Japonia vs. trzęsienia ziemi, czyli najnowsze technologie w walce z katastrofami naturalnymi

Japonia to kraj, w którym trzęsienia ziemi są na porządku dziennym. Szacuje się, że rocznie występuje około 6000 wstrząsów. Większość z nich to mikrowstrząsy, które często są dla nas niezauważalne, ale zdarzają się również silne trzęsienia ziemi, które powodują ogromne straty w infrastrukturze i przede wszystkim w ludziach. Dlatego priorytetem jest poszukiwanie i wprowadzanie rozwiązań, które zminimalizują straty i uchronią Japończyków przed zagrożeniem. Wszyscy są za to odpowiedzialni, rząd, prywatne firmy i pojedynczy obywatele. Ten nowoczesny kraj jest pełen wysokich wieżowców, superszybkich pociągów. Mogłoby się wydawać, że liczne trzęsienia ziemi nie sprzyjają takim rozwiązaniom. Jeden wieżowiec koło drugiego i do tego trzęsienia ziemi. Przecież to musi skończyć się katastrofą?! Jednak Japonia od lat jest też liderem we wprowadzaniu technologii, które mają przeciwdziałać trzęsieniom. Wiele japońskich budynków wyposażono w elementy odporne na wstrząsy. Niektóre z nich pochłaniają wibracje, a inne sprawiają, że budynek wręcz pływa po swoich fundamentach. Ale zawalenie się budynków to nie jedynie zagrożenie wynikające z trzęsień. Mogą one powodować też pożary związane z awarią instalacji elektrycznej i gazowej lub odciąć dopływ wody pitnej. I na takie zagrożenia w Japonii również szuka się rozwiązań. I nie jest to możliwe dopiero teraz, gdy dostępne są technologie to umożliwiające. Już od 1000 lat w Japonii stosuje się techniki mające zapobiegać skutkom katastrof.

Pagoda ze świątyni Tōji w Kioto
450px-Pagoda_w_Toji_3.JPG
Photo-Wikipedia

Metody antywstrząsowe w japońskiej architekturze

W Japonii, aż do XIX wieku, wszystkie budynki były drewniane. Ludzie już od czasów starożytnych wiedzą, że materiały takie jak kamień i cegła nie są odporne na wstrząsy, dlatego wykorzystywano drewno. Dodatkowo zazwyczaj nie używano w ogóle gwoździ lub innych metalowych elementów. Z jednej strony, umożliwiało to szybką odbudowę budynku, który ucierpiał wskutek jakiejkolwiek katastrofy, np. pożaru. Z drugiej strony, miało właśnie działanie antywstrząsowe. Drewno bowiem posiada swoją elastyczność, która sprawia, że podczas wstrząsu lekko się przemieszcza zamiast ulec zniszczeniu. Oprócz drewna jako materiału budulcowego, stosowano również dodatkowe technologie zapobiegające zawaleniu. Idealnym tego przykładem są pagody przy buddyjskich świątyniach, np. pięciometrowa pagoda w świątyni Tōji w Kioto, która ma 55 metrów wysokości. Wysokie drewniane budynki, takie jak ten, znajdziemy w całej Japonii, wiele z nich zostało zostało strawionych przez ogień, ale w przekazach ustnych lub pisemnych nie ma żadnych dowodów na to, że jakiekolwiek zniszczenia były spowodowane przez trzęsienia ziemi. Pagodę Tōji ostatni raz odbudowano w 1644 roku i od tego czasu przetrwała każde trzęsienie ziemi. Jest to możliwe dzięki pojedynczemu filarowi, które biegnie przez środek pagody i jest wbudowany głęboko w ziemię. Filar nie jest przymocowany do żadnego z pozostałych elementów budynku, które go otaczają. Każde z pięciu pięter pagody jest obsługiwane przez niezależne filary i inne bardziej skomplikowane komponenty. Kluczem do odporności na trzęsienia ziemi jest właśnie ta pojedyncza, gruba i mocna belka, czyli centralny filar. Przeprowadzono nawet eksperyment, by udowodnić tę teorię. Badacze zbudowali model pagody w skali 1:5, aby sprawdzić, jak bardzo zostanie on uszkodzony przez trzęsienie ziemi. Podczas trzęsienia, centralny filar mocno porusza się w lewo i prawo, jednak reszta konstrukcji porusza, się w przeciwnym do niego kierunku. Ruchy te wzajemnie się wyhamowują, chroniąc wieżę przed zawaleniem.

