Ziemia trzęsie się miliony razy każdego roku. Często trzęsienia ziemi uderzają w znane miejsca, takie jak niedawne, śmiertelne trzęsienia ziemi w Ekwadorze i Japonii. Innym razem trzęsienie ziemi może trafić w miejsce mniej znane templorom, takie jak trzęsienie ziemi o sile 5, 8, które nawiedziło Wirginię w 2011 roku i uszkodziło Pomnik Waszyngtona.
Historyczne budowle są często narażone na trzęsienie ziemi. Kilka miejsc światowego dziedzictwa w Nepalu zostało zniszczonych lub poważnie uszkodzonych w 2015 r. Podczas trzęsienia ziemi o sile 7, 8 i wstrząsów wtórnych o sile 7, 3. Starsze praktyki budowlane i starzenie się materiałów budowlanych sprawiają, że większość historycznych konstrukcji jest mniej odporna na wibracje występujące podczas trzęsienia ziemi lub silnych wiatrów. Nowoczesne techniki budowania mogą być użyte do aktualizacji tych struktur, aby złagodzić niektóre potencjalne szkody, ale nawet wtedy są one bardziej wrażliwe niż ich współczesne odpowiedniki.
Teraz inżynierowie z NASA Marshall Space Flight Center w Huntsville w Alabamie twierdzą, że mogą pomóc historycznym budowlom przetrwać te katastrofalne wydarzenia. Opracowali sposób zmiany reakcji budynków na ruch wywołany ruchami skorupy ziemskiej. Wszystko zaczęło się od rakiety.
Technologia ta powstała w wyniku pracy nad rakietą Ares, pojazdem wystrzelonym z programu Constellation, który - zanim został odwołany w 2010 roku - miał zastąpić prom kosmiczny za zabranie astronautów w kosmos. Rakieta wibrowała tak mocno, że zraniłaby każdego na pokładzie, więc inżynierowie NASA musieli znaleźć sposób, aby zabezpieczyć pojazd. Jednak zwykły sposób kontrolowania wstrząsów poprzez zwiększenie ciężaru nie był opcją, ponieważ rakieta byłaby zbyt ciężka, aby unieść się z atmosfery ziemskiej.
Zespół wymyślił sposób wykorzystania paliwa rakiety do rozwiązania problemu. To samo rozwiązanie może działać w przypadku budynków wibrujących, w tym także tych zbudowanych setki lat temu, mówi Rob Berry, kierownik projektu NASA w Marshall.
W strukturach historycznych może brakować połączeń, takich jak zbrojenie stalowe, które przekształcają poszczególne elementy budynku w bardziej trwały, spójny system. Inżynierowie mogą jednak doposażyć te budynki w zewnętrzne więzi, które utrzymują budynek razem. „Na [niektórych] tych budynkach zobaczysz płyty na zewnątrz z przebijającą się śrubą i wielką starą nakrętką na końcu”, mówi Michael Kreger, dyrektor Large-Scale Structures Laboratory na University of Alabama . „Zwykle pomalują te rzeczy na czarno, aby wyglądały jakby były tam od zawsze”.
Inną opcją jest usunięcie wykończeń wewnętrznych, takich jak panele i listwy wykończeniowe, oraz zbudowanie nowych, wzmocnionych stalą ścian wokół oryginałów. Ściany te są następnie zakryte, więc modyfikacji nie widać.
Te wysiłki są jednak kosztowne i nie dostosowują całej konstrukcji do aktualnych przepisów budowlanych, mówi Kreger. Niektóre zabytkowe budowle nie mają wystarczającej przestrzeni na dodanie ścian lub ukrycie stalowych belek w celu złagodzenia trzęsienia ziemi.
Nowe budynki wykorzystują wiele z tych technologii podczas budowy. Najczęstszą metodą zmniejszania ruchu budynku było urządzenie zwane zestrojonym tłumikiem masy (TMD). Przykładem może być bardzo ciężki obiekt, masa, dodana do budynku na szczycie sprężyn ustawionych na określoną częstotliwość. Kiedy dochodzi do trzęsienia ziemi lub wiejącego wiatru, masa wprawiana jest w ruch przez ruch budynku. Ten dodatkowy ciężar porusza się w przeciwnym kierunku i zmniejsza całkowity ruch budynku. Takie urządzenie nie jest jednak idealne. Budynek musi się ruszyć, zanim TMD zadziała, a te pierwsze sekundy trzęsienia ziemi mogą być niezwykle niszczycielskie.
