Khi đường truyền lực thay đổi, mọi phép tính đều phải bắt đầu lại
Tối 17 tháng 7 năm 1981, đại sảnh khách sạn Hyatt Regency ở Kansas City đông nghịt người. Một buổi khiêu vũ đang diễn ra, tiếng nhạc vang dưới mái kính lớn, những nhóm khách đứng chuyện trò bên dưới, trong khi trên các cầu đi bộ treo ở tầng 2 và tầng 4, nhiều người dừng lại bên lan can để nhìn xuống không gian náo nhiệt của sảnh.
Đó là một buổi tối mà mọi thứ dường như vẫn đang ở đúng vị trí của nó: những cây cầu treo thanh mảnh phía trên, đám đông bên dưới, ánh sáng, âm nhạc và một kết cấu thép đã đứng đó từ ngày khách sạn được đưa vào sử dụng.
Không ai trong đại sảnh biết rằng, ngay trong một liên kết tưởng như bình thường của cây cầu tầng 4, tải trọng đang đi theo một con đường khác với con đường mà người thiết kế ban đầu đã tính toán.
Ít phút sau, liên kết ấy phá hủy. Cầu tầng 4 rơi xuống cầu tầng 2, rồi cả hai đổ xuống đại sảnh đông người phía dưới.
114 người thiệt mạng, 216 người bị thương.
Nhưng điều khiến Hyatt Regency trở thành một trong những bài học được nhắc đi nhắc lại trong giáo dục kỹ thuật suốt hơn bốn thập niên không chỉ nằm ở con số thương vong. Điều đáng sợ hơn đối với người làm nghề là thảm họa ấy không bắt đầu từ động đất, cháy nổ hay một loại vật liệu bất thường.
Nó bắt đầu từ một thay đổi trên bản vẽ liên kết.
MỘT THAY ĐỔI NHÌN QUA TƯỞNG RẤT NHỎ
Trong phương án ban đầu, các cầu đi bộ được treo từ kết cấu mái bằng những thanh ren dài. Một thanh treo liên tục chạy từ mái xuống qua cầu tầng 4 rồi tiếp tục xuống đỡ cầu tầng 2.
Điều quan trọng của cách bố trí này không nằm ở chuyện thanh ren dài hay ngắn, mà ở đường truyền lực.
Tải trọng của cầu tầng 2 được truyền qua thanh treo lên kết cấu mái; vì vậy, tại vị trí liên kết với cầu tầng 4, đai ốc và dầm ngang của cầu tầng 4 về cơ bản chỉ phải tiếp nhận tải trọng của chính cây cầu ấy.
Nếu gọi phản lực do cầu tầng 4 truyền vào liên kết là R4, thì tải mà liên kết này phải tiếp nhận có thể hình dung đơn giản là:
P = R₄
Đó là trạng thái làm việc tương ứng với phương án mà người thiết kế đã xem xét.
Nhưng khi chuyển sang chế tạo và lắp dựng, thanh ren liên tục được thay bằng hai thanh treo riêng biệt. Một thanh chạy từ mái xuống và giữ cầu tầng 4; thanh còn lại bắt đầu từ chính cầu tầng 4 rồi treo tiếp cầu tầng 2 phía dưới.
Nhìn trên bản vẽ, thay đổi ấy có thể khiến người ta nghĩ rằng đây chủ yếu là vấn đề thuận tiện cho chế tạo: không còn phải đưa một thanh ren rất dài xuyên qua nhiều tầng kết cấu, việc lắp ráp trở nên dễ dàng hơn, vị trí của một số đai ốc thay đổi và hình thức liên kết cũng gọn hơn.
Nhưng cơ học không nhìn sự thay đổi bằng mắt của người thợ lắp ráp.
Cơ học nhìn vào lực đi đâu.
Khi thanh treo được tách thành hai đoạn, cầu tầng 2 không còn truyền tải trực tiếp lên mái theo thanh treo liên tục nữa. Toàn bộ tải của nó trước hết phải đi vào liên kết của cầu tầng 4, rồi từ đó mới truyền lên phía trên.
