Thời đại kết cấu sắt thép: Iron Bridge, tháp Eiffel và cầu Long Biên

Thời đại kết cấu sắt thép kéo dài từ cầu Iron Bridge bằng gang năm 1779, qua tháp Eiffel bằng sắt rèn năm 1889, tới những cây cầu, nhà ga, nhà chọc trời bằng thép đầu thế kỷ 20 — trong đó có cầu Long Biên ở Hà Nội, xây 1898–1902. Mỗi bước đi theo đúng sự tiến bộ của luyện kim: gang rẻ trước, sắt rèn dẻo dai sau, rồi thép bền nhất. Nhờ vật liệu chịu kéo tốt và các mối ghép đinh tán, con người lần đầu dựng được những nhịp cầu dài hàng trăm mét và những công trình cao hàng trăm mét.

Gang, sắt rèn và thép khác nhau thế nào khi dùng làm kết cấu?

Một kết cấu chịu hai kiểu lực chính: nén (bị ép lại, như chân cột đỡ mái) và kéo (bị giãn ra, như mặt dưới một thanh dầm võng xuống). Đá và gạch chịu nén giỏi nhưng chịu kéo rất kém — vì thế cầu đá cổ luôn có hình vòm, để mọi viên đá chỉ bị ép.

Gang rẻ và đúc được hình gì cũng được, nhưng giòn: quá tải là vỡ, không cong trước. Sắt rèn và thép thì dẻo — khi quá tải chúng võng, cong, cho người ta thấy dấu hiệu nguy hiểm. Lịch sử kết cấu thế kỷ 19 về cơ bản là câu chuyện chuyển từ gang sang sắt rèn, rồi sang thép.

Cầu Iron Bridge năm 1779 được dựng như thế nào?

Cầu Iron Bridge bắc qua sông Severn gần Coalbrookdale (Anh), do Abraham Darby III đúc và dựng năm 1779, thông xe năm 1781. Đây là cây cầu lớn đầu tiên trên thế giới làm hoàn toàn bằng gang.

• Nhịp chính khoảng 30 m (100 feet), vượt sông bằng một vòm.
• Dùng khoảng 380 tấn gang, gồm hàng trăm chi tiết đúc riêng.
• Các chi tiết được ghép bằng những mối nối học từ nghề mộc: mộng đuôi én, mộng âm dương, chốt nêm — vì chưa có cách ghép kim loại nào quen thuộc hơn.

Người thiết kế khéo léo chọn hình vòm: vòm khiến các thanh gang chủ yếu chịu nén — đúng thế mạnh của gang. Cầu đứng tới nay, dù từng phải gia cố nhiều lần vì hai bờ sông dịch chuyển. Từ năm 1934, cầu chỉ dành cho người đi bộ.

Vì sao kỹ sư thế kỷ 19 dần bỏ gang?

Khi đường sắt phát triển, người ta dùng dầm gang cho cầu đường sắt — và đó là chỗ gang lộ điểm yếu. Một dầm nằm ngang chịu tải nặng sẽ bị kéo ở mặt dưới; gang lại chịu kéo kém, lỗi đúc (bọt khí, vết nứt nhỏ bên trong) khó phát hiện, rung động của tàu chạy làm vết nứt lớn dần.

Năm 1847, một dầm gang của cầu đường sắt qua sông Dee ở Chester (Anh) gãy dưới đoàn tàu. Cuộc điều tra sau đó, một trong những cuộc điều tra kỹ thuật lớn đầu tiên, đã làm rõ: gang không hợp cho dầm chịu uốn dưới tải trọng động. Từ đó kỹ sư chuyển sang sắt rèn. Cầu ống Britannia ở xứ Wales (1850) của Robert Stephenson, làm bằng các tấm sắt rèn tán đinh thành ống hộp khổng lồ để tàu chạy bên trong, là ví dụ tiêu biểu. Bài học chung: chọn vật liệu theo kiểu lực nó phải chịu, và kiểm tra cả những lỗi không nhìn thấy được.

Tháp Eiffel được làm từ gì và dựng ra sao?

Tháp Eiffel được dựng trong khoảng hai năm (1887–1889) cho Triển lãm Thế giới Paris 1889, kỷ niệm 100 năm Cách mạng Pháp. Điều nhiều người không biết: tháp không làm bằng thép mà bằng sắt rèn luyện trong lò khuấy (sắt puddling). Lúc đó thép Bessemer đã có, nhưng Gustave Eiffel và các kỹ sư của ông tin vào sắt rèn hơn — vật liệu họ đã dùng cho nhiều cây cầu và cầu cạn trước đó, hiểu rõ tính chất và độ đồng đều.

Mỗi chi tiết được vẽ và gia công sẵn trong xưởng ở ngoại ô Paris, khoan lỗ chính xác, rồi chở ra công trường lắp như bộ đồ ghép. Hình dáng tháp, phình ở chân và thon dần lên, được tính toán chủ yếu để chống gió. Cấu trúc dạng giàn rỗng khiến tháp nhẹ đến bất ngờ so với chiều cao. Để chống gỉ, tháp được sơn lại định kỳ, mỗi đợt dùng hàng chục tấn sơn.

