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

Translator: Thitiporn Ratanapojnard Reviewer: Rawee Ma

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

แผ่นดินไหวเป็นปรากฏการณ์ที่น่ากลัว มาโดยตลอด

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

และมันก็ยิ่งก่อหายนะมากขึ้น เมื่อเมืองของเราใหญ่ขึ้น

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

กับอาคารถล่มนั้น เป็นหนึ่งในความเสี่ยงที่มากที่สุด

Why do buildings collapse in an earthquake,

ทำไมอาคารถึงถล่ม ในเหตุการณ์แผ่นดินไหว

and how can it be prevented?

และจะป้องกันมันได้อย่างไร

If you've watched a lot of disaster films,

ถ้าคุณเคยดูหนังภัยพิบัติมาเยอะมากๆ

you might have the idea

คุณคงมีความคิดที่ว่า

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

อาคารถล่มมีสาเหตุโดยตรงจากใต้พื้นดิน

shaking violently, or even splitting apart.

สั่นสะเทือนอย่างรุนแรง หรือแม้แต่แยกออกจากกัน

But that's not really how it works.

แต่นั้นไม่ใช่สิ่งที่มันเกิดขึ้น

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

อย่างแรก อาคารส่วนใหญ่ ไม่ได้ตั้งอยู่บนรอยเลื่อน

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

และแผ่นเปลือกโลกที่เคลื่อนที่นั้น อยู่ลึกลงไปในผิวโลกมากกว่าฐานรากของตึก

So what's actually going on?

แล้วมันเกิดอะไรขึ้นกันแน่

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

อันที่จริงแล้ว ความจริงเรื่องแผ่นดินไหว และผลกระทบต่ออาคาร

is a bit more complicated.

ซับซ้อนมากกว่านั้นเล็กน้อย

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

เพื่อให้เราเข้าใจง่าย สถาปนิกและวิศวกรเลือกใช้แบบจำลอง

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

เป็นแนวเส้น 2 มิติแทนเสาและคาน

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

หรือใช้ลูกกลมๆบนแท่งเสา เพื่อจำลองมวลของอาคาร

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

ถึงแม้จะทำให้มันเข้าใจง่ายขนาดนี้ แต่แบบจำลองนี้กลับมีประโยชน์มาก

as predicting a building's response to an earthquake

ช่วยทำนายการตอบสนอง ของอาคารต่อแผ่นดินไหว

is primarily a matter of physics.

ซึ่งโดยพื้นฐานเกี่ยวกับหลักฟิสิกส์

Most collapses that occur during earthquakes

การถล่มส่วนมากที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นดินไหว

aren't actually caused by the earthquake itself.

ไม่ได้เกิดโดยตรงจากแผ่นดินไหว

Instead, when the ground moves beneath a building,

แต่เมื่อพื้นดินขยับใต้อาคาร

it displaces the foundation and lower levels,

มันทำให้รากฐานอาคารและชั้นล่างๆเคลื่อนที่

sending shock waves through the rest of the structure

ทำให้เกิดคลื่นกระแทกส่งไปยัง โครงสร้างส่วนที่เหลือ

and causing it to vibrate back and forth.

และส่งผลให้อาคารนั้นสั่นไปสั่นมา

The strength of this oscillation depends on two main factors:

ความรุนแรงของการสั่นสะเทือน ขึ้นอยู่กับ 2 ปัจจัยหลัก

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

มวลของอาคาร ที่รวมกันอยู่ด้านล่าง

and its stiffness,

และความแข็งของอาคาร

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

ซึ่งก็คือแรงที่ต้องใช้ ในการทำให้เกิดการเลื่อนตัว

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

รวมถึงประเภทของวัสดุของตึก และรูปร่างของเสา

stiffness is largely a matter of height.

ความแข็งส่วนมาก เกี่ยวข้องกับความสูง

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

อาคารที่เตี้ยกว่า จะแข็งกว่าและสั่นน้อยกว่า

while taller buildings are more flexible.

ในขณะที่อาคารที่สูงกว่านั้น จะยืดหยุ่นได้มากกว่า

You might think that the solution is to build shorter buildlings

คุณอาจจะคิดว่า ทางออกคือสร้างอาคารให้เตี้ยเข้าไว้

so that they shift as little as possible.

เพื่อให้มันสั่นให้น้อยที่สุด

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

แต่แผ่นดินไหวในปี 1985 ที่เม็กซิโก เป็นตัวอย่างที่ดีว่าทำไมจึงไม่เป็นเช่นนั้น

During the quake,

ตอนช่วงแผ่นดินไหว

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

อาคารความสูงระหว่าง 6 ถึง 15 ชั้น ถล่มลงมามากมาย

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

แต่ที่น่าแปลกคือ อาคารที่เตี้ยกว่ากลับยังตั้งอยู่ได้

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

อาคารที่สูงกว่า 15 ชั้น ก็เสียหายไม่มาก

and the midsized buildings that collapsed

และอาคารความสูงกลางๆที่ถล่มลงมานั้น

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

พบว่ามันสั่นอย่างรุนแรง มากกว่าแผ่นดินไหวเสียอีก

How is that possible?