Vì vậy, liên kết tầng 4 không còn chỉ mang tải của riêng cầu tầng 4.
Nó phải mang cả cầu phía dưới.
Nếu gọi phản lực do cầu tầng 4 truyền vào liên kết là R4, thì tải mà liên kết này phải tiếp nhận có thể hình dung đơn giản là:
P = R₄
Với hai cầu có kết cấu và tải trọng tương đối gần nhau, có thể hình dung:
R₂ ≈ R₄
và do đó:
P ≈ 2R₄
Chỉ một thay đổi trong cách bố trí thanh treo đã khiến tải tại một liên kết quan trọng tăng lên gần gấp đôi so với trạng thái mà nó vốn được tính toán để làm việc.
Đây là điểm mà sinh viên và kỹ sư rất nên dừng lại một chút.
Thanh ren vẫn là thanh ren ấy. Dầm thép vẫn có hình dạng gần như vậy. Cầu tầng 2 vẫn ở tầng 2, cầu tầng 4 vẫn ở tầng 4. Nếu chỉ nhìn từng chi tiết riêng lẻ, người ta có thể có cảm giác rằng kết cấu không thay đổi bao nhiêu.
Nhưng đường đi của lực đã khác.
Và khi đường truyền lực khác đi, đối với người kỹ sư, đó không còn là kết cấu cũ nữa.
KHÔNG PHẢI THANH REN ĐÃ “GÃY”
Nhắc đến một công trình treo bị sập, người ngoài nghề rất dễ hình dung rằng thanh treo đã bị kéo đứt. Nhưng dấu vết tại Hyatt Regency kể một câu chuyện khác.
Các thanh treo và đai ốc truyền lực vào một dầm ngang dạng hộp được tạo bởi hai thép kênh ghép lại. Khi tải tại liên kết tầng 4 tăng lên, vùng bản thép quanh vị trí đai ốc phải chịu một trạng thái tải vượt quá khả năng của liên kết. Đai ốc cùng thanh treo cuối cùng kéo xé qua phần thép của dầm hộp, khiến liên kết mất khả năng chịu lực.
Cầu tầng 4 rơi xuống.
Và vì cầu tầng 2 nằm ngay bên dưới, sự phá hủy của một liên kết đã kéo theo sự sụp đổ của cả hai cây cầu.
Nhìn vào hiện trường, những bản thép bị xé quanh vị trí đai ốc không chỉ cho biết kết cấu đã hỏng ở đâu. Với người học cơ học và thiết kế máy, chúng còn cho biết một điều sâu hơn: vật liệu chỉ phá hủy ở cuối chuỗi sự kiện; phía trước vết xé ấy là một chuỗi quyết định của con người.
KHOẢNG TRỐNG NGUY HIỂM NHẤT KHÔNG NẰM TRONG THÉP
Nếu Hyatt Regency chỉ là câu chuyện về một phép tính chưa được làm lại, bài học của nó đã rất lớn. Nhưng lý do vụ việc này vẫn được dùng trong đào tạo kỹ sư còn nằm ở một tầng sâu hơn: trách nhiệm đối với một thay đổi kỹ thuật đã không được truyền đi trọn vẹn giữa những người tham gia thiết kế và chế tạo.
Một phía cho rằng bên kia sẽ hiểu tác động của thay đổi và thực hiện việc kiểm tra cần thiết; phía còn lại làm việc trên cơ sở những bản vẽ và thông tin mà họ nhận được. Một phương án thuận tiện hơn cho chế tạo đã đi từ ý tưởng đến công trình mà sự thay đổi của đường truyền lực không được đánh giá lại đầy đủ tại chính liên kết chịu hậu quả lớn nhất.
Ở đây có một bài học rất gần với công việc của người kỹ sư.
