Землетрясения всегда были ужасающим явлением,
и они становятся всё более смертоносными, так как наши города растут,
и обрушивающиеся здания представляют собой наибольший риск.
Почему здания обрушиваются во время землетрясений,
и как это можно предотвратить?
При просмотре фильмов-катастроф
вам может показаться,
что здания разрушаются именно из-за того, что земля под ними
со страшной силой сотрясается или даже раскалывается на части.
Но это происходит совсем не так.
Во-первых, большинство зданий не расположены прямо на линии разлома,
и сдвиг тектонических плит происходит гораздо глубже фундаментов зданий.
Так что же на самом деле происходит?
Фактически землетрясения и их воздействие на здания
имеют более сложную природу.
Чтобы её понять, архитекторы и инженеры используют модели,
такие как двухмерная сетка из продольных и поперечных линий
или однолинейный леденец с кругами, изображающими массу здания.
Даже такие упрощённые модели могут быть очень полезны,
так как первоначальная задача предсказать реакцию здания
на землетрясение — в основном вопрос физики.
Большинство обрушений во время землетрясения
происходят не из-за самого землетрясения.
Напротив, когда земля движется под зданием,
она смещает фундамент и нижние этажи,
посылая мощные волны через всё строение
и раскачивая его из стороны в сторону.
Сила этого колебания зависит от двух факторов:
массы здания, которая сконцентрирована у основания,
и его жёсткости,
т.е. величины воздействия, необходимого, чтобы вызвать определённое смещение.
Помимо типа строительного материала и формы колонн здания,
жёсткость во многом зависит от высоты.
Низкие здания бывают более жёсткими и меньше смещаются,
а высокие здания более упругие.
Может показаться, что решение проблемы — строить низкие здания,
чтобы снизить до минимума их колебание.
Но землетрясение в Мехико 1985 года наглядно показывает, что это не так.
Во время землетрясения
многие здания высотой от шести до пятнадцати этажей рухнули.
Странным было то, что более низкие здания неподалёку остались стоять
и здания выше пятнадцати этажей также были менее сильно повреждены,
а обрушившиеся здания среднего размера
сотрясались гораздо сильнее амплитуды колебаний при землетрясении.
Как такое возможно?
Ответ связан с явлением, известным как частота собственных колебаний.
При колебании системы
частота означает количество поступательных движений в секунду.
Это обратная величина к периоду,
за который совершается один цикл движения.
Частота собственных колебаний здания, определяемая его массой и устойчивостью,
является частотой, вокруг которой будут совершаться колебания.
Увеличение массы уменьшает частоту его собственных колебаний,
в то время как его жёсткость приводит к более быстрым колебаниям.
Так, в уравнении, показывающем это взаимодействие,
жёсткость и собственные колебания пропорциональны друг другу,
а масса и собственные колебания обратно пропорциональны.
То, что случилось в Мехико, было эффектом резонанса,
когда частота колебаний сейсмических волн
совпала с частотой колебаний зданий среднего размера.
Так же как и выверенный толчок качели,
каждая новая сейсмическая волна увеличивает вибрацию здания
в его текущем направлении,
заставляя здание раскачиваться ещё сильнее,
в конечном итоге смещаясь гораздо больше, чем в самом начале.
Сегодня инженеры сотрудничают с геологами и сейсмологами,
чтобы спрогнозировать частоту сейсмических колебаний на местах стройки,
чтобы предотвратить обрушения, вызываемые резонансом,
при этом они учитывают тип почвы и вид разлома,
а также данные предыдущих землетрясений.
Низкая частота колебаний вызовет обрушение высоких
и более упругих зданий,
а высокая частота колебаний представляет опасность
для более низких и жёстких строений.
Инженеры предложили решение, как поглощать удары
и ограничить деформацию зданий, используя инновационные системы.
Фундамент изолируют с помощью подвижных слоёв,
чтобы изолировать смещение фундамента от остальной части здания,
а точные системы гашения массы строения гасят резонанс,
раскачивая здание с фазой, не совпадающей с собственными колебаниями,
что уменьшает вибрацию.
В конце концов выстоят не самые прочные здания,
а самые продуманные.