Dlaczego podczas trzęsienia ziemi walą się budynki? - Vicki V. May

Pełna wersja lekcji dostępna pod adresem: http://ed.ted.com/lessons/why-do-buildings-fall-in-earthquakes-vicki-v-may

Trzęsienia ziemi zawsze były przerażającym zjawiskiem, a wraz z rozwojem miast stały się jeszcze groźniejsze z powodu zawaleń budynków, jednego z najniebezpieczniejszych efektów trzęsień. Dlaczego podczas trzęsienia budynki się zawalają? I jak można temu zapobiec? Vicki V. May wyjaśnia, dlaczego to nie najmocniejsze, lecz najmądrzejsze budynki przetrwają trzęsienie.

Lekcja: Vicki V. May, animacja: Pew36 Animation Studios.

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.