Vì sao cầu treo ở Lai Châu bị sập?

Liên quan đến tai nạn cầu treo Chu Va 6 tại Lai Châu ngày 24.2, đã có rất nhiều phỏng đoán về các nguyên nhân có thể xảy ra;  trong đó tập trung chủ yếu những nghi vấn về khả năng cộng hưởng của đoàn đưa tang, khả năng gây quá tải làm sập cầu, cũng như cho thấy có nhiều cách hiểu khác nhau về con số tải trọng 1.5 tấn của cầu. Tuy nhiên một nguyên nhân khác có ảnh hưởng đến không chỉ riêng cầu  Chu Va 6 mà còn liên quan đến hầu hết các cầu treo dân sinh trên cả nước, lại ít được chú ý. Vì sao cầu treo ở Lai Châu bị sập?

1. Sự cường điệu hóa của dư luận về yếu tố cộng hưởng
Xuất phát từ giai thoại về đoàn quân đi đều bước qua cầu thời Napoleon, đã trở thành một ví dụ kinh điển trong các giáo trình động lực học về sự cộng hưởng của ngoại lực đối với tần số dao động riêng của cầu, và các công trình xây dựng nói chung. Giờ đây hầu như ai ai cũng biết đến câu chuyện này. Tuy nhiên nghi vấn về sự cộng hưởng là một nguyên nhân gây sập cầu thường cách rất xa so với thực tế.
Nếu theo dõi các đoạn video clips về đoàn đưa tang, chỉ tầm hai mươi người và không hề đi đều bước theo kiểu quân đội, thậm chí đoàn người đã dừng lại đổi người mang di ảnh trong vài giây trước khi tai nạn xảy ra, cho thấy nguyên nhân đến từ cộng hưởng là cực kỳ thấp.
Thực sự với bất kỳ ai cho dù không hề biết qua kiến thức về động lực học, cũng sẽ dễ dàng đặt câu hỏi: "Nếu như chỉ với một nhóm người như vậy, với cách thức đi qua cầu rất thông thường như vậy, lại có thể gây cộng hưởng đến sập cầu, thì lẽ ra phải có hàng trăm, hàng nghìn vụ sập cầu tương tự như vậy trên cả nước?" Thực tế phủ nhận giả thuyết này.
Chúng ta không có thông tin về số lượng các cây cầu ở Việt Nam. Nhưng không có một thông tin nào cho biết có bao nhiêu phần trăm trong số khoảng 600.000 cây cầu ở nước Mỹ [1] bị sập đổ hoặc hư hại do cộng hưởng. Cây cầu nổi tiếng nhất bị hư hại do liên quan đến cộng hưởng là cầu treo Tacoma ở bang Washington (Mỹ) có nhịp chính dây văng dài 853m, được xây dựng vào tháng 7 năm 1940 và bị đổ do bão vào 4 tháng sau đó.
Gió chỉ đóng vai trò gián tiếp làm cho cầu rung động, gây uốn và xoắn mặt cầu liên tục trong nhiều giờ với biên độ lớn, vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu bê tông mặt cầu dẫn đến sụp đổ [2]. Như vậy có 3 yếu tố đáng lưu ý trong trường hợp nổi tiếng nhất này, đó là sự phá hoại không xảy ra đột ngột, tác nhân đến từ thiên nhiên chứ không phải từ con người, và bê tông mặt cầu chứ không phải các sợi cáp hay tăng đơ neo cáp bị phá hoại.
