc sơ tán theo chiều ngang đến các khu vực cao tự nhiên bên ngoài vùng ngập lụt sóng thần. Đây có thể là cách hiệu quả và an toàn nhất để bảo vệ tính mạng khi có đủ cảnh báo. Đối với một số cộng đồng ven biển, các lựa chọn bổ sung có thể bao gồm chiến lược sơ tán theo chiều dọc, sử dụng các tòa nhà hoặc gò đất nhân tạo hoặc đồi có đủ chiều cao để sơ tán mức độ ngập lụt của sóng thần và sức mạnh và khả năng phục hồi cần thiết để chống lại tác động của sóng thần.
Khi dân số ven biển tiếp tục tăng ở Hoa Kỳ, sơ tán theo chiều ngang không thể là chiến lược duy nhất, đặc biệt là đối với các tòa nhà Rủi ro Cấp III và IV. Bài học kinh nghiệm từ Nhật Bản cho thấy việc xem xét tăng cường cơ sở hạ tầng có thể rất quan trọng đối với sự phục hồi. Các dịch vụ thiết yếu như cấp nước, xử lý nước thải và các cơ sở điện, thường nằm gần bờ biển, có thể bị tê liệt do ảnh hưởng của lũ sóng thần. Ví dụ, thảm họa hạt nhân Fukushima là do thiệt hại do sóng thần đối với các máy phát điện dự phòng cần thiết để làm mát lò phản ứng. Các cơ sở cấp cứu và bệnh viện là những ứng cử viên bổ sung để tăng cường.
Sóng thần có nguồn gốc xa và gần
Sóng thần được phân loại theo vị trí của sự kiện kích hoạt và thời gian sóng đến một địa điểm. Một cơn sóng thần tạo ra từ nguồn xa là một cơn sóng thần bắt nguồn từ một nguồn ở xa và mất hai giờ hoặc lâu hơn sau khi sự kiện kích hoạt đến. Một cơn sóng thần gần nguồn tạo ra bắt nguồn từ một nguồn gần và có thể có cảnh báo nâng cao trong 30 phút hoặc ít hơn. Một cơn sóng thần do nguồn trung bình tạo ra là một cơn sóng thần bắt nguồn từ một nguồn gần địa điểm quan tâm nhưng không đủ gần để cảm nhận được tác động của sự kiện kích hoạt tại địa điểm và dự kiến sẽ đến từ 30 phút đến hai giờ sau sự kiện kích hoạt.
Thời gian lan truyền sóng từ sóng thần tạo ra gần nguồn có thể tấn công đột ngột mà không có hoặc không có cảnh báo trong khi sóng thần tạo ra từ nguồn xa có thể cho phép cảnh báo nâng cao cho các cộng đồng ven biển xa xôi. Ví dụ, sóng thần Ấn Độ Dương năm 2004 đã tàn phá các khu vực ven biển cả gần và xa. Các đường bờ biển gần sóng thần bị ngập lụt chỉ trong 15 phút, trong khi những người ở xa đợi bảy giờ để sóng thần đến bờ biển của họ. Trung bình, 20 sự kiện động đất gây ra sóng thần xảy ra mỗi năm trên toàn thế giới, với năm sự kiện đủ lớn để tạo ra sóng thần có khả năng gây ra thiệt hại về cấu trúc và thiệt hại về nhân mạng. Với xu hướng tăng cường cư trú ở các khu vực ven biển, nhiều người dân sẽ phải đối mặt với nguy cơ sóng thần.
Có sự không chắc chắn đáng kể trong dự đoán các đặc điểm thủy động lực học của sóng thần vì chúng bị ảnh hưởng bởi dạng sóng thần và địa hình xung quanh và đo độ thang. Mặc dù có ngoại lệ, nghiên cứu thực địa và khảo sát chỉ ra rằng sóng thần có các đặc điểm sau:
- Độ lớn của sự kiện kích hoạt xác định chu kỳ của các sóng kết quả, và nói chung – nhưng không phải lúc nào cũng – cường độ sóng thần và khả năng thiệt hại.
