Jorden rister millioner av ganger hvert år. Ofte rammer disse jordskjelv på kjente steder, som de nylige, dødelige skjelvene i Ecuador og Japan. Andre ganger kan et skjelv ramme et sted som er mindre kjent med skjelvene, for eksempel jordskjelvet på 5, 8 som rammet Virginia i 2011 og skadet Washington Monument.
Historiske strukturer er ofte sårbare under et skjelv. Flere verdensarvsteder i Nepal ble ødelagt eller hardt skadet i 2015 under et jordskjelv med en styrke på 7, 8 og like etter 7, 3. Eldre byggeskikk og aldrende byggematerialer gjør at de fleste historiske strukturer er mindre i stand til å motstå vibrasjoner som oppstår under et jordskjelv eller fra kraftig vind. Moderne bygningsteknikker kan brukes til å oppdatere disse strukturene for å dempe noen av de potensielle skadene, men selv da er de mer sårbare enn deres moderne kolleger.
Nå sier ingeniører ved NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville, Ala., At de kan hjelpe historiske strukturer til å overleve disse ødeleggende hendelsene. De har utviklet en måte å endre hvordan bygninger reagerer på bevegelse forårsaket av bevegelser i jordskorpen. Og det hele startet med en rakett.
Teknologien kommer fra arbeid på Ares-raketten, et lanseringsbil som er designet for Constellation-programmet som før den ble kansellert i 2010, ventet å erstatte Space Shuttle for å ha tatt astronauter ut i verdensrommet. Raketten vibrerte så hardt at den hadde skadet noen ombord, så NASA-ingeniører måtte finne en måte å gjøre kjøretøyet trygt. Den vanlige måten å kontrollere risting på, ved å legge til mer vekt, var imidlertid ikke et alternativ fordi raketten hadde vært for tung til å løfte seg ut av jordens atmosfære.
Teamet fant ut en måte å bruke rakettens drivstoff til å løse problemet. Og den samme løsningen kan fungere for vibrerende bygninger, inkludert de som ble bygd for hundrevis av år siden, sier Rob Berry, en prosjektleder i NASA i Marshall.
Historiske strukturer kan mangle de forskjellige forbindelsene, for eksempel stålarmering, som forvandler de enkelte delene av bygningen til et mer holdbart, sammenhengende system. Ingeniører kan imidlertid ettermontere bygningene med eksterne bånd som holder bygningen sammen. "På [noen] av disse bygningene vil du se plater på utsiden med en bolt som kommer gjennom dem og en stor gammel mutter på enden, " sier Michael Kreger, direktør for Large-Scale Structures Laboratory ved University of Alabama . "De vil vanligvis male disse tingene svarte, så de ser ut som om de har vært der for alltid."
Et annet alternativ er å fjerne innvendige overflater, som paneler og trimmer listverk, og bygge nye stålforsterkede vegger rundt originalene. Disse veggene er deretter dekket opp, slik at endringene ikke kan sees.
Denne innsatsen er imidlertid kostbar, og bringer ikke hele strukturen opp til gjeldende byggekoder, sier Kreger. Og noen historiske strukturer har ikke den plassen som er nødvendig for å legge vegger eller skjule stålbjelker for å redusere jordskjelv.
Nybygg inneholder mange av disse teknologiene under bygging. Den vanligste metoden for å redusere bevegelsens bygning har vært en enhet som kalles en tuned mass demper (TMD). Et eksempel på dette ville være en veldig tung gjenstand, massen, lagt til en bygning på toppen av fjærer satt til en bestemt frekvens. Når et skjelv skjer, eller det blåser av vind, settes massen i gang ved bevegelse av bygningen. Denne ekstra vekten beveger seg i motsatt retning og reduserer bygningens totale bevegelse. En slik enhet er imidlertid ikke perfekt. Bygningen må bevege seg før TMD vil fungere, og de første sekundene av et jordskjelv kan være utrolig ødeleggende.
