Země se třese milionykrát ročně. Tato zemětřesení často zasáhnou známá místa, jako jsou nedávné, smrtící otřesy v Ekvádoru a Japonsku. Jindy může zemětřesení zasáhnout místo méně známé temblorům, jako je zemětřesení o velikosti 5, 8, které zasáhlo Virginii v roce 2011 a poškodilo Washingtonův památník.
Historické struktury jsou během zemětřesení často zranitelné. Několik lokalit světového dědictví v Nepálu bylo zničeno nebo těžce poškozeno v roce 2015 během zemětřesení o velikosti 7, 8 a následných otřesů tak silných, jako je velikost 7.3. Díky starším stavebním postupům a stárnutí stavebních materiálů je většina historických konstrukcí méně schopná odolat vibracím, ke kterým dochází při zemětřesení nebo při silném větru. Moderní techniky budov lze použít k aktualizaci těchto struktur ke zmírnění některých potenciálních škod, ale i poté jsou zranitelnější než jejich moderní protějšky.
Nyní inženýři z Marshall Space Flight Center NASA v Huntsville, Ala., Říkají, že mohou pomoci historickým strukturám přežít tyto devastující události. Vyvinuli způsob, jak změnit, jak budovy reagují na pohyb způsobený pohyby v zemské kůře. A všechno to začalo raketou.
Tato technologie pochází z práce na raketě Ares, nosné raketě určené pro program Constellation, která měla před zrušením v roce 2010 nahradit raketoplán Space Shuttle za vzetí astronautů do vesmíru. Raketa vibrovala tak špatně, že by zranila kohokoli na palubě, takže inženýři NASA museli najít způsob, jak zajistit bezpečí vozidla. Obvyklý způsob, jak ovládat třes, přidáním větší váhy, však nebyl možný, protože raketa by byla příliš těžká na to, aby se zvedla ze zemské atmosféry.
Tým vymyslel způsob, jak použít raketové palivo k vyřešení problému. Stejné řešení může fungovat i pro vibrační budovy, včetně těch, které byly postaveny před stovkami let, říká Rob Berry, projektový manažer NASA v Marshallu.
Historickým strukturám mohou chybět ty druhy spojení, jako je ocelová výztuž, které přeměňují jednotlivé kusy budovy na odolnější, soudržnější systém. Inženýři však mohou tyto budovy vybavit vnějšími vazbami, které drží budovu pohromadě. „Na [některých] těchto budovách uvidíte na vnějšku desky, na nichž prochází šroub a na konci velká stará matice, “ říká Michael Kreger, ředitel Laboratoře velkoplošných struktur na University of Alabama . "Obvykle tyto věci namalují černě, takže vypadají, jako by tam byli navždy."
Další možností je odstranit vnitřní povrchové úpravy, jako jsou obklady a lišty, a postavit nové, železem vyztužené stěny kolem originálů. Tyto stěny jsou pak zakryty, takže změny nejsou vidět.
Toto úsilí je však nákladné a nepřinášejí celou strukturu podle současných stavebních předpisů, říká Kreger. A některé historické struktury nemají prostor potřebný pro přidání zdí nebo skrytí ocelových nosníků pro zmírnění zemětřesení.
Nové budovy zahrnují mnoho z těchto technologií během výstavby. Nejběžnějším způsobem snižování pohybu budovy je zařízení zvané laděný hromadný tlumič (TMD). Příkladem by byl velmi těžký předmět, hmota, přidaná do budovy na vrcholu pružin nastavených na specifickou frekvenci. Když dojde k zemětřesení nebo fouká vítr, hmota se uvede do pohybu pohybem budovy. Tato přidaná hmotnost se pohybuje v opačném směru a snižuje celkový pohyb budovy. Takové zařízení však není dokonalé. Budova se musí pohybovat, než bude fungovat TMD, a prvních pár sekund zemětřesení může být neuvěřitelně destruktivní.