Đinh tán hoạt động thế nào, vì sao sau này bị thay?

Trước khi hàn hồ quang phổ biến, mọi kết cấu sắt thép lớn đều ghép bằng đinh tán. Cách làm cần một tổ ba bốn người:

1. Một người nung đinh trong lò than nhỏ cho tới khi đỏ rực.
2. Người khác gắp đinh, đưa cho người đứng sẵn ở mối ghép.
3. Đinh được xỏ qua lỗ khoan của hai tấm thép chồng lên nhau.
4. Một người giữ đầu đinh, người kia dùng búa hoặc búa hơi tán đầu còn lại thành mũ.
5. Đinh nguội đi và co lại, siết chặt hai tấm vào nhau.

Chính bước co khi nguội làm mối ghép đinh tán chắc. Nhưng công việc tốn người, ồn, nguy hiểm khi làm trên cao. Từ giữa thế kỷ 20, hàn và bu lông cường độ cao dần thay đinh tán trong xây dựng. Ngày nay, những hàng mũ đinh tán tròn trên cầu cũ trở thành dấu hiệu nhận biết một công trình của thời đại trước.

Cầu Long Biên có vị trí gì trong thời đại sắt thép?

Cầu Long Biên bắc qua sông Hồng ở Hà Nội, được xây từ năm 1898 tới năm 1902 dưới thời Pháp thuộc, ban đầu mang tên Toàn quyền Paul Doumer. Khi khánh thành, đây là một trong những cây cầu dài nhất châu Á.

• Phần vượt sông gồm 19 nhịp dầm kim loại dạng giàn, đặt trên các trụ cao.
• Chiều dài phần cầu chính khoảng 1,7 km; tính cả cầu dẫn, các nguồn ghi tổng chiều dài khoảng 2,3–2,5 km.
• Các thanh giàn được ghép bằng đinh tán, theo đúng kỹ thuật của cuối thế kỷ 19.
• Kết cấu giàn kiểu dầm hẫng (cantilever) cho phép vượt những nhịp dài trên lòng sông rộng, nước chảy xiết mùa lũ — điều mà cầu đá vòm truyền thống không làm được.

Cầu Long Biên ra đời đúng lúc thép đang thay sắt rèn ở châu Âu, và người ta thường gọi nó là cầu thép. Hôm nay, cầu chủ yếu dành cho tàu hoả, xe máy, xe đạp và người đi bộ, và là một biểu tượng của Hà Nội. Dọc thân cầu vẫn thấy rõ từng hàng mũ đinh tán và các mối ghép giàn — một bảo tàng kết cấu ngoài trời.

Vì sao kết cấu thép cho phép những nhịp dài và tầng cao?

Có ba lý do kỹ thuật:

• Tỉ lệ độ bền trên khối lượng cao. Thép chịu được cả kéo và nén lớn, nên một thanh thép mảnh có thể thay một khối đá nặng gấp nhiều lần. Kết cấu nhẹ thì tự nó cũng ít phải gánh chính mình.
• Kết cấu giàn. Ghép các thanh thành tam giác — hình không biến dạng được khi các đỉnh cố định — tạo nên dầm rỗng vừa cứng vừa nhẹ. Tháp Eiffel, cầu Long Biên, cầu Forth (Scotland, 1890) đều là giàn.
• Chế tạo sẵn. Chi tiết làm trong xưởng, chuẩn hoá, rồi lắp ở công trường. Đây là tiền thân của cách xây dựng công nghiệp ngày nay.

Cũng từ cuối thế kỷ 19, khung thép cho phép nhà chọc trời mọc lên ở Chicago và New York: tường không còn phải gánh tải, chỉ là lớp vỏ treo lên khung.

Đi xem kết cấu sắt thép cổ thì nhìn vào đâu?

• Cầu Long Biên (Hà Nội): đi bộ trên lối dành cho người đi bộ, quan sát mũ đinh tán, các thanh giàn chéo, gối cầu trên trụ. Chọn sáng sớm hoặc chiều muộn, đi đúng phần đường dành cho người đi bộ và giữ an toàn với xe cộ, tàu hoả.
• Cầu Iron Bridge và tháp Eiffel: ở cầu Iron Bridge, để ý các mối mộng kiểu nghề mộc trên chi tiết gang; ở tháp Eiffel, nhìn từ chân lên để thấy bốn chân giàn cong hội về một mối.
• Nhà ga, chợ có mái vòm kim loại cuối thế kỷ 19 – đầu thế kỷ 20 ở nhiều thành phố cũng là "bảo tàng" loại này.

Mẹo nhận biết thời kỳ: mũ đinh tán tròn đều thường là kết cấu trước khoảng giữa thế kỷ 20; mối hàn liền và bu lông đầu sáu cạnh là kết cấu mới hơn hoặc phần đã được sửa chữa.