Why do buildings fall in earthquakes? - Vicki V. May

Μετάφραση: Christos Selemeles Επιμέλεια: Lucas Kaimaras

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

Οι σεισμοί ήταν πάντα ένα τρομακτικό φαινόμενο

and they've become more deadly as our cities have grown,

και έχουν γίνει ακόμη πιο θανατηφόροι καθώς οι πόλεις μας έχουν μεγαλώσει

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

και τα κτίρια που καταρρέουν είναι ένας από τους μεγαλύτερους κινδύνους.

Why do buildings collapse in an earthquake,

Γιατί καταρρέουν τα κτίρια όταν γίνεται σεισμός

and how can it be prevented?

και πώς μπορούμε να το αποτρέψουμε;

If you've watched a lot of disaster films,

Αν έχετε δει πολλές ταινίες καταστροφής,

you might have the idea

ίσως έχετε την εντύπωση

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

ότι η κατάρρευση των κτιρίων οφείλεται στο ότι έδαφος από κάτω τους

shaking violently, or even splitting apart.

δονείται βίαια ή ακόμη και χωρίζεται στα δύο.

But that's not really how it works.

Αλλά δεν γίνεται ακριβώς έτσι.

For one thing, most buildings are not located right on a fault line,

Κατ' αρχάς, τα περισσότερα κτίρια δεν βρίσκονται πάνω από κάποιο ρήγμα

and the shifting tectonic plates go much deeper than building foundations.

και οι μετακινούμενες τεκτονικές πλάκες

βρίσκονται πολύ βαθύτερα από τα θεμέλια των κτιρίων.

So what's actually going on?

Τι πραγματικά συμβαίνει, λοιπόν;

In fact, the reality of earthquakes and their effect on buildings

Στην πραγματικότητα, η επίδραση των σεισμών στα κτίρια

is a bit more complicated.

είναι λίγο πιο περίπλοκη.

Για να την κατανοήσουν οι αρχιτέκτονες και μηχανικοί χρησιμοποιούν μοντέλα

To make sense of it, architects and engineers use models,

like a two-dimensional array of lines representing columns and beams,

όπως μία δισδιάστατη συστοιχία γραμμών που αναπαριστούν κολώνες και δοκούς

or a single line lollipop with circles representing the building's mass.

ή αυτές τις γραμμές σαν γλυφιτζούρια, που αναπαριστούν τη μάζα του κτιρίου.

Even when simplified to this degree, these models can be quite useful,

Ακόμα και με τόση απλούστευση, τα μοντέλα μπορεί να είναι πολύ χρήσιμα,

as predicting a building's response to an earthquake

καθώς η πρόβλεψη της απόκρισης ενός κτιρίου σε έναν σεισμό

is primarily a matter of physics.

είναι κυρίως αντικείμενο της Φυσικής.

Most collapses that occur during earthquakes

Οι περισσότερες καταρρεύσεις κατά τη διάρκεια των σεισμών,

aren't actually caused by the earthquake itself.

στην ουσία δεν προκαλούνται από τον ίδιο τον σεισμό.

Instead, when the ground moves beneath a building,

Αντίθετα, όταν το έδαφος σείεται κάτω από ένα κτίριο,

it displaces the foundation and lower levels,

μετατοπίζει τα θεμέλια και τα κατώτερα τμήματα

sending shock waves through the rest of the structure

στέλνοντας ωστικά κύματα στην υπόλοιπη δομή

and causing it to vibrate back and forth.

κάνοντάς τη να δονείται παλινδρομικά.

The strength of this oscillation depends on two main factors:

Η δύναμη αυτής της ταλάντωσης εξαρτάται από δύο κύριους παράγοντες:

the building's mass, which is concentrated at the bottom,

τη μάζα του κτιρίου, που είναι συγκεντρωμένη χαμηλά,

and its stiffness,

και την ακαμψία της,

which is the force required to cause a certain amount of displacement.

που είναι η απαιτούμενη δύναμη για να προκληθεί μια συγκεκριμένη μετατόπιση.

Along with the building's material type and the shape of its columns,

Μαζί με τα υλικά του κτιρίου και το σχήμα των κολονών του,

stiffness is largely a matter of height.

η ακαμψία εξαρτάται κυρίως από το ύψος.

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

Τα χαμηλότερα κτίρια είναι γενικά πιο άκαμπτα και μετατοπίζονται λιγότερο,

while taller buildings are more flexible.

ενώ τα ψηλότερα κτίρια είναι πιο εύκαμπτα.

You might think that the solution is to build shorter buildlings

Ίσως σκέφτεστε ότι η λύση είναι να χτίζονται χαμηλότερα κτίρια,

so that they shift as little as possible.

ώστε να μετατοπίζονται κατά το λιγότερο δυνατό.

But the 1985 Mexico City earthquake is a good example of why that's not the case.

Αλλά ο σεισμός του 1985 στην Πόλη του Μεξικού

είναι ένα καλό παράδειγμα του γιατί αυτό δεν ισχύει.

During the quake,

Κατά τη διάρκεια του σεισμού κατέρρευσαν πολλά κτίρια με 6 ως 15 ορόφους.

