Var aldrig rädd för. Om du inte är redo att bo i ett fotbollsformat hus som är resistent mot jordbävningar och flyter på vatten, du kan ha några andra alternativ på dina händer. © Yuriko Nakao/Reuters/Corbis Bronsåldern uppstod av flera framgångsrika civilisationer, inklusive några som lyckades bygga imponerande städer med beställda nät och sofistikerat VVS. Nu, forskare tror att tektonisk aktivitet kan ha bidragit till att några av dessa forntida kulturer dog. Till exempel, forskning som utförts i staden Megiddo (nu en del av dagens Israel) tyder på att en massiv jordbävning kan ha förstört staden, som leder till de smörgåsliknande skikten som finns i utgrävningar. Och en rad jordbävningar kan ha försämrat Harappas civilisation (i vad som nu är Pakistan), som plötsligt försvann 1900 f.Kr.
Vi är lika mottagliga idag för efterverkningarna av kraftfulla jordbävningar. När de utsätts för de plötsliga sidokrafterna som produceras av seismiska vågor, även moderna byggnader och broar kan misslyckas helt och kollapsa, krossar människorna, på och runt dem. Om något, problemet har blivit värre när fler människor bor i stadsmiljöer och som strukturer har vuxit. Lyckligtvis, under de senaste decennierna, arkitekter och ingenjörer har tagit fram ett antal smarta tekniker för att säkerställa att hus, flerbostadsenheter och skyskrapor böjer men går inte sönder. Som ett resultat, byggnadens invånare kan gå ut oskadda och börja plocka upp bitarna.
På de närmaste sidorna Vi har sammanställt 10 av dessa tekniker som hindrar motståndskraft. Vissa har funnits i flera år. Andra, som det första objektet i vår nedräkning, är relativt nya idéer som fortfarande testas.
Innehåll
Det visade sig att det gamla Utah State Capitol ansågs vara sårbart för en måttlig jordbävning, så det fastnade för sitt eget basisoleringssystem, som slutfördes 2007. iStockphoto/Thinkstock Ingenjörer och seismologer har gynnat basisolering i åratal som ett sätt att skydda byggnader under en jordbävning. Som namnet antyder, detta koncept bygger på att separera en byggnads understruktur från dess överbyggnad. Ett sådant system innebär att en byggnad svävar över sin grund på blygummilager, som innehåller en solid blykärna insvept i alternerande lager av gummi och stål. Stålplåtar fäster lagren på byggnaden och dess grund och sedan, när en jordbävning slår till, låta fundamentet röra sig utan att flytta strukturen ovanför det.
Nu har några japanska ingenjörer tagit basisolering till en ny nivå. Deras system svävar faktiskt en byggnad på en luftdyna. Så här fungerar det:Sensorer på byggnaden upptäcker den seismiska aktiviteten hos en jordbävning. Sensornätverket kommunicerar med en luftkompressor, som, inom en halv sekund efter att ha larmats, tvingar luft mellan byggnaden och dess grund. Luftkudden lyfter strukturen upp till 1,18 tum (3 centimeter) från marken, isolera den från krafterna som kan riva sönder den. När jordbävningen avtar, kompressorn stängs av, och byggnaden sätter sig tillbaka till sin grund. Det enda som saknas är temasången från "Greatest American Hero".
Stötdämpare är inte bara för bilar. Om du skulle på Coney Islands fallskärmshopp tillbaka på dagen, du hade varit glad att se stötdämparna vila i botten, redo att mildra din landning. iStockphoto/Thinkstock En annan beprövad teknik för att hjälpa byggnader att stå emot jordbävningar tar sin led från bilindustrin. Du är bekant med stötdämpare - enheten som styr oönskade fjäderrörelser i din bil. Stötdämpare saktar ner och minskar storleken på vibrationsrörelser genom att förvandla den kinetiska energin i din studsande upphängning till värmeenergi som kan släppas ut genom hydraulvätska. Inom fysiken, detta är känt som dämpning , varför vissa människor kallar stötdämpare som dämpare.
Det visar sig att spjäll kan vara användbara vid konstruktion av jordbävningsbeständiga byggnader. Ingenjörer placerar vanligtvis spjäll på varje byggnadsnivå, med ena änden fäst vid en kolumn och den andra änden fäst vid en balk. Varje spjäll består av ett kolvhuvud som rör sig inuti en cylinder fylld med silikonolja. När en jordbävning slår till, byggnadens horisontella rörelse får kolven i varje spjäll att trycka mot oljan, omvandla skalvets mekaniska energi till värme.
