Jorden ryster millioner af gange hvert år. Ofte rammer disse jordskælv på kendte steder, såsom de nylige, dødbringende jordskælv i Ecuador og Japan. På andre tidspunkter kan et jordskælv ramme et sted, der er mindre bekendt med fortærvningerne, såsom jordskælvet på 5, 8, der ramte Virginia i 2011 og beskadigede Washington Monument.
Historiske strukturer er ofte sårbare under et jordskælv. Flere verdensarvsteder i Nepal blev ødelagt eller skadet i 2015 i løbet af et jordskælv med en styrke på 7, 8 og efterskud så stærk som 7, 3. Ældre bygningspraksis og aldrende byggematerialer gør de fleste historiske strukturer mindre i stand til at modstå de vibrationer, der opstår under et jordskælv eller fra høj vind. Moderne bygningsteknikker kan bruges til at opdatere disse strukturer for at afbøde nogle af de potentielle skader, men selv da er de mere sårbare end deres moderne kolleger.
Nu siger ingeniører ved NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville, Ala., At de kan hjælpe historiske strukturer med at overleve disse ødelæggende begivenheder. De har udviklet en måde at ændre, hvordan bygninger reagerer på bevægelse forårsaget af bevægelser i jordskorpen. Og det hele startede med en raket.
Teknologien stammer fra arbejde på Ares-raketten, et lanceringskøretøj designet til Constellation-programmet, som før det blev annulleret i 2010, forventedes at erstatte Space Shuttle for at tage astronauter ud i rummet. Raketen vibrerede så hårdt, at den ville have skadet nogen ombord, så NASA-ingeniører måtte finde en måde at gøre køretøjet sikkert på. Den sædvanlige måde at kontrollere ryster ved at tilføje mere vægt var imidlertid ikke en mulighed, fordi raketten ville have været for tung til at løfte sig ud af Jordens atmosfære.
Holdet regnede ud med en måde at bruge raketens brændstof til at løse problemet. Og den samme løsning kan fungere for vibrerende bygninger, inklusive dem, der blev bygget for hundreder af år siden, siger Rob Berry, en NASA-projektleder hos Marshall.
Historiske strukturer kan mangle de slags forbindelser, såsom stålarmering, der omdanner de enkelte bygningsdele til et mere holdbart, sammenhængende system. Ingeniører kan dog eftermontere disse bygninger med eksterne bånd, der holder bygningen sammen. ”På [nogle] af disse bygninger kan du se plader på ydersiden med en bolt, der kommer gennem dem og en stor gammel møtrik i slutningen, ” siger Michael Kreger, direktør for det store struktur i laboratorier ved University of Alabama . ”De maler normalt disse ting sort, så de ser ud som om de har været der for evigt.”
En anden mulighed er at fjerne indvendige overflader, såsom paneler og lister, og bygge nye stålforstærkede vægge omkring originalerne. Disse vægge er derefter dækket op, så ændringerne ikke kan ses.
Disse bestræbelser er dog kostbare og bringer ikke hele strukturen op til de nuværende bygningskoder, siger Kreger. Og nogle historiske strukturer har ikke den plads, der er nødvendig til at tilføje vægge eller skjule stålbjælker til afhjælpning af jordskælv.
Nye bygninger indarbejder mange af disse teknologier under opførelsen. Den mest almindelige metode til at reducere en bygnings bevægelse har været en anordning kaldet en tuned mass demper (TMD). Et eksempel på dette ville være en meget tung genstand, massen, tilføjet til en bygning på toppen af fjedre indstillet til en bestemt frekvens. Når der sker et jordskælv, eller vinden blæser forbi, sættes massen i bevægelse ved bygningens bevægelse. Denne ekstra vægt bevæger sig i den modsatte retning og reducerer bygningens samlede bevægelse. En sådan enhed er imidlertid ikke perfekt. Bygningen skal bevæge sig, før TMD fungerer, og de første få sekunder af et jordskælv kan være utroligt ødelæggende.
