רעידות אדמה תמיד היו תופעות מפחידות,
והן הפכו ליותר קטלניות כשערינו גדלו,
עם בניינים מתמוטטים שמהווים את האיום הכי גדול.
למה בניינים מתמוטטים ברעידות אדמה,
ואיך אנחנו יכולים למנוע את זה?
אם צפיתם בהרבה סרטי אסונות,
אולי קיבלתם את הרעיון
שהתמוטטות בניינים נגרמות ישירות מהאדמה מתחתן
שרועדת בעוצמה, או אפילו נפרדת.
אבל זה לא באמת איך שזה עובד.
ראשית, רוב הבניינים לא ממוקמים ישירות מעל קו שבר,
והלוחות הטקטוניים הנעים מגיעים הרבה יותר עמוק מיסודות הבניינים.
אז מה מתרחש למעשה?
למעשה, המציאות של רעידות אדמה וההשפעות שלהן על בניינים
היא מעט יותר מורכבת.
כדי להבין את זה, ארכיטקטים ומהנדסים משתמשים במודלים,
כמו מערך דו מימדי של קווים שמייצגים עמודים וקורות,
או סוכריה בקו אחד עם עיגולים שמייצגים את המאסה של הבניין.
אפילו כשהם מפושטים לרמה הזו, המודלים האלה יכולים להיות די יעילים,
מאחר ולחזות תגובה של בניין לרעידת אדמה
זה בעיקר עניין של פיזיקה.
רוב ההתמוטטויות שמתרחשות במהלך רעידות אדמה
למעשה לא נגרמות מרעידת האדמה עצמה,
אלא, כשהאדמה נעה מתחת לבניין,
היא מניעה את היסדות והקומות הנמוכות,
ושולחת גלי הלם בשאר המבנה
וגורמות לו לרעוד קדימה ואחורה.
החוזק של התנודות האלו תלוי בשני גורמים עיקריים:
המאסה של הבניין, שמרוכזת בתחתיתו
והקשיחות שלו,
שהיא הכוח הדרוש לגרום לכמות מסויימת של הזחה.
יחד עם סוג החומר של הבניין והצורה של העמודים שלו,
קשיחות היא בעיקר עניין של גובה.
בניינים נמוכים יותר נוטים להיות קשיחים יותר ולנוע פחות,
בעוד בניינים גבוהים יותר הם יותר גמישים.
אתם אולי חושבים שהפיתרון הוא לבנות בניינים נמוכים יותר
כך שהם ינועו מעט ככל האפשר.
אבל רעידת האדמה של מקסיקו ב 1985 היא דוגמה טובה ללמה זה לא המקרה.
במהלך הרעידה,
הרבה בניינים בין שש לחמש עשרה קומות קרסו.
מה שמשונה זה שבעוד בניינים נמוכים באזור המשיכו לעמוד,
בניינים גבונים מחמש עשרה קומות גם נפגעו פחות,
והבניינים בגובה בינוני שהתמוטטו
נראו רועדים בעוצמה גדולה בהרבה מרעידת האדמה עצמה.
איך זה אפשרי?
התשובה נוגעת למשהו שידוע כתדירות טבעית.
במערכת רוטטת,
התדירות היא כמה מחזורי תנועוה קדימה ואחורה מתרחשים בשניה.
זה ההפך מהמחזור,
שזה כמה שניות לוקח להשלים מחזור אחד.
והתדירות הטבעית של בניין, תלויה במסה ובקשיחות שלו,
היא התדירות שהרעידות יטו להתקבץ סביבה.
הגברת מסת הבניין מאטה את הקצב בו הוא רועד בטבעיות,
בעוד הגברת הקשיחות גורמת לו לרטוט מהר יותר.
אז במשוואה שמייצגת את היחס שלהן,
קשיחות ותדירות טבעית הן יחסיות אחת לשניה,
בעוד מאסה ותדירות טבעית הן בעלות יחס הפוך.
מה שקרה במקסיקו סיטי היה אפקט שנקרא תהודה,
בה התדירות של גלי רעידת האדמה
התאימו במקרה לתדירות הטבעית של הבניינים בגובה בינוני.
כמו דחיפה מתוזמנת היטב על נדנדה,
כל גל סייסמי נוסף מגביר את הרעידות של הבניין
בכיוון הנוכחי שלו,
מה שגורם לו להתנדנד אפילו יותר אחורה, וכל הלאה,
ולבסוף מגיע להזחה גדולה בהרבה מהראשונית.
היום, מהנדסים עובדים עם גאולוגים וסייסמולוגים
כדי לחזות את התדירות של תנועות רעידות אדמה באתרי בניה
כדי למנוע התמוטטויות בשל תהודה,
ומתחשבים בגורמים כמו סוג הקרקע וסוג השבר,
כמו גם במידע מרעידות קודמות.
תדירויות נמוכות של תנועה יגרמו ליותר נזק לבניינים גבוהים
ובניינים יותר גמישים,
בעוד תדירויות גבוהות של תנועה מהוות איום גדול יותר
למבנים נמוכים וקשיחים יותר.
מהנדסים גם פיתחו דרכים לספוג זעזועים
ולהגביל את ההתעוותות בשימוש במערכות חדשניות.
בידוד הבסיס משתמש בשכבות גמישות
כדי לבודד את הזחת היסודות משאר הבניין,
בעוד מערכות משככות מסה מכווננת מבטלות את התהודה
על ידי הדהוד מחוץ לפאזה של התדירות הטבעית
כדי להפחית את הרעידות.
בסופו של דבר, אלו לא הבניינים הקשיחים ביותר שישארו עומדים
אלא החכמים ביותר.