Dlaczego powstają trzęsienia ziemi?
Miliony lat temu na naszej Ziemi istniał tylko jeden duży kontynent. W wyniku ruchów wewnątrz Ziemi zaczął się on stopniowo rozdzielać, tworząc odrębne płyty, które dryfowały od siebie na płynnej skale. W ten sposób powstały nasze dzisiejsze kontynenty. Ponieważ nasza planeta jest okrągła, te płyty wcześniej czy później znowu zetknęły się głęboko pod ziemią.
Zderzenie tak ogromnych warstw skalnych uwalnia dużo energii z taką siłą, że jej skutki odczuwa się na powierzchni Ziemi. Ziemia się trzęsie, często tylko kilka sekund lub minut, ale to wystarczy, by spowodować straszliwe szkody. W krajobrazie pojawiają się pęknięcia, a zniszczenia nie omijają całych miast.
Gdy następuje trzęsienie ziemi, siła wstrząsu jest określana na podstawie analizy sejsmograficznej. Istnieje skala, która pozwala sklasyfikować to zdarzenie. Powstaje w ten sposób wartość nazywana magnitudą. Skok od jednej wartości do następnej oznacza dziesięcio- lub nawet trzydziestokrotne zwiększenie siły trzęsienia ziemi. Magnituda od 8 do 9 odpowiada więc dziesięciokrotnie silniejszemu wstrząsowi.
- Magnituda poniżej 4,0: zazwyczaj brak zniszczeń
- Magnituda powyżej 5,0: częściowo duże zniszczenia
- Magnituda powyżej 7,0: znacznie dewastujące zniszczenia na dużych obszarach
Codziennie występuje około 1.000 mniejszych trzęsień ziemi, które są dla ludzi prawie nieodczuwalne. Inaczej wygląda to w przypadku większych zdarzeń. Przygotowaliśmy dla was jeden z najbardziej znanych przykładów trzęsienia ziemi w XXI wieku.
Trzęsienie ziemi na Haiti w 2011 roku
W roku 2011 na Haiti miało miejsce silne trzęsienie ziemi, które pociągnęło za sobą setki tysięcy ofiar śmiertelnych. Haiti należy do najbiedniejszych regionów świata i leży bezpośrednio w strefie granicznej między płytą karaibską a północnoamerykańską. Zazwyczaj płyty te przesuwają się pionowo względem siebie, ale jak często bywa, praktyka nie zawsze nadąża za teorią.
Płyta karaibska przesuwa się o około 20 mm rocznie na wschód, a przy tym jest ściskana przez płytę północnoamerykańską. W terminologii fachowej to przesunięcie nazywa się uskokiem. Ten odcinek pozostawał niebezpiecznie cichy przez 40 lat – wyraźny znak ostrzegawczy. W przeszłości miały tu miejsce historyczne trzęsienia ziemi.
Około minutę i 13 km pod powierzchnią ziemi miało miejsce trzęsienie ziemi z magnitudą 7,0. Zaledwie 25 km od stolicy. Nastąpiło dziewięć kolejnych wstrząsów wtórnych. Duża część zabudowy została zniszczona, całe slumsy osunęły się ze stoków gór. Około 316.000 osób zginęło, 310.000 zostało rannych, a prawie 2 mln z 11 mln mieszkańców zostało bezdomnych. Jak to możliwe, że trzęsienie ziemi w znanej strefie sejsmicznej pochłonęło tak wiele istnień ludzkich?
Nie było planów zapobiegawczych na taki wypadek. Trzęsienie ziemi nastąpiło około godzinę przed zapadnięciem zmroku, a zasilania elektrycznego nie było. Niewystarczająca infrastruktura i brak leków w źle wyposażonych placówkach medycznych oraz niedoskonały system opieki zdrowotnej prowadziły do przemocy i grabieży. Te okoliczności pochłonęły kolejne życia.
Do dziś region nie odszedł od tej katastrofy, mimo pomocy finansowej. Korupcja, bieda i przemoc nadal stanowią śmiercionośną mieszankę trzymającą Haiti w żelaznym uścisku. Jak doszło do tego i czy możemy, jako inżynierowie budowlani, zadbać o to, aby skutki takich trzęsień były mniej dotkliwe?
Formy trzęsień ziemi
Istnieją różne formy trzęsień ziemi. W przypadku aktywności wulkanicznej ruch w głębi ziemi powoduje trzęsienia ziemi. Na przykład, Islandia często boryka się z tego rodzaju trzęsieniami ziemi.
Większość trzęsień na naszej Ziemi jest tektonicznej natury. W tym przypadku płyty ziemskie zderzają się ze sobą, jak miało to miejsce w tragedii na Haiti. Wyzwolenie energii podczas przemieszczania się skorupy ziemskiej pod poziomem morza również wywołuje tsunami.
