Det bästa av tsunamibeständig byggnad

Arkitekter och ingenjörer kan utforma byggnader som kommer att stå högt även under de mest våldsamma jordbävningarna. Men en tsunami (uttalad soo-NAH-mee), en serie unduleringar i en vattenmassa som ofta orsakas av en jordbävning, har kraften att tvätta bort hela byar. Även om ingen byggnad är tsunamisäker kan vissa byggnader utformas för att motstå kraftfulla vågor. Arkitektens utmaning är att designa för evenemanget OCH design för skönhet - samma utmaning som vi möter säker rum design.

tsunamis genereras vanligtvis av kraftfulla jordbävningar under stora vattenmassor. Den seismiska händelsen skapar en underjordisk våg som är mer komplex än när vinden helt enkelt blåser vattenytan. Vågen kan resa hundratals mil i timmen tills den når grunt vatten och en strandlinje. Det japanska ordet för hamn är tsu och nami betyder våg. Eftersom Japan är starkt befolkat, omgivet av vatten och i ett område med stor seismisk aktivitet, är tsunamier ofta associerade med detta asiatiska land. De förekommer dock över hela världen. Historiskt sett är tsunamier i USA mest utbredda på västkusten, inklusive Kalifornien, Oregon, Washington, Alaska och naturligtvis Hawaii.

En tsunamivåg kommer att bete sig annorlunda beroende på undervattensterrängen som omger strandlinjen (dvs hur djupt eller grunt vattnet är från strandlinjen). Ibland kommer vågen att vara som en "tidvattenborrning" eller våg, och vissa tsunamier kraschar inte på strandlinjen alls som en mer bekant, vinddriven våg. Istället kan vattennivån stiga mycket, mycket snabbt i det som kallas en "vågkörning", som om tidvattnet har kommit in på en gång - som en 100 fot högvattenvåg. Tsunami-översvämningar kan resa in i landet mer än 1000 fot, och "översvämningen" skapar fortsatt skada när vattnet snabbt drar sig tillbaka till havet.

Strukturer tenderar att förstöras av tsunamier på grund av fem allmänna orsaker. Först är vattnets kraft och höghastighetsvattenflödet. Stationära föremål (som hus) i vågens väg kommer att motstå kraften, och beroende på hur strukturen är konstruerad kommer vattnet att gå igenom eller runt den.

För det andra kommer tidvattenvågen att vara smutsig och påverkan av skräp som bärs av det kraftfulla vattnet kan vara det som förstör en vägg, ett tak eller en hög. För det tredje kan detta flytande skräp vara i brand, vilket sedan sprids bland brännbara material.

För det fjärde skapar tsunamin som rusar till land och sedan drar tillbaka till havet oväntad erosion och skur av grundar. Medan erosion är det allmänna slitaget från markytan, är skur mer lokaliserad - den typ av borttagning som du ser runt bryggor och högar när vatten rinner runt stationära föremål. Både erosion och skur kompromissar en strukturs grund.

Den femte orsaken till skador är från vågornas vindkrafter.

I allmänhet kan översvämningsbelastningar beräknas som för alla andra byggnader, men omfattningen av en tsunamis intensitet gör byggandet mer komplicerat. Tsunamis översvämningshastigheter sägs vara "mycket komplexa och platsspecifika." På grund av den unika naturen hos att bygga en tsunamibeständig struktur, har den amerikanska federala räddningsbyrån (FEMA) en speciell publikation kallad Riktlinjer för konstruktion av strukturer för vertikal evakuering från tsunamis.

System för tidig varning och horisontell evakuering har varit huvudstrategin under många år. Det nuvarande tänkandet är dock att utforma byggnader med vertikala evakueringsområden: istället för att försöka fly ett område klättrar invånarna uppåt till säkra nivåer.

"... en byggnad eller lantmark som har tillräcklig höjd för att höja evakuerade över tsunaminivån översvämning, och är konstruerad och konstruerad med den styrka och elasticitet som krävs för att motstå effekterna av tsunami vågor..."

