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

Translator: soheila Jafari Reviewer: Ali Hosseini

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

زلزله‌ها همواره پدیده‌ای هولناک بوده‌اند،

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

و با رشد شهر‌ها زلزله‌ها مرگ‌بارتر شده‌اند،

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

با فروریزی ساختمان‌ها که یکی از خطرات بزرگ ناشی از آن می‌باشد.

Why do buildings collapse in an earthquake,

چرا ساختمان‌ها در زلزله فرو می‌ریزند،

and how can it be prevented?

و چگونه می‌توان از آن جلوگیری کرد؟

If you've watched a lot of disaster films,

اگر فیلم‌هایی از فاجعه‌ها دیده باشید،

you might have the idea

ممکن است فکر کنید

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

که فروریزی ساختمان‌ها مستقیما ناشی از زمین زیر آنهاست

shaking violently, or even splitting apart.

که به سختی تکان می‌خورند، یا حتی از هم جدا می‌شوند.

But that's not really how it works.

اما واقعا اینطورعمل نمی‌کند.

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

به دلیل اینکه، بیشتر ساختمان‌ها در جای درستی نسبت به خط گسل بنا نشده‌اند،

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

و صفحات تکتونیک خیلی عمیق‌تر از پی ریزی ساختمان‌ها هستند.

So what's actually going on?

پس واقعا چه اتفاقی می‌افتد؟

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

در حقیقت، واقعیت زلزله و تأثیر آن بر ساختمان‌ها

is a bit more complicated.

کمی پیچیده است.

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

برای درک بهتر، معماران و مهندسین از مدل‌هایی استفاده می‌کنند،

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

مانند آرایه‌های خطوط دو بَعدی که نمایانگر ستون‌ها و تیرک‌ها هستند،

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

یا یک خط و دایره برای نشان دادن جرم ساختمان.

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

حتی هنگامی که این مدل‌ها تا این میزان ساده می‌شوند می‌توانند مفید باشند،

as predicting a building's response to an earthquake

پیش‌بینی واکنش ساختمان‌ها نسبت به یک زلزله

is primarily a matter of physics.

در درجه اول موضوع فیزیک هست.

Most collapses that occur during earthquakes

بیشتر فروریز‌ی‌هایی که در زلزله رخ می‌دهد

aren't actually caused by the earthquake itself.

واقعا به علت خود زلزله نیست.

Instead, when the ground moves beneath a building,

بلکه، هنگامی که زمین زیر یک ساختمان حرکت می‌کند

it displaces the foundation and lower levels,

پی ساختمان را جابجا نموده و به سطح پائین تری می‌برد،

sending shock waves through the rest of the structure

و امواج شوک‌آور به تمامی سازه ساختمان فرستاده می‌شود

and causing it to vibrate back and forth.

و باعث می‌شود که ساختمان به جلو و عقب تکان بخورد.

The strength of this oscillation depends on two main factors:

قدرت این نوسان بستگی به دو عامل اصلی دارد:

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

جرم ساختمان، که در کف ساختمان جمع می‌شود،

and its stiffness,

و سفتی (محکمی) ساختمان،

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

که نیروی مورد نیاز برای مقدار معینی جابجایی در ساختمان است.

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

همراه با نوع مصالح ساختمانی و به شکل ستون‌های آن،

stiffness is largely a matter of height.

محکمی ساختمان تا حد زیادی برای ارتفاع آن اهمیت دارد.

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

ساختمان‌های کوتاه‌تر، محکم‌تر بوده و تغییر کمتری می‌کنند،

while taller buildings are more flexible.

در حالی که ساختمان‌های بلندتر، قابل انعطاف‌ترند.

You might think that the solution is to build shorter buildlings

شاید فکر کنید که راه‌ حل این است که ساختمان‌ها را کوتاه‌تر بسازید

so that they shift as little as possible.

تا ساختمان‌ها کمترین جابجایی را داشته باشند.

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

اما زلزله سال ۱۹۸۵ شهر مکزیکوسیتی نمونه خوبیست که چرایی آن را نشان می‌دهد.

During the quake,

در طول زمین لرزه،

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

بیشتر ساختمان‌های بین شش تا پانزده طبقه فرو ریختند.