Thống kê cho biết 10 nguyên nhân [3] từ phổ biến cho đến hiếm gặp nhất làm cho các cây cầu bị sập, có tác động đơn lẻ hoặc kết hợp, đó là: (1) động đất, (2) hỏa hoạn, (3) va chạm với tàu hỏa hoặc máy bay, (4) va chạm với tàu thuyền đi trên sông, (5) lũ lụt, (6) tai nạn trong quá trình xây dựng, lắp ráp, (7) lỗi chế tạo các chi tiết hoặc cấu kiện, (8) lỗi thiết kế, (9) lỗi bảo trì, (10) những lỗi ngẫu nhiên chưa giải thích được. Đành rằng việc thống kê và phân loại những sự cố của tất cả các cây cầu trên thế giới là bất khả thi, nhưng ít nhất thì bảng kết quả này cho thấy cộng hưởng tuyệt nhiên không hề là một tác nhân phổ biến.
Một bảng danh mục khác [4] liệt kê 173 các trường hợp những cây cầu bị nạn trên thế giới, mà xưa nhất là từ năm 1297. Trong số này chỉ có hai trường hợp liên quan đến nguyên nhân cộng hưởng, bao gồm cầu treo Broughton (Anh, năm 1831) do đoàn quân diễu hành; cùng với cầu Anger (Pháp, năm 1850) do gió và có thể do đoàn quân đi qua. Cà hai trường hợp đều ở đầu và giữa thế kỷ 19. Toàn bộ 145 trường hợp được thống kê từ đầu thế kỷ 20 đến nay tuyệt đối không hề xuất hiện nguyên nhân này. Cầu Tacoma (Mỹ, năm 1940) như đã dẫn cho thấy nguyên nhân thực sự không phải do cộng hưởng. Trong bảng danh mục này có ghi nhận một trường hợp đau lòng từ Việt Nam, cầu Cần Thơ (năm 2007).
Như vậy có thể nói sự cường điệu quá mức về một nguyên nhân mang tính huyền thoại đã khiến cho dư luận nghĩ đến nó như thủ phạm đầu tiên gây sập cầu, trong khi trớ trêu thay trên thực tế đây chỉ là nghi phạm đứng ở cuối bảng.
2. Hiểu về giới hạn tải trọng 1.5T như thế nào?
Mấy ngày qua dư luận hiểu con số 1.5T như là tổng tải trọng tối đa của đoàn người và xe được cùng lúc đi qua cầu Chu Va 6, như kiểu tải trọng thang máy. Nếu căn cứ theo tiêu chuẩn hiện hành cho thiết kế cầu đường bộ Việt Nam [5] thì không phải. Một số ý kiến cho rằng sắp tới đây cần phải hướng dẫn người dân qua cầu cũng đếm số người như đi thang máy thì càng không phù hợp với ý nghĩa của giới hạn này.
Có một điểm khác biệt quan trọng trong cách tính tải trọng các phương tiện giao thông qua cầu so sánh với tải trọng người đứng trong thang máy. Đó là người đứng trong thang máy gần như không có chuyển động, không gây ảnh hưởng đáng kể đối với sự vận hành của thang. Trong khi đó đủ loại xe và người đi qua cầu với các tốc độ khác nhau, tải trọng khác nhau, vị trí liên tục thay đổi, sẽ gây ra những ảnh hưởng động học bắt buộc phải xét đến khi thiết kế cho cầu.
Đây hoàn toàn là những yếu tố ngẫu nhiên mà chỉ có thông qua toán xác suất và các công cụ thống kê để ước lượng ảnh hưởng của từng loại phương tiện đến từng thành phần và vị trí kết cấu của cầu. Một sự tổng hợp các ảnh hưởng này trên toàn bộ chiều dài cầu sẽ được các tiêu chuẩn thiết kế chuyển đổi thành một bộ quy tắc chất tải tương đương để thuận lợi cho quá trình tính toán. Các quy tắc chất tải này tuy được đơn giản hóa nhưng vẫn giữ được sự mô phỏng tất cả những ảnh hưởng nguy hiểm nhất của xe cộ khi vận hành qua cầu. Cần nói thêm rằng, với những cầu treo như cầu Chu Va 6 hay các cầu treo nhịp lớn khác thì tải trọng đoàn xe qua cầu thường không gây nguy hiểm bằng ảnh hưởng do gió bão, động đất (nếu có).