มันเป็นไปได้อย่างไร

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

คำตอบมันเกี่ยวกับสิ่งที่เรียกว่า "ความถี่ธรรมชาติ"

In an oscillating system,

ในการสั่นสะเทือน

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

ความถี่ คือจำนวนครั้งที่เคลื่อนที่ กลับไปกลับมาใน 1 วินาที

This is the inverse of the period,

เป็นส่วนกลับของ "คาบ"

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

ซึ่งคือ มันใช้เวลากี่วินาที เพื่อให้จบการเคลื่อนที่ 1 รอบ

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

และความถี่ธรรมชาติของอาคารนั้นขึ้นอยู่กับ มวลและความแข็งของมัน

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

คือความถี่ที่ตึกมันสั่นเอียงไปรอบๆ

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

การเพิ่มมวลของตึกจะทำให้ อัตราการสั่นตามธรรมชาติลดลง

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

ในขณะที่ถ้าเพิ่มความแข็ง จะทำให้สั่นเร็วขึ้น

So in the equation representing their relationship,

ดังนั้น สมการที่ใช้อธิบายความสัมพันธ์

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

ความแข็งและความถี่ธรรมชาติ จึงมีสัดส่วนตามกัน

while mass and natural frequency are inversely proportional.

ในขณะที่มวลและความถี่ธรรมชาติ กลับมีสัดส่วนผกผันกัน

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

สิ่งที่เกิดขึ้นใน กรุงเม็กซิโก เป็นผลมาจาก "การกำทอน"

where the frequency of the earthquake's seismic waves

เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของคลื่น จากแผ่นดินไหว

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

ไปตรงกับความถี่ธรรมชาติของตึกขนาดกลาง

Like a well-timed push on a swingset,

เหมือนการผลักชิงช้าที่คำนวนเวลามาอย่างดี

each additional seismic wave amplified the building's vibration

แต่ละคลื่นที่เกิดขึ้นจะทำให้ การสั่นสะเทือนของตึกรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ

in its current direction,

ในทิศทางเดิม

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

ทำให้ตึกไหวโยกมากขึ้นเรื่อยๆ

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

จนในที่สุดก็เกินขีดจำกัด ที่อาคารจะรองรับได้

Today, engineers work with geologists and seismologists

ทุกวันนี้ วิศวกรทำงานร่วมกับนักธรณีวิทยา และผู้เชี่ยวชาญแผ่นดินไหว

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

เพื่อทำนายความถี่ของแผ่นดินไหว ที่ตำแหน่งที่จะสร้างตึก

in order to prevent resonance-induced collapses,

เพื่อที่จะลดการถล่มเนื่องจากการเกิดกำทอน

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

โดยใช้ประเภทของดิน และรอยเลื่อนมาร่วมพิจารณา

as well as data from previous quakes.

รวมทั้งข้อมูลจากแผ่นดินไหวครั้งก่อนๆ

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

ความถี่ต่ำจะสร้างความเสียหาย กับตึกที่สูงกว่า

and more flexible buildings,

และตึกที่ยืดหยุ่นกว่า

while high frequencies of motion pose more threat

ในขณะที่การสั่นความถี่สูง กลับเป็นภัยมากกว่า

to structures that are shorter and stiffer.

ต่อโครงสร้างที่เตี้ยเและแข็งกว่า

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

วิศวกรยังได้คิดค้นวิธีการดูดซับแรงกระแทก

and limit deformation using innovative systems.

และจำกัดการเปลี่ยนแปลงผิดรูป โดยใช้ระบบนวัตกรรม

Base isolation uses flexible layers

การแยกฐานรากโดยใช้ชั้นของตึกที่ยืดหยุ่น

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

เพื่อแยกการเลื่อนตัวของฐานราก ออกจากตัวอาคารที่เหลือ

while tuned mass damper systems cancel out resonance

ในขณะที่ระบบมวลลดการสั่น จะหักล้างการเกิดกำทอน

by oscillating out of phase with the natural frequency

โดยสั่นในทิศตรงข้าม ด้วยความถี่ที่เท่ากับความถี่ธรรมชาติ

to reduce vibrations.

เพื่อลดการสั่นสะเทือน

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

ในตอนท้ายสุด อาคารที่แข็งแรงที่สุด จะไม่ใช่อาคารที่ยังตั้งอยู่

but the smartest ones.

แต่เป็นที่อาคารฉลาดที่สุดต่างหาก