Chúng ta quen nhìn bản vẽ như một tập hợp đường nét, kích thước, dung sai, ký hiệu vật liệu và yêu cầu kỹ thuật. Nhưng bản vẽ còn là nơi trách nhiệm của nhiều con người gặp nhau. Người thiết kế đặt ý tưởng vào đó; người kiểm tra phải hiểu nó; người công nghệ đọc nó để lựa chọn cách chế tạo; người thợ dựa vào nó để làm ra chi tiết; người lắp ráp dùng nó để biến nhiều chi tiết thành một hệ thống có khả năng mang tải và chuyển động.
Chỉ cần một điều quan trọng được hiểu khác nhau giữa hai đầu của quá trình ấy, bản vẽ vẫn có thể rất sạch, những đường kích thước vẫn thẳng, các chi tiết vẫn được chế tạo đúng hình dáng – nhưng hệ thống cuối cùng chưa chắc còn làm việc theo cách mà người thiết kế ban đầu đã hình dung.
Đôi khi, mắt xích yếu nhất của một kết cấu không nằm trong thép. Nó nằm trong khoảng trống giữa hai người cùng nghĩ rằng người kia đã kiểm tra.
HỌC TÍNH BỀN, NHƯNG TRƯỚC HẾT PHẢI HỌC NHÌN ĐƯỜNG ĐI CỦA LỰC
Trong những giờ Chi tiết máy, sinh viên được dành rất nhiều thời gian cho những câu hỏi hoàn toàn cần thiết: trục có đủ bền không, bu lông chịu kéo hay chịu cắt, then có bị dập không, ổ lăn đạt bao nhiêu giờ tuổi thọ, bánh răng có đủ bền tiếp xúc và bền uốn hay không.
Các công thức giúp chúng ta trả lời những câu hỏi ấy.
Nhưng trước mọi công thức còn có một câu hỏi mà Hyatt Regency buộc người kỹ sư phải tập thành phản xạ:
Lực đang đi theo con đường nào?
Một bu lông không tự nhiên chịu cắt. Một ổ lăn không tự nhiên nhận tải hướng kính hay tải dọc trục. Một mối hàn, một thanh treo, một gối đỡ hay một trục chỉ chịu tải vì toàn bộ hệ thống đã dẫn lực tới đó theo một con đường nhất định.
Nếu thay đổi con đường ấy, trạng thái chịu tải của chi tiết cũng có thể thay đổi.
Bởi vậy, đổi một thanh ren liên tục thành hai thanh ren riêng không đơn thuần là “chia một thanh thành hai”. Dịch một gối đỡ vài centimét không đơn thuần là “đổi vị trí”. Thay cách lắp một bu lông không chỉ là “thuận tiện hơn khi lắp ráp”. Và chuyển một điểm liên kết từ chi tiết này sang chi tiết khác chưa bao giờ chỉ là chỉnh sửa vài nét trên CAD.
Mỗi thay đổi đều cần người kỹ sư quay lại với hệ thống và hỏi từ đầu: tải phát sinh ở đâu, đi qua những bộ phận nào, tại đâu nó được chia ra, tại đâu nó cộng lại, và cuối cùng được truyền về đâu.
Đó là một cách nghĩ rất kỹ thuật: đừng chỉ nhìn chi tiết; hãy nhìn cả con đường mà lực đang đi qua chi tiết ấy.
MỘT NÉT SỬA TRÊN BẢN VẼ KHÔNG BAO GIỜ CHỈ LÀ MỘT NÉT SỬA
Ngày nay, việc sửa bản vẽ dễ hơn rất nhiều so với năm 1981. Chỉ vài thao tác trên CAD, một lỗ có thể được dịch chuyển, một chi tiết được kéo dài, một gối đỡ được đổi vị trí, một liên kết được thay bằng phương án khác. File được lưu lại, bản vẽ mới xuất hiện trên màn hình gần như tức thì.
Chính sự dễ dàng ấy đôi khi khiến chúng ta quên rằng máy tính chỉ giúp thay đổi hình học nhanh hơn; nó không chịu trách nhiệm thay người kỹ sư về hệ quả cơ học của thay đổi đó.