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

What's strange is that while shorter buildings nearby did keep standing,

Το περίεργο είναι ότι ενώ χαμηλότερα κτίρια παραδίπλα δεν κατέρρευσαν,

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

κτίρια ψηλότερα από 15 ορόφους επίσης έπαθαν μικρότερες ζημιές

and the midsized buildings that collapsed

και τα κτίρια μεσαίου ύψους που κατέρρευσαν

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

κουνιόντουσαν πολύ πιο βίαια από τον ίδιο τον σεισμό.

How is that possible?

Πώς είναι δυνατό αυτό;

The answer has to do with something known as natural frequency.

Η απάντηση σχετίζεται με κάτι που ονομάζεται φυσική συχνότητα.

In an oscillating system,

Σε ένα ταλαντούμενο σύστημα,

the frequency is how many back and forth movement cycles occur within a second.

η συχνότητα είναι πόσες παλινδρομικές κινήσεις γίνονται σε ένα δευτερόλεπτο.

This is the inverse of the period,

Είναι το αντίστροφο της περιόδου,

which is how many seconds it takes to complete one cycle.

που είναι πόσα δευτερόλεπτα χρειάζονται για να γίνει μία παλινδρομική κίνηση.

And a building's natural frequency, determined by its mass and stiffness,

Η φυσική συχνότητα ενός κτιρίου, που εξαρτάται από τη μάζα και την ακαμψία του,

is the frequency that its vibrations will tend to cluster around.

είναι η συχνότητα στην οποία τείνει να δονείται περισσότερο.

Increasing a building's mass slows down the rate at which it naturally vibrates,

Αύξηση της μάζας του κτιρίου μειώνει τον ρυθμό με τον οποίο δονείται φυσικά,

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

ενώ αύξηση της ακαμψίας του, το κάνει να δονείται γρηγορότερα.

So in the equation representing their relationship,

Έτσι, στην εξίσωση που τις συνδέει,

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

η ακαμψία και η φυσική συχνότητα είναι ανάλογες η μία της άλλης,

while mass and natural frequency are inversely proportional.

ενώ η μάζα και η φυσική συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογες.

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

Το φαινόμενο που συνέβη στην Πόλη του Μεξικού ονομάζεται συντονισμός,

where the frequency of the earthquake's seismic waves

κατά τον οποίο η συχνότητα των σεισμικών κυμάτων του σεισμού

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

τυχαίνει να ταυτίζονται με τη φυσική συχνότητα των κτιρίων μεσαίου ύψους.

Like a well-timed push on a swingset,

Όπως μία ώθηση της κούνιας κατά την κατάλληλη χρονική στιγμή,

each additional seismic wave amplified the building's vibration

κάθε επιπρόσθετο σεισμικό κύμα ενίσχυε τη δόνηση του κτιρίου

in its current direction,

προς την κατεύθυνση που είχε,

causing it to swing even further back, and so on,

κάνοντάς το να δονείται ακόμα πιο πέρα και ούτω καθεξής,

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

μέχρι που η μετατόπισή της έγινε πολύ μεγαλύτερη από την αρχική.

Today, engineers work with geologists and seismologists

Σήμερα οι μηχανικοί συνεργάζονται με γεωλόγους και σεισμολόγους

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

για να προβλέψουν τη συχνότητα των σεισμικών κινήσεων σε νέες οικοδομές

in order to prevent resonance-induced collapses,

ώστε να αποτρέψουν τις καταρρεύσεις που οφείλονται σε συντονισμό,

taking into account factors such as soil type and fault type,

λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες όπως το είδος του εδάφους και τα ρήγματα,

as well as data from previous quakes.

καθώς και δεδομένα από προηγούμενους σεισμούς.

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

Κινήσεις με χαμηλότερες συχνότητες

προκαλούν μεγαλύτερη ζημιά σε ψηλότερα και πιο εύκαμπτα κτίρια,

and more flexible buildings,

while high frequencies of motion pose more threat

ενώ υψίσυχνες κινήσεις απειλούν περισσότερο

to structures that are shorter and stiffer.

κατασκευές με χαμηλότερο ύψος και μεγαλύτερη ακαμψία.

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

Οι μηχανικοί έχουν επίσης βρει τρόπους να απορροφούν τις δονήσεις

and limit deformation using innovative systems.

και να περιορίζουν την παραμόρφωση χρησιμοποιώντας καινοτόμα συστήματα.

Base isolation uses flexible layers

Η απομόνωση της βάσης χρησιμοποιεί εύκαμπτα στρώματα

to isolate the foundation's displacement from the rest of the building,

για να απομονώσει τη μετατόπιση των θεμελίων από το υπόλοιπο κτίριο,

while tuned mass damper systems cancel out resonance

ενώ ρυθμισμένα συστήματα απόσβεσης εξουδετερώνουν τον συντονισμό

by oscillating out of phase with the natural frequency

ταλαντευόμενα εκτός φάσης με τη φυσική συχνότητα, ώστε να μειώσουν τις δονήσεις.

to reduce vibrations.

In the end, it's not the sturdiest buildings that will remain standing

Τελικά, δεν είναι τα στιβαρότερα κτίρια που θα παραμείνουν όρθια,

but the smartest ones.

αλλά τα εξυπνότερα.