Berrys team fandt en ny måde at bruge selve bygningen eller en lille mængde tilføjet masse til at skabe et mere dramatisk fald i bevægelse. De fleste TMD bruger et objekt, der svarer til ca. 1 til 2 procent af bygningsvægten for at opnå en reduktion i bevægelse på ca. 50 procent. I en skyskraber kan objektet veje så meget som 2 millioner pund. For at løse raketproblemet brugte NASA-ingeniørerne raketbrændstof til at dæmpe vibrationerne og opnåede en 95 procent reduktion i bevægelse for deres 650.000 pund raket. Det var muligt med en simpel ballonlignende enhed kaldet en væskestrukturkobling, siger Berry.
”Tænk på en ballon. Sæt luft inde i ballonen, den bliver større; tag luft ud, og det bliver mindre, ”siger han. ”Hvis jeg lægger [ballonen] ned i en swimmingpool, reagerer vandet. Når denne ballon trækker sig sammen, følger vandet sammentrækningen af ballonen. Hvis det ekspanderer, bevæger væsken sig væk fra det. ”
Da vandet reagerer på ballonens bevægelse, er det muligt at ændre væskens naturlige frekvens ved at justere trykket inde i ballonen. Med en bygning kan en ingeniør bruge dette koncept til at justere, hvordan strukturen vil bevæge sig.
Først bestemmer ingeniørerne bygningens naturlige frekvens for at lære, hvornår den vil begynde at bevæge sig. Derefter indstiller de koblingen (ballonen) til en anden frekvens. Ved at placere koblingen i en vandmasse, såsom i en swimmingpool, eller tilføje rør fyldt med vand fastgjort til taget, ændrer vandet bygningens naturlige vibration. Væsken fungerer som et anker for en gynge - gyngen vil stadig bevæge sig, men det vil være meget sværere at skubbe. Bygningen bevæger sig ligeledes mindre under et jordskælv eller høj vind.
NASA testede dette koncept med succes på en historisk struktur i sig selv, den dynamiske strukturelle testfacilitet i 2013. Men Berry og hans team erkendte, at ikke alle bygningskonstruktioner ville have plads til at tilføje denne form for væskebaseret system. Så de anvendte det, de lærte, for at udvikle en mekanisk enhed, der ville tage mindre plads, men give den samme type anker.
Nu er teamet kommet med en ny version af teknologien, kaldet en forstyrrende tunet masse (DTM), der bruger en hunk af metal i stedet for vand for at afbøde bygningens bevægelse. Det er meget mindre end en traditionel TMD og koster meget mindre at producere - men er lige så effektiv.
Tidligere denne måned satte Kreger og hans kolleger, der var skeptiske over for NASAs påstande, enheden gennem sin første test i et simuleret jordskælv ved University of Alabama Center for Sustainable Infrastructure. Det var en succes.
”Testen viste tydeligt, at den forstyrrende afstemte masse var bedre end den afstemte massedæmper, og den viste tydeligt, at den er nyttig til jordskælvsbegrænsning, ” siger Berry. Denne nye tilgang, siger han, "er et andet godt eksempel på, hvor teknologi, der er afledt til rumprogrammet, kan give industrien nye muligheder."
Kreger er enig og håber at samarbejde med NASA om test og udvikling af fremtidige DTM-systemer.
Disse teknologier er prototyper, men NASA arbejder sammen med private virksomheder for at udvikle kommercielle produkter, der kan bruges til afbrydelse af jordskælv i offentlige og private bygninger, inklusive historiske strukturer.
Denne nye teknologi kan endda hjælpe Washington Monument med at modstå vibrationer af jordskælv og vind, siger Berry. ”Jeg vil vædde på, at de har set på de forskellige måder at afbøde, ” siger han. ”Men hvis det samme jordskælv gennemgik der med en forstyrrende afstemt masse installeret, ville responsen have været helt anderledes. Vi kunne have dæmpet svaret. ”
Han fortsætter, ”Jeg ville meget gerne have, at folk fra Washington Monument kalder. Denne teknologi blev udviklet med skatteydernes penge, så den hører til dem. ”