Den avstämda massdämparen i Taipei 101 i Taiwan © Victor Fraile/Corbis Dämpning kan ha många former. En annan lösning, speciellt för skyskrapor, innebär att en enorm massa upphävs nära toppen av strukturen. Stålkablar stöder massan, medan viskösa vätskedämpare ligger mellan massan och byggnaden den försöker skydda. När seismisk aktivitet får byggnaden att svaja, pendeln rör sig i motsatt riktning, tappar energin.
Ingenjörer hänvisar till sådana system som trimmade massdämpare eftersom varje pendel är exakt inställd på en strukturs naturliga vibrationsfrekvens. Om markrörelse får en byggnad att svänga vid sin resonansfrekvens, byggnaden kommer att vibrera med en stor mängd energi och kommer sannolikt att uppleva skador. Uppgiften för en avstämd massdämpare är att motverka resonans och minimera strukturens dynamiska svar.
Taipei 101, som avser antalet våningar i 1, 668 fot hög (508 meter hög) skyskrapa, använder en inställd massdämpare för att minimera vibrationseffekterna i samband med jordbävningar och starka vindar. I hjärtat av systemet finns en 730 ton (660 ton), guldfärgad boll upphängd av åtta stålkablar. Det är det största och tyngsta inställda massdämparen i världen.
Vet du hur en elektrisk säkring går om den är överbelastad? Ingenjörer försöker införliva det konceptet i jordbävningsskydd för byggnader. iStock/Thinkstock I elens värld, en säkring ger skydd genom att den inte fungerar om strömmen i en krets överskrider en viss nivå. Detta bryter strömmen av el och förhindrar överhettning och bränder. Efter händelsen, du byter helt enkelt säkringen och återställer systemet till det normala.
Forskare från Stanford University och University of Illinois har experimenterat med ett liknande koncept i strävan att bygga en jordbävningsresistent byggnad. De kallar sin idé för a styrt gungsystem eftersom stålramarna som utgör strukturen är elastiska och får vagga ovanpå fundamentet. Men det skulle i sig inte vara en idealisk lösning.
Förutom stålramarna, forskarna introducerade vertikala kablar som förankrar toppen av varje ram till fundamentet och begränsar gungningsrörelsen. Inte bara det, kablarna har en självcentrerande förmåga, vilket innebär att de kan dra hela strukturen upprätt när skakningen upphör. De slutliga komponenterna är de utbytbara stålsäkringarna placerade mellan två ramar eller vid pelarnas baser. Säkringarnas metalltänder absorberar seismisk energi när byggnaden stenar. Om de "blåser" under en jordbävning, de kan ersättas relativt snabbt och kostnadseffektivt för att återställa byggnaden till sin ursprungliga, bandskärande form.
En fyrvånings byggnad av träramar testas under förhållandena för ett antal historiska jordbävningar med hjälp av världens största utomhusskakbord av forskare vid University of San Diego California den 17 augusti, 2013. © Mike Blake/Reuters/Corbis I många moderna höghus, ingenjörer använder kärnväggskonstruktion för att öka seismisk prestanda till lägre kostnad. I denna design, en armerad betongkärna löper genom strukturens hjärta, runt hissbankerna. För extremt höga byggnader, kärnväggen kan vara ganska stor - minst 30 fot i varje planriktning och 18 till 30 tum tjock.
Medan kärnväggskonstruktion hjälper byggnader att stå emot jordbävningar, det är inte en perfekt teknik. Forskare har funnit att fasta byggnader med kärnväggar fortfarande kan uppleva betydande oelastiska deformationer, stora skjuvkrafter och skadliga golvacceleration. En lösning, som vi redan har diskuterat, innebär basisolering-flytande av byggnaden på blygummilager. Denna design minskar golvacceleration och skjuvkrafter men förhindrar inte deformation vid kärnväggens bas.
En bättre lösning för strukturer i jordbävningszoner kräver en gungande vägg i kombination med basisolering. En gungande kärnvägg stenar på marknivå för att förhindra att betongen i väggen blir permanent deformerad. För att åstadkomma detta, ingenjörer förstärker de nedre två nivåerna av byggnaden med stål och införlivar efterspänning längs hela höjden. I efterspänningssystem, stålsenor gängas genom kärnväggen. Senorna fungerar som gummiband, som kan tätt sträckas av hydrauliska uttag för att öka kärnväggens draghållfasthet.