Enskilda husägare och samhällen kan ta denna strategi. Vertikala evakueringsområden kan vara en del av utformningen av en byggnad med flera våningar, eller det kan vara en mer blygsam, fristående struktur för ett enda syfte. Befintliga strukturer såsom välkonstruerade parkeringsgarage kan betecknas vertikala evakueringsområden.

Skarp teknik i kombination med ett snabbt, effektivt varningssystem kan rädda tusentals liv. Ingenjörer och andra experter föreslår dessa strategier för tsunamibeständig konstruktion:

1. Bygg strukturer med armerad betong istället för trääven om träkonstruktionen är mer motståndskraftig mot jordbävningar. Armerad betong- eller stålramkonstruktioner rekommenderas för vertikala evakueringskonstruktioner.
2. Minska motståndet. Konstruera strukturer för att låta vattnet rinna igenom. Bygg strukturer med flera våningar, så att första våningen är öppen (eller på stylter) eller utbrytning så att den stora vattenkraften kan röra sig igenom. Stigande vatten kommer att göra mindre skador om det kan rinna under strukturen. Arkitekt Daniel A. Nelson and Designs Northwest Architects använder ofta denna strategi i de bostäder som de bygger vid Washingtonkusten. Återigen är denna design i strid med seismiska metoder, vilket gör denna rekommendation komplicerad och webbplatsspecifik.
3. Konstruera djupa fundament, stagda vid foten. En tsunamis styrka kan vända en annars fast, betongbyggnad helt på sin sida, substantiella djupa fundament kan övervinna det.
4. Konstruera med redundans, så att strukturen kan uppleva delvis misslyckande (t.ex. en förstörd stolpe) utan progressiv kollaps.
5. Låt så mycket som möjligt lämna vegetation och rev intakt. De kommer inte att stoppa tsunamivågor, men de kan fungera som en naturlig buffert och bromsa dem ner.
6. Rikta byggnaden i vinkel mot strandlinjen. Väggar som vetter direkt mot havet kommer att drabbas av mer skada.
7. Använd kontinuerliga stålramar som är tillräckligt starka för att motstå vindkraftvindar.
8. Designa strukturella kontakter som kan absorbera spänning.

FEMA uppskattar att "en tsunamibeständig struktur, inklusive seismiskt resistenta och progressiva kollapsresistenta designfunktioner, skulle uppleva ungefär en 10 till 20% storleksökning i totala byggkostnader jämfört med det som krävs för normal användning byggnader."

Den här artikeln beskriver kort designtaktiker som används för byggnader i tsunamikänsliga kustlinjer. För information om dessa och andra konstruktionstekniker, utforska de primära källorna.

• USA: s Tsunami Warning System, NOAA / National Weather Service, http://www.tsunami.gov/
• Erosion, Scour och Foundation Design, FEMA, januari 2009, PDF kl https://www.fema.gov/media-library-data/20130726-1644-20490-8177/757_apd_5_erosionscour.pdf
• Coastal Construction Manual, volym II FEMA, 4: e upplagan, augusti 2011, sid. 8-15, 8-47, PDF kl https://www.fema.gov/media-library-data/20130726-1510-20490-1986/fema55_volii_combined_rev.pdf
• Riktlinjer för konstruktion av strukturer för vertikal evakuering från Tsunami, 2: a upplagan, FEMA P646, 1 april 2012, sid. 1, 16, 35, 55, 111, PDF på https://www.fema.gov/media-library-data/1426211456953-f02dffee4679d659f62f414639afa806/FEMAP-646_508.pdf
• Tsunami-Proof Building av Danbee Kim, http://web.mit.edu/12.000/www/m2009/teams/2/danbee.htm, 2009 [åtkom 13 augusti 2016]
• Tekniken för att göra byggnader jordbävning - och tsunami - resistent av Andrew Moseman, Populär mekanik, 11 mars 2011
• Hur man gör byggnader säkrare i Tsunamis av Rollo Reid, Reid Steel