Earthquake Engineering: Widersteht einem Gebäude Northridge Erdbeben 1994?

BUFFALO, N.Y. – In einem höhlenartigen, Lager-Art Gebäude hier an der University of Buffalo, eine Gruppe von Männern und Frauen auf harte Hüte und wartete auf ein Erdbeben der Stärke 6,7 zu streiken. Aber das war keine gewöhnliche Beben, erzeugt durch den Bruch der Störungen tief in der Erde – diese Gerüchte wurden absichtlich geschaffen.

Forscher an der Johns Hopkins University verbrachte den Sommer an der University of Buffalo Erdbeben engineering Research Center zu sehen, wie ein zweistöckiges Gebäude aus kaltgeformten Stahl gefertigt – dünnen, leichten Platten aus Stahl, die gerollt oder gepresst Balken, unter anderem moderne Wolkenkratzer zu bauen – starke seismische Kräfte zu widerstehen.

In den vergangenen Monaten, Benjamin Schäfer und Kara Peterman, sowohl der Wittling School of Engineering an der Johns Hopkins University in Baltimore, führte eine Reihe von Tests auf zwei ähnlich gebauten Gebäude – eine, die aus nur einer bloßen Stahlskelett und ein zweites mit äußeren Ummantelung und Elementoptionen Elemente hinzugefügt, inklusive Innenwände, eine Treppe und einen Mantel aus gelben Wetterschutz Material.

Mitte August hatte die Forscher bereits 131 verschiedene Shake Tests auf ihre Gebäude fertiggestellt, aber am 16. Aug. Schafer und Peterman vorbereitet für ihre letzte und stärkste Test noch: eine Simulation der Northridge-Erdbeben von 1994, die erschüttert Los Angeles, 60 Menschen getötet und etwa $ 13 Milliarden Schaden verursacht. [Bildergalerie: dieses Jahrtausends zerstörerische Erdbeben]

In die Prüfeinrichtung Erdbeben ist das zweistöckige Gebäude imposant, Messung von 50 Fuß (15 Meter) lang, 20 Fuß (6 m) breit und 20 Fuß (6 m) hoch. Die Struktur aussehen ist unauffällig – leicht, den ersten Etagen des jede angehende Neuentwicklung auf einer Baustelle zu verwechseln – sparen für einen Cluster von schweren Ketten entstammen dem unvollendeten Dach, Hallenkran, die verwendet wurde, um das Gebäude auf die Labortische massive schütteln zu senken. Diese beweglichen Plattformen, angetrieben durch Hydraulik-Pumpen, die durch eine Lücke in den Boden gerade noch sichtbar sind sind in der Lage die seismischen Kräfte eines Erdbebens zu replizieren.

Bekannte unbekannte

In ihren früheren Tests wurden kalt umgeformten Stahlkonstruktionen entwickelt, aufzustehen, um die kleinere Beben, dass Schafer und Peterman schufen, aber die Forscher nun neugierig wie ihre zweite Gebäude konnten, ausgestattet mit Innenwände und eine Treppe ergehen würde, wenn sie die Kräfte neu erstellt, so dass das Gebäude fast am Anfang das Northridge-Erdbeben Bruchlinie saß.

"In unseren anderen Tests," Wir wussten, das Gebäude wurde entwickelt, um noch nach, so, dass auf jeden Fall ein Gefühl von Vertrauen einflößt, aber heute ein großes Fragezeichen ist stehen"Peterman, freundlich und gesprächig Tiefbau Doktorand, LiveScience mit ein nervöses Lachen am Morgen des letzten Shake Test erzählt. "Wir wissen nicht wirklich, was wird passieren. Wir hoffen, dass es zumindest nicht katastrophal ist."

Beim Gebäude entworfen werden, übernehmen Bauingenieure so genannte Wandscheiben, die bestehen aus verspannten Platten und werden verwendet, um das Gebäude gegen Kräfte wie starkem Wind oder seismische Aktivität zu verankern. Aber während der eigentlichen Erdbeben — besonders intensiv diejenigen — Gebäude wirken etwas unregelmäßig, sagte Schäfer.

"Niemand sagt das Gebäude, welches Teil sollte das Erdbeben widerstehen, und welche nicht," Schäfer, der groß und Bücherwurm Stuhl der Abteilung für Bauingenieurwesen an der Johns Hopkins University und der Studie leitende Forscher, erzählte lebhaft LiveScience. "Ein Großteil der Bauteile kann bei einem Erdbeben verloben, und kann man nicht umhin. Für ein wirklich großes Erdbeben sagen, die meisten der Theorien, dass all die kleinen Sachen beschädigt werden könnte, aber Sie mit Wandscheiben gelassen werden, dass Sie am Anfang es unterstützen soll. Aber Sie können nicht diese Idee testen, bis Sie ein großes Erdbeben haben. Heute machen wir ein großes Erdbeben."