Vi är vana vid att se koncentriska ringar i porlande vatten. Vissa seismologer tror att koncentriska ringar av plast kan vara praktiska för att skydda byggnader från jordbävningsskador. Men vad händer med närliggande byggnader om ytvågor fortsätter på väg med full kraft? Hemera/Thinkstock Du kanske tänker på vatten eller ljud när du överväger ämnet vågor, men jordbävningar ger också vågor, klassificeras av geologer som kropp och ytvågor . De förra reser snabbt genom jordens inre. De senare reser långsammare genom den övre skorpan och inkluderar en delmängd av vågor - känd som Rayleigh vågar - som flyttar marken vertikalt. Denna upp-och-ned-rörelse orsakar det mesta av skakningar och skador i samband med en jordbävning.
Tänk nu om du kunde avbryta överföringen av några seismiska vågor. Kan det vara möjligt att avleda energin eller omdirigera den i stadsområden? Vissa forskare tror det, och de har kallat sin lösning för "seismisk osynlighetskappa" för sin förmåga att göra en byggnad osynlig för ytvågor. Ingenjörer tror att de kan skapa "kappan" av 100 koncentriska plastringar som är begravda under fundamentet i en byggnad [källa:Barras]. När seismiska vågor närmar sig, de går in i ringarna i ena änden och blir inneslutna i systemet. Spänd inom "kappan, "vågorna kan inte ge sin energi till strukturen ovan. De passerar helt enkelt runt byggnadens grund och kommer fram på andra sidan, där de lämnar ringarna och återupptar sin långväga resa. Ett franskt team testade konceptet 2013.
Ryo Ota, en gruppchef för Olympus Optical Company i Japan, har ett formminneslegeringsrör. Ingenjörer tror att dessa smarta material kan vara praktiska för att förhindra jordbävningsskador på byggnader. © TWPhoto/Corbis Som vi diskuterade tidigare i nedräkningen, materialens plasticitet utgör en stor utmaning för ingenjörer som försöker bygga jordbävningsresistenta strukturer. Formbarhet beskriver deformationen som uppstår i något material när krafter appliceras på det. Om krafterna är tillräckligt starka, materialets form kan ändras permanent, vilket äventyrar dess förmåga att fungera korrekt. Stål kan uppleva plastisk deformation, men det kan betong också. Och ändå används båda dessa material i stor utsträckning i nästan alla kommersiella byggprojekt.
Gå in i formminneslegering , som kan tåla tunga påfrestningar och fortfarande återgå till sin ursprungliga form. Många ingenjörer experimenterar med dessa så kallade smarta material som ersättare för traditionell stål- och betongkonstruktion. En lovande legering är nickeltitan, eller nitinol, som erbjuder 10 till 30 procent mer elasticitet än stål [källa:Raffiee]. I en studie från 2012, forskare vid University of Nevada, Reno, jämförde seismiska prestanda för brokolonner av stål och betong med kolonner av nitinol och betong. Formminneslegeringen överträffade de traditionella materialen på alla nivåer och upplevde mycket mindre skada [källa:Raffiee].
Denna varningsskylt för jordbävningar sattes upp vid ingången till basilikan vid Carmel Mission i Carmel, Kalifornien. Basilikan började få en seismisk eftermontering 2012. © Michael Fiala/Reuters/Corbis Det är vettigt att överväga jordbävningsmotstånd när du bygger en ny struktur, men eftermontering av gamla byggnader för att förbättra deras seismiska prestanda är lika viktigt. Ingenjörer har funnit att tillägg av basisoleringssystem till strukturer är både genomförbart och ekonomiskt attraktivt. En annan lovande lösning, mycket lättare att implementera, kräver en teknik som kallas fiberförstärkt plastfolie , eller FRP . Tillverkarna producerar dessa omslag genom att blanda kolfibrer med bindande polymerer, såsom epoxi, polyester, vinylester eller nylon, för att skapa en lätt, men otroligt stark, komposit material.
Vid eftermontering av applikationer, ingenjörer lindar materialet helt enkelt runt betongstödpelare av broar eller byggnader och pumpar sedan trycksatt epoxi in i gapet mellan pelaren och materialet. Baserat på konstruktionskraven, ingenjörer kan upprepa denna process sex eller åtta gånger, skapa en mumieinlindad balk med betydligt högre hållfasthet och duktilitet. Otroligt, även jordbävningsskadade pelare kan repareras med kolfiberomslag. I en studie, forskare fann att försvagade motorvägsbronspelare som var sammansatta med kompositmaterialet var 24 till 38 procent starkare än opackade kolonner [källa:Saadatmanesh].
