Siêu mái của một sân vận động vượt nhịp tới 209 m, bên dưới không cần cột ở chính giữa: Nặng tương đương 6.000 xe hơi, độ phức tạp chẳng kém các siêu sân vận động ở Mỹ

Rogers Centre tại Toronto, Canada, trước đây mang tên SkyDome, là một trong những sân vận động nổi tiếng nhất thế giới nhờ hệ mái đóng mở khổng lồ. Khi hoàn thành vào năm 1989, công trình gây chú ý bởi quy mô và cơ chế vận hành mà vào thời điểm đó gần như chưa từng được áp dụng ở một sân vận động lớn.

Không cần cột giữa sân

Một trong những yêu cầu quan trọng của SkyDome là tạo ra không gian đủ lớn cho nhiều loại hình sự kiện, từ bóng chày, bóng bầu dục cho tới hòa nhạc.

Điều đó đồng nghĩa các kỹ sư không thể đơn giản dựng hàng loạt cột đỡ ngay giữa sân để chống mái. Thay vào đó, kết cấu phải vượt qua khoảng không rộng hơn 200 m và truyền tải trọng về hệ thống đỡ xung quanh.

Đây cũng là yếu tố khiến bài toán mái đóng mở trở nên phức tạp hơn nhiều so với mái cố định. Không chỉ phải chịu tải của chính mình, kết cấu còn phải duy trì độ chính xác đủ cao để các mảng mái khổng lồ có thể di chuyển mà không bị kẹt hoặc lệch khỏi quỹ đạo.

Kỹ sư kết cấu Michael Allen, một trong những người phát triển ý tưởng ban đầu, từng cho biết quy mô mái đóng mở như SkyDome khi ấy chưa từng được thực hiện theo cách tương tự. Nhóm thiết kế thậm chí chế tạo mô hình tỷ lệ 1:400, đường kính khoảng 2,5 m, để kiểm tra hình học và chuyển động trước khi đưa giải pháp vào thực tế.

4 phần mái, 3 phần có thể di chuyển

Toàn bộ mái được chia thành 4 phần lớn.

Phần thứ nhất cố định. Hai phần ở giữa có thể trượt thẳng về phía phần cố định theo cơ chế gần giống ống lồng. Phần còn lại nằm ở một đầu mái lại có cách di chuyển phức tạp hơn: nó phải xoay khoảng 180 độ trước khi được đưa về vị trí bên dưới phần mái cố định.

Khi cả ba phần di động thu lại, toàn bộ sân thi đấu và khoảng 91% số ghế phía dưới được để lộ thiên. Khi thời tiết xấu, hệ mái lại có thể khép kín toàn bộ không gian. Cách vận hành này giúp SkyDome vừa có đặc điểm của sân vận động ngoài trời, vừa có thể biến thành một không gian kín khi cần thiết.

Điều đáng chú ý là chuyển động không chỉ đơn thuần là trượt một tấm mái sang bên. Các cấu kiện có kích thước rất lớn phải phối hợp theo những quỹ đạo khác nhau, trong đó có cả chuyển động thẳng và chuyển động xoay.

Theo Michael Allen, chính bài toán kết hợp hai dạng chuyển động này đã tạo nên hình học đặc biệt của mái. Ý tưởng ban đầu xuất hiện khi ông phác thảo giải pháp trên một chuyến bay từ Toronto tới Ottawa, sau đó tiếp tục hoàn thiện trong nhiều ngày.

Nặng 11.000 tấn nhưng mở trong khoảng 20 phút

Quy mô của hệ thống càng dễ hình dung khi đặt cạnh những con số của công trình. Mái rộng khoảng 3,2 ha, tức khoảng 32.000 m². Điểm cao nhất đạt 86 m, trong khi khoảng vượt lớn nhất là 209 m.

Tổng khối lượng của hệ mái nặng khoảng 11.000 tấn, tương đương khối lượng của khoảng 6.000 xe hơi nhưng ba phần chuyển động vẫn có thể được đưa về vị trí mở hoàn toàn trong khoảng 20 phút.

Đây không chỉ là bài toán về sức mạnh của động cơ. Nếu hình học của đường ray, bánh xe hay chính kết cấu mái có sai lệch quá lớn, một mảng mái nặng hàng nghìn tấn hoàn toàn có thể gặp vấn đề khi di chuyển.

Bởi vậy, ngay từ giai đoạn thiết kế, đội ngũ kỹ sư đã dành nhiều thời gian kiểm tra để bảo đảm các phần mái không bị kẹt trong quá trình vận hành. Lần thử rút một phần mái đầu tiên thậm chí được thực hiện vào ban đêm.

Từng lập kỷ lục thế giới

Khi hoàn thành vào tháng 6/1989, SkyDome nhanh chóng trở thành biểu tượng của Toronto. Guinness World Records từng ghi nhận hệ mái của công trình với danh hiệu mái sân vận động đóng mở lớn nhất thế giới, với diện tích 3,2 ha.

Sau nhiều thập kỷ, công nghệ mái đóng mở của các sân vận động đã phát triển mạnh. Tại Mỹ, những công trình thế hệ mới như Mercedes-Benz Stadium ở Atlanta thậm chí sử dụng 8 cánh mái nặng hơn 450 tấn mỗi cánh, vận hành theo cơ chế tương tự khẩu độ máy ảnh và có thể mở trong hơn 8 phút. Tuy nhiên, SkyDome vẫn là một trong những công trình đặt nền móng cho xu hướng sân vận động đa chức năng có mái đóng mở hiện đại.

Điều gây ấn tượng không chỉ nằm ở việc một khối kết cấu nặng khoảng 11.000 tấn có thể di chuyển, mà còn ở chỗ hệ thống ấy phải vượt qua khoảng không hơn 200 m, không cần dựng cột ở chính giữa sân và vẫn phải vận hành chính xác sau hàng chục năm sử dụng. Chính sự kết hợp giữa kết cấu vượt nhịp lớn và cơ chế cơ khí phức tạp đã khiến mái Rogers Centre trở thành một trong những dấu mốc đáng chú ý của kỹ thuật sân vận động cuối thế kỷ 20.

Nguồn: Canadian Consulting Engineer