Đại học Texas ở Austin thường chào hàng cụm từ, “Những gì bắt đầu ở đây thay đổi thế giới”. Đó chính xác là những gì đang xảy ra với ATX Tower – tòa tháp cao tầng đầu tiên trên thế giới kết hợp Prestandard của Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Hoa Kỳ (ASCE) về Thiết kế gió dựa trên hiệu suất (PBWD) – đang được xây dựng tại Austin, Texas. PBWD có thể sẽ cách mạng hóa cách các tòa nhà cao tầng được thiết kế cho tải trọng gió, tạo ra các tòa nhà đáng tin cậy hơn, carbon thấp hơn và ít tốn kém hơn.
Cao 58 tầng và cao 671 feet so với trung tâm thành phố, ATX Tower tọa lạc tại 321 West 6th Street. Nó sẽ cung cấp 561,000 feet vuông văn phòng và không gian dân cư cho người thuê và cư dân của khu giải trí lịch sử của thành phố. Dự án dự kiến sẽ hoàn thành vào mùa hè này và hoàn thành vào năm 2025.
Đổi mới không xảy ra trong một sớm một chiều. Magnusson Klemencic Associates (MKA) đã phát triển PBWD trong phần lớn thập kỷ qua thông qua tài trợ cho nghiên cứu tại các trường đại học trên toàn quốc, tham gia vào các ủy ban chuyên môn và thử nghiệm thiết kế thông qua nhiều nghiên cứu điển hình về các tòa nhà thực tế. Kể từ khi ASCE Prestandard cho PBWD được phát hành vào năm 2019 (xem thanh bên bên dưới, “ASCE Prestandard for PBWD Primer”), MKA đã tìm kiếm dự án phù hợp để triển khai PBWD và các ngôi sao cuối cùng đã liên kết trên ATX Tower với quan hệ đối tác sở hữu hỗ trợ của Tishman Speyer Properties và Ryan Companies và một nhóm kiến trúc hợp tác của Handel và Page Southerland Page.
Sự ủng hộ của các bên liên quan
Trước khi kết hợp PBWD vào thiết kế của dự án, MKA và kỹ sư gió dự án CPP Wind Engineering Consultants (CPP) đã phải thuyết phục nhóm sở hữu và Sở Dịch vụ Phát triển của Thành phố Austin, cơ quan phụ trách cấp phép xây dựng, rằng có giá trị khi áp dụng cách tiếp cận đầu tiên trên thế giới này.
Thử nghiệm đường hầm gió bắt đầu vào tháng 5 năm 2021 dưới sự hướng dẫn của Hiệu trưởng cấp cao CPP Roy Denoon, người có nhóm đã tiến hành nhiều phác đồ thử nghiệm để đánh giá tải trọng gió trên cấu trúc, tấm ốp và môi trường dành cho người đi bộ cho ATX Tower. Một mô hình vật lý tỷ lệ 1:350 đã được sử dụng để xem xét hình dạng của tháp và tác động của các tòa nhà liền kề bằng cách kiểm tra ảnh hưởng của gió từ 36 hướng khác nhau để xác định sự kết hợp kiểm soát của tốc độ gió và phản ứng của tòa nhà.
Từ những kết quả thử nghiệm ban đầu này, MKA và CPP đã phát hiện ra một số yếu tố chính khiến ATX Tower trở thành ứng cử viên sáng giá cho phương pháp mới:
Hình dạng—Hình dạng mảnh mai, vuông của tòa tháp tạo ra một phản ứng động đáng kể do xoáy gió rụng.
Vị trí—Các tòa tháp xung quanh tỏ ra đã đánh bại Tháp ATX khi gió được chuyển hướng.
Kết quả kiểm tra—Tải trọng gió được dự đoán bởi thử nghiệm đường hầm gió cho thấy tải trọng cao hơn 20-30% so với ước tính của quy chuẩn xây dựng – đặc biệt là từ hướng đông và đông bắc.
Thiết kế của tòa tháp cần đáp ứng nhu cầu gió ngày càng tăng và MKA cảm thấy PBWD có thể là một giải pháp thay thế tuyệt vời để tăng kích thước của các thành viên kết cấu. Công ty đã khai thác kinh nghiệm dày dặn của mình trong việc phát triển Thiết kế địa chấn dựa trên hiệu suất (PBSD) để điều tra tính khả thi của việc thực hiện phương pháp PBWD nhằm giảm thiểu tác động của nhu cầu gió cao hơn dự kiến. Các bên liên quan đồng ý, chứng tỏ là cởi mở và ủng hộ PBWD.
Thiết kế: Ba bước chính
Với sự chấp thuận sơ bộ của các bên liên quan, một nhóm đánh giá ngang hàng bao gồm các kỹ sư gió và kỹ sư kết cấu thực hành đã được tập hợp để hợp tác và xem xét thiết kế. Quá trình thiết kế bao gồm ba bước chính:
- Nhóm nghiên cứu cần xác minh rằng cư dân sẽ cảm thấy thoải mái trong các sự kiện gió thông thường. CPP xác nhận rằng các dự đoán về sự thoải mái của người sử dụng nằm trong giới hạn gia tốc tiêu chuẩn công nghiệp mà không có bất kỳ sửa đổi nào đối với khối lượng tòa nhà hoặc bố trí cấu trúc.
- Một phương pháp luận chi tiết hơn, như được nêu trong ASCE Prestandard, sau đó đã được sử dụng để đánh giá sự trôi dạt của câu chuyện. Thông thường, độ lệch của câu chuyện được tính bằng sự khác biệt về độ dịch chuyển giữa các tầng liền kề. Đối với ATX Tower, một đánh giá chi tiết hơn về độ trôi giá đỡ cụ thể cho các bức tường bên ngoài và vách ngăn bên trong đã được theo đuổi. MKA so sánh các ước tính này với các giới hạn được khuyến nghị đối với kính bên ngoài, vách ngăn vách thạch cao bên trong và khối xây. Các chuyển động được chứng minh là nằm trong giới hạn chấp nhận được đối với các vật liệu phi cấu trúc khác nhau.