Ta genialna w swej prostocie technologia jest wykorzystywana nawet współcześnie, w nowoczesnych i o wiele wyższych budynkach. Tokyo Skytree ma 634 metry wysokości i jest najwyższą wolno stojącą wieżą na świecie. I choć może lekko kołysać się na wietrze, to na pewno nie pęknie i nie ulegnie zniszczeniu, właśnie dlatego, że w Tokyo Skytree zastosowano tę samą zasadę co w pagodach. Centralny filar służy dodatkowo jako schody awaryjne. Nie jest połączony z innymi sekcjami budynku, więc gdy dochodzi do trzęsienia ziemi, porusza się w przeciwnym kierunku, niż reszta budynku co eliminuje wibracje.

Klasyczne japońskie domy są również odporne na trzęsienia ziemi. Podstawa fundamentów starych domów zbudowana jest na podłożu z kamieni, powyżej którego są filary, a powyżej filarów jest jeszcze inna podstawa. A więc fundamenty składają się z dwóch warstw. W fundamentach znajduje się też gruba belka, która służy jako dodatkowe wsparcie, a ponieważ jest wykonana z tak grubego materiału, nadaje całej konstrukcji niezwykłą odporność na trzęsienia ziemi.  Każdy filar stoi na kamieniu, więc przemieszczają się wraz z ziemią podczas trzęsienia ziemi, rozpraszając w ten sposób większość mocy trzęsienia. Filary mają kształt dopasowany do kamienia, na którym stoją, a każda kombinacja filara z kamieniem jest unikalna. Filary nie są przytwierdzone do ziemi, więc gdy dochodzi do trzęsienia, poruszają się, ale ruch ten absorbuje wstrząsy. Wewnątrz domu znajduje się nadproże, które wykonane jest z drewna, które jak wiemy posiada pewną elastyczność, podczas trzęsienia ziemi wygina się i porusza. Jest to bardzo subtelne, ale ruchy pochłaniają moc trzęsienia. Nadproża są umieszczane w filarach domu bez gwoździ lub śrub, jeśli zostałyby mocno przybite, gwoździe mogłyby wypaść podczas silnego trzęsienia ziemi naruszając całą konstrukcję. Zamiast tego na łączeniach jest więcej luzu, co daje większą stabilność strukturalną. Każda belka i filar są rzeźbione ręcznie, dlatego idealnie do siebie pasują. W suficie również znajduje się kilka dużych belek, które wzmacniają się nawzajem.

Trzęsienia ziemi występują w całej Japonii, a najsilniejsze powodują ogromne szkody. Z tego powodu prawo wymaga, by w japońskim budownictwie stosować się do pewnego poziomu odporności na trzęsienia ziemi. Zagrożenie jest stwarzane nie tylko przez walący się budynek, ale też przez spadające elementy w jego wnętrzu, jak, np. meble, co również może być śmiertelne dla człowieka. Im wyższy budynek, tym bardziej jest on podatny na trzęsienia, a jak wiemy, w Japonii jest mnóstwo wysoki budynków i wciąż budowane są nowe. Nowoczesna architektura wykorzystuje zaawansowane i najnowsze technologie, by możliwe było budowanie budynków odpornych na trzęsienia. Jednym ze sposobów jest wykorzystywanie betonu zbrojonego o specjalnych składzie, który sprawia, że jest odporny nawet na pęknięcia. W zależności od miejsca w jakim jest stosowany, stosuje się beton o różnej lepkości. Odpowiednia lepkość minimalizuje pęknięcia betonu. Wzmacnia to konstrukcję budowli i minimalizuje ryzyko zawalenia lub odpadnięcia części budynku.

Stosuje się też dwa typy łożysk, na których oparty jest cały budynek. Są to stalowe płyty i gumowe łożyska. Elementy te znajdują się w fundamentach budynku i poruszają się podczas trzęsienia ziemi. Zmniejszają w ten sposób ilości wstrząsów do mniej niż 1/10. Dzięki temu nawet podczas bardzo silnego trzęsienia ziemi budynek stoi w miarę stabilnie. Elementy te mogą przesuwać się we wszystkich kierunkach pochłaniając wibracje, zanim dotrą one do budynku. Obniża to intensywność poruszania nawet najwyższymi piętrami budynku, a także znacznie spowalnia kołysanie i wyhamowuje budynek. Zapobiega to uszkodzeniom budynku i chroni duże elementy przed przewróceniem.

