Tại sao các tòa nhà lại bị sụp đổ khi động đất? - Vicki V. May

Xem bài học đầy đủ tại: http://ed.ted.com/lessons/why-do-buildings-fall-in-earthquakes-vicki-v-may

Động đất luôn luôn là một hiện tượng đáng sợ, và càng nguy hiểm hơn ở các thành phố phát triển - khi mà các tòa nhà cao tầng sụp đổ là một trong những rủi ro lớn nhất. Nhưng tại sao các tòa nhà sụp đổ trong một trận động đất? Và làm thế nào nó có thể được ngăn chặn? Vicki V. May giải thích hiện tượng vật lý của lý do tại sao không phải là những tòa nhà vững chắc nhất, mà là những tòa nhà thông minh nhất, sẽ vẫn đứng.

Bài học của Vicki V.May , hình ảnh động bằng Pew36 Animation Studios.

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