- Một cơn sóng thần có thể lan truyền hơn vài nghìn dặm mà ít bị mất năng lượng. Điều này là do bước sóng sóng lớn của sóng thần, có thể dài hơn 100 dặm.
- Sự lan truyền năng lượng sóng thần có định hướng mạnh — nó có xu hướng lan truyền theo hướng bình thường với trục chính của lực sóng thần. Hướng tiếp cận có thể ảnh hưởng đến đặc điểm sóng thần ở bờ biển do hiệu ứng che chở hoặc khuếch đại của các khối đất khác và đo độ sâu ngoài khơi.
- Đối với sóng thần được tạo ra tại địa phương, sóng dẫn đầu đầu tiên thường là mực nước rút đi, sau đó là sóng tăng hoặc nâng cao. Điều này có thể không xảy ra nếu mặt đất ven biển lắng xuống do dịch chuyển đồng địa chấn. Đối với sóng thần từ nguồn xa, sóng dẫn đầu thường là sóng cao. Xu hướng này có thể liên quan đến mô hình dịch chuyển đáy biển do một trận động đất kiểu hút chìm.
Nguy cơ sóng thần so với rủi ro
Nguy cơ sóng thần là thước đo khả năng sóng thần xảy ra tại một địa điểm nhất định. Nó cũng là thước đo mức độ tiềm năng của các hiệu ứng sóng thần cụ thể tại địa điểm, bao gồm mức độ ngập lụt, chiều cao của dòng chảy và vận tốc của dòng sóng thần. Nguy cơ sóng thần là một thước đo hậu quả khi xảy ra sóng thần, có thể được đặc trưng về thiệt hại, mất chức năng, thương tích và mất mạng. Rủi ro phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm tính dễ bị tổn thương và mật độ dân số.
Đánh giá nguy cơ sóng thần sẽ phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm sự hiện diện của hệ thống cảnh báo sóng thần, sự tồn tại của kế hoạch ứng phó khẩn cấp tại địa phương, sự sẵn có của các lựa chọn thay thế sơ tán khác nhau, tính dễ bị tổn thương của kho xây dựng hiện có và vị trí của nơi trú ẩn ngắn hạn và dài hạn hiện có.
Khả năng sống sót của các cấu trúc trước hiệu ứng sóng thần
Bằng chứng cho thấy khả năng của các hệ thống kết cấu bê tông và kết cấu thép nhiều tầng có thể sống sót sau lũ lụt sóng thần với ít thiệt hại phi cấu trúc ở các tầng thấp hơn và tiếp tục hỗ trợ các cấp độ của một tòa nhà trên độ sâu ngập lụt. Điều này có thể một phần là do các tòa nhà này được thiết kế cho lực gió bên và lực địa chấn vượt quá sức của sóng thần lăn qua các tầng thấp hơn của các tòa nhà đó. Dữ liệu gần đây, bao gồm cả dữ liệu từ sóng thần Ấn Độ Dương năm 2004, sóng thần Samoa năm 2009 và sóng thần Tohoku Nhật Bản năm 2011, nơi không có tòa nhà bê tông hoặc thép từ sáu tầng trở lên bị sập do sóng thần, hỗ trợ cho những kết luận này. Tuy nhiên, khả năng sống sót của tòa nhà khác nhau tùy theo loại xây dựng. Ví dụ, đối với một chiều cao sóng thần nhất định, gỗ hoặc các công trình khung ánh sáng khác có thể bị thiệt hại nhiều hơn đáng kể và thường xuyên bị phá hủy.
Ở Hawaii, khả năng sống sót tiềm năng của các tòa nhà nhiều tầng được công nhận trong thông điệp sơ tán sóng thần, thông báo cho công chúng rằng sơ tán theo chiều dọc trong các tòa nhà cao hơn 10 tầng là một lựa chọn nếu việc sơ tán theo chiều ngang là không khả thi.