Inna metoda, która jest dopiero w fazie testów, opiera się na niezwykłym pomyśle sprawienia, by budynek uniósł się nad ziemią podczas trzęsienia. Zbiornik z powietrzem, który znajdowałby się, np. w domu mieszkalnym, aktywował by się w ciągu sekundy od wykrycia wstrząsu i podnosił całą konstrukcję nad ziemią za pomocą ciśnienia powietrza.

Technologie przeciwko skutkom trzęsień ziemi w codziennym życiu

Technologie zapobiegające wstrząsom i minimalizujące ich skutki są nie tylko stosowane w budownictwie, ale też w codziennym życiu. W Japonii organizuje się nawet Earthquake Technology Expo, gdzie prezentowane są najnowsze pomysły.

Najnowszy system izolacji sejsmicznej wygląda jak cienkie i lekkie, metalowe płytki. Gdy jedna leży na drugiej zwykle są statyczne, ale w przypadku trzęsienia o sile 5 lub wyższej, górna płyta ślizga się na dolnej płycie. Wykorzystywany jest ten sam mechanizm jak w przypadku łożysk instalowanych w fundamentach budynków. Płyty są wykonywane na zamówienie i dopasowane wielkością do wymaganej powierzchni, od małych szaf lub dzieł sztuki po sprzęt medyczny i linie produkcyjne w fabryce. Ustawienie jakiegoś przedmiotu na płytach sprawia, że podczas trzęsienia ziemi, pozostaje on w bezruchu.

Zagrożeniem występującym podczas trzęsienia ziemi może być pożar spowodowany awarią linii energetycznej lub gazowej. Najnowszym rozwiązaniem są przełączniki zaprojektowane tak, by wykrywały trzęsienie i automatycznie odcinały przepływ energii elektrycznej. System powoduje odcięcie energii elektrycznej po 3 minutach, a więc daje wystarczająco dużo czasu na ewakuację, np. w nocy.

Na wypadek odcięcia dopływu wody pitnej, wynaleziono system oczyszczania wody z bardzo wydajnym filtrem odwróconej osmozy, który może być używany niezależnie od tego skąd jest źródło wody. Jest on też również wyjątkowo kompaktowy, dzięki czemu można go łatwo przechowywać. Odbiera on wodę ze źródła i przesyła ją do urządzenia oczyszczającego. Urządzenie działa nawet wtedy, gdy elektryczność jest wyłączona. Może wykorzystywać też siłę ludzkich rąk, ponieważ ma dodatkową ręczną pompę.

Jednym z problemów powodowanych przez wstrząsy są otwierające się szafki i wysuwające szuflady. Mogą uderzyć człowieka lub spowodować straty materialne, w postaci pobitej pamiątkowej porcelany i szkła. Na to również znaleziono rozwiązanie. Są nim odporne na wstrząsy zatrzaski instalowane wewnątrz szafek. Zatrzaski posiadają czujniki, które automatycznie wykrywają wstrząsy spowodowane przez wstrząsy i aktywują blokadę drzwi. Po ustąpieniu trzęsienia ziemi następuje automatyczne zwolnienie zatrzasków i drzwi od szafki znowu swobodnie się otwierają.

Technologie antywstrząsowe i zapobiegające skutkom trzęsień towarzyszą Japończykom na każdym kroku. Dzięki temu państwo, które doświadcza prawie najwięcej trzęsień w ciągu roku, jest jednocześnie na nie najbardziej odporne. Katastrofy naturalne nie są postrzegane jako zjawiska, z którymi nie da się walczyć. Podejmowane są wszelkie możliwe kroki, by straty z nich wynikające były jak najmniejsze.

Bibliografia:
1. Seismic and Wind Performance of Five-Storied Pagoda of Timber Heritage Structure, Advanced Materials Research Vols. 133-134 (2010) pp 79-95,© (2010) Trans Tech Publications, Switzerland
2. Five-story Pagodas: Why Can’t Earthquakes Knock Them Down? Wisdom from the Distant Past, NIPPONIA No.33 June 15, 2005
3. JAPANESE EARTHQUAKE RESISTANCE AND SEISMIC ISOLATION TECHNOLOGIES, web-japan.org, July 28 2011

Tagged , ,

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *