Η γη κουνάει εκατομμύρια φορές κάθε χρόνο. Συχνά, οι σεισμοί αυτοί χτυπάνε σε γνωστά μέρη, όπως οι πρόσφατες, θανατηφόρες καταστροφές στον Ισημερινό και την Ιαπωνία. Σε άλλες περιπτώσεις, ένας σεισμός μπορεί να χτυπήσει σε ένα σημείο λιγότερο εξοικειωμένο με τους τύμβους, όπως ο σεισμός μεγέθους 5.8 που έπληξε τη Βιρτζίνια το 2011 και κατέστρεψε το Μνημείο της Ουάσινγκτον.
Οι ιστορικές δομές είναι συχνά ευάλωτες κατά τη διάρκεια ενός σεισμού. Διάφορες τοποθεσίες παγκόσμιας κληρονομιάς στο Νεπάλ καταστράφηκαν ή υπέστησαν σοβαρές ζημίες το 2015 κατά τη διάρκεια σεισμού μεγέθους-7, 8 και μετασεισμάτων τόσο ισχυρό όσο το μέγεθος 7, 3. Οι παλαιότερες οικοδομικές πρακτικές και η γήρανση των δομικών υλικών καθιστούν τις περισσότερες ιστορικές κατασκευές λιγότερο ικανές να αντέξουν τους κραδασμούς που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια σεισμού ή από ισχυρούς ανέμους. Οι σύγχρονες τεχνικές κτιρίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενημερώσουν αυτές τις δομές για να μετριάσουν μερικές από τις πιθανές ζημίες, αλλά ακόμη και τότε είναι πιο ευάλωτες από ό, τι οι σύγχρονοι ομολόγους τους.
Τώρα οι μηχανικοί του Marshall Space Flight Center της NASA στο Huntsville, Ala., Λένε ότι μπορούν να βοηθήσουν τις ιστορικές δομές να επιβιώσουν σε αυτά τα καταστροφικά γεγονότα. Έχουν αναπτύξει έναν τρόπο να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο τα κτήρια ανταποκρίνονται στην κίνηση που προκαλείται από κινήσεις στο φλοιό της γης. Και όλα ξεκίνησαν με ένα πύραυλο.
Η τεχνολογία προέρχεται από την εργασία στον πυραύλο Ares, ένα όχημα εκτόξευσης σχεδιασμένο για το πρόγραμμα Constellation το οποίο, πριν ακυρωθεί το 2010, αναμένεται να αντικαταστήσει το διαστημικό λεωφορείο για τη μεταφορά αστροναυτών στο διάστημα. Ο πύραυλος δονούταν τόσο άσχημα ότι θα τραυμάτιζε οποιονδήποτε επί του σκάφους, έτσι ώστε οι μηχανικοί της NASA έπρεπε να βρουν έναν τρόπο να κάνουν το όχημα ασφαλή. Ωστόσο, ο συνηθισμένος τρόπος για τον έλεγχο της ανακίνησης, προσθέτοντας περισσότερο βάρος, δεν ήταν μια επιλογή επειδή ο πυραύλος θα ήταν πολύ βαρύς για να ξεσηκωθεί από την ατμόσφαιρα της Γης.
Η ομάδα βρήκε έναν τρόπο να χρησιμοποιήσει το καύσιμο του πυραύλου για να λύσει το πρόβλημα. Και η ίδια λύση μπορεί να λειτουργήσει για δονητικά κτίρια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χτίστηκαν εκατοντάδες χρόνια πριν, λέει ο Rob Berry, διευθυντής έργου της NASA στο Marshall.
Οι ιστορικές δομές μπορεί να μην έχουν τα είδη των συνδέσεων, όπως η ενίσχυση χάλυβα, που μετατρέπουν τα μεμονωμένα κομμάτια ενός κτιρίου σε ένα πιο ανθεκτικό και συνεκτικό σύστημα. Οι μηχανικοί, ωστόσο, μπορούν να εξοπλίσουν τα κτίρια με εξωτερικούς δεσμούς που συγκρατούν το κτίριο. "Σε μερικά από αυτά τα κτίρια θα δείτε πλάκες στο εξωτερικό με ένα μπουλόνι που περνά μέσα από αυτά και ένα μεγάλο παλιό καρύδι στο τέλος", λέει ο Michael Kreger, διευθυντής του Εργαστηρίου Μεγάλης Κλίμακας στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα . "Θα ζωγραφίσουν συνήθως αυτά τα πράγματα μαύρα, έτσι ώστε μοιάζουν σαν να ήταν εκεί για πάντα."
