Động đất luôn là một hiện tượng tự nhiên đáng sợ
Và nó trở nên nguy hiểm hơn khi các thành phố càng phát triển
với một trong những rủi ro lớn nhất là sự sụp đổ của các tòa nhà cao tầng
Tại sao các tòa nhà cao tầng lại sụp đổ khi động đất,
và làm thế nào để ngăn chặn điều này?
Nếu như bạn đã từng xem các bộ phim thảm họa,
bạn có thể nghĩ rằng
các tòa nhà sụp đổ do nguyên nhân trực tiếp là mặt đất dưới chân chúng
rung lắc dữ dội hay thậm chí là tách ra xa nhau.
Nhưng đó không thực sự là cách chúng hoạt động
Thứ nhất, hầu hết các tòa nhà không nằm đúng vị trí đứt gãy,
và sự dịch chuyển các mảng kiến tạo thì xảy ra ở sâu hơn nhiều so với nền tảng của các tòa nhà.
Vậy điều gì thực sự đang diễn ra?
Trên thực tế, sự ảnh hưởng của động đất đến các tòa nhà
thì phức tạp hơn nhiều
Để làm rõ hơn điều này, các kiến trúc sư và kĩ sư sử dụng các mô hình
giống như một dãy sắp xếp 2 chiều các đường đại diện cho cột và xà
hay các đường đơn lollipop với khối tròn đại diện cho trọng lượng của tòa nhà
Khi đơn giản hóa đến mức độ này, các mô hình này có thể sẽ khá hữu ích
khi dự đoán 1 phản ứng của các tòa nhà khi động đất
là vấn đề chủ yếu của vật lý.
Hầu hết các sự sụp đổ xảy ra khi động đất
không thực sự là do bản thân của việc động đất
Mà thay vào đó, khi mặt đất chuyển động bên dưới tòa nhà,
chúng thay thế lớp nền và mức độ thấp hơn,
gửi các làn sóng xung kích qua các phần còn lại của cấu trúc
và khiến nó rung lắc qua lại.
Sức mạnh của sự dao động này phụ thuộc vào 2 yếu tố chính:
khối lượng của tòa nhà, mà tập trung chủ yếu ở phần nóc,
và độ cứng của nó,
mà là yếu tố cần thiết gây ra một số lượng dịch chuyển nhất định.
Cùng với loại chất liệu của tòa nhà và hình dạng nhất định của cột,
độ cứng phần lớn phụ thuộc vào vấn đề chiều cao.
Các tòa nhà thấp có xu hướng cứng hơn và thay đổi ít hơn,
trong khi các tòa nhà cao thì linh hoạt (mềm dẻo) hơn
Bạn có thể nghĩ rằng giải pháp là xây dựng các tòa nhà thấp hơn
để chúng thay đổi ít nhất có thể.
Nhưng trận động đất năm 1985 ở Mexico là ví dụ tốt cho thấy điều đó không ổn
Trong trận động đất,
nhiều tòa nhà cao hơn 6 và thấp hơn 15 tầng đã bị sụp đổ.
Điều lạ là trong khi các tòa nhà thấp hơn gần đó vẫn đứng vững,
thì các tòa nhà cao hơn 15 tầng cũng hầu hết ít bị ảnh hưởng,
và các tòa nhà cỡ trung bình thì lại bị sụp đổ
được quan sát thấy rung lắc dữ dội hơn là chính trận động đất đó.
Làm sao lại có thể như vậy
Câu trả lời là tần số tự nhiên.
Trong một hệ thống dao động,
tần số là bao nhiêu chu kì dao động xảy ra trong 1 giây
Đây là nghịch đảo của chu kì này,
nghĩa là bao nhiêu giây thì hoàn thành 1 chu kì
Và tần số tự nhiên của một tòa nhà được xác định bởi khối lượng và độ cứng của nó
là tần số mà sự rung động của nó sẽ có xu hướng gộp lại xung quanh
Tăng khối lượng của tòa nhà thì làm giảm đi tỷ lệ rung động tự nhiên
trong khi tăng độ cứng thì gia tăng tỳ lệ này
Vì vậy trong các phương trình đại diện cho mối quan hệ này
độ cứng và tần số tự nhiên tỷ lệ thuận với nhau,
trong khi khối lượng và tần số tự nhiên thì tỷ lệ nghịch.
Điều đã xảy ra ở Mexico là 1 hiệu ứng gọi là cộng hưởng,
khi mà tần số của làn sóng địa chấn động đất
xảy ra cùng với tần số tự nhiên của các tòa nhà tầm trung.
Giống như sự thúc đẩy cùng nhịp cho xích đu
Mỗi sóng địa chấn thì khuếch đại thêm sự rung lắc của tòa nhà
theo hướng hiện tại của nó
gây ra sự lung lay thậm chí còn mạnh hơn
cuối cùng đạt đến mức độ lớn hơn nhiều so với sự di chuyển ban đầu.
Ngày nay, các kĩ sư làm việc với các nhà địa chất và địa chấn học
để dự đoán tần số của sự chuyển động động đất tại các vị trí xây dựng
để ngăn chặn sự sụp đổ do cộng hưởng
có tính đến các yếu tố như loại đất hay các đứt đoạn
cũng như dự liệu các trận động đất trước kia
Dao động với tần số thấp sẽ gây nhiều thiệt hại cho các tòa nhà
cao hơn và linh động hơn
trong khi dao động với tần số cao
sẽ gây nguy hiểm với các cấu trúc cao và có độ cứng.
Các kĩ sư cũng đã nghĩ ra cách để hấp thụ các cú shock
và hạn chế sự biến dạng bằng cách sử dụng hệ thống sáng tạo
Dựa trên việc cô lập sử dụng các lớp linh hoạt
để cô lập sự dao động nền móng từ phần còn lại của tòa nhà
trong khi hệ thống điều tiết van khối lượng tự điều chỉnh để xóa bỏ sự cộng hưởng
bằng cách dao động lệch pha với tần số tự nhiên
để giảm rụng lắc
Cuối cùng, không phải những tòa nhà vững chắc nhất sẽ vẫn còn đứng vững
mà là những tòa nhà thông minh nhất