Berryho tým našel nový způsob, jak využít samotnou budovu nebo malé množství přidané hmoty, aby způsobil dramatičtější pokles pohybu. Většina TMD používá objekt, který se rovná přibližně 1 až 2 procentům hmotnosti budovy, aby se dosáhlo snížení pohybu přibližně o 50 procent. V mrakodrapu může tento předmět vážit až 2 miliony liber. K vyřešení problému s raketou technici NASA použili raketové palivo ke zmírnění vibrací a dosáhli 95% snížení pohybu své rakety 650 000 liber. To bylo možné pomocí jednoduchého balónkovitého zařízení zvaného Fluid Structure Coupler, říká Berry.
"Mysli na balón." Vložte vzduch dovnitř balónu, zvětšuje se; vypusťte vzduch a zmenšuje se, “říká. "Pokud položím balón do bazénu, voda bude reagovat." Když se balón uzavře, voda následuje smrštění balónu. Pokud se rozšíří, tekutina se od ní odtáhne. “
Protože voda reaguje na pohyb balónu, je možné změnit přirozenou frekvenci kapaliny úpravou tlaku uvnitř balónu. U budovy může inženýr použít tento koncept k úpravě toho, jak se bude struktura pohybovat.
Nejprve inženýři určují přirozenou frekvenci budovy, aby se naučili, kdy se začne pohybovat. Pak nastavili spojku (balón) na jinou frekvenci. Umístěním spřáhla do vodní hladiny, například v bazénu nebo přidáním trubek naplněných vodou připojených ke střeše, mění voda přirozené vibrace budovy. Kapalina se chová jako kotva pro houpačku - houpačka se bude stále hýbat, ale bude mnohem těžší tlačit. Budova se také pohybuje méně během zemětřesení nebo silného větru.
NASA úspěšně otestovala tento koncept na své historické struktuře, dynamickém strukturálním testovacím zařízení v roce 2013. Berry a jeho tým však uznali, že ne všechny návrhy budov by měly prostor pro přidání tohoto druhu tekutinového systému. Takže použili to, co se naučili, aby vyvinuli mechanické zařízení, které by zabíralo méně místa, ale poskytovalo stejný druh kotvy.
Tým nyní přišel s novou verzí technologie, zvanou disruptivní naladěná hmota (DTM), která využívá místo kovu kus vody ke zmírnění pohybu budovy. Je mnohem menší než konvenční TMD a výroba je mnohem nižší, ale je stejně účinná.
Začátkem tohoto měsíce, Kreger a jeho kolegové, kteří byli skeptičtí vůči tvrzením NASA, podrobili zařízení první zkoušce simulovaným zemětřesením v Centru pro udržitelnou infrastrukturu University of Alabama. Byl to úspěch.
"Test jasně ukázal, že rušivá naladěná hmota překonala tlumič naladěné hmoty a jasně ukázala, že je to užitečné pro zmírnění zemětřesení, " říká Berry. Tento nový přístup, říká, „je dalším skvělým příkladem toho, kde technologie odvozená pro vesmírný program může průmyslu přinést nové schopnosti.“
Kreger souhlasí a doufá v partnerství s NASA v testování a vývoji budoucích systémů DTM.
Tyto technologie jsou prototypy, ale NASA spolupracuje se soukromými společnostmi na vývoji komerčních produktů, které lze použít ke zmírnění zemětřesení ve veřejných a soukromých budovách, včetně historických struktur.
Tato nová technologie může dokonce pomoci Washingtonskému památníku odolat vibracím zemětřesení a větru, říká Berry. "Vsadím se, že se podívali na různé způsoby, jak zmírnit, " říká. "Ale kdyby tu stejné zemětřesení prošlo s instalovanou rušivou naladěnou hmotou, reakce by byla úplně jiná." Mohli jsme tlumit odpověď. “
Pokračuje: „Rád bych nechal lidi z Washingtonu pamatovat. Tato technologie byla vyvinuta s penězi daňových poplatníků, takže patří jim. “