W podłożu geologicznym istnieje wiele pustek. Gdy jedna z nich zapada się, może dojść do tak zwanego trzęsienia zapadliskowego. W latach 2000 i 2009 takie coś wydarzyło się w Hamburgu, gdzie osunęły się słodkowodne struktury solne, czyli podziemne formacje solne.
Jak uczynić budynki odpornymi na trzęsienia ziemi
Trzęsienia ziemi to zjawiska naturalne, które po prostu nie da się zapobiec. Także prognozowanie trzęsień ziemi działa dziś przy użyciu nowoczesnych technologii jedynie na kilka sekund przed zdarzeniem. Wystarczająco dużo czasu, by najlepiej uciec z budynku na duży, otwarty teren lub schronić się pod framugą drzwi. Pozostaje nam tylko zatroszczyć się o to, by nasze konstrukcje były tak odporne na trzęsienia ziemi jak to możliwe.
Na szczęście w Niemczech istnieją tylko nieliczne obszary, które są faktycznie zagrożone trzęsieniami ziemi. Sprawdźcie sami w naszym narzędziu Geozonen, na ile wasza lokalizacja należy do takich regionów. Jeśli podczas planowania budowy ustalono, że możliwe są trzęsienia ziemi o pewnej sile, w trakcie budowy zwraca się uwagę na tak zwaną duktilność. Oznacza to, że budynki muszą być w stanie wytrzymać deformacje spowodowane wstrząsem o odpowiedniej sile bez awarii struktur.
Narzędzie do geolokalizacjiNa przykład, należy unikać miękkich kondygnacji, które są podtrzymywane tylko przez filary i prawie nie przez ściany. Budynek stojący tylko na filarach zbyt łatwo się chwiej, gdy ziemia zaczyna się poruszać. Awaria konstrukcji byłaby nieunikniona.
Ponadto należy stosować długie filary, aby siły poprzeczne nie były zbyt duże i w razie potrzeby nie prowadziły do złamań ścinających. Skoki sztywności, czyli nagłe przejścia między elementami konstrukcyjnymi o różnych kształtach, znacznie wpływają na stabilność budynku. Ponadto korzystna jest kompaktowa budowa, z wyraźnymi krawędziami i bez artystycznie zakrzywionych form.
W przypadku trzęsienia ziemi budynek porusza się wokół centrum masy przez wibracje, czyli najczęściej środek planu budynku. Idealnie też tutaj znajduje się centrum oporu konstrukcji. Symetria może uratować budynek. I najważniejsze: Lepiej za dużo statyczności niż za mało! Jeżeli którykolwiek element nośny zawiedzie, inne powinny być w stanie zrekompensować jego brak.
Tyle o planowaniu. Co jeszcze może uczynić budynek odpornym na trzęsienia ziemi? Tutaj wprowadzamy pojęcie "izolacja sejsmiczna". Budynek jest odłączany od podłoża. Jak to działa? Gdy ziemia się porusza, podparcia sejsmiczne wibrują i pochłaniają te ruchy. Wstrząs nie przenosi się lub prawie nie przenosi się na budynek ponad odłączeniem. Istnieją nawet amortyzatory dla konstrukcji.
Podsumowanie: Budowa odporna na trzęsienia ziemi
Podsumowując, zagrożenie trzęsieniami ziemi w poszczególnych regionach naszej Ziemi można dzięki rejestracjom sejsmicznym dość dobrze oszacować. W ten sposób możemy przewidywać, czy i w jakim stopniu budynek w określonej lokalizacji musi być odporny na trzęsienia ziemi. Przynajmniej przed naturalnie spowodowanymi zniszczeniami możemy chronić nasze budynki, a tym samym również życie ludzi, którzy się tam znajdują.
Szczególnie w przypadku drapaczy chmur w regionach, gdzie trzęsienia ziemi nie są rzadkością, potrzeba kreatywności. Na przykład jedenaste najwyższe obecnie budynek świata, Taipei Financial Center, krótko Taipeh 101, znajduje się na Tajwanie. W samym sercu strefy zagrożonej trzęsieniami ziemi. Posiada jednak unikalny wówczas silnik tłumiący drgania. To naprawdę fascynujące.
Pozostaje mieć nadzieję, że nasza technika kiedyś będzie w stanie przewidywać trzęsienia ziemi bezpiecznie i na czas tak, aby w razie potrzeby jak najwięcej osób mogło się schronić. Programy statyczne Dlubal pomagają testować i oceniać wpływ trzęsień ziemi na planowane modele budynków. Dzięki temu nasze obliczane w programie budynki stają się bezpieczniejsze.
Dziękujemy za zainteresowanie tym ważnym tematem. Cieszymy się, że dołączycie do nas także w następnym odcinku naszego podcastu – Do usłyszenia lub zobaczenia!