În ultimii ani, Pământul a înregistrat o activitate seismică care ne cam dă fiori. În februarie 2010, un cutremur masiv cu o amplitudine iniţială de 8.8 grade richter a lovit centrul Chile. Apoi, în martie 2011, un cutremur cu magnitudinea 9.0 grade a zguduit Japonia, declanșând un tsunami care a ucis circa 29.000 de persoane și a avariat reactoare nucleare. În august 2011, un cutremur cu magnitudinea de 5.8 grade, înregistrat lângă Mineral, Virginia, a speriat locuitorii de pe coasta Atlanticului și a deteriorat Monumentul Washington.
În timp ce aceste evenimente par să sugereze un viitor de rău augur, cu o activitate seismică intensă, cutremurele au existat de când lumea, astfel că oamenii au fost nevoiți să se gândească la cum le-ar putea supraviețui. De-a lungul secolelor, inginerii au ajuns să știe un singur lucru cu certitudine: cutremurele nu ucid oameni, însă clădirile o fac. Desigur, trebuie luate în calcul și alte efecte generate de cutremur, ca tsunami, care poate curma, de asemenea, multe vieți, dar nu toate cutremurele generează tsunami. Întrebarea lansată de specialiștii în construcție este următoarea: pot clădirile să rămână în poziție verticală și intacte în timpul unor cutremure catastrofale, cum ar fi cele care au zguduit Chile, în februarie 2010 și Japonia în martie 2011?
Având în vedere tehnologia de astăzi, mulți ingineri și arhitecți cred că este posibil să se construiască clădiri rezistente la cutremur, concepute pentru a preveni colapsul total și a nu pune în pericol vieți omenești, cu bugete nu foarte mari.
În ultimii ani, știința de a construi structuri rezistente la cutremur a avansat foarte mult, dar nu este un subiect cu totul nou. De fapt, câteva clădiri vechi stau și astăzi în picioare, în ciuda locației lor, fiind plasate în zone seismice active. Una dintre cele mai notabile este Hagia Sophia, o biserică (în prezent muzeu), construită în Istanbul, Turcia, în 537. La aproximativ 20 de ani după ce a fost finalizată, cupola masivă s-a prăbușit în timpul unui cutremur care a zguduit zona. Inginerii de la vremea respectivă au evaluat situația și au decis să reconstruiască cupola, dar la o scară mai mică. De asemenea, au consolidat întreaga biserică din exterior astfel că monumentul există și în zilele noastre.
Astăzi, tehnicile sunt puţin diferite, dar principiile de bază sunt aceleași. Să trecem în revistă unele elementele de bază și anume, ce forțe sunt generate în timpul unui cutremur și modul în care acestea afectează structurile.
Impactul cutremurelor asupra clădirilor
Cutremurele apar atunci când mase de rocă din scoarța Pământului alunecă și se ciocnesc una de alta. Acest tip de mișcare este cel mai frecvent atunci când există un gol într-un corp de rocă care se poate extinde pe sute de kilometri. Când bucăți mari de rocă “alunecă” dintr-o dată și se mișcă, ele eliberează cantități enorme de energie, care apoi se propagă prin crustă ca unde seismice. La suprafața Pământului, aceste valuri fac terenul să se agite și să vibreze, uneori violent.
Geologii clasifică undele seismice în două mari categorii: unde de corp și de suprafață. Undele de corp, care le includ pe cele de tip P și S, sunt cele care se declanșează în interiorul Pământului. Undele P seamănă cu undele de sunet, ceea ce înseamnă că extind și comprimă materia. Cele de tip S seamănă cu valurile de apă, ceea ce înseamnă că duc la deplasare în sus și în jos. Undele P se manifestă în mase solide cât și lichide, în timp ce undele S numai în solide.
După un cutremur, undele P se manifestă primele, urmate de valuri S. Apoi urmează valurile de suprafață, care sunt mai lente, denumite de specialiști Rayleigh. Ambele tipuri de unde deplasează solul în plan orizontal, dar numai undele Rayleigh afectează solul în plan vertical. Undele de suprafață, care călătoresc pe distanțe mari, cauzează de cele mai multe ori scuturarea și o mare parte a prejudiciului asociat cu un cutremur.
