แผ่นดินไหวเป็นปรากฏการณ์ที่น่ากลัว มาโดยตลอด
และมันก็ยิ่งก่อหายนะมากขึ้น เมื่อเมืองของเราใหญ่ขึ้น
กับอาคารถล่มนั้น เป็นหนึ่งในความเสี่ยงที่มากที่สุด
ทำไมอาคารถึงถล่ม ในเหตุการณ์แผ่นดินไหว
และจะป้องกันมันได้อย่างไร
ถ้าคุณเคยดูหนังภัยพิบัติมาเยอะมากๆ
คุณคงมีความคิดที่ว่า
อาคารถล่มมีสาเหตุโดยตรงจากใต้พื้นดิน
สั่นสะเทือนอย่างรุนแรง หรือแม้แต่แยกออกจากกัน
แต่นั้นไม่ใช่สิ่งที่มันเกิดขึ้น
อย่างแรก อาคารส่วนใหญ่ ไม่ได้ตั้งอยู่บนรอยเลื่อน
และแผ่นเปลือกโลกที่เคลื่อนที่นั้น อยู่ลึกลงไปในผิวโลกมากกว่าฐานรากของตึก
แล้วมันเกิดอะไรขึ้นกันแน่
อันที่จริงแล้ว ความจริงเรื่องแผ่นดินไหว และผลกระทบต่ออาคาร
ซับซ้อนมากกว่านั้นเล็กน้อย
เพื่อให้เราเข้าใจง่าย สถาปนิกและวิศวกรเลือกใช้แบบจำลอง
เป็นแนวเส้น 2 มิติแทนเสาและคาน
หรือใช้ลูกกลมๆบนแท่งเสา เพื่อจำลองมวลของอาคาร
ถึงแม้จะทำให้มันเข้าใจง่ายขนาดนี้ แต่แบบจำลองนี้กลับมีประโยชน์มาก
ช่วยทำนายการตอบสนอง ของอาคารต่อแผ่นดินไหว
ซึ่งโดยพื้นฐานเกี่ยวกับหลักฟิสิกส์
การถล่มส่วนมากที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นดินไหว
ไม่ได้เกิดโดยตรงจากแผ่นดินไหว
แต่เมื่อพื้นดินขยับใต้อาคาร
มันทำให้รากฐานอาคารและชั้นล่างๆเคลื่อนที่
ทำให้เกิดคลื่นกระแทกส่งไปยัง โครงสร้างส่วนที่เหลือ
และส่งผลให้อาคารนั้นสั่นไปสั่นมา
ความรุนแรงของการสั่นสะเทือน ขึ้นอยู่กับ 2 ปัจจัยหลัก
มวลของอาคาร ที่รวมกันอยู่ด้านล่าง
และความแข็งของอาคาร
ซึ่งก็คือแรงที่ต้องใช้ ในการทำให้เกิดการเลื่อนตัว
รวมถึงประเภทของวัสดุของตึก และรูปร่างของเสา
ความแข็งส่วนมาก เกี่ยวข้องกับความสูง
อาคารที่เตี้ยกว่า จะแข็งกว่าและสั่นน้อยกว่า
ในขณะที่อาคารที่สูงกว่านั้น จะยืดหยุ่นได้มากกว่า
คุณอาจจะคิดว่า ทางออกคือสร้างอาคารให้เตี้ยเข้าไว้
เพื่อให้มันสั่นให้น้อยที่สุด
แต่แผ่นดินไหวในปี 1985 ที่เม็กซิโก เป็นตัวอย่างที่ดีว่าทำไมจึงไม่เป็นเช่นนั้น
ตอนช่วงแผ่นดินไหว
อาคารความสูงระหว่าง 6 ถึง 15 ชั้น ถล่มลงมามากมาย
แต่ที่น่าแปลกคือ อาคารที่เตี้ยกว่ากลับยังตั้งอยู่ได้
อาคารที่สูงกว่า 15 ชั้น ก็เสียหายไม่มาก
