Warum ist das Erdbeben in den oberen Stockwerken eines Gebäudes im Vergleich zu den unteren Stockwerken am stärksten zu spüren? Hat das etwas mit einem Hebel der dritten Klasse zu tun?
Warum ist das Erdbeben in den oberen Stockwerken eines Gebäudes im Vergleich zu den unteren Stockwerken am stärksten zu spüren? Hat das etwas mit einem Hebel der dritten Klasse zu tun?
Antworten:
Erstens ist Ihre Aussage nicht allgemein gültig. Die Bewegung des Bodens eines Gebäudes kann in den oberen Etagen größer oder kleiner sein. Dies hängt von der Art der Bewegung ab, davon, wie frei sich das Gebäude in anderen Achsen bewegen kann, in denen Sie sich relativ zum Massenschwerpunkt des Gebäudes befinden, und davon, ob die Bewegung auf Resonanzfrequenzen des Gebäudes trifft.
Wenn die Bewegung eine Resonanzfrequenz anregt, ist die Bewegung wahrscheinlich größer, wenn Sie höher gehen. Stellen Sie sich eines dieser Katzenspielzeuge vor, an dessen einem Ende ein Saugnapf, an dem ein flexibler Stab herauskommt, und am anderen Ende ein Ball aus weichem Material. Wenn Sie das Saugnapfende ein wenig seitwärts bewegen, können Sie eine viel größere Bewegung des Balls erzielen, wenn Ihre Bewegung die richtige Frequenz hat.
Stellen Sie sich eine große, dünne Schachtel vor, die auf einem Stück Papier auf einem Tisch sitzt, um eine reduzierte Bewegung über dem Boden zu zeigen. Wenn Sie das Papier schnell hin und her bewegen, um den Boden der Schachtel zu bewegen, während Sie es nach Belieben schwenken lassen, bewegt sich die Mitte der Schachtel am wenigsten. Dies liegt daran, dass die Box wie ein Hebel um ihren Schwerpunkt wirkt. Auf dem "Boden", der dem Massenschwerpunkt entspricht, ist die Bewegung kleiner als unten. Die Bewegung wird dann von dort aus wieder größer.
Die harmonische Kopplung mit den natürlichen Schwingungsfrequenzen des Gebäudes, die Energiedissipation in einem massiven Gebäude und die Vielzahl der Schwingungsmodi, die eine Kopplung erfahren können, können zu mehr oder weniger Verschiebung und mehr oder weniger Geschwindigkeit in den unteren oder oberen Etagen führen. Es gibt keine universelle Beziehung zwischen Geschwindigkeit oder Verschiebung zwischen oberen und unteren Etagen.
Darüber hinaus weisen Erdbeben zwei Arten von Wellen auf, S-Wellen und P-Wellen. S-Wellen bewegen sich in einem Winkel von 45 Grad zur Ausbreitung und fallen langsam hinter P-Wellen bis zu dem Punkt zurück, an dem sich das Erdbeben tatsächlich in zwei Phasen trennt. Nachdem Sie dies persönlich erlebt haben, ist es tatsächlich leicht zu erkennen, ob Sie sich im Epizentrum oder weit entfernt befanden, da sich die Gebäudebewegung ändert und das Beben zwei unterschiedliche Spitzen aufweist. Sie benötigen kein Seismometer für ein ausreichend großes Beben, das weit genug entfernt ist. Die Bedeutung der beiden Wellentypen besteht darin, dass sie einzigartige Vibrationsmodi anregen können, nämlich Verdrehen oder Biegen. Daher gibt es nicht einmal eine universelle Antwort für ein Gebäude.
Ein hohes Gebäude ist der einfachste Weg, um zu visualisieren, wie die Geschwindigkeit und Frequenz im Erdgeschoss und in den oberen Stockwerken nicht unbedingt zusammenhängen.
Das Fundament ist normalerweise relativ fest, obwohl einige Konstruktionen versuchen, die Bodenbewegung von der Strukturbewegung durch die Verwendung mechanischer Lager verschiedener Art zu entkoppeln, wenn die Struktur auf das Fundament trifft. Auf dem festen Fundament bewegt sich ein hohes Gebäude entsprechend dem Erdbeben. Obwohl das Fundament schwer sein mag, ist die Erde immer noch schwerer.
Wenn sich das Gebäude in den oberen Etagen im Einklang mit der Bewegung befindet, ist es so, als würde ein Lichtmast mit seiner Eigenfrequenz gedrückt. Sie werden es höchstwahrscheinlich brechen lassen und die Bewegung oben wird schwerwiegend sein.
In hohen Gebäuden ist diese Frequenz in der Regel viel größer als die Erdbebenfrequenz. Während sich also etwas Energie ansammelt, bleibt aufgrund der zerstörerischen Interferenz und Dissipation in der großen Anzahl struktureller Verbindungen nur sehr wenig davon erhalten. Die gefährlichen Gebäude befinden sich rund um zehn Stockwerke. Kürzer als das, will das Gebäude schneller vibrieren als das Beben. Das Gebäude ist höher als dieses und möchte langsamer vibrieren als das Beben. In extremen Höhen wird die Energiedissipation stärker, da durch Hysterese einfach zu viel mechanischer Verlust entsteht, als dass 2n oder höhere Vibrationsmodi viel bewirken könnten.
Hier ist ein wirklich cooles Video von Gebäuden, die nach einem Erdbeben Energie aufgebaut haben. Beachten Sie, dass die seitliche Bewegung oben groß ist, aber Sie können sich vorstellen, dass die Geschwindigkeiten oben in Bezug auf den Aufbau im Verhältnis zu den festen Fundamenten nicht extrem sind.