Top 17 ưu và nhược điểm của cầu dạng vòm

Trước đây, thiết kế cầu dạng vòm rất được ưa chuộng bởi khả năng chống đỡ cực tốt của nó. Ngày nay, bạn vẫn có thể tìm thấy những chiếc cầu như vậy với tuổi đời đến hơn 2.000 năm, được xây dựng từ thời đế chế La Mã cổ đại.

Nhiều cấu trúc đa tầng, bao gồm các hệ thống mương dẫn nước, cũng sử dụng thiết kế cầu vòm như một giải pháp để vận chuyển người, vật liệu, hay hàng hoá cung ứng đến cộng đồng dân cư gần đó.

Có những bằng chứng lịch sử cho thấy người Ai Cập cổ đại đã phát hiện ra những ưu điểm của thiết kế vòm từ hơn 5.000 năm trước. Tính đa dụng của nó từ lâu đã là một phần của văn hoá loài người. Việc ứng thiết kế vòm vào xây dựng cầu đường là điều hợp lý bởi hai trụ đá ở hai đầu cầu sẽ đóng vai trò các điểm chịu lực cơ bản cho nhịp cầu. Nhờ có chúng, cây cầu sẽ có sức chống đỡ tốt hơn, và khả năng thích ứng linh hoạt hơn so với các thiết kế khác.

Trong quá trình các lực tác động lên vòm được truyền xuống mặt đất, nó sẽ được giải phóng ra bên ngoài tại chân vòm. Lực ép này tăng lên khi chiều cao của vòm giảm xuống. Đó là lý do vì sao thiết kế này lại là một phương thức hiệu quả để tạo ra những cấu trúc có chức năng chống đỡ.

Những ưu điểm của cầu vòm

1. Có nhiều lựa chọn thiết kế

Có 3 loại vòm phổ biến mà bạn thường thấy trong những cây cầu ngày nay: vòm cố định, vòm hai khớp nối, và vòm ba khớp nối. Vòm cố định được sử dụng nhiều nhất khi xây dựng cầu bê tông tăng cường, nhưng nó cũng hữu dụng nếu cần xây dựng hầm. Tính hiệu quả của loại vòm này sẽ cao nhất khi nhịp cầu ngắn.

Vòm hai khớp nối hữu dụng với những cây cầu có nhịp cầu dài hơn, với các khớp trục tại chân đế cho phép xoay. Thiết kế này tạo không gian để các thành phần dịch chuyển trong quá trình thu lại hoặc nở ra vì nhiệt.

Cuối cùng, vòm ba khớp nối có thêm một khớp trục ở nhịp giữa, cho phép các thành phần có thể dịch chuyển theo những hướng đối lập nhau nhằm phó tốt hơn với những thay đổi về nhiệt độ.

2. Có thể kéo nhịp cầu dài hơn thông thường khi sử dụng thiết kế vòm

Khi khoảng cách nhịp cầu quá lớn, các kỹ sư thường sử dụng thiết kế vòm bởi những ưu điểm về sức chống đỡ và tính linh hoạt của nó. Độ dài giữa hai điểm chống đỡ trên một cây cầu vòm có thể dài hơn nhiều so với một cây cầu thẳng bởi cách nó truyền lực xuống phía dưới. Điều đó không những cho phép bạn tạo nên một lớp ván mặt cầu dài hơn, mà còn đồng nghĩa cây cầu sẽ có khả năng chống đỡ theo chiều ngang lớn hơn để chịu tải nặng hơn.

Cầu Rossgraben (Thuỵ Sỹ)

Cầu Rossgraben nằm gần Bern, Thuỵ Sỹ, là một ví dụ điển hình của ưu điểm này. Kể cả khi sử dụng thiết kế ba khớp nối, nó vẫn cho phép tạo nên nhịp cầu với chiều dài trung bình mà không cần nhiều trụ chống đỡ.

