Trzęsienia ziemi zawsze były przerażającym zjawiskiem,
a wraz z rozwojem miast stały się jeszcze groźniejsze
z powodu zawaleń budynków,
jednego z najgroźniejszych efektów trzęsienia.
Dlaczego podczas trzęsienia budynki się zawalają
i jak można temu zapobiec?
Jeśli oglądaliście dużo filmów katastroficznych,
to możecie sądzić,
że bezpośrednią przyczyną zawalenia się budynku jest ruch jego podłoża,
które gwałtownie się trzęsie, a nawet pęka.
W rzeczywistości jest inaczej.
Większość budynków nie znajduje się dokładnie nad uskokiem,
a ruszające się płyty tektoniczne leżą dużo głębiej
niż fundamenty budynków.
Co więc tak naprawdę się dzieje?
W rzeczywistości kwestia trzęsień ziemi i ich wpływu na budynki
jest trochę bardziej skomplikowana.
Aby to zrozumieć, architekci i inżynierowie korzystają z modeli,
takich jak dwuwymiarowa matryca odzwierciedlająca słupy i belki budynku
lub pojedynczy lizak z ciężarem reprezentującym masę budynku.
Nawet tak uproszczone modele mogą być całkiem użyteczne,
jako że przewidywanie reakcji budynku na trzęsienie ziemi
jest kwestią należącą przede wszystkim do fizyki.
Większość zawaleń występujących podczas trzęsień
nie jest spowodowana samymi wstrząsami.
W rzeczywistości ruch ziemi pod budynkiem
powoduje przemieszczanie się fundamentu i niższych pięter,
generując fale uderzeniowe rozchodzące się przez konstrukcję budynku
i wywołując jego drgania.
Amplituda tych drgań zależy od dwóch głównych czynników:
masy budynku, która jest skupiona przy jego podstawie,
oraz jego sztywności,
to znaczy siły potrzebnej do wywołania danego odkształcenia.
Poza rodzajem materiału budynku oraz typem i kształtem jego słupów,
na sztywność główny wpływ ma jego wysokość.
Niższe budynki są sztywniejsze i oscylują słabiej,
podczas gdy wyższe budynki są podatniejsze.
Można by pomyśleć, że wyjściem jest budowanie niższych budynków,
tak żeby drgały one możliwie najsłabiej.
Ale trzęsienie ziemi w Meksyku w 1985 roku
jest dobrym przykładem przeczącym temu rozwiązaniu.
Podczas trzęsienia
zawaliło się wiele budynków mających od sześciu do piętnastu pięter.
O dziwo, podczas gdy niższe budynki w okolicy dalej stały,
ponad 15-piętrowe budynki również ucierpiały mniej,
a średnio wysokie budynki, które się zawaliły,
drgały znacznie silniej niż samo podłoże.
Jak to możliwe?
Odpowiedź jest związana tak zwaną częstotliwością drgań własnych.
W układzie drgającym
częstotliwość oznacza ilość drgań występujących w czasie jednej sekundy.
Jest ona odwrotnością okresu drgań,
który mówi, ile sekund potrzebnych jest na wykonanie jednego cyklu drgań.
A częstotliwość drgań własnych budynku, określona przez jego masę i sztywność,
jest częstotliwością, do której naturalnie zmierzają drgania budynku.
Zwiększanie masy budynku obniża częstotliwość,
z którą drga on swobodnie,
natomiast zwiększanie sztywności ją podnosi.
Zatem w równaniu opisującym ich współzależność
sztywność i częstotliwość drgań własnych są do siebie proporcjonalne,
za to masa i częstotliwość drgań własnych są odwrotnie proporcjonalne.
W Meksyku wystąpił efekt nazywany rezonansem,
podczas którego częstotliwość fal sejsmicznych
pokrywa się z częstotliwością drgań własnych średnio wysokich budynków.
Niczym dobrze wymierzone popchnięcie huśtawki,
każda fala sejsmiczna wzmacniała drgania budynku
w ich ówczesnym kierunku,
powodując, że budynek kołysał się coraz mocniej i mocniej,
osiągając w końcu znacznie większe wychylenie niż początkowe przemieszczenie.
Obecnie inżynierowie pracują z geologami oraz sejsmologami,
aby przewidzieć częstotliwość ruchów ziemi na terenach budowlanych
i zapobiec zawaleniom wywołanym rezonansem,
biorąc pod uwagę na przykład rodzaj gruntu i typ uskoku tektonicznego,
a także dane z poprzednich trzęsień.
Niskie częstotliwości ruchu wywołają uszkodzenia wyższych
i podatniejszych budynków,
a wysokie częstotliwości ruchu tworzą więcej zagrożenia
dla niższych i sztywniejszych konstrukcji.
Inżynierowie opracowali także sposoby pochłaniania wstrząsów
i ograniczania odkształceń przy użyciu innowacyjnych systemów.
Izolacja podstawy budynku elementami elastycznymi
odcina ruchy fundamentu od reszty budynku,
a masowe tłumiki drgań niwelują rezonans
przez ruch przesunięty w fazie względem częstotliwości drgań własnych
w celu zmniejszenia drgań.
To nie najmocniejsze budynki przetrwają,
lecz te najmądrzejsze.