Tiêu chí thiết kế kết cấu
Mặc dù có lịch sử lâu dài về sóng thần trên khắp thế giới, vì chúng tương đối hiếm, nên chưa có hướng dẫn tốt về thiết kế để giảm thiểu tác động của chúng. Đối với Hoa Kỳ, điều này bắt đầu thay đổi vào năm 2004 khi Hội đồng Công nghệ Ứng dụng (ATC) được Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang (FEMA) trao hợp đồng để giúp phát triển hướng dẫn thiết kế cho các cơ sở đặc biệt để sơ tán theo chiều dọc khỏi sóng thần. Tài liệu quan trọng đó FEMA P-646 sẽ trở thành tiền thân của một chương mới cho ASCE 7-16: Chương 6 Tải trọng và Ảnh hưởng của sóng thần, bao gồm các yêu cầu thiết kế sóng thần cụ thể cho các cấu trúc Rủi ro Loại III và IV.
Một số tài nguyên tốt hiện cung cấp hướng dẫn cho thiết kế để chống lại tải trọng do sóng thần gây ra như đã lưu ý ở đây:
FEMA P-646 Ấn bản thứ ba — “Hướng dẫn thiết kế cấu trúc sơ tán theo chiều dọc khỏi sóng thần,” Ấn bản thứ 3, cung cấp hướng dẫn về lập kế hoạch sơ tán theo chiều dọc khỏi sóng thần. Tài liệu này bao gồm việc xác định tải trọng sóng thần và động đất cùng với các tiêu chí thiết kế kết cấu cần thiết để giải quyết chúng, các khái niệm thiết kế kết cấu và các cân nhắc khác bao gồm việc sử dụng các cấu trúc hiện có. Nó cung cấp hướng dẫn và bình luận bổ sung về các tiêu chí thiết kế kết cấu có trong ASCE 7.
Tiêu chuẩn ASCE / SEI 7-22 — Tiêu chuẩn 7-22 của Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng / Viện Kỹ thuật Kết cấu Hoa Kỳ (ASCE / SEI) Chương 6 “Tải trọng và Hiệu ứng sóng thần” cung cấp các yêu cầu tối thiểu đối với thiết kế và xây dựng chống sóng thần của các cấu trúc Rủi ro Loại III và IV nằm trong vùng ngập lụt sóng thần.
Nhà xuất bản ASCE — Cuốn sách “Tải trọng và hiệu ứng sóng thần: Hướng dẫn về các điều khoản thiết kế sóng thần của ASCE 7-16” là một tài liệu đồng hành tốt với ASCE 7 và bao gồm bình luận chi tiết và các vấn đề ví dụ.
Xác định chiều cao và dòng chảy của sóng
Mặc dù có thể thực hiện mô hình chi tiết, nhưng phương pháp chính được tham chiếu trong ASCE 7-22 để xác định độ sâu và vận tốc dòng sóng thần tại một vị trí là Phân tích đường cấp năng lượng (EGLA). Phương pháp này dựa trên bản đồ Vùng thiết kế sóng thần (TDZ) của ASCE có thể được tìm thấy tại asce7tsunami.online. EGLA bao gồm việc thiết lập các đường ngang địa hình, một đường thẳng cắt qua địa hình để xác định tác động của địa hình theo một hướng nhất định của dòng sóng thần. EGLA dựa trên việc xem xét ba đoạn ngang trong đó đoạn ngang trung tâm vuông góc với hướng của đường bờ biển với hai đoạn còn lại nằm +/- 22,5 độ so với hướng dòng chảy chính.
Bước đầu tiên này chỉ dựa trên địa hình và không xem xét tác động tiềm ẩn của các cấu trúc liền kề đối với vận tốc dòng chảy. ASCE 7-22 cho phép sự gia tăng vận tốc có thể xảy ra do các cấu trúc liền kề được xem xét bằng ba cách tiếp cận khả thi: hai phương pháp yêu cầu phân tích chi tiết theo địa điểm cụ thể và một phương pháp đơn giản hơn xấp xỉ tác động của chúng bằng cách sử dụng hệ số độ nhám được áp dụng cho EGLA. Hệ số đó được chỉ ra trong ASCE 7-22 Bảng 6.6-1.
