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

Translator: Minh Ngoc Nguyen Reviewer: Hùng Bùi

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

Động đất luôn là một hiện tượng tự nhiên đáng sợ

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

Và nó trở nên nguy hiểm hơn khi các thành phố càng phát triển

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

với một trong những rủi ro lớn nhất là sự sụp đổ của các tòa nhà cao tầng

Why do buildings collapse in an earthquake,

Tại sao các tòa nhà cao tầng lại sụp đổ khi động đất,

and how can it be prevented?

và làm thế nào để ngăn chặn điều này?

If you've watched a lot of disaster films,

Nếu như bạn đã từng xem các bộ phim thảm họa,

you might have the idea

bạn có thể nghĩ rằng

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

các tòa nhà sụp đổ do nguyên nhân trực tiếp là mặt đất dưới chân chúng

shaking violently, or even splitting apart.

rung lắc dữ dội hay thậm chí là tách ra xa nhau.

But that's not really how it works.

Nhưng đó không thực sự là cách chúng hoạt động

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

Thứ nhất, hầu hết các tòa nhà không nằm đúng vị trí đứt gãy,

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

và sự dịch chuyển các mảng kiến tạo thì xảy ra ở sâu hơn nhiều so với nền tảng của các tòa nhà.

So what's actually going on?

Vậy điều gì thực sự đang diễn ra?

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

Trên thực tế, sự ảnh hưởng của động đất đến các tòa nhà

is a bit more complicated.

thì phức tạp hơn nhiều

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

Để làm rõ hơn điều này, các kiến trúc sư và kĩ sư sử dụng các mô hình

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

giống như một dãy sắp xếp 2 chiều các đường đại diện cho cột và xà

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

hay các đường đơn lollipop với khối tròn đại diện cho trọng lượng của tòa nhà

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

Khi đơn giản hóa đến mức độ này, các mô hình này có thể sẽ khá hữu ích

as predicting a building's response to an earthquake

khi dự đoán 1 phản ứng của các tòa nhà khi động đất

is primarily a matter of physics.

là vấn đề chủ yếu của vật lý.

Most collapses that occur during earthquakes

Hầu hết các sự sụp đổ xảy ra khi động đất

aren't actually caused by the earthquake itself.

không thực sự là do bản thân của việc động đất

Instead, when the ground moves beneath a building,

Mà thay vào đó, khi mặt đất chuyển động bên dưới tòa nhà,

it displaces the foundation and lower levels,

chúng thay thế lớp nền và mức độ thấp hơn,

sending shock waves through the rest of the structure

gửi các làn sóng xung kích qua các phần còn lại của cấu trúc

and causing it to vibrate back and forth.

và khiến nó rung lắc qua lại.

The strength of this oscillation depends on two main factors:

Sức mạnh của sự dao động này phụ thuộc vào 2 yếu tố chính:

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

khối lượng của tòa nhà, mà tập trung chủ yếu ở phần nóc,

and its stiffness,

và độ cứng của nó,

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

mà là yếu tố cần thiết gây ra một số lượng dịch chuyển nhất định.

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

Cùng với loại chất liệu của tòa nhà và hình dạng nhất định của cột,

stiffness is largely a matter of height.

độ cứng phần lớn phụ thuộc vào vấn đề chiều cao.

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

Các tòa nhà thấp có xu hướng cứng hơn và thay đổi ít hơn,

while taller buildings are more flexible.

trong khi các tòa nhà cao thì linh hoạt (mềm dẻo) hơn

You might think that the solution is to build shorter buildlings

Bạn có thể nghĩ rằng giải pháp là xây dựng các tòa nhà thấp hơn

so that they shift as little as possible.

để chúng thay đổi ít nhất có thể.

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

Nhưng trận động đất năm 1985 ở Mexico là ví dụ tốt cho thấy điều đó không ổn

During the quake,

Trong trận động đất,

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

nhiều tòa nhà cao hơn 6 và thấp hơn 15 tầng đã bị sụp đổ.