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

نکته عجیب این بود که ساختمان‌های کوتاه‌تر اطراف آنها حفظ شده‌ بودند،

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

ساختمانهای بلندتر از پانزده طبقه نیز کمتر آسیب دیده بودند،

and the midsized buildings that collapsed

و ساختمان‌های با ارتفاع متوسط فرو ریختند

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

دیده شده ساختمان‌های متوسط بیشتر از خود زلزله تکان می‌خورند.

How is that possible?

اما چطور این ممکن است؟

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

پاسخ در چیزی به نام فرکانس طبیعی باید باشد.

In an oscillating system,

در یک سیستم نوسانی،

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

تعداد چرخه جلو و عقب رفتن در یک ثانیه را فرکانس می‌گویند.

This is the inverse of the period,

این معکوس دوره نوسان است،

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

و بیانگر آن است که یک چرخه کامل نوسانی چند ثانیه طول می کشد.

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

فرکانس طبیعی یک ساختمان، توسط جرم و محکمی آن تعیین می‌شود،

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

این فرکانسی است که ارتعاشات همدیگر را تقویت می‌کنند.

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

افزایش جرم ساختمان میزان سرعت ارتعاشات طبیعی را کم می‌کند،

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

در حالی که افزایش محکمی ساختمان باعث ایجاد ارتعاشات سریعتری می‌شود.

So in the equation representing their relationship,

بنابراین در معادله‌ای که بیانگر رابطه این دو است،

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

محکمی با فرکانس طبیعی نسبت مستقیم دارد،

while mass and natural frequency are inversely proportional.

درحالی که جرم و فرکانس طبیعی با هم نسبت معکوس دارند.

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

آنچه که در مکزیکوسیتی اتفاق افتاد اثری به نام رزونانس بود،

where the frequency of the earthquake's seismic waves

جایی که فرکانس امواج لرزه‌ای زلزله

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

به مقدار زیادی بر فرکانس طبیعی در ساختمان‌هایی با ارتفاع متوسط واقع می‌شود.

Like a well-timed push on a swingset,

مانند زمان متناسبی که تاب هل داده می‌شود،

each additional seismic wave amplified the building's vibration

هر موج لرزه‌ای اضافی، ارتعاش ساختمان

in its current direction,

در جهت حرکت آن را تقویت می کند،

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

وحتی باعث می‌شود که بیشتر به عقب برود، و این بیشتر و بیشتر شود،

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

در نهایت جابه جایی به حدی بسیار بیشتر از جابجایی اولیه صورت می‌گیرد.

Today, engineers work with geologists and seismologists

امروز، مهندسان با زمین شناسان و زلزله شناسان

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

برای پیش بینی فرکانس زلزله در محل ساخت و ساز کار می‌کنند

in order to prevent resonance-induced collapses,

تا از فروریزی ساختمان ناشی از زلزله

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

با در نظر گرفتن عواملی مانند نوع خاک و نوع گسل،

as well as data from previous quakes.

و همچنین داده هایی از زلزله‌های قبلی جلوگیری کنند.

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

فرکانس‌های پایین لرزش زمین آسیب بیشتری به ساختمان‌های بلندتر

and more flexible buildings,

و ساختمان‌های قابل انعطاف تر می‌زند،

while high frequencies of motion pose more threat

در حالی که فرکانس‌های بالای لرزش زمین تهدید بیشتری

to structures that are shorter and stiffer.

برای سازه‌هایی که کوتاه‌تر و سنگین‌ترهستند می‌باشد.

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

همچنین مهندسین روشی برای جذب شوک‌ها

and limit deformation using innovative systems.

و محدوده‌ی‌ تغییر شکل را با استفاده از سیستم ‌های نوآورانه ابداع کرده‌اند

Base isolation uses flexible layers

جداسازی پایه‌های ساختمان به کمک لایه‌های انعطاف پذیر

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

سبب جداسازی جابجایی فونداسیون از بقیه ساختمان می‌شود،

while tuned mass damper systems cancel out resonance

در حالی که سیستم‌های میرا کننده جرمی اثر رزونانس را

by oscillating out of phase with the natural frequency

با نوسان خارج از فاز فرکانس طبیعی از بین می‌برند

to reduce vibrations.

تا ارتعاشات را کاهش دهند.

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

در پایان، این محکم ترین ساختمانها نیستند که ایستاده باقی می‌مانند،

but the smartest ones.

بلکه هوشمندترین آنها ایستاده باقی می‌مانند!