Tác động cấu trúc
Một khi độ sâu ngập lụt sóng thần và vận tốc dòng chảy được thiết lập, nhiệm vụ mở rộng xác định các tiêu chí tải trọng kết cấu có thể bắt đầu. Các tác động cấu trúc chính có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc và có yêu cầu thiết kế cụ thể bao gồm:
Tải trọng thủy tĩnh (ASCE 7-22 6.9) — Chúng bao gồm xác định tải trọng tiềm năng có thể xảy ra từ lực nổi, lực thủy tĩnh bên không cân bằng, tải trọng phụ phí nước dư trên tường và sàn và áp suất phụ phí thủy tĩnh trên nền móng.
Tải trọng thủy động lực học (ASCE 7-22 6.10) — Những lực này là do nước chuyển động và bao gồm các lực toàn cầu lên cấu trúc tổng thể cùng với tải trọng cục bộ lên các thành phần cấu trúc của kết cấu. Bởi vì các mảnh vụn trong nước có khả năng tích tụ chống lại các yếu tố thẳng đứng của cấu trúc, nên việc xem xét cả lực toàn cầu và tải trọng thành viên riêng lẻ. Điều này được xem xét trong tỷ lệ đóng tối thiểu (6,8,7) và trong hệ số lực cản cho các thành viên riêng lẻ trong các tính toán thủy động lực học. Cũng bao gồm trong phần này là xem xét các lực thủy động lực học tiềm năng, bao gồm cả sự nâng lên trên các tấm nâng cao trong một cấu trúc.
Tải trọng tác động mảnh vụn (ASCE 7-22 6.11) — Lực và mức độ của sóng thần không chỉ gây thiệt hại cho các cấu trúc, các mảnh vỡ từ thiệt hại đó, cùng với các vật thể nổi khác, có thể gây ra thêm lực tác động của mảnh vụn khi các yếu tố đó tiếp tục di chuyển theo sóng. Chúng bao gồm các tình huống như va chạm bởi các phương tiện nổi, mảnh vụn bê tông nhào lộn, khúc gỗ hoặc cột điện, container vận chuyển và nếu gần bến cảng, tàu nổi.
Thiết kế móng (ASCE 7-22, 6.12) — Điều này bao gồm khả năng cọ rửa và độ dốc/hỏng móng. Nước chảy xiết có thể làm suy yếu nền nông. Nền móng sâu có kết nối tích cực với cấu trúc mà chúng hỗ trợ có khả năng tác động thảm khốc giảm.
Khả năng phục hồi của cộng đồng
Mặc dù ASCE 7-22 Chương 6 dành riêng cho các tòa nhà Rủi ro Loại III và IV, nhưng các cộng đồng có thể xem xét khuyến khích kết hợp thiết kế sóng thần vào các tòa nhà thông thường ở những khu vực có ít lựa chọn sơ tán theo chiều ngang hơn. Thật không may, điều này đi kèm với chi phí tăng thêm trong quá trình thiết kế và xây dựng. Đối với các cộng đồng có thời gian cảnh báo sóng thần lâu hơn, thậm chí có thể không cần thiết phải thiết kế một số tòa nhà thấp tầng Rủi ro Loại III nếu những tòa nhà đó không yêu cầu thiết kế theo Loại Rủi ro Sóng thần và không thể được sử dụng làm nơi trú ẩn hoặc có một kế hoạch sơ tán theo chiều ngang được phát triển tốt. Số tiền đó có thể tốt hơn nên được chi tiêu ở nơi khác.
Với lạm phát chi phí xây dựng gần đây mâu thuẫn với nhu cầu ngày càng tăng về nhà ở giá rẻ, điều quan trọng là các cộng đồng phải tìm cách hợp tác với các nhà xây dựng và nhà thiết kế của họ để bù đắp chi phí nếu các biện pháp phục hồi bổ sung như thiết kế sóng thần được xem xét cho các loại tòa nhà này. Như tất cả các nhà phát triển nhà ở giá rẻ sẽ chứng thực, bất kỳ sự gia tăng nào trong các quy định hoặc yêu cầu thiết kế đều trực tiếp làm giảm sản xuất các đơn vị nhà ở giá rẻ.