3. Mức kháng lực của cầu vòm cao hơn

Độ cong của thiết kế cầu vòm mang lại cho ván mặt cầu và cấu trúc tổng thể sức chống đỡ cao hơn so với các giải pháp khác. Nếu có thứ gì đó nặng đi qua cầu, khối lượng của nó sẽ tạo ra một lực hướng xuống, làm cầu bị võng xuống. Bởi hai cột chống đỡ cho phép khối lượng này được truyền đi dọc theo toàn bộ cấu trúc một cách nhất quán, lực ép lên cấu trúc trong quá trình di chuyển sẽ ít đi. Điều đó đồng nghĩa cầu sẽ gặp ít vấn đề liên quan chất lượng hơn, khi mà lực tác động được chia đều giúp đảm bảo cho cây cầu có thể thích nghi với những thay đổi về nhiệt và người đi bên trên một cách hiệu quả.

4. Có thể xây cầu vòm từ gần như bất kỳ loại vật liệu nào

Khi xem xét những cây cầu vòm được xây dựng ngày nay, hầu hết đều được làm từ bê tông, thép, nhôm, hoặc kết hợp những vật liệu đó. Nếu bạn tìm hiểu những di tích cổ đại với thiết kế vòm còn sót lại từ thời La Mã, bạn sẽ thấy rằng dù được cấu thành từ đá, chúng vẫn tồn tại được rất lâu miễn là được xây dựng đúng cách. Hiện nay, chúng ta vẫn còn sử dụng một vài trong số những cấu trúc cổ xưa đó, ví dụ như Pula Arena ở Croatia.

Pula Arena (Croatia)

Đấu trường này được xây dựng vào thế kỷ thứ 1, và là một trong những cấu trúc dạng vòm lớn nhất còn tồn tại trên thế giới. Nó có hai tầng vòm xây từ đá, và hiện vẫn là nơi tổ chức các buổi hoà nhạc, liên hoan phim, và thậm chí là hai giải đấu khúc gôn cầu chuyên nghiệp.

5. Thiết kế vòm hoà nhập với môi trường xung quanh tốt hơn các thiết kế khác

Người La Mã bắt đầu xây dựng vòm sau khi họ hoàn thiện được thiết kế này, bởi họ nhận ra rằng cấu trúc vòm có thể trụ vững trong môi trường tự nhiên tốt hơn các thiết kế cột hay trụ truyền thống, vốn cũng đã được sử dụng trong thời kỳ đó. Đó là một ưu điểm của các công trình cầu vòm mà đến nay vẫn còn tồn tại. Kể cả khi bạn nhìn lại những ưu điểm của thiết kế vòm bán nguyệt, bạn cũng sẽ thấy được ưu điểm này - dù thiết kế vòm cung hiệu quả hơn nhiều.

Điểm mạnh này đồng nghĩa những cây cầu có thể chống chịu các thảm hoạ thiên nhiên, như động đất hay lũ lụt, tốt hơn. Bên cạnh đó, thiết kế này vẫn có thể mang lại cho bạn ưu điểm về khoảng cách của các nhịp cầu. Đó là lý do tại sao có hơn 1.000 cấu trúc cổ đại tại hơn 25 quốc gia vẫn tồn tại đến ngày nay mặc cho chúng đã hơn 2.000 tuổi.

6. Thiết kế cầu vòm sẽ vững chắc hơn qua năm tháng

Thiết kế cầu vòm vốn đã vững chắc, đó là lý do tại sao nó là lựa chọn phổ biến cho những cây cầu có nhịp cầu cao và dài. Khi cấu trúc này trải qua quãng thời gian dài, thiết kế cầu sẽ bắt đầu trở nên vững chắc hơn. Đó là bởi sức nén lên mỗi mặt của nó sẽ bắt đầu làm phẳng phần vòm, tạo nên hình chữ U với độ cong ít đi. Quá trình này giúp phân phối khối lượng của ván mặt cầu về phía các trụ tốt hơn, đồng thời giúp toàn bộ bề mặt ổn định hơn.