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Schütteln Sie Sie

Zehn Kameras und mehr als 100 Sensoren wurden am Gebäude der Umfang der Bewegung aufzeichnen und beschädigen die Struktur erlitten während der Prüfung angebracht. Wenn die Plattformen schütteln begann, erschüttert das zweistöckige Gebäude von Seite zu Seite, inmitten von lauten Grollen und mehrere ohrenbetäubenden Risse.

Am Ende wartete Schafer und Peterman für die Sensoren um anzugeben, dass das Gebäude noch strukturell stichhaltig war, bevor sie innen trat, um die Höhe des Schadens zu inspizieren. Nach sorgfältiger Prüfung die Wände aus nächster Nähe, leuchtenden Taschenlampen in dunklen Ecken und biegen um zu sehen, die die Gelenke zwischen den Wänden, die Forscher drängten sich zusammen um ihre frühen Beobachtungen zu besprechen, bevor Schäfer den Test ein voller Erfolg erklärt.

"Gibt es Risse und eine Menge Schaden in Ecken, aber es ist alles ziemlich Kosmetik," sagte Schäfer aufgeregt nach der Inspektion, Lächeln, als ob das Gebäude Widerstandsfähigkeit überrascht. "An einigen Stellen auf der Außenseite, sehen wir einige Schäden, und sobald wir das [Wetterschutz Material] ausziehen, wir möglicherweise in der Lage zu sehen, die Wandscheiben beschädigt, aber die Leistung war weit besser, als wir jemals hätte vorstellen können."

Schafer und Peterman haben, reißen Sie ihre Test-Gebäude in diesem Monat um Platz für ein neues Team von Forschern, die in die Erdbeben-Anlage verschieben wird. Nach anhaltenden Sommer Shake Tests, gipfelnd in der simulierten Northridge-Beben hat ihre Gebäude mit seinen nackten Wänden und einsamen Treppenhaus, seine Arbeit getan.

Peterman, sagte sie traurig, wenn das Gebäude abgerissen werden, aber sie nicht bekommen ihr Teststrukturen mehr verbunden. Noch, das erste Objekt, an dem sie jemals Erdbeben Tests durchgeführt – ein kleines, Palm-Size Objekt – sitzt stolz auf ihrem Schreibtisch bei der Arbeit, sagte sie.

Post-mortem Erdbeben

Unterdessen Schafer und Peterman Monate durch die Daten von den Sensoren pore dauern wird, aber bei der Erstuntersuchung des Gebäudes, sind die Forscher etwas Unerwartetes im zweiten Stock gestoßen.

Wenn die Struktur entworfen wurde, 11 Betonblöcke, jeweils mit einem Gewicht von 2.000 Pfund (907 Kilogramm), wurden auf der zweiten Etage zu repräsentieren, Möbel und Menschen, die möglicherweise in einem Gebäude in einem realen Erdbeben besetzen, und waren in dem tatsächlichen Northridge-Erdbeben aufgetürmt. [Die 10 größten Erdbeben in der Geschichte]

Nach dem simulierten Northridge-Beben waren Schafer und Peterman überrascht feststellen, dass die 2.000-lb-Blöcke aus ihren ursprünglichen Positionen ungefähr 10 Zoll (25 Zentimeter) verschoben.

"Wenn das Gebäude bewegt, die Blöcke etwas ganz eigenes waren", erklärte Schäfer. "sie alle zogen, einschließlich einer dieser Donked in der Rückwand, die den Sprung hätte sein kann, die, den wir gehört."

In der Autopsie des Gebäudes wird Schafer und Peterman jedes Stück des Gebäudes, einschließlich der auf der Suche nach versteckten Mängeln innerhalb der Mauern unter die Lupe nehmen. Ihre Ergebnisse könnten bundesweit Bauvorschriften für kaltgeformten Stahl-Gebäude zu verbessern, die für nieder- und Midrise Gebäude immer beliebter werden. Die Forschung konnte die Wahrscheinlichkeit zukünftiger katastrophalen Gebäude zusammenbricht in erdbebengefährdeten Gebieten des Landes verringern.

"Das Endziel der kaltgeformten Stahl Erdbebenbemessung Code verbessern", sagte Peterman. "In Zukunft werden wir effizienter Gestaltung kaltgeformten Stahl Gebäude, da wir eine Idee haben davon, was auf. Haben Sie ein besseres Bild von diesen Gebäuden Erdbebenlasten, wie darauf werden Sie in der Lage, fundierte Entwürfe machen."

Denise Chow auf Twitter folgen @denisechow . LiveScience folgen @livescience, Facebook & Google +.