Μια άλλη επιλογή είναι να αφαιρέσετε τα εσωτερικά τελειώματα, όπως τα πλαίσια και τα διακοσμητικά καλούπια, και να χτίσετε νέους, ενισχυμένους με χάλυβα τοίχους γύρω από τα πρωτότυπα. Αυτά τα τείχη είναι στη συνέχεια καλυμμένα, έτσι δεν μπορούν να δουν τις τροποποιήσεις.
Ωστόσο, αυτές οι προσπάθειες είναι δαπανηρές και δεν φέρνουν ολόκληρη τη δομή σύμφωνα με τους ισχύοντες οικοδομικούς κώδικες, λέει ο Kreger. Και κάποιες ιστορικές κατασκευές δεν έχουν το απαραίτητο χώρο για να προσθέσουν τοίχους ή να κρύψουν δοκούς από χάλυβα για την άμβλυνση του σεισμού.
Τα νέα κτίρια ενσωματώνουν πολλές από αυτές τις τεχνολογίες κατά την κατασκευή. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος για τη μείωση της κίνησης ενός κτιρίου ήταν μια συσκευή που ονομάζεται ρυθμισμένος μανταλάκος μάζας (TMD). Ένα παράδειγμα αυτού θα ήταν ένα πολύ βαρύ αντικείμενο, η μάζα, που προστέθηκε σε ένα κτίριο πάνω από πηγές που είχαν οριστεί σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Όταν συμβαίνει σεισμός ή φυσάει άνεμος, η μάζα τίθεται σε κίνηση με κίνηση του κτιρίου. Αυτό το πρόσθετο βάρος κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση και μειώνει τη συνολική κίνηση του κτιρίου. Μια τέτοια συσκευή δεν είναι τέλεια. Το κτίριο πρέπει να κινηθεί πριν το TMD λειτουργήσει και αυτά τα πρώτα δευτερόλεπτα ενός σεισμού μπορούν να είναι απίστευτα καταστροφικά.
Η ομάδα του Berry βρήκε έναν νέο τρόπο να χρησιμοποιήσει το ίδιο το κτίριο ή μικρή ποσότητα προστιθέμενης μάζας για να επιφέρει μια πιο δραματική πτώση σε κίνηση. Οι περισσότεροι TMD χρησιμοποιούν ένα αντικείμενο ίσο με περίπου 1 έως 2 τοις εκατό του βάρους κτίριο για να επιτευχθεί μια μείωση της κίνησης του περίπου 50 τοις εκατό. Σε έναν ουρανοξύστη, το αντικείμενο αυτό μπορεί να ζυγίζει μέχρι και 2 εκατομμύρια λίρες. Για την επίλυση του προβλήματος των πυραύλων, οι μηχανικοί της NASA χρησιμοποίησαν το καύσιμο πυραύλων για να μετριάσουν τις δονήσεις και πέτυχαν 95% μείωση της κίνησης για τους πυραύλους των 650.000 λιβρών. Αυτό ήταν εφικτό με μια απλή συσκευή που μοιάζει με μπαλόνια που ονομάζεται ζεύγος δομής υγρών, λέει ο Berry.
"Σκεφτείτε ένα μπαλόνι. Βάλτε αέρα μέσα στο μπαλόνι, μεγαλώνει. βγάζει αέρα και γίνεται μικρότερο ", λέει. "Αν βάλω [το μπαλόνι] κάτω σε μια πισίνα, το νερό πρόκειται να αντιδράσει. Όταν συμβεί αυτό το μπαλόνι, το νερό ακολουθεί τη συστολή του μπαλονιού. Εάν επεκτείνεται, το υγρό απομακρύνεται από αυτό. "
Επειδή το νερό αποκρίνεται στην κίνηση του μπαλονιού, είναι δυνατό να αλλάξει η φυσική συχνότητα του υγρού ρυθμίζοντας την πίεση μέσα στο μπαλόνι. Με ένα κτίριο, ένας μηχανικός μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτήν την έννοια για να ρυθμίσει τον τρόπο με τον οποίο η δομή θα κινηθεί.