Khi xem xét yêu cầu xây dựng thông thường để đáp ứng các yêu cầu thiết kế dành cho các cơ sở thiết yếu, điều quan trọng là các cộng đồng đó phải xem xét các cách giữ chi phí bổ sung ở mức tối thiểu. FEMA đề xuất một số phương pháp để hỗ trợ giảm thiểu chi phí bổ sung của loại hình xây dựng này. Chúng bao gồm cung cấp các ưu đãi thuế, sửa đổi các yêu cầu phân vùng để tăng giới hạn chiều cao và FAR, hoặc nộp đơn xin trợ cấp liên bang hoặc tiểu bang.
Khái niệm thiết kế chống sóng thần
Vì không có tòa nhà bê tông hoặc thép từ sáu tầng trở lên nào bị sập trong trận sóng thần tàn phá Tohoku Nhật Bản, nó đặt ra câu hỏi, “Có đáng để sử dụng phân tích và thiết kế phức tạp và thời gian cho các tòa nhà nhiều tầng trừ khi chúng là những tòa nhà thiết yếu không?” Một cách tiếp cận hiệu quả hơn về chi phí có thể là chỉ bao gồm các khái niệm thiết kế chống sóng thần trong việc xây dựng các tòa nhà này.
Khi thực hiện thiết kế sóng thần trên một số dự án, Baldridge & Associates Structural Engineering (BASE) nhận thấy các tòa nhà nhiều tầng được thiết kế theo quy chuẩn hiện tại có thể đáp ứng mục đích của các yêu cầu thiết kế sóng thần của ASCE 7-22 mà không tốn chi phí mô hình hóa mở rộng và phân tích cấu trúc bổ sung bằng cách tăng cường chúng với một vài khái niệm thiết kế kết cấu, bao gồm:
- Cung cấp các hệ thống cấu trúc có dự phòng vốn có và sử dụng các khái niệm tính toàn vẹn của cấu trúc. Điều này có thể bao gồm hệ thống bê tông đúc tại chỗ được thiết kế bằng địa chấn hoặc khung kết cấu thép, đặc biệt là những hệ thống sử dụng khung mômen chu vi để chống ngang.
- Kết hợp các hệ thống móng sâu nếu có thể. Đối với nhiều địa điểm ven biển, điều này có thể được yêu cầu.
- Cân nhắc làm cho tầng trệt càng mở càng tốt và chi tiết các kết nối tường không chịu lực với cấu trúc với ít nếu có cường độ quá cao cho các yêu cầu về gió và địa chấn. Tầng trệt càng mở thì càng ít tải trọng và hư hỏng có thể xảy ra. Một ví dụ tuyệt vời về điều này là xây dựng kiểu khối đế với bãi đậu xe mở ở cấp độ và mục đích sử dụng dân cư bắt đầu từ tầng 2 hoặc tầng 3. Với xây dựng khối đế, các tầng dân cư trên cao của một tòa nhà có thể hoàn toàn không cần xem xét các yêu cầu về sóng thần và có thể sử dụng gỗ thông thường hoặc các phương pháp khung ánh sáng khác.
- Thẻ hoang dã trong thiết kế sóng thần là khả năng tải trọng va đập của các mảnh vụn trong nước có thể xảy ra trên các yếu tố cấu trúc cấp thấp hơn. Điều này có thể được giải quyết bằng cách xây dựng chắc chắn hơn chỉ cho các yếu tố cấu trúc đó. Điều này có thể bao gồm tăng cốt thép cột thẳng đứng và dây buộc tại các cột bê tông quan trọng, bọc bê tông của cột mặt bích rộng bằng thép cấp thấp hơn hoặc các cột ống lấp đầy để làm cho chúng là cột composite.
- Các tấm chi tiết để có thể giảm lực nổi hoặc nâng tiềm ẩn. Điều này có thể bao gồm các khu vực của tấm có thể bật ra nếu áp lực bắt đầu tích tụ. ■
