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

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

Tłumaczenie: Robert Skrzypczyński Korekta: Krystian Aparta

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

Trzęsienia ziemi zawsze były przerażającym zjawiskiem,

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

a wraz z rozwojem miast stały się jeszcze groźniejsze

z powodu zawaleń budynków,

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

jednego z najgroźniejszych efektów trzęsienia.

Why do buildings collapse in an earthquake,

Dlaczego podczas trzęsienia budynki się zawalają

and how can it be prevented?

i jak można temu zapobiec?

If you've watched a lot of disaster films,

Jeśli oglądaliście dużo filmów katastroficznych,

you might have the idea

to możecie sądzić,

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

że bezpośrednią przyczyną zawalenia się budynku jest ruch jego podłoża,

shaking violently, or even splitting apart.

które gwałtownie się trzęsie, a nawet pęka.

But that's not really how it works.

W rzeczywistości jest inaczej.

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

Większość budynków nie znajduje się dokładnie nad uskokiem,

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

a ruszające się płyty tektoniczne leżą dużo głębiej

niż fundamenty budynków.

So what's actually going on?

Co więc tak naprawdę się dzieje?

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

W rzeczywistości kwestia trzęsień ziemi i ich wpływu na budynki

is a bit more complicated.

jest trochę bardziej skomplikowana.

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

Aby to zrozumieć, architekci i inżynierowie korzystają z modeli,

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

takich jak dwuwymiarowa matryca odzwierciedlająca słupy i belki budynku

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

lub pojedynczy lizak z ciężarem reprezentującym masę budynku.

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

Nawet tak uproszczone modele mogą być całkiem użyteczne,

as predicting a building's response to an earthquake

jako że przewidywanie reakcji budynku na trzęsienie ziemi

is primarily a matter of physics.

jest kwestią należącą przede wszystkim do fizyki.

Most collapses that occur during earthquakes

Większość zawaleń występujących podczas trzęsień

aren't actually caused by the earthquake itself.

nie jest spowodowana samymi wstrząsami.

Instead, when the ground moves beneath a building,

W rzeczywistości ruch ziemi pod budynkiem

it displaces the foundation and lower levels,

powoduje przemieszczanie się fundamentu i niższych pięter,

sending shock waves through the rest of the structure

generując fale uderzeniowe rozchodzące się przez konstrukcję budynku

and causing it to vibrate back and forth.

i wywołując jego drgania.

The strength of this oscillation depends on two main factors:

Amplituda tych drgań zależy od dwóch głównych czynników:

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

masy budynku, która jest skupiona przy jego podstawie,

and its stiffness,

oraz jego sztywności,

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

to znaczy siły potrzebnej do wywołania danego odkształcenia.

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

Poza rodzajem materiału budynku oraz typem i kształtem jego słupów,

stiffness is largely a matter of height.

na sztywność główny wpływ ma jego wysokość.

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

Niższe budynki są sztywniejsze i oscylują słabiej,

while taller buildings are more flexible.

podczas gdy wyższe budynki są podatniejsze.

You might think that the solution is to build shorter buildlings

Można by pomyśleć, że wyjściem jest budowanie niższych budynków,

so that they shift as little as possible.

tak żeby drgały one możliwie najsłabiej.

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

Ale trzęsienie ziemi w Meksyku w 1985 roku

jest dobrym przykładem przeczącym temu rozwiązaniu.

During the quake,

Podczas trzęsienia

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

zawaliło się wiele budynków mających od sześciu do piętnastu pięter.

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

O dziwo, podczas gdy niższe budynki w okolicy dalej stały,

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

ponad 15-piętrowe budynki również ucierpiały mniej,

and the midsized buildings that collapsed

a średnio wysokie budynki, które się zawaliły,

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

drgały znacznie silniej niż samo podłoże.

How is that possible?

Jak to możliwe?

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

Odpowiedź jest związana tak zwaną częstotliwością drgań własnych.

In an oscillating system,

W układzie drgającym

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

częstotliwość oznacza ilość drgań występujących w czasie jednej sekundy.

This is the inverse of the period,

Jest ona odwrotnością okresu drgań,

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

który mówi, ile sekund potrzebnych jest na wykonanie jednego cyklu drgań.

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

A częstotliwość drgań własnych budynku, określona przez jego masę i sztywność,

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

jest częstotliwością, do której naturalnie zmierzają drgania budynku.

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

Zwiększanie masy budynku obniża częstotliwość,

z którą drga on swobodnie,

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

natomiast zwiększanie sztywności ją podnosi.

So in the equation representing their relationship,

Zatem w równaniu opisującym ich współzależność

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

sztywność i częstotliwość drgań własnych są do siebie proporcjonalne,

while mass and natural frequency are inversely proportional.

za to masa i częstotliwość drgań własnych są odwrotnie proporcjonalne.

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

W Meksyku wystąpił efekt nazywany rezonansem,

where the frequency of the earthquake's seismic waves

podczas którego częstotliwość fal sejsmicznych

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

pokrywa się z częstotliwością drgań własnych średnio wysokich budynków.

Like a well-timed push on a swingset,

Niczym dobrze wymierzone popchnięcie huśtawki,

each additional seismic wave amplified the building's vibration

każda fala sejsmiczna wzmacniała drgania budynku

in its current direction,

w ich ówczesnym kierunku,

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

powodując, że budynek kołysał się coraz mocniej i mocniej,

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

osiągając w końcu znacznie większe wychylenie niż początkowe przemieszczenie.

Today, engineers work with geologists and seismologists

Obecnie inżynierowie pracują z geologami oraz sejsmologami,

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

aby przewidzieć częstotliwość ruchów ziemi na terenach budowlanych

in order to prevent resonance-induced collapses,

i zapobiec zawaleniom wywołanym rezonansem,

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

biorąc pod uwagę na przykład rodzaj gruntu i typ uskoku tektonicznego,

as well as data from previous quakes.

a także dane z poprzednich trzęsień.

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

Niskie częstotliwości ruchu wywołają uszkodzenia wyższych

and more flexible buildings,

i podatniejszych budynków,

while high frequencies of motion pose more threat

a wysokie częstotliwości ruchu tworzą więcej zagrożenia

to structures that are shorter and stiffer.

dla niższych i sztywniejszych konstrukcji.

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

Inżynierowie opracowali także sposoby pochłaniania wstrząsów

and limit deformation using innovative systems.

i ograniczania odkształceń przy użyciu innowacyjnych systemów.

Base isolation uses flexible layers

Izolacja podstawy budynku elementami elastycznymi

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

odcina ruchy fundamentu od reszty budynku,

while tuned mass damper systems cancel out resonance

a masowe tłumiki drgań niwelują rezonans

by oscillating out of phase with the natural frequency

przez ruch przesunięty w fazie względem częstotliwości drgań własnych

to reduce vibrations.

w celu zmniejszenia drgań.

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

To nie najmocniejsze budynki przetrwają,

but the smartest ones.

lecz te najmądrzejsze.