Một đường vừa được dịch trên màn hình có thể đồng thời dịch chuyển một phản lực.
Một liên kết vừa được thay có thể đưa tải sang một chi tiết trước đó chưa từng phải mang nó.
Một thay đổi để “dễ chế tạo hơn” có thể tạo ra trạng thái ứng suất mà mô hình tính toán cũ chưa từng xét tới.
Vì thế, kỷ luật của nghề không nằm ở chỗ không bao giờ thay đổi thiết kế. Thiết kế kỹ thuật luôn phải thay đổi để tốt hơn, đơn giản hơn, dễ chế tạo hơn và kinh tế hơn. Kỷ luật nằm ở chỗ mỗi khi thay đổi hình học có khả năng làm thay đổi chức năng chịu lực, người kỹ sư phải đủ tỉnh táo để xem đó là một bài toán mới chứ không phải một chỉnh sửa nhỏ.
Và sau khi đã tính lại, còn một việc khác cũng không kém phần quan trọng: phải làm cho những người ở phía sau hiểu chính xác điều gì đã thay đổi, vì sao thay đổi và ai chịu trách nhiệm kiểm tra nó.
Đó không chỉ là kỹ năng giao tiếp.
Đó là một phần của kỹ thuật.
TRƯỚC MỘT CHỮ KÝ
Hơn bốn mươi năm đã trôi qua kể từ đêm hai cây cầu Hyatt Regency đổ xuống đại sảnh. Công trình đã được sửa chữa, những kết cấu mới đã thay thế những cây cầu cũ, nhưng câu chuyện về một liên kết năm ấy vẫn tiếp tục xuất hiện trong lớp học của nhiều thế hệ kỹ sư.
Không phải để sinh viên nhớ thật lâu con số 114.
Cũng không phải để một thảm họa trở thành câu chuyện gây sợ hãi.
Điều đáng giữ lại là khoảnh khắc người học nhận ra rằng giữa một đường nét trên bản vẽ và một kết cấu ngoài đời có một sợi dây vô hình mang tên trách nhiệm. Trên bản vẽ, chúng ta nhìn thấy thép, bu lông, mối hàn, kích thước và tải trọng; nhưng khi công trình được chế tạo và đưa vào sử dụng, phía sau những ký hiệu ấy là những con người đặt niềm tin vào việc người kỹ sư đã hiểu đầy đủ điều mình thiết kế.
Có lẽ vì thế, những câu chuyện như Hyatt Regency vẫn cần được kể trong một “lò rèn” đào tạo kỹ sư.
Không phải để dạy người trẻ sợ sai, bởi không có nghề kỹ thuật nào tiến lên mà không cần sửa đổi, thử nghiệm và cải tiến. Điều cần truyền lại là một thái độ nghề nghiệp: đã thay đổi thì phải hiểu nó thay đổi điều gì; đã chưa hiểu thì chưa được phép coi việc ấy là nhỏ; và trước khi đặt chữ ký của mình lên một bản vẽ, phải biết lực sẽ đi đâu sau nét bút ấy.
Một thanh ren chỉ là một chi tiết rất nhỏ trong một công trình lớn.
Nhưng nghề kỹ sư vốn được giữ gìn chính từ sự nghiêm cẩn đối với những điều nhỏ như thế.
Bởi trên bản vẽ có thể chỉ là một nét sửa.
Ngoài đời, phía sau nét sửa ấy có thể là con người.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hyatt Regency walkway collapse. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Hyatt_Regency_walkway_collapse
[2] R. D. Marshall, E. O. Pfrang và cộng sự, Investigation of the Kansas City Hyatt Regency Walkways Collapse, NBS Building Science Series 143, National Bureau of Standards, 1982.
[3] N. Delatte, Hyatt Regency Walkway Collapse, Failure Case Studies, School of Engineering, University of Alabama at Birmingham.
[4] Negligence and the Professional “Debate” over Responsibility for Design, Engineering Ethics Case Study, Texas A&M University.
[5] Hyatt Regency walkway collapse, Encyclopaedia Britannica.