Những cây cầu hiện đại không có được ưu điểm này, bởi chúng được làm từ những vật liệu chất lượng kém hơn. Bê tông không bền theo năm tháng, do đó cần quá trình bảo trì bảo dưỡng để đảm bảo tính vẹn toàn của cấu trúc không bị ảnh hưởng.

7. Cầu vòm ít bị biến dạng hơn

Một trong những vấn đề mà các thiết kế cầu khác phải đối mặt là sự biến dạng của các trụ cầu qua thời gian bởi sức tải cây cầu phải chịu trên toàn mặt cầu. Khi lực hướng xuống nén lên một vòm, hiệu ứng truyền vận sẽ giảm tải cho cầu. Ưu điểm này có thể giúp hạn chế chi phí bảo trì bảo dưỡng đối với thiết kế cầu vòm.

8. Thiết kế vòm có thể đi cùng nhiều hình dạng khác nhau

Bởi hình vòm rất hiệu quả trong việc chịu tải và tăng khoảng cách nhịp cầu, có nhiều hình dạng có thể được áp dụng trong quá trình xây dựng cầu. Có nghĩa là các kỹ sư có nhiều sự lựa chọn hơn khi tính toán hình dáng tổng thể của cấu trúc này. Bạn có thể chọn thiết kế mỏng hơn, nhẹ hơn với một vòm có thanh giằng nếu thích. Người La Mã thường sử dụng vòm gạch bởi chúng có thể xếp chồng lên nhau để tăng độ cao, giải quyết được những nhịp cầu khó xây dựng.

Thiết kế cầu cũng có thể sử dụng các điểm cân bằng, hình móng ngựa, hình ba lá, hình parabol, hình tam giác, hình elip, và thiết kế Tudor để tạo nên một cây cầu vừa đẹp vừa hữu dụng.

9. Nhiều vòm có thể được ghép lại với nhau để tăng tính ổn định

Cầu Juscelino Kubitschek (Brazil)

Cầu Juscelino Kubitschek bắc qua sông Paranoa ở Brazil là một ví dụ điển hình cho ưu điểm này. Nó có thiết kế 3 vòm với những sợi cáp hỗ trợ giúp các tài xế có thể qua sông an toàn. Mỗi vòm được nối với nhau để tăng tính ổn định, đồng thời cho phép xây dựng một mặt cầu chắc hơn, có thể đảm đương những lượng phương tiện lưu thông cao hơn đáng kể. Miễn là bạn có một nhịp cầu thông thoáng, độ võng phù hợp, và sử dụng loại đá xây vòm phù hợp với các phân đoạn uốn cong khác của cấu trúc cầu, thì bạn sẽ nắm trong tay một thiết kế cầu cực kỳ vững chắc có thể chống chịu hầu như mọi loại điều kiện môi trường.

Những nhược điểm của cầu vòm

1. Số lượng nhịp của một cây cầu vòm là có giới hạn tuỳ thuộc số lượng trụ cầu

Bạn có thể xây dựng số lượng nhịp vô hạn trên một cây cầu vòm nếu muốn, nhưng có một vấn đề ở đây. Bạn sẽ cần phải sử dụng nhiều vòm trong một cây cầu để làm được điều đó. Đó là lý do tại sao bạn thường thấy các cấu trúc La Mã cổ đại vẫn còn hiện hữu đến ngày nay sử dụng thiết kế chồng lên nhau - thông thường là 2-3 tầng vòm. Nếu bạn tăng chiều dài cầu, bạn phải thêm nhiều vòm nữa.

Nếu điểm kết của một vòm cách quá xa điểm kết của một vòm khác, thì hiệu ứng truyền vận sẽ biến mất. Mỗi khi có sức ép lên một vòm, hoặc bán kính của vòm tăng lên, thì cấu trúc cầu sẽ bị suy yếu.