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

Điều lạ là trong khi các tòa nhà thấp hơn gần đó vẫn đứng vững,

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

thì các tòa nhà cao hơn 15 tầng cũng hầu hết ít bị ảnh hưởng,

and the midsized buildings that collapsed

và các tòa nhà cỡ trung bình thì lại bị sụp đổ

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

được quan sát thấy rung lắc dữ dội hơn là chính trận động đất đó.

How is that possible?

Làm sao lại có thể như vậy

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

Câu trả lời là tần số tự nhiên.

In an oscillating system,

Trong một hệ thống dao động,

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

tần số là bao nhiêu chu kì dao động xảy ra trong 1 giây

This is the inverse of the period,

Đây là nghịch đảo của chu kì này,

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

nghĩa là bao nhiêu giây thì hoàn thành 1 chu kì

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

Và tần số tự nhiên của một tòa nhà được xác định bởi khối lượng và độ cứng của nó

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

là tần số mà sự rung động của nó sẽ có xu hướng gộp lại xung quanh

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

Tăng khối lượng của tòa nhà thì làm giảm đi tỷ lệ rung động tự nhiên

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

trong khi tăng độ cứng thì gia tăng tỳ lệ này

So in the equation representing their relationship,

Vì vậy trong các phương trình đại diện cho mối quan hệ này

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

độ cứng và tần số tự nhiên tỷ lệ thuận với nhau,

while mass and natural frequency are inversely proportional.

trong khi khối lượng và tần số tự nhiên thì tỷ lệ nghịch.

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

Điều đã xảy ra ở Mexico là 1 hiệu ứng gọi là cộng hưởng,

where the frequency of the earthquake's seismic waves

khi mà tần số của làn sóng địa chấn động đất

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

xảy ra cùng với tần số tự nhiên của các tòa nhà tầm trung.

Like a well-timed push on a swingset,

Giống như sự thúc đẩy cùng nhịp cho xích đu

each additional seismic wave amplified the building's vibration

Mỗi sóng địa chấn thì khuếch đại thêm sự rung lắc của tòa nhà

in its current direction,

theo hướng hiện tại của nó

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

gây ra sự lung lay thậm chí còn mạnh hơn

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

cuối cùng đạt đến mức độ lớn hơn nhiều so với sự di chuyển ban đầu.

Today, engineers work with geologists and seismologists

Ngày nay, các kĩ sư làm việc với các nhà địa chất và địa chấn học

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

để dự đoán tần số của sự chuyển động động đất tại các vị trí xây dựng

in order to prevent resonance-induced collapses,

để ngăn chặn sự sụp đổ do cộng hưởng

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

có tính đến các yếu tố như loại đất hay các đứt đoạn

as well as data from previous quakes.

cũng như dự liệu các trận động đất trước kia

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

Dao động với tần số thấp sẽ gây nhiều thiệt hại cho các tòa nhà

and more flexible buildings,

cao hơn và linh động hơn

while high frequencies of motion pose more threat

trong khi dao động với tần số cao

to structures that are shorter and stiffer.

sẽ gây nguy hiểm với các cấu trúc cao và có độ cứng.

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

Các kĩ sư cũng đã nghĩ ra cách để hấp thụ các cú shock

and limit deformation using innovative systems.

và hạn chế sự biến dạng bằng cách sử dụng hệ thống sáng tạo

Base isolation uses flexible layers

Dựa trên việc cô lập sử dụng các lớp linh hoạt

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

để cô lập sự dao động nền móng từ phần còn lại của tòa nhà

while tuned mass damper systems cancel out resonance

trong khi hệ thống điều tiết van khối lượng tự điều chỉnh để xóa bỏ sự cộng hưởng

by oscillating out of phase with the natural frequency

bằng cách dao động lệch pha với tần số tự nhiên

to reduce vibrations.

để giảm rụng lắc

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

Cuối cùng, không phải những tòa nhà vững chắc nhất sẽ vẫn còn đứng vững

but the smartest ones.

mà là những tòa nhà thông minh nhất