Πρώτα οι μηχανικοί καθορίζουν τη φυσική συχνότητα του κτιρίου για να μάθουν πότε θα αρχίσει να κινείται. Κατόπιν έβαλαν το ζεύκτη (μπαλόνι) σε διαφορετική συχνότητα. Τοποθετώντας τον συζεύκτη σε ένα σώμα νερού, όπως σε μια πισίνα ή προσθέτοντας σωλήνες γεμάτες με νερό που συνδέεται με την οροφή, το νερό μεταβάλλει τη φυσική δόνηση του κτιρίου. Το υγρό ενεργεί σαν μια άγκυρα για μια κούνια - η ταλάντευση θα συνεχίσει να κινείται, αλλά θα είναι πολύ πιο δύσκολο να προωθηθεί. Το κτίριο, επίσης, κινείται λιγότερο κατά τη διάρκεια σεισμού ή υψηλού ανέμου.
Η NASA δοκιμάστηκε επιτυχώς αυτή την ιδέα σε μια δική της ιστορική δομή, το Dynamic Structure Test Facility το 2013. Αλλά ο Berry και η ομάδα του αναγνώρισαν ότι δεν είναι όλα τα σχέδια κτιρίων να έχουν το χώρο για να προσθέσουν αυτό το είδος υγρού συστήματος. Έτσι, εφάρμοσαν ό, τι έμαθαν για να αναπτύξουν μια μηχανική συσκευή που θα κάλυπτε λιγότερο χώρο αλλά θα προσέφερε το ίδιο είδος άγκυρας.
Τώρα, η ομάδα έχει καταλήξει σε μια νέα έκδοση της τεχνολογίας, που ονομάζεται διαταραγμένη συντονισμένη μάζα (DTM), η οποία χρησιμοποιεί ένα κουβά μετάλλου, αντί για νερό, για να μετριάσει το κίνημα ενός κτιρίου. Είναι πολύ μικρότερο από ένα συμβατικό TMD και κοστίζει πολύ λιγότερο για παραγωγή - αλλά είναι εξίσου αποτελεσματικό.
Νωρίτερα αυτό το μήνα, ο Kreger και οι συνάδελφοί του, οι οποίοι ήταν σκεπτικοί σχετικά με τους ισχυρισμούς της NASA, έβαλαν τη συσκευή μέσω της πρώτης δοκιμής της σε ένα σεισμό προσομοίωσης στο Κέντρο Αειφόρου Υποδομής του Πανεπιστημίου Αλαμπάμα. Ήταν μια επιτυχία.
"Η δοκιμή έδειξε σαφώς την αποδιοργανωμένη συντονισμένη μάζα που ξεπέρασε τον συντονισμένο ρυθμιστή μάζας και έδειξε σαφώς ότι είναι χρήσιμη για τον μετριασμό του σεισμού", λέει ο Berry. Αυτή η νέα προσέγγιση, λέει, "αποτελεί ένα ακόμη σπουδαίο παράδειγμα όπου η τεχνολογία που παράγεται για το διαστημικό πρόγραμμα μπορεί να προσφέρει νέες δυνατότητες στη βιομηχανία".
Ο Kreger συμφωνεί και ελπίζει να συνεργαστεί με τη NASA για τη δοκιμή και την ανάπτυξη μελλοντικών συστημάτων DTM.
Αυτές οι τεχνολογίες είναι πρωτότυπα, αλλά η NASA συνεργάζεται με ιδιωτικές εταιρείες για την ανάπτυξη εμπορικών προϊόντων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον μετριασμό των σεισμών σε δημόσια και ιδιωτικά κτίρια, συμπεριλαμβανομένων των ιστορικών δομών.
Αυτή η νέα τεχνολογία μπορεί να βοηθήσει το μνημείο της Ουάσιγκτον να αντισταθεί στις δονήσεις των σεισμών και του ανέμου, λέει ο Berry. "Σίγουρα έχουν εξετάσει τους διάφορους τρόπους να μετριάσουν", λέει. "Αλλά εάν ο ίδιος σεισμός περνούσε εκεί με εγκατεστημένη μαζική μαζική μάζα, η απάντηση θα ήταν τελείως διαφορετική. Θα μπορούσαμε να αποκλείσουμε την απάντηση. "
Συνεχίζει, "Θα ήθελα πολύ να τηλεφωνήσω στο μνημείο της Ουάσινγκτον. Αυτή η τεχνολογία αναπτύχθηκε με χρήματα των φορολογουμένων, οπότε ανήκει σε αυτούς. "