- Cuối cùng, nhóm của MKA đã thiết kế và xác minh hiệu suất sức mạnh, điều này tỏ ra phức tạp và đầy thử thách. Mục tiêu hiệu suất đã nêu cho hệ thống chống lực gió chính – “Chiếm dụng liên tục, gián đoạn hạn chế” – cho phép các yếu tố hệ thống cấu trúc cụ thể phản ứng không đàn hồi. Trong ATX Tower, các yếu tố này được giới hạn ở dầm ghép nối tường cắt, phản ứng uốn tường cắt và tác động căng cột trụ. Theo các điều khoản Prestandard của ASCE, các yếu tố này được thiết kế theo tỷ lệ nhu cầu trên công suất 1,25, sử dụng độ bền vật liệu dự kiến và hệ số phi là 1,0.
Phản ứng phi tuyến tính của gió
Sau khi thiết kế hoàn thành, nhóm của MKA đã phân tích và xác minh hiệu suất bằng cách phát triển một mô hình phân tích chi tiết sử dụng các tính chất phi tuyến tính trong đó các phần tử có thể trải qua hành vi không đàn hồi. Các kỹ sư đã hiệu chỉnh các đặc tính đó để thử nghiệm vật lý được hoàn thành tại một số trường đại học. Mô hình phân tích sau đó được thực hiện một giao thức tải lịch sử thời gian liên quan đến năm cơn bão duy nhất. Mỗi cơn bão kéo dài một giờ đại diện cho gió từ một hướng khác nhau kiểm soát một khía cạnh của thiết kế.
Mô hình phân tích cuối cùng đã mất một tháng thời gian chạy ấn tượng để hoàn thành mô phỏng tất cả năm cơn bão. Thời gian chạy này nhiều hơn đáng kể so với phân tích PBSD điển hình do động đất là các sự kiện trong thời gian ngắn so với gió bão. Tuy nhiên, khi các kỹ sư xem xét hàng terabyte dữ liệu đầu ra, tòa nhà đã thể hiện hiệu suất tuyệt vời. Kết quả cho thấy năng suất hạn chế ở một số lượng nhỏ dầm ghép nối và năng suất nhỏ trong các bức tường cắt hoặc cột trụ. Kết quả này chính xác là những gì nhóm đang tìm kiếm, chứng minh rằng hiệu suất chấp nhận được có thể đạt được với kỹ thuật nghiêm ngặt hơn sử dụng PBWD.
Chi phí thấp hơn và giảm carbon
Vì ATX Tower là tòa nhà cao tầng đầu tiên sử dụng quy trình PBWD, nhóm cũng đã hoàn thành một thiết kế quy định mã song song như một “dự phòng” trong trường hợp gặp sự cố khi đảm bảo giấy phép. Thiết kế PBWD đã được chấp thuận và cho phép, nhưng thiết kế song song tỏ ra có giá trị. Thiết kế quy định cho phép nhóm dự án so sánh mức tiết kiệm về số lượng và vật liệu giữa thiết kế PBWD mới và thiết kế quy định mã. Thiết kế PBWD mang lại nhiều lợi ích cho dự án:
- 350 tấn thép cốt thép, 125 tấn thép kết cấu và 1.800 mét khối bê tông đã được tiết kiệm.
- Giảm 5% tổng chi phí của cấu trúc đã được thực hiện.
- Sơ đồ tầng đã được cải thiện vì độ dày tường cắt đã giảm.
- Lịch trình xây dựng đã được cải thiện thông qua việc cắt giảm vật liệu.
- Giảm 6% carbon thể hiện đã đạt được.
Đáng chú ý, quá trình PBWD không làm chậm tiến độ tích cực của dự án. Quá trình cấp phép kết cấu diễn ra nhanh chóng và suôn sẻ khi các quan chức thành phố tham gia trong suốt quá trình thiết kế, thay vì chỉ đơn giản là xem xét sau khi thiết kế hoàn tất. Trục khoan đầu tiên được lắp đặt chỉ 12 tháng kể từ khi bắt đầu Thiết kế sơ đồ. Hiệu quả này đạt được nhờ cách tiếp cận hợp tác giữa nhóm thiết kế, khách hàng, tổng thầu và quan chức thành phố.
Một tương lai tươi sáng cho PBWD
PBWD đã châm ngòi cho một ngành công nghiệp trong lịch sử phải vật lộn để đổi mới và cải thiện hiện trạng trong nhiều năm. Tương tự như PBSD, đã trở thành tiêu chuẩn chăm sóc khi thiết kế các tòa nhà cao tầng ở các khu vực dễ xảy ra động đất của Mỹ, PBWD có thể trở thành tiêu chuẩn để thiết kế các tòa nhà cao tầng ở những khu vực dễ bị ảnh hưởng bởi các sự kiện gió dữ dội.
Việc kết hợp thành công PBWD vào thiết kế của ATX Tower đã thúc đẩy MKA thực hiện cách tiếp cận này trong các dự án khác của Austin, mặc dù thị trường bất động sản chậm chạp đã tạm dừng hoạt động đó. Ở những nơi khác, nghiên cứu và tiến bộ PBWD đang diễn ra tại các trường đại học trên toàn thế giới và Viện Bê tông Hoa Kỳ đang hoàn thiện các hướng dẫn để thực hiện PBWD cho các thành viên cụ thể. Khi nói đến tương lai của PBWD, gió đang ở phía sau của ngành. ■
