زلزلهها همواره پدیدهای هولناک بودهاند،
و با رشد شهرها زلزلهها مرگبارتر شدهاند،
با فروریزی ساختمانها که یکی از خطرات بزرگ ناشی از آن میباشد.
چرا ساختمانها در زلزله فرو میریزند،
و چگونه میتوان از آن جلوگیری کرد؟
اگر فیلمهایی از فاجعهها دیده باشید،
ممکن است فکر کنید
که فروریزی ساختمانها مستقیما ناشی از زمین زیر آنهاست
که به سختی تکان میخورند، یا حتی از هم جدا میشوند.
اما واقعا اینطورعمل نمیکند.
به دلیل اینکه، بیشتر ساختمانها در جای درستی نسبت به خط گسل بنا نشدهاند،
و صفحات تکتونیک خیلی عمیقتر از پی ریزی ساختمانها هستند.
پس واقعا چه اتفاقی میافتد؟
در حقیقت، واقعیت زلزله و تأثیر آن بر ساختمانها
کمی پیچیده است.
برای درک بهتر، معماران و مهندسین از مدلهایی استفاده میکنند،
مانند آرایههای خطوط دو بَعدی که نمایانگر ستونها و تیرکها هستند،
یا یک خط و دایره برای نشان دادن جرم ساختمان.
حتی هنگامی که این مدلها تا این میزان ساده میشوند میتوانند مفید باشند،
پیشبینی واکنش ساختمانها نسبت به یک زلزله
در درجه اول موضوع فیزیک هست.
بیشتر فروریزیهایی که در زلزله رخ میدهد
واقعا به علت خود زلزله نیست.
بلکه، هنگامی که زمین زیر یک ساختمان حرکت میکند
پی ساختمان را جابجا نموده و به سطح پائین تری میبرد،
و امواج شوکآور به تمامی سازه ساختمان فرستاده میشود
و باعث میشود که ساختمان به جلو و عقب تکان بخورد.
قدرت این نوسان بستگی به دو عامل اصلی دارد:
جرم ساختمان، که در کف ساختمان جمع میشود،
و سفتی (محکمی) ساختمان،
که نیروی مورد نیاز برای مقدار معینی جابجایی در ساختمان است.
همراه با نوع مصالح ساختمانی و به شکل ستونهای آن،
محکمی ساختمان تا حد زیادی برای ارتفاع آن اهمیت دارد.
ساختمانهای کوتاهتر، محکمتر بوده و تغییر کمتری میکنند،
در حالی که ساختمانهای بلندتر، قابل انعطافترند.
شاید فکر کنید که راه حل این است که ساختمانها را کوتاهتر بسازید
تا ساختمانها کمترین جابجایی را داشته باشند.
اما زلزله سال ۱۹۸۵ شهر مکزیکوسیتی نمونه خوبیست که چرایی آن را نشان میدهد.
در طول زمین لرزه،
بیشتر ساختمانهای بین شش تا پانزده طبقه فرو ریختند.
نکته عجیب این بود که ساختمانهای کوتاهتر اطراف آنها حفظ شده بودند،
ساختمانهای بلندتر از پانزده طبقه نیز کمتر آسیب دیده بودند،
و ساختمانهای با ارتفاع متوسط فرو ریختند
دیده شده ساختمانهای متوسط بیشتر از خود زلزله تکان میخورند.
اما چطور این ممکن است؟
پاسخ در چیزی به نام فرکانس طبیعی باید باشد.
در یک سیستم نوسانی،
تعداد چرخه جلو و عقب رفتن در یک ثانیه را فرکانس میگویند.
این معکوس دوره نوسان است،
و بیانگر آن است که یک چرخه کامل نوسانی چند ثانیه طول می کشد.
فرکانس طبیعی یک ساختمان، توسط جرم و محکمی آن تعیین میشود،
این فرکانسی است که ارتعاشات همدیگر را تقویت میکنند.
افزایش جرم ساختمان میزان سرعت ارتعاشات طبیعی را کم میکند،
در حالی که افزایش محکمی ساختمان باعث ایجاد ارتعاشات سریعتری میشود.
بنابراین در معادلهای که بیانگر رابطه این دو است،
محکمی با فرکانس طبیعی نسبت مستقیم دارد،
درحالی که جرم و فرکانس طبیعی با هم نسبت معکوس دارند.
آنچه که در مکزیکوسیتی اتفاق افتاد اثری به نام رزونانس بود،
جایی که فرکانس امواج لرزهای زلزله
به مقدار زیادی بر فرکانس طبیعی در ساختمانهایی با ارتفاع متوسط واقع میشود.
مانند زمان متناسبی که تاب هل داده میشود،
هر موج لرزهای اضافی، ارتعاش ساختمان
در جهت حرکت آن را تقویت می کند،
وحتی باعث میشود که بیشتر به عقب برود، و این بیشتر و بیشتر شود،
در نهایت جابه جایی به حدی بسیار بیشتر از جابجایی اولیه صورت میگیرد.
امروز، مهندسان با زمین شناسان و زلزله شناسان
برای پیش بینی فرکانس زلزله در محل ساخت و ساز کار میکنند
تا از فروریزی ساختمان ناشی از زلزله
با در نظر گرفتن عواملی مانند نوع خاک و نوع گسل،
و همچنین داده هایی از زلزلههای قبلی جلوگیری کنند.
فرکانسهای پایین لرزش زمین آسیب بیشتری به ساختمانهای بلندتر
و ساختمانهای قابل انعطاف تر میزند،
در حالی که فرکانسهای بالای لرزش زمین تهدید بیشتری
برای سازههایی که کوتاهتر و سنگینترهستند میباشد.
همچنین مهندسین روشی برای جذب شوکها
و محدودهی تغییر شکل را با استفاده از سیستم های نوآورانه ابداع کردهاند
جداسازی پایههای ساختمان به کمک لایههای انعطاف پذیر
سبب جداسازی جابجایی فونداسیون از بقیه ساختمان میشود،
در حالی که سیستمهای میرا کننده جرمی اثر رزونانس را
با نوسان خارج از فاز فرکانس طبیعی از بین میبرند
تا ارتعاشات را کاهش دهند.
در پایان، این محکم ترین ساختمانها نیستند که ایستاده باقی میمانند،
بلکه هوشمندترین آنها ایستاده باقی میمانند!