Musslor:De är läckra och praktiska för jordbävningsskydd. iStock/Thinkstock Medan ingenjörer nöjer sig med formminneslegeringar och kolfiberomslag, de förutser en framtid där ännu bättre material kan finnas tillgängliga för jordbävningsbeständig konstruktion. Och inspiration till dessa material kan troligen komma från djurriket. Tänk på den lågmussla, en tvåskalig blötdjur som finns fäst vid havsstenar eller efter att det har tagits bort och ångats i vin, på vår tallrik. För att hålla fast vid sina osäkra abborre, musslor utsöndrar klibbiga fibrer som kallas byssal trådar . Några av dessa trådar är styva och styva, medan andra är flexibla och elastiska. När en våg kraschar på en mussla, det stannar kvar eftersom de flexibla trådarna absorberar chocken och släpper ut energin. Forskare har till och med beräknat det exakta förhållandet mellan styva och flexibla fibrer-80:20-som ger musslan dess klibbighet [källa:Qin]. Nu gäller det att utveckla byggmaterial som efterliknar musslan och dess otroliga förmåga att hålla sig kvar.
En annan intressant tråd kommer från spindlarnas södra ände. Vi alla vet det, pund för pund, spindelsilke är starkare än stål (fråga bara Peter Parker), men MIT -forskare tror att det är det dynamiska svaret från naturmaterialet under tung belastning som gör det så unikt. När forskare drog och drog i enskilda trådar av spindelsilke, de fann att trådarna ursprungligen var styva, sedan stretchig, sedan stel igen. Det är detta komplex, olinjärt svar som gör spindelnät så spänstiga och spindeltrådar ett så frestande material att efterlikna i nästa generation av jordbävningsbeständig konstruktion.
I denna illustration, du kan se kartongkatedralen designad av den japanska arkitekten Shigeru Ban. Den tillfälliga strukturen, som också använder timmer, stål och en betongbas, kommer att rymma 700 beskyddare medan en permanent katedral byggs. Christchurch Cathedral via Getty Images Och hur är det med utvecklingsländer, där det inte är ekonomiskt möjligt att införliva anti-jordbävningsteknik i hus och kontorsbyggnader? Är de dömda att drabbas av tusentals offer varje gång jorden skakar? Inte nödvändigtvis. Team av ingenjörer arbetar över hela världen för att designa jordbävningsresistenta strukturer med hjälp av lokalt tillgängliga eller lättillgängliga material. Till exempel, i Peru, forskare har gjort traditionella adobe -strukturer mycket starkare genom att förstärka väggar med plastnät. I Indien, ingenjörer har framgångsrikt använt bambu för att förstärka betong. Och i Indonesien, vissa hus står nu på lättlagade lager tillverkade av gamla däck fyllda med sand eller sten.
Även kartong kan bli en robust, hållbart konstruktionsmaterial. Japanska arkitekten Shigeru Ban har designat flera strukturer som innehåller kartongrör belagda med polyuretan som de främsta ramelementen. Under 2013, Ban presenterade en av sina mönster - övergångskatedralen - i Christchurch, Nya Zeeland. Kyrkan använder 98 gigantiska kartongrör förstärkta med träbjälkar [källa:Slezak]. Eftersom papp- och trästrukturen är extremt lätt och flexibel, den presterar mycket bättre än konkret under seismiska händelser. Och om det kollapsar, det är mycket mindre troligt att krossa människor som samlats inuti. Allt som allt, det gör att du vill behandla kartongrören som ligger i din toalettpappersrulle med lite mer respekt.
När jordbävningen i Virginia 2011 slog till, Jag befann mig cirka 89 kilometer från epicentret. Det producerade ett lokomotivt mullrande och rörde jorden på ett oroligt sätt som är svårt att beskriva. I de små städerna Louisa och Mineral, nära min mors hus, ett par strukturer kollapsade, och många fler upplevde betydande skador. Medan själva skalvet var skrämmande, Vad som var mer störande var vår kollektiva uppfattning att, att vara så långt från Eldens ring och det ständiga hotet om tektonisk aktivitet, vi var på något sätt isolerade från den här typen av händelser. Får mig att undra om byggkoderna i Virginia har uppdaterats för att införliva några av dessa jordbävningsresistenta tekniker.
