Почему подземные толчки сильнее всего ощущаются на верхних этажах здания по сравнению с нижними этажами? Это как-то связано с рычагом третьего класса?
Почему подземные толчки сильнее всего ощущаются на верхних этажах здания по сравнению с нижними этажами? Это как-то связано с рычагом третьего класса?
Ответы:
Во-первых, ваше утверждение не всегда верно. Движение нижней части здания может быть больше или меньше на верхних этажах. Это зависит от типа движения, от того, насколько свободно здание может двигаться по другим осям, где вы находитесь относительно центра масс здания, и от того, достигает ли движение каких-либо резонансных частот здания.
Если движение возбуждает резонансную частоту, то движение, вероятно, будет больше, когда вы поднимаетесь выше. Представьте себе одну из тех игрушек для кошек, у которой на одном конце находится присоска, из которой выходит гибкая палочка, а на другом - шар из мягкого материала. Если бы вы переместили конец присоски немного в сторону, вы можете получить намного большее движение шара, если ваше движение на правильной частоте.
Чтобы показать уменьшенное движение над уровнем земли, представьте высокую тонкую коробку, сидящую на листе бумаги на столе. Если вы перемещаете бумагу вперед и назад так, чтобы сдвинуть дно коробки, позволяя ей поворачиваться так, как она хочет, середина коробки будет двигаться меньше всего. Это потому, что коробка действует как рычаг вокруг своего центра масс. На «полу», который соответствует центру масс, движение меньше, чем на дне. Затем движение снова становится больше, поднимаясь оттуда.
Гармоническая связь с естественными частотами вибрации здания, рассеяние энергии в массивном здании и разнообразие режимов вибрации, которые могут испытывать связь, могут привести к большему или меньшему смещению и большей или меньшей скорости на нижних или верхних этажах. Не существует универсальной связи между скоростью или перемещением между верхним и нижним этажами.
Кроме того, землетрясения имеют два основных типа волн: S-волны и P-волны. S-волны движутся под углом 45 градусов к распространению и будут медленно отставать от P-волн до такой степени, что землетрясение фактически разделится на две фазы. Лично испытав это, на самом деле легко определить, находились ли вы в эпицентре или далеко, потому что движение здания меняется, и землетрясение имеет два отчетливых пика. Вам не нужен сейсмометр для достаточно большого землетрясения достаточно далеко. Важность двух типов волн заключается в том, что они могут возбуждать уникальные вибрационные моды: скручивание или изгиб, поэтому для одного здания нет универсального ответа.
Высокое здание - это самый простой способ визуализировать, как скорость и частота на первом и верхнем этажах не обязательно связаны между собой.
Фундамент обычно относительно закреплен, хотя в некоторых конструкциях делается попытка отделить движение грунта от движения конструкции посредством использования механических подшипников различных типов, где конструкция встречается с фундаментом. У неподвижного фундамента высокое здание движется в соответствии с землетрясением. Несмотря на то, что фундамент тяжелый, земля еще тяжелее.
На верхних этажах, если здание находится в гармонии с движением, оно будет как бы толкать фонарный столб на своей собственной частоте. Скорее всего, вы сломаете его, и движение вверху будет серьезным.
В высоких зданиях, как правило, эта частота намного больше частоты землетрясения, поэтому, хотя некоторая энергия накапливается, ее очень мало сохраняется из-за всех разрушительных помех и рассеяния в большом количестве структурных соединений. Опасные здания встречаются прямо на десяти этажах. Короче, здание хочет вибрировать быстрее, чем землетрясение. Здание выше, оно хочет вибрировать медленнее, чем землетрясение. На экстремальных высотах рассеяние энергии становится более выраженным, поскольку механические потери из-за гистерезиса слишком велики для режимов колебаний 2n или более, чтобы иметь большой эффект.
Вот действительно классное видео о зданиях, которые накапливают энергию после землетрясения. Обратите внимание, что боковое движение наверху велико, но вы можете себе представить, что скорости наверху, связанные с накоплением, не являются экстремальными по отношению к фиксированным основаниям.