และอาคารความสูงกลางๆที่ถล่มลงมานั้น
พบว่ามันสั่นอย่างรุนแรง มากกว่าแผ่นดินไหวเสียอีก
มันเป็นไปได้อย่างไร
คำตอบมันเกี่ยวกับสิ่งที่เรียกว่า "ความถี่ธรรมชาติ"
ในการสั่นสะเทือน
ความถี่ คือจำนวนครั้งที่เคลื่อนที่ กลับไปกลับมาใน 1 วินาที
เป็นส่วนกลับของ "คาบ"
ซึ่งคือ มันใช้เวลากี่วินาที เพื่อให้จบการเคลื่อนที่ 1 รอบ
และความถี่ธรรมชาติของอาคารนั้นขึ้นอยู่กับ มวลและความแข็งของมัน
คือความถี่ที่ตึกมันสั่นเอียงไปรอบๆ
การเพิ่มมวลของตึกจะทำให้ อัตราการสั่นตามธรรมชาติลดลง
ในขณะที่ถ้าเพิ่มความแข็ง จะทำให้สั่นเร็วขึ้น
ดังนั้น สมการที่ใช้อธิบายความสัมพันธ์
ความแข็งและความถี่ธรรมชาติ จึงมีสัดส่วนตามกัน
ในขณะที่มวลและความถี่ธรรมชาติ กลับมีสัดส่วนผกผันกัน
สิ่งที่เกิดขึ้นใน กรุงเม็กซิโก เป็นผลมาจาก "การกำทอน"
เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของคลื่น จากแผ่นดินไหว
ไปตรงกับความถี่ธรรมชาติของตึกขนาดกลาง
เหมือนการผลักชิงช้าที่คำนวนเวลามาอย่างดี
แต่ละคลื่นที่เกิดขึ้นจะทำให้ การสั่นสะเทือนของตึกรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ
ในทิศทางเดิม
ทำให้ตึกไหวโยกมากขึ้นเรื่อยๆ
จนในที่สุดก็เกินขีดจำกัด ที่อาคารจะรองรับได้
ทุกวันนี้ วิศวกรทำงานร่วมกับนักธรณีวิทยา และผู้เชี่ยวชาญแผ่นดินไหว
เพื่อทำนายความถี่ของแผ่นดินไหว ที่ตำแหน่งที่จะสร้างตึก
เพื่อที่จะลดการถล่มเนื่องจากการเกิดกำทอน
โดยใช้ประเภทของดิน และรอยเลื่อนมาร่วมพิจารณา
รวมทั้งข้อมูลจากแผ่นดินไหวครั้งก่อนๆ
ความถี่ต่ำจะสร้างความเสียหาย กับตึกที่สูงกว่า
และตึกที่ยืดหยุ่นกว่า
ในขณะที่การสั่นความถี่สูง กลับเป็นภัยมากกว่า
ต่อโครงสร้างที่เตี้ยเและแข็งกว่า
วิศวกรยังได้คิดค้นวิธีการดูดซับแรงกระแทก
และจำกัดการเปลี่ยนแปลงผิดรูป โดยใช้ระบบนวัตกรรม
การแยกฐานรากโดยใช้ชั้นของตึกที่ยืดหยุ่น
เพื่อแยกการเลื่อนตัวของฐานราก ออกจากตัวอาคารที่เหลือ
ในขณะที่ระบบมวลลดการสั่น จะหักล้างการเกิดกำทอน
โดยสั่นในทิศตรงข้าม ด้วยความถี่ที่เท่ากับความถี่ธรรมชาติ
เพื่อลดการสั่นสะเทือน
ในตอนท้ายสุด อาคารที่แข็งแรงที่สุด จะไม่ใช่อาคารที่ยังตั้งอยู่
แต่เป็นที่อาคารฉลาดที่สุดต่างหาก