Dacă cutremurele ar fi afectat pământul doar în plan vertical, clădirile ar suferi puține daune, deoarece toate structurile sunt proiectate pentru a rezista la forțele verticale – cele asociate cu gravitatea – într-o anumită măsură. Dar valurile de rulare ale unui cutremur, mai ales cele tip Rayleigh exercită forțe orizontale extreme pe structuri permanente. Aceste forțe provoacă accelerații laterale, pe care oamenii de știință le măsoară ca fiind forțe de tip G. O magnitudine de 6.7 a unui cutremur, de exemplu, poate produce o accelerare de 1 G și o viteză maximă de 102 cm pe secundă. O astfel de mișcare bruscă creează tensiuni enorme pentru elementele de construcție structurale, inclusiv grinzi, stâlpi, pereți și pardoseli, precum și pentru conectorii care dețin aceste elemente împreună. Dacă aceste tensiuni sunt suficient de mari, clădirea se poate prăbuși sau poate suferi fisuri.
Un factor important este substratul pe care este construită clădirea. Clădirile construite pe rocă rezistă mai bine la cutremure deoarece terenul este ferm. Structurile care stau deasupra solului moale nu reușesc adesea să rămână întregi după un cutremur. Cel mai mare risc în această situație este un fenomen cunoscut sub numele de lichefiere, care apare atunci când solurile îmbibate cu apă se comportă temporar ca şi cum ar fi lichide, scufundându-se, și clădirile împreună cu ele. În mod evident, inginerii trebuie să aleagă cu atenție amplasamentul unei clădiri, înainte de ridicare.
Modele de construcții rezistente la cutremur
Înainte ca un proiect major de construcții să înceapă, inginerii trebuie să evalueze activitatea seismică din șantier. În SUA, aceștia au acces la o resursă pentru a ajuta în acest proces – hărțile seismice naționale, elaborate de US Geological Survey ( USGS ). Aceste hărți arată probabilitatea ca mișcările la sol să depășească sau nu o anumită valoare în următorii 50 de ani. Pentru a calcula valoarea într-o anumită locație, geologii iau în calcul datele istorice de cutremure și apoi fac diverse calcule și măsurători cu privire la mișcările de sol de la toate viitoarele posibile magnitudini de cutremur, la toate distanțele posibile, de la acea locație. Rezultatul este o hartă care arată ce zone ale țării au cel mai mare risc de cutremur.
În zonele cu grad ridicat de pericol, inginerii și arhitecții trebuie să adere la standarde mai riguroase în proiectarea de clădiri, poduri și autostrăzi, pentru a se asigura că aceste structuri rezistă la cutremur.
Odată ce inginerii determină riscurile seismice ale unui loc, trebuie să propună un design de clădire adecvat. În general, ei evită modelele neregulate sau asimetrice. Acestea includ clădirile în formă de L sau T și structurile la nivel divizat. În schimb, inginerii preferă să păstreze clădiri simetrice, astfel că forțele sunt distribuite în mod egal în toată structura, în cazul unui seism. Se limitează, de asemenea, ornamentele, cum ar fi cornișe, proiecții verticale sau orizontale deoarece cutremurele pot disloca ușor aceste elemente arhitecturale.
Chiar și clădirile simetrice trebuie să fie capabile să reziste la forțe laterale semnificative. Inginerii contracarează aceste forțe în ambele sisteme structurale – orizontale și verticale ale unei clădiri, introducând elemente suplimentare de consolidare, de la fundație la acoperiș.
Sistemul structural vertical al unei clădiri este format din coloane, grinzi, elemente de ancorare și funcții pentru a transfera forțele seismice. Inginerii au mai multe opțiuni la construirea structurii verticale. Ei construiesc ziduri de multe ori folosind structuri care se pot mișca, însă cu articulații și conectori rigizi, care rezistă mai bine mișcărilor laterale. Acest lucru dă proiectantului o mai mare flexibilitate în introducerea de elemente arhitecturale, cum ar fi pereți exteriori, pereți despărțitori și plafoane.