Zespół Berry'ego znalazł nowy sposób wykorzystania samego budynku lub niewielkiej ilości dodatkowej masy, aby spowodować bardziej dramatyczny spadek ruchu. Większość TMD używa przedmiotu równego około 1 do 2 procentom masy budynku, aby osiągnąć zmniejszenie ruchu o około 50 procent. W wieżowcu obiekt ten może ważyć nawet 2 miliony funtów. Aby rozwiązać problem z rakietą, inżynierowie NASA wykorzystali paliwo rakietowe do złagodzenia wibracji i osiągnęli 95-procentowy spadek ruchu swojej rakiety o masie 650 000 funtów. Jest to możliwe dzięki prostemu balonowemu urządzeniu zwanemu Łącznikiem Struktury Płynnej, mówi Berry.
„Pomyśl o balonie. Włóż powietrze do balonu, staje się ono większe; wyjmij powietrze, a będzie mniejsze ”, mówi. „Jeśli postawię [balon] na basenie, woda zareaguje. Kiedy balon się kurczy, woda podąża za kurczeniem się balonu. Jeśli się rozszerzy, płyn odsunie się od niego. ”
Ponieważ woda reaguje na ruch balonu, możliwa jest zmiana naturalnej częstotliwości cieczy poprzez regulację ciśnienia wewnątrz balonu. W przypadku budynku inżynier może wykorzystać tę koncepcję do dostosowania sposobu poruszania się konstrukcji.
Najpierw inżynierowie określają naturalną częstotliwość budynku, aby dowiedzieć się, kiedy zacznie się on poruszać. Następnie ustawiają sprzęgacz (balon) na inną częstotliwość. Poprzez umieszczenie łącznika w zbiorniku wodnym, takim jak basen lub dodanie rur wypełnionych wodą przymocowanych do dachu, woda zmienia naturalne wibracje budynku. Ciecz działa jak kotwica dla huśtawki - huśtawka będzie się nadal poruszać, ale będzie znacznie trudniejsza do popchnięcia. Podobnie budynek porusza się mniej podczas trzęsienia ziemi lub silnych wiatrów.
NASA z powodzeniem przetestowała tę koncepcję na swojej własnej historycznej strukturze, Dynamic Structural Test Facility w 2013 r. Jednak Berry i jego zespół uznali, że nie we wszystkich projektach budynków można by dodać tego rodzaju system oparty na płynach. Zastosowali więc to, czego się nauczyli, aby opracować urządzenie mechaniczne, które zajmowałoby mniej miejsca, ale zapewniało ten sam rodzaj kotwicy.
Teraz zespół opracował nową wersję technologii, zwaną zakłócającą masę tuningową (DTM), która wykorzystuje kawał metalu zamiast wody, aby ograniczyć ruch budynku. Jest znacznie mniejszy niż konwencjonalna TMD i kosztuje znacznie mniej, ale jest równie skuteczny.
Na początku tego miesiąca Kreger i jego koledzy, którzy byli sceptyczni wobec twierdzeń NASA, poddali urządzenie swojemu pierwszemu testowi w symulowanym trzęsieniu ziemi w University of Alabama Center for Sustainable Infrastructure. To był sukces.
„Test wyraźnie wykazał, że destrukcyjna zestrojona masa osiągnęła lepsze wyniki niż zestrojony tłumik masy i wyraźnie pokazała, że jest on przydatny w łagodzeniu trzęsień ziemi”, mówi Berry. To nowe podejście, mówi, „jest kolejnym doskonałym przykładem tego, gdzie technologia opracowana dla programu kosmicznego może zapewnić nowe możliwości przemysłowi”.
Kreger zgadza się i ma nadzieję współpracować z NASA w zakresie testowania i rozwoju przyszłych systemów DTM.
Technologie te są prototypami, ale NASA współpracuje z prywatnymi firmami w celu opracowania komercyjnych produktów, które można wykorzystać do łagodzenia trzęsień ziemi w budynkach publicznych i prywatnych, w tym w obiektach historycznych.
Berry mówi, że ta nowa technologia może nawet pomóc Washington Monument wytrzymać wibracje trzęsień ziemi i wiatru. „Założę się, że sprawdzili różne sposoby złagodzenia”, mówi. „Ale gdyby to samo trzęsienie ziemi miało miejsce z zainstalowaną zakłócającą masą, reakcja byłaby zupełnie inna. Mogliśmy stłumić odpowiedź. ”
Kontynuuje: „Chciałbym, żeby ludzie z Washington Monument dzwonili. Ta technologia została opracowana przy użyciu pieniędzy podatników, więc należy do nich. ”
