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

למה בניינים מתמוטטים ברעידות אדמה? -- ויקי מאי

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Tal Dekkers

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

רעידות אדמה תמיד היו תופעות מפחידות,

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

והן הפכו ליותר קטלניות כשערינו גדלו,

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

עם בניינים מתמוטטים שמהווים את האיום הכי גדול.

Why do buildings collapse in an earthquake,

למה בניינים מתמוטטים ברעידות אדמה,

and how can it be prevented?

ואיך אנחנו יכולים למנוע את זה?

If you've watched a lot of disaster films,

אם צפיתם בהרבה סרטי אסונות,

you might have the idea

אולי קיבלתם את הרעיון

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

שהתמוטטות בניינים נגרמות ישירות מהאדמה מתחתן

shaking violently, or even splitting apart.

שרועדת בעוצמה, או אפילו נפרדת.

But that's not really how it works.

אבל זה לא באמת איך שזה עובד.

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

ראשית, רוב הבניינים לא ממוקמים ישירות מעל קו שבר,

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

והלוחות הטקטוניים הנעים מגיעים הרבה יותר עמוק מיסודות הבניינים.

So what's actually going on?

אז מה מתרחש למעשה?

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

למעשה, המציאות של רעידות אדמה וההשפעות שלהן על בניינים

is a bit more complicated.

היא מעט יותר מורכבת.

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

כדי להבין את זה, ארכיטקטים ומהנדסים משתמשים במודלים,

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

כמו מערך דו מימדי של קווים שמייצגים עמודים וקורות,

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

או סוכריה בקו אחד עם עיגולים שמייצגים את המאסה של הבניין.

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

אפילו כשהם מפושטים לרמה הזו, המודלים האלה יכולים להיות די יעילים,

as predicting a building's response to an earthquake

מאחר ולחזות תגובה של בניין לרעידת אדמה

is primarily a matter of physics.

זה בעיקר עניין של פיזיקה.

Most collapses that occur during earthquakes

רוב ההתמוטטויות שמתרחשות במהלך רעידות אדמה

aren't actually caused by the earthquake itself.

למעשה לא נגרמות מרעידת האדמה עצמה,

Instead, when the ground moves beneath a building,

אלא, כשהאדמה נעה מתחת לבניין,

it displaces the foundation and lower levels,

היא מניעה את היסדות והקומות הנמוכות,

sending shock waves through the rest of the structure

ושולחת גלי הלם בשאר המבנה

and causing it to vibrate back and forth.

וגורמות לו לרעוד קדימה ואחורה.

The strength of this oscillation depends on two main factors:

החוזק של התנודות האלו תלוי בשני גורמים עיקריים:

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

המאסה של הבניין, שמרוכזת בתחתיתו

and its stiffness,

והקשיחות שלו,

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

שהיא הכוח הדרוש לגרום לכמות מסויימת של הזחה.

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

יחד עם סוג החומר של הבניין והצורה של העמודים שלו,

stiffness is largely a matter of height.

קשיחות היא בעיקר עניין של גובה.

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

בניינים נמוכים יותר נוטים להיות קשיחים יותר ולנוע פחות,

while taller buildings are more flexible.

בעוד בניינים גבוהים יותר הם יותר גמישים.

You might think that the solution is to build shorter buildlings

אתם אולי חושבים שהפיתרון הוא לבנות בניינים נמוכים יותר

so that they shift as little as possible.

כך שהם ינועו מעט ככל האפשר.

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

אבל רעידת האדמה של מקסיקו ב 1985 היא דוגמה טובה ללמה זה לא המקרה.

During the quake,

במהלך הרעידה,

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

הרבה בניינים בין שש לחמש עשרה קומות קרסו.

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

מה שמשונה זה שבעוד בניינים נמוכים באזור המשיכו לעמוד,

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

בניינים גבונים מחמש עשרה קומות גם נפגעו פחות,

and the midsized buildings that collapsed

והבניינים בגובה בינוני שהתמוטטו

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

נראו רועדים בעוצמה גדולה בהרבה מרעידת האדמה עצמה.

How is that possible?

איך זה אפשרי?

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

התשובה נוגעת למשהו שידוע כתדירות טבעית.

In an oscillating system,

במערכת רוטטת,

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

התדירות היא כמה מחזורי תנועוה קדימה ואחורה מתרחשים בשניה.

This is the inverse of the period,

זה ההפך מהמחזור,

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

שזה כמה שניות לוקח להשלים מחזור אחד.

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

והתדירות הטבעית של בניין, תלויה במסה ובקשיחות שלו,

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

היא התדירות שהרעידות יטו להתקבץ סביבה.

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

הגברת מסת הבניין מאטה את הקצב בו הוא רועד בטבעיות,

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

בעוד הגברת הקשיחות גורמת לו לרטוט מהר יותר.

So in the equation representing their relationship,

אז במשוואה שמייצגת את היחס שלהן,

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

קשיחות ותדירות טבעית הן יחסיות אחת לשניה,

while mass and natural frequency are inversely proportional.

בעוד מאסה ותדירות טבעית הן בעלות יחס הפוך.

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

מה שקרה במקסיקו סיטי היה אפקט שנקרא תהודה,

where the frequency of the earthquake's seismic waves

בה התדירות של גלי רעידת האדמה

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

התאימו במקרה לתדירות הטבעית של הבניינים בגובה בינוני.

Like a well-timed push on a swingset,

כמו דחיפה מתוזמנת היטב על נדנדה,

each additional seismic wave amplified the building's vibration

כל גל סייסמי נוסף מגביר את הרעידות של הבניין

in its current direction,

בכיוון הנוכחי שלו,

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

מה שגורם לו להתנדנד אפילו יותר אחורה, וכל הלאה,

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

ולבסוף מגיע להזחה גדולה בהרבה מהראשונית.

Today, engineers work with geologists and seismologists

היום, מהנדסים עובדים עם גאולוגים וסייסמולוגים

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

כדי לחזות את התדירות של תנועות רעידות אדמה באתרי בניה

in order to prevent resonance-induced collapses,

כדי למנוע התמוטטויות בשל תהודה,

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

ומתחשבים בגורמים כמו סוג הקרקע וסוג השבר,

as well as data from previous quakes.

כמו גם במידע מרעידות קודמות.

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

תדירויות נמוכות של תנועה יגרמו ליותר נזק לבניינים גבוהים

and more flexible buildings,

ובניינים יותר גמישים,

while high frequencies of motion pose more threat

בעוד תדירויות גבוהות של תנועה מהוות איום גדול יותר

to structures that are shorter and stiffer.

למבנים נמוכים וקשיחים יותר.

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

מהנדסים גם פיתחו דרכים לספוג זעזועים

and limit deformation using innovative systems.

ולהגביל את ההתעוותות בשימוש במערכות חדשניות.

Base isolation uses flexible layers

בידוד הבסיס משתמש בשכבות גמישות

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

כדי לבודד את הזחת היסודות משאר הבניין,

while tuned mass damper systems cancel out resonance

בעוד מערכות משככות מסה מכווננת מבטלות את התהודה

by oscillating out of phase with the natural frequency

על ידי הדהוד מחוץ לפאזה של התדירות הטבעית

to reduce vibrations.

כדי להפחית את הרעידות.

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

בסופו של דבר, אלו לא הבניינים הקשיחים ביותר שישארו עומדים

but the smartest ones.

אלא החכמים ביותר.