2. Thiết kế cầu vòm đòi hỏi người thực hiện phải có kinh nghiệm

Nếu được cho đủ thời gian và tài nguyên, bất kỳ ai cũng có thể xây dựng nên một cây cầu kéo dài bao nhiêu nhịp tuỳ ý. Đó có thể là một cây cầu làm từ một cây gỗ bắc qua một con lạch, hoặc cũng có thể là cây cầu dài nhất thế giới. Nhưng nếu muốn sử dụng thiết kế cầu vòm, bạn phải hiểu được áp lực mà các trụ cầu phải chống đỡ cả ở bên trong lẫn bên ngoài. Bạn còn phải tính toán sao cho vật liệu và hệ thống chống đỡ có đủ sức để tạo ra hiệu ứng truyền vận.

Thợ xây và các nhà thiết kế phải có kỹ năng tốt trong việc đọc bản vẽ, hiểu được các đặc điểm địa chất của khu vực, có kiến thức toán học và kiến trúc để xây dựng cầu thành công. Nếu bất kỳ thành phần quan trọng nào bị thiếu, cả cấu trúc không sớm thì muộn cũng sẽ gặp vấn đề - một nhược điểm có thể dẫn đến những hậu quả đe doạ tính mạng con người.

3. Thiết kế vòm phải phù hợp hoàn hảo với thiết kế cầu

nếu các cấu trúc hỗ trợ của cầu không phù hợp hoàn hảo với thiết kế vòm, thì việc đặt viên đá đỉnh vòm một cách chính xác là điều bất khả thi. Khi vấn đề này xảy ra, sự phân phối khối lượng xuống các trụ cầu không còn cân bằng nữa. Kể cả khi các vật liệu xây dựng hiện đại có độ bền cao, chỉ cần lệch một phần nhỏ của một centimet cũng đủ làm tăng nguy cơ hư hỏng cả cây cầu. Những sai số đơn giản là quá khó không thể khắc phục được dù chỉ có một lỗi nhỏ trong quá trình xây dựng.

4. Cầu vòm đôi lúc có tính linh hoạt quá cao

Ưu điểm về khả năng dịch chuyển của một cây cầu vòm hai hoặc ba khớp nối là rất lớn tại những khu vực nơi nhiệt độ thay đổi thường xuyên và có sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa các khoảng thời gian nhất định. Tuy nhiên, đôi lúc sự dịch chuyển, hay tính linh hoạt, của vòm có thể vượt quá mức mà mặt cầu có thể chịu được. Khi có quá nhiều sự dịch chuyển xuất hiện, đặc biệt là đồng thời từ nhiều hướng khác nhau, thì nó có thể dẫn đến hư hỏng hoàn toàn cây cầu.

5. Một số cây cầu cần có hệ thống chống đỡ bổ sung ở hai bên để hỗ trợ mặt cầu

Một cây cầu vòm bình thường cần có hệ thống trụ chống đỡ ở hai bên nhiều hơn các thiết kế cầu khác bởi tính chất ổn định và khả năng dịch chuyển của cấu trúc cầu. Việc con người phải tính toán thêm những hệ thống trụ chống đỡ khi các trụ ở hai đầu chưa đủ mạnh cũng không phải là chuyện lạ. Nhược điểm này là lý do tại sao một số địa điểm sử dụng các loại cột hay một số dạng chống đỡ khác cho cây cầu vòm của họ. Hệ thống trụ chống đỡ nhân tạo chỉ có thể tăng sức bền cho cầu thêm một mức nhất định, có thể không đủ để đạt ngưỡng khối lượng chịu được của thiết kế cầu.

6. Cầu vòm không phù hợp cho một số địa điểm

Phải có hệ thống trụ chống đỡ ổn định và vững chắc ở cả hai phía của một cây cầu vòm để nó có thể hỗ trợ cho bất kỳ loại mặt cầu nào. Nếu ở một số địa điểm, hệ thống trụ chống đỡ này không thể đảm bảo được, thì không có cách nào để thay thế cho nó cả. Bạn phải có hai điểm đặt vững chắc để chống đỡ cho cầu, kể cả khi nhịp cầu nhỏ, thì thiết kế cầu vòm mới ổn định được. Các loại vật liệu hiện đại như thép có thể chống chịu lực ép và lực căng lớn hơn, do đó bạn có thêm được nhiều lựa chọn hơn trong việc đặt hệ thống trụ chống đỡ - nhưng một điều chắc chắn là bạn không thể chỉ chống đỡ một bên được!

