地震による建物の崩壊の科学を理解する

要約

本記事では、地震による建物の崩壊の原因とその予防方法について探求します。建物が直接地盤の揺れによって崩壊するという誤解を解消し、建物の基礎と下層部分の変位が建物を前後に振動させることが原因であることを説明します。また、建物の質量、剛性、材料の種類、柱の形状など、建物の地震応答を決定する要因についても議論します。さらに、自然振動数の概念と、地震の地震波の周波数が建物の自然振動数に一致したときに共振による崩壊が起こることを説明します。最後に、基礎分離や調整質量減衰器システムなど、衝撃を吸収し変形を制限するためにエンジニアが開発した革新的なシステムについても説明します。

直接的地盤揺れの誤解

一般的な認識とは異なり、建物が地震中に直接地盤の揺れによって崩壊することはありません。ほとんどの建物は断層線上に位置しておらず、移動する地殻プレートは建物の基礎よりも深くにあります。代わりに、地盤が建物の下部を動かすと、建物の基礎と下層部分が変位し、構造物が前後に振動することになります。

地震に対する建物の応答を決定する要因

建築家やエンジニアは、建物の地震応答を予測するためにモデルを使用します。モデルは、柱や梁を表す二次元の配列や、建物の質量を表す円形のロリポップを一本の線で表すなど、単純なものから複雑なものまであります。振動の強度は、底部に集中する建物の質量と、ある量の変位を引き起こすために必要な力である剛性によって決まります。また、建物の材料の種類や柱の形状に加えて、剛性は主に高さの問題です。低い建物はより剛性があり、移動量が少なく、高い建物はより柔軟性があります。

自然振動数と共振による崩壊

建物の自然振動数は、その質量と剛性によって決まります。自然振動数とは、振動が集中する周波数のことです。建物の質量を増やすと、自然振動の速度が遅くなり、剛性を増やすと、自然振動の速度が速くなります。共振による崩壊は、地震の地震波の周波数が建物の自然振動数に一致したときに起こります。この効果により、追加の地震波ごとに、建物の現在の方向に対する振動が増幅され、建物がより前後に振動し、最終的に初期の変位よりも大きくなります。

衝撃を吸収し変形を制限する革新的なシステム

エンジニアは、地震の周波数を予測するために地質学者や地震学者と協力し、共振による崩壊を防止するために、土壌の種類、断層の種類、過去の地震のデータなどを考慮に入れます。エンジニアはまた、基礎分離や調整質量減衰器システムなどの革新的なシステムを使用して、衝撃を吸収し変形を制限する方法を考案しています。基礎分離は、柔軟な層を使用して、基礎の変位を建物の他の部分から分離します。調整質量減衰器システムは、自然振動数と逆位相で振動して、共振を打ち消して振動を減らすことで、共振による振動を減らします。

結論

地震による建物の崩壊の科学を理解することは、将来の災害を防止するために重要です。最も頑丈な建物が残るわけではなく、衝撃を吸収し変形を制限するために革新的なシステムを利用する最も賢い建物が残ることになります。地質学者や地震学者と協力して建物の地震動を予測し、革新的なシステムを使用することで、エンジニアは共振による崩壊を防止し、数多くの命を救うことができます。