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

Переводчик: Nina Grebenschikova Редактор: Myo Aung

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

Землетрясения всегда были ужасающим явлением,

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

и они становятся всё более смертоносными, так как наши города растут,

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

и обрушивающиеся здания представляют собой наибольший риск.

Why do buildings collapse in an earthquake,

Почему здания обрушиваются во время землетрясений,

and how can it be prevented?

и как это можно предотвратить?

If you've watched a lot of disaster films,

При просмотре фильмов-катастроф

you might have the idea

вам может показаться,

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

что здания разрушаются именно из-за того, что земля под ними

shaking violently, or even splitting apart.

со страшной силой сотрясается или даже раскалывается на части.

But that's not really how it works.

Но это происходит совсем не так.

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

Во-первых, большинство зданий не расположены прямо на линии разлома,

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

и сдвиг тектонических плит происходит гораздо глубже фундаментов зданий.

So what's actually going on?

Так что же на самом деле происходит?

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

Фактически землетрясения и их воздействие на здания

is a bit more complicated.

имеют более сложную природу.

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

Чтобы её понять, архитекторы и инженеры используют модели,

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

такие как двухмерная сетка из продольных и поперечных линий

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

или однолинейный леденец с кругами, изображающими массу здания.

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

Даже такие упрощённые модели могут быть очень полезны,

as predicting a building's response to an earthquake

так как первоначальная задача предсказать реакцию здания

is primarily a matter of physics.

на землетрясение — в основном вопрос физики.

Most collapses that occur during earthquakes

Большинство обрушений во время землетрясения

aren't actually caused by the earthquake itself.

происходят не из-за самого землетрясения.

Instead, when the ground moves beneath a building,

Напротив, когда земля движется под зданием,

it displaces the foundation and lower levels,

она смещает фундамент и нижние этажи,

sending shock waves through the rest of the structure

посылая мощные волны через всё строение

and causing it to vibrate back and forth.

и раскачивая его из стороны в сторону.

The strength of this oscillation depends on two main factors:

Сила этого колебания зависит от двух факторов:

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

массы здания, которая сконцентрирована у основания,

and its stiffness,

и его жёсткости,

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

т.е. величины воздействия, необходимого, чтобы вызвать определённое смещение.

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

Помимо типа строительного материала и формы колонн здания,

stiffness is largely a matter of height.

жёсткость во многом зависит от высоты.

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

Низкие здания бывают более жёсткими и меньше смещаются,

while taller buildings are more flexible.

а высокие здания более упругие.

You might think that the solution is to build shorter buildlings

Может показаться, что решение проблемы — строить низкие здания,

so that they shift as little as possible.

чтобы снизить до минимума их колебание.

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

Но землетрясение в Мехико 1985 года наглядно показывает, что это не так.

During the quake,

Во время землетрясения

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

многие здания высотой от шести до пятнадцати этажей рухнули.

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

Странным было то, что более низкие здания неподалёку остались стоять

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

и здания выше пятнадцати этажей также были менее сильно повреждены,

and the midsized buildings that collapsed

а обрушившиеся здания среднего размера

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

сотрясались гораздо сильнее амплитуды колебаний при землетрясении.

How is that possible?

Как такое возможно?

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

Ответ связан с явлением, известным как частота собственных колебаний.

In an oscillating system,

При колебании системы

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

частота означает количество поступательных движений в секунду.

This is the inverse of the period,

Это обратная величина к периоду,

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

за который совершается один цикл движения.

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

Частота собственных колебаний здания, определяемая его массой и устойчивостью,

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

является частотой, вокруг которой будут совершаться колебания.

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

Увеличение массы уменьшает частоту его собственных колебаний,

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

в то время как его жёсткость приводит к более быстрым колебаниям.

So in the equation representing their relationship,

Так, в уравнении, показывающем это взаимодействие,

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

жёсткость и собственные колебания пропорциональны друг другу,

while mass and natural frequency are inversely proportional.

а масса и собственные колебания обратно пропорциональны.

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

То, что случилось в Мехико, было эффектом резонанса,

where the frequency of the earthquake's seismic waves

когда частота колебаний сейсмических волн

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

совпала с частотой колебаний зданий среднего размера.

Like a well-timed push on a swingset,

Так же как и выверенный толчок качели,

each additional seismic wave amplified the building's vibration

каждая новая сейсмическая волна увеличивает вибрацию здания

in its current direction,

в его текущем направлении,

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

заставляя здание раскачиваться ещё сильнее,

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

в конечном итоге смещаясь гораздо больше, чем в самом начале.

Today, engineers work with geologists and seismologists

Сегодня инженеры сотрудничают с геологами и сейсмологами,

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

чтобы спрогнозировать частоту сейсмических колебаний на местах стройки,

in order to prevent resonance-induced collapses,

чтобы предотвратить обрушения, вызываемые резонансом,

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

при этом они учитывают тип почвы и вид разлома,

as well as data from previous quakes.

а также данные предыдущих землетрясений.

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

Низкая частота колебаний вызовет обрушение высоких

and more flexible buildings,

и более упругих зданий,

while high frequencies of motion pose more threat

а высокая частота колебаний представляет опасность

to structures that are shorter and stiffer.

для более низких и жёстких строений.

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

Инженеры предложили решение, как поглощать удары

and limit deformation using innovative systems.

и ограничить деформацию зданий, используя инновационные системы.

Base isolation uses flexible layers

Фундамент изолируют с помощью подвижных слоёв,

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

чтобы изолировать смещение фундамента от остальной части здания,

while tuned mass damper systems cancel out resonance

а точные системы гашения массы строения гасят резонанс,

by oscillating out of phase with the natural frequency

раскачивая здание с фазой, не совпадающей с собственными колебаниями,

to reduce vibrations.

что уменьшает вибрацию.

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

В конце концов выстоят не самые прочные здания,

but the smartest ones.

а самые продуманные.