Οι σεισμοί ήταν πάντα ένα τρομακτικό φαινόμενο
και έχουν γίνει ακόμη πιο θανατηφόροι καθώς οι πόλεις μας έχουν μεγαλώσει
και τα κτίρια που καταρρέουν είναι ένας από τους μεγαλύτερους κινδύνους.
Γιατί καταρρέουν τα κτίρια όταν γίνεται σεισμός
και πώς μπορούμε να το αποτρέψουμε;
Αν έχετε δει πολλές ταινίες καταστροφής,
ίσως έχετε την εντύπωση
ότι η κατάρρευση των κτιρίων οφείλεται στο ότι έδαφος από κάτω τους
δονείται βίαια ή ακόμη και χωρίζεται στα δύο.
Αλλά δεν γίνεται ακριβώς έτσι.
Κατ' αρχάς, τα περισσότερα κτίρια δεν βρίσκονται πάνω από κάποιο ρήγμα
και οι μετακινούμενες τεκτονικές πλάκες
βρίσκονται πολύ βαθύτερα από τα θεμέλια των κτιρίων.
Τι πραγματικά συμβαίνει, λοιπόν;
Στην πραγματικότητα, η επίδραση των σεισμών στα κτίρια
είναι λίγο πιο περίπλοκη.
Για να την κατανοήσουν οι αρχιτέκτονες και μηχανικοί χρησιμοποιούν μοντέλα
όπως μία δισδιάστατη συστοιχία γραμμών που αναπαριστούν κολώνες και δοκούς
ή αυτές τις γραμμές σαν γλυφιτζούρια, που αναπαριστούν τη μάζα του κτιρίου.
Ακόμα και με τόση απλούστευση, τα μοντέλα μπορεί να είναι πολύ χρήσιμα,
καθώς η πρόβλεψη της απόκρισης ενός κτιρίου σε έναν σεισμό
είναι κυρίως αντικείμενο της Φυσικής.
Οι περισσότερες καταρρεύσεις κατά τη διάρκεια των σεισμών,
στην ουσία δεν προκαλούνται από τον ίδιο τον σεισμό.
Αντίθετα, όταν το έδαφος σείεται κάτω από ένα κτίριο,
μετατοπίζει τα θεμέλια και τα κατώτερα τμήματα
στέλνοντας ωστικά κύματα στην υπόλοιπη δομή
κάνοντάς τη να δονείται παλινδρομικά.
Η δύναμη αυτής της ταλάντωσης εξαρτάται από δύο κύριους παράγοντες:
τη μάζα του κτιρίου, που είναι συγκεντρωμένη χαμηλά,
και την ακαμψία της,
που είναι η απαιτούμενη δύναμη για να προκληθεί μια συγκεκριμένη μετατόπιση.
Μαζί με τα υλικά του κτιρίου και το σχήμα των κολονών του,
η ακαμψία εξαρτάται κυρίως από το ύψος.
Τα χαμηλότερα κτίρια είναι γενικά πιο άκαμπτα και μετατοπίζονται λιγότερο,
ενώ τα ψηλότερα κτίρια είναι πιο εύκαμπτα.
Ίσως σκέφτεστε ότι η λύση είναι να χτίζονται χαμηλότερα κτίρια,
ώστε να μετατοπίζονται κατά το λιγότερο δυνατό.
Αλλά ο σεισμός του 1985 στην Πόλη του Μεξικού
είναι ένα καλό παράδειγμα του γιατί αυτό δεν ισχύει.
Κατά τη διάρκεια του σεισμού κατέρρευσαν πολλά κτίρια με 6 ως 15 ορόφους.
Το περίεργο είναι ότι ενώ χαμηλότερα κτίρια παραδίπλα δεν κατέρρευσαν,
κτίρια ψηλότερα από 15 ορόφους επίσης έπαθαν μικρότερες ζημιές
και τα κτίρια μεσαίου ύψους που κατέρρευσαν
κουνιόντουσαν πολύ πιο βίαια από τον ίδιο τον σεισμό.
Πώς είναι δυνατό αυτό;
Η απάντηση σχετίζεται με κάτι που ονομάζεται φυσική συχνότητα.
Σε ένα ταλαντούμενο σύστημα,
η συχνότητα είναι πόσες παλινδρομικές κινήσεις γίνονται σε ένα δευτερόλεπτο.
Είναι το αντίστροφο της περιόδου,
που είναι πόσα δευτερόλεπτα χρειάζονται για να γίνει μία παλινδρομική κίνηση.
Η φυσική συχνότητα ενός κτιρίου, που εξαρτάται από τη μάζα και την ακαμψία του,
είναι η συχνότητα στην οποία τείνει να δονείται περισσότερο.
Αύξηση της μάζας του κτιρίου μειώνει τον ρυθμό με τον οποίο δονείται φυσικά,
ενώ αύξηση της ακαμψίας του, το κάνει να δονείται γρηγορότερα.
Έτσι, στην εξίσωση που τις συνδέει,
η ακαμψία και η φυσική συχνότητα είναι ανάλογες η μία της άλλης,
ενώ η μάζα και η φυσική συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογες.
Το φαινόμενο που συνέβη στην Πόλη του Μεξικού ονομάζεται συντονισμός,
κατά τον οποίο η συχνότητα των σεισμικών κυμάτων του σεισμού
τυχαίνει να ταυτίζονται με τη φυσική συχνότητα των κτιρίων μεσαίου ύψους.
Όπως μία ώθηση της κούνιας κατά την κατάλληλη χρονική στιγμή,
κάθε επιπρόσθετο σεισμικό κύμα ενίσχυε τη δόνηση του κτιρίου
προς την κατεύθυνση που είχε,
κάνοντάς το να δονείται ακόμα πιο πέρα και ούτω καθεξής,
μέχρι που η μετατόπισή της έγινε πολύ μεγαλύτερη από την αρχική.
Σήμερα οι μηχανικοί συνεργάζονται με γεωλόγους και σεισμολόγους
για να προβλέψουν τη συχνότητα των σεισμικών κινήσεων σε νέες οικοδομές
ώστε να αποτρέψουν τις καταρρεύσεις που οφείλονται σε συντονισμό,
λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες όπως το είδος του εδάφους και τα ρήγματα,
καθώς και δεδομένα από προηγούμενους σεισμούς.
Κινήσεις με χαμηλότερες συχνότητες
προκαλούν μεγαλύτερη ζημιά σε ψηλότερα και πιο εύκαμπτα κτίρια,
ενώ υψίσυχνες κινήσεις απειλούν περισσότερο
κατασκευές με χαμηλότερο ύψος και μεγαλύτερη ακαμψία.
Οι μηχανικοί έχουν επίσης βρει τρόπους να απορροφούν τις δονήσεις
και να περιορίζουν την παραμόρφωση χρησιμοποιώντας καινοτόμα συστήματα.
Η απομόνωση της βάσης χρησιμοποιεί εύκαμπτα στρώματα
για να απομονώσει τη μετατόπιση των θεμελίων από το υπόλοιπο κτίριο,
ενώ ρυθμισμένα συστήματα απόσβεσης εξουδετερώνουν τον συντονισμό
ταλαντευόμενα εκτός φάσης με τη φυσική συχνότητα, ώστε να μειώσουν τις δονήσεις.
Τελικά, δεν είναι τα στιβαρότερα κτίρια που θα παραμείνουν όρθια,
αλλά τα εξυπνότερα.