Cầu Triều Thiên Môn (Trung Quốc).

Nếu bạn cần nhịp cầu dài hơn, thì bạn phải có nhiều điểm phân phối lực. Đó là lý do tại sao cây cầu vòm dài nhất thế giới hiện nay - cầu Triều Thiên Môn trên sông Dương Tử - chỉ dài khoảng 0,55km mà thôi. Các thiết kế cầu hiện đại có thể kéo dài đến hơn 48km qua sông.

7. Cầu vòm thường cần quy trình bảo trì bảo dưỡng phức tạp hơn

Một cây cầu vòm thông thường cần được bảo trì bảo dưỡng thường xuyên để đảm bảo hệ thống trụ chống đỡ luôn phân phối khối lượng đến các chân vòm theo đúng thiết kế. Có nghĩa là các kỹ sư phải thường xuyên khảo sát cầu để chắc chắn nó không bị yếu đi theo thời gian. Hao mòn là điều không tránh khỏi, kể cả với những vật liệu bền như thép, do đó cần can thiệp sớm để sửa chữa khi phát hiện hỏng hóc xảy ra.

Cầu Honeymoon bắc qua thác Niagara.

Nếu một cây cầu không được định kỳ bảo dưỡng, thảm hoạ có thể xảy ra. Một trong những ví dụ điển hình nhất là cầu Honeymoon bắc qua thác Niagara, kết nối giữa Mỹ và Canada. Cầu sập năm 1938 bởi một trận cuồng phong bất ngờ khiến một dòng sông băng dài 30 mét đập vào chân cầu, làm lệch khối lượng cầu.

8. Cầu vòm tốn thời gian xây dựng hơn các thiết kế khác

Bởi độ phức tạp của nó, để xây dựng xong một cây cầu vòm cần nhiều thời gian hơn so với các thiết kế khác. Đôi lúc thời gian này là gấp ba lần thông thường, khiến nó không phù hợp cho những nơi cần cầu sớm. Nhược điểm này cũng là lý do chi phí xây dựng cầu vòm cao hơn, bởi nhân công cần cho dự án sẽ nhiều hơn.

Kể cả khi chính phủ tài trợ một phần chi phí, nguy cơ phát sinh thêm thời gian và chi phí vẫn là quá lớn khi chọn thiết kế cầu vòm.

Kết

Cầu vòm là một trong những thiết kế hiệu quả nhất mà con người từng phát minh ra trong lịch sử. Chúng ta vẫn tiếp tục sử dụng nó cho đến ngày nay, với những vật liệu hiện đại như thép và bê tông, bởi độ bền đáng kinh ngạc và tính linh hoạt của nó, cũng như nguy cơ hư hỏng thấp hơn so với các thiết kế khác.

Mỗi vòm có một độ dài tối đa nhất định. Các kỹ sư phải tính toán kỹ càng trong khâu thiết kế để đảm bảo cấu trúc này có thể đạt độ bền bỉ vốn có. Sau đó các nhà thầu đảm nhận dự án phải tuân thủ chính xác mọi chi tiết bản vẽ để đảm bảo cho kết quả tốt nhất.

Những ưu và nhược điểm của cầu vòm là điều cơ bản phải xem xét khi xây dựng một cây cầu. Ngoài ra bạn cũng có thể ứng dụng nó cho những lĩnh vực khác trong đời sống, như xây mái nhà hoặc lắp cửa sổ, bởi lực hướng xuống về cơ bản là giống nhau trong mỗi tình huống.

• Cá sống dưới nước nhưng có bao giờ chúng khát nước?
• Vì sao chưa bao giờ có ô tô thực sự chạy được bằng nước?
• Vừa biến mất khỏi sa mạc Mỹ, cột kim loại bí ẩn tiếp tục lộ diện ở Romania