Con số 1.5 tấn giới hạn tải trọng của cầu Chu Va 6, nếu dựa theo tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ Việt Nam thì đó là tải trọng của một phương tiện có trọng lượng tối đa được phép đi qua cầu. Còn bao nhiêu phương tiện cùng đi qua, nếu giữ đúng khoảng cách an toàn theo luật giao thông thì đúng ra cầu vẫn chịu được.
Nói cách khác khi đưa ra quy định về giới hạn tải trọng, người thiết kế đã giành phần khó về cho mình, và người tham gia giao thông chỉ cần tuân thủ luật giao thông là được. Theo đó nếu quy định tải trọng một xe không quá 1.5T, thì người lái những xe nhẹ hơn giới hạn cho phép này đều có quyền chạy qua cầu. Anh ta không cần phải quan tâm có bao nhiêu xe đang ở trên cầu trước và sau xe của mình. Tất nhiên phải nhắc lại giả định rằng người lái xe đã có bằng lái, đã học luật giao thông đường bộ, thì quy định trong luật phải giữ khoảng cách như thế nào với xe đi trước, chỉ cần tuân thủ quy định ấy là đủ.
Thực tế thì trong trường hợp cầu treo Chu Va 6 có chiều rộng rất hạn chế, vốn có lẽ chủ yếu dành cho người đi bộ và xe thô sơ. Hiện tại Việt Nam chưa có tiêu chuẩn cho cầu treo dân sinh, nhưng nếu tối thiểu xem như cầu chỉ dành cho người đi bộ, thì dựa theo điều 3.6.1.3. về tải trọng bộ hành của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, thì tải trọng tối thiểu là 300 daN/m2.
Nghĩa là nếu cầu rộng 0.6m, dài 54m, thì tổng tải cũng được gần 10 tấn, tức khoảng 200 người, giả định mỗi người nặng trung bình 50kg. Nếu trải đều số người này dọc theo chiều dài cầu, thì nghĩa là trên 1m dài của cầu chen được đến gần 4 người mà vẫn an toàn. Như vậy khả năng mà chỉ có 20 người đã gây quá tải là không thể xảy ra, hoặc là cầu đã được thiết kế với một mức hoạt tải hữu ích rất thấp.
Thông tin hiện trường cho biết sợi cáp chính có thể chịu lực đến 79 tấn. Cầu có 2 sợi song song nên chịu tổng tải có thể đến 158 tấn. Tổng trọng lượng của dạ cầu, thành cầu và mọi chi tiết phụ khác, cùng với 10 tấn tải trọng của người bộ hành đứng kín trên đó, vẫn còn xa mới đạt tới một nửa sức tải kia. Điều này cho thấy tải trọng bộ hành 300 daN/m2 có thể là một phỏng đoán hợp lý những gì chiếc cầu đã được thiết kế. Đến đây có thể loại trừ nghi vấn về quá tải, thì khả năng lớn nhất cho đến giờ chính là chất lượng của chi tiết neo cáp.
3. Thủ phạm là máy cắt oxy – acetylen?
Trái với kết cấu BTCT đổ toàn khối khi mà toàn bộ các công đoạn cốp pha – cốt thép – đổ bê tông – ninh kết đều diễn ra trong điều kiện nhiệt độ môi trường; thì quá trình chế tạo gia công các chi tiết kết cấu bằng thép thường phải dùng đến các phương pháp hàn, vốn có nhiệt độ rất cao. Nếu như một người thợ xây có thể nhanh chóng học hỏi các cách thức xây dựng, và xây dựng an toàn, một căn nhà phố thông dụng; thì kết cấu thép với những đặc trưng của vật liệu cường độ cao, chi tiết liên kết phức tạp, biện pháp gia công – chế tạo – dựng lắp hầu hết đều theo quy trình công nghiệp có kiểm định chặt chẽ, sẽ là một nguy cơ đối với những ai xem nhẹ các biến đổi cơ lý hóa của vật liệu thép và ứng xử của kết cấu thép.