Berrys team fant en ny måte å bruke selve bygningen eller en liten mengde ekstra masse for å få til et mer dramatisk fall i bevegelse. De fleste TMD bruker et objekt som tilsvarer omtrent 1 til 2 prosent av bygningsvekten for å oppnå en bevegelsesreduksjon på omtrent 50 prosent. I en skyskraper kan objektet veie så mye som 2 millioner pund. For å løse rakettproblemet brukte NASA-ingeniørene rakettdrivstoffet for å dempe vibrasjonene og oppnådde en 95 prosent reduksjon i bevegelse for deres 650.000 pund rakett. Det var mulig med en enkel ballonglignende enhet kalt en væskestrukturkobling, sier Berry.
“Tenk på en ballong. Sett luft inni ballongen, den blir større; ta luft ut og det blir mindre, sier han. “Hvis jeg legger [ballongen] ned i et svømmebasseng, vil vannet reagere. Når den ballongen trekker seg sammen, følger vannet ballongens sammentrekning. Hvis den ekspanderer, beveger væsken seg bort fra den. ”
Fordi vannet reagerer på ballongens bevegelse, er det mulig å endre den naturlige frekvensen av væsken ved å justere trykket inne i ballongen. Med en bygning kan en ingeniør bruke det konseptet for å justere hvordan strukturen vil bevege seg.
Først bestemmer ingeniørene den naturlige frekvensen til bygningen for å lære når den skal begynne å bevege seg. Deretter setter de koblingen (ballongen) til en annen frekvens. Ved å plassere koblingen i en vannmasse, for eksempel i et svømmebasseng, eller legge rør fylt med vann festet til taket, endrer vannet bygningens naturlige vibrasjon. Væsken fungerer som et anker for en sving - svingen vil fremdeles bevege seg, men det vil være mye vanskeligere å skyve. Bygningen beveger seg på samme måte mindre under et skjelv eller høy vind.
NASA testet dette konseptet på en historisk struktur, Dynamic Structural Test Facility, i 2013. Men Berry og teamet hans anerkjente at ikke alle bygningskonstruksjoner ville ha plass til å legge til denne typen væskebaserte system. Så de brukte det de lærte for å utvikle en mekanisk enhet som ville ta mindre plass, men gi samme type anker.
Nå har teamet kommet med en ny versjon av teknologien, kalt en disruptive tuned mass (DTM), som bruker en hunk av metall, i stedet for vann, for å dempe en bygnings bevegelse. Det er mye mindre enn en vanlig TMD og koster mye mindre å produsere - men er like effektiv.
Tidligere denne måneden satte Kreger og kollegene, som var skeptiske til påstandene fra NASA, enheten gjennom sin første test i et simulert jordskjelv ved University of Alabama Center for Sustainable Infrastructure. Det ble en suksess.
"Testen viste tydelig at den forstyrrende avstemte massen utkonkurrerte den innstilte massedemperen, og den viste tydelig at den er nyttig for å begrense jordskjelv, " sier Berry. Denne nye tilnærmingen, sier han, "er et annet flott eksempel på hvor teknologi hentet fra romprogrammet kan gi nye muligheter til industrien."
Kreger er enig og håper å samarbeide med NASA om testing og utvikling av fremtidige DTM-systemer.
Disse teknologiene er prototyper, men NASA samarbeider med private selskaper for å utvikle kommersielle produkter som kan brukes til å begrense jordskjelv i offentlige og private bygninger, inkludert historiske strukturer.
Denne nye teknologien kan til og med hjelpe Washington Monument til å motstå vibrasjoner av jordskjelv og vind, sier Berry. "Jeg vil satse på at de har sett på de forskjellige måtene å redusere, " sier han. “Men hvis det samme jordskjelvet gikk gjennom der med en forstyrrende innstilt masse installert, ville responsen vært helt annerledes. Vi kunne ha dempet responsen. ”
Han fortsetter, ”Jeg vil gjerne at Washington Monument-folket ringer. Denne teknologien ble utviklet med skattebetalernes penger, så den hører til dem. ”