Một đánh giá rất đáng lưu tâm nhưng lại được ít người chú ý trong những ngày qua về tai nạn ở Chu Va, đó là một phỏng đoán về cách thức gia công chế tạo chi tiết neo cáp treo [6]. Căn cứ trên hình ảnh chụp lại từ hiện trường, có thể chi tiết này đã được cắt ra từ thép bản bằng máy cắt oxy-acetylen, rồi hàn lại cũng bằng phương pháp hàn hơi. Quan trọng hơn, lỗ móc cáp của chi tiết này có vẻ như cũng được khoét theo cách tương tự mà không phải là khoan bằng phương pháp cơ khí ở nhiệt độ thường.
Nhiệt độ cao làm nóng chảy thép là điều kiện tiên quyết để thực hiện đường hàn. Tuy nhiên nhiệt độ cao cục bộ lên đến 3.200 độ C cũng khiến cho cấu trúc bên trong vật liệu thép phát sinh nhiều hợp chất nguy hiểm như perlitte, austenite, solidus, liquidus,... Chúng làm thay đổi đặc tính cơ lý hóa của thép, làm cho thép bị giảm cường độ, bị giòn hóa, làm cho đường hàn bị rỗ từ bên trong, làm cho chi tiết thép bị co ngót và rạn nứt. Việc gia nhiệt nhiều lần trong một phạm vi nhỏ để khoét lỗ cho móc cáp càng khiến cho nguy cơ này bị khuếch đại nhiều lần. Kết quả ảnh chụp hiện trường cho thấy tiết diện phần móc cáp bị gẫy rất phẳng, hoàn toàn phù hợp với biểu hiện nó đã bị giòn như gang.
Để so sánh, phương pháp hàn hồ quang điện chỉ đưa nhiệt độ lên cao khoảng 2000 độ C. Ngoài ra về nguyên tắc, người thợ hàn phải qua đào tạo và cấp chứng chỉ chuyên nghiệp trước khi được giao thực hiện đường hàn chế tạo chi tiết thép. Các thợ hàn cửa sắt gia dụng thường không được trang bị đủ thông tin và kỹ năng để thực hiện các đường hàn chịu lực cho kết cấu thép.
Trở lại 10 nguyên nhân phổ biến gây sập cầu, có thể xếp Chu Va vào nguyên nhân thứ 7, lỗi chế tạo các chi tiết hoặc cấu kiện. Đặc điểm của cầu treo dân sinh là đơn giản, rất dễ thi công so với các kiểu cầu khác. Đã có rất nhiều cầu treo dân sinh trên khắp cả nước. Tuy nhiên không có thống kê nào cho biết các chi tiết thép quan trọng của những cây cầu này đã được gia công như thế nào, bằng phương pháp gì.
Từ tai nạn ở Chu Va, rất mong công tác kiểm định sẽ lưu ý đến phỏng đoán này. Nếu đúng, sẽ là một định hướng tốt cho việc rà soát các cầu treo dân sinh tương tự cũng như là xây dựng những khuyến cáo cần thiết cho việc thi công loại cầu nhẹ này trong tương lai.
[1] http://www.rita.dot.gov/bts/sites/rita.dot.gov.bts/files/publications/special_reports_and_issue_briefs/special_report/2007_09_19/html/table_01.html
[2] http://www.youtube.com/watch?v=qbOjxPCfaFk
[3] http://science.howstuffworks.com/engineering/structural/10-reasons-why-bridges-collapse.htm
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_bridge_failures
[5] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05
[6] https://www.facebook.com/profile.php?id=100000455017945&fref=ts
Daniel Trần/Một Thế Giới

Popular posts from this blog

Những